WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. 2 Фото- и электролюминесценция вблизи 1.3 мкм структур с квантовыми точками на подложках GaAs © А.Е. Жуков, А.Р. Ковш, А.Ю. Егоров, Н.А. Малеев, В.М. Устинов, Б.В. Воловик, М.В. Максимов, А.Ф. Цацульников, Н.Н. Леденцов, Ю.М. Шерняков, А.В. Лунев, Ю.Г. Мусихин, Н.А. Берт, П.С. Копьев, Ж.И. Алферов Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена14 июля 1998 г. Принята к печати 28 июля 1998 г.) Предложен и реализован метод, позволяющий значительно увеличить длину волны излучения в структурах, выращенных на подложках GaAs, с помощью помещения массива напряженных квантовых точек InAs во внешнюю квантовую яму InGaAs. Исследована зависимость положения линии люминесценции от конструкции активной области и cравниваются спектры фото- и электролюминесценции в области длин волн вблизи 1.3 мкм при комнатной температуре.

В настоящее время актуальной задачей является рас- ду с этим оптические приборы на основе КТ, возможширение оптического диапазона, достижимого в светоиз- но, позволят реализовать теоретически предсказанные лучающих приборах на подложках GaAs, вплоть до дли- преимущества систем с размерным квантованием в трех ны волны 1.3 мкм, отвечающей максимуму прозрачности направлениях [4].

оптического волокна. Существующий интерес обусло- Исследуемые структуры, схематическое изображение влен стремлением найти альтернативу лазерным диодам, которых дано на рис. 1, a, были выращены методом изготавливаемым на основе гетероструктур InGaAsP, молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) с твердотельглавным недостатком которых является довольно слабое ным источником As4 в установке Riber 32P на подограничение электронов в активной области, приводя- ложках GaAs (100). В середину слоя GaAs толщее к сильной температурной зависимости пороговой щиной 0.12 мкм, ограниченного со стороны подложплотности тока [1]. Кроме того, создание излучателей ки и поверхности короткопериодными сверхрешетками на 1.3 мкм на подложках GaAs позволило бы интегриро- AlAs (2нм)–GaAs (2нм), помещали исследуемую активвать оптические приборы длинноволнового диапазона с ную область, которая представляла собой массив квантранзисторами на основе GaAs, технология которых хо- товых точек InAs, помещенных во внешнюю квантовую рошо развита, а также избежать использования дорогих яму InxGa1-xAs. Мольная доля InAs и ширина квантовой подложек InP. ямы варьировались в диапазонах 0.1 0.3 и 10 4нм Применение напряженных квантовых ям (КЯ) соответственно таким образом, чтобы суммарное напряInGaAs / GaAs не позволяет получить требуемый диапа- жение, обусловленное как массивом КТ, так и ямой зон длин волн вследствие ограничений на ширину КЯ, InGaAs, не превысило критическую величину для обраналагаемых пределами псевдоморфного роста [2]. В [1] зования дислокаций несоответствия. Рост проводили в было показано, что добавление небольшого (порядка условиях обогащения мышьяком, температура подложки нескольких процентов) количества азота в слои InGaAs составляла 485C при осаждении активной области и приводит к сильному уменьшению ширины запрещенной 600C для остальной части структуры. Формирование зоны и позволяет достичь длины волны 1.3 мкм. массива КТ контролировали in situ по изменению в Спонтанное формирование массивов квантовых то- наблюдаемой картине дифракции быстрых электронов (ДБЭ) на отражение.

чек (КТ) при осаждении сильно напряженного слоя InxGa1-xAs (x 0.5) также приводит к заметному сдвигу Фотолюминесценцию (ФЛ) исследовали при линии люминесценции в длинноволновую сторону по 15 300 K, возбуждали излучением Ar+-лазера (длина сравнению с напряженными КЯ InGaAs [3]. В настоящей волны 514.5 нм) и регистрировали Ge-фотодиодом.

