Квантово-размерные напряженные гетероструктуры в системе (In, Ga, Al)As: Технология получения методом молекулярно-пучковой эпитаксии и исследование свойств тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Жуков, Алексей Евгеньевич АВТОР
кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
Санкт-Петербург МЕСТО ЗАЩИТЫ
1996 ГОД ЗАЩИТЫ
   
01.04.10 КОД ВАК РФ
Автореферат по физике на тему «Квантово-размерные напряженные гетероструктуры в системе (In, Ga, Al)As: Технология получения методом молекулярно-пучковой эпитаксии и исследование свойств»
 
Автореферат диссертации на тему "Квантово-размерные напряженные гетероструктуры в системе (In, Ga, Al)As: Технология получения методом молекулярно-пучковой эпитаксии и исследование свойств"

о»

13 «л

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. А.Ф.ИОФФЕ

На правах рукописи

ЖУКОВ Алексей Евгеньевич

Квантово-размерные напряженные гетероструктуры в системе (1п,Оа,А1)А.ч: Технология получения методом молекулярно-пучковой эпитаксии и исследование свойств

специальность 01.04.10 - физика полупроводников и диэлеетриков

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой етспеми кандидата физико-математических наук

Санкт-ПстерОург 19%

Работа выполнена в Российской Академии наук.

Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе

Научный руководитель:

жчпор физико-математических наук, профессор

КОПЬЕВ П.С.

< )фмциалм1Ь1е оппоненты:

Л'Жюр фи лжо-математических наук, профессор

инк юр физико-математических наук, профессор

КОНСТАНТИНОВ О.В., МАМАЕВ Ю.А.

Попутан организация

"Светлана-Электронприбор"

Защита диссертации состоится в"3" алмЗи,$ 1995 г, в I Ь> час на заседании специализированного совета К 003.23.01 при Физико-техническом институте им. А.Ф.Ис ,)фе РАН' по адресу: 194021, Санкт-Петербург, Поли гамическая ул., 26. .. '

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по нижеуказанному адресу ученому секретарю специализированного совета.

Автореферат разослан "Я*^" ежлрйд^ 1996 г.

Умений сскрстар» специализированного соне: |..шдилат фм жко-маггмажческих наук

Куликов Г.С.

Общая характеристика работы.

Актуальность работы. Изобретение инжекциониого гетеролазера и полотно транзистора с высокой подвижностью электронов произвели переворот и электронике, радикально улучшив достижимые приборные характеристики. Среди соединений система материалов ОаАв/АЮаАя долгое время

оставалась единственной хорошо изученной и практически применяемой. Однако, к настоящему времени приборные характеристики как лазеров, так и полевых транзисторов на основе этой системы практически достигли своих теоретически предсказанных пределов [1*,2*]. Дальнейший прогресс связан с использованием новых эпитакеиальных материалов, в том числе напряженных гетероструктур, новых материалов подложек и структур с размерностью ниже чем два - квантовых проволок и квантовых точек. Поэтому, в качестве объекта исследования нами были выбраны квантово-раэгмерные напряженные гетероструктуры с активной областью на основе системы материалов (1п,Оа,Л1)Дя, получаемые с помощью молекулярно-пучковой эпитаксии на подложках ваЛв и 1пЕ. В работе исследованы два типа структур, позволяющих выявить преимущества использования квантово-размерных гетероструктур на основе (1п,Оа,А1)А$ в приборах микро- и 1 оптоэлектроники: модулировано-легированные гетероструктуры 1пСаА8/1пА1А8 на подложках 1пР, с двумерным электронным каналом, и инжекционные гетеролазеры с активной областью на основе массивов квантовых точек (1п,Са)Аз.

Напряженные гетероструктуры на основе ЬСаАв, выращенные па подложках ОаАэ, позволяют в лазерах продвинуться в диапазон длин воли до ~ 1 мкм, а также, вследствие модификации зонной структуры под воздействием напряжения, снизить пороговые плотности тока, увеличить дифференциальное усиление и расширить полосу модуляции [2*]. Полевые транзисторы с [пОаЛв каналом, близким к согласованию с подложкой 1пР, являются в настоящее время самыми быстродействующими среди всех трехконтактиых приборов, работающих при комнатной температуре. Ограничение носителей заряда более чем в одном направлении приводит к сильной модификации энергетического спектра, и прежде всего к возникновению сингулярностей в функции млошоети состояний при энергиях, отвечающих дну подзон размерного квантования. Эт, как ожидается, приведет к более узким спектрам оптического усиления н достижению больших значений максимального усиления, позволит сипит, пороговую плотность тока, уменьшить сс температурную чуплтпечыкч и.,

у пели чип. скорость модуляции и достичь более узких спектральных линий [3*]. Использование напряженных квантовых точек (1п,Оа)Аэ позволяет, как нам представляется, реализовать преимущества как напряженных структур, так и системы с пониженной размерностью.

Практическая реализация перечисленных преимуществ возможна лишь ири условии, что будут созданы гетероструктуры, свойства которых близки к модельным. Дефекты, неконтролируемые примеси, случайные вариации состава могут привести к подавлению и даже полному исчезновению ожидаемых эффектов. В случае роста 1пОа(А1)А8 на йаАя или 1пР дополнительная фудность связана с существованием так называемой критической толщины (критического размера в случае островкового роста), выше которой напряжение рассогласования аккомодируется за счет образования дислокаций несоответствия. Кроме того, в случае эпитаксиального роста многослойной гетсроструктуры всегда сущее гвует принципиальная сложность, связанная с . различием в оптимальных условиях выращивания для компонентов, входящих в ее состав. Выполнение перечисленных выше условий предъявляет жесткие требования к технологии создания гьтероструктур и требует тщательной оптимизации как с^лой структуры, так и условий ее роста.

