WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 2 Фотолюминесценция антимодулированно легированных GaAs/AlGaAs-структур с одиночными квантовыми ямами, обработанных в водородной плазме + © Ю.А. Бумай, Г. Гобш, Р. Гольдхан, Н. Штайн, А. Голомбек, В. Наков, Т.С. Ченг Белорусская государственная политехническая академия, 220027 Минск, Белоруссия Технический университет Ильменау, D-98684 Ilmenau, FRG + Ноттингемский университет, Nottingham NG7 2RD, United Kingdom (Получена 30 января 2001 г. Принята к печати 25 мая 2001 г.) Выращенные методом молекулярно-лучевой эпитаксии GaAs/AlGaAs-гетероструктуры с одиночными квантовыми ямами вблизи поверхности, антимодулированно легированные Si, обработаны в водородной плазме при 260C и исследованы методами низкотемпературной фотолюминесценции, возбуждения фотолюминесценции и фотоотражения. Обнаружено гашение экситонной люминесценции из квантовой ямы при возбуждении ниже ширины запрещенной зоны AlGaAs вследствие усиления электрического поля в структуре.

Эффект связан с откреплением уровня Ферми от середины запрещенной зоны специально не легированного верхнего слоя GaAs (p-типа) в результате пассивации водородом поверхностных состояний при отсутствии нейтрализации мелких примесей в слоях структуры (из-за распада комплексов с водородом в условиях освещения и наличия сильных электрических полей).

1. Введение появлению сильных электрических полей, приводящих к гашению экситонной люминесценции [7]. В работе [8] Пассивация атомарным водородом глубоких дефекуказывалось на деградацию GaAs/AlGaAs-гетерограниц тов и мелких примесей при гидрогенизации из водоиз-за перемешивания Al/Ga при длительной гидрогениродной плазмы может быть использована для улучзации. Ухудшение характеристик приборных структур шения оптических свойств широкого класса полупропри обработке в водородосодержащей плазме высокой водниковых структур. Для гетероструктур GaAs/AlGaAs плотности мощности наблюдалось в работе [9].

с квантовыми ямами (КЯ) большинство исследований В настоящей работе приведены исследования влияуказывает на улучшение люминесценции в результате ния гидрогенизации из водородной плазмы на низкообработки в водородной плазме за счет пассивации центемпературную фотолюминесценцию антимодулировантров безызлучательной рекомбинации в эпитаксиальных но легированных структур с одиночными квантовыми слоях и на гетерограницах [1]. Гидрогенизация из ямами, расположенными вблизи поверхности. Показано, водородной плазмы существенно увеличила, например, что для таких структур положительный эффект умеинтенсивность люминесценции GaAs/AlGaAs-структур с ренной гидрогенизации — пассивация поверхностных множественными квантовыми ямами [2,3] и GaAs/AlAs состояний — может приводить к появлению сильных короткопериодических сверхрешеток [4]. Улучшение внутренних электрических полей, которые подавляют сигнала люминесценции наблюдалось также вследствие излучательную рекомбинацию экситонов.

пассивации поверхностных состояний для структур с КЯ вблизи поверхности после обработки пучком низкоэнер2. Эксперимент гетических ионов водорода [5].

Для пассивации дефектов в GaAs и AlGaAs обычно Для исследований использованы две GaAs/AlGaAsиспользуются ионы водорода низких энергий (< 100 эВ) с целью уменьшения радиационного повреждения по- структуры (NU790, NU791), выращенные методом моверхности [1]. Однако способность водорода пассиви- лекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) на подложках поровать большинство глубоких дефектов в этих матери- луизолирующего GaAs с ориентацией (100). Структуры состоят из буферного слоя GaAs толщиной 1 мкм, алах [1,6] делает возможным применение плазменных обработок с энергиями ионов, превышающими порого- первого барьера Al0.33Ga0.67As толщиной Lb1 = 0.5мкм, GaAs-квантовой ямы, второго барьера Al0.33Ga0.67As толвую энергию образования собственных дефектов. Тем не менее исследования фотолюминесценции эпитаксиально- щиной Lb2 = 15 нм и верхнего слоя GaAs толщиной го слоя GaAs на полуизолирующей подложке показа- Lcap = 20 нм. Ширина квантовых ям Lz составляет 6.ли, что сильная гидрогенизация материала (при дозах и 4.3 нм для структур NU790 и NU791 соответственно.

