WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 1 Характеризация электрофизическими и оптическими методами гетероструктур GaAs/InxGa1-xAs с квантовыми точками © В.Я. Алешкин, Д.М. Гапонова, С.А. Гусев, В.М. Данильцев, З.Ф. Красильник, А.В. Мурель, Л.В. Парамонов, Д.Г. Ревин, О.И. Хрыкин, В.И. Шашкин Институт физики микроструктур Российской академии наук, 603600 Нижний Новгород, Россия (Получена 3 марта 1997 г. Принята к печати 7 июня 1997 г.) Приводятся результаты электрофизических и оптических исследований гетероструктур GaAs/InxGa1-xAs с целью идентификации квантовых точек и развития технологии их роста в процессе спонтанной трансформации слоя твердого раствора InxGa1-xAs. Методом C-V -профилирования выявлен поверхностный заряд на глубине залегания квантовых точек и оценена поверхностная плотность этих образований в зависимости от времени осаждения узкозонного материала. Методом фотолюминесценции изучены особенности заполнения электронных состояний в квантовых точках при изменении уровня возбуждения. Обсуждается роль кулоновского взаимодействия в оптических свойствах квантовых точек.

Изучению напряженных гетероструктур образуются трехмерные островки твердого раствора GaAs/InxGa1-xAs посвящено в последнее время InxGa1-xAs, наблюдавшиеся в электронном микроскопе значительное число работ. Особый интерес вызывают JEM-2000 на платино-угольных репликах. Для x > 0.4 возможности изготовления на их основе совершенных даже при низких скоростях роста независимо от состояквантовых слоев и квантовых точек. Формирование ния поверхности GaAs происходит формирование таких квантовых точек в результате самоорганизации в островков из-за сильного рассогласования периодов ренапряженных гетероструктурах может оказаться шеток гетерослоев. Это способствует нормальному, а не альтернативой литографическим методам создания слоевому росту.

подобных объектов. Первые исследования гетеролазеров на квантовых точках на основе структур Толщина слоя Скорость роста Время Номер Молевый GaAs/InxGa1-xAs подтверждают это [1,2]. Понимание InxGa1-xAs, InxGa1-xAs, роста, образца состав x процессов самоорганизации только формируется, в нм нм/мин с стадии изучения находятся факторы, способствующие H128 0.15 5 30.достижению однородности размеров и формы квантовых H135 0.38 5 точек, упорядочению их положения в слое (слоях).

H138 0.66 2.5 В данной работе излагаются результаты исследований H149 1 5 оптическими и емкостным методами массивов квантовых H150 1 5 точек в гетероструктурах GaAs/InxGa1-xAs, выращенных H151 1 5 методом металлоорганической газофазной эпитаксии H152 1 5 (МОГФЭ).

H153 1 5 H155 1 5 H156 1 5 1. Технология H158 1 5 Эпитаксиальный рост гетероструктур GaAs/InxGa1-xAs осуществлялся в газовой среде Изучаемые структуры представляли собой эпитаксиH2-Ga(CH3)3–In(CH3)3–AsH3 в вертикальном реакторе альный слой n-GaAs толщиной 0.5 мкм с концентрацией атмосферного давления с индукционным нагревом электронов (1.5-3)·1017 см-3. Внутрь его на расстоянии подложки. Использовались как полуизолирующие, так 0.15 мкм от поверхности встривался слой InxGa1-xAs, и низкоомные подложки GaAs, разориентированные параметры которого определялись длительностью и скоотносительно плоскости [100] на 2 в направлении ростью процесса осаждения. В таблице приведены па(110). Температура роста варьировалась в пределах раметры образцов, выращенных в различных условиях, 450 600C для InGaAs и 550 650C для GaAs.

электрофизические и оптические характеристики котоУстановлено, что при малых скоростях роста в рых обсуждаются далее.

