CC BY
29
ФИЗИКА ТВЁРДОГО ТЕЛА
УДК 621.382
ВЛИЯНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО ДЕФЕКТООБРАЗОВАНИЯ НА ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СПЕКТРЫ КВАНТОВО-РАЗМЕРНЫХ ГЕТЕРОНАНОСТРУКТУР In(Ga)As/GaAs,
ВЫРАЩЕННЫХ ГАЗОФАЗНОЙ ЭПИТАКСИЕЙ
© 2012 г. Н.С. Волкова, А.П. Горшков,И.А. Карпович
Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского уоШюуаш 88@пш1. т
Поступоео в редокцою 31.01.2012
Исследовано влияние на фотоэлектрические спектры квантово-размерных гетеронаноструктур In(Ga)As/GaAs поверхностного дефектообразования при анодном окислении и облучении ионами гелия поверхности структур. Показано, что фоточувствительность в области основного оптического перехода в квантовых точках и ямах и температурная зависимость этой фоточувствительности при низких температурах являются чувствительными индикаторами образования в квантово-размерных слоях дефектов, являющихся эффективными центрами рекомбинации.
Кеючевые сеово: квантовая яма, квантовые точки, температурная зависимость фоточувствительности, дефектообразование, рекомбинационное время жизни.
Введение
Квантово-размерные гетеронаноструктуры (КРГ) с квантовыми ямами (КЯ) и самооргани-зованными квантовыми точками (КТ) типа In(Ga)As/GaAs являются одним из основных объектов исследований и разработок в современной физике, технике и технологии полупроводников [1, 2]. Их применение позволило значительно улучшить характеристики ряда приборов опто- и наноэлектроники и создать новые приборы: высокоэффективные инжекционные лазеры [3], фотоприемники и светоизлучающие приборы на основе межзонных и межподзонных переходов в квантово-размерных слоях [4], транзисторы с высокой подвижностью электронов в двумерном электронном газе и др.
При создании таких приборов проводятся различные поверхностные технологические операции (травление, анодное окисление, нанесение металлов, ионная имплантация и др.), при которых возможно образование в структуре дефектов. Процессы генерации, миграции и ком-плексообразования дефектов при таких воздействиях на поверхность КРГ, их влияние на свойства квантово-размерных слоев, а также влияние самих этих слоев на процессы дефек-тообразования еще мало изучены. В связи с этим изучение дефектообразования при различ-
ных технологических операциях и его влияния на оптоэлектронные свойства КРГ имеет важное значение для развития теории, совершенствования технологии и улучшения параметров приборов на основе КРГ.
В данной работе изучалось дефектообразо-вание в КРГ с КТ и КЯ типа In(Ga)As/GaAs, выращенных методом газофазной эпитаксии из металлорганических соединений (ГФЭ МОС), при анодном окислении их поверхности и имплантации ионов гелия Не+. Для изучения дефектообразования применена методика, основанная на исследовании температурной зависимости спектров фоточувствительности структур. Ранее подобные исследования проводились на КРГ с квантовыми ямами InGaAs/GaAs при анодном окислении поверхности и имплантации ионов аргона [5].
Методика эксперимента
КРГ выращивались методом ГФЭ МОС при атмосферном давлении водорода - газа носителя паров МОС [6]. На поверхности (100) п+-GaAs при температуре 650 С выращивался буферный слой n-GaAs толщиной 0.6 мкм с концентрацией электронов ~ 1016 см-3. Затем выращивался слой КЯ InxGa1-xAs или при более низкой температуре (520°С) слой самоорганизо-
смачивающий слой \
о2 Li____I_____I_____I_____I_____I______I__
0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4
hv, эВ
Рис. 1. Влияние анодного окисления на спектр фоточувствительности КРГ со слоем КТ при 300 K: 1 - до окисления, 2 - после окисления (dox = 20 нм). На вставке приведено схематическое изображение КРГ
ванных КТ InAs. Для повышения однородности КТ слой InAs в процессе его нанесения легировался примесью-сурфактантом висмутом [6]. Нанесение покровного слоя GaAs толщиной 1530 нм проводилось при 650°C в структурах с КЯ и при 520°C в структурах с КТ.
Исследовались структуры с одиночным слоем КТ и структуры с тремя встроенными у поверхности КЯ In02Ga08As. Ширина квантовых ям увеличивалась при приближении к поверхности и составляла 4, 6 и 9 нм для КЯ 1, 2 и 3 соответственно. Толщина спейсерных слоев между КЯ и покровного слоя GaAs в этих структурах составляла 20 и 15 нм соответственно.
