WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 1 Гетероструктуры InGaAs/GaAs с квантовыми точками для инфракрасных фотоприемников диапазона 3-5 мкм ¶ © А.В. Антонов, Д.М. Гапонова, В.М. Данильцев, М.Н. Дроздов, Л.Д. Молдавская, А.В. Мурель, В.С. Туловчиков, В.И. Шашкин Институт физики микроструктур Российской академии наук, 603950 Нижний Новгород, Россия (Получена 1 июня 2004 г. Принята к печати 16 июня 2004 г.) Исследованы особенности формирования квантовых точек InAs методом металлорганической газофазной эпитаксии в зависимости от времени роста или эквивалентной толщины слоя InAs. Методами просвечивающей электронной микроскопии и фотолюминесценции показано, что увеличение времени роста квантовых точек в матрице GaAs приводит к изменению не только их размеров, но и формы — увеличивается отношение вертикальных и латеральных размеров. Изготовлены многослойные селективно-легированные структуры InGaAs/GaAs с квантовыми точками, и проведено исследование инфракрасной фотопроводимости в продольной и вертикальной геометрии электонного транспорта. В режиме нормального падения излучения наблюдалась внутризонная фотопроводимость в среднем инфракрасном диапазоне (2.5-5мкм) до температуры 110 K.

1. Введение КТ методами фотолюминесценции (ФЛ) и межзонной фотопроводимости (ФП), сообщается о наблюдении нескольких линий продольной и вертикальной фотопроВ последнее время значительный интерес вызывает использование гетероструктур InGaAs/GaAs с квантовы- водимости в среднем ИК диапазоне.

ми точками (КТ) в качестве детекторов излучения среднего и дальнего инфракрасных (ИК) диапазонов [1,2].

2. Эксперимент Благодаря нуль-мерному характеру размерного квантования ИК фотоприемники на КТ в отличие от струкМногослойные гетероструктуры InGaAs/GaAs с тур с квантовыми ямами могут принимать излучение квантовыми точками выращивались на подложках любой поляризации при нормальном падении. Кроме GaAs (100) методом МОГФЭ пониженного давления того, в системах с КТ может быть ослаблено рассеяние на установке EPIQUIP VP-502RP. Для измерений фоэлектронов на фононах, что значительно увеличивает топроводимости в продольной геометрии электронного время жизни фотовозбужденных электронов — один из транспорта структуры выращивались на изолирующих основных параметров, определяющих чувствительность подложках, для вертикальной геометрии — на проводяИК фотоприемников — и позволяет рассчитывать на щих подложках n+-GaAs. Структуры состояли из 10 слоболее высокие рабочие температуры. Для реализации ев КТ InAs, разделенных барьерными слоями GaAs потенциальных возможностей фотоприемников на КТ толщиной 90 нм, они селективно легировались -слоями центральную роль играет прецизионное управление и Si, расположенными на расстоянии 2.5 нм перед каждым контроль зонной структуры массивов КТ. Большое чисслоем КТ. Рост КТ InAs проводился при пониженной ло работ посвящено ИК фотоприемникам диапазона температуре, 480C, после чего следовала продувка 8-14 мкм, значительно меньше работ выполнено по реактора и заращивание КТ тонким слоем GaAs при той фотоприемникам для окна прозрачности в среднем же температуре. После повторной продувки реактора ИК диапазоне 3-5мкм [3–7]. Дополнительный интетемпература поднималась до 600C и проводился рост рес вызывает создание широкополосных приемников барьерных слоев GaAs. Наиболее критичным параметдля этого диапазона. Основным требованием для таром здесь являлось время роста КТ, или эквивалентная ких фотоприемников является смещение линий межтолщина слоя InAs. Для измерения продольной фотопрозонных переходов в КТ в длинноволновую область, водимости использовались образцы размером 5 3мм2, 1.3-1.5 мкм, что может повысить энергию переходов на поверхности которых формировались омические при внутризонном поглощении в зоне проводимости контакты путем вжигания In. Для измерений фотопроводо 400-450 мэВ. Наиболее распространенным способом димости в вертикальной геометрии электронного трансформирования таких КТ является молекулярно-пучковая порта методом фотолитографии были изготовлены мезаэпитаксия, использующая заращивание сформированных структуры в форме квадрата размером 300 300 мкм2.

