WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 12 Фотолюминесценция при комнатной температуре в диапазоне 1.5-1.6 мкм от наногетероструктур InGaAs / GaAs, выращенных при низкой температуре подложки +¶ + † † + © А.А. Тонких, Г.Э. Цырлин, В.Г. Талалаев, Б.В. Новиков, В.А. Егоров, + + + ‡ Н.К. Поляков, Ю.Б. Самсоненко, В.М. Устинов, N.D. Zakharov, P. Werner‡ + Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Институт аналитического приборостроения Российской академии наук, 190103 Санкт-Петербург, Россия † Институт физики, Санкт-Петербургский государственный университет, 198504 Санкт-Петербург, Россия ‡ Max Planck Institute of Microstructure Physics, Halle Weinberg 2, D-06120 Halle, Germany (Получена 23 мая 2003 г. Принята к печати 2 июня 2003 г.) Методами дифракции быстрых электронов на отражение, просвечивающей электронной микроскопии и фотолюминесценции исследовались гетероструктуры с квантовыми точками и квантовыми ямами In(Ga)As / GaAs, выращенные при низкой температуре подложки. Показано, что осажденный при низкой температуре на поверхность GaAs (100) арсенид индия формирует двумерные кластеры, состоящие из отдельных квантовых точек. В оптических спектрах структур, содержащих подобные кластеры, возникает излучение в диапазоне длин волн 1.5-1.6мкм.

1. Введение волны генерации вблизи 1.3 мкм с активной областью на основе массивов квантовых точек InAs / GaAs [6] Создание лазерных диодов с длиной волны генерации или квантовых ям InGaAsN [7]. В последнее время 1.55 мкм для глобальных волоконно-оптических линий появились публикации, посвященные исследованию изсвязи является актуальной задачей современной оптолучения гетероструктур на основе этих систем вблизи электроники [1]. На сегодняшний день по существу длины волны 1.55 мкм. В работе [8] авторы достигли реализован лишь один подход к решению этой задачи:

интенсивной фотолюминесценции (ФЛ) гетероструктур использование лазерных диодов с активной областью на с квантовыми ямами в системе InGaAsN / GaAs вблизи основе полупроводниковых гетероструктур с квантовы1.55 мкм. В той же системе InGaAsN / GaAs получена ФЛ ми ямами InGaAsP / InP. Однако такая система имеет гетероструктур с квантовыми точками на длинах волн два принципиальных недостатка: плохие температурные 1.3 и 1.55 мкм [9]. Добавление Sb в активную область характеристики лазерных диодов из-за слабого ограничелазера на основе квантовых ям GaInNAs / GaAs позволиния электронов в активной области и низкие параметры ло авторам [10] создать полосковый лазер, излучающий брэгговских зеркал из-за малого различия коэффициенна длине волны 1.5 мкм при комнатной температуре с тов преломления слоев InGaAsP / InP и малой теплопороговой плотностью тока 3.5 кА / см2 и мощностью изпроводности InGaAsP [2]. Эти недостатки стимулируют лучения на выходе 22 мВт. В работе [11] авторы показаисследования по созданию лазерных диодов с длиной ли возможность получения длинноволнового излучения волны излучения вблизи 1.55 мкм в других системах. На ( 1.7мкм) от структур с латерально совмещенными сегодняшний день существует ряд направлений, в рамквантовыми точками (AQDs) InAs / GaAs, полученными ках которых проводятся подобные исследования. Наприпри низкой температуре подложки ( 320-350C). Врамер, предложено выращивание квантовых точек (QDs) боте [12] впервые сообщалось о наблюдении электроInAs на подложках InP [3], выращивание квантовых ям в системе GaAsSbN / GaAs [4], а также легирование полу- люминесценции с длиной волны излучения в диапазоне проводникового материала (например, GaN) эрбием [5]. 1.55-1.6 мкм при температурах вплоть до 260 K от Наиболее перспективным нам представляются подходы, структур с AQDs. В нашей работе применялась модифив которых используются подложки GaAs, вследствие кация последнего метода, которая включает несколько более высокой температурной стабильности получаемых положений. Мы осаждали InAs на подложку GaAs при лазерных структур и возможности выращивания брэгнизкой температуре и с низкой скоростью роста, исслеговских зеркал Al(Ga)As / GaAs за один эпитаксиальный довали влияние разориентации поверхности подложки цикл. Однако работы в системах Ga(In)As / GaAs и при низкотемпературном осаждении InAs / GaAs, а также Ga(In)As(N) / GaAs до недавнего времени были в основиспользовали осаждение при низкой температуре тверном нацелены на создание лазерных диодов с длиной дого раствора In0.5Ga0.5As в металл-стабилизированных ¶ E-mail: alex234@newmail.ru условиях.

