CC BY
60
ФИЗИКА ТВЁРДОГО ТЕЛА
УДК 621.382
ВЛИЯНИЕ РЕЖИМА ВЫРАЩИВАНИЯ СЛОЕВ КВАНТОВЫХ ТОЧЕК InAs/GaAs В МЕТОДЕ ГАЗОФАЗНОЙ ЭПИТАКСИИ НА ИХ ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ СВОЙСТВА
1 12 © 2013 г. Н.С. Волкова, А.П. Горшков, С.Б. Левичев,
3 3 1
А.В. Здоровейщев, О.В. Вихрова , Л.А. Истомин
1
Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского
2
Minho University, Braga, Portugal
3
НИФТИ ННГУ им. Н.И. Лобачевского
volkovans 88@mail. ru
Поступила в редакцию 01.02.2013
Проведено сравнительное исследование оптоэлектронных свойств квантовых точек InAs/GaAs, выращенных газофазной эпитаксией из металлорганических соединений при атмосферном давлении в разных технологических режимах. Показано, что режим с прерыванием роста позволяет выращивать квантовые точки, энергетический спектр которых слабо чувствителен к изменениям толщины покровного слоя GaAs и наличию в нем квантовой ямы InGaAs.
Ключеввк слова: квантовые точки, фотоэлектрическая спектроскопия, фотолюминесценция, температурная зависимость фоточувствительности, эмиссия неравновесных носителей.
Введение
Квантово-размерные структуры на основе прямозонных полупроводников А3В5 (GaAs, InAs, GaN и др.) благодаря высокой эффективности излучательной рекомбинации используются в качестве активных областей светоизлучающих приборов (лазеров [1, 2], светодиодов [3]). Перспективы применения структур с квантовыми точками (КТ) InAs/GaAs обусловлены возможностью получения в них оптического излучения в широком диапазоне длин волн от 1 до 1.8 мкм [4-6], перекрывающем основные окна прозрачности оптического кварцевого волокна (1.3 и 1.55 мкм). Длина волны основного оптического перехода в КТ определяется их размером, составом и упругими напряжениями, возникающими из-за рассогласования параметров постоянных решеток InAs и GaAs (Оп^ = 0.6058 нм, = 0.5653 нм при 300 К).
Упругие напряжения сжатия в ЬпАл приводят к увеличению ширины запрещенной зоны и как следствие к уменьшению длины волны излучения. Наиболее длинноволновым излучением обладают поверхностные КТ, поскольку в этом случае нанокластеры испытывают сжатие толь-
ко со стороны подложки GaAs. Однако структуры с поверхностными КТ непригодны для создания на их основе светоизлучающих приборов с электрической инжекцией. Необходимое для приборных применений заращивание слоя КТ ЬпАл покровным слоем GaAs приводит к уменьшению длины волны излучения. Таким образом, актуальной является задача получения структур с КТ, встроенными в матрицу полупроводника, но при этом обладающими достаточно длинноволновым спектром излучения, максимально приближенным к спектру излучения поверхностных КТ. Для решения этой задачи было предложено заращивание КТ комбинированным покровным слоем, состоящим из тонкой прослойки твердого раствора ЬпДа^Ал и внешнего слоя GaAs [7-10], а также непосредственное встраивание слоя КТ ЬпАл в слой ЬпДа^Ал [11].
В данной работе структуры с КТ были выращены методом газофазной эпитаксии из ме-таллорганических соединений (ГФЭ МОС) при атмосферном давлении водорода - газа носителя паров МОС. Повышение однородности массива КТ по размеру и составу достигалось либо путем легирования структуры висмутом [12],
Структуры А и В
Структуры СиВ
КТ InAs
смачиваю ищи слой InAs
покровный слой GaAs КЯ InGaAs КТ InAs покровный слой GaAs
буферный слой и-GaAs смачивающий буферный слой и-GaAs
подложка H+-GaAs слой InAs подложка п -GaAs
а) 6)
Рис. 1. Схематическое изображение квантово-размерных структур: а) - структуры А и В с одиночным слоем КТ 1пАл; б) - структуры С и D с комбинированным слоем КЯ/КТ In0.2Ga0.sAs/InAs
либо путем подбора оптимального времени прерывания подачи реагентов в процессе роста слоя КТ [13]. В работе проведен сравнительный анализ оптоэлектронных свойств КТ, полученных в этих двух ростовых режимах.
