WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2007, том 41, вып. 1 Латеральное упорядочение квантовых точек и нитей в многослойных структурах (In,Ga)As/GaAs (100) © В.В. Стрельчук¶, П.М. Литвин, А.Ф. Коломыс, М.Я. Валах, Yu.I. Mazur+, Zh.M. Wang+, G.J. Salamo+ Институт физики полупроводников им. В.Е. Лашкарева Национальной академии наук Украины, 03028 Киев, Украина + Department of Physics, University of Arkansas, Fayetteville, Arkansas, 72701 (Получена 3 апреля 2006 г. Принята к печати 7 апреля 2006 г.) Исследованы морфология поверхности и оптические свойства многослойных структур (In,Ga)As/ GaAs (100) с самоорганизованными квантовыми точками и квантовыми нитями, выращенных методом молекулярно-пучковой эпитаксии. Обнаружено, что упорядоченное расположение квантовых точек в плоскости гетерограницы начинает формироваться при выращивании первых периодов многослойной структуры. При увеличении количества периодов наблюдается выстраивание квантовых точек в ряды и формирование нитей вдоль направления [011]. Повышение латеральной упорядоченности рассматриваемых структур коррелирует с увеличением оптической анизотропии излучения, обусловленной анизотропией релаксации упругих деформаций и формой нанообъектов. Обсуждается возможный механизм латерального упорядочения квантовых точек и нитей в многослойных структурах, включающий как эффекты анизотропии полей деформаций и диффузии адатомов, так и упругое взаимодействие соседних квантовых точек.

PACS: 68.65.Hb, 68.65.La, 78.67.Hc, 78.67.Lt, 78.55.Cr 1. Введение (In,Ga)As/GaAs (100) [3] реализовано наклонное вертикальное выстраивание однородных по размеру КТ, а Самоорганизованный рост квантовых точек (КТ) в системе PbSe/PbEuTe получена трехмерная решетка, и квантовых нитей (КН) (In,Ga)As по механизму образованная КТ [4].

Странского–Крастанова при молекулярно-пучковой эпиЛатеральное упорядочение может повышаться в плоттаксии напряженных гетеросистем является одним из ных массивах КТ вследствие упругого взаимодействия наиболее перспективных методов нанотехнологии. Инрастущих соседних КТ из-за перекрытия их деформатерес к таким системам вызван перспективами их ционных полей в подложке [5]. Например, в случае применения в оптоэлектронике. Важным при этом яводнослойных структур InAs/GaAs (100) этот эффект ляется однородность размеров и формы КТ и КН и приводил к более высокой степени корреляции ближнего их упорядоченное расположение. Поскольку размер КТ порядка во взаимном расположении КТ вдоль жестких определяется площадью, с которой „собираются“ адато- кристаллографических направлений [011] и [011] по мы, повышение однородности размеров КТ может быть сравнению с мягким направлением [100] [6]. Вопросы реализовано при упорядоченном расположении мест латерального упорядочения в однослойных структурах зарождения КТ. При выращивании многослойных гетеInAs/GaAs (100) рассматривались в работах [7,8].

роструктур с квантовыми точками места предпочтительНедавно мы показали, что для многослойных структур ного зарождения самоорганизованных КТ на ростовой (In,Ga)As/GaAs (100) можно реализовать латеральное поверхности определяются локальным распределением выстраивание КТ в ряды [9]. При этом использовалупругих поверхностных деформаций, вызванных КТ преся процесс прерывания роста на начальных этапах дыдущего слоя (барьерными КТ). При небольших толосаждения разделяющего слоя GaAs. Это приводило к щинах разделяющего слоя это приводит к вертикальноанизотропии деформационного поля разделяющего слоя, коррелированному выстраиванию КТ [1]. При этом вызванной асимметрией формы барьерных КТ. Подобуменьшается дисперсия размеров КТ, а их средний ный эффект наблюдался и при термическом отжиге КТ размер несколько увеличивается. В то же время лате(In,Ga)As, покрытых тонким слоем GaAs [10]. Однако ральное упорядочение КТ (в плоскости гетерограницы), механизм такого спонтанного латерального упорядочеа тем более их выстраивание в одномерные цепочки или ния до конца не ясен.

