WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 2 Термоотжиг дефектов в гетероструктурах InGaAs/GaAs с трехмерными островками © М.М. Соболев, И.В. Кочнев, В.М. Лантратов, Н.А. Берт, Н.А. Черкашин, Н.Н. Леденцов, Д.А. Бедарев Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 14 июля 1999 г. Принята к печати 15 июля 1999 г.) Сообщается о результатах исследования влияния отжига in situ слоя InGaAs в p-n-структурах InGaAs/GaAs, выращенных методом газофазной эпитаксии из металлорганических соединений, на процесс формирования трехмерных когерентно напряженных островков. Исследования структур проводились методами вольт-фарадной спектроскопии и нестационарной емкостной спектроскопии глубоких уровней, просвечивающей электронной микроскопии и фотолюминесценции. Установлено, что в неотожженной структуре A происходит образование трехмерных островков с дислокациями несоответствия, а в отожженной структуре B — квантовых точек. Проведены исследования дефектов с глубокими уровнями. В структуре A обнаружено, что область аккумуляции электронов характеризуется наличием ряда дефектов: EL2, EL3(I3), I2, HL3, HS2, H5. Концентрации ловушек сравнимы с концентрацией мелких доноров, причем концентрация дырочных ловушек больше, чем электронных. После отжига in situ исчезли дефекты EL2 и EL3, связанные с образованием дислокаций; концентрации остальных дефектов упали на порядок и более. Установлено, что в структуре A заселенность квантовых состояний точек контролируется дефектами с глубокими уровнями.

В структуре B обнаружено проявление эффекта кулоновского взаимодействия носителей, локализованных в квантовой точке, с ионизованными дефектами.

1. Введение было отмечено, что формирования дислокаций можно избежать, отключая поток арсина во время прерывания В последние годы во многих лабораториях интенсив- роста. На другую возможность получения свободных но проводятся исследования оптических, структурных и от дислокаций КТ было указано в работе [5] — это электрических свойств нуль-мерных полупроводниковых послеростовый отжиг приповерхностной области, привогетероструктур [1]. Столь большой интерес к такого рода дящий к образованию квазиупорядоченных трехмерных структурам обусловлен возможностями их применения островков. Применение такого отжига для гетерострукв качестве лазеров, одноэлектронных транзисторов и тур InSb/InP показало [6], что в отожженном образце, в элементов памяти. Наибольшие успехи в формировании отличие от неотожженного, КТ имеют лучшее качество квантовых точек (КТ) были достигнуты при примене- кристалла и отсутствуют трехмерные дефекты. Влияние нии метода самоорганизованного роста наноструктур, послеростового отжига на качество и свойства структур впервые описанного Странским и Крастановым в рабо- с КТ обычно проводится с применением структурных и те [2]. Как известно, [1,2] режим роста Странского– оптических методов исследования [6,7]. Практически отКрастанова возникает в гетероэпитаксиальной системе сутствуют работы по исследованию дефектов и примесей при наличии рассогласования по постоянной решетки с глубокими уровнями, имеющихся как в неотожженмежду толстым осаждаемым слоем, имеющим большую ных, так и в отожженных структурах, и их влиянию упругую энергию, и подложкой. Уменьшение упругой на заселенность квантовых состояний точек. В то же энергии реализуется путем образования изолированных время метод нестационарной спектроскопии глубоких островков. При этом возможно образование как ко- уровней (DLTS) является наиболее эффективным для герентно напряженных трехмерных островков (кванто- спектроскопии дефектов и примесей с глубокими состоявых точек), так и островков с дислокациями несоот- ниями [8]. В последнее время этот метод с успехом приветствия, а также их совместное сосуществование в меняется для спектроскопии квантовых состояний точек структуре. Электронный спектр таких изолированных InAs/GaAs [9–12]. Другим методом, который успешно островков оказывается подобным спектру одиночного применяется для определения эффективного профиля атома [1]. В большинстве случаев формирование КТ распределения носителей в структурах, содержащих КТ, происходит без необходимости привлекать дополнитель- является вольт-фарадная (C-V ) спектроскопия [9–12].

ные технологические процессы, как это имеет место, При исследовании с помощью метода DLTS структур, в например, при прямом трехмерном росте гетероструктур которых помимо глубоких уровней дефектов имеются и InAs/GaAs в методе молекулярно-пучковой эпитаксии. квантовые состояния точек, возникают большие проблеПри стандартных условиях роста трехмерных гетеро- мы по идентификации пиков в DLTS-спектрах. В наших структур InGaAs/GaAs методом газофазной эпитаксии из предыдущих работах [11,12] было обращено внимание металлорганических соединений (ГФЭ МОС) возмож- на различие в зависимостях амплитуды DLTS-сигнала но образование трехмерных дислокационных кластеров, от положения уровня Ферми для пространственно лообогащенных In, сосуществующих с КТ [3]. В работе [4] кализованных состояний и распределенных по толщине Термоотжиг дефектов в гетероструктурах InGaAs/GaAs с трехмерными островками эпитаксиального слоя. Положением уровня Ферми и с помощью спектрометра DL4600 фирмы BIO-RAD, заселенностью квантовых состояний точек при опре- работающего в режиме двухстробного интегрирования.