Методика эксперимента
В работе исследовано два типа структур: с одиночным слоем КТ 1пАл (структуры А и В, рис. 1а) и с комбинированным слоем, состоящим из слоя КТ 1пАл и слоя квантовой ямы (КЯ) InGaAs (структуры С и D, рис. 1б). Гетеронаноструктуры выращивались методом ГФЭ МОС на поверхности (100) подложек и^аАл с разориентацией на 2° в направлении [110]. Буферный слой и^аАл толщиной « 0.6 мкм с кон-
1П16 -3
центрацией электронов ~ 10 см выращивался при температуре 600 С. Затем температура снижалась до 520 С и наносился слой КТ 1пАл. Слой КЯ Ьпо.^ао.вАл толщиной 5 нм в структурах С и D выращивался при той же температуре. При выращивании структур А и С слой КТ в процессе роста легировался примесью-сурфактантом Bi путем ее распыления из твердой мишени, расположенной в холодной зоне реактора, Nd:YAG-лазером [12]. Атомы Bi ограничивают подвижность 1п и Ал на поверхности роста, что препятствует коалесценции КТ и повышает их однородность по размерам [12]. Время технологического прерывания между подачей триметилин-дия и арсина в реактор составляло 4 с. Структуры В и D были выращены без легирования Bi с увеличенным временем прерывания (8 с). Данное время было определено в результате оптимизации ростового процесса с целью получения более однородных массивов КТ [13]. Во всех структурах покровный слой GaAs толщиной 30 нм выращивался при температуре 520 С.
Для постростового изменения толщины покровного слоя GaAs применялось анодное окисление поверхности структур [5]. Окисление
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 константе роста 2 нм/В. При расчете остаточной толщины покровного слоя учитывалось, что на образование окисла толщиной dox расходуется слой GaAs толщиной 0.67dox [5].
На структурах исследовались спектры поверхностной барьерной фотоЭДС [14] и фотолюминесценции (ФЛ). Фотоэлектрические спектры измерялись по soft-contact-методике [15]. Омический контакт к буферному слою и подложке создавался электроискровым вжиганием оловянной фольги. Источником монохроматического излучения служил решеточный монохроматор Acton SpectraPro-500i. Детектирование переменного электрического сигнала на частоте 130 Гц осуществлялось по стандартной lock-in-методике с применением селективного усилителя Stanford Research Systems 810. При исследовании фотоэлектрических спектров строилась спектральная зависимость относительной фоточувствительности Sph(hv) = Vph(hv) / L(hv), где Vph(hv) - фотоЭДС, L(hv) - интенсивность освещения в произвольных единицах. Для возбуждения ФЛ использовался He-Ne-лазер мощностью 30 мВт. Измерения выполнялись в диапазоне температур 77-300 К.
