WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 1 Изучение свойств структур с нанокластерами Al, внедренными в матрицу GaAs © Н.В. Востоков¶, С.А. Гусев, В.М. Данильцев, М.Н. Дроздов, Ю.Н. Дроздов, А.И. Корытин, А.В. Мурель, В.И. Шашкин Институт физики микроструктур Российской академии наук, 603950 Нижний Новгород, Россия Институт прикладной физики Российской академии наук, 603000 Нижний Новгород, Россия (Получена 1 июня 2004 г. Принята к печати 16 июня 2004 г.) Показана возможность формирования методом металлорганической газофазной эпитаксии искусственной среды, представляющей собой матрицу монокристаллического GaAs с внедренными наночастицами Al.

Проведены исследования ее электрических и оптических свойств.

1. Введение Для анализа получаемых структур использовались: атомно-силовой микроскоп (АСМ) „Solver-P4“ Интерес к полупроводниковым материалам с метал(NT-MDT, Зеленоград), масс-спектрометр вторичных лическими наноразмерными включениями обусловлен ионов (ВИМС) „Шиповник“ (НИТИ, Рязань), рентих широкими потенциальными возможностями с точки геновский дифрактометр ДРОН-4, сканирующий элекзрения оптоэлектронных приложений. Одним из приметронный микроскоп (СЭМ) JEM 2000 EX-II, фемтосеров такого материала является эпитаксиальный GaAs, кундная титан-сапфировая лазерная система Spitfire выращенный при пониженной температуре и содержа(Spectra-Physics Lasers Inc., USA) и стенд для оптищий нанокластеры As [1,2]. Короткое время жизни фоточеских и транспортных измерений. Для проведения носителей, низкая проводимость, высокая подвижность транспортных измерений омические контакты к структуэлектронов и большое поле пробоя позволяют испольрам формировались путем вплавления Au–Ge. Спектры зовать низкотемпературный арсенид галлия для генефототока получали на структурах с барьером Шоттки.

рации и детектирования терагерцового излучения [3,4].

Барьеры Шоттки формировались нанесением металлиДругая возможность формирования полупроводниковой ческих Al-контактов на поверхность образца методом среды с внедренными металлическими нанокластерами, напыления и фотолитографии. При измерении спектров реализуемая методом металлорганической газофазной фототока для возбуждения носителей использовалось эпитаксии (МОГФЭ), обсуждается в настоящей работе.

освещение структуры с обратной стороны монохромаЗадачей работы было создание многослойной трехтизированным излучением галогеновой лампы с размерной среды контактов металлическая наночастица– верткой по длине волны от 900 до 1300 нм. Для изуполупроводник за счет многократного повторения прочения динамики сверхбыстрых процессов релаксации цесса формирования алюминиевых нанокластеров на фотоносителей заряда использовался метод субпикосеповерхности GaAs и их заращивания in situ слоем кундной отражательной абсорбционной спектроскопии арсенида галлия, а также исследование электрических с возбуждающими и пробными импульсами. Лазерная и оптических свойств такой среды.

система генерировала импульсы длительностью 45 фс, с энергией 2 мДж, частотой повторения 1 кГц и длиной волны 795 нм. Плотность потока энергии на образце в 2. Эксперимент возбуждающих импульсах — 1 мДж/см2. Максимальная относительная индуцированная модуляция коэффициенЭпитаксиальные слои GaAs выращивались методом та отражения ( R/R) при нормальном падении излучеМОГФЭ на подложках GaAs (100) в горизонтальния составляла (1-2) · 10-3.

ном реакторе с пониженным давлением. Источниками Ga, As, Al служили Ga(CH3)3, AsH3 — арсин и AlH3(CH3)2(C2H5) — диметилэтиламиналан. Газом — 3. Результаты носителем являлся водород. Формирование слоев Al осуществлялось in situ в едином процессе роста. Перед На начальных стадиях происходит послойный осаждением слоев выращивался буферный слой арсенирост алюминия на GaAs. На рис. 1 приведены да галлия толщиной не менее 100 нм. Рост GaAs проАСМ-изображения структур с малым количеством изводился при температуре 550-600C, алюминия при осажденного алюминия на подложках с различными 500-550C. На время осаждения Al, минимум за 30 с до углами разориентации. На сильно разориентированной подачи диметилэтиламиналана в реактор, отключалась подложке происходит послойно-ступенчатый рост подача арсина.

