Люминесцентная спектроскопия электронных и примесных состояний в эпитаксиальных слоях и наногетероструктурах на основе полупроводников AIIIBV и их твердых растворов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН

(Фрязинский филиал)

ЛЮМИНЕСЦЕНТНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ И ПРИМЕСНЫХ СОСТОЯНИЙ В ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СЛОЯХ И НАНОГЕТЕРОСТРУКТУРАХ НА ОСНОВЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВ АШВУ И ИХ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ

05201351337

На правах рукописи

Яременко Наталья Георгиевна

01.04.10 Физика полупроводников

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Фрязино - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Используемые сокращения............................................................ 7

ВВЕДЕНИЕ............................................................................... 8

Глава 1. ОБЗОР РАБОТ В ОБЛАСТИ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ГЕТЕРОСТРУКТУР НА ОСНОВЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВ АШВУ........................................... 39

1.1 Фотолюминесцентная спектроскопия структур с квантовыми ямами

различной конфигурации........................................................ 39

1.1.1. Модулированно-легированные структуры............................. 39

1.1.2. Двойные туннельно-связанные квантовые ямы..................... 46

1.1.3. Экситонная люминесценция при сильном оптическом возбуждении................................................................ 51

1.1.4. Фотолюминесцентные исследования эффективности захвата неравновесных носителей в квантовую яму......................... 56

1.2. Влияние условий выращивания на амфотерное поведение примеси кремния в Б\- легированном эпитаксиальном ваАв........................ 60

1.3. Влияние неидеальности гетерограниц, примесных и композиционных неоднородностей на люминесцентные свойства гетероструктур....... 65

1.3.1. Несоответствие параметров решеток слоев.......................... 65

1.3.2. Флуктуации концентрации примеси................................... 70

1.3.3. Флуктуации ширины ямы и состава твердого раствора

в квантовых структурах................................................... 79

1.4. Выводы к главе 1. Постановка задачи........................................... 81

Глава 2. ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ 81-ЛЕГИРОВАННОГО ЭПИТАКСИАЛЬНОГО ОаАБ, ВЫРАЩЕННОГО ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ДАВЛЕНИЯХ МЫШЬЯКА И ГАЛЛИЯ................86

2.1. Методика измерения спектров фотолюминесценции....................... 87

2.2. Технологические параметры исследованных образцов. Экспериментальные спектры ФЛ.............................................. 89

2.3. Влияние амфотерного поведения кремния на формирование краевой полосы ФЛ слоев п-ОаАБ........................................................ 95

2.3.1. Расчет спектров краевой ФЛ для ВТ-рекомбинации............... 96

2.3.2. Анализ краевой полосы. Определение концентрации

электронов и степени компенсации.................................... 98

2.4. Нестехиометрические дефекты в 8ьлегированных эпитаксиальных

слоях ОаАБ.......................................................................... 101

2.4.1. Дефекты, вызванные избыточным давлением галлия.............. 106

2.4.2. Дефекты, вызванные избыточным давлением мышьяка........... 108

2.5. Выводы к главе 2................................................................... 110

Глава 3. ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНТНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ ДВУМЕРНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ СОСТОЯНИЙ В МОДУЛИРОВАННО-ЛЕГИРОВАННЫХ СТРУКТУРАХ n-AlGaAs/GaAs С КВАНТОВЫМИ ЯМАМИ.............................................. 112

3.1. Модель расчета уровней энергии и волновых функций двумерных носителей тока в модулированно-легированных структурах n-AlGaAs/GaAs методом возмущений......................................... 113

3.1.1. Энергии и волновые функции двумерных носителей тока в «невозмущенной» системе - нелегированной структуре.......... 115

3.1.2. Расчет профиля электростатического потенциала в двусторонне легированной МЛС с симметричной квантовой ямой.............. 117

3.1.3. Расчет зонного профиля в односторонне легированной МЛС... 122

3.1.4. Решение уравнения Шредингера методом возмущений............125

3.2. Спектры ФЛ двусторонне легированных структур n-AlGaAs/GaAs с симметричными квантовыми ямами. Влияние степени легирования на спектральные характеристики................................................... 127

3.3. Спектры ФЛ односторонне легированных структур n-AlGaAs/GaAs со сверхрешеткой в качестве нелегированного барьерного слоя............ 143

