WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 1 Влияние легирования слоя квантовых точек InAs висмутом на морфологию и фотоэлектронные свойства гетероструктур GaAs/InAs, полученных газофазной эпитаксией © Б.Н. Звонков¶, И.А. Карпович, Н.В. Байдусь, Д.О. Филатов, С.В. Морозов Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, 603600 Нижний Новгород, Россия (Получена 24 апреля 2000 г. Принята к печати 16 июня 2000 г.) Изовалентное легирование висмутом слоя квантовых точек InAs в процессе его роста в гетероструктурах GaAs/InAs, полученных газофазной эпитаксией с использованием металлорганических соединений, подавляет коалесценцию нанокластеров и способствует получению более однородных квантовых точек. Сам висмут практически не входит в состав квантовых точек, и его роль состоит в основном в ограничении миграционной подвижности атомов на поверхности растущего слоя.

Разработана методика исследования морфологии внутренних слоев квантовых точек InAs в матрице GaAs методом атомно-силовой микроскопии, основанная на удалении покровного слоя избирательным химическим травлением. Исследованы спектры фотолюминесценции и фотоэлектрической чувствительности гетероструктур и установлена их связь с морфологией слоя квантовых точек. В легированных структурах получена фотолюминесценция и селективная фоточувствительность от квантовых точек на длине волны 1.41 мкм с шириной линии 43 мэВ при комнатной температуре. Некоторые особенности морфологии и фотоэлектронных свойств гетероструктур, полученных МОСГЭ, объясняются образованием переходного слоя твердого раствора на гетерогранице квантовых точек GaAs/InAs в результате диффузионного перемешивания компонентов.

Гетероструктуры с самоорганизованными квантовыми легирования слоя КТ InAs в процессе его роста изоваточками (ГКТ) GaAs/InAs вызывают повышенный ин- лентной примесью Bi. Предполагалось, что наличие на терес исследователей благодаря широким перспективам поверхности роста более массивных и крупных атомов их применения в оптоэлектронике, в частности для Bi приведет к ограничению миграционной подвижности создания высокоэффективных инжекционных лазеров [1]. атомов In и As и затруднит коалесценцию, что подтверДля получения ГКТ применяется в основном метод дилось в эксперименте.

молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ). Метод газофазной эпитаксии с использованием металлорганических 1. Методика эксперимента соединений (МОСГЭ), который успешно используется для получения гетероструктур с квантовыми ямами, приГКТ GaAs/InAs выращивались на поверхности (100) меняется значительно реже из-за трудностей контроля полуизолирующего GaAs с разориентацией на 3 в за процессом роста и самоорганизации слоя квантовых направлении [110] методом МОСГЭ при атмосферном точек (КТ) в этом методе и некоторых других его давлении. Буферный слой n-GaAs толщиной 0.8 мкм вынедостатков. Однако относительная простота и эконоращивали при температуре 600С, затем температуру мические достоинства технологии МОСГЭ, побуждают снижали до 530-510C и наносили слой КТ InAs. Триискать пути преодоления его недостатков.

метил индия и арсин подавались в реактор раздельно Влияние химически активной атмосферы и обычно с интервалом 4 с в течение 6 с и 2 с соответственно с более высокой температуры роста ГКТ при МОСГЭ числом циклов до 10. При этом номинальная толщина процессы самоорганизации слоя КТ приводит к тона слоя InAs по оценке составляла 1.5нм (около му, что морфология и фотоэлектронные свойства слоев 5 монослоев). Легирование висмутом производилось в квантовых точек InAs, выращенных этим методом и процессе осаждения слоя КТ путем распыления мишени, МПЭ, могут существенно различаться. Одной из серьезразмещенной в холодной зоне реактора на расстоянии ных проблем при выращивании КТ методом МОСГЭ 12 см от подложки, пучком неодимового лазера, работавявляется подавление коалесценции нанокластеров при шего в режиме модулированной добротности. Плотность оптимальной в отношении оптических свойств ГКТ темосажденных атомов Bi составляла по оценке 1014 cм-2.

пературе роста. Коалесценция приводит к увеличению Выращивались структуры без покровного слоя и с дисперсии КТ по размерам, уменьшению их поверхностпокровным слоем GaAs толщиной 15 нм. Морфология ной концентрации, а также к образованию значительнослоя КТ исследовалась методом атомно-силовой микрого количества относительно крупных релаксированных скопии (АСМ) на микроскопе ”Accures” TMX-2100 в кластеров в слое КТ, ухудшающих его морфологию и контактном режиме. Исследовались также спектры фофотоэлектронные характеристики [2]. В данной работе толюминесценции (ФЛ) ГКТ при 77 и 300 K и конденсаизучалась возможность подавления коалесценции путем торной фотоэдс (КФЭ) при 300 K. Методики оптических ¶ E-mail: get@phys.unn.runnet.ru и фотоэлектрических измерений описаны в [3].

