WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 1 Влияние промежуточного окисного слоя в гетероструктурах металл–квантово-размерный полупроводник In(Ga)As/GaAs на эффективность электролюминесценции ¶ © Н.В. Байдусь, П.Б. Демина, М.В. Дорохин, Б.Н. Звонков, Е.И. Малышева, Е.А. Ускова Научно-исследовательский физико-технический институт Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского, 603950 Нижний Новгород, Россия (Получена 1 июня 2004 г. Принята к печати 14 июня 2004 г.) Исследовано влияние различных способов обработки поверхности квантово-размерных гетероструктур GaAs/In(Ga)As/GaAs на эффективность электролюминесценции изготовленных на их основе диодов с барьером Шоттки. Установлено, что наибольший эффект увеличения интенсивности электролюминесценции наблюдается от экспонирования поверхности в CCl4 при температуре 580C с последующим анодным окислением. Показано, что промежуточный туннельно-тонкий анодный окисел играет важную роль в обеспечении инжекции неосновных носителей из металла в арсенид галлия. Эффективность электролюминесценции существенно зависит от толщины анодного окисла.

1. Введение слой имеет сложный состав: непосредственно к КТ примыкает квантовая яма (КЯ) In0.2Ga0.8As шириной 2 нм, В настоящее время для получения спонтанного излу- зарощенная тонким покровным слоем GaAs. Другая чения используются квантово-размерные гетерострукту- часть КРС под покровным GaAs содержит только КЯ ры (КРС) GaAs/In(Ga)As/GaAs, причем не только анизо- InGaAs (температура роста КЯ 650C) или КТ InAs. Толщина покровного слоя варьировалась от 10 до 400 нм.

типные [1,2], но и с барьером Шоттки [3,4]. Размещение слоя квантовых точек (КТ) In(Ga)As вблизи поверх- Для сравнения результатов были выращены также при 520 или 580C эпитаксиальные слои (ЭС) n-GaAs толности КРС, под тонким ( 30 нм) покровным слоем щиной 400 нм.

комбинированного состава (InGaAs+GaAs), позволило В качестве обработок поверхности были выбраны продвинуться в важный для волоконной оптики диапазон экспонирование in situ поверхности In(Ga)As потоком излучения 1.3-1.55 мкм. При толщине покровного слоя тетрахлорида углерода и анодирование покровного слоя 12 нм в таких структурах с барьером Шоттки зарегиGaAs перед нанесением металла. Анодное окисление стрирован спектр электролюминесценции (ЭЛ) на длине осуществляли в электролите (3% раствор винной кисловолны 1.57 мкм при 300 K [5].

ты в этиленгликоле) в вольтстатическом режиме в инОсобенностью барьера Шоттки, отличающей его от тервале напряжений от 0.2 до 9 В. Окисление образцов p-n-перехода, является малый ( 10-4) уровень инжекn-типа проводимости проводили при освещении.

ции неосновных носителей [6] в область полупроводниОбработку поверхности роста в потоке CCl4 произка, что неблагоприятно для получения эффективной изводили при 520 или 580C. При этой же температуре лучательной рекомбинации. Цель настоящей работы — затем растился и покровный GaAs. Как показано нами повышение квантовой эффективности диодов Шоттки с ранее [2], экспонирование поверхности роста в CClпомощью различных обработок поверхности КРС как в либо меняет состав покровного слоя из-за формировапроцессе, так и после эпитаксии, перед формированием ния в нем акцепторного -слоя углерода (520C), либо барьера Шоттки. На основе полученных результатов улучшает морфологию КТ и покровного GaAs (580C) обсуждается роль анодного окисла (АО) в механизме вследствие удаления крупных дислоцированых кластеинжекции неосновных носителей заряда из металла в ров. Роль -слоя углерода в повышении эффективности полупроводник в гетероструктурах с барьером Шоттки.