3.3.1. Анализ спектральных характеристик ФЛ в зависимости от ширины квантовой ямы (6,5 - 22,5 нм) и температуры....................... 143

3.3.2. Резонансный захват фотовозбужденных дырок в квантовую

яму МЛС n-AlGaAs/GaAs............................................. 156

3.4. Выводы к главе 3................................................................... 161

Глава 4. ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ НЕЛЕГИРОВАННЫХ СТРУКТУР АЮаАзАЗаАз/АЮаАз С ОДИНОЧНЫМИ И ДВОЙНЫМИ СВЯЗАННЫМИ КВАНТОВЫМИ ЯМАМИ........................... 163

4.1. Фотолюминесцентная спектроскопия двумерных состояний в двойных связанных квантовых ямах АЮаАзЛЗаАз/АЮаАБ с тонким разделяющим А1 Аз-слоем....................................................... 163

4.1.1. Расчет уровней энергии в двойных туннельно-связанных квантовых ямах AlGaAs/GaAs/AlGaAs с разделяющим AlAs-слоем.................................................................. 166

4.1.2. Анализ экспериментальных спектров ФЛ.............................172

4.2. Экситон-экситонное взаимодействие в квантовых ямах

AlGaAs/GaAs/AlGaAs при интенсивном оптическом возбуждении.... 180

4.2.1. Спектры экситонной ФЛ в зависимости от ширины квантовых

ям и плотности оптического возбуждения........................ 181

4.2.2. Обсуждение экспериментальных результатов. Выводы............ 188

Глава 5. ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕФЕКТОВ В ГЕТЕРОСТРУКТУРАХ I^Ga^As^P/InP НА ДЛИНУ ВОЛНЫ Х= 1,55 МКМ..................................................................... 192

5.1. Влияние несоответствия параметров решеток эпитаксиальных слоев

на люминесцентные свойства гетероструктур InxGa ] .хAs i _yPy/InP...... 193

5.1.1. Фотолюминесцентные характеристики структур

с различным Н11Р слоев................................................... 195

5.1.2. Влияние НИР слоев на эффективность электролюминесценции 197

5.2. Катодолюминесцентные исследования дефектов в эпитаксиальных слоях структур InxGai_xAsi_yPy/InP......................................... 203

5.2.1. Дислокации несоответствия............................................. 203

5.2.2. Неоднородность в распределении компонентов

твердого раствора......................................................... 209

5.2.3. Дефекты, связанные с несовершенством подложки InP........... 213

5.3. Выводы к главе 5................................................................... 218

Глава 6. ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТОРЦЕВЫХ СВЕТОДИОДОВ НА ОСНОВЕ ГЕТЕРОСТРУКТУР InGaAsP/InP.......................................221

6.1. Технологические параметры двойных гетероструктур InGaAsP/InP.... 222

6.1.1. Структуры на длину волны >.=1,3 мкм.............................. 222

6.1.2. Структуры на длину волны Х=\,55 мкм.............................. 223

6.2. Методики измерения основных светодиодных характеристик........... 229

6.3. InGaAsP/InP-светодиоды планарного типа.................................... 232

6.3.1. Известные способы повышения оптической эффективности планарных светодиодов.................................................. 232

6.3.2. Характеристики планарных светодиодов «меза»-конструкции.. 235

6.4. Влияние «многопроходности» на эффективность вывода излучения торцевых МЗаАБРЛпР-светодиодов........................................... 238

6.4.1. Измерение коэффициента внутреннего отражения

от контактов................................................................. 239

6.4.2. Зависимость внешнего квантового выхода от внутренней эффективности структуры при торцевом выводе излучения..... 243

6.4.3. Способ повышения яркости излучения торцевых ШЗаАзРЛпР- светодиодов................................................ 248

6.5. Излучательные характеристики «длинных» торцевых 1пОаА8Р/1пР-светодиодов........................................................ 253

6.5.1. Квантовый выход, яркость............................................... 253

6.5.2. Диаграмма направленности.............................................. 259

6.5.3. Ватт-амперные характеристики......................................... 263

6.5.4 Применение «длинных» торцевых светодиодов для измерения

потерь в многомодовом волокне....................................... 268

6.6. Выводы к главе 6................................................................... 271