КТ слоем InGaAs. В данной работе для изготовления Омические контакты AuGeNi наносились на поверхфотоприемников диапазона 3-5 мкм используется метод ность меза-структуры в виде дорожек шириной 100 мкм металлорганической газофазной эпитаксии (МОГФЭ).

по периметру квадрата. Размер входного окна для Проведено исследование зонной структуры массивов излучения составлял 100 100 мкм2, его площадь была ¶ E-mail: lmd@ipm.sci-nnov.ru в 1000 раз меньше, чем при измерении продольной ФП.

Гетероструктуры InGaAs/GaAs с квантовыми точками для инфракрасных фотоприемников... ствующий переходам между основными состояниями в КТ, и пик 1.29 эВ, обусловленный переходами между возбужденными состояниями. На подобной структуре мы наблюдали несколько линий продольной фотопроводимости в среднем и дальнем ИК диапазонах [8].

В структуре 2 происходит длинноволновой сдвиг линий ФЛ основного и первого возбужденного переходов, 1.и 1.16 эВ, и появляется дополнительная линия переходов между более высокими возбужденными уровнями, 1.25 эВ. Следует отметить, что в структуре 2 наряду со сдвигом линии перехода между основными состояниями в КТ происходит и увеличение расстояния между основным и первым возбужденным переходами. Согласно работам [9,10], это свидетельствует об изменении не только размеров, но и формы КТ: в структуре происходит увеличение k — отношения вертикальных и латеральных размером (aspect ratio). Этот вывод Рис. 1. Спектры фотолюминесценции (PL) двух структур, подтверждается данными ПЭМ: k 0.15 в структуре 1, отличающихся временем подачи InAs при росте КТ: структуk 0.3 в структуре 2.

ра 1 — 10 с, структура 2 — 8 с.

На рис. 2 приведены результаты измерения продольной ИК фотопроводимости структуры 2 при 77 K.

Наблюдается несколько линий внутризонной фотопроводимости: 0.26, 0.35 и 0.49 эВ. Кроме того, особенностью является наличие линий межзонной ФП (0.и 1.18 эВ). Эти линии значительно более выражены при использовании других источника света и делителя в фурье-спектрометре, специализированных для ближнего ИК диапазона, как это видно из рис. 3 (характерный провал 0.88 эВ на кривых 2 и 3 рис. 3 связан, очевидно, с особенностями используемой кварцевой лампы).

Следует отметить, что линия 1.18 эВ в спектре ФП на рис. 2, 3 совпадает с линией ФЛ рис. 1, обусловленной переходом между возбужденными состояниями в КТ.

Эти состояния расположены достаточно глубоко от края зоны проводимости GaAs и смачивающего слоя, так что тепловой выброс или туннелирование фотовозбужденРис. 2. Спектры фотопроводимости структуры 2: 1 —продольная ФП, 77 K; 2 — продольная ФП, 300 K; 3 —вертикальная ФП, 77 K.

Измерения фотолюминесценции проводились при температуре T = 77 K, использовался лазер накачки с длиной волны 514 нм и охлаждаемый Ge-детектор. Продольная ИК фотопроводимость структур исследовалась на фурье-спектрометре BOMEM, измерения вертикальной ФП проводились на спектрометре ИКС-21. Данные просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) были получены на электронном микроскопе JEM2000EXII.

Рис. 3. Спектры фотопроводимости структуры 2 при 77 K, На рис. 1 приведены спектры ФЛ двух структур полученые при использовании различных делителей и источс КТ, отличающихся временем подачи InAs при росте ников света в фурье-спектрометре: 1 — делитель KBr, глобар;

КТ: 10 с для структуры 1 и 8 с для структуры 2.

2 — делитель KBr, кварцевая лампа; 3 — делитель кварц, В структуре 1 наблюдается пик ФЛ 1.21 эВ, соответ- кварцевая лампа.

7 Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 98 А.В. Антонов, Д.М. Гапонова, В.М. Данильцев, М.Н. Дроздов, Л.Д. Молдавская, А.В. Мурель...