Целью настоящей работы являлась разработка технологии выращивания методом молекулярно-пучковой эпитаксии квантово-размерных напряженных гстсроструктур на оск ве системы материалов (1п,ОаД1)А8 для создания модулнровано-легированных.гетероструктур 1пОаА8/1пА1А5 на подложках 1пР, с двумерным электронным каналом, и июкекционных гетеролазеров с активной обяас. :.ю на основе массивов квантовых точек (1п,Са)А$.

Для достижения поставленной цели в ходе работы решались следующие основные задачи:

- исследовалось влияние напряжения рассогласования на структурные, люминесцентные и транспортные свойства слоев' ЬЮаАя и 1лА1А5, выращиваемых на подложках 1пР;

- исследовалось влияние режимов роста на транспортные свойства электронов в канале и люминесцентные свойства модулировано-легиропанных гетерострук-гур (пОаЛя/1пА|Л5 на подложках 1лР;

- исследовались особенности температурной зависимости пороговой плотности тока в лазерах с активной областью на основе массивов квантовых точек (ЬцОа)Аз; .

- разрабатывались методы, позволяющие управляемо изменять форму и размеры квантовых точек 1пАв в матрице ОаЛв;

- исследовалось влияние высокотемпературного отжига на оптические свойс тва массивов квантовых точек и на приборные характеристики инжекционных лазеров на их основе;

- исследовались оптические свойства массивов вертикально совмещенных квантовых точек;

- разрабатывались конструкция и технология инжекционных лазеров с активной областью на основе массивов вертикально-совмещенных квантовых точек и изучались их основные характеристики.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Способ формирования массивов вертикально совмещенных квантовых -точек (ВСКТ), позволяющий управляемо изменять форму и размеры напряженных островков (1п,Оа)Ая в матрице ОаАя.

2. Конструкция и режимы выращивания методом МПЭ инспекционного лазера с активной областью на основе вертикально совмещенных квантовых точек, позволяющие достичь низкопороговой лазерной генерации через нуль-мерные состояния квантовых точек вплоть до комнатной температуры.

3. Оптимальные режимы роста для модулировано-легированных гетероетруктур 1пОаЛх/1пА1Л«/1п1\ позволяющие достичь наибольшей подвижности • лектронов в канале.

4. Причиной резкого увеличения пороговой плотности тока при шжмшеним температуры в лазерах на основе массивов квантовых точек (1п,Оа)Д8 яиляотся термический выброс электронов из основного состояния квантоных точек.

5. Высокотемпературный отжиг массивов ВСКГ (!п,Сул)Дк приводит к изменению их оптических свойств, а также приборных харак и-рпсгик инжекционных гетсролазеров на их основе вследствие уменьшения энергии локализации носителей в квантовых точках, а также улучшения качества окружающих слоев Оа(Л1)Ля.

Научная новизна и практическая значимость работы заключаются и юм, что в ней пнсрпмс исследованы причины речкою увс.игитши норщ пвпи

плотности тока с температурой в инжекционных лазерах с активной областью на основе массивов кван товых точек (1п,Са)Аз. Обнаружен эффект вертикального совмещения, наблюдаемый при многократном осаждении напряженных островков 1пАв в матрице СаАв, и впервые предложено использовать эффект для управляемого изменения формы и размеров квантовых точек. Впервые исследованы оптические и структурные свойства массивов вертикально совмещенных квантовых точек (1п,Оа)Аз и показана возможность улучшения приборных характеристик инжекционных лазеров с активной областью на основе квантовых точек с помощью применения ВСКТ. Впервые продемонстрирована низкопороговая лазерная генерация через нуль-мерные киантово-размерные состояния при комнатной температуре. Достигпута рекордно высокая характеристическая температура 430 К, наибольшая среди сообщенных для полупроводниковых инжекционных лазеров. Впервые. исследована термическая стабильность массивов ВСКТ. Определены оптимальные режимы осаждения модулировано-легированных гетероструктур ХпваАя/ГпАМвЯпР для достижения наибольшей подвижности электронов в канале. Идентифицированы излучательные переходы в модулировано-легированных гет^роструктурах 1пОаА5/1пЛ1А5/1пР.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на 8-й Международной конференции по молекулярно-пучковой эпнтаксии (Осака, Япония, 29 августа - 2 сентября 1994 г.), 8-й Европейской конференции по молек^лярно-нучковой эпитаксич (Сиерра-Невада, Испания, 22-24 марта 1995 г.), Международной конференции по твердотельным приборам и материалам (Оса). , Япония, 21-24 августа 1995 г.), Международном симпозиуме "Наноструктуры: Физика и технология" (Санкт-Петербург, Россия, 26-30 июня 1995 г.). Конференции общества исследования материалов (Бостон, США, 27 ноября - 1 декабря 1995 г.), 7-й Международной конференции по модулированным полупроводниковым структурам (Мадрид, Испания, 10-14 июля 1995 г.), 2-й Всероссийской конференции по физике полупроводников (Зеленогорск, Россия, 26 февраля-1 марта 1996 г.).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 23 печатных работах (в том числе 12 в научных журналах и 11 в материалах конференций).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, ияти глав и заключения, содержит 102 страницы основного текста, 44 рисунка и список литературы из 122 наименований.