деленных соотношениях мелких и глубоких центров в Для измерения емкости использовался мост Boontonматрице GaAs было предложено управлять с помощью 72B, работающий на частоте 1 МГц. Чувствительность предварительного изохронного термического отжига при этой установки — C/C0 10-4. Для проведения включенном (выключенном) напряжении обратного сме- DLTS- и C-V -измерений на подложку n+-GaAs и слой щения и освещении белым светом. p+-GaAs были термически осаждены омические контакВ данной работе представлены результаты наших ты. Перед каждым DLTS- и C-V-измерением образец исследований по влиянию отжига после заращивания отжигался в течение 1 мин при фиксированной темпераслоя InGaAs слоем GaAs на процесс формирования туре при одном из трех условий: приложено напряжение трехмерных когерентно напряженных бездислокацион- обратного смещения (Ura < 0), нулевое напряжение ных островков, а также точечных дефектов на гетеро- (Ura = 0), приложено напряжение прямого смещения границах с КТ и вблизи нее. Исследован эффект упра- (Ufa > 0). Предварительно образец нагревался до 450 K и выдерживался в течение 1 мин при Ura = 0, если вляемой дефектами с глубокими уровнями заселенности квантовых состояний точек в неотожженных образцах отжиг проводился при Ura < 0, а затем охлаждался и кулоновского взаимодействия локализованных в кван- до температуры отжига. При отжиге с Ura = 0 или Ufa > 0 образец выдерживался предварительно при товой точке носителей с ионизованными дефектами, характеризующимися глубокими уровнями. Исследуе- Ura < 0. Температура отжига варьировалась в пределах мые структуры были получены с помощью метода ГФЭ Ta = 80 450 K. После этого образец охлаждался до МОС. Структурные и оптические исследования трех- температуры T = 80 K при одном из трех условий:

мерных островков InGaAs/GaAs осуществляли метода- Ura < 0, Ura = 0 или Ufa > 0. Далее начинался процесс ми просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ). DLTS- и C-V-измерений в темноте или при воздействии белым светом. Энергию термической активации Ea и Оптические и электрические свойства гетероструктур с InGaAs-островками, встроенными в GaAs-матрицу, про- сечения захвата на них носителей n,p определяли из водили с помощью фотолюминесценции (ФЛ), C-V - и зависимости Аррениуса.

DLTS-методов. Фотолюминесцентные исследования проводились с помощью лазера на ионах Ar с использованием зеленой линии (514.5 нм). Исследуемые образцы размещались в 2. Образцы и методы исследования азотном криостате. Спектр люминесценции детектировался с помощью монохроматора и охлаждаемого азотом Исследуемые в работе гетероструктуры InGaAs/GaAs германиевого диода.

были получены методом ГФЭ МОС с использованием Структурные исследования трехмерных островков горизонтального реактора низкого давления (76 Торр).

InGaAs/GaAs проводили с помощью просвечивающего Триметилгаллий, триметилалюминий, этилдиметилинэлектронного микроскопа Phillips EM420, работающего дий и арсин использовались в качестве источников основпри ускоряющем напряжении 100 кВт, в планарной геоных компонент и Cp2Mg — для p-типа легирования метрии и в геометрии поперечного сечения. Образцы GaAs. Было выращено две структуры (A и B) при в геометрии поперечного сечения подготавливались по различных условиях роста и последующей обработки.

стандартной процедуре с использованием финишного Температура роста была 480C. В обоих случаях на распыления ионами аргона с энергией 4 кВт при скольподложке n+-GaAs выращивался нелегированный слой зящем угле падения на установке Gatan Duo-Mill 600.

GaAs с концентрацией электронов n = 3 · 1015 см-3 толДля исследований в планарной геометрии образцы быщиной 0.5 мкм. После этого осаждался слой InGaAs. В ли подготовлены химическим травлением в растворе структуре A весь процесс осуществлялся без прерывания H2SO4 : H2O2 : H2O (5: 1: 1) с предварительным удаленироста, в структуре B — с прерыванием после осаждения ем верхнего слоя материала.

слоя квантовых точек InGaAs. В структуре B производилось осаждение поверх КТ тонкого слоя GaAs толщиной 50 с последующим увеличением температуры до 600C 3. Результаты и отжигом in situ в течение 10 мин. Затем при температуре 480C производилось осаждение слоя n-GaAs На рис. 1 представлены изображения островков (n = 3 · 1015 см-3) толщиной 1.0 мкм для структуры A InGaAs в матрице GaAs неотожженного образца A (a, b) и 0.5 мкм для структуры B. Для создания p-n-перехода и отожженного in situ образца B (c, d), наблюдаемые слой n-GaAs был покрыт при той же температуре слоем в планарной геометрии и в геометрии поперечного селегированного p+-GaAs толщиной 0.3 и 0.1 мкм соответ- чения. Изображения образцов в планарной геометрии ственно. Исследования пространственно локализован- были получены в режиме светлого поля при соблюных состояний островков, глубоких уровней дефектов и дении двухлучевых условий. Направление падающего примесей, а также профиля распределения носителей в электронного пучка было [001], а отраженного [220].