водорода 1019 см-2) даже при использовании ионов Третья часть КЯ, расположенная в центре, легирована низких энергий приводит к аккумуляции водорода на донорной примесью Si концентрацией 1.0 · 1016 см-3.

границе раздела эпитаксиальный слой –подложка и к Остальные слои структур специально не легировались.

6 212 Ю.А. Бумай, Г. Гобш, Р. Гольдхан, Н. Штайн, А. Голомбек, В. Наков, Т.С. Ченг Гидрогенизация структур проведена в водородной плазме тлеющего разряда низкой плотности мощности на постоянном токе при температуре 260C в реакторе с параллельными электродами в течение 10 мин. Напряжение между электродами составляло 375 ± 25 В, плотность тока — 25 µА/см2. Образцы находились непосредственно на катоде. Соответствующую дозу водорода ( 5 · 1016 см-2) можно приблизительно оценить как половину зарядов, прошедших через электроды.

Исследования структур до и после обработки в водородной плазме проведены методами фотолюминесценции (ФЛ), возбуждения фотолюминесценции (ВФЛ) и фотоотражения (ФО) при температуре 5 K. Для возбуждения люминесценции использовано излучение аргонового ионного лазера с длиной волны 488 нм мощностью 13-200 мВт, а также излучение ионного лазера на сапфире с титаном с длиной волны 720 нм мощностью 100-300 мВт. Лазерный луч фокусировался на Рис. 1. Спектр фотолюминесценции исходной структуобразцах в пятно 0.2 мм. Спектры ВФЛ получены с ры NU790 при возбуждении светом с длиной волны 720 нм.

использованием перестраиваемого лазера на сапфире с T = 5K. 1 —GaAs, 2 —QW.

титаном. Исследования ФО выполнены с применением для модуляции излучения с длиной волны 488 нм. Использование излучения с длиной волны 488 нм (возбуждающего люминесценцию как в барьерах, так и в КЯ) и 720 нм (возбуждающего люминесценцию только в КЯ) дает возможность разделить эффекты, связанные с барьерами и КЯ. При возбуждении ФЛ светом с длиной волны 488 нм могут быть также реализованы условия, близкие к условиям плоских зон.

3. Результаты и обсуждение В спектре ФЛ исходной структуры NU790 при возбуждении длиной волны 720 нм, представленном на рис. 1, отчетливо наблюдаются три интенсивные полосы. Высокий пик на 1.495 эВ соответствует электронному переходу на уровень углерода CAs в верхнем и буферном слоях GaAs (e-A0). Полоса с максимумом на 1.515 эВ является огибающей линии свободных и связанных экситонов в Рис. 2. Спектры фотолюминесценции (1, 2) и спектры возбужслоях GaAs. Наиболее интенсивная и широкая полоса дения фотолюминесценции (3) из КЯ исходной (a) и гидрогес максимумом интенсивности на 1.560 эВ представляет низированной (b) структур NU790 при 5 K: 1 — возбуждение собой излучение из КЯ. Такая же ситуация наблюдается светом с длиной волны 720 нм, 2 — возбуждение светом для структуры NU791, за исключением положения поло- с длиной волны 488 нм. Экситонные переходы: 1e-1hh (1 ), сы из КЯ (1.616 эВ). Из спектров следует, что особен- 1e-1lh (2 ).

ностью данных структур является заметная концентрация в слоях GaAs фоновой примеси МЛЭ — углерода.

