WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 1 Влияние электрохимической модификации тонкого покровного слоя Ga(In)As на энергетический спектр квантовых точек InAs / GaAs ¶ © И.А. Карпович, А.В. Здоровейщев, С.В. Тихов, П.Б. Демина, О.Е. Хапугин Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, 603950 Нижний Новгород, Россия (Получена 1 июня 2004 г. Принята к печати 16 июня 2004 г.) Показано, что селективное травление и анодное окисление тонкого покровного слоя Ga(In)As позволяют уменьшить энергию основного перехода в квантовых точках InAs / GaAs от 0.9 до 0.7 эВ в результате частичной релаксации упругих напряжений. Аналогичная обработка поверхностных квантовых точек увеличивает энергию перехода в результате уменьшения высоты квантовых точек.

1. Введение снижали до 520C и наносили слой КТ InAs (5 монослоев). Для повышения однородности КТ слой InAs Энергетический спектр самоорганизованных кванто- в процессе его нанесения легировался висмутом [5].

вых точек (КТ) InAs в матрице GaAs при малых Были получены структуры со слоем КТ, покрытым толщинах покровного слоя (меньше 30 нм) становится однородным слоем GaAs толщиной 3-30 нм, двойным чувствительным к его толщине и химическому составу покровным слоем, состоящим из слоя квантовой ямы в результате, главным образом, зависимости спектра от (КЯ) In0.3Ga0.7As толщиной 2 нм и внешнего слоя GaAs, поля упругих напряжений в КТ, которое определяется и структуры без покровного слоя, т. е. структуры с параметрами этого слоя [1–4]. Это открывает некоторые поверхностными КТ (ПКТ).

новые возможности управления спектром КТ. Обычно Структуры травились в селективном травителе — параметры покровного слоя задаются в процессе его растворе (0.8 M K3[Fe(CN)6] +0.3M KOH) : H2O 1 : 5 в выращивания при относительно высокой температуре. смеси с глицерином в соотношении 1 : 2, который облаПри этом наряду с изменением упругих напряжений в дал низкой скоростью травления InAs ( 0.1нм/ мин) КТ может происходить изменение и других факторов, и относительно высокой скоростью травления GaAs ( 10 нм / мин) [6]. Анодное окисление структур провлияющих на энергетический спектр КТ, в частности изменение морфологии КТ, связанное с диффузионны- изводилось в смеси 3% раствора винной кислоты с ми процессами. Теоретический и практический инте- этиленгликолем (1: 1) в вольтстатическом режиме.

Измерялись спектры фотоэдс на переходе полупроводрес представляет изучение возможностей управления спектром КТ при низкой температуре после выращи- ник / жидкий электролит (ФПЭ) при 300 K по методу [7].

Чтобы исключить влияние на спектры поглощения света вания структуры. Такое управление позволяет более в электролите (1 M раствор KCl) структуры обычно определенно выделить влияние отдельных факторов, освещались через подложку, что приводило к обрезанию в частности упругих напряжений, на энергетический спектров в области собственного поглощения GaAs.

спектр и электронные свойства гетероструктур с КТ и Спектры фотолюминесценции (ФЛ) измерялись при может быть использовано для тонкой регулировки спек77 K при фотовозбуждении излучением гелий-неонового тра. В данной работе методами фотоэлектрической и лазера с интенсивностью до 100 Вт / см2.

фотолюминесцентной спектроскопии и атомно-силовой микроскопии (АСМ) изучаются возможности управления спектром КТ путем электрохимической модифика3. Результаты и обсуждение ции (селективного химического травления и анодного окисления) как покровного слоя, так и самих КТ, выраНа рис. 1 приведены исходные спектры ФПЭ структур щенных на поверхности структуры.

