WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. 2 Влияние условий выращивания на формирование и люминесцентные свойства квантовых точек InGaAs в матрице Si © А.Е. Жуков, А.Ю. Егоров, А.Р. Ковш, В.М. Устинов, Н.Н. Леденцов, М.В. Максимов, А.Ф. Цацульников, Б.В. Воловик, П.С. Копьев, Ж.И. Алферов Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 15 сентября 1998 г. Принята к печати 16 сентября 1998 г.) Исследовано влияние условий осaждения при молекулярно-пучковой эпитаксии и величины рассогласования постоянных решеток эпитаксиального слоя и подложки на процесс формирования островков InGaAs на поверхности Si(100). Увеличение рассогласования (мольной доли InAs) приводит к возрастанию критической толщины, отвечающий началу островкового роста, в отличие от случая формирования островков InGaAs на GaAs(100). Увеличение температуры осаждения также увеличивает критическую толщину, тогда как повышение давления мышьяка имеет противоположное влияние. Образцы, содержащие массив островков InGaAs в матрице Si, проявляют в спектрах люминесценции линию с длиной волны в диапазоне 1.2 1.3мкм, в зависимости от мольной доли InAs.

Кремний до настоящего времени остается основ- тической толщины происходит переход от двумерного ным материалом полупроводниковой микроэлектроники. (послойного) к трехмерному (островковому) режиму Уступая транзисторам на основе материалов AIIIBV по роста, приводящей к спонтанному формированию упруго электрофизическим характеристикам, кремниевые тран- напряженных островков InGaAs в матрице арсенида зисторы металл–окисел–полупроводник (МОП) харак- галлия.

теризуются существенно более низкой стоимостью и О возможности создания в матрице кремния напряпростотой изготовления. Однако применение кремния в женных островков InGaAs сообщалось в [8]. С помощью светоизлучающих приборах затруднено непрямой струк- туннельной микроскопии их размеры были оценены окотурой энергетических зон. Интеграция логических схем ло 20 нм в основании и 4 нм в высоту при поверхностной на основе кремния с оптоэлектронными устройства- плотности порядка 5 · 1011 см-2. Образование островков ми AIIIBV весьма перспективна для приборных при- приводит к появлению в спектрах фотолюминесценции менений. интенсивной полосы в диапазоне 1.2 1.3мкм (77 K).

Одним из способов создания подобных структур явля- В настоящей работе мы исследуем влияние режимов ется использование гетероструктур на основе прямозон- осаждения на процесс их формирования.

ных полупроводниковых соединений AIIIBV, выращен- Исследуемые структуры выращивали в установке ных на достаточно толстом буферном слое GaAs или молекулярно-пучковой ЭП-1203 (Россия) на подложInGaAs, осажденном на подложку Si [1,2]. Основные ках Si, ориентированных в направлении [100]. Подложки проблемы при этом связаны с формированием доменной подготавливали с помощью стандартной процедуры хиструктуры при выращивании слоев AIIIBV на Si, а также мического травления [9]. Удаление поверхностного слоя с образованием дислокаций несоответствия в буферном окисла в установке МПЭ при температуре 850C привослое, прорастающих затем в активные слои, обусловлен- дило к появлению полосатой 2 1 картины дифракции ных большим различием постоянных решеток буферного быстрых электронов (ДБЭ). Переход от двумерного к слоя и подложки. островковому режиму роста при осаждении InxGa1-xAs Альтернативным подходом является формировaние (x = 0 1) на поверхность кремния контролировали неоптически активных прямозонных островков непосред- посредственно в процессе выращивания по переходу от ственно в матрице кремния [3]. Если латеральные раз- полосатой к точечной картине ДБЭ. Скорость роста сомеры этих островков достаточно малы (менее 100 нм), ставляла 0.3 0.5 монослоев/с. Температуру осаждения то они будут обладать однодоменной структурой, а варьировали в диапазоне 250 500C. Сформированный дислокации несоответствия отсутствовать. Кроме того, массив островков InGaAs затем покрывался слоем кремиспользование непрямозонного материала в качестве ния толщиной 50 нм, выращиваемым из твердотельного волноводного слоя лазерной структуры позволит суще- источника Si, работающего при температуре, близкой к ственно снизить вклад в пороговую плотность тока, точке плавления Si, что обеспечивало скорость роста обусловленный излучательной рекомбинацией неравно- около 1 нм/мин.