Необходимо отметить, что интенсивная полоса e-CAs образом различием энергии ионизации акцепторной принаблюдается также в слоях AlGaAs при возбуждении ФЛ меси в центре КЯ и у гетерограниц [10,11]. Положение длиной волны 488 нм. Наличие остаточного углерода и ширина полосы зависят от уровня возбуждения, ввиду обеспечивает проводимость p-типа в специально не леизменения перекрытия в КЯ пространственных распрегированных слоях GaAs и AlGaAs, в то время как третья делений неравновесных носителей заряда и акцепторов в часть КЯ легирована как n-тип. Широкая полоса ФЛ условиях существования неоднородного электрического из КЯ (ширина на полувысоте 20 мэВ), которая преполя, обусловленного близостью поверхности, остаточобладает в спектре при exc = 720 нм, обусловлена ным легированием барьеров и легированием КЯ.

электронными переходами из первой электронной подзоны на уровни мелких остаточных акцепторов CAs в КЯ Спектры ФЛ из КЯ при возбуждении длинами волн (полоса 1e-AQW). Ширина полосы определяется главным и 488 нм, а также спектры ВФЛ исходной и обработанной Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. Фотолюминесценция антимодулированно легированных GaAs/AlGaAs-структур... доминирующего перехода e-CAs в слоях AlGaAs образца NU790 (более чем на порядок) и гораздо меньшее в NU791 (в 1.5 раза). Это означает, что атомарный водород за счет пассивации глубоких дефектов в барьерах (а не на гетероструктурах) способствует возрастанию времени жизни носителей заряда в структуре, что в свою очередь приводит к увеличению числа фотовозбужденных носителей, которые попадают в КЯ из барьеров.

Ширина полос ФЛ, соответствующих переходам 1e-AQW (рис. 2 и 3, кривые 1), после гидрогенизации как уменьшается (для NU790), так и увеличивается (для NU791). Тем не менее для обеих структур заметен сдвиг энергии переходов в низкоэнергетическую сторону.

В спектре ВФЛ структуры NU790 после водородной обработки также появляется сильный сдвиг экситонных переходов в сторону низких энергий, характерный для эффекта Штарка, т. е. связанный с усилением электриРис. 3. Спектры фотолюминесценции (1, 2) и спектры возбужческого поля в КЯ. Усиление поля является причиной дения фотолюминесценции (3) из КЯ исходной (a) и гидрогесильного уменьшения интенсивностей экситонных пиков низированной (b) структур NU791 при 5 K: 1 — возбуждение в спектрах ВФЛ, особенно 1e-1hh. Уменьшение силы оссветом с длиной волны 720 нм, 2 — возбуждение светом циллятора экситонных переходов после гидрогенизации с длиной волны 488 нм. Экситонные переходы: 1e-1hh (1 ), наблюдается в спектре ВФЛ и для структуры NU791, но 1e-1lh (2 ).

без заметного сдвига энергий. Последнее обстоятельство связано, вероятно, с существенно меньшим значением штарковского сдвига энергий для узких ям (E Lz в плазме структур NU790 показаны на рис. 2. В спектре в случае слабых электрических полей).

исходной структуры при более высоком уровне возбу- Метод ФО также подтверждает усиление электричеждения на exc = 488 нм (кривая 2) наряду с полосой ских полей в образцах после плазменной обработки.