с разным типом слоя КТ: комбинированным слоем КЯ / КТ (QW / QD), одиночным слоем КТ и ПКТ (кривые 1, 5, 8 соответственно). Заметим, что до заключи2. Методика эксперимента тельных операций нанесения слоя КЯ и покровного слоя GaAs все структуры выращивались в одинаковых условиГетероструктуры с квантовыми точками (ГКТ) ях. Образование комбинированного слоя КЯ / КТ в ГКТ InAs / GaAs выращивали на поверхности (100) полус двойным покровным слоем GaAs / InGaAs приводит к изолирующего GaAs методом газофазной эпитаксии из красному смещению энергии основного перехода в КТ металлорганических соединений (ГФЭ МОС) при атInAs E0(QD) в результате частичной релаксации упругих мосферном давлении. Буферный слой n-GaAs толщиной напряжений из-за уменьшения рассогласования решеток 0.6 мкм с концентрацией электронов 5 · 1016 cm-3 вына границе InGaAs / InAs [3,4]. В исследованных структуращивали при температуре 650C, затем температуру рах при замене однородного покровного слоя двойным ¶ E-mail: fdp@phys.unn.ru слоем энергия E0(QD) уменьшилась от 0.92 (кривая 5) 46 И.А. Карпович, А.В. Здоровейщев, С.В. Тихов, П.Б. Демина, О.Е. Хапугин Однако для структуры с одиночным слоем КТ такое низкое значение обычно не достигается (кривая 7). Мы полагаем, что это связано с травлением не защищенных слоем КЯ вершин кластеров — КТ в последнем случае.

На этой стадии травления методом АСМ выявляются КТ, размеры и поверхностная плотность которых близки к соответствующим параметрам для ПКТ [6]. Интересно, что наибольшая неоднородность в распределении КТ по энергии имеет место на этапе травления, который непосредственно предшествует полному удалению покровного слоя (кривая 3), что отражает, по-видимому, неоднородность остаточного покрытия отдельных КТ.

Эволюцию спектров после достижения минимального значения E0(QD) мы рассмотрим на примере травления структуры с ПКТ, которая исследовалась более детально.

Электрохимическая модификация ПКТ InAs / GaAs Рис. 1. Эволюция спектров ФПЭ при селективном травлении поверхности ГКТ с комбинированным слоем КЯ / КТ (1–4), представляет интерес в связи с возможностью установодиночным слоем КТ (5–7) и поверхностными КТ (8–12).

ления прямой связи их электронных свойств с морфоВремя травления, с: 1, 5, 8 — 0; 2, 6 — 240; 3, 7 — 360;

логией, определяемой методами сканирующей зондовой 4 — 480; 9 — 30; 10 — 60; 11 — 270; 12 — 540. Толщина микроскопии. ПКТ отличаются от встроенных в матрицу покровного слоя GaAs 30 нм.

квантовых точек другим полем упругих напряжений, формой потенциальной ямы и, как следствие этого, энергетическим спектром (рис. 1, кривая 8).

до 0.87 эВ (кривая 1). При этом также уменьшается При ступенчатом травлении ПКТ их латеральный энергия основного перехода в КЯ In0.3Ga0.7As E0(QW) размер мало изменялся, а выстота уменьшалась, что, как от 1.37 (в структуре с одиночной КЯ) до 1.23 эВ в слое и следовало ожидать, приводило к голубому смещению КЯ / КТ (кривая 1) в результате образования гибридной спектров ФПЭ (рис. 1, кривые 9–12). Смещение спекквантовой ямы QW + WL (смачивающий слой InAs) тров сопровождалось уменьшением фоточувствительномежду КТ [4]. Релаксация упругих напряжений в ПКТ сти в области поглощения ПКТ. Поскольку на начальиз-за отсутствия покровного слоя уменьшает E0(QD) до ных этапах травления не наблюдалось существенного 0.68 эВ (кривая 8). По данным атомно-силовой микро- уменьшения поверхностной плотности КТ, уменьшение скопии ПКТ имели среднюю высоту 6 нм, латераль- фоточувствительности, очевидно, связано с увеличением ный размер 40 нм и поверхностную концентрацию скорости рекомбинации на травленой поверхности КТ.

1010 см-2.

