WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 11 Излучение на 1.3–1.4 мкм в структурах с массивами связанных квантовых точек, выращенных методом субмонослойной эпитаксии © Б.В. Воловик, Д.С. Сизов, А.Ф. Цацульников, Ю.Г. Мусихин, Н.Н. Леденцов, В.М. Устинов, В.А. Егоров, В.Н. Петров, Н.К. Поляков, Г.Э. Цырлин Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Институт аналитического приборостроения Российской академии наук, 198103 Санкт-Петербург, Россия (Получена 26 апреля 2000 г. Принята к печати 28 апреля 2000 г.) Были исследованы оптические свойства структур с вертикально-связанными квантовыми точками, выращенными методом комбинированной субмонослойной молекулярно-пучковой эпитаксии. Показано, что при определенных параметрах роста возможно образование латерально-связанных конгломератов квантовых точек в верхних рядах, при этом соответствующее излучение фотолюминесценции находится при длинах волн 1.3–1.4 мкм при комнатной температуре.

Введение ве КТ. В данной работе мы показываем возможность реализации излучения на длинах волн вплоть до 1.39 мкм Реализация излучения в диапазоне длин волн 1.3 и при комнатной температуре, используя структуры со 1.55 мкм на основе гетероструктур на подложках GaAs связанными КТ, выращенными методом комбинированявляется актуальной задачей современной микроэлек- ной субмонослойной молекулярно-пучковой эпитаксии, троники, так как лазеры этого диапазона являются основ- включающей в себя осаждение субмонослойных покрыными компонентами современных систем оптоволокон- тий InAs и чередующееся субмонослойное осаждение атомов In и As [9] (так называемый метод субмонослойной связи. Используемые на настоящий момент для их ной миграционно-стимулированной эпитаксии [10]).

создания гетероструктуры на подложках InP обладают рядом существенных недостатков. Так, такие приборы характеризуются сильной температурной чувствительЭксперимент ностью (типичные значения характеристической температуры T0 = (60-80) K) [1]. Кроме того, создание Исследуемые структуры были выращены методом поверхностно-излучающих лазеров в этой системе замолекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) на установке труднено недостаточной разницей показателей прелоЭП1203 на полуизолирующих сингулярных и вицинальмления в слоях, составляющих распределенные брэгных подложках GaAs(100). Формирование КТ контроговские отражатели. На текущий момент наибольшие лировалось по картине дифракции быстрых электронов успехи в создании лазеров на 1.3 мкм на подложках на отражение (ДБЭО) с помощью системы регистрации GaAs достигнуты при использовании гетероструктур и анализа картин ДБЭО. Каждый слой КТ общей InGaAsN/GaAs [2] и структур с InGaAs/GaAs квантовыми толщиной 2.5 монослоя (МС) InAs выращивался по точками (КТ) [3,4]. Исследованиям возможности реалиследующей методике: первые 0.5 МС InAs осаждались зации длинноволнового излучения в последней системе непрерывно, последующие 2.0 МС InAs — методом субпосвящена данная работа.

монослойной миграционно-стимулированной эпитаксии Получение длинноволнового излучения в системе (СМСЭ), при котором потоки индия и мышьяка наInGaAs/GaAs затруднено большим рассогласованием паправлялись на поверхность подложки последовательно.

раметров решетки. Так, максимальная длина волны геПри СМСЭ в каждом случае производилось 4 цикла нерации лазера на основе InGaAs/GaAs-квантовой ямы осаждения. Один цикл осаждения атомов индия соот(КЯ) составляет 1.21 мкм [5]; дальнейший длинноволветствовал напылению 0.5 МС InAs, после каждого циновый сдвиг приводит к катастрофической деградации кла напыления In поверхность выдерживалась в потоке качества структуры вследствие образования дислокаций мышьяка в течение 10 с. Во время напыления индия несоответствия. Использование массивов КТ позволяет наблюдалась реконструкция поверхности (4 1), во существенно расширить диапазон излучения [6]. Для время выдержки поверхности под мышьяком сверхструкреализации длинноволнового излучения в квантовых тура вначале изменялась на (1 1), а после напыточках In(Ga)As/GaAs были использованы различные ления 2 МС InAs на тяжах образовывались объемные методы: осаждение КТ при сверхнизких скоростях ро- рефлексы, свидетельствующие об образовании трехмерста [7], использование чередующегося субмонослойного ных островков. Активная область, помещенная между осаждения In, Ga и As [3], а также заращивание КТ слоем слоями GaAs толщиной 6 нм с каждой стороны, состоInGaAs [4,8]. Последние два метода привели к созданию яла из 6–15 слоев квантовых точек InAs, разделенных лазеров, излучающих на длине волны 1.3 мкм, на осно- барьерами GaAs толщиной 8–12 нм. Для предотвращеИзлучение на 1.3–1.4 мкм в структурах с массивами связанных квантовых точек... Рис. 1. Спектры фотолюминесценции для образцов с 10 рядами квантовых точек: a — разделенных барьерами GaAs различной толщины L; температура измерений T, K: сплошные линии — 300, штриховые — 77; b — при различной плотности возбуждения, T = 15 K, L = 8нм.