образование поверхностной упорядоченной двумерной В данной работе методом атомно-силовой микроскосетки продолжает оставаться актуальной задачей. Ранее пии (АСМ) и фотолюминесценции (ФЛ) исследованы для многослойных структур было показано [2], что в латерльно-упорядоченные многослойные наноструктуры зависимости от степени упругой анизотропии и толщины (In,Ga)As/GaAs. В то время как спектр ФЛ дает сверазделяющего слоя пространственное распределение КТ дения об энергии электронных уровней, исследование может изменяться от вертикально-коррелированного до поляризации излучения дает информацию об анизотроанти-коррелированного со значительно более высоким пии электронных состояний. Исследование зависимости латеральным упорядочением. Так, например, для КТ поляризации излучения самоорганизованных КТ и КН от ¶ E-mail: strelch@isp.kiev.ua геометрической анизотропии их формы и латерального Латеральное упорядочение квантовых точек и нитей в многослойных структурах (In,Ga)As/GaAs (100) Данные АСМ и фурье-анализа для многослойных структур InxGa1-x As/GaAs Технологические Параметры КТ (КН) Результаты фурье-анализа параметры образцов из АСМ-данных АСМ-данных Направw/d InxGa1-x As GaAs ление число w,, h, f, d, периодов нм мкм-2 нм % x толщина, MC нм 0.5 9.8 60 2 [011] 41.10 300 5 33 8.90 74.67 0.0.5 9.8 60 7 [011] 50.50 286 8 29 8.20 77.41 0.0.5 9.8 60 9 [011] 55.50 133 11 25 6.93 78.13 0.0.4 7.6 67 17 [011] 48.20 190 7 13 2.72 110.65 0. [011] 49.70 4.10 51.11 0.0.3 11.5 67 17 [011] 77.20 9 7 38 2.31 101.16 0.0.3 16.3 67 17 [011] 78.04 11 8 43 2.98 89.7 0.Примечание. — полуширина фурье-максимума.

упорядочения может быть полезным для оптимизации составляла x = 0.30-0.50. Скорость роста GaAs и характеристик лазеров, использующих массивы КТ и InxGa1-xAs была 0.4 и 0.8 МС/с соответственно. Рост КН как активные слои [11,12]. Поляризационные свой- всех образцов осуществлялся при постоянном давлении паров As, равном 1 · 10-5 Topp. Более детально режимы ства излучения КТ исследуются относительно редко.

роста описаны в [9]. Параметры образцов приведены в Некоторые результаты были получены с использованием таблице.

методов катодолюминесценции [13], спектров возбуПереход от псевдоморфной двумерной (2D) моды ждения [14] и фотолюминесценции [15,16]. Оптическая роста к образованию трехмерных (3D) островков конанизотропия излучения КТ (In,Ga)As, выращенных на тролировался по дифракции высокоэнергетических элекGaAs (100), связывалась с геометрической анизотропией тронов. Для структур In0.5Ga0.5As(9.8 MC)/GaAs(60 MC) формы КТ (эллиптичной формой КТ с большой полупереход 2D–3D для первого слоя InGaAs реализовался осью вдоль направления [011]) [11]. Поляризация ФЛ КТ при достижении толщины dInGaAs = 4.0 MC, а на послеInAs, выращенных на поверхностях (311), согласуется с дующих слоях — при 3.4MC.

удлиненностью формы КТ вдоль направления [233] [17].

Морфология поверхности образцов исследовалась В данной работе представлены результаты исследоex situ с помощью сканирующего атомно-силового мивания влияния количества периодов и состава слоя кроскопа Nanoscope IIIa.