1e-AQW, преобладающей при exc = 720 нм (кривая 1), Спектр ФО исходного образца NU790, представленный наблюдается также вторая полоса, связанная с перехо- на рис. 4, содержит две группы осцилляций — от GaAs в дами между уровнем мелкой донорной примеси SiGa в области E0-перехода с доминирующей экситонной комцентре КЯ и первой подзоной тяжелых дырок (полоса понентой и от квантовой ямы. После гидрогенизации D0 -1hh) [12–14]. Несмотря на то что излучение сигнал ФО GaAs немного уменьшается по амплитуде с QW из КЯ представлено широкими полосами без видимых изменением формы спектра, вероятно, из-за появления признаков экситонной люминесценции, в спектре ВФЛ механических напряжений в GaAs-буферном слое. В то (кривая 3) присутствуют два острых пика, обусловлен- же время амплитуда сигнала ФО КЯ сильно увеличиваных экситонными переходами между первыми подзонами ется, а спектр становится достаточно широким, что свитяжелых и легких дырок и первой электронной подзоной КЯ (пики 1e-1hh и 1e-1lh соответственно). Такая же ситуация наблюдается на рис. 3 для более узкой квантовой ямы (NU791), за исключением соотношения между интенсивностями пиков 1e-1hh и 1e-1lh. Относительно малые интенсивности экситонных пиков в спектре ВФЛ (соответственно малая сила осциллятора экситонных переходов) свидетельствуют о наличии в КЯ структуры NU791 более сильного по сравнению с NUэлектрического поля.

После обработки в водородной плазме интенсивность перехода 1e-AQW в максимуме при exc = 720 нм немного увеличилась для NU790 (в 2 раза) и практически не изменилась для NU791. В то же время при exc = 488 нм интенсивность ФЛ сильно увеличилась для образца NU790 (в 8 раз) и в меньшей степени для NU791 (в 2 раза) за счет усиления обоих примесных переходов. При этом переход D0 -1hh становится QW доминирующим. Дополнительные исследования ФЛ в барьерах при возбуждении длиной волны 488 нм показа- Рис. 4. Спектры фотоотражения исходной (a) и гидрогенизили сильное увеличение интенсивности люминесценции рованной (b) структур NU790 при 5 K. 1 —GaAs, 2 —QW.

Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 214 Ю.А. Бумай, Г. Гобш, Р. Гольдхан, Н. Штайн, А. Голомбек, В. Наков, Т.С. Ченг середины запрещенной зоны и его сдвигу к положению акцепторного уровня в верхнем слое GaAs p-типа, вызывая дополнительный изгиб зон и, следовательно, увеличение приповерхностного электрического поля. Ситуация иллюистрируется рис. 5. Электрическое поле, усиленное в результате гидрогенизации, приводит к дальнейшему гашению экситонной люминесценции, как видно из спектров ВФЛ (рис. 2 и 3, кривые 3).

Из вышесказанного следует, что нейтрализация атомарным водородом остаточного углерода в специально не легированных слоях структур улучшила бы экситонную люминесценцию из КЯ. Однако мы не наблюдали эффекта нейтрализации водородом мелкой Рис. 5. Схематическая зонная диаграмма антимодулированно примеси в слоях. Для плазменной обработки в телегированной GaAs/AlGaAs-структуры до (1) и после (2) чение 10 мин длина диффузии атомарного водорода гидрогенизации.

LH =(DH · t)0.5, рассчитанная исходя из коэффициента диффузии DH = 2.9 · 10-10 см2/с (для нелегированного GaAs при 260C [1]), составляет 4 мкм. Порядок детельствует о наличии в КЯ сильного электрического величины LH указывает на то, что водород при данных поля.

режимах гидрогенизации достигает подложки структуТаким образом, результаты измерений указывают на ры. При этом его концентрация в слоях может быть два основных эффекта, вызванных обработкой структур достаточно высокой, так как внедренная доза водорода в водородной плазме:

превышает 1016 см-2. Отсутствие нейтральных C-- H+ — интенсивность интегральной ФЛ от квантовых ям и Si+- H- комплексов, вероятно, связано с присутствизначительно увеличивается только за счет возбуждения ем в структуре достаточно больших внутренних элеклюминесценции в барьерах, трических полей и освещения, которые способствуют — электрические поля в КЯ становятся сильнее.

распаду комплексов. Распад нейтральных комплексов Первый эффект является результатом пассивации ато- мелкой примеси с водородом в электрических полях и марным водородом только глубоких дефектов в эпитак- дрейф атомарного водорода из области поля наблюдался, сиальных слоях (в нашем случае в барьерах), приводя- например, в структурах GaAs с барьерами Шоттки [1].

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.