алюминия (рис. 1, a). В случае подложки с малой ¶ E-mail: vostokov@ipm.sci-nnov.ru разориентацией длина диффузии атомов Al вдоль Изучение свойств структур с нанокластерами Al, внедренными в матрицу GaAs Присутствие алюминиевых нанокластеров в матрице GaAs видно из рис. 2, на котором представлено СЭМ-изображение тонкого (< 100 нм) слоя GaAs с внедренными нанокластерами, полученное в просвечивающем режиме. Из рисунка видно, что нанокластеры имеют форму пирамид с прямоугольными и треугольными основаниями, что согласуется с представлениями о росте Al на GaAs в условиях МОГФЭ [7].

Для исследования качества заращивающего слоя над слоем с алюминиевыми нанокластерами была выращена гетерострктура GaAs/InGaAs/GaAs. Спектр рентгеновской дифракции содержит пик от монокристаллического слоя In0.12Ga0.88As. Длина когерентности слоя (из расчета по рентгеновским данным) 48 нм равна его толщине, что свидетельствует о малом количестве структурных дефектов. Спектр фототока структуры со слоем In0.12Ga0.88As имеет большую интенсивность фототока на длинах волн, соответствующих межзонным оптическим переходам в слое In0.12Ga0.88As, что свидетельствует о его высоком оптическом качестве.

Для проведения оптических и транспортных измерений были выращены структуры, содержащие 9 слоев с алюминиевыми нанокластерами, каждый из которых заращивался слоем GaAs толщиной 100 нм. Рис. представляет собой АСМ-изображение скола одной из структур после ее 10-минутного травления в растворе KOH (0.5%) при комнатной температуре. При таком методе травления происходит селективное удаление Al без затрагивания GaAs и AlAs [8]. На рисунке видны канавки, вытянутые вдоль слоев с нанокластерами Al и Рис. 1. АСМ-изображения поверхности структур после осаждения малого количества Al на GaAs с большим (a) и малым (b) углом разориентации подложки.

поверхности при температуре 500C оказывается меньше ширины ростовой ступени. Характер роста в этом случае послойно-островковый, когда атомы образуют монослойные зародыши на плоскости террасы, не успевая дойти до края (рис. 1, b). Наличие алюминия на поверхности структур следует из послойного анализа методом ВИМС. Содержание Al максимально на поверхности и падает более чем на 3 порядка в глубине образцов.

При превышении толщины слоя алюминия критической величины, равной нескольким монослоям, происходит формирование алюминиевых нанокластеров с поперечными размерами 10-100 нм [5,6]. Такая ситуация характерна для механизма Странского–Крастанова, однако прямых доказательств того, что алюминий растет по этому механизму, у нас нет.

Эпитаксиальный рост GaAs над алюминиевым слоем происходит по механизму Фольмера–Вебера. Рост начинается с образования зародышей, которые в дальнейшем срастаются между собой. Планаризация поверхности Рис. 2. СЭМ-изображение тонкого слоя GaAs с внедренными заращивающего слоя GaAs происходит при толщине алюминиевыми нанокластерами, полученное в просвечиваюслоя 100 нм [5,6]. щем режиме.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 94 Н.В. Востоков, С.А. Гусев, В.М. Данильцев, М.Н. Дроздов, Ю.Н. Дроздов, А.И. Корытин, А.В. Мурель...