Результаты и обсуждение
Влиение нанесение КЯ на энергетический спектр КТ
На рис. 2 приведены спектры фоточувствительности Sph при 300 K (кривые 1, 2) и ФЛ IPL при 77 K (кривые 3, 4) структур А и C, выращенных с легированием Bi. На спектре фоточувствительности структуры А (с одиночным слоем КТ, кривая 1) пик при энергии « 0.94 эВ связан с оптическими переходами в КТ между основными состояниями электрона и дырки, а
0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4
эВ
Рис. 2. Влияние покрытия слоя КТ InAs слоем КЯ ІПо^ао.^ на спектры фоточувствительности 8^ и ФЛ 1РЬ. КТ выращены в режиме с легированием Ві. 1, 2 -спектры фоточувствительности при 300 К; 3, 4 - спектры ФЛ при 77 К. 1, 3 - структура А с одиночным слоем КТ; 2, 4 - структура С с комбинированным слоем КЯ/КТ
0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5
/7У, эВ
Рис. 3. Влияние покрытия слоя КТ IпAs слоем КЯ ІПо^ао.^ на спектры фоточувствительности 8^ и ФЛ 1РЬ. КТ выращены без легирования Ві в режиме с увеличенным временем прерывания роста. 1, 2 - спектры фоточувствительности при 300 К; 3, 4 - спектры ФЛ при 77 К. 1, 3 - структура В с одиночным слоем КТ; 2, 4 -структура D с комбинированным слоем КЯ/КТ
при энергиях « 1.01 эВ и 1.1 эВ - между их возбужденными состояниями. Полоса фоточувствительности при энергии « 1.3 эВ принадлежит смачивающему слою InAs, который в пространстве между кластерами КТ образует квантовую яму. В комбинированной структуре С смачивающий слой InAs и внешняя КЯ In0.2Ga0.8As образуют единую КЯ ступенчатого профиля. Объединение двух ям с сохранением их параметров приводит к красному смещению энергии основного перехода в гибридной яме относительно этой энергии в каждой из ям [8]. Красная граница фоточувствительности гибридной КЯ находится при энергии « 1.25 эВ (кривая 2). При нанесении на слой КТ слоя КЯ наблюдается ярко выраженный эффект красного смещения энергий оптических переходов в КТ на спектрах фоточувствительности и ФЛ. Для основного перехода в КТ это смещение составляет « 65 мэВ.
Спектры фоточувствительности при 300 К и ФЛ при 77 К структур В и D, выращенных в режиме с увеличенным временем прерывания роста, приведены на рис. 3. В отличие от структур с КТ, легированных В^ в данных структурах при нанесении на слой КТ слоя КЯ красного смещения энергетического спектра КТ практически не наблюдается. Этот результат, с одной стороны, можно объяснить различием морфологии массивов КТ, выращенных с применением и без применения легирования поверхностноактивными примесями [16], с другой стороны -имеющим место в нелегированных структурах более сильным диффузионным перемешиванием атомов 1п и Ga на гетерогранице InAs/GaAs с образованием прослойки твердого раствора 1п^а1-хАз, снижающей упругие напряжения в КТ, т.е. действующей так же, как специально наносимая внешняя КЯ.
Анодное окисление структур с одиночным слоем КТ
На рис. 4 показано влияние анодного окисления на спектры фоточувствительности при 300 К структур А и В с одиночным слоем КТ, полученных в разных ростовых режимах. Анодное окисление использовалось для уменьшения упругих напряжений в КТ. В окисленных структурах величина упругих напряжений определяется в основном остаточной толщиной кристаллического покровного слоя ОаАБ, поскольку образовавшийся аморфный слой анодного окисла легко деформируется и не создает дополнительных напряжений в подстилающем слое. Кривые 1 и 3 представляют собой первоначальные спектры фоточувствительности структур А и В, соответственно. В результате окисления толщина покровного слоя ОаАБ уменьшилась с 30 до « 5 нм. При этом красное смещение спектра фоточувствительности от КТ в структуре В (кривая 4) оказалось значительно меньше (< 20 мэВ) по сравнению со структурой А (~ 60 мэВ, кривая 2). Уширение фотоэлектрических пиков в структуре А (кривая 2), вероятно, связано с неоднородностью толщины окисного слоя. Механизм этого явления заключается в следующем: в КТ, покровный слой над которыми окислился на большую глубину, происходит большая релаксация упругих напряжений и, следовательно, более значительное красное смещение. Слабое влияние толщины покровного слоя на энергетический спектр КТ в структуре В при тех же параметрах окисного слоя дополнительно подтверждает высказанное выше предположение об образовании промежуточного слоя ІпОаАБ на поверхности КТ при их выращивании в режиме с увеличенным временем прерывания роста.