работе мы предлагаем и реализуем подход, альтерна- Плотность мощности возбуждения составляла тивный использованию азотсодержащих соединений, по- 100 Вт / см2. Исследования методом просвечивающей зволяющий значительно расширить диапазон излучения электронной микроскопии (ПЭМ) были выполнены на в структурах, выращенных на подложках GaAs. Пред- электронном микроскопе Philips EM 420, работающем ложенный метод основывается на понижении уровня при ускоряющем напряжении 100120 кВ. Образцы для размерного квантования в КТ при уменьшении ширины ПЭМ были подготовлены в планарной геометрии запрещенной зоны материала матрицы, что достигается с помощью химического травления в растворе с помощью помещения массива КТ во внешнюю КЯ H2SO4 : H2O2 : H2O (5: 1: 1).

InGaAs. Подобные структуры позволяют при комнат- Длина волны ФЛ массива КТ, выращенного на подной температуре достичь длины волны люминесценции ложке GaAs, чувствительна к изменению ширины за1.3 мкм при оптической и инжекционной накачках. Наря- прещенной зоны матрицы. В работе [5] было показаФото- и электролюминесценция вблизи 1.3 мкм структур с квантовыми точками на подложках GaAs возникновения дислокаций несоответствия, снимающих напряжение рассогласования. Анализ данных ПЭМ позволяет сделать вывод, что в исследуемых образцах не происходило формирования дислокаций несоответствия, что является результатом тщательного выбора ширины КЯ для данного количества InAs, формирующего массив КТ, и данной мольной доли InAs в окружающей КЯ.

На рис. 2, a приведена температурная зависимость ФЛ структуры, содержащей массив КТ InAs, помещенный в КЯ In0.3Ga0.7As шириной 4 нм. Изменение температуры Рис. 1. Схематическое изображение исследуемых структур, содержащих массив квантовых точек (QD) InAs во внешней квантовой яме (QW) InGaAs, с двумя ограничительными сверхрешетками (SL), выращенных на подложках GaAs (100) (a) и электронно-микроскопическое изображение, полученное в режиме светлого поля вдоль оси [100], структуры с массивом КТ в КЯ In0.12Ga0.88As шириной 10 нм (b).

но, что замена матрицы GaAs на более широкозонное трехкомпонентное соединение AlGaAs приводит к сильному коротковолновому сдвигу линии ФЛ массива КТ.

Предлагаемый в настоящей работе метод увеличения длины волны излучения в структурах, выращенных на подложках GaAs, основывается на понижении уровня размерного квантования в КТ при уменьшении ширины запрещенной зоны материала матрицы. В качестве материала, окружающего массив КТ, предлагается использовать узкозонную напряженную квантовую яму InGaAs.

Рис. 2. a — спектры фотолюминесценции (PL) при темпеПЭМ микрофотография (планарное изображение) ратуре T, K: 1 — 30, 2 — 70, 3 — 110, 4 — 150, 5 — 190, образца, содержащего массив КТ, помещенный в КЯ 6 — 230, 7 — 270, 8 — 300. b — зависимости ширины линии In0.12Ga0.88As шириной 10 нм, приведена на рис. 1, b.

(1) и интенсивности (2) фотолюминесценции (PL) от темпераПоскольку материал как КТ, так и КЯ на подложтуры для структуры, содержащей массив КТ в квантовой яме ке GaAs оказывается напряженным, существует риск In0.3Ga0.7As шириной 4 нм.

Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. 182 А.Е. Жуков, А.Р. Ковш, А.Ю. Егоров, Н.А. Малеев, В.М. Устинов, Б.В. Воловик, М.В. Максимов...

от 30 до 310 K вызывает длинноволновый сдвиг линии ФЛ на 85 мэВ, и при комнатной температуре положение максимума ФЛ достигает длины волны 1.3 мкм при ширине линии 50 мэВ.

Зависимость ширины полосы ФЛ от температуры наблюдения, показанная на рис. 2, b, носит немонотонный характер: при увеличении температуры в диапазоне 15270 K ширина линии уменьшается, а в области больших температур наблюдается рост ширины линии. Такое поведение не характерно для люминесценции объемного материала или квантовых ям, где типично наблюдается закономерное увеличение ширины линии с увеличением температуры наблюдения вследствие заселения более высоко лежащих состояний.