Фотолюминесценция при комнатной температуре в диапазоне 1.5-1.6 мкм... 2. Эксперимент 3. Результаты и их обсуждение Ростовые эксперименты проводились на установке На рис. 1 представлено ПЭМ-изображение поперечмолекулярно-пучковой эпитаксии ЭП1203 с использо- ного сечения образца первого типа с эффективной ванием полуизолирующих подложек GaAs (100). Иссле- толщиной слоя InAs 3 МС, покрытого слоем GaAs дуемые образцы состояли из буферного слоя GaAs, толщиной 5 нм при той же температуре подложки 350C.

низкотемпературной активной области, а также двух Анализ изображения показывает, что InAs сосредотокороткопериодных сверхрешеток (SL) GaAs / AlGaAs, чен в наноостровках. Изображение позволяет оценить препятствующих безызлучательной рекомбинации носи- размеры островков. Латеральные размеры составляют телей на интерфейсе с подложкой и в приповерхностной величину 7 нм, а высота 3 нм. Следует отметить, области. Температура роста структуры, за исключени- что оценки характерных размеров квантовых точек InAs, ем низкотемпературной активной области, составляла полученных при температурах осаждения 450-500C, 580C. Исследуемые образцы различались методикой таковы: 12-14 нм для латеральных размеров и 4-6нм формирования активной области. Нами предложено для высоты [14,15]. Таким образом, в нашем случае несколько принципиальных нововведений по сравнехарактерные размеры островков InAs меньше. Снижение нию с предыдущими работами [11–13], которые можно размеров островков InAs / GaAs при понижении темпераусловно разделить на три типа. К первому типу мы туры подложки (в диапазоне 420-500C) было отмечено относим осаждение InAs на поверхность GaAs при также в работе [16]. Сравнение спектров ФЛ (рис. 2) низкой температуре подложки (350-410C) и низкой образцов, выращенных при низкой (спектр 1) и высокой скорости роста ( 0.03 / c); ко второму — осаждение (спектр 2) температурах подложки, подтверждают этот твердого раствора In0.5Ga0.5As при низкой температуре факт. На рис. 2 в спектре 1 наблюдаются две осоподложки; к третьему — выращивание InAs на вибенности. Коротковолновый пик (1.15 эВ) соответствуцинальной поверхности подложки с низкой скоростью ет излучательной рекомбинации носителей с основных роста при температурах ниже 300C. Эффективная толщина слоя InAs для всех образцов, за исключением образцов с твердым раствором InGaAs, составляла монослоя (МС). Толщины твердого раствора InGaAs в исследуемых образцах второго типа варьировались от до 5 нм.

В процессе роста всей структуры поток As4 поддерживался постоянным так, что соотношение потоков In / As при скорости роста InAs 0.03 / с составляло 1/100, а соотношение потоков Ga/As при росте GaAs 1/2.