Содержание работы.

Во введении обоснована актуальность темы, определен объект исследования, сформулирована цель работы, задачи, которые необходимо решить,исходя из цели работы, изложены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава носит обзорный характер. В ней рассмотрены особенности, обусловленные напряжением рассогласования и размерным квантованием более чем в одном направлении и их влияние на приборные характеристики. Сформулированы основные требования к "идеальным" квантовым проволокам (КП) и точкам (КТ) в вытекающие проблемы," стоящие перед технологией формирования КП и КТ. Рассмотрены основные методы, предложенные для создания КП и КТ. Обоснованы достоинства метода формирования массивов квантовых точек непосредственно в процессе выращивания. Рассмотрено влияние конструкции модулировано-легированиой гегероструктуры на приборные характеристики. Указаны достоинства модулировано-легированных гетероструктур (МЛГС) на основе InGaAs/InAlAs на подложках 1лР но сравнению с традиционной системой AlGaAs/GaAs.

Во второй главе проведено описание экспериментальных методов получения и исследования гетероструктур, использованных в настоящей работе.

В первом параграфе описаны достоинства и возможное -и метода молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ). Описаны особенное™ МПЭ соединений типа (bi,Ga,Al)As и напряженных систем.

Во втором параграфе изложены конкретные особенности проведения экспериментов: способ подготовки подложек, контроль режимом роста, измерение скорости осажцения с помощью оецилляпий интспсшшоспг отраженного пучка электронов, легирующие примеси. Указаны способы охарактеризована выращенных структур: фотолюминесценция, измерении эффекта Холла, рентгеновская дифракция, просвечивающая электронная микроскопия.

В третьей главе приведены результата исследований reivpoeipyinyp InGaAs/InAlAs на подложках InP.

Первый параграф посвящен оптимизации профиля состава МЛГС АЮаАя/ОаАв для применений в малошумящих транзисторах. Прежде чем проводить исследования модулировано-легированных гетеросгруктур в системе 1пОаАх/1пЛ1Л$/1пР, нам представлялось целесообразным попытаться достичь предельных параметров в гетсроструктурах АЮаАвЛЗаАБ на подложках ОаАэ, более простых и хорошо изученных с точки зрения их создания методом МПЭ. Исследовано влияние глубоких донорных уровней (ОХ-центров) в ЛЮаАэ^ на достижимую концентрацию электронов в канале МЛГС. Показано, что наибольшая концентрация (-1.3x10^ см~^) в канале МЛГС АЮаАв/ОаАв достигается при составах барьера, меньших чем х«0.43 (отвечающих максимальному разрыву зоны проводимости на гетерогранице) и соответствующих значениям хя0.3-И).35, что объяснено увеличением глубины залегания донорного уровня в АЮаАв вследствие формирования ОХ-центров. Влияние ОХ-центров может «быть снижено уменьшением содержания А1 в

барьере. Оптимальный состав барьера оценен равным хк0.25-0.27. Цри этом

12 -2

концентрация электронов достаточно велика (~1.1х10 см ), тогда как доля электронов в канале, которая может изменяться с изменением заселенности ОХ-центров, ухуд)пая таким образом шумовые характеристики, относительно мала (менее 20%). Полевые транзисторы, созданные на основе оптимизированной конструкции МЛГС, при длине затвора 0.3 мкм обладают на частоте 12 ГГц минимальным коэффициентом щума 0.8 дБ при сопутствующем коэффициенте усиленк. 11 дБ, что соответствует современному мировому уровню для приборов данного клг.сса.

Во втором параграфе рассмотрено влияние рассогласования параметров решекж эпитаксиального слоя и подложки на структурные, транспортные и люминесцентные свойства слоев ЬЮаАв и 1пА1Ав на 1пР. Обнаружено, что абсолютная величина критического рассогласования для слоев с напряжением растяжения превышает соответствующую величину для случая сжатия, что объясняется различием коэффициентов термического. расширения эпитаксиального слоя и подложки. Критическое рассогласование для толстых (~ 1 мкм) слоев 1пСа(А1)Лв не описывается с достаточной точностью ни моделью механического равновесия, ни моделью баланса энергии. Обнаружена деградация оптических и транспортных свойств с увеличением рассогласования даже в случае неевдоморфного роста. Наибольшие подвижности и наименьшие ширины пика фотолюминесценции достигаются в слоях, согласованных по

а) 6)

10000

Tsm.. °С Энергия (]*> ioiia, эН

Рие.1. Холловские нодпижноети, измеренные при ЗООК (а) и спектры ФЛ при 77 К (б) для транзисторных структур InAlAs/InGaAs, пмращеншдх при различной температуре подложки Tsu(,.

параметру решетки с подложкой, а также в слоях, слабо обогащенных но галлию. Исследована зависимость ширины запрещенной зоны от состава с учетом влияния напряжения. Существующее напряжение модифицирует зонную структуру и приводит к более слабой зависимости ширины запрещенной зоны от состава по сравнению с ожидаемой для ненапряженных слоев.