InxGa1-xAs на морфологию поверхности и оптическую Фотолюминесценция структур возбуждалась излучеанизотропию самоорганизованных пространственно упонием Nd : YVO4-лазера с длиной волны 532 нм (энеррядоченных массивов квантовых точек и нитей. Покагия фотона Eexc = 2.33 эВ). Спектры регистрировазано, что периодическое расположение КТ в плоскости лись с использованием спектрометра TRIAX-550 и гетерограницы начинает проявляться уже для двухперисистемы регистрации с охлаждаемой СCD-камерой одной структуры. При увеличении количества периодов (OMA V : 512-1.7).

наблюдается повышение латерального упрядочения и Поляризация ФЛ анализировалась поляризатором однородности размеров КТ и КН во взаимно перпенГлана–Томпсона и пленочной широкополосной волновой дикулярных направлениях [011] и [011]. Показано, что пластинкой /4 (/2) (Achromatic Zero-order Waveplate этот факт коррелирует с ростом оптической анизотроIORP44-4 (IORP42-4)), которые размещались перед пии излучения, обусловленной анизотропией релаксации входной щелью монохроматора. Дополнительно проупругих деформаций и формой нанообъектов.

водились контрольные поляризационные измерения от одной точки образца при его вращении на 90 для исключения зависимости поляризационной анизотропии 2. Методика эксперимента излучения от ориентации образца в криостате.

Наши предыдущие электронно-микроскопические исВсе структуры были выращены методом молекулярноследования показали, что в многослойных структупучковой эпитаксии (МПЭ) на полуизолирующих подрах (In,Ga)As/GaAs, выращенных при аналогичных ложках GaAs ориентации (100). После удаления с технологических режимах, реализуется вертикальноих поверхности окисного слоя (температура подложки коррелированное расположение КТ [18].

Ts 650C) выращивался буферный слой GaAs толщиной 0.5 мкм (Ts 600C, скорость роста 1 монослой в секунду, 1 MC/c). Затем температура подлож3. Результаты и обсуждение ки понижалась до 540C и выращивалась активная часть, представлявшая собой от 2 до 17 периодов На рис. 1 показаны АСМ-изображения верхнего непоInxGa1-xAs/GaAs (100). Номинальная концентрация ин- крытого слоя КТ (In,Ga)As и соответствующие им 2D дия в многослойных структурах Inx Ga1-xAs/GaAs (100) фурье-преобразования для 2-, 7- и 9-периодной струкФизика и техника полупроводников, 2007, том 41, вып. 76 В.В. Стрельчук, П.М. Литвин, А.Ф. Коломыс, М.Я. Валах, Yu.I. Mazur, Zh.M. Wang, G.J. Salamo Рис. 1. Трехмерные АСМ-изображения фрагментов поверхности многослойных структур In0.5Ga0.5As/GaAs (слева) и их двумерное фурье-преобразование (справа): a — 2 периода, b — 7 периодов, c — 9 периодов.

тур In0.5Ga0.5As (9.8 MС)/GaAs(60 MC). Из АСМ-данных те [20] мы использовали отношение размеров w/d как следует, что с ростом числа периодов средние латераль- параметр, характеризующий поверхностную плотность ные размеры КТ (w) увеличиваются от 41 до 55 нм, а КТ, где w — средний латеральный размер КТ (КН) и плотность КТ () уменьшается от 300 до 133 мкм-2 (см. d — среднее расстояние между ближайшими КТ (КН).

таблицу). Среднее значение высоты КТ (h) увеличивает- Ожидается, что при w/d > 0.5 соседние КТ начинают ся от 5 до 11 нм. Они имеют относительно узкое распре- эффективно взаимодействовать друг с другом [20,21].

деление размеров и несколько удлиненную форму осно- В нашем случае с увеличением количества периодов вания вдоль кристаллографического направления [011], (рис. 1) отношение w/d увеличивается от 0.55 до 0.что наблюдалось и ранее [19]. Доля поверхности, за- в направлении, параллельном [011] (см. таблицу).