ных носителей из КТ маловероятны. В такой ситуации 3. Заключение линии межзонной фотопроводимости, как правило, не наблюдаются. Однако в работе [11] мы уже отмечали Методом МОГФЭ изготовлены многослойные особенности продольной фотопроводимости в структу- селективно-легированные структуры InGaAs/GaAs с рах с КТ, обусловленные изменением рассеивающих квантовыми точками. Показано, что вариация условий кулоновских полей, создаваемых заряженными КТ при роста КТ приводит к длинноволновому сдвигу линий фотовозбуждении носителей. Это дает возможность нофотолюминесценции при одновременном увеличении вого, не „концентрационного“, механизма фотопроводирасстояния между основным и первым возбужденным мости в структурах с КТ. Наличие линий межзонной уровнями. В сочетании в данными ПЭМ исследование фотопроводимости на рис. 2, 3 дополнительно подтверФЛ доказывает изменение не только размеров, но и ждает этот механизм.

формы КТ — возрастает отношение вертикальных и Кроме того, в спектре ФП в ближнем ИК диалатеральных размеров КТ. В этих структурах вплоть пазоне наблюдается линия 0.92 эВ, отсутствующая в до 300 K наблюдается продольная фотопроводимость спектре ФЛ на рис. 1. На наш взгляд, это свидетельв ближнем ИК диапазоне (0.8-1.2эВ, 1-1.5мкм), ствует о наличии в структуре 2 бимодального хараксвязанная с межзонными переходами в КТ. В диапазоне тера распределения КТ с излучательными (тип 1) и температур до 110 K наблюдается несколько линий безызлучательными (тип 2) переходами. Возможность продольной внутризонной фотопроводимости в формирования бимодальных распределений КТ методом среднем ИК диапазоне (0.25-0.49 эВ, 2.5-5мкм) МОГФЭ обсуждается в работах [12–14]. Ширина линии при нормальном падении излучения, максимальное ФЛ составляет 0.095 эВ, линии ФП оказываются более значение ФП достигается при 62 K. Вертикальная широкими, 0.2 эВ, что свидетельствует о большем влиФП в среднем ИК диапазоне (линии 0.36 и 0.55 эВ) янии неоднородного уширения уровней в КТ на спектр наблюдалась на меза-структурах с входным окном межзонной ФП. Указанные переходы в спектре ФП в для излучения 100 100 мкм2, что сопоставимо с ближнем ИК объясняют наблюдаемый спектр внутригеометрическими размерами элементов в матричных зонной ФП в среднем ИК: линии 0.26 и 0.35 эВ связаны фотоприемниках.

с первым типом КТ, линия 0.49 эВ — со вторым. Ширина линий внутризонной фотопроводимости составляет Работа поддержана РФФИ, гранты № 03-02-16780, 0.15-0.18 эВ. ФП в среднем ИК диапазоне наблюдалась 03-02-17404, 04-02-17180 и программами Министерства до T = 110 K, максимальное значение достигается при промышленности, науки и технологий.

62 K. Межзонная фотопроводимость в ближнем ИК наблюдается вплоть до комнатной температуры (рис. 2, кривая 2).

Список литературы Спектральная зависимость вертикальной ФП при напряжении +0.5 В приведена на рис. 2 (кривая 3). Смена [1] J. Phillips. J. Appl. Phys., 91 (7), 4590 (2002).

знака поданного напряжения слабо влияла на результаты [2] H.C. Li, J.-Y. Duboz, R. Dudek, Z.R. Wasilewski, S. Fafard, измерений. На длинноволновом крае вертикальная ФП P. Finnie. Physica E, 17, 631 (2003).

практически совпадает с продольной ФП. Линия 0.26 эВ [3] S.-Y. Tang Lin, S.-C. Lee. Appl. Phys. Lett., 78 (17), отсутствует, по-видимому, из-за меньшего отношения 2428 (2001).

сигнала к шуму вследствие значительно меньшей пло- [4] A.D. Stiff, S. Krishna, P. Bhattacharya, S. Kennerly. Appl.