Подобная аномальная зависимость ширины линии ФЛ от температуры наблюдалась ранее в структурах на основе КТ [5–7] и, как было показано в [7,8], может приводить к отрицательной характеристической температуре, т. е. уменьшению пороговой плотности тока с увеличением температуры, при использовании массива КТ в качестве активной области инжекционного лазера.

Особенность результатов, представленных в настоящей работе, состоит в том, что впервые область уменьшения ширины линии ФЛ простирается до столь высокой температуры наблюдения. Это может быть обусловлено значительным увеличением энергии локализации основного состояния КТ по отношению к состояниям объемного GaAs вследствие помещения массива КТ во внешнюю КЯ InGaAs.

К настоящему времени в литературе уже имеются сообщения о достижении ФЛ на длине волны 1.3 мкм в структурах на основе массивов КТ InGaAs, выращенных как МПЭ [6], так и МОС-гидридной эпитаксией(газофазной эпитаксией из металлорганический соединений) [9] на подложках GaAs. В обоих этих случаях рост активной области осуществлялся с помощью попеременного осаждения атомов индия и галлия, в результате чего происходило формирование локальных областей (островков) с повышенным содержанием In. Процесс формирования этих островков, а значит, и длина волны ФЛ чувствительны к таРис. 3. a — спектры фотолюминесценции (PL) при 300 K ким кинетическим параметрам, как давление мышьяка, образцов, содержащих массив КТ InAs c содержанием In в КЯ скорость роста и температура осаждения, которые x = 0.12 (1), 0.2 (2), 0.3 (3); 4 — спектр фотолюминесценции обычно трудно надежно контролировать в процессе массива КТ в матрице GaAs (КЯ отсутствует). b — cпектр элеквыращивания.

тролюминесценции (EL) при комнатной температуре образца, Отличие предлагаемого подхода заключается в том, содержащего массив КТ InAs в КЯ InGaAs, помещенный в середину p-i-n-области.

что, как будет показано далее, имеется возможность надежно управлять длиной волны излучения в широких пределах с помощью выбора эффективной ширины запрещенной зоны матрицы на основе КЯ InGaAs. Кроме спектр ФЛ массива КТ в матрице GaAs (КЯ отсутствует).

того, падение интенсивности ФЛ (как интегральной, так Видно, что уменьшение ширины запрещенной зоны матеи в максимуме) при увеличении температуры от 77 до риала матрицы, вызванное увеличением содержания In в 300 K составляет всего 10 30 раз (рис. 2, b), что на КЯ, приводит к закономерному длинноволновому сдвигу порядок меньше значения, приведенного в [6].

линии ФЛ. Как отмечалось выше, положение максимума Спектры ФЛ образцов, содержащих массив КТ InAs и отличающихся друг от друга содержанием In в КЯ, ФЛ достигает 1.3 мкм при использовании КЯ In0.3Ga0.7As представлены на рис. 3, a. Для сравнения также приведен шириной 4 нм.

Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. Фото- и электролюминесценция вблизи 1.3 мкм структур с квантовыми точками на подложках GaAs До настоящего времени, насколько нам известно, в С.В. Зайцев, Н.Ю. Гордеев, П.С. Копьев, Д. Бимберг, Ж.И. Алферов. ФТП, 31, 483 (1997).

литературе не было сообщений о наблюдении лазер[6] R.P. Mirin, J.P. Ibbetson, K. Nishi, A.C. Gossard, J.E. Bowers.

ной генерации и даже электролюминесценции (ЭЛ) в Appl. Phys. Lett., 67, 3795 (1995).

диапазоне длин волн около 1.3 мкм от массивов КТ, [7] D.I. Lubyshev, P.P. Gonzalez-Borrero, E. Marega, Jr., E. Petitвыращенных на подложках GaAs. Мы полагаем, это prez, N. La Scala, Jr., P. Basmaji. Appl. Phys. Lett., 68, обусловлено большей чувствительностью структур, ис(1996).

пользующих инжекционную накачку, к кристаллографи[8] A.E. Zhukov, V.M. Ustinov, A.Yu. Egorov, A.R. Kovsh, ческому совершенству как самой активной области на A.F. Tsatsul’nikov, N.N. Ledentsov, S.V. Zaitsev, основе КТ, так и слоев последующего заращивания.

