WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 12 Рост методом молекулярно-пучковой эпитаксии и фотолюминесцентные свойства квантовых ям InAsSb / AlSbAs © В.А. Соловьев¶, Я.В. Терентьев, А.А. Торопов, Б.Я. Мельцер, А.Н. Семенов, А.А. Ситникова, С.В. Иванов, J.R. Meyer, П.С. Копьев Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Naval Research Laboratory, Washington, DC 20375 USA (Получена 16 мая 2002 г. Принята к печати 17 мая 2002 г.) Гетероструктуры с одиночными квантовыми ямами InAs1-xSbx / AlSb1-yAsy были получены методом молекулярно-пучковой эпитаксии на подложках GaSb (001) и исследованы методами рентгеновской дифрактометрии, просвечивающей электронной микроскопии и фотолюминесценции. В структурах обнаружена интенсивная люминесценция при температуре 80 K с полушириной пика 30-50 мэВ и длиной волны в дипапзоне 2-4.5 мкм в зависимости от толщины квантовой ямы, которая варьировалась от 4 до 20 нм соответственно. Проведен расчет края фундаментального поглощения таких квантовых ям в широком диапазоне составов x и y. Получено хорошее соответствие между экспериментальными и теоретическими зависимостями ширины запрещенной зоны InAsSb / AlSbAs-квантовой ямы от ее толщины.

1. Введение мы, имеющего дополнительную высокотемпературную зону для разложения молекул Sb4 и создающеПолупроводниковая система InAsSb / AlSbAs предго поток, состоящий в основном из молекул Sb2.

ставляется перспективной для конструирования лазеДля снижения плотности дефектов в активной обларов среднего инфракрасного диапазона (длины волн сти структуры вначале выращивалась буферная об2-5мкм [1,2]), поскольку в ней сочетаются малая ласть при температуре подложки TS = 500C, состоширина запрещенной зоны твердого раствора InAsSb ящая из слоя GaSb толщиной 0.5 мкм, посередине (< 0.4эВ) и большой разрыв зоны проводимости на которого располагалась десятипериодная сверхрешетинтерфейсе. Кроме того, при достаточно большом сока 10 [Al0.5Ga0.5Sb (5нм)/GaSb (5нм)]. Рост InAs(Sb)держании сурьмы в InAsSb и мышьяка в AlSbAs эти квантовой ямы, заключенной между нижним и верхним твердые растворы образуют между собой гетеропереход AlSbAs-барьерами, толщиной 23 и 38 нм соответственно, типа I, в отличие от бинарных соединений InAs и AlSb, а также верхнего 5 нм GaSb-слоя проходил при более образующих гетеропереход типа II [3]. Варьируя состав низкой температуре (420C), так как, согласно результаInAsSb и AlSbAs, можно выращивать псевдоморфные там работы [5], эта температура является оптимальной квантово-размерные структуры на подложках как GaSb, для получения слоев InAs и InAsSb с высокими люмитак и InAs.

несцентными характеристиками. Ширина QW варьироВ данной статье мы сообщаем о систематическом валась в диапазоне 4-20 нм. Все эпитаксиальные слои исследовании морфологии и фотолюминесцентных (PL) преднамеренно не легировались.

свойств структур с одиночными квантовыми ямами Ранее нами был обнаружен эффект непреднамерен(QW) InAs1-xSbx / AlSb1-yAsy в широком диапазоне соного встраивания атомов сурьмы в слои InAs (приставов x и y, полученных методом молекулярно-пучкочем Sb-источник находился при рабочей температуре, вой эпитаксии (MBE) на подложках GaSb (001). Проно с закрытой заслонкой), характерный для используведен теоретический расчет края фундаментального емой конфигурации источников летучих компонентов поглощения QW в рамках приближения эффективной и обусловленный, по-видимому, значительно большим массы и с учетом действия упругих напряжений в слоях коэффициентом встраивания молекул Sb2 по сравнению по методу Van de Walle [4]. Результат расчета хорошо с As4 [6]. Было также показано, что содержание сурьмы коррелирует с фотолюминесцентными измерениями.