Анодное окисление поверхности КРГ с КЯ и КТ проводилось в вольтстатическом режиме в электролите - 0.5 М растворе пентабората аммония в смеси с этиленгликолем в соотношении 1:1. Толщина окисла dox определялась по постоянной роста 2 нм/В. На образование окисла толщиной dox расходуется слой GaAs толщиной 0.61 dox [7].
Имплантировались ионы He+ с энергией 10 кэВ и дозами до 1012 см-2. Энергия ионов подбиралась такой, чтобы максимум теоретического профиля распределения дефектов приходился на область слоя КТ. Расчеты профиля распределения имплантированных ионов и образованных первичных радиационных дефектов проводились с помощью программы TRIM (the Transport of Ions in Matter) [8].
Исследовались спектры фоточувствительности в режиме разомкнутой цепи барьеров Шоттки в диапазоне температур 350-11 К. Для создания барьера Шоттки на поверхность исследованных структур методом термического испарения в вакууме при температуре 100°C
наносился полупрозрачный выпрямляющий золотой контакт площадью ~ 1 мм . Омический контакт к буферному слою и подложке создавался электроискровым вжиганием оловянной фольги. Гетеронаноструктура освещалась через подложку.
Экспериментальные результаты и обсуждение
Анодное окисление поверхности
При анодном окислении GaAs генерируются точечные дефекты [9]: вакансии и атомы в междоузлиях. Мигрируя в объем и вступая в реакции между собой и с биографическими дефектами и примесями, они могут образовывать более сложные комплексы (дивакансии, анти-структурные дефекты и др.), создающие глубокие уровни и являющиеся эффективными центрами безызлучательной рекомбинации, а также центрами примесной фоточувствительности.
На рис. 1 показано влияние анодного окисления на спектр фоточувствительности КРГ с одиночным слоем КТ при комнатной температуре. На спектре КРГ до анодного окисления (кривая 1) хорошо выявляется тонкая структура спектра с тремя пиками. Пик фоточувствительности при энергии « 0.93 эВ связан с оптическими переходами в КТ между дискретными основными состояниями электрона и дырки, а при энергиях « 1.02 эВ и 1.1 эВ - между их возбужденными состояниями. Спад фоточувствительности на спектрах в области собственного поглощения GaAs при Иу > 1.4 эВ обусловлен тем, что структуры освещались со стороны подложки.
При окислении структуры с КТ (ДОх = 20 нм) происходит смещение спектра КТ в низкоэнергетическую область примерно на 60 мэВ (кривая 2) и размытие тонкой структуры спектра. Подобное изменение спектра фоточувствительности от КТ происходит при уменьшении толщины нанесенного покровного слоя и при его утонении путем химического травления. Сдвиг спектра обусловлен релаксацией упругих напряжений в КТ в результате уменьшения толщины покровного слоя GaAs [7]. В данной структуре его толщина уменьшается от 20 нм в исходной структуре до « 7 нм в окисленной структуре. Аморфный слой анодного окисла, по-видимому, легко деформируется и не создает значительных напряжений в КТ. Уширение фотоэлектрических пиков, вероятно, связано с мелкомасштабными флуктуациями толщины окисного слоя. Значительное уменьшение фоточувствительности в области основного перехода в КТ и то, что спектр после окисления приобре-
105
Ю3 1------------------1-----------1-----------1----------ь
3 4 5 6 7
10 3/г, к-1
Рис. 2. Температурная зависимость фоточувствительности в области основного перехода в КТ: 1 - до окисления, 2 - после окисления = 20 нм)
тает характерную ступенчатую форму, свидетельствует о снижении эффективности эмиссии неравновесных носителей из КТ в матрицу, определяющей фоточувствительность, в результате образования дефектов, которые увеличивают скорость рекомбинации в КТ.
Температурные зависимости фоточувствительности в области основного перехода в КТ до и после окисления приведены на рис. 2. Качественно они имеют одинаковый характер: при низких температурах фоточувствительность возрастает с ростом температуры и по достижении максимума уменьшается. Близкий к экспоненциальному рост фоточувствительности при низких температурах с энергией активации Ea « « 120 мэВ свидетельствует о термоактивированном механизме эмиссии носителей из КТ. Поскольку энергия активации почти в два раза меньше высоты эмиссионного барьера в КТ, который, по оценке, в КТ с энергией основного перехода 0.92 эВ составляет « 200 мэВ, вероятно, имеет место механизм термоактивированной туннельной эмиссии через промежуточный уровень возбуждения [10]. При достаточно высоких температурах достигается максимум фоточувствительности, при котором вероятность эмиссии пар из КТ приближается к единице. При более высоких температурах фоточувствительность начинает экспоненциально уменьшаться, вероятно, в результате увеличения скорости рекомбинации.