Измерения спектров фототока выполнялись в поперечной геометрии на 9-слойных структурах, выращенных на n+-подложке. На рис. 4 показаны зависимости квадратного корня из фотоотклика, пересчитанного на один фотон, (1/2) от энергии фотона (). Зависимости получены на одной из 9-слойных структур с нанокластерами Al (точки 1) и, для сравнения, на контрольной структуре, представляющей собой эпитаксиальный слой GaAs толщиной 2 мкм (точки 2). Прямые участки на зависимостях связаны, по-видимому, в случае 9-слойной структуры с возбуждением и выходом в GaAs электронов из нанокластеров Al, а для контрольной структуры — с выходом электронов из алюминиевого макроконтакта, сформированного на поверхности образца.

Экстраполируя эти прямые на ось энергий, получим высоты энергетических барьеров Шоттки. В случае конРис. 3. АСМ-изображение скола структуры с 9 слоями Al трольной структуры высота барьера равна 0.95 эВ. Такая после ее травления в растворе KOH. Стрелка указывает большая величина барьера связана, по-видимому, с принаправление роста.

сутствием промежуточного слоя на границе Al–GaAs, возникшего в процессе формирования алюминиевого контакта к образцу. Для структуры с нанокластерами экстраполяция дает высоту барьера 0.76 эВ. В работе [7] показано, что высота барьера Шоттки в контактах GaAs–Al, сформированных методом МОГФЭ in situ, растет с увеличением температуры формирования и достигает 0.95 эВ при температуре 300-350C. Такое увеличение высоты барьера связывается с возникновением промежуточного слоя AlAs при высоких температурах роста. В нашем случае малая высота барьера Шоттки на границе GaAs–алюминиевый нанокластер может быть связана с малыми размерами частиц Al [9,10].

Для изучения фотонаведенных сверхбыстрых процессов в структурах с нанокластерами Al были проведены измерения эволюции модулированного мощным световым импульсом коэффициента отражения от структур Рис. 4. Зависимости квадратного корня из фотоотклика, с субпикосекундным временным разрешением. Резуль пересчитанного на один фотон, (1/2) от энергии фотона (), таты измерений для 9-слойной структуры показаны полученные на одной из 9-слойных структур с нанокластерами Al (1) и на структуре с эпитаксиальным слоем GaAs (2).

возникшие в результате его вытравливания, что может свидетельствовать о присутствии некоторого сплошного слоя, содержащего Al. Утолщения на канавках связаны с вытравливанием алюминиевых нанокластеров.

Измерения продольных вольт-амперных характеристик (ВАХ) проводились на 9-слойных структурах, выращенных на полуизолирующих подложках. Для измерений поперечных ВАХ использовались структуры, изготовленные на n+-подложках. ВАХ, измеренные вдоль слоев через сформированные на структуре омические контакты, были линейными. Измерения ВАХ поперек слоев через омические контакты показали экспоненциРис. 5. Эволюция модулированного мощным световым имальную зависимость тока от напряжения для любой пульсом коэффициента отражения от одной из 9-слойных полярности. Такое поведение может быть связано с структур для направления поляризации возбуждающего имперекрытием областей обеднения GaAs вокруг нанокла- пульса перпендикулярно (1) и параллельно (2) направлению стеров Al в слоях. поляризации зондирующего импульса.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Изучение свойств структур с нанокластерами Al, внедренными в матрицу GaAs на рис. 5. Зондирующий световой импульс и мощный Список литературы возбуждающий импульс имели линейную поляризацию.

[1] A.C. Warren, J.M. Woodall, J.L. Freeout, D. Grischkowsky, Эволюция коэффициента отражения была измерена для D.T. McInturff, M.R. Melloch, N. Otsuka. Appl. Phys. Lett., двух направлений поляризации возбуждающего импуль57, 1331 (1990).

са: перпендикулярно (кривая 1) и параллельно (кри[2] Kian-Giap Gan, Jin-Wei Shi, Yen-Hung Chen, вая 2) направлению поляризации зондирующего импульChi-Kuang Sun, Yi-Jen Chiu, John E. Bowers. Appl.

са. Мощный возбуждающий импульс забрасывает элекPhys. Lett., 80, 4054 (2002).