гетероструктурах производились DLTS- и C-V -методами Изображения образцов в геометрии поперечного сечения Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 202 М.М. Соболев, И.В. Кочнев, В.М. Лантратов, Н.А. Берт, Н.А. Черкашин, Н.Н. Леденцов, Д.А. Бедарев Рис. 1. Электронно-микроскопические изображения островков InGaAs в матрице GaAs неотожженного образца A (a, b) и отожженного in situ образца B (c, d): a, c — планарная геометрия и режим светлого поля (220); b, d — геометрия поперечного сечения слоя островков в режиме темного поля (200).

Рис. 2. Спектры фотолюминесценции образцов InGaAs/GaAs с трехмерными островками. a — неотожженный образец A;

b — отожженный in situ образец B при температурах измерения T = 300 (1) и 77 K(2).

были получены при соблюдении двухлучевых условий островков. Как видно из рис. 1, a, для образца A на в режиме темного поля с использованием отражения месте слоя InGaAs образовались островки с отрелакси[200] при направлении падающего электронного пучка ровавшей через образование дислокаций несоответствия [011]. Выбор типа рефлекса и поля обусловлен наиболь- решеткой, что подтверждается наличием муарового узошей информативностью по распределению напряжений ра на изображениях островков. Исследования изобрав слое InGaAs при оценке как латеральных размеров, жения муарового узора показали, что средний размер так и высоты наблюдавшихся трехмерных напряженных параметра решетки островков составляет 5.98. С Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. Термоотжиг дефектов в гетероструктурах InGaAs/GaAs с трехмерными островками Рис. 3. C-V -характеристики p-n-гетероструктуры InGaAs/GaAs с трехмерными островками: a — неотожженный образец A;

b — отожженный in situ образец B. Измерения после изохронного отжига с Ta = 450 K и при охлаждении до T = 80 K с Ura < без света (1), Ura = 0 без света (2), Ura < 0 при освещении белым светом (3) и при охлаждении до 240 K с Ura < 0 (4).

учетом погрешности на наличие напряжений это соот- возбуждения в отличие от второго пика первого образца, ветствует праметру решетки InAs. Наличие в образце который исчезает при низких уровнях возбуждения.

A дислокаций несоответствия на границе смачивающий На рис. 3, a и 3, b приведены C-V-характеристики слой –островки подтверждается несимметричным и не- образцов A и B для различных условий изохронного однородным контрастом в области трехмерных остров- отжига и температур измерения. На C-V-профилях этих образцов при низких температурах измерения имеков (рис. 1, b). Проведенная оценка плотности таких ются достаточно протяженные плато, что характерно островков показала, что ее величина порядка 8·1010 см-2, для структур с квантовыми точками. Ширина плато а латеральный размер равен в среднем 2030 нм. Высота C-V-профиля зависит от заселенности носителями уровэтих островков, оцененная с помощью изображения, ней квантовых точек. При повышении температуры изпоказанного на рис. 1, b, составляет 5 6нм. Для мерения до 240300 K происходит рост емкости. Вместо отожженного in situ образца B приведенные на рис. 1, c, d протяженного резко обозначенного плато, с увеличениизображения свидетельствуют о наличии сложного рельем напряжения обратного смещения (Ur) наблюдается ефа на месте слоя InGaAs и характерного для квантовых падение емкости. Для образца A (рис. 3, a) градиент точек контраста. Оценка плотности этих точек дает изменения емкости существенно больше, чем для B значение порядка 5 · 1010 см-2, их средний латеральный (рис. 3, b). В профилях распределения концентрации размер приблизительно 14 нм, а высота 7нм.

свободных электронов n(x), которые рассчитываются из На рис. 2, a и 2, b показаны спектры ФЛ при высокой C-V-характеристик, при низких температурах для обоих энергии возбуждения для образцов A и B соответственно.

образцов наблюдаются достаточно острые пики, положеПри азотной температуре в спектрах фотолюминесценния которых совпадают с расчетными для слоя InGaAs.

ции первой структуры наблюдается линия при энергии Для образца A при увеличении температуры измерения фотонов h = 1.05 эВ [1], которая связывается с основнаблюдалось расширение области аккумуляции электроным состоянием электронов и дырок плоскости точек.

нов в сторону p-n-перехода. Концентрация свободных Кроме того, со стороны высоких энергий в спектре электронов n(x) в этой области увеличивалась от знаФЛ присутствует плечо. Подгонка с помощью гауссиана чений 2 · 1015 см-3 при 77 K до 3.4 · 1016 см-3 при 300 K.

Pages:     || 2 | 3 |



© 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.