ния переноса неравновесных носителей при проведении чества InAs, возможно только при большой толщине оптических исследований в приповерхностную область барьера, а сужение барьера приводит к деградации ини в область подложки, активная область ограничивалась тенсивности фотолюминесценции (ФЛ) вследствие обрас обеих сторон короткопериодными сверхрешетками зования дислокаций несоответствия.

Al0.25Ga0.75As/GaAs (5пар, 25 /25 ). Сверху структура На рис. 1 показаны спектры ФЛ для структур с покрывалась слоем GaAs толщиной 5 нм. Температура несколькими слоями КТ толщиной 2.5 МС, разделенных роста составляла 470–480C для активной области (мо- барьерами GaAs толщиной от 8 до 12 нм. В спекмент изменения поверхностной реконструкции с (2 4) тре ФЛ каждого из образцов есть 2 основные полона (4 4)) и 600C для остальной части структу- сы. Первая (линия QD), максимум которой находится при 1.16-1.18 эВ при низкой температуре, по своему ры (момент изменения поверхностной реконструкции положению соответствует излучению из обычных КТ, с (2 4) на (3 1)). Скорости роста, измеренные сформированных при осаждении 2.5 МС InAs. В то предварительно на калибровочном образце с помощью же время более длинноволновая полоса C, очевидно, методики осцилляции интенсивности ДБЭО в нулевом имеет другую природу. Это предположение подтверждарефлексе, составляли 0.1, 0.3 и 0.77 МС/с для InAs, AlAs ется тем, что при снижении плотности возбуждения и GaAs соответственно. Общее давление паров мышьяка при низкой температуре относительная интенсивность в ростовой камере, измеренное с помощью датчика типа линий QD и C практически не изменяется (рис. 1, b).

ПММ-46, было постоянным при всех экспериментах и Отметим также, что относительная интенсивность посоставляло (1.5-2.1) · 10-6 Па. Исследования методом лосы C возрастает при уменьшении толщины барьера просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) проGaAs между слоями КТ. Таким образом, можно предводились на электронном микроскопе Philips EM-420 при положить, что данная полоса соответствует излучению ускоряющем напряжении 100 кВ. Фотолюминесценция из связанных КТ, образующихся при мультиплицировозбуждалась Ar+-лазером (длина волны 514.5 нм) и вании слоев КТ с малой толщиной барьера. В то же детектировалась охлаждаемым Ge-диодом.

время, как показывают результаты наших предыдущих исследований [12], в случае туннельного взаимодействия Результаты исследования и обсуждение электронных состояний в островках соседних слоев наблюдается монотонный сдвиг линии ФЛ в длинноволВ данной работе были исследованы структуры с не- новую сторону при уменьшении толщины барьера. Так сколькими слоями КТ, каждый из которых формировался как при толщинах барьера 8-12 нм, используемых в в результате осаждения 2.5 МС InAs. Как было показано данных структурах, степень вертикальной корреляции в наших предыдущих работах [11], мультиплицирование островков соседних рядов очень высока [13], то две КТ, полученных осаждением большего (3МС) коли- линии ФЛ не могут определяться точками, связанными Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 1370 Б.В. Воловик, Д.С. Сизов, А.Ф. Цацульников, Ю.Г. Мусихин, Н.Н. Леденцов, В.М. Устинов...

и не связанными в вертикальном направлении. Таким образом, мы предполагаем, что длинноволновая полоса ФЛ связана с конгломератами КТ, образующимися в верхних рядах при достаточно малой толщине барьера.

Как было показано в работах [12,14], при осаждении достаточно большого числа плоскостей КТ латеральные размеры КТ в верхних рядах возрастают, в то же время плотность массива задана плотностью островков первого ряда вследствие вертикальной корреляции. Таким образом, возможно перекрытие соседних островков верхних рядов в плоскости роста. Подобный эффект был ранее описан нами для КТ InGaAs, выращенных методом МПЭ без использования режимов СМСЭ [14]. Необходимо отметить, что для КТ, выращенных в режиме обычной МПЭ, эффект латерального перекрытия начинает играть роль при существенно меньших толщинах барьера GaAs.

Это связано с тем, что КТ, выращенные в режиме СМСЭ, имеют большие размеры, чем КТ, выращенные обычной МПЭ [10]. Следовательно, в этом случае увеличение размера КТ верхних рядов приводит к латеральному перекрытию даже при больших толщинах барьера.

Нами были исследованы также структуры, в которых варьировалось число слоев КТ при постоянной толщине Рис. 3. Фотографии, полученные методом просвечивающей барьера GaAs (8нм). Спектры ФЛ от таких структур электронной микроскопии в поперечном сечении для образцов представлены на рис. 2. Видно, что при увеличении с числом рядов квантовых точек N: a —6, b — 10. Толщина количества рядов длинноволновая часть спектра (полобарьеров GaAs L = 8нм.