В окисленной КРГ низкотемпературный экспоненциальный участок с примерно такой же энергией активации смещается в область более высоких температур (кривая 2). На этом участке время жизни неравновесных электронно-дырочных пар в КТ, определяемое эмиссией, х£. ~ exp(Ea/kT) (где k - постоянная Больцмана,
КЯ1 КЯ2 КЯЗ
/7у, ЭВ
Рис. 3. Влияние анодного окисления на спектр фоточувствительности КРГ с тремя КЯ при 300 К (1, 2) и 77 К (3, 4): 1, 3 - до окисления, 2, 4 - после окисления
= 5 нм). На вставке приведено схематическое изображение КРГ
Т - температура) много больше рекомбинационного времени жизни хг, и эффективность эмиссии
П = х/Лг/1 + х/1) = хг / Xe ~ exp(-Ea/kT), если хг слабо зависит от температуры. В результате анодного окисления, как видно из рис. 2, рекомбинационное время жизни хг и, следовательно, Sph ~ ^ уменьшается на порядок, что и приводит к смещению этого участка к более высоким температурам. При достаточно высокой температуре хе становится много меньше хг и п приближается к единице.
Подобные исследования были проведены на КРГ с тремя встроенными у поверхности КЯ In0.2Gao.8As. На спектре фоточувствительности неокисленной структуры при 300 К (рис. 3, кривая 1) четко выделяются две ступенчатые полосы фоточувствительности с красной границей 1.26 и 1.30 эВ, связанные с поглощением излучения квантовыми ямами шириной 9 и 6 нм соответственно, и заметна полоса от КЯ1 шириной 4 нм с красной границей « 1.34 эВ. На краю этих полос наблюдаются экситонные пики, фоточувствительность в области поглощения которых возникает в результате распада экситона при его взаимодействии с примесным центром или фононом и последующей эмиссии электрона и дырки из КЯ.
После анодного окисления поверхности покровного слоя GaAs этой структуры толщиной 15 нм (^х = 5 нм) на спектре фоточувствительности при комнатной температуре наблюдается почти равномерное небольшое снижение фоточувствительности по всему спектру от квантовых ям (рис. 3, кривая 2). Оно обусловлено, вероятно, некоторым изменением высоты поверхностного барьера при окислении, т.е. дефекто-образование при таком слабом окислении по-
1
_]__________I________I________I________I_______I__________I_______I__________I______I_________1_
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
10 3/Т, К'1
Рис. 4. Температурная зависимость фоточувствительности в области экситонного поглощения КЯ2 (1, 2) и КЯ3 (3, 4): 1, 3 - до окисления, 2, 4 - после окисления
^ох = 5 нм)
верхности при комнатной температуре практически не проявляется. Однако при 77 К фоточувствительность от ближайшей к поверхности КЯ3 уменьшается почти на два порядка (кривая 4), тогда как фоточувствительность от КЯ2 и КЯ1 изменяется мало.
На рис. 4 представлены температурные зависимости фоточувствительности в области экситонного поглощения КЯ3 и КЯ2 до и после окисления поверхности КРГ. Видно, что до окисления фоточувствительность от обеих КЯ слабо зависит от температуры (кривые 1, 3). Это связано с более низким, чем в КТ, значением высоты эмиссионного барьера в КЯ (« 90 мэВ), при котором Хв << хг и п « 1 даже при 77 К.
После анодного окисления появляется активационная зависимость фоточувствительности в области поглощения ближайшей к поверхности КЯ3 (кривая 4) с энергией активации ~ 30 мэВ. Этот результат, как и в случае окисления КРГ с КТ, можно объяснить уменьшением рекомбинационного времени жизни фотовозбужденных носителей в КЯ из-за образования в ней дефектов. Отсутствие заметного влияния дефектооб-разования при окислении на величину и температурную зависимость фоточувствительности от КЯ2 (кривая 2) свидетельствует о том, что упругонапряженный слой КЯ3 задерживает распространение дефектов вглубь структуры.
Имплантация ионов гелия
При облучении кристалла ионами инертных газов появляются вакансии и междоузельные атомы. В этом случае наиболее вероятно образование дефектов - пар Френкеля и более сложных комплексов, в частности центров EL2 [5].