Для низкотемпературных слоев в образцах второго типа рост твердого раствора InGaAs происходил в металлстабилизированных условиях (без прямого потока As4 к подложке). После осаждения слоя, содержащего In, слеРис. 1. ПЭМ-изображение поперечного сечения образца с довало выращивание низкотемпературного слоя GaAs 3 МС InAs, осажденными при температуре подложки 350C.

толщиной 5 нм для предотвращения испарения InAs при последующем подъеме температуры и росте высокотемпературной части структуры. При выращивании образцов третьего типа нами использовались вицинальные подложки GaAs (100), поверхность которых была разориентирована в направлении [011] на угол 7. Температура подложки определялась с помощью экстраполяции данных пирометра и по показаниям термопары нагревателя образца. Процесс осаждения In(Ga)As контролировался с помощью дифракции быстрых электронов на отражение (ДБЭО).

Фотолюминесценция возбуждалась излучением Ar+лазера с длиной волны 488 нм и плотностью мощности 2Вт/ см2. Детектирование сигнала ФЛ осуществлялось с помощью охлаждаемого Ge-фотодетектора (Edinburgh Instruments) на выходе из монохроматора. Измерения методом просвечивающей электронной микроскопии Рис. 2. Спектры фотолюминесценции структур, содержа(ПЭМ) проводились на электронном микроскопе щих 3 МС InAs, выращенных при температурах 350 (1) и JEM 4010. 480C (2). Температура измерения 300 K.

4 Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 1458 А.А. Тонких, Г.Э. Цырлин, В.Г. Талалаев, Б.В. Новиков, В.А. Егоров...

уровней отдельно стоящих квантовых точек (QDs). Из подложки. Наиболее характерные оптические и струксравнения положения этого пика с энергией максимума турные свойства для образцов данного типа представлеспектра 2 для образца, в котором 3 МС InAs осаждены ны на рис. 3 и 4.

при температуре подложки 480C, мы заключили, что На рис. 3 приведены спектры ФЛ структур второго экситонный уровень в низкотемпературных квантовых типа, которые, по аналогии со структурами первого точках лежит выше на 100 мэВ по сравнению с таковым типа, содержат длинноволновый пик в области 1.6 мкм.

в высокотемпературных квантовых точках. Это свидеОднако в отличие от спектров образцов первого типа, в тельствует о меньших размерах квантовых точек, что данном случае нам удалось различить длинноволновые также подтверждается данными ПЭМ (рис. 1). Второй пики лишь при низких температурах (77 K). Причина особенностью спектра 1 является новая полоса на длине волны 1.6 мкм ( 0.78 эВ). Вработе [11] сделано предположение, что причиной возникновения такой полосы ФЛ является наличие AQDs. ПЭМ-изображение (рис. 1) подтверждает наличие AQDs в нашем образце. Видно, что островки InAs образуют конгломераты, что не характерно для массива квантовых точек InAs, выращенного при высокой температуре подложки [16]. Однако из данного ПЭМ-изображения поперечного сечения (рис. 1) нельзя заключить, формируют ли островки InAs цепочки, или распределены в виде двумерных кластеров по поверхности GaAs. Данный вопрос будет обсуждаться нами далее на основании ПЭМ-изображения в планарной геометрии.

Вторым типом исследуемых структур были образцы, в которых активная область формировалась осаждением 50%-го твердого раствора InGaAs при низкой температуРис. 3. Спектры фотолюминесценции структур, содержащих ре подложки. Методами дифракции быстрых электронов твердый раствор In0.5Ga0.5As, осажденный на подложку GaAs на отражение (ДБЭО) и ФЛ нами было установлено, при температуре 350C. Толщина слоя In0.5Ga0.5As, нм: 1 —2, что свойства структур InGaAs / GaAs, выращенных при 2 —3, 3 — 5. Температура измерения 77 K.