При полном стравливании ПКТ и встроенных в матрицу КТ фоточувствительность всех структур в области 3.1. Селективное травление покровного слоя и ПКТ На рис. 1 показана эволюция спектров ФПЭ при ступенчатом травлении поверхности ГКТ. Селективное травление покровного слоя GaAs происходит неравномерно и создает холмистую поверхность с высотой неровностей, превышающей высоту КТ. Однако, когда фронт травления достигает слоя КТ, поверхность травления на некоторое время выравнивается из-за остановки травления на смачивающем слое InAs, и над ней выступают только кластеры — КТ [6]. Релаксация напряжений в КТ в результате уменьшения эффективной толщины покровного слоя GaAs приводит к красному смещению спектра, т. е. к уменьшению E0(QD). При полном стравливании покровного слоя GaAs E0(QD) достигает минимального значения. Если процесс травления продолжать дальше, то E0(QD) начинает увеличиваться изРис. 2. Зависимость энергии основного перехода E0(QD) за травления самих КТ. Для структуры с комбинироот высоты КТ h (1) и толщины покровного слоя GaAs dc :

ванным слоем КЯ / КТ минимальное значение E0(QD) 2 — неокисленные структуры, 3 — анодноокисленные струкблизко к исходному значению для ПКТ (кривые 4, 8). туры.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Влияние электрохимической модификации тонкого покровного слоя Ga(In)As на энергетический... h <1.4 эВ определяется поверхностными состояниями и принимает вид кривой 12 [7].

Стрелки на кривых 8–11 показывают значения E0(QD), определенные из спектров ФЛ при 77 K с учетом температурного смещения. Они хорошо согласуются с данными фотоэлектрической спектроскопии. Из гистограмм распределения ПКТ по высоте на разных этапах травления определялась средняя высота КТ h.

Зависимость энергии переходов E0(QD) от h приведена на рис. 2 (кривая 1). После травления ПКТ в течение 270 с на АСМ изображениях травленой поверхности трудно было отличить КТ от других неровностей поверхности и получить гистограмму распределения КТ по высоте. Однако на спектрах ФПЭ и особенно ФЛ пик от КТ выделялся вполне отчетливо. Минимальная высота травленых КТ 1.75 нм на кривой 1 определена Рис. 3. Влияние анодного окисления поверхности ГКТ на экстраполяцией полученной при больших h зависимости спектры ФЛ при 77 K и ФПЭ при 300 K. 1–4 — структура с E0(QD, h) =1.04 - 0.06h, где высота h выражена в нм, комбинированным слоем КЯ / КТ (покровный слой GaAs 7 нм):

E0(QD) — в эВ. 1, 4 — спектры ФЛ и ФПЭ соответственно до окисления, 2, 4 — то же после анодирования при напряжении 2 В;

5-9 — структура с ПКТ: 6, 7 — спектры ФЛ и ФПЭ соот3.2. Анодное окисление ветственно до окисления, 5, 8 — то же после анодирования покровного слоя и ПКТ при напряжении 0.5 В, 9 — спектр ФПЭ после анодирования при напряжении 1 В.

Аналогичный эффект красного смещения E0(QD) наблюдается при анодном окислении тонкого покровного слоя. На рис. 3 показано влияние анодного окисления на спектры ФПЭ и ФЛ ГКТ с двойным покровным энергия перехода E0(QD) =0.8 эВ, соответствующая окслоем при толщине слоя GaAs 7 нм (кривые 1–4). Из ну прозрачности оптического волокна на длине волны имеющихся данных о зависимости толщины анодного 1.55 мкм, достигается при толщине покровного слоя 5 нм окисла от напряжения анодирования [8], которые сов неокисленных структурах (не учитывается частичное гласуются с нашими оценками, следует, что на обраокисление структур на воздухе) и 12 нм — в окислензование анодного окисла при напряжении анодированых структурах. Этот результат, имеющий практическое ния Va (B) расходуется часть покровного слоя GaAs значение, указывает на наличие при анодном окистолщиной dc = 1.35Va (нм). После анодирования при лении дополнительного фактора, снижающего упругие напряжении 2 В толщина покровного слоя уменьшилась, напряжения в КТ. Мы полагаем, что таким фактором согласно расчету, с 7 до 4 нм, и при этом произошло является сток в напряженные кластеры — КТ вакансий в красное смещение спектров ФЛ и ФПЭ более чем на подрешетках Ga и As, которые образуются при анодном 150 мэВ (кривые 2, 3). Тонкий аморфный слой окисла не окислении GaAs (см., например, [9,10]). Упругосжатые создает дополнительных напряжений. Об этом, в часткластеры InAs создают для таких дефектов потенциальности, свидетельствует тот факт, что его стравливание ную яму и должны их геттерировать.