в образующемся твердом растворе InAs1-xSbx составляет величину x = 0.05 при TS = 480C. В данной работе 2. Рост методом для оценки содержания сурьмы в QW была испольмолекулярно-пучковой эпитаксии зована тестовая структура, выращенная на InAs (001) подложке и состоящая из двух слоев InAs. При этом Образцы выращивались на подложках GaSb (001) буферный слой толщиной 0.25 мкм был выращен при в MBE установке Riber 32P с использованием стантемпературе подложки 480C, а другой слой InAs толдартного источника мышьяка, обеспечивающего пощиной 0.15 мкм — при 420C. Рентгено-дифракционная ток молекул As4, и крекингового источника сурь(XRD) кривая качания и спектр PL этой структуры ¶ E-mail: vasol@beam.ioffe.rssi.ru представлены на рис. 1, a и b соответственно. На XRD Рост методом молекулярно-пучковой эпитаксии и фотолюминесцентные свойства квантовых ям... компенсация напряжений возможна при использовании в качестве барьеров вместо соединения AlSb тройного твердого раствора AlSb1-y Asy, параметр решетки которого уменьшается с увеличением содержания As.

Заметим, что при y 0.08 этот твердый раствор становится полностью решеточно-согласованным с GaSb. Добавление мышьяка в AlSb приводит также к повышению разрывов зон на интерфейсах QW и постепенному преобразованию гетероперехода InAsSb / AlSbAs из типа II в тип I, как уже отмечалось выше. Для экспериментального определения влияния содержания As в барьерных слоях на энергию оптического излучения из QW были выращены структуры с разным составом AlSb1-yAsy в диапазоне y = 0.02-0.35. Изменение состава твердого раствора осуществлялось путем варьирования лишь потока сурьмы при постоянных значениях потоков Al, Ga и As, а также температуры роста [6]. Оценка среднего значения величины y проводилась на основании данных по угловому положению соответствующего пика на рентгенодифракционной кривой качания, предполагая отсутствие какой-либо релаксации упругих напряжений в эпитаксиальных слоях.

Рис. 1. Рентгенодифракционная двухкристальная (-2) кри- 3. Структурные исследования вая качания (a) и спектр PL при температуре 77 K (b) для структуры, содержащей два слоя InAsSb.

Ряд выращенных структур с различными толщинами QW был изучен методом просвечивающей электронной микроскопии (TEM) в геометрии поперечного сечения на установке Philips EM-420 с ускоряющим напряжекривой качания помимо пика от подложки ( = 0) нием 100 кэВ. Известно, что дифракционные рефлексы присутствуют два пика, расположенные вблизи углов (200) чувствительны к изменению химического состава 1 = -1000 и 2 = -250 и обусловленные дифракциматериалов с кубической гранецентрированной решетей от слоев InAs1-x Sbx и InAs1-x Sbx, выращенных 1 1 2 кой и могут эффективно использоваться для визуализапри температуре подложки 420 и 480C соответственции пространственных флуктуаций состава [9]. На рис. но. Моделирование кривых дифракционного отражения представлены темнопольные TEM изображения образдает значения x1 = 0.122 и x2 = 0.033 в предположецов с QW различной толщины, которые демонстрируют нии полностью релаксированных слоев. В спектре PL хорошее качество и планарность слоев.

(рис. 1, b) наряду с пиком от подложки (энергия фотона EPL = 0.403 эВ) наблюдаются также два пика с энергиями EPL1 = 0.324 эВ и EPL2 = 0.382 эВ. Оценка содер4. Оптические исследования жания сурьмы в InAs-слоях по данным PL с учетом прогиба зон (параметр прогиба C = 0.67 эВ [7]) дает Фотолюминесцентные исследования полученных значения x1 = 0.114 и x2 = 0.035, в хорошем согласии структур были проведены при температуре 80 K. Для с результатом анализа XRD.

возбуждения PL был использован InGaAs-лазерный Таким образом, на основании приведенных данных диод, работающий в непрерывном режиме на длине можно утверждать, что InAs(Sb) QW, выращиваемые волны 1.05 мкм, а также линия 514 нм аргонового при TS = 420C, содержат 12% сурьмы. Отметим, что лазера. Плотность мощности накачки на образце твердый раствор InAs1-xSbx является полностью согла- составляла 2Вт/ см2. Сигнал PL регистрировался сованным по параметру решетки с GaSb при x 0.09.