Рис. 4. Влияние анодного окисления на спектры фоточувствительности структур с одиночным слоем КТ (структуры А и В). 1, 2 - структура А с КТ, легированными Ві; 3, 4 - структура В с КТ, выращенными без легирования Ві в режиме с увеличенным временем прерывания роста. 1, 3 - до окисления (толщина покровного слоя GaAs ~ 30 нм); 2, 4 - после окисления (толщина оставшегося кристаллического слоя GaAs ~ 5 нм)
Рис. 5. Влияние покрытия слоя КТ InAs слоем КЯ 1п0.^а0.^ на температурную зависимость фоточувствительности в области основного перехода в КТ, выращенных без легирования Ві в режиме с увеличенным временем прерывания роста (структуры В и D). 1 - структура В с одиночным слоем КТ; 2 -структура D с комбинированным слоем КЯ/КТ
Температурная зависимость фоточувствительности
Исследование температурных зависимостей фоточувствительности является эффективным методом определения доминирующих механизмов эмиссии неравновесных носителей из квантово-размерных слоев (КЯ и КТ), энергий активации фотоэлектронных процессов, связанных с высотой энергетических барьеров в КЯ и КТ, а также позволяет получать информацию о соотношениях времен жизни носителей по отношению к процессам эмиссии и рекомбинации [1719]. Одним из возможных механизмов эмиссии в структурах с одиночным слоем КТ является термическая активация электронов с основного состояния КТ в 2D-состояния непрерывного спектра смачивающего слоя, а в комбинированных структурах КЯ/КТ - в 2D-состояния гибридной КЯ. По сравнению со смачивающим слоем, в гибридной КЯ дно основной электронной подзоны лежит примерно на 50 мэВ глубже относительно края зоны проводимости GaAs [8], что может существенно влиять на эффективность эмиссии электронов через КЯ. Сравнительный анализ эффективности эмиссии через смачивающий слой и через гибридную КЯ возможен только при условии, если нанесение КЯ не изменяет энергетический спектр КТ, т.е. только в структурах, выращенных с увеличенным временем прерывания роста.
На рис. 5 приведены температурные зависимости фоточувствительности в области основного перехода в КТ в структурах В и D. Близкий к экспоненциальному рост фоточувствительности при низких температурах (< 200 К) свидетельствует о доминировании термоактивированного механиз-
ма эмиссии фотовозбужденных носителей из КТ. В структуре D фоточувствительность от КТ сохраняется до более низких температур (~ 130 К) по сравнению со структурой В (~ 160 К). Энергия активации фоточувствительности, определенная по наклону низкотемпературной части зависимости, в структуре с одиночным слоем КТ составила 170 мэВ, а в структуре с комбинированным слоем КЯ/КТ - 120 мэВ. Таким образом, встраивание квантовой ямы снижает эффективную высоту эмиссионного барьера в КТ, вследствие того, что эмиссия из КТ может происходить не сразу в матрицу GaAs, а через КЯ.
Заключение
В результате проведенных исследований показано, что энергетический спектр КТ 1п-As/GaAs, выращенных в режиме с увеличенным временем прерывания подачи реагентов в процессе роста слоя InAs, значительно слабее зависит от толщины покровного слоя GaAs и наличия в нем КЯ In0.2Ga0.8As, чем энергетический спектр КТ, легированных висмутом. Предположительно это связано с более сильным диффузионным размытием гетерограницы InAs/GaAs и образованием над КТ слоя переходного состава InGaAs, снижающего упругие напряжения. Установлено, что нанесение слоя КЯ на слой КТ, выращенных в этом режиме, снижает эффективную высоту эмиссионного барьера в КТ, что проявляется в увеличении фоточувствительности от КТ при низких температурах.
Авторы выражают благодарность Б.Н. Звонкову за выращивание структур для исследования.