са C) становится доминирующей, и ее максимум сдвигается в длинноволновую сторону вплоть до 1.39 мкм для 15 слоев КТ. Таким образом, данные ФЛ для этой серии образцов также подтверждают наше предположение о латеральном перекрытии КТ верхних рядов в плоскости роста. На рис. 3 представлены фотографии, полученные методом ПЭМ в поперечном сечении для образцов с 6 и 10 слоями КТ, разделенных барьерами GaAs толщиной 8 нм. На фотографии видны ”колонки” точек, причем степень вертикальной корреляции очень велика. Латеральные размеры островков каждого следующего ряда превышают размеры точек предыдущего ряда, достигая 30 нм для верхнего ряда КТ в структуре с 6 слоями КТ. Для образца с 10 слоями КТ увеличение латеральных размеров КТ верхних рядов приводит к их латеральному перекрытию, что видно на фотографии ПЭМ. Мы полагаем, что линия C в спектре ФЛ связана с такими конгломератами КТ. Эта линия находится в диапазоне длин волн 1.3–1.4 мкм при комнатной температуре, для структуры с 15 слоями КТ максимум линии ФЛ находится на длине волны 1.39 мкм.

Отметим, что если при низкой температуре относительная интенсивность полос QD и C сравнима, то при комнатной температуре линия C становится доминирующей в спектре. Это связано с тем, что при повышении Рис. 2. Спектры фотолюминесценции для образцов с разтемпературы активируется термический выброс носителичным количеством рядов квантовых точек, разделенных лей из островков. При этом выброс более эффективен барьерами GaAs (L = 8нм); N — число рядов квантовых для КТ меньшего размера, имеющих меньшую энергию точек; температура измерений T, K: сплошные линии — 300, штриховые — 77. локализации (т. е. тех островков, с которыми связана Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. Излучение на 1.3–1.4 мкм в структурах с массивами связанных квантовых точек... Рис. 4. Спектры фотолюминесценции для образцов с 10 рядами квантовых точек, разделенных барьерами GaAs различной толщины L, выращенных на сингулярных и разориентированных подложках; температура измерений T, K: сплошные линии — 300, штриховые — 77; толщина барьеров L, нм: a —8, b — 10, c — 12.

линия QD). Кроме того, при высоких температурах Мы связываем данный эффект с тем, что при развозрастает вероятность переноса носителей между КТ ориентации подложки происходит образование террас как в плоскости, так и в направлении роста. Данные при- на поверхности, которое для КТ, выращенных методом чины приводят к уменьшению заселенности малых КТ и СМСЭ, вызывает увеличение плотности массива КТ и соответственно падению относительной интенсивности уменьшение их размеров [10,11]. Мы предполагаем, линии QD в спектре. что в этом случае поля напряжений, обусловленные Нами также было исследовано влияние разориентации КТ и вызывающие их вертикальную корреляцию, такподложки на оптические свойства структур. В одном же изменяются, что приводит к падению латеральных технологическом процессе выращивались структуры как размеров КТ верхних рядов. При этом вероятность их на сингулярной (100) подложке, так и на подложках, раз- латерального перекрытия уменьшается и соответственно ориентированных на углы 5-7 (для различных образ- относительная интенсивность линии C в спектре также цов) вдоль различных кристаллографических направле- падает. Уменьшение размера КТ подтверждается коротний. На рис. 4 показаны спектры ФЛ для образцов с коволновым смещением линии QD при разориентации.

10 слоями КТ и тощиной барьера 8, 10 и 12 нм, выращенПри большой толщине барьера размер КТ верхних ряных на сингулярных и разориентированных подложках.

дов меньше, и влияние разориентации на вероятность Разориентация подложки на 7 приводит к существенным латерального перекрытия велико. При малой толщине изменениям в форме спектра и положении линий ФЛ, барьера латеральное перекрытие остается значительным причем влияние разориентации различно для образцов с и при росте на разориентированных подложках. Таким разной толщиной барьера GaAs между рядами КТ. При образом, разориентация подложки влияет на образование толщине барьера GaAs, равной 12 нм, разориентация конгломератов КТ.

приводит к исчезновению линии C в спектре ФЛ. Для образца с толщиной барьера 10 нм разориентация вдоль направления [001] вызывает уменьшение интенсивности Заключение линии C и ее сильный коротковолновый сдвиг, а раз Таким образом, мы исследовали оптические свойства ориентация вдоль направления [010] — исчезновение структур, полученных при мультиплицировании слоев этой линии в спектре ФЛ при низкой температуре. В то же время при уменьшении толщины барьера до 8 нм КТ, выращенных методом субмонослойной молекулярноразориентация приводит к коротковолновому сдвигу как пучковой эпитаксии. Показано, что при достаточно малинии QD, так и линии C на величину 40–60 мэВ, при лой толщине барьера GaAs (менее 10 нм) увеличение этом относительная интенсивность линий изменяется латеральных размеров КТ верхних рядов приводит к слабо. перекрытию КТ в плоскости роста, что сопровождается Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 1372 Б.В. Воловик, Д.С. Сизов, А.Ф. Цацульников, Ю.Г. Мусихин, Н.Н. Леденцов, В.М. Устинов...

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.