N.Yu. Gordeev, P.S. Kop’ev, Zh.I. Alferov. Japan. J. Appl.

Для исследования возможности создания лазеров на Phys., 36, 4216(1997).

длину волны 1.3 мкм на основе предлагаемого в настоя- [9] K. Mukai, N. Ohtsuka, M. Sugawara, S. Yamazaki. Japan. J.

щей работе подхода нами была выращена структура на Appl. Phys. Lett., 33, L1710 (1994).

подложке n+-GaAs (100). Активная область, представля- [10] А.Е. Жуков, А.Ю. Егоров, А.Р. Ковш, В.М. Устинов, М.В. Максимов, А.Ф. Цацульников, Н.Н. Леденцов, ющая собой массив КТ InAs в КЯ InGaAs, помещена в Н.Ю. Гордеев, С.В. Зайцев, П.С. Копьев, Ж.И. Алферов, середину p-i-n-области, образованной легированными Д. Бимберг. ФТП, 31, 105 (1997).

слоями Al0.3Ga0.7As n- и p-типа проводимости и нелегированным слоем GaAs.

Редактор Л.В. Шаронова На рис. 3, b представлен спектр электролюминесценции этого образца, записанный при токе накачки 0.1 A Photo- and electroluminescence in 1.3 µm (плотность тока 70 A / cм2) при комнатной температуре.

range from quantum dot structures on Максимум линии ЭЛ расположен на 1.276 мкм, что, GaAs substrates насколько нам известно, является наибольшей длиной волны, достигнутой в структурах с КТ при использовании A.E. Zhukov, A.R. Kovsh, A.Yu. Egorov, N.A. Maleev, инжекционной накачки. Сдвиг максимума ЭЛ в коротко- V.M. Ustinov, B.V. Volovik, M.V. Maximov, волновую сторону по отношению к линии ФЛ структуры, A.F. Tsatsul’nikov, N.N. Ledentsov, Yu.M. Shernyakov, содержащей номинально идентичную активную область, A.V. Lunev, Yu.G. Musikhin, N.A. Bert, P.S. Kop’ev, но не имеющей толстых легированных слоев AlGaAs, Zh.I. Alferov составляет всего 24 нм. Это указывает на высокую стаA.F. Ioffe Physicotechnical Institute, бильность формы, размеров и химического состава КТ, Russian Academy of Sciences, помещенных во внешнюю КЯ, по отношению к высо194021 St. Petersburg, Russia котемпературному отжигу [10], вызванному длительным заращиванием активной области.

Abstract

We have proposed and realized a method which Таким образом, нами показано, что помещение масallowed us to extend noticeably the emission wavelength from сива квантовых точек InAs во внешнюю напряженную structures grown on GaAs substrates. The method is based on квантовую яму InGaAs позволяет значительно расшиthe insertion of a strained InAs quantum dot array into an external рить длинноволновый предел излучения в структурах, InGaAs quantum well. The dependence of the luminescence peak выращенных на подложках GaAs. Длина волны фото- и position on the active region design has been studied. Photoэлектролюминесценции может управляемо изменяться в and electroluminescence spectra in the 1.3 µm wavelength range широком диапазоне с помощью изменения содержания at room temperature are compared.

In во внешней квантовой яме, достигая 1.3 мкм при комнатной температуре.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант 96-0217824) и фонда Фольксваген.

Список литературы [1] M. Kondow, K. Uomi, A. Niwa, T. Kitatani, S. Watahiki, Y. Yazawa. Japan. J. Appl. Phys., 35, 1273 (1996).

[2] J.W. Matthews, A.E. Blakeslee. J. Cryst. Growth, 27, (1974).

[3] А.Ю. Егоров, А.Е. Жуков, П.С. Копьев, Н.Н. Леденцов, М.В. Максимов, В.М. Устинов, А.Ф. Цацульников, Ж.И. Алферов, Д.Л. Федоров, Д. Бимберг. ФТП, 30, (1996).

[4] Y. Arakawa, H. Sakaki. Appl. Phys. Lett., 40, 939 (1982).

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.