Работа выполнена при поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (соглашение с Министерством образования и науки № 14.B37.21.1945).
Список литературы
1. Bimberg D., Grnndmann М., Ledentsov N.N. Quantum dot heterostructures. N.Y. USA: John Wiley & Sons, 1999. 338 p.
2. Heinrichsdorff F., Ribbat Ch., Grundmann M. et al. // Appl. Phys. Lett. 2000. V. 76. P. 556-558.
3. Qi Y.D., Liang H., Tang W. et al. // J. Crystal Growth. 2004. V. 272. P. 333-340.
4. Звонков Б.Н., Линькова Е.Р., Малкина И.Г. и др. // Письма в ЖЭТФ. 1996. Т. 63. № 6. С. 418-422.
5. Карпович И.А., Здоровейщев А.В., Тихов С.В. и др. // ФТП. 2005. Т. 39. № 1. С. 45-48.
6. Ковш А.Р., Жуков А.Е., Малеев Н.А. и др. // ФТП. 1999. Т. 33. № 8. С. 1020-1023.
7. Nishi K., Saito H., Sugou S. et al. // Appl. Phys. Lett. 1999. V. 74. N. 8. P. 1111-1113.
8. Karpovich I.A., Zvonkov B.N., Baidus N.V. et al. // Trends in Nanotechnology Research. N.Y. USA: Nova Science, 2004. P. 197-208.
9. Shu C.W., Wang J.S., Shen J.L. et al. // Mater. Sci. Eng. B. 2010. V. 166. P. 46-49.
10. Gu Y., Yang T., Ji H. et al. // J. Appl. Phys. 2011. V. 109. P. 064320-1-064320-5.
11. Chen R., Liu H.Y., and Sun H.D. // J. Appl. Phys. 2010. V. 107. P. 013513-1-013513-5.
12. Zvonkov B.N., Karpovich I.A., Baidus N.V. et al. // Nanotechnology. 2000. V. 11. P. 221-226.
13. Здоровейщев А.В., Демина П.Б., Звонков Б.Н. // Письма в ЖТФ. 2009. Т. 35. № 2. С. 15-20.
14. Карпович И.А., Филатов Д.О. // ФТП. 1996. Т. 30. № 10. С. 1745-1755.
15. Datta Sh., Ghosh S., Arora B.M. // Rev. Sci. Instrum. 2001. V. 72. N. 1. P. 177-183.
16. Здоровейщев А.В., Байдусь Н.В., Звонков Б.Н., Демина П.Б. // Известия РАН. Серия Физическая. 2011. Т. 75. № 1. С. 31-33.
17. Fry P.W., Itskevich I.E., Parnell S.R. et al. // Phys. Rev. B. 2000. V. 62. P. 16784-16791.
18. Chang W.H., Hsu T.M., Huang C.C. et al. // Phys. Rev. B. 2000. V. 62. N. 11. P. 6959-6962.
19. Гуткин А.А., Брунков П.Н., Жуков А.Е. и др. // ФТП. 2008. Т. 42. № 9. С. 1122-1125.
THE INFLUENCE OF VAPOR PHASE EPITAXY GROWTH MODE OF InAs/GaAs QUANTUM DOTS ON THEIR OPTOELECTRONIC PROPERTIES
N.S. Volkova, A. P. Gorshkov, S.B. Levichev, A V. Zdoroveishchev, O. V. Vikhrova, L.A Istomin
A comparative analysis of optoelectronic properties of InAs/GaAs quantum dots grown by atmospheric pressure orga-nometallic vapor phase epitaxy in different growth modes has been carried out. It is shown that the growth-interruption mode permits to obtain quantum dots with an energy spectrum which is weakly sensitive to changes of GaAs cladding layer thickness and the presence of InGaAs quantum wells in it.
Keywords: quantum dots, photoelectric spectroscopy, photoluminescence, temperature dependence of photosensitivity, non-equilibrium carrier escape.