Влияние легирования слоя квантовых точек InAs висмутом на морфологию... 2. Экспериментальные результаты и обсуждение 2.1. Морфология слоя КТ АСМ исследования показали, что легирование висмутом слоя КТ InAs в процессе его образования и самоорганизации блокирует процесс коалесценции и способствует росту более однородных по размерам кластеров — КТ, что особенно ярко проявляется при не слишком высокой концентрации In в слое. На рис. 1 приведены АСМ изображения поверхностных слоев КТ, выращенных при 530C без легирования (a) и при легировании Bi (b).

В первом случае наблюдается большой разброс латерального размера и высоты кластеров, причем имеется значительное количество крупных явно релаксированных кластеров, размер которых достигает 200 нм, а высота — 50 нм. Во втором случае практически полностью отсутствуют крупные кластеры и проявляется высокая однородность псевдоморфных кластеров как по латеральному размеру ( 40 нм), так и по высоте ( 6нм). Однако при этом поверхностная концентрация точек была невелика QD (Ns 4 · 109 см-2).

Ранее было установлено [2], что нанесение тонкого ( 15 нм) покровного слоя сразу после нанесения слоя КТ также подавляет процесс коалесценции и приводит к растворению не слишком крупных релаксированных кластеров с образованием на их месте кратеров (при этом псевдоморфные кластеры не растворяются). Однако полностью исключить образование крупных кластеров при выращивании слоя КТ обычным методом МОСГЭ не удается. Крупные кластеры выступают над поверхностью тонкого покровного слоя, что ухудшает его морфологию и препятствует, в частности, получению качественных многослойных массивов КТ.

При аналогичном покрытии легированного Bi слоя КТ АСМ изображение поверхности структуры обычно имеет такой же вид, как и в отсутствие слоя КТ: на нем видны только террасы с высотой ступеней около 2 нм.

Травление такой поверхности в медленно действующем избирательном травителе, обладающем низкой скоростью травления InAs, позволяет выявить скрытый слой КТ и исследовать его морфологию. Заметим, что для Рис. 1. АСМ изображения поверхностного слоя КТ. a —нелеГКТ, получаемых МОСГЭ, возможность исследования гированный слой КТ, b — легированный Bi слой КТ (размер кадра 1 1мкм).

мофрологии скрытых слоев КТ особенно важна, так как она может существенно отличаться от морфологии поверхностных слоев КТ, обычно используемых для АСМ исследований [2].

Мелкие кластеры, концентрация которых такого же поНа рис. 2 приведено АСМ изображение легированного рядка, менее однородны по размерам, возможно, из-за слоя КТ после стравливания покровного слоя толщиной более сильного влияния подтравливания. Их средний 15 нм. Несмотря на возможное подтравливание кластелатеральный размер 30 нм и высота 1.6 нм. Заметим, ров, по такому изображению можно судить о размерах что на поверхностных слоях КТ подобные кластеры и поверхностной плотности КТ. Видно наличие двух не наблюдаются. В связи с этим можно предположить, типов кластеров. Латеральный размер и высота более что они либо исчезают на свободной поверхности в крупных кластеров близки к данным, полученным на поверхностных слоях КТ, поверхностная плотность КТ результате коалесценции, либо образуются уже после QD этого типа в данном образце Ns 1.6 · 1010 см-2. нанесения покровного слоя в результате реконструкции Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 94 Б.Н. Звонков, И.А. Карпович...

Рис. 2. АСМ изображение слоя КТ после стравливания покровного слоя толщиной 15 нм (размер кадра 0.75 0.75 мкм).

смачивающего слоя. Последнюю может вызывать по- при этих температурах, хорошо разрешается не только вышение упругих напряжений в относительно толстом основной оптический переход, но и переход на первый смачивающем слое, вырастающем на свободной поверх- уровень возбуждения в КТ (кривая 3). Он отстоит ности. Простой расчет показывает, что для образования от основного перехода на 85 мэВ, что обеспечивает кластеров указанных выше размеров и плотности доста- сохранение свойств КТ при комнатной температуре.

точно изменения толщины смачивающего слоя на один В нелегированных ГКТ минимальное значение ГQD было монослой. Поскольку возможны и другие объяснения около 55 мэВ. Заметим, что в некоторых легированпоявления рассматриваемого нанорельефа на травленой ных ГКТ наблюдались и аномально широкие полосы поверхности (остатки растравленных крупных класте- ФЛ (ГQD — до 200 и даже 300 мэВ), структура коров, неоднородное травление и др.), дальше мы приведем торых свидетельствует об образовании КТ нескольких дополнительные аргументы, подтверждающие реальное характерных размеров. Возможно, появление такого рода наличие мелких кластеров — КТ. неоднородности связано с неконтролируемыми особенУвеличение концентрации In в слое КТ увеличивает ностями подложек, однако непосредственную причину поверхностную плотность КТ, но при неизменном посту- появления аномально широких полос ФЛ установить плении Bi эффективность блокирования коалесценции пока не удалось.

снижается и появляются крупные кластеры, однако одно- Как видно из рис. 3, методом МОСГЭ можно полуродность псевдоморфных кластеров — KT по-прежнему чать ГКТ с положением пика ФЛ hm до 0.93 эВ при остается значительно более высокой, чем в нелегиро- 77 K (кривые 4, 6), т. е. в практически важном для ванных слоях КТ, о чем свидетельствуют спектры ФЛ оптоэлектроники диапазоне длин волн в районе 1.3 мкм.