не меняет значение E0(QD). Поэтому окисление, как и Анодное окисление слоя ПКТ, как и травление, притравление, уменьшает толщину создающего напряжения водит к голубому смещению E0(QD) (кривые 5, 8).

в КТ эпитаксиального покровного слоя GaAs. После При напряжении анодирования 1 В кластеры — ПКТ, анодирования при напряжении 5 В, которое должно было по-видимому, полностью окисляются, так как ФЛ от привести к полному окислению покровного слоя и самих ПКТ исчезает, а спектр ФПЭ принимает обычный для КТ, фоточувствительность в области поглощения КТ и реальной поверхности GaAs вид (кривая 9).

гибридной КЯ полностью исчезла.

На ГКТ с частично окисленным двойным покровным слоем (кривая 3) получено даже более низкое значе- 4. Заключение ние E0(QD), чем в структуре с ПКТ, выращенной в таких же условиях (кривая 7). Сравнительные изме- Результаты данной работы показывают, что модирения спектров на окисленных и неокисленных ГКТ фикация тонкого покровного слоя ГКТ и самих КТ, с различной толщиной покровного слоя показали, что выращенных на поверхности структуры, селективным при данной толщине неокисленной части покровного травлением и анодным окислением является эффекслоя GaAs достигается большее смещение E0(QD) чем тивным средством изменения энергетического спектра при заращивании КТ таким же покровным слоем GaAs КТ в довольно широком диапазоне. Она может быть (рис. 2, кривые 2, 3). Как видно из этого рисунка, использована для изучения зависимости электронных хаФизика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 48 И.А. Карпович, А.В. Здоровейщев, С.В. Тихов, П.Б. Демина, О.Е. Хапугин рактеристик КТ от упругих напряжений, высоты ограничивающего барьера, размеров КТ. Практический интерес представляет тот факт, что диапазон изменения E0(QD) при модификации перекрывает оба окна прозрачности оптического волокна.

В работе путем модификации одних и тех же КТ продемонстрирована связь энергетического спектра кластеров — КТ с их морфологией. Результаты работы также показывают, что при АСМ исследовании скрытых под покровным слоем КТ с применением селективного химического травления [6] необходимо учитывать возможное изменение морфологии кластеров — КТ, связанное с их подтравливанием.

Работа выполнялась при поддержке РФФИ (грант № 03-02-17178) и совместной программы Министерства образования РФ и CRDF US (BRHE Program, REC-001).

Список литературы [1] H. Saito, K. Nishi, S. Sugou. Appl. Phys. Lett. 73, (1998).

[2] S. Fafard. Appl. Phys. Lett. 76, 2707 (2000).

[3] K. Nishi, H. Saito, S. Sugou. J.-S. Lee. Appl. Phys. Lett. 74, 1111 (1999).

[4] И.А. Карпович, Б.Н. Звонков, С.Б. Левичев, Н.В. Байдусь, С.В. Тихов, Д.О. Филатов, А.П. Горшков, С.Ю. Ермаков.

ФТП, 38, 448 (2004).

[5] Б.Н. Звонков, И.А. Карпович, Н.В. Байдусь, Д.О. Филатов, С.В. Морозов. ФТП, 35, 92 (2001).

[6] I.A. Karpovich, N.V. Baidus, B.N. Zvonkov, D.O. Filatov, S.B. Levichev, A.V. Zdoroveichev, V.A. Perevoshikov. Phys.

Low-Dim. Structur., 3/ 4, 341 (2001).

[7] И.А. Карпович, А.П. Горшков, Б.Н. Звонков, С.Б. Левичев, С.В. Морозов, Д.О. Филатов. ФТП, 35, 564 (2001).

[8] Э.В. Буц, Л.Н. Возмилова. Электрон. техн., сер. 2, Полупроводниковые приборы, № 1, 100 (1976).

[9] S. Hu. J. Appl. Phys., 45, 1567 (1976).

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.