В третьем параграфе приведены результата исследован' il влияния режимов роста на подвижность электронов в транзисторных структурах InAlAs/InGaAs, выранцтаеммх методом МИЭ па 1пР. Было обнаружено, чтх> оптимальная температура роста, соответствующая наибольшей холлонской подвижности при ЗООК, заметно превышает1 температуру 5()()°С, традиционно используемую для этих материалов, и составляет приблизительно 540°С (рис. 1,а). Увеличение подвижности электронов с повышением температуры осаждения связано с улучшением качества InAlAs, наблюдаемом п случае роста в условиях увеличенного темпа миграции атомов AI, как показали экснсримен но выращиванию слоев InAlAs. Сегрегация In m> прем» poeta InGaAs не оказывает заметного влияния на тенденцию и изменении подвижности. Ныло обнаружено, что оптимальная темпера тура pue la ipainmi иммшч cipyiciyp, соо111Г1С111уюп|ля наибольшей ио.цщжности. и тергшюй при комнапни!

температуре, хорошо согласуется с температурой начала интенсивной десорбции 1п но время роста 1пОаЛ», как это следует из сдвига максимума ФЛ в коротковолновую сторону (рис. 1,6). Снижение подвижности при дальнейшем увеличении температуры роста вероятно обусловлено уменьшением содержания 1п в канале. Полученные результаты показывают, что оптимизация режимов

выращивания позволяет достичь высоких нодвижпостей (вплоть до* 10000

2 12-2 см /В*с при концентрации двумерных электронов более 2*10 см ) в

приборных структурах без изменений условий осаждения в процессе

лыраишнания.

Четвертый параграф посвшцен исследованию низкотемпературной фотолюминесценции модулировано-легнрованнмх гетсроструктур ЬОаАв/ 1пЛ1Л.ч. Проведена идентификация линий ФЛ на основе сопоставления результатов оптических исследований е- данными анализа осцилляций Шубникова-де-Гааза. Обнаружено, что легирование буфера приводит к возникновению в спектре ФЛ повой линии. Исходя из анализа поведения этой линии с изменением температуры и интенсивности возбуждения было сделано заключение, что сс возникновение обусловлено рекомбинацией электронов двумерного канала .со свободными неравновесными дырками.

В четвертой главе приведены результаты исследований, одиночных массивов квантовых точек (1л,Оа)А5 в матрице СаАв,

Содержание первого параграфа составляют результаты исследования температурной зависимости порговой плотности тока инжекционных лазеров на основе одиночных массивов квантовых точек (1л,Са)А5. Обнаружено, что при низких температурах наблюдения величина пороговой плотности тока, близка к 100 А/см , а температурная зависимость Лд, описывается высокими значениями То ~ 400 К (рис. 2,а). Эти значения То заметно превышают соответствующие величины, наблюдаемые и теоретически предсказанные для лазеров на основе квантовых ям, что приписано нуль-мерному характеру ограничения носителей в квантовых островках (1л,Оа)А5. При повышении температуры наблюдается резкое увеличение пороговой плотности тока, сопровождающееся коротковолновым сдвигом длины волны генерации. Температурные исследования интегральной интенсивности и времени спада ФЛ и сопоставление этих результатов с данными расчета энергетических уровней в квантовых точках (1п,Оа)Л5 позволяют заключить, что основной причиной резкого увеличения значений Лд, при повышенных температурах является термический выброс электронов из состояний квантовых точек.

а)

1*10*

1x10'

IxIO2

1*10'

О InAs КГ • InAs I3CKT

Т0 - 65 Ку

Т0 - 425 К.

О 50 100 150 200 250 300 Температура, К.

О 2 4 6 Я 10 12 Число рядоп КГ

Рис.2. Зависимость пороговой плотности тока J^:

а) от температуры для лазеров на основе одиночного массива КТ (О) и массива ВСКТ(О);

б) от числа рядов квантовых точек, образующих ВСКТ, для InAs (■ □) или Ino.5Gao.5As (в О). Температура наблюдения 77 (И в) и 277 К (□ О).

Во втором параграфе с помощью исследований вольт-емкостных характеристик барьеров Шоттки на энитаксиальных слоях GaAs п-тина, содержащих плоскость квантовых точек, изучена заселенность электронного уровня в кваигоDW4 точках (In.Ga)As. Показано, что из ан.лиза C-V характеристик можно получить основные параметры массива ICI': энергию локализации электронного уровня и поверхностную плотность IÍT. Результата анализа ^находятся в cow.tih с данными, полученными с помощью просвечивающей электронной микроскопии и оптических исследований. Обнаружено, что начиная с температур ~ 80+100 К наблюдается экспоненциальное уменьшение заселенности электронного уровня, что согласуется с началом резкого уменьшения интегральной интенсивности ФЛ и увеличения значений J(j, (см. §4.1) и подтверждает предположение о том, что основной причиной резкого увеличения пороговой плотности тока с к-миершурой п лазерах на основе КТ (In.Ga)As лиллск-я термический выброс элгктронон m основного состояния квантовых точек.

Пятая глава посвящена получению и свойствам массивов вертикально совмещенных квантовых точек 1пЛ8-СаЛ».

В нервом параграфе сформулированы основные недостатки одиночных массивов КГ для лазерных применений. Указана невозможность увеличения энергии локализации с помощью простого увеличения количества осажденного ма к-риала. Предложен и реализован метод, позволяющий управляемо изменять форму и размеры упруго-напряженных островков 1пЛз, выращиваемых в матрице ОаЛв. Метод основан на обнаруженном эффекте вертикального совмещения островков соседних радов, наблюдаемом при разделении нескольких рядов остропко» спейсерами, толщина которых не превышает характерную высоту островков. В результате вертикального совмещения происходит формирование квантовых точек нспирамидалыюй формы, обладающих увеличенным отношением высоты к основанию, что подтверждается данными, молученными с помощью просвечивающей электронной микроскопии (рис. 3,а). Формирование массииов вертикально совмещенных квантовых точек объяснено влиянием неоднородных полей напряжения на поверхностный химический потенциал атомов 1п и Оа, и приводящих к локальной миграции атомов Ба, направленной от областей частично зарощенных пирамид 1пАя, а атомов 1п - в направлении пирамид 1пАя.