InSb охлаждаемым фотоприемником. В структурах наСледовательно, параметр решетки для материала QW блюдалась интенсивная PL при возбуждении аргоновым оказывается большим, и QW испытывает напряжения лазером с энергией квантов, превышающей край -зоны сжатия. Известно, что в многослойных гетероструктурах AlSbAs-барьеров (рис. 3). Спектры PL содержали два возможна эффективная компенсация упругих напряже- относительно узких пика, один из которых (вблизи ний в целом по структуре за счет попеременного 0.78 эВ) соответствует краевой PL в GaSb. Положение выращивания слоев с противоположным типом напря- другого пика с полушириной 30-50 мэВ варьировалось жений (сжатия и растяжения) [8]. В нашем случае такая в диапазоне длин волн 2-4.5 мкм в зависимости от Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 1472 В.А. Соловьев, Я.В. Терентьев, А.А. Торопов, Б.Я. Мельцер, А.Н. Семенов...

проводились в рамках приближения эффективной массы с использованием двухзонной модели. Для учета влияния упругих напряжений на зонную структуру твердых растворов применялась теория Van de Walle [4].

Согласно расчетам, разрыв зоны проводимости на интерфейсе составляет более 1.5 эВ для всего исследуемого в этой работе диапазона составов твердых растворов [7]. Для валентной зоны ситуация является более сложной, поскольку разрыв валентной зоны оказывается существенно меньшим, а сама величина и даже знак разрыва валентной зоны зависят от состава как InAs1-xSbx, так и AlSb1-yAsy. На рис. 4 приведены зависимости энергии потолка зоны тяжелых (сплошные линии) и легких (прерывистые линии) дырок в твердом растворе AlSb1-yAsy в зависимости от y. При расчете подразумевался псевдоморфный рост структуры на подложке GaSb. На этом же рисунке показаны соответствующие значения для твердого раствора InAs0.88Sb0.12. Как видно из рисунка, тип зонной структуры меняется при y 0.05-0.06. При y > 0.06 InAs0.88Sb0.12 / AlSb1-yAsy QW демонстрирует зонную диаграмму типа I, т. е. электроны и дырки пространственно локализованы в одном и том же слое InAs0.88Sb0.12. При y < 0.05 разрыв валентной зоны меняет знак и квантовая яма становится типа II. В этом случае электроны локализованы в слое InAs0.88Sb0.12, а дырки — в окружающих слоях AlSb1-yAsy. Заметим, что в обоих случаях материал слоя с более высокой энергией потолка валентной зоны (AlSb1-yAsy при y < 0.05 или InAs0.88Sb0.12 при y > 0.06) оказывается под воздействием сжимающих упругих напряжений, и поэтому нижним состоянием оказывается зона тяжелых дырок.

Рис. 2. Темнопольные TEM изображения поперечного сечения структур, содержащих InAsSb QW с толщиной: 4.8 (a), 6.2 (b), 10 нм (c). Дефекты в виде светлых пятен на изображениях являются артефактами, образующимися при ионном травлении во время подготовки образца.

толщины QW. Следует отметить, что интенсивность пика PL, обусловленного излучением из QW, резко падала при накачке структуры лазерным диодом с длиной волны 1.05 мкм, что свидетельствовало о подбарьерном режиме возбуждения, т. е. прямой накачке тонкой QW.

Наряду с экспериментальными исследованиями были проведены расчеты энергий ширины запрещенной зоны Рис. 3. Спектры PL для InAs0.88Sb0.12 / AlSb1-y Asy QW струкдля квантовых ям InAsSb / AlSbAs в широком диапазоне тур с толщиной ямы и составом барьеров y соответственно:

составов QW и барьеров, а также толщины QW. Расчеты 4.2 нм и 0.3 (a), 6.2 нм и 0.2 (b), 14 нм и 0.03 (c).

Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. Рост методом молекулярно-пучковой эпитаксии и фотолюминесцентные свойства квантовых ям... На рис. 5 представлены расчетные зависимости ширины запрещенной зоны (Eg) от толщины InAs0.88Sb0.12 / AlSb1-y Asy QW для крайних значений состава AlSb1-y Asy барьеров: y = 0.02 (гетеропереход II-го типа, пунктирная линия) и y = 0.3 (гетеропереход I-го типа, сплошная линия). Было установлено, что, несмотря на изменение структуры зон от типа II к типу I, а также незначительное улучшение дырочного ограничения с увеличением содержания мышьяка в AlSb1-yAsy барьерах, соответствующий сдвиг энергии оптического перехода оказывается меньшим экспериментально наблюдаемой полуширины пика PL. Оценка экспериментальных значений ширины запрещенной зоны QW, по данным PL, проводилась в соответствии с подходом, изложенным в работе [10], в котором было получено полуэмпирическое выражение: Eg = EPL + 0.6 EPL, где EPL и EPL — спектральное положение и полуширина Рис. 5. Расчетные (кривые) и экспериментальные (точпика PL соответственно. Полученные таким образом ки) зависимости ширины запрещенной зоны одиночной значения Eg для структур с малым (0.02 < y < 0.04, InAs0.88Sb0.12 / AlSb1-yAsy QW от толщины ямы. Расчет проквадраты) и большим (0.2 < y < 0.3, кружки) содерведен для значений y: 0.02 (пунктирная кривая) и 0.жанием As в барьерах представлены также на рис. 5.

(сплошная кривая). Экспериментальные данные приведены для В целом эти данные хорошо согласуются с расчетныобразцов с малым (0.02 < y < 0.04, квадраты) и большим ми зависимостями, демонстрируя в среднем несколько (0.2 < y < 0.3, кружки) содержанием As в барьерах.

меньшие значения Eg для образцов с малой величиной y. Следует также отметить, что интенсивность PL для образцов с большим содержанием As в барьерах была в среднем в 3 раза большей, чем для образцов с малой величиной y. Полученные результаты свидетельствуют о том, что наблюдаемая в данных структурах PL обусловлена межзонными оптическими переходами в InAs0.88Sb0.12 / AlSb1-y Asy QW, а также о правильности представлений о структуре зон и трансформации типа гетероперехода в исследуемых гетероструктурах.

5. Заключение В работе представлены результаты структурных и оптических исследований InAs1-x Sbx / AlSb1-yAsy QW гетероструктур, выращенных методом MBE на GaSb (001) подложках. Исследованные структуры характеризуются интенсивной фотолюминесценцией в спектральном диапазоне 2-4.5 мкм, в зависимости от толщины квантовой ямы. Проведенный расчет разрывов зон на интерфейсе InAs1-xSbx / AlSb1-yAsy свидетельствует о трансформации гетероперехода из типа II в тип I с увеличением содержания As в барьерах, что косвенно подтверждается Рис. 4. Расчетные зависимости положения потолка валент- экспериментальными данными по PL.

ной зоны твердого раствора AlSb1-yAsy от состава y для Авторы выражают признательность М.В. Байдаковой тяжелых (сплошная линия) и легких (пунктирная линия) дырок. Горизонтальными линиями отмечены соответствующие за проведение рентгено-дифракционных измерений.

значения для InAs0.88Sb0.12. Напряжения приводят к снятию Работа была поддержана грантами РФФИ (№ 01-02вырождения в валентной зоне AlSb1-y Asy, за исключением случая согласования периодов решеток при y 0.08. 17933) и CRDF (№ RP1-2265).

5 Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 1474 В.А. Соловьев, Я.В. Терентьев, А.А. Торопов, Б.Я. Мельцер, А.Н. Семенов...

Список литературы [1] S.J. Eglash, H.K. Choi. Appl. Phys. Lett., 64, 833 (1994).

[2] H.K. Choi, G.W. Turner, Z.L. Liau. Appl. Phys. Lett., 65, (1994).

[3] B. Brar, H. Kroemer, J. Ibbetson, J.H. English. Appl. Phys.

Lett., 62, 3303 (1993).

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.