весных носителей заряда в области волновода [4]. Фотолюминесценцию образцов исследовали при 77 K, Рассогласование постоянных решеток может быть ис- возбуждали Ar+-лазером (514.5 нм) с мощностью пользовано в качестве движущей силы для формиро- 500 Вт/см2 и детектировали Ge-фотодиодом.

вания этих островков. Ранее было показано [5–7], что Исследования с помощью ДБЭ показали, что количепри осаждении сильно напряженного слоя InGaAs на ство осажденного InxGa1-xAs, соответствующее началу поверхности GaAs(100) по достижении некоторой кри- островкового роста, сильно зависит как от условий осажВлияние условий выращивания на формирование и люминесцентные свойства квантовых точек... дения (температура подложки и давление мышьяка), так и от мольной доли InAs в осажденном материале.

Зависимость эффективной толщины осажденного InxGa1-xAs, отвечающей началу островкового роста (hc), от величины рассогласования постоянных решеток эпитаксиального слоя и подложки () приведена на рис. для температуры осаждения 480C:

=(aepi - asub)/asub, (1) где aepi и asub — постоянная решетки осаждаемого слоя и подложки соответственно.

Было обнаружено, что при осаждении на поверхность Si(100) слоя GaAs, что соответствует 4%, переход к островковому росту наблюдается по достижении 2 монослоев (МС). Повышение мольной доли InAs в осаждаемом материале приводит сперва к медленному, а начиная с x = 0.5 к более резкому увеличению hc.

При осаждении чистого InAs ( = 11.5%) при указанных Рис. 2. Зависимость толщины осажденного InAs, соответствуусловиях образования островков вообще не наблюдалось ющей началу островкового роста при осаждении на поверхв ДБЭ вплоть до 11 МС.

ность Si(100), от температуры осаждения. Давление мышьяка На рис. 1 приведены для сравнения наши данные по засоставляет 1·10-6 (темные точки) и3·10-6 Па (светлые точки).

висимости hc от для системы островков InxGa1-xAs на Сплошная кривая — температурная зависимость скорости поверхности GaAs(100). Поскольку причиной перехода переиспарения InAs с поверхности Si, вычисленная с учетом от двумерного к трехмерному режиму роста является навлияния напряжения рассогласования.

пряжение, обусловленное рассогласованием постоянных решеток эпитаксиального слоя и подложки, увеличение рассогласования должно, вообще говоря, приводить к На рис. 2 представлена зависимость эффективной толуменьшению критической толщины перехода в режим щины hc начала островкового роста InAs на поверхности островкового роста, как и наблюдается экспериментальSi от температуры осаждения. Как видно из приведенного но в случае осаждения InGaAs на GaAs (см. также [10]).

графика, если при низких температурах (около 300C) В противоположность этой системе, в случае осаждения трехмерный режим роста достигается после осаждеInGaAs на Si критическая толщина начала островкового ния около 2 МС, повышение температуры подложки до роста увеличивается, а не убывает по мере увеличения 400C приводит к увеличению требуемого количества рассогласования.

материала вплоть до 5 МС, а при 480C и выше переход к островковому росту вообще не наблюдался.

Трехкратное увеличение давления мышьяка при осаждении InAs при 400C позволяет ускорить процесс формирования островков. В этом случае, как показано на рис. 2, островковый режим роста достигается по осаждении 2 МС, что соответствует величине hc при 300C и обычном давлении мышьяка. Однако, как при меньшей (300C), так и при большей (480C) температурах увеличение давления As не оказывает заметного влияния на критическую толщину.