Во втором параграмм: рассмотрены электронные свойства массивов вертикально совмещенных квантовых точек 1пАб в матрице ОаАв^ОО). Результаты оптически исследований подобных структур указывают на существенные изменения' в энергетическом спектре носителей в квантовых островках 1пЛя в результате формирования массива вертикально совмещенных квантсаых точек, наблюдается увеличение силы осциллятора экситона, длинноволновый сдвиг и сужение линии люминесценции (рис. 3,6). Предложена (}>еиоменологическая модель, описывающая смещение полосы ФЛ. Модель основана на предположении, что различные части ВСКТ являются электронно связанными в направлении, перпендикулярном плоскости подложки, что приводит к увеличению энергии локализации основного состояния. Интенсивная люминесценция из структур на основе ВСКТ и большая энергия локализации подразумевают возможность использования массивов ВСКТ в качестве активной области светоизлучающих приборов.

В третьем параграфе приведены результаты исследований иижекционных лазеров с активной областью на основе массивов вертикально совмещенных

а)

1.10 1.15 1.20 1.25 1.30 1.35 1.40 Энергия «¡«тона, э»

Рне.З. а) ПЭМ изображение высокого разрешения, поперечное сечение, взятое вдоль направления [001] для ВСКТ, полученного трехкратным осаждением InAs (5А), разделенного спейсерами GaAs (15А);

б) спектры фотолюминесценции (77 К) массива ВСКТ, полученного одно-, двух-и трехкратным осаждением InAs (5А), разделенного спейсерами GaAs (25А).

квантовых точек InAs-GaAs. Впервые показано, что использование массива ВС1СГ в качестве активной области инжекционного лазера позволяет как реализовать лазерную генерацию через основное состояние квантовых точек вплоть до комнатной температуры, так и существенно увеличить диапазон температурной стабильности пороговой плотности тока (рис. 2,а). В диапазоне 80+180 К зависимость пороговой плотности тока от температуры описывается значением характеристической температуры То 430 К. Пороговая плотность тока составила менее 20 А/см2 при 80 К и около 100 А/см2 при комнатой температуре (рис. 2,6). Показано, что улучшение приборных характеристик инжекционного лазера на основе ВСКТ по сравнению с использованием одиночного массива квантовых точек InAs обусловлено большим фактором оптического ограничения, а также увеличением энергии локализации носителей, достигаемыми в структурах на основе ВСКТ.

В четвертом параграфе рассмотрено влияние высокотемпературного отжига па оптические свойства массивов вертикально совмещенных квантовых точек InAs в матрице GaAs, а также влияние температуры осаждения

б)

1000

Ашггелыкмлъ шжига

77 К

• Т.„1=600°С

Л

1

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Энергия фотона, эВ

50 . 100 150 200 250 300 350

. Температура, К

1'ис.4. а) Спектры фотолюминесценции (300 К) структуры, содержащей массив

ВС1СГ, после отжига при 700°С различной длительности;

(б) зависимость пороговой плотности тока от температуры для лазерных

структур, верхние эмиттеры которых выращены при 600°С (•) и 700°С (О).

Стрелками показана критическая температура, отвечающая началу быстрого

увеличения^.

эмиттерных слоев на приборные характеристики иажекциониого лазера с активной областью на основе массива квантовых точек. Обнаружено, что в структурах, подвергнутых отжигу, а также в инжекционном лазере в случае осаждения верхнего эмиттера при 700"С наблюдается сильный коротковолновый сдвиг максимума фотолюминесценции (рис. 4,а) и линии лазерной генерации, соответственно. Подобное поведение объяснено уменьшением энергии локализации носителей в квантоных точках в результате частичного перемешивания атомов 1л и Оа. Осаждение верхнего эмитгерного слоя при 700°С приводит к уменьшению температуры начала быстрого уж шчепия пороговой плошости тока (рис. 4,6) вследствие уменьшения энергетического расстоянии между основным состоянием квантовых точек и состояниями п смачивающем слое и барьере. Улучшение качества слое» ОаЛх, выращенных при низкой температуре, и слоев, содержащих Л1, в результате имеоко-(смнерадурного шжши приводит к увеличению интенсивности ФЛ (рис. 4,а), а н инжекционном лазере - к уменьшению порт опой ило'шости ижа при комчипшЧ

температуре (рис. 4,6), тогда как в области низких температур наблюдения его

влияние на приборные характеристики незначительно.

Заключение.

В заключении сформулированы основные результаты проведенных исследований.

1. Формирование глубоких донорпых уровней (ОХ^иситрон) в Л10аЛя:Я1 при увеличении мольной доли Л1Лб приводит к тому, что максимальная плотность электронов в канале МЛГС ОаЛв/'ЛЮаЛз достигается при составах барьера, меньших чем х®0.43 (отвечающих максимальному разрыву зоны проводимости на гетерограниие) и соответствующих значениям хда0.3+0.35. Влияние ПХ-нентров на характеристики МЛГС на основе АЮаАв/ОаАя может быть снижено уменьшением содержания Л1 в барьере. С учетом наблюдаемого при этом падения плотности носителей в канале оптимальный состав барьера оценен равным х«0.25-0.27. Полевые транзисторы, созданные на основе оптимизированной конструкции МЛГС, при длине затвора 0.3 мкм обладают на частоте 12 ГГц минимальным коэффициентом шума 0.8 дБ при сопутствующем коэффициенте усиления 11 дБ.