и КФЭ(см. далее). Возможно, что при соответствующей Подобные низкие значения hm в ГКТ, полученных МПЭ, оптимизации потоков In и Bi можно повысить плотность КТ без образования крупных кластеров, ухудшающих морфологию слоя.

2.2. Фотолюминесценция ГКТ На рис. 3 показано влияние температуры осаждения Td легированного Bi слоя KT на спектры ФЛ ГКТ при 77 K. При Td = 550C пик ФЛ от КТ с максимумом hm = 1.185 эВ очень широк и сильно смещен в сторону высоких энергий. При более низких температурах осаждения наблюдаются более узкие пики ФЛ, которые с понижением Td смещаются в сторону меньших энергий, но при этом снижается интенсивность свечения. Оптимальная температура, при которой наблюдается минимальная Рис. 3. Спектры ФЛ (77 K) при разных температурах оса ширина пика ФЛ на полувысоте ГQD = 35-40 мэВ при ждения слоя КТ. Td, C: 1 — 550, 2 — 530, 3 — 510, достаточно высокой интенсивности свечения, находится 4 — 490, 5 — 490 (измерения ФЛ при комнатной температув интервале 510-530C. В структурах, выращенных ре), 6 — 470.

Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. Влияние легирования слоя квантовых точек InAs висмутом на морфологию... обычно достигаются только при 300 K и при покрытии 2.3. Фотоэлектрическая спектроскопия ГКТ КТ внешней квантовой ямой [4,5]. В легированных Методы фотоэлектрической спектроскопии, показавГКТ интенсивность ФЛ при комнатной температуре была шие свою эффективность при исследовании гетероструктолько в два-три раза меньше, чем при 77 K. При этом тур с квантовыми ямами (см., например, [8]), сравбыло получено минимальное значение hm = 0.87 эВ нительно редко используются при исследовании ГКТ, (1.41 мкм) при ширине пика 43 мэВ (кривая 5).

вероятно, из-за некоторых трудностей их применения Некоторые особенности морфологии и фотоэлектронк этим объектам. Фотоэлектрическая чувствительность ных свойств исследованных ГКТ — низкие значения от слоя квантовых точек обычно значительно меньэнергии основного перехода в КТ, достаточно соверше фоточувствительности от квантовой ямы (КЯ) изшенная структура и проявление квантовых свойств при за меньшего значения коэффициента поглощения этого 300 K у сравнительно больших по данным АСМ нанослоя, который пропорционален поверхностной плотнокластеров, что противоречит некоторым оценкам [1], — сти КТ, и большего значения высоты барьеров для можно объяснить тем, что при МОСГЭ в результате эмиссии фотоэлектронов и фотодырок из КТ в матрицу.

диффузионного перемешивания компонентов на гетероВ связи с этим на фотоэлектрических спектрах ГКТ, границе КТ InAs/GaAs образуется переходный слой тверв отличие от спектров ФЛ, часто хорошо выявляется дого раствора, играющий роль внешней квантовой ямы.

полоса фоточувствительности от КЯ смачивающего слоя Его наличие вызывает перераспределение и частичную и трудно обнаружить полосу фоточувствительности от релаксацию упругих напряжений и изменение формы самих КТ на фоне примесной фоточувствительности потенциальной ямы в квантовых точках, что приводит к структур, связанной с глубокими уровнями в подложсоответствующему изменению энергетического спектра ке. Фоточувствительность от KT обычно наблюдается KT. Заметим, что низкие значения hm не могут быть притолько на ГКТ с достаточно тонким покровным слоем писаны вхождению Bi в состав самих KT, так как близкие ( 15 нм) и толстым буферным слоем ( 0.5мкм), что значения были получены и в нелегированных ГКТ [6].

обеспечивает встраивание слоя KT в область сильного Из-за большого размера атомов Bi скорее всего не входит поля поверхностного барьера. При этом поверхноств заметном количестве в состав KT, а оттесняется на ная плотность KT должна быть порядка 1010 см-2.

поверхность ГКТ. На это указывает образование на Однако если слой КТ находится непосредственно на поверхности многослойных легированных ГКТ тонкого поверхности, то из-за высокой скорости поверхностной слоя (вероятно, висмута или его сплава), диффузно рекомбинации фоточувствительность от него, как и ФЛ, отражающего свет. Возможно, Bi также частично ад- часто тоже не обнаруживается.

сорбируется на границе растущих кластеров — КТ, что На рис. 4 приведены спектры КФЭ ряда ГКТ при может влиять на поверхностную упругую энергию мас- 300 K. Спектры ФЛ некоторых из них показаны на рис. 3.

сива кластеров. При определенных условиях это может На фотоэлектрических спектрах нелегированных ГКТ способствовать росту более однородных кластеров [7].

(кривая 1) обычно виден только порог фоточувствиПочти на всех структурах, кроме главного пика ФЛ, связанного с КТ, наблюдался более слабый коротковолновый пик в области 1.35–1.28 эВ при 77 K (рис. 3).

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.