щади фотопроемника. В то же время в коротковолновой Phys. Lett., 79 (3), 421 (2001).

области линии вертикальной ФП наблюдается голубой [5] A.D. Stiff, S. Krishna, P. Bhattacharya, S. Kennerly. IEEE J.

Quant. Electron., 37 (11), 1412 (2001).

сдвиг 70 мэВ относительно продольной ФП. На наш [6] S.-Y. Lin, Y.-J. Tsai, S.-C. Lee. Appl. Phys. Lett., 83 (4), взгляд, особенности вертикальной ФП могут быть связа752 (2003).

ны с существенным раличием приложенных электриче[7] B. Aslan, H.C. Liu, M. Korkusinski, S.-J. Cheng, P. Hawrylak.

ских полей: продольная ФП измеряется в электрическом Appl. Phys. Lett., 82 (4), 630 (2003).

поле меньше 10 В/см, вертикальная — в значительно [8] L.D. Moldavskaya, V.I. Shashkin, M.N. Drozdov, Yu.N. Drozболее сильном электрическом поле, 5 кВ/см. Ушиdov, V.M. Daniltsev, A.V. Murel, B.A. Andreev, A.N. Yabрение линии вертикалной ФП структур InGaAs/GaAs lonsky, S.A. Gusev, D.M. Gaponova, O.I. Khrykin, с квантовыми точками с ростом приложенного напряA.Yu. Luk’yanov, E.N. Sadova. Physica E, 17, 634 (2003).

жения отмечалось и ранее (например, в работе [5] [9] J.S. Kim, J.H. Lee, S.U. Hong, W.S. Han, H.-S. Kwack, сообщается о двукратном уширении), однако при этом C.W. Lee, D.K. Oh. J. Appl. Phys., 94 (10), 6603 (2003).

более сильно выражен красный сдвиг края линии. За[10] U.H. Lee, Y.D. Jang, H. Lee, D. Lee, J.S. Kim, J.Y. Leem, висимость спектра вертикальной ФП от приложенного S.K. Noh. Physica E, 17, 129 (2003).

напряжения и возможность ее перестройки этим полем [11] В.И. Шашкин, В.М. Данильцев, М.Н. Дроздов, Л.Д. Молпланируется исследовать в ближайшее время. Кроме давская, А.В. Мурель, А.В. Германенко, Г.М. Миньков.

того, особенности вертикальной ФП могут быть связаны Тез. докл. VI Росс. конф. по физике полупроводников и с различием спектральных характеристик аппаратных (Санкт-Петербург, 2003) с. 403.

функций двух различных установок, используемых при [12] G. Saint-Girons, G. Patriarche, A. Mereuta, I. Sagnes. J. Appl.

измерении продольной и вертикальной ФП. Phys., 91 (6), 3859 (2002).

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Гетероструктуры InGaAs/GaAs с квантовыми точками для инфракрасных фотоприемников... [13] G. Saint-Girons, I. Sagnes. J. Appl. Phys., 91 (12), 10 115 (2002).

[14] L.D. Moldavskaya, V.I. Shashkin, M.N. Drozdov, V.M. Daniltsev, A.V. Antonov, A.N. Yablonsky. Acta Phys. Polon. A, 103 (6), 579 (2003).

Редактор Л.В. Шаронова The 3–5 µm photoconductivity of InGaAs/GaAs quantum dot heterostructures A.V. Antonov, D.M. Gaponova, V.M. Daniltsev, M.N. Drozdov, L.D. Moldavskaya, A.V. Murel, V.I. Shashkin Institute for Physics of Microstructures, Russian Academy of Sciences, 603950 Nizhny Novgorod, Russia

Abstract

Selectively doped multilayer InGaAs/GaAs structures with quantum dots (QD) were grown by the low-pressure metalorganic chemical vapor deposition. We have observed the long wavelength photoluminescence shift when the In supply was varied during the QD formation. Photoluminescence and transmission electron microscopy measurements showed the change of QD shape with increasing aspect ratio. The spectral lines of normalincidence intersubband photoconductivity in the mid-infrared range (from 2.5 to 5 µm) have been observed up to 110 K at lateral and vertical geometry of electron transport.




© 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.