смачивающим
/IV, эВ
Рис. 5. Влияние имплантации ионов гелия с энергией 10 кэВ на спектр фоточувствительности КРГ с КТ при 300 К. Доза облучения, см-2: 1 - 0, 2 - 1010, 3 - 1011, 4 -1012. На вставке приведено схематическое изображение КРГ
Образование дефектов при имплантации ионов Не+ в структуры с одиночным слоем КТ и покровным слоем GaAs толщиной 30 нм приводит к подавлению фоточувствительности от КТ
вплоть до полного ее исчезновения при дозе
11 2
10 см (рис. 5, кривые 3, 4) и смещению температурной зависимости в область более высоких температур, подобному смещению при анодном окислении (рис. 6, кривая 2). Полоса фоточувствительности от КЯ смачивающего слоя с порогом около 1.3 эВ оказывается менее чувствительной к дефектообразованию, чем полоса от КТ, поскольку эмиссионное время жизни фотовозбужденных носителей в КЯ много меньше, чем в КТ. Но и она исчезает при дозе 1012 см-2 (рис. 5, кривая 4). Остаточная фоточувствительность на кривой 4 при энергии фотонов меньше « 1.4 эВ имеет примесную природу.
Ю5 I-
3 4 5 6 7 8
103/Т, К'1
Рис. 6. Влияние имплантации ионов гелия с энергией 10 кэВ и дозой 1010 см-2 на температурную зависимость фоточувствительности в области основного перехода в КТ: 1 - до имплантации, 2 - после имплантации
Заключение
В результате проведенных исследований показано, что спектр фоточувствительности от слоев КТ и КЯ In(Ga)As/GaAs, встроенных в барьер Шоттки, и его температурная зависимость существенно зависят от дефектов - центров рекомбинации, образующихся при анодном окислении поверхности и имплантации ионов гелия. Установлены основные закономерности этого явления. Особенно ярко влияние дефектообразования на фоточувствительность квантово-размерных слоев проявляется при низких температурах.
Авторы выражают благодарность Б.Н. Звонкову за выращивание структур для исследования.
Список литературы
1. Алферов Ж.И. // ФТП. 1998. T. 32. № 1. С. 3-18.
2. Леденцов Н.Н., Устинов В.М., Щукин В.А. и др. // ФТП. 1998. T. 32. № 4. С. 385-410.
3. Heinrichsdorff F., Ribbat Ch., Grnndmann M. et al. // Appl. Phys. Lett. 2000. V. 76. P. 556-558.
4. Kastalsky A., Vorobjev L.E., Firsov A. et al. // IEEE Journal of Quantum Electronics. 2001. V. 37. P. 1356-1362.
5. Карпович И.А., Аншон А.В., Байдусь Н.В. и др. // ФТП. 1994. Т. 28. № 1. С. 104-112.
6. Звонков Б.Н., Карпович И.А., Байдусь Н.В. и др. // ФТП. 2001. Т. 35. № 9. С. 92-93.
7. Карпович И.А., Здоровейщев А.В., Тихов С.В. и др. // ФТП. 2005. Т. 39. № 1. С. 45-48.
8. Ziegler J.F., Biersack J.P., Littmark U. The stopping and range of ions in solids. N. Y.: Pergamon Press, 1985. 321 p.
9. Вяткин А.Ф., Итальянцев А.Г., Конецкий И.В. и др. // Поверхность. 1986. № 11. С. 67-72.
10. Гуткин А.А., Брунков П.Н., Егоров А.Ю. и др. // ФТП. 2008. T. 42. № 9. С. 1122-1125.
THE INFLUENCE OF SURFACE DEFECT FORMATION ON PHOTOELECTRIC SPECTRA OF In(Ga)As/GaAs QUANTUM-SIZE HETEROSTRUCTURES GROWN BY VAPOR PHASE EPITAXY
N.S. Volkova, A. P. Gorshkov, I.A Karpovich
The influence of surface defect formation induced by anode oxidation and helium ion irradiation of the In(Ga)As/GaAs quantum-size heterostructure surface on photoelectric spectra of these structures has been investigated. It is shown that the photosensitivity of the ground-state optical transition in quantum dots and wells and the temperature dependence of the photosensitivity at low temperatures are sensitive indicators of the defects formed in the quan-tum-size layers, which are effective recombination centers.
Keywords: quantum well, quantum dots, temperature dependence of photosensitivity, defect formation, recombination lifetime.