ЭЛ описана в [4]. В данной работе рассматриваются в основном структуры, экспонированные CCl4 при 580C. Согласно разработанной методике стравливания 2. Методика эксперимента кластеров, квантово-размерный слой In(Ga)As сначала заращивался тонким 10 нм слоем арсенида галлия Гетероструктуры выращены методом МОС-гидридной при температуре роста КТ, затем в течение 300 с эпитаксии при атмосферном давлении на подложках температура подложки повышалась до 580C, и в конце n+- и p+- GaAs (100). Слой КТ InAs формировали на нагрева в реактор подавался четыреххлористый углерод.

0.5 мкм буферном слое при температуре 520C и После выдержки КРС в среде CCl4 в течение нескольких легировали для повышения однородности параметров секунд наращивался покровный слой арсенида галлия.

висмутом [7]. В ряде образцов, как в [4,5], покровный Структуры, не подвергнутые никаким воздействиям, яв¶ E-mail: usk@nifti.unn.ru лялись контрольными.

26 Н.В. Байдусь, П.Б. Демина, М.В. Дорохин, Б.Н. Звонков, Е.И. Малышева, Е.А. Ускова Барьер Шоттки изготовляли осаждением металла (Au, Al) методом термического испарения в вакууме через маску с отверстиями диаметром 500 мкм. В большинстве исследовавшихся КРС, ввиду малой толщины покровного слоя, естественный окисел с поверхности GaAs не стравливали. Обратный омический контакт формировали с помощью InGa-пасты или „искровым вжиганием“ Sn-фольги.

О влиянии обработок судили по изменениям спектров фотолюминесценции (ФЛ) и инжекционной, в прямом смещении, ЭЛ, параметров вольт-амперных (ВАХ) и вольтъемкостных (CV) характеристик диодов. Измерения проводили при 77 и 300 K. При измерениях ФЛ и ЭЛ спектров излучение собирали с лицевой и обратной стороны соответственно. Методом сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ) изучали топографию поверхности образцов.

3. Результаты эксперимента и их обсуждение Влияние разного рода обработок поверхности КРС на интенсивность электролюминесценции IEL хорошо иллюстрирует рис. 1, на котором изображены измеренные при комнатной температуре спектры ЭЛ для КРС с комбинированным покровным слоем. Толщина Рис. 2. Топография поверхности образцов GaAs/InGaAs/GaAs:

a — обработанного в CCl4 при 580C, b — контрольного.

покровного GaAs в этих образцах равна 20 нм. Видно, что каждый вид воздействия повышает интегральную интенсивность ЭЛ, причем анодное окисление образцов, уже обработанных в четыреххлористом углероде, приводит к ее дополнительному возрастанию (ср. кривые и 3, 4 и 5 на рис. 1). Наибольший эффект увеличения IEL наблюдается от экспонирования поверхности в CCl4 при температуре 580C с последующим анодным окислением выращенной КРС (рис. 1, кривая 5). Это можно объяснить следующим образом.

Высокотемпературная обработка структур в CCl4, согласно данным СЗМ, уменьшает плотность кластеров в 8-10 раз до значения (2-3) · 107 см-2. Значительно (от 250 до 700 нм) увеличиваются латеральные размеры кластеров и уменьшается их высота (от до 5 нм) (рис. 2). После анодирования поверхность КРС становится еще более гладкой, и это относится Рис. 1. Спектры ЭЛ гетероструктур с КТ на n+-GaAs c ко всем типам окисленных образцов. Так, например, в Au-барьером. Ток инжекции 30 мА. Образец: 1 —без какогоструктурах, экспонированных CCl4 при 520C, высота либо воздействия, 2 — с -слоем углерода, 3 —с -слоем неровностей после окисления уменьшается в 2-3 раза углерода и анодным окислом, 4 — после обработки в CCl4 при и составляет 20 нм. При анодировании на формирова580C, 5 — после обработки в CCl4 при 580C и с анодным ние окисла расходуется слой арсенида галлия, равный окислом.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Влияние промежуточного окисного слоя в гетероструктурах металл–квантово-размерный... ницаемости окисла. Непосредственные измерения dox методом СЗМ при таких толщинах дают большую погрешность ввиду неоднородности окисла. При анализе результатов мы полагали, что dox пропорциональна Uox и что с увеличением напряжения окисления толщина АО возрастает.