2. Обнаружено, что абсолютная величина критического рассогласования для слоев 1пОа(А1)Лк, выращенных на подложках 1пР с напряжением растяжения, превышает соответствующую величину для случая сжатия, что объясняется различием коэффициентов термического расширения энитаксиалыгого слоя и подложки. Критическое рассогласование для эиитаксиальных слоев 1пОа(Л1)Ач толщиной ~ 1 мкм не описывается с достаточной точностью ни моделью механического равновесия, ни моделью баланса энергии.

3. Диапазон рассогласования, необходимый для получения высоких значений подвижности носителей и эффективности излучательной рекомбинации в слоях 1пОа(А1)А8, выращенных на подложках 1пР, существенно уже диа азона пеевдоморфного роста. Наибольшие подвижности и наименьшие ширины пика фотолюминесценции достигаются в слоях, согласованных по параметру решетки с подложкой, а также в слоях, слабо обогащенных по галлию. Напряжение рассогласования модифицирует зонную структуру и приводит к более слабой зависимости ширины запрещенной зоны от состава по сравнению с ожидаемой для ненапряженных слоев.

4. Оптимальная температура роста, соответствующая наибольшей холловской подвижности электронов при 300 К в модулнровано-легированных гетеро-структурах 1лОаЛ.ч/1пЛ1Л5/1пР, составляет приблизительно 540°С. Оптими-

зация температуры роста позволяет достичь высоких подвижностей (~ 10000 см^/В*с при концентрации двумерных электронов более 2*10^ см"^) в приборных структурах без изменений условий осаждения в процессе выращивания. Увеличение подвижности электронов с повышением температуры осаждеиия связано с улучшением качества InAIAs. Оптимальная температура роста транзисторных структур, соответствующая наибольшей подвижнЬсги, измеренной при комнатной температуре, хорошо согласуется с температурой начала интенсивной десорбции In во время роста InGaAs. Снижение подвижности при дальнейшем увеличении температуры роста обусловлено уменьшением содержания In в канале. -

5. Двустороннее легирование канала в модулироваио-легировапных гетеро-структурах InGaAs/InAlAs приводит к возникновению в спектре <|юто-люминесцснции повой линии, обусловленной рекомбинацией электронов двумерного канала со свободными неравновесными дырками.

6. С иомощыо оптических и вольт-емкостных методов показано, что основной причиной резкого увеличения пороговой плотности тока в лазерах с активной областью на основе массивов квантовых точек (In,Ga)As является термический выброс электронов из основного состоянии квантовых точек в состояния смачивающего слоя и барьера GaAs.

7. Обнаружен эффект вертикального совмещения островков InAs соседних рядоп, наблюдаемый при разделении нескольких рядов островков снейссрами GaAs, толщина которых близка к характерной высоте островков. В результате вертикального совмещения происходит формирование кванпыых точек нснирамидалмшй формы, обладающих увеличенным отношением высот-ы к основанию.

8. Энергетический спектр носителей в квантовых островках InAs претерпевает значительные изменения в результате формирования массива вертикально совмещенных квантовых точек. Различные части ВС ЮГ являются электронно связанными в направлении, перпендикулярном плоскости подложки. 1 1рсдложснн феноменологическая модель, описывающая смещение полосы ФЛ с увеличением числа циклов осаждения. Оно является результатом изменения энергии основного состояния вследствие взаимодействия между носителями, локализованными в туннслыш-связаинмх точках.

9. Использование массива вертикально совмещенных квантовых точек в качестве активной облает инжекниошюк» лаюра позволяет значительно улучши и> приборные характерной«» но сравнению с испо.и. юнаннсм

одиночного массива квантовых точек: уменьшить пороговую плотность тока и расширить диапазон ее температурной стабильности. Достигнута характеристическая температура То_430 К в диапазоне до 180 К. Наименьшая

достигнутая пороговая плотность тока составила менее 20 А/см при 77 К и 100 2

А/см при комнатной температуре.

10. В иижекционном лазере с активной областью па основе массивов вертикально совмещенных квантовых точек в случае осаждения верхнего эмиттера при 700°С наблюдается сильный, коротковолновый един г линии лазерной генерации и уменьшение температуры начала быстрого увеличения пороговой плотности тока. Это обусловлено уменьшением энергии локализации носителей в квантовых точках в результате частичного перемешивания атомов In и Ga. Улучшение качества слоев GaAs, выращенных при низкой температуре и непосредственно примыкающих к области квантовых точек, в результате высокотемпературного отжига приводит к уменьшению значений пороговой плотности тока при комнатной температуре.

Основные результаты диссертации отражены в следующих публикациях:

1. А.Ю.Егоров, А.Е.Жуков, П.С.Копьев, Н.Н.Леденцов, М.В.Максимов, В.М.Устинов. Влияние условий осаждения на процесс формирования квантовых кластеров (In,Ga)As в матрице GaAs, ФТП, т.28, вып.8, стр. 1439-1444 (1994).