низкой температуре подложки ( 350C), существенно зависят от соотношения потоков элементов III группы (Ga + In) и As4. Предварительные эксперименты показали, что в условиях избытка молекулярного мышьяка (соотношение потоков (In + Ga) / As4 1/40) после осаждения 23 твердого раствора In0.5Ga0.5As на поверхности образца происходит формирование островков InGaAs, наблюдаемое по характерному изменению картины ДБЭО. При уменьшении потока As4 в 2 раза (соотношение (In + Ga) / As4 1/20) формирование островков InGaAs происходило после осаждения 34 твердого раствора InGaAs. В то же время осаждение In+ Ga при закрытой заслонке потока As4 (фоновое давление в ростовой камере при этом составляло 1 · 10-6 Па) не приводило к образованию островков InGaAs вплоть до толщины растущей пленки 100. Кроме того, было отмечено, что даже при последующем низкотемпературном росте GaAs избыточный поток мышьяка приводит к формированию островков InGaAs на стадии заращивания. При попытках осадить слой In0.5Ga0.5As толщиной, превышающей указанные выше критические толщины перехода к островковому росту, происходило образование дислокаций несоответствия, ухудшающих оптические характеристики структур. Таким образом, нами установлено, что выращивание твердого раствора Рис. 4. ПЭМ-изображение поперечного сечения образца InGaAs при низких температурах подложки происходит с твердым раствором In0.5Ga0.5As толщиной 5 нм (верхнее планарно лишь в металл-стабилизированных условиях изображение) и 3 нм (нижнее изображение), осажденным при при отсутствии прямого потока мышьяка на поверхность температуре 350C.

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. Фотолюминесценция при комнатной температуре в диапазоне 1.5-1.6 мкм... ухудшения оптических характеристик данного типа образцов при повышении температуры измерений становится понятна из анализа рис. 4. На рисунке представлены ПЭМ-изображения поперечного сечения структур с 5 и 3 нм In0.5Ga0.5As. Белыми стрелками отмечены дислокации несоответствия, за счет которых частично снимаются упругие напряжения в структуре.

Заметим, что количество дислокаций несоответствия значительно меньше в образце с 3 нм InGaAs. Этот факт является следствием снижения общего количества InAs, внедренного в структуру данного образца, по сравнению с образцом, содержащим 5 нм InGaAs.

Сопоставление данных рис. 3 и 4 позволяет сделать заключение о том, что в структурах второго типа интенсивность ФЛ в основном определяется плотностью Рис. 5. Спектры фотолюминесценции структур, содержащих дислокаций несоответствия. Помимо наблюдаемых 3 МС InAs, выращенных при температуре 250Cна подложках дислокаций несоответствия характерной особенностью GaAs: 1 — разориентация поверхности GaAs 7 в направледанных изображений является то, что слой InGaAs не нии [011]; 2 — сингулярная поверхность GaAs. Температура представляется цельным, а состоит из набора мелких измерения 300 K.

объектов (отмечены черными стрелками). Эти объекты (островки) обогащены InAs, а их латеральные размеры составляют величину 7 нм. Таким образом, из рис. следует, что даже при эпитаксии в условиях двумерного роста (переход от двумерного к трехмерному росту не наблюдался на картинах ДБЭО) в исследуемых структурах образуются близко расположенные островки InAs, что характерно для образцов первого типа, в которых островки InAs формировались в процессе осаждения.

В работе [11] было сделано предположение о том, что осаждение InAs на подложку GaAs при температурах подложки ниже 300C не приводит к появлению латерально связанных квантовых точек InAs / GaAs вследствие слишком малой поверхностной миграции атомов In на поверхности GaAs. Нами проведен эксперимент по осаждению InAs на подложку GaAs при температуре Рис. 6. ПЭМ-изображение в планарной геометрии образца 250C, причем было выращено 2 образца с одинаковым с 3 МС InAs, осажденными при температуре 250C на виколичеством InAs, которые отличались друг от друга цинальную поверхность GaAs, разориентированную на 7 в углом разориентации поверхности GaAs (третий тип).

направлении [011].

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.