нятой КТ, достаточно высокая ( f 30%), в результате Cтепень упорядочения КТ была исследована с чего соседние КТ могут эффективно взаимодействовать помощью фурье-анализа АСМ-изображений размером друг с другом с появлением эффектов корреляции во 5 5 мкм. На картине 2D фурье-преобразования 2-перивзаимном расположении КТ. Поэтому аналогично рабо- одного образца (рис. 1, a) наблюдаются два максимума в Физика и техника полупроводников, 2007, том 41, вып. Латеральное упорядочение квантовых точек и нитей в многослойных структурах (In,Ga)As/GaAs (100) направлении [011], которые заметно размыты в направ лении [011]. Наличие таких максимумов указывает на то, что некоторая периодичность КТ в направлении [011] проявляется уже со второго периода структуры. При увеличении количества периодов упорядоченность КТ в плоскости слоя повышается (наблюдается образование цепочек КТ). Это приводит к значительному уменьшения размытия фурье-максимумов, свидетельствующему об уменьшении нерегулярных отклонений ориентации цепочек КТ от направления [011] (рис. 1, b, c). При увеличении количества периодов от 2 до 9 среднее расстояние d между цепочками КТ (центрами КТ) в направлении [011] увеличивается от 75 до 78 нм.

Латеральное выстраивание КТ в цепочки вдоль на правления [011] не может быть объяснено только лишь на основе анизотропии упругих констант разделяющего слоя GaAs, которые предсказывают упорядочение в направлениях 100, соответствующих минимумам тензора упругости [19]. Это означает, что в нашем случае кинетические эффекты и упругое взаимодействие соседних КТ более эффективно влияют на процесс роста КТ по сравнению с анизотропией упругих свойств разделяющего слоя.

Причина этого, во-первых, состоит в том, что при осаждении слоев Inx Ga1-xAs/GaAs на GaAs (100) длина поверхностной диффузии адатомов катионов вдоль на правлений [011] больше, чем вдоль [011], (отношение длин D[011]/D[011] 10 [22]) вследствие анизотропии поверхностной морфологии As-стабилизированной поверхности GaAs (например, монослойных неровностей, свойственных поверхности 2 4 GaAs [9]). В результате реализуется заметно анизотропный массоперенос в процессе роста КТ.

Во-вторых, локальное неоднородное распределение деформаций, обусловленное несимметричностью формы индивидуальных КТ, может усиливать диффузию адатомов из более напряженных областей в слабо напряженные. Поскольку поля упругих деформаций от границ КТ значительно быстрее спадают в упруго-жестких направлениях 011 по сравнению с мягкими направлениями 100, скорость зарождения КТ будет выше в направленях 011 по сравнению с направлениями 100 [5].

В-третьих, в многослойной структуре латеральное Рис. 2. Спектры фотолюминесценции (PL) 2- (a) и 11упругое взаимодействие соседних КТ и взаимодействие периодных (b) структур In0.5Ga0.5As/GaAs при линейной подеформационных полей поверхностных и барьерных КТ ляризации излучения параллельно направлениям [011] (I[011]) через перекрытие полей упругих деформаций в раздеи [011] (I[011]). a, b: пунктирная линия — степень линейной ляющем слое GaAs может способствовать упорядочеполяризации P =(I[011] - I[011])/(I[011] + I[011]). c — угловое нию пространственного распределения КТ на поверхнораспределение интенсивности I линейно поляризованного свести [23].

та. Eexc = 2.33 эВ, T = 8 K, плотность мощности 0.1Bт/см2.

Таким образом, мы считаем, что в нашем случае отмеченные эффекты поверхностной анизотропии полей деформаций и диффузии адатомов, а также взаимодейНа рис. 2, a, b показаны спектры ФЛ при температуре ствие упругих деформационных полей индивидуальных КТ могут быть ответственными за латеральное упорядо- T = 8 K и возбуждении с энергией кванта Eexc = 2.33 эВ для двух направлений поляризации: параллельно [011] чение массивов КТ.

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.