WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, № 1 Исследование влияния состава и условий отжига на оптические свойства квантовых точек (In,Ga)As в матрице (Al,Ga)As © Чжао Чжень, Д.А. Бедарев, Б.В. Воловик, Н.Н. Леденцов, А.В. Лунев, М.В. Максимов, А.Ф. Цацульников, А.Ю. Егоров, А.Е. Жуков, А.Р. Ковш, В.М. Устинов, П.С. Копьев Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 10 июня 1998 г. Принята к печати 11 июня 1998 г.) Исследованы оптические свойства структур с квантовыми точками InGaAs в матрицах GaAs и AlGaAs, выращенных методом молекулярно-пучковой эпитаксии. Показано, что увеличение содержания In в квантовых точках приводит к увеличению энергии локализации носителей и к возрастанию энергетического расстояния между основным и возбужденными состояниями носителей в квантовых точках. Исследование влияния постростового отжига на оптические свойства структур показывает, что формирование вертикально связанных квантовых точек и использование широкозонной матрицы AlGaAs приводит к повышению термической стабильности структур. Кроме того, в структурах с вертикально связанными квантовыми точками InGaAs в матрице AlGaAs высокотемпературный (при 830C) отжиг позволяет улучшить качество слоев AlGaAs, при этом практически не изменяя энергетический спектр структуры. Полученные результаты показывают возможность использования постростового отжига для улучшения характеристик лазеров на основе квантовых точек.

1. Введение поддерживать существенно более высокие температуры подложки (600 700C) для того, чтобы избежать обраВыращивание и исследование структур с упорядо- зования точечных дефектов. Таким образом, оптимальченными массивами квантовых точек (КТ) In(Ga)As в ные температуры для осаждения КТ и их начального матрице (Al)GaAs является в последнее время одной из заращивания и температуры для оптимального роста наиболее актуальных проблем в физике и технологии GaAs и AlGaAs не совпадают. В связи с этим возникают полупроводников [1–3]. Наиболее интенсивно иссле- два принципиальных вопроса — нельзя ли улучшить дуется формирование КТ методом спонтанной морфо- качество широкозонных барьеров путем постростового логической трансформации напряженных слоев при их отжига структур и, с другой стороны, не повлияет ли осаждении на поверхность кристалла с отличающейся рост пассивных областей лазера при повышенных темпепостоянной решетки. Интерес представляют как фун- ратурах на геометрические размеры, состав и форму КТ.

даментальные исследования физических свойств, свя- С этой целью и проводится исследование термической занных с размерным квантованием, так и возможность стабильности КТ с помощью постростового отжига. Как приборного применения подобных структур [3,4]. Так, в было показано в работах [8–10], высокотемпературный настоящее время созданы лазеры на основе КТ в системе отжиг InAs-КТ в GaAs приводит к сдвигу линии излучеInGaAs/AlGaAs [5], характеризующиеся сверхвысокой ния структур с КТ в сторону больших энергий фотона температурной стабильностью порогового тока [6], пре- (эффект частичного разупорядочения КТ за счет провосходящей теоретический предел для лазеров на основе цессов диффузии атомов через границу КТ при высоких квантовых ям [7].