Из рис. 3 видно, что для всех типов структур зависимость интегральной IEL(Uox ) имеет немонотонный характер и проходит через максимум, расположенный на кривых для ЭС и для КРС при разных значениях Uox.

Однако для каждого конкретного вида структур макcимум IEL находится при одном и том же значении Uox :

для ЭС при 3 В (кривые 1 и 2), для КРС при 6-7В (кривые 3–5). В зависимости IEL(Uox ) для структур с КЯ при малых напряжениях окисления Uox < 2-3В инРис. 3. Зависимость интегральной интенсивности ЭЛ от тегральная интенсивность ЭЛ возрастает незначительно напряжения окисления для структур с ЭС GaAs (1, 2) и КРС с КЯ (3, 4) и КТ(5). 1 — ЭС, выращенный при 520C, 2 — ЭС, (кривые 3, 4), в то время как в ЭС при этих же Uox выращенный при 580C. 4 — КРС p-типа, все остальные она уже максимальна по величине. Это обусловлено, поn-типа. Значения интенсивности ЭС увеличены в 15 раз.

видимому, тем, что КРС, содержащие потенциальные барьеры на гетерограницах, имеют по сравнению с просто эпитаксиальными слоями GaAs другой временной механизм формирования АО. В КРС, включающих примерно 2/3 толщины АО [8], поэтому происходит только КТ, наблюдается очень неравномерный фронт удаление биографических поверхностных дефектов, и в окисления. Значения IEL при одном и том же Uox, результате на новой границе раздела АО/GaAs уменьособенно в образцах p-типа (на рисунке не показаны), шается плотность центров безызлучательной рекомбидают большой разброс, что подтверждает более сложнации.

ный характер процесса окисления квантово-размерных Для определения роли АО в механизме ЭЛ были гетероструктур.

измерены зависимости интегральной интенсивности ЭЛ Сравнение кривых 1 и 2 на рис. 3 показывает, что от толщины АО (dox) для разного типа структур. Они интенсивность ЭЛ эпитаксиального слоя, выращенного изображены на рис. 3. Для сравнительного анализа при 580C, выше примерно в 1.5 раза, чем IEL ЭС использовались наиболее простые по составу образцы:

GaAs, полученного при более низкой температуре. Это ЭС n-GaAs (кривые 1, 2) и КРС с достаточно толстым скорее всего связано с тем, что в высокотемпературпокровным слоем — только с КЯ (кривые 3, 4) или тольном слое GaAs меньше плотность ростовых дефектов, ко с КТ (кривая 5). Толщина покровного GaAs над КЯ образующих центры безызлучательной рекомбинации.

равна 400 нм, над слоем КТ — 100 нм. Все зависимости, Из рис. 3 также видно, что структуры, содержащие кроме кривой 5 (300 K), на рис. 3 приведены для 77 K.

квантово-размерные слои, в сравнении с ЭС показывают Заметим, что на рис. 3 вместо dox по оси абсцисс в 15-20 раз большую интенсивность ЭЛ, а в КРС, отложено Uox — значение напряжения, при котором изготовленных на p+-подложке, регистрируется более происходит окисление. Это обусловлено тем, что при высокая IEL, чем в структурах n-типа.

определении толщины тонкого (5-10 нм) АО, особенно Данные инжекционной ЭЛ структур GaAs/In(Ga)As/ в КРС, мы столкнулись с некоторыми трудностями.

GaAs согласуются с результатами измерений прямой Обычно, в случае окисления образцов монокристалветви ВАХ. Последняя при малых Uox подчиняется тилов или эпитаксиальных структур, dox вычисляют по пичной для барьеров Шоттки экспоненциальной зависизначению Uox, умножив его на постоянную анодиромости тока от приложенного напряжения. Эффективная вания 1.7нм/В [9]. Однако, как будет показано давысота барьера Шоттки b и коэффициент неидеальнолее, окисление КРС имеет нестандартный характер, сти n вычислялись стандартным способом [6].