Таким образом, существует некоторая критическая температура осаждения, выше которой перехода к островковому росту не наблюдается. Вблизи этой температуры величина hc в существенной степени определяется давлением мышьяка.

Согласно теории спонтанного формирования трехмерных зародышей [11], существенное влияние на этот процесс оказывает величина поверхностной энергии, которая в свою очередь может зависеть от условий осаРис. 1. Зависимость толщины осажденного InxGa1-xAs, сождения. Это позволяет качественно объяснить влияние ответствующей началу островкового роста (hc), от величины температуры подложки и давления мышьяка на процесс рассогласования постоянной решетки () по отношению к подобразования островков InGaAs на поверхности кремложке: Si (темные точки), GaAs (светлые точки). Температура ния. К увеличению эффективной толщины осажденного осаждения 480C.

5 Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. 196 А.Е. Жуков, А.Ю. Егоров, А.Р. Ковш, В.М. Устинов, Н.Н. Леденцов, М.В. Максимов...

ФЛ новой линии с длиной волны около 1.21.3мкм. Увеличение мольной доли GaAs в материале, образующем островки, приводит к закономерному коротковолновому сдвигу излучения островков, обусловленному увеличением ширины запрещенной зоны InGaAs.

Малая эффективная масса электронов и относительно небольшой разрыв зоны проводимости на границе Si/InGaAs может привести к отсутствию связанного электронного состояния в тонких двумерных слоях InGaAs в кремнии [1]. Мы полагаем, что именно с этим связано отсутствие излучения от InGaAs в образцах докритической толщины. В то же время формирование островков, как и в случае системы квантовых точек InGaAs в матрице GaAs [14], приводит к понижению энергии размерного квантования и существованию электронного уровня в островках, вызывая появление линии в диапазоне 1.2 1.3 мкм. Более того, отсутствие этой линии в спектрах образцов, в которых островки не были сформированы, доказывает, что она не обусловлена точечными дефектами на границе InGaAs–Si или примеРис. 3. Спектры фотолюминесценции, записанные при 77 K, сями в кремниевой матрице.

для структур с островками InxGa1-xAs в матрице Si (7 МС InAs Мы полагаем, что оптимизация режимов выращивания при температуре осаждения 400C (1) и 3 МСIn0.5Ga0.5As при как самих островков InGaAs, так и процесса их заращи480C (2)). Для сравнения приведены спектры структуры с вания кремнием позволит повысить интенсивность излудвумерным слоем InAs в матрице Si (3.5 МС InAs при 400C) чения и позволяет надеяться на возможное применение (3), а также Si-подложки (4).

самоорганизующихся массивов островков InGaAs в Si в качестве основы для нового поколения светоизлучающих приборов на кремнии.

InGaAs, отвечающей началу островкового роста, с увели- Таким образом, нами исследовано влияние условий чением температуры может также приводить частичное осаждения и величины рассогласования постоянных репереиспарение атомов In с ростовой поверхности. Как шеток эпитаксиального слоя и подложки на формиизвестно, начало интенсивного переиспарения In при рование массива островков InGaAs на Si(100) при осаждении на поверхность GaAs соответствует темпера- молекулярно-пучковой эпитаксии. Обнаружена аномальтуре около 540C [12]. Большая величина напряжения ная зависимость критической толщины, отвечающей нарассогласования в случае осаждения InAs на поверх- чалу островкового роста, от величины рассогласованость Si дает вклад в энергию Гиббса и приводит к сдвигу ния — увеличение мольной доли InAs приводит к возраточки начала интенсивного переиспарения в сторону станию критической толщины, в отличие от случая форменьших температур. На рис. 2 приведена расчетная мирования островков InGaAs на GaAs(100). Существует кривая скорости переиспарения InAs с поверхности Si, некоторая критическая температура осаждения, выше вычисленная согласно термодинамической модели [13].