температурах), но не улучшает заметно люминесцентКак было показано в ряде работ [2,3], образова- ных характеристик структур. При этом размер КТ увение плотных (> 5 · 1010 см-3) массивов когерентных личивается, приводя к уменьшению среднего содержания КТ InGaAs на поверхности GaAs или (Al,Ga)As при In, что было подтверждено данными просвечивающей молекулярно-пучковой эпитаксии происходит только при электронной микроскопии [10]. Кроме того, происходит определенных условиях роста. Так, отношение потоков сужение линии фотолюминесценции (ФЛ) КТ, обуслоатомов мышьяка и галлия не должно превышать 5 10, вленное меньшим влиянием дисперсии КТ по размерам а температура поверхности обычно поддерживается в на энергию оптического перехода при увеличении раздиапазоне 450 500C. Рост при более высоких тем- меров КТ. Уменьшение энергии локализации носителей пературах подложки приводит к резкому уменьшению в КТ приводит к возрастанию вероятности термического плотности массива КТ и увеличивает вероятность обра- выброса носителей и может привести в случае лазерных зования дислоцированных кластеров, а также приводит к применений к увеличению порогового тока и ухудшению переиспарению атомов In с поверхности. Таким образом, температурной стабильности прибора. Таким образом, осаждение КТ и их начальное заращивание материалом подробное исследование влияния процессов отжига на матрицы (GaAs или AlGaAs) необходимо осуществлять свойства структур с массивами КТ необходимо для при относительно низких температурах подложки. В то оптимизации режимов роста и постростовой обработки же время известно, что для выращивания высококаче- лазерных структур. До сих пор, однако, в основном ственных слоев GaAs и, особенно, AlGaAs необходимо исследовались структуры с InAs-КТ в GaAs-матрице, в 92 Чжао Чжень, Д.А. Бедарев, Б.В. Воловик, Н.Н. Леденцов, А.В. Лунев, М.В. Максимов...

Условия формирования КТ Образец Количество рядов КТ Содержание In, x Толщина InGaAs, Матрица Tg, C To, C 1 1 0.23 66 Al0.15Ga0.85As 500 2 1 0.37 22 Al0.15Ga0.85As 500 3 1 0.50 17 Al0.15Ga0.85As 500 4 3 0.50 12 Al0.15Ga0.85As 485 5 1 0.37 22 GaAs 500 6 1 0.50 17 GaAs 500 7 1 1.0 8 GaAs 500 8 6 0.55 12 GaAs 500 то время как в настоящее время наилучшие результаты Фотолюминесценция возбуждалась излучением Ar+по рабочим характеристикам лазеров на КТ получены лазера (длина волны = 514.5 нм, плотность мощности для КТ (In,Ga)As в матрице (Al,Ga)As. Этот факт P = 100 Вт/см2). Сигнал люминесценции регистрирообусловливает необходимость проведения детальных ис- вался охлаждаемым фотоумножителем или германиевым следований влияния постростового отжига на свойства p-i-n-фотодиодом. Образцы отжигались в атмосфере структур именно в этой системе и выявление общих водорода в течение различного времени при температузакономерностей и отличий по сравнению со случаем КТ рах 600 850C.

InAs и InGaAs в GaAs.

3. Результаты и их обсуждение 2. Эксперимент На рис. 1 показаны спектры ФЛ образцов с разлиИсследованные образцы выращивались методом моле- чающейся мольной долей InAs (x) в матрице AlGaAs кулярно-пучковой эпитаксии на подложках GaAs (100). при различных температурах. Необходимо отметить, что В структурах с InxGa1-xAs-КТ в матрицах GaAs и изменение мольной доли InAs приводит к изменению Al0.15Ga0.85As после осаждения буферного слоя GaAs рассогласования параметров решетки и, следовательно, выращивались сверхрешетки AlAs/GaAs для предотвра- к изменению размеров и формы КТ. Для всех струкщения утечки носителей в подложку. После этого оса- тур формирование КТ контролировалось по изменению ждался слой GaAs либо Al0.15Ga0.85As толщиной 100 нм. картины дифракции быстрых электронов. Как видно из Затем выращивалась активная область. Содержание In, рис. 1, увеличение x от 0.23 до 0.37 приводит к смещению эффективные толщины InGaAs и температуры осаждения полосы ФЛ (QD) в область меньших энергий фотонов КТ (Tg) представлены в таблице. Поскольку при умень- на 65 мэВ. Дальнейшее увеличение x не вызывашении мольной доли InAs (x) критическая толщина, ет значительного сдвига линии ФЛ. Помимо этого, при которой начинают формироваться КТ, возрастает, происходит увеличение ширины полосы ФЛ. Другой то для образцов с меньшим x эффективная толщина особенностью является то, что с ростом температуры слоя InGaAs была увеличина. После осаждения КТ и падение интегральной интенсивности ФЛ образца с КТ 100 GaAs ( Al0.15Ga0.85As) температура роста увели- In0.23Ga0.77As значительно сильнее, чем для структур чивалась, выращивались слой GaAs ( Al0.15Ga0.85As) и с большим x. Такое поведение ФЛ можно объяснить сверхрешетка AlAs/GaAs для предотвращения поверх- следующим образом. Увеличение мольной доли InAs ностной рекомбинации. Температуры заращивания (To) обусловливает увеличение энергии локализации носитакже приведены в таблице. телей в КТ, что приводит к смещению линии ФЛ в Кроме этого, нами были выращены образцы с не- область меньших энергий фотонов. Это приводит также к более сильному влиянию геометрических размеров сколькими слоями КТ. Условия роста этих образцов КТ на электронный спектр и на энергию оптическосоответствовали условиям роста образцов с одним слоем го перехода, что вызывает увеличение неоднородного КТ. Активная область состояла из трех или шести уширения линии излучения. Кроме того, возрастание слоев КТ, разделенных барьерами из материала матрицы толщиной 50. Поскольку общее количество осажден- степени локализации носителей приводит к уменьшению вероятности термического выброса носителей и, таким ного InGaAs в этих структурах увеличивалось, то для образом, к более слабой температурной зависимости предотвращения образования дислокаций толщина слоя интенсивности ФЛ.