и переносить эту методику расчета на структуры с Формирование АО в КРС с КЯ приводит к повышению квантово-размерными слоями, очевидно, некорректно.

эффективной высоты барьера Шоттки и при комнатной Для определения толщины АО CV-методом, особенно в температуре, и при 77 K. Затем при увеличении Uox КРС на основе GaAs, требуется проведение специальных от 1.5 до 6-7 В значение b при 300 K практически низкочастотных измерений. Кроме того, значения отно- не изменяется и равно 0.91 ± 0.02 и 0.7 ± 0.01 эВ для сительной диэлектрической проницаемости АО арсенида образцов n- и p-типа проводимости соответственно. При галлия сильно зависят от вида электролита и имеют дальнейшем возрастании Uox измеряемая высота барьера большой разброс [9]. В результате вычисленная из значе- снижается (рис. 4, кривые 1, 3).

ния емкости толщина dox может отличаться в 2-3 раза, в Поведение параметра n при комнатной температуре в зависимости от выбора величины диэлектрической про- структурах разного типа проводимости различно (рис. 4, Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 28 Н.В. Байдусь, П.Б. Демина, М.В. Дорохин, Б.Н. Звонков, Е.И. Малышева, Е.А. Ускова валентной зоны полупроводника n-типа проводимости (или повышению к дну зоны проводимости p-GaAs).

Это способствует увеличению инжекции неосновных носителей и, следовательно, повышению эффективности ЭЛ. Пока окисел туннельно-прозрачен для носителей заряда, интенсивность IEL возрастает, как только он перестает быть таковым, эффективность ЭЛ снижается, что и подтверждается сравнением результатов, представленных на рис. 3 и 4.

4. Заключение Описаны способы обработок квантово-размерных геРис. 4. Зависимость эффективной высоты барьера Шотт- тероструктур GaAs/In(Ga)As/GaAs, повышающие эффекки (1, 3 ) и коэффициента неидеальности (2, 4 ) структур с КЯ тивность ЭЛ. Наибольший эффект увеличения IEL наот толщины окисла. 1, 2 — n-тип (Au), 3, 4 — p-тип проводиблюдается от экспонирования поверхности в CCl4 при мости (Al). Температура измерений 300 K.

температуре 580C с последующим анодным окислением. Важную роль в обеспечении инжекции неосновных носителей из образующего барьер Шоттки металла в арсенид галлия играет наличие промежуточнокривые 2, 4). В КРС n-типа значение коэффициента го туннельно-тонкого анодного окисла. Эффективность неидеальности колеблется в интервале 1.2-1.5, сущеэлектролюминесценции существенно зависит от толщиственно возрастая (n > 2) только при очень толстом АО ны АО.

при Uox = 9 (кривая 2). В структурах p-типа значение n гораздо выше, чем в образцах n-GaAs/In(Ga)As. По мере Авторы выражают благодарность С.В. Тихову за понарастания Uox ( 2) оно увеличивается в 2-2.5 раза.

лезное обсуждение результатов.

Последний факт свидетельствует о том, что с увеличением толщины АО механизм термоэлектронной эмис- Работа выполнялась при финансовой поддержке НТП сии носителей перестает быть доминирующим в этих Министерства образования РФ „Научные исследования структурах при гораздо меньших dox, чем в КРС n- высшей школы по приоритетным направлениям науки и типа. (Изменение механизма инжекции носителей при техники“ (проект 05.01.048).

расчете параметров ВАХ необходимо учитывать, что запланировано в дальнейших исследованиях). При азотной температуре наклон ВАХ уменьшается с увеличением Список литературы толщины окисла.

Отметим, что в структурах с КТ ввиду неравномерно- [1] А.Е. Жуков, Б.В. Воловик, С.С. Михрин, Н.А. Малеев, А.Ф. Цацульников, Е.В. Никитина, И.Н. Каяндер, сти dox вычисление параметров ВАХ возможно только в В.М. Устинов, Н.Н. Леденцов. Письма ЖТФ, 27 (17), образцах с малой толщиной АО, однако их изменение с 51 (2001).

ростом Uox имеет аналогичную тенденцию.

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.