МОГФЭ процессе v < 40 нм/мин существенна поверхностная диффузия адатомов, что благоприятствует слоевому росту. Скорость v 15 40 нм/мин оказалась 2. C-V-профилирование оптимальной для роста структур с квантовыми ямами.

При скоростях роста 70 нм/мин < v < 100 нм/мин по- Измерение вольт-фарадных характеристик (ВФХ) баверхность слоев оказывается непланарной. В слоях, по- рьера Шоттки к гетероструктуре позволяет определить лученных при большой скорости роста v > 100 нм/мин, величину поверхностного заряда для заселенных элек112 В.Я. Алешкин, Д.М. Гапонова, С.А. Гусев, В.М. Данильцев, З.Ф. Красильник, А.В. Мурель...

терных участков ВФХ благодаря уменьшению размытия, связанного с длиной дебаевского экранирования. Рассчитанный профиль концентрации (без учета квантовомеханических особенностей для структур нанометрового масштаба) приведен на рис. 1. На область потенциальной ямы приходится пик концентрации электонов NCV, вокруг него располагаются обедненные слои. Далее обсуждается относительное изменение этих величин в зависимости от времени осаждения InAs.

Время осаждения InAs tdep в рассматриваемой серии образцов варьировалось в интервале 2–96 с. При имевшей место чувствительности обнаружения плотности электронных состояний в твердом растворе, определяемой концентрацией носителей в эпитаксиальном слое GaAs, минимальное время осаждения, начиная с которого пик концентрации становится заметным, составило 4 с (образец Н150). В этом случае высота пика NCV равна 0.1 · 1017 см-3 при 80 K.

Из ВФХ можно определить в области залегания слоя InAs по величине ступеньки квазипостоянной емкости (см. вставку на рис. 1) [3] либо интегрированием пика NCV (x). Значение может быть использовано для оценки поверхностной плотности Ns квантовых точек Рис. 1. Профиль концентрации NCV (d), рассчитанный по InAs (в последующих разделах приведены эксперименC-V -характеристикам, для образца Н153, d-глубина от потальные подтверждения того, что в рассматриваемой верхности структуры, T, K: квадраты — 300, точки — 77, серии образцов с твердым раствором InAs были сфортреугольники — 4.2.

мированы квантовые точки), учитывая, что = 2eNs, где 1 — фактор заполнения квантовых состояний.

тронных состоянй в твердом растворе InxGa1-xAs. Для 3. Оптические измерения исследований ВФХ на поверхности структуры формировался диод с барьером Шоттки диаметром 500 мкм Оптическая диагностика гетероструктур осуществляпутем термического напыления алюминия через металлась методами фотолюминесценции (ФЛ), фотопроволическую маску. ВФХ измерялись на частотах 1 МГц, димости (ФП) и межзонного поглощения. Для ФЛ в 10 кГц и 1 кГц с помощью измерителей адмиттанса Е7-качестве источников возбуждения использовались непреи Е7-14. Исследования проводились при температурах рывный He–Ne-лазер или импульсный лазер ЛТИ-404, 300, 80 и 4.2 K.

Слои GaAs имели следующие электрофизические ха- работающий на длине волны 532 нм. Мощность возбурактеристики. Подвижность электронов при концен- ждения составляла в непрерывном режиме 10 Вт/см2, в трации легирующей примеси 2 · 1017 см-3 составля- импульсном режиме изменялась от 103 до 106 Вт/см2.