InGaAs в верхних слоях КТ уменьшалась. Мольная доля InAs, эффективная толщина слоя InGaAs, температура, Рост температуры приводит к появлению новых линий при которой проводилось осаждение КТ, и температура (QD) на коротковолновой стороне спектра, что связано заращивания для данных структур также приведены в с увеличением заселенности возбужденных состояний таблице. КТ. Для структуры с x = 0.23 энергетическое расстояние Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, № Исследование влияния состава и условий отжига на оптические свойства квантовых точек... Рис. 1. Спектры ФЛ (PL) образцов с КТ с разной мольной долей InAs в Al0.15Ga0.85As-матрице при различных температурах.

a — образец 1; T = 15 (1), 40 (2), 70 (3), 100 (4), 140 (5), 180 (6), 210 (7), 240 (8), 280 K (9). b — образец 2; T = 15 (1), 40 (2), 70 (3), 100 (4), 140 (5), 180 (6), 210 (7), 240 (8), 300 K (9). c — образец 3; T = 15 (1), 40 (2), 70 (3), 100 (4), 140 (5), 180 (6), 210 (7), 250 (8), 300 K (9); на вставке —спектр ФЛобразца 4 при T = 77 K.

между линиями оптических переходов QD и QD состав- Как было показано в работах [12,13], использование ляет 45 мэВ. Для образца с x = 0.5 это расстояние широкозонной матрицы AlGaAs позволяет увеличить локализацию носителей в КТ, что приводит к значиувеличивается до 90 мэВ. В случае структуры с тельному снижению пороговой плотности тока в инжекx = 0.5 не наблюдается значительного изменения формы ционных лазерах. Мы исследовали постростовой отжиг спектра вплоть до комнатной температуры. Однако этот структур с КТ в матрицах GaAs и AlGaAs, для того чтобы факт может быть связан также с возрастанием ширины изучить влияние материала матрица и содержания In на полосы ФЛ и максированием новых линий неоднородным термическую стабильность КТ. На рис. 2 представлены уширением. Таким образом, увеличение x приводит к спектры ФЛ образцов с КТ InGaAs с разным содержаболее слабой зависимости формы спектра ФЛ от темнием In в матрице GaAs, снятые до и после постростопературы.