троны из валентной зоны в зону проводимости. После [3] S. Gregory, C. Baker, W.R. Tribe, M.J. Evans, H.E. Beere, окончания импульса начинается релаксация носителей E.H. Linfield, A.G. Davies, M. Missous. Appl. Phys. Lett., 83, заряда к равновесию, что влияет на диэлектрическую 4199 (2003).

проницаемость среды и изменяет величину коэффици[4] C. Baker, S. Gregory, W.R. Tribe, M.J. Evans, M. Withers, ента отражения. Анализ полученных кривых позволяет P.F. Taday, V.P. Wallace, E.H. Linfield, A.G. Davies, M. Misвыделить 4 характерных времени (рис. 5), каждому sous. Appl. Phys. Lett., 83, 4113 (2003).

из которых соответствует свой процесс релаксации:

[5] V. Shashkin, V. Daniltsev, M. Drozdov, Yu. Drozdov, 1 < 1пс, 2 1пс, 3 3пс, 4 от десятков до сотен пс.

A. Murel, N. Vostokov, S. Rushworth. Booklet of Extended По-видимому, 1 и 2 характеризуют процессы термалиAbstracts of 10th European Workshop on Metalorganic зации электронно-дырочной плазмы в полупроводнике.

Vapour Phase Epitaxy (Italy, Lecce, 2003) p. 79.

Процесс с временем 2 меняет свой знак в зависимости [6] НВ. Востоков, В.М. Данильцев, М.Н. Дроздов, Ю.Н. Дрозот поляризации возбуждающего импульса. Ответ на дов, А.В. Мурель, В.И. Шашкин. Изв. РАН. Сер. физ., вопросы, почему это так, и какие именно процессы с 68 (1), 55 (2004).

характерными временами 1 и 2 происходят во время [7] V. Shashkin, S. Rushworth, V. Daniltsev, A. Murel, термализации, требует дополнительных исследований. Yu. Drozdov, S. Gusev, O. Khrykin, N. Vostokov. J. Electron.

Mater., 30, 980 (2001).

Быстрый процесс, характеризуемый 3, вносит основной [8] V.M. Danil’tsev, M.N. Drozdov, Yu.N. Drozdov, O.I. Khrykin, вклад в релаксацию коэффициента отражения к равновеV.I. Shashkin, Yu. Shuleshova, N.V. Vostokov. Phys. Low.-Dim.

сию и, по нашему мнению, является безызлучательной Structur., 3/4, 321 (2001).

рекомбинацией фотоносителей на металлических нано[9] Н.В. Востоков, В.И. Шашкин. Тез. докл. VI Росс. конф. по кластерах в условиях, когда фотоносителей заряда много физике полупроводников (СПб., 2003) с. 257.

и зоны в области пространственного заряда вокруг [10] Н.В. Востоков, В.И. Шашкин. ФТП, 38, 1084 (2004).

нанокластеров выпрямлены. В этом случае возникает [11] M. Achermann, U. Siegner, L.-E. Wetnersson, U. Keller. Appl.

диффузионный ток электронов и дырок в нанокластер, Phys. Lett., 77, 3370 (2000).

где и происходит рекомбинация [11]. В дальнейшем концентрация фотоносителей заряда в зонах падает, в Редактор Л.В. Шаронова областях пространственного заряда возникает электрическое поле, разделяющее оставшиеся фотоносители, Study of the properties которые рекомбинируют за характерное время 4.

of heterostructures with the Al-nanoclusters embedded 4. Заключение in the GaAs matrix В результате выполнения работы показана возмож- N.V. Vostokov, S.A. Gusev, V.M. Daniltsev, ность создания среды, представляющей собой монокриM.N. Drozdov, Yu.N. Drozdov, A.I. Korytin, A.V. Murel, сталлический GaAs с внедренными наночастицами Al.

V.I. Shashkin Проведенные исследования свидетельствуют о малом Institute for Physics of Microstructures, количестве структурных дефектов и высоком оптичеRussian Academy of Sciences, ском качестве полупроводниковой матрицы.

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.