ла 4500 см2/В · с. Концентрация глубоких уровней, Сигнал ФЛ пропускался через монохроматор МДР-23 и оцененная по измерению измеренных при двух тем- детектировался охлаждаемым жидким азотом фотоумнопературах 300 и 80 K C-V-профилей, не превышала жителем ФЭУ-62. При импульсном режиме работы воз(1-2) · 1016 см-3. буждающего лазера сигнал после ФЭУ пропускался чеВстроенный в GaAs слой InxGa1-xAs вызывает обедне- рез строб-интегратор и усреднялся. Измерение межзонние носителями прилегающих областей. На ВФХ наблю- ного поглощения проводилось на Фурье-спектрометре далось плато, характерное для структур с квантовыми BOMEM DA3-36. Фотопроводимость исследовалась в ямами или точками1, где емкость почти не меняется, геометрии поперечного протекания тока. В этом случае что связано с прохождением края обедненной области в качестве перестраиваемого источника использовалось квантового слоя [3]. Типичные C-V -характеристики пропущенное через монохроматор излучение кварцевой показаны на рис. 1 (вставка), где приведена зависимость галогенной лампы. На поверхность образца наносился 1/C2(V) для образца Н153, измеренная на частоте 1 МГц полупрозрачный для зондирующего света слой Ni, обрапри температурах 300, 80 и 4.2 К. Уменьшение тем- зующий барьер Шоттки, вторым контактом являлась пературы приводит к более резкому выделению харакнизкоомная подложка n+-GaAs. Для того чтобы слои InxGa1-xAs попадали в обедненную область к образцу По C-V -профилям эти квантовые объекты трудно разделить [4,5], прикладывалось обратное смещение. Измерения провосоответствующие заключения на основании оптических измерений будут сделаны в следующем разделе. дились при температурах 77 и 4.2 K.

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Характеризация электрофизическими и оптическими методами гетероструктур GaAs/InxGa1-xAs... В исследованиях ставилась задача идентифицировать структуры с квантовыми ямами и точками по особенностям их оптических свойств, опираясь на существенные различия плотности состояния в них. Измерения ФЛ из образца Н128 (ширина слоя твердого раствора — 5нм) показали высокое качество выращиваемых структур с квантовыми ямами. Полуширина пика ФЛ при 77 K не превышала 6 мэВ (рис. 2), при 4.2 K–2.8 мэВ.

В некоторых экспериментах для уменьшения влияния неоднородности области структуры, из которой наблюдается излучение, уменьшался размер лазерного пятна засветки с 50 до 20 мкм, при этом полуширина пика ФЛ образца Н128 уменьшалась до 3.8 мэВ при 77 K. На этом же рисунке приведен спектр межзонного поглощения, на котором видна узкая экситонная линия поглощения, связанная с квантовой ямой.

Характер ФЛ из квантовой ямы при больших уровнях накачки отражает заполнение верхних уровней в квантовой яме фотовозбужденными носителями [6]. С увеличением мощности возбуждения основная линия ФЛ из квантовой ямы уширяется в сторону больших энергий, затем появляется свечение, соответствующее переходам Рис. 3. Спектры фотолюминесценции и фотопроводимости между следующими уровнями размерного квантования. для образца Н135 при различных уровнях возбуждения, Вт/см2:

1 —103, 2 —104, 3 —105, 4 —106.

По мере заполнения квантовой ямы фотоносителями начинает расти пик ФЛ из GaAs. На рис. 3 представлены спектры ФЛ для различных мощностей возбуждающего лазера и спектр ФП образца Н135 с квантовой ямой Как отмечалось в разделе 1, при высоких скоростях роIn0.38Ga0.62As шириной 5 нм. Согласно теоретическим ста или значениях x > 0.4 на поверхности твердого расрасчетам, два плато (1.3–1.36 и 1.39–1.46 эВ) в спектре твора в электронном микроскопе наблюдались островки ФП соответствуют переходам между первым электроннанометровых масштабов, которые выстраивались преным и первым дырочным уровнями размерного квантоимущественно вдоль ступенек, разделяющих террасы2.

вания и между вторым дырочным и зоной проводимости Эти образования идентифицировались как квантовые соответственно. Особенности на спектрах ФП и ФЛ точки InxGa1-xAs, возникающие вследствие сильного хорошо совпадают по энергиям.