которой переход к островковому росту не наблюдается.

Как видно, при использованой в экспериментах скорости Вблизи критической температуры повышение давления роста InAs, равной 0.3 МС/с, переиспарение может окамышьяка ускоряет формирование островков. Образцы, заться существенным при температурах 460C и выше, содержащие массив островков InGaAs в матрице Si, однако при более низких температурах его влияние мало, проявляют в спектрах люминесценции линию с длиной и оно, по-видимому, не может быть решающей причиной волны в диапазоне 1.2 1.3 мкм, в зависимости от увеличения hc с ростом температуры.

мольной доли InAs.

Спектры фотолюминесценции (ФЛ) некоторых образРабота выполнена при поддержке INTAS (грант № 96цов, содержащих массивы заращенных кремнием остров0242) и программы ”Физика твердотельных нанострукков InGaAs, представлены на рис. 3. Для сравнения предтур” (проект 97-1090).

ставлены также спектры ФЛ от кремниевого буферного слоя и от образца, в котором количество осажденного InGaAs было недостаточно для перехода в островковый Список литературы режим роста, и, таким образом, формирования трехмерных островков не наблюдалось. В последних случаях в [1] T. Yamada, M. Tachikawa, T. Sasaki, H. Mori, Y. Kadota. Appl.

спектрах ФЛ наблюдается лишь линия кремния на 1.1 эВ, Phys. Lett., 70, 1614 (1997).

связанная с испусканием TO-фонона. Формирование мас- [2] T. Egawa, Y. Hasegawa, T. Jimbo, M. Umeno. Appl. Phys.

сива островков InGaAs приводит к появлению в спектрах Lett., 67, 2995 (1995).

Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. Влияние условий выращивания на формирование и люминесцентные свойства квантовых точек... [3] N.N. Ledentsov. Proc. 23rd Int. Conf. on Phys. Semicond.

(Berlin, Germany, July 21–26, 1996), ed. by M. Scheffler and R. Zimmermann (World Scientific, Singapore, 1996) v. 1, p. 19.

[4] P. Blood. In: Physics and technology of heterostructure devices, ed. by D.V. Morgan and R.H. Williams (Peter Perigrinus, 1991) Chapter 7, p. 231.

[5] L. Goldstein, F. Glas, J.Y. Marzin, M.N. Charasse, G. LeRoux.

Appl. Phys. Lett., 47, 1099 (1985).

[6] P.M. Petroff, S.P. DenBaars. Superlat. Microstruct., 15, (1994).

[7] А.Ю. Егоров, А.Е. Жуков, П.С. Копьев, Н.Н. Леденцов, М.В. Максимов, В.М. Устинов. ФТП, 28, 1439 (1994).

[8] G.E. Cirlin, V.G. Dubrovskii, V.N. Petrov, N.K. Polyakov, N.P. Korneeva, V.N. Demidov, A.O. Golubok, S.A. Masalov, D.V. Kurochkin, O.M. Gorbenko, N.I. Komyak, V.M. Ustinov, A.Yu. Egorov, A.R. Kovsh, M.V. Maximov, A.F. Tsatsul’nikov, B.V. Volovik, A.E. Zhukov, P.S. Kop’ev, Zh.I. Alferov, N.N. Ledentsov, M. Grundmann, D. Bimberg. Semicond. Sci.

Technol., 13, 1262 (1998).

[9] A. Ishisaka, Y. Shiraki. J. Electrochem. Soc., 133, 666 (1986).

[10] D. Leonard, K. Pond, P.M. Petroff. Phys. Rev. B, 50, 11 (1995).

[11] V.A. Shchukin, N.N. Ledentsov, P.S. Kop’ev, D. Bimberg. Phys.

Rev. Lett., 75, 2968 (1995).

[12] M. McElhinney, C.R. Stanley. Electron. Lett., 29, 1302 (1993).

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.