2. Н.Н.Леденцов, В.М.Устинов, А.Ю.Егоров, А.Е.Жуков, М.В.Максимов, И.Г.Табатадзе, П.С.Копьев. Оптические свойства гетероструктур с квантовыми кластерами InGaAs-GaAs, ФТП, т.28, вып.8, стр. 1483-1487 (1994).

3. В.М.Устинов, А.Ю.Егоров, А.Е.Жуков, П.С.Копьев, В.А.Красник, Н.А.Малеев, Модулироваио-легированные гетероструктуры для малошумящих СВЧ-транзистопов, созданные методом молекулярно-пучко'вой эпитаксии, Микроэлектроника, т.23, вып.4, стр.13-18 (1994).

4. A.Yu.Egorov, A.E.Zhukov, P.S.Kop'ev, N.N.Ledentsov, M.V.Maksimov, and V.M.Ustinov. The influence of growth conditions on the formation of (In.Ga)As quantum dots in GaAs matrix, Workbook of 8-th International Conference on MBE, Aug. 29 - Sept. 2,1994, Osaka, Japan, pp.385-386.

5. А.Ю.Егоров, А.Е.Жуков, П.С.Копьев, Н.Н.Леденцов, М.В.Максимов, В.М.Устинов. Выращивание квантово-размерных гетероструктур (In,Ga)As/ GaAs методом осаждения "субмонослойных" напряженных слоев InAs", Ф'1ТТ, т.28, вып.4, стр. 604-610 (1994).

6. N.N.Ledentsov, P.D.Wang, C.M.Sotomayor-Torres, A.Yu.Egorov, M.V.Mak-simov, V.M.Ustinov, A.E.Zhukov and P.S.Kop'ev., Optical spectroscopic studies of InAs layer transfonmtion on GaAs surfaces, Phys. Rev. B, v.50, No 16, pp.12171-12174(1994).

' 7. M.Grundmann, J.Christen, N.N.Ledentsov, J.Bohrer, D.Bimberg, S.S.Ruvimov, P.Wemer, U.Richter, U.Gosele, J.Heydenreich, V.M.Ustinov, A.Yu.Egorov, A.E.Zhukov, P.S.Kop'ev and Zh.LAlferov. Ultranarrow luminescence lines from single quantum dots, Phys. Rev. Lett., v.74, No 20, pp.4043-4046 (1995).

8. M.Grundmann, N.N.Ledentsov, R.Heitz, L.Eckey, J.Christen, J.Bohrer, D.Bimberg, S.S.Ruvimov, P.Werner, U.Richter, J.Heydenreich, V.M.Ustinov, A.Yu.Egorov, A.E.Zhukov, P.S.Kop'ev and Zh.I.Alferov, InAs/GaAs quantum dots radiative recombinations from zero-dimensional states, Phys. Stat. Solidi. (b), v. 188, pp.249-258 (1995).

9. V.M.Ustinov, A.Yu.Egorov, A.E.Zhukov, N.N.Ledentsov, A.V.Lunev, S.V.Zaitsev, N.Yu.Gordeev, M.P.Soshnokov. and P.S.Kop'ev, Single-mode operation of injection lasers based on (In,Ga)As quantum dots, Proc. VDI European Workshop on MBE, 22-24 March 1995, Sierra Nevada, Granada, Spain, pp.149-150.

10. В.М.Устииов, А.Ю.Егоров, А.Е.Жуков, Н.Н.Фалеев, А.Ф.Цацульников, ИС.Копьев. Влияние температуры роста на подвижность электронов в транзисторных структурах InAlAs/InGaAs, выращенных на подложках InP методом молекулярно-пучковой эпитаксни, ФТП, т.29, вып.8, стр.1442-1447 (1995).

11. Ж.И.Алферов, Д.Бимберг, А.Ю.Егоров, А.Е.Жуков, И.С.Копьев, Н.II. Леденцов, С.С.Рувимов, В.М.Устинов, И.Хейденрайх, Напряженные субмонослойные гетероструктуры и гетероструктуры с квантовыми точками, Успехи физических наук, т. 165, вып. 2, стр. 224-225 (1995).

12. D.Bimberg, N.N.Ledentsov, N.Kirstaedter, O.Schmidt, M.Grundmann, V.M.Ustinov, A.Yu.Egorov, A.E.Zhukov, M.V.Maximov, P.S.Kop'ev, Zh.LAlferov, S.S.Ruvimov, U.Gosele and J.Heydenreich. InAs-GaAs quantum dot lasers: in situ growth, radiative lifetimes and polarization properties, Proc. International Conference on Solid State Devices and Materials, Aug.21-24, Osaka, Japan, 1995, pp.716-718.

13. S.V.Zaitsev, V.M.Ustinov, A.Yu.Egorov, A.E.Zhukov, N.N.Ledentsov, A.V.Lunev, N.Yu.Gordeev, M.P.Soshnikov. and P.S.Kop'ev. Pecularities of recombination processes in injection lasers based on (In,Ga)As quantum dots, Proc. Sl'lH, v.2648, pp.288-294 (1995).

14. D.Bimberg, N.N.Ledentsov, M.Grundmann, N.Kirstaedter, O.Schmidt, R.Heitz, J.Bohrer, V.M.Ustinov, A.Yu.Egorov, A.E.Zhukov, P.S.Kop'ev, Zh.LAlferov, S.S.Ruvimov, P.Werner, U.Gosele. and J.Heydenreich. Semiconductor quantum dots: the InAs/GaAs case, International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology", St.Petersburg, Russia, Jun 26-30, 1995, Abstracts, pp.I67-172.