рассогласования решеток GaAs и твердого раствора.

В спектрах ФЛ таких объектов наблюдалось смещение пиков в сторону больших значений энергий в сравнении с расчетным положением, определяемым из условий технологического процесса. Так, например, исходя из режимов роста образца Н138, можно было оценить, что при условии слоевого роста ширина слоя твердого раствора In0.66Ga0.34As составила бы 2.5 нм, что соответствовало бы положению пика ФЛ при 1.16 эВ. Измерения дали другое значение — 1.25 эВ (спектр 1 на рис. 4).

Аналогично тому (как это проделано с квантовыми ямами) по спектрам ФЛ были исследованы особенности заполнения электронных состояний в квантовых точках при высоких уровнях возбуждения (образцы с x > 0.4).

На рис. 4 приведены типичные для квантовых точек спектры ФЛ для различных уровней накачки и спектр ФП. При всех уровнях мощности возбуждения контур линии является суперпозицией множества -образных линий излучательной рекомбинации между состояниями в точках [7,8], так что в спектрах нет характерного для квантовых ям подъема (вплоть до трансформации в Подбором режимов роста GaAs ширину террас можно было Рис. 2. Спектры пропускания и фотолюминесценции для варьировать от 8.1 до 60 нм, при этом высота ступенек менялась соответственно от 0.28 до 2.1 нм.

образца Н128.

8 Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 114 В.Я. Алешкин, Д.М. Гапонова, С.А. Гусев, В.М. Данильцев, З.Ф. Красильник, А.В. Мурель...

наблюдалось и в работе [9]). Для анализа спектров ФЛ количество осажденного InAs удобно выразить в условных монослоях nimag, как если бы происходил слоевой рост. На основании данных о росте смачивающего слоя при небольших временах осаждения (tdep < 16 с) nimag tdep/8c. На рис. 5, a приведены зависимости положения пика ФЛ для этой серии образцов и его полуширины от nimag при условии распространения связи Рис. 4. Спектры фотолюминесценции и фотопроводимости для образца Н138 при различных уровнях возбуждения, Вт/см2:

1 —103, 2 —104, 3 —105, 4 —106.

плато) коротковолнового плеча линии при высоких уровнях возбуждения. Отсутствует плато, соответствующее двумерной плотности состояний, и в спектре фотопроводимости. С увеличением мощности возбужения линия ФЛ, соответствующая свечению из квантовых точек ( 1.25 эВ), несколько уширяется и появляется новый максимум в более высоких энергиях ( 1.35 эВ). Форма линий остается практически симметричной. Вероятно, при больших уровнях возбуждения начинают светиться (кроме основных) еще и возбужденные состояния в квантовых точках, а также точки меньших размеров.

Симметрия формы также свидетельствует о нульмерной плотности состояний светящихся объектов. При заполнении почти всех состояний в квантовых точках фотовозбужденными носителями, начиная с мощности накачки 105 Вт/см2, появляется свечение из слоев GaAs.

Значительная ширина пика ФЛ может быть связана как с дисперсией размеров квантовых точек, так и с неоднородностью состава твердого раствора. Описанные особенности в спектрах ФЛ позволяют сделать вывод о наблюдении ФЛ квантовых точек.

4. Обсуждение результатов Процесс трансформации квантового слоя InAs в квантовые точки был исследован по изменению ФЛ из образцов с различным временем роста чистого InAs Рис. 5. Зависимость положения максимума (Emax), полуши(H149–H158). В этой серии образцов ФЛ наблюдалось, рины пика (E) фотолюминесценции (a) и поверхностной если время осаждения превышало 8 с. При увеличеплотности состояний Ns (b) от количества осажденного InAs (в нии времени осаждения линия, соответствующая ФЛ условных монослоях nimag). T, K: квадраты — 300, точки — 77, InAs, смещалась в длинноволновую область спектра (это треугольники — 4.2.

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.