вого отжига. Температура при отжиге поддерживалась Полученные результаты позволяют сделать следуюравной Ta = 700C, длительность отжига составляла щие выводы. Для исследованных образцов КТ в струкили 90 мин. Видно, что, независимо от содержания In в туре с x = 0.5 характеризуются максимальной степенью КТ, после отжига линия ФЛ сдвигается в область больлокализации носителей и значительным энергетическим ших энергий фотона. Этот эффект наблюдался многими расстоянием между основным и возбужденными элекгруппами исследователей [8,9] и, как отмечалось выше, тронными состояниями. Это делает подобные структуры объясняется диффузией атомов In и Ga через границу КТ, перспективными для использования в качестве активной что приводит к понижению эффективного содержания области инжекционных полупроводниковых лазеров. ОдIn в КТ. Отметим, во-первых, что смещение пика ФЛ нако большая ширина полосы ФЛ ( 180 мэВ) может меминимально для КТ In0.5Ga0.5As. Во-вторых, спектры, шать получению низких значений пороговой плотности снятые после отжига в течение 30 и 90 мин, практически тока. Как было показано в [11,12], одним из путей контроне различаются. Таким образом, диффузионные процессы лируемого управления размерами и формой КТ является при 700C происходят в течение достаточно короткого их мультиплицирование — осаждение нескольких рядов времени, и дальнейшие изменения малосущественны.

КТ, разделенных узкими (порядка высоты КТ) барьерами Поскольку выбранные условия отжига соответствуют (Al)GaAs. На вставке к рис. 1 показан спектр ФЛ образца условиям высокотемпературного роста широкозонных с тремя слоями In0.5Ga0.5As-КТ в Al0.15Ga0.85As-матрице.

эмиттеров в инжекционных лазерах, это указывает на Видно, что произошло значительное сужение спектра значительную модификацию формы и размеров КТ в ФЛ до 75 мэВ, что указывает на повышение одноматрице GaAs в активной области лазеров.

родности системы КТ при вертикальном расположении.

Как показали результаты исследований [12,13], струкНебольшое смещение максимума ФЛ в коротковолновую туры с несколькими рядами КТ, разделенными узкими сторону для данной структуры связано, по-видимому, (порядка высоты точек) барьерами, (так называемые с меньшей эффективной толщиной InGaAs в каждом структуры с вертикально связанными КТ — ВСКТ) последующем цикле осаждения. помимо уменьшения дисперсии по размерам позволяют Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, № 94 Чжао Чжень, Д.А. Бедарев, Б.В. Воловик, Н.Н. Леденцов, А.В. Лунев, М.В. Максимов...

Как было показано нами раньше [11], высокотемпературный отжиг структур с КТ InGaAs в матрице AlGaAs влияет на оптические характеристики структур слабее, чем на структуры с КТ в матрице GaAs. На рис. приведены спектры ФЛ структур с ВСКТ InGaAs в матрице Al0.15Ga0.85As. Отметим, что для структуры с КТ в системе InGaAs/Al0.15Ga0.85As температура роста верхнего ограничивающего слоя AlGaAs составляла 700C. Таким образом, в процессе роста структура подвергалась отжигу в течение 10 мин при более высоких температурах, чем в случае отжига структур с КТ в GaAs-матрице. Видно, что для этой структуры постростовой отжиг в течение 30 мин при температуре Ta = 830C приводит к незначительному сдвигу линии ФЛ (20 мэВ) в сторону больших энергий фотона, при этом интенсивность ФЛ при низких температурах и ширина линии не изменяются. Это связано, во-видимому, с подавлением процессов диффузии, вызванным меньшей подвижностью атомов Al. В то же время отжиг значительно увеличивает интенсивность ФЛ при температуре 300 K. Мы объясняем этот эффект тем, что при отжиге значительно падает концентрация точечных дефектов в слое AlGaAs, прилегающем к КТ, который осаждался при Рис. 2. Спектры ФЛ (PL) образцов с КТ с разной мольной долей InAs в GaAs-матрице без отжига (сплошные линии) и после отжига при Ta = 700C в течение 30 (штриховые линии) и90 мин(точечные). Температура измерения T = 77 K.

Образцы: a —5, b —6, c —7.

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.