15. V.M.Ustinov, A.Yu.Egorov, A.E.Zhukov, N.N.Ledentsov, M.V.Maksimov, A.F.Tsatsul'nikov, N.A.Bert, A.O.Kosogov, P.S.Kop'ev, D.Bimberg and Zh.LAlferov, Formation of stacked self-assembled InAs quantum dots in GaAs matrix for laser applications, Proc. Materia) Research Society 1995 Fall Meeting, Nov.27-Dec.0L 1995, Boston, USA, EE3.6.

16. N.N.Ledentsov, M.Grundmann, N.Kirstaedter, O.Schmidt, R.IIcitz, J.Bohrer, D.Bimberg, V.M.Ustinov, V.A.Shchukin, A.Yu.Egorov, A.E.Zhukov, S.V.Zaitsev, P.S.Kop'ev, Zh.LAlferov, S.S.Ruvimov, P.Werner, U.Gosele and LHeidenreich. Ordered arrays of quantum dots: .Formation, electronic spectra, and relaxation phenomena, Workbook of 7th International Conference on Modulated Semiconductor Structures, July 10-14,1995, Madrid; Spain, pp. 217-220.

17. S.V.Zaitsev, N.Yu.Gordeev, M.P.Soshnikov, V.M.Ustinov, A.Yu.Egorov, A.E.Zhukov, N.N.Ledentsov, LN.Kochnev, V.P.Komin and P.S.Kop'ev, Room temperature quantum dots injection lasers: electroluminescent characteristics, Proc. SPIE, v.2693,p.80(1996).

18. RJHeitz, M.Grundmann, N.N.Ledentsov, L.Eckey, M.Veit, D.Bimberg, V.M.Ustinov, A.Yu.Egorov, A.E.Zhukov, P.S.Kop'ev. and Zh.LAlferov. Multiphonon-relaxation proceses in self-organized quantum dots, Appl. Phys. Lett., v.68, No.5 ,pp.361-363 (1996).

19. А.Е.Жуков, АЛО.Егоров, Н.Н.Леденцов, М.В.Максимоп, В.М.Устинов,

A.Ф.Цацулышков, Н.А.Берт, П.С.Копьев, Ж.И.Алферов. Формирование вертикально совмещенных массивов напряженных квантовых точек I- As в матрице GaAs(lOO), Материалы 2-й Всероссийской конференции по физике полупроводников, 26 февраля - I марта, 1996, Зеленогорск, тезисы докладов, т.1, стр. 44.

20. А.Ф.Цацульников, АЛО.Егоров, А.Е.Жуков, Н.Н.Леденцов, М.В.Максимов,

B.М.Устинов, В.В.Комин, И.В.Кочнев, А.О.Косогов, П.С.Копьев, Ж.И.Алферов. Идентификация каналов излучательной рекомбинации в структурах с квантовыми точками, Материалы 2-Й Всероссийской конференции по физике полупроводников, 26 февраля - 1 марта, 1996, Зеленогорск, тезис»* докладов, т.1, стр. 56.

21. П.Н.Ьрунков, С.Г.Кошшков, В.М.Установ, А.Е.Жуков, Л.Ю.Егоров, М.В.Максимов, Н.Н.Леденцов, П.С.Копьсв, Емкостная спектроскопия электронных уровней в квантовых точках InAs в матрице GaAs, Материалы 2-й Всероссийской конференции по физике полупроводников, 26 февраля - 1 марта, 1996, Зеленогорск, тезисы докладов, т.1, стр. 81.

22. М.В.Максимов, А.Ю.Егоров, А.Е.Жуков, Н.Н.Леденцов, В.М.Устинов, А.Ф.Цацулышков, А.О.Косогов, П.С.Копьев, Ж.И.Алферов. Фотолюминесценция вертикально совмещенных массивов напряженных квантовых точек InAs в матрице GaAs(lOO), Материалы 2-й Всероссийской конференции по физике полупроводников, 26 февраля - 1 марта, 1996, Зеленогорск, тезисы докладов, т.1, стр. 101.

23. В.М.Устинов, А.Ю.Егоров, А.Е.Жуков, М.В.Максимов, Н.Н.Фалеев, А.Ф.Цацулышков, Влияние параметров роста па транспортные и оптические свойства транзисторных структур InAlAs/InGaAs, выращенных на подложках InP методом молекулярно-пучковой эпитаксии. Материалы 2-й Всероссийской конференции по физике полупроводников, 26 февраля - 1 марта, 1996, Зеленогорск, тезисы докладов, т.П, стр. 189.

Нитрованная ли тература:

1*. H.Sakaki, Physical limits of heterostructure FETs and possibility of novel quantum field-effect devices, ШЕЕ J. Quantum. Electron., v. QIi-22, No.9, pp. 1845-1853(1986).

2*. P.Blood, Hetcrostructures in semiconductor lasers, in "Physics and technology of heterostructure devices", ed. D.V.Morgan and R.H. Williams, Peter Perigrinus, 1991, Chapter 7, pp.231-282.

3*. Y.Arakawa and H.Sakaki, Multidimensional quantum well laser and temperature dependence of its threshold current, Appl. Phys. 1x5«., v.40, No.ll, pp.939-941 (1982).

Отпеча rano в типографии Г1ИЯФ

ЧакТ|67, тtip. 100, уч.-изд. л. 1; I5/III-1996 г. liecuiiaiMO