Глава 7. МЕХАНИЗМЫ МЕЖЗОННОЙ РЕКОМБИНАЦИИ В СИЛЬНО

ЛЕГИРОВАННОМ ЭПИТАКСИАЛЬНОМ 1пОаАзР................ 273

7.1. Экспериментальные спектры краевой ФЛ слоев InxGai.xAsi.yPy......... 274

7.2. Обсуждение механизмов рекомбинации.......................................279

7.3. Расчет спектров краевой люминесценции в IrixGai.xAsi.yPy и сопоставление с экспериментом................................................280

7.3.1. ВТ-механизм рекомбинации.............................................282

7.3.2. ТВ-механизм рекомбинации.............................................284

7.4. Выводы к главе 7................................................................... 291

Глава 8. ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНТНАЯ ДИАГНОСТИКА

ПСЕВДОМОРФНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР МтаАз/ОаАз С КВАНТОВЫМИ ЯМАМИ.............................................. 293

8.1. Температурные исследования ФЛ нелегированных структур

1пуСа1.уА8/ОаА8 с одиночными квантовыми ямами........................ 294

8.1.1. Определение ширины запрещенной зоны 1пуОа1_уАз

в зависимости от температуры и содержания индия............... 294

8.1.2. Зависимости интенсивности ФЛ от температуры и

плотности оптического возбуждения.................................. 308

8.2. Фотолюминесцентные исследования однородности твердого раствора

и качества границ раздела структур ¡п^а^Ав/СаАз...................... 317

8.2.1. Расчет уширения экситонной линии, вызванного разупорядочением твердого раствора и гетерограниц..............318

8.2.2. Анализ экспериментальных спектров низкотемпературной ФЛ. 323

8.3. Спектроскопия двумерных электронных состояний в модулированно-легированных псевдоморфных транзисторных структурах (РНЕМТ).. 328

8.3.1. Спектры ФЛ структур с различным зонным профилем............328

8.3.2. Определение слоевой концентрации электронов

в квантовой яме.............................................................337

8.4. Выводы к главе 8.................................................................. 347

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................... 349

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

364

ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ СОКРАЩЕНИЯ ФЛ- фотолюминесценция;

ФЛ-спектроскопия - фотолюминесцентная спектроскопия;

ЭЛ - электролюминесценция;

КЛ - катодолюминесценция;

МКЛ - микрокатодолюминесценция;

МЛЭ - молекулярно-лучевая эпитаксия;

ГС - гетероструктура;

ДГС - двойная гетероструктура;

ВОЛС - волоконно-оптическая линия связи;

МЛС - модулированно-легированная структура;

CP - сверхрешетка;

КЯ — квантовая яма

ДКЯ - двойные квантовые ямы;

ОКЯ - одиночная квантовая яма;

ЭДП - электронно-дырочная плазма;

НЕМТ - High Electron Mobility Transistor;

PHEMT - Pseudomorphic High Electron Mobility Transistor

HHP - несоответствие параметров решеток;

KTP - коэффициент термического расширения;

СЛП - сильно легированные полупроводники;

ВВ - переход «зона - зона»;

ВТ — переход «зона - хвост»;

ТВ - переход «хвост - зона»;

ВАХ - вольт-амперная характеристика;

ВтАХ- ватт-амперная характеристика.

ВВЕДЕНИЕ

Прогресс в современной электронике тесно связан с созданием полупроводниковых гетероструктур, среди которых одно из важнейших мест занимают структуры на основе полупроводников АШВУ и их твердых растворов [1, 2]. Объединение в одном монокристалле различных по химическому составу полупроводниковых материалов кардинально изменяет его свойства. Появляется возможность управлять фундаментальными свойствами кристалла, целенаправленно изменяя параметры слоев, входящих в гетероструктуру: состав твердого раствора, толщину и последовательность слоев, профиль легирования и др.

Основные теоретические и экспериментальные работы по физике гетероструктур, обеспечившие нашей стране одно из ведущих мест в этой области, выполнены в Ленинградском Физико-техническом Институте под руководством Ж.И. Алферова. За несколько десятилетий, прошедших со времени получения первых гетероструктур, область их применения охватила практически все сферы человеческой деятельности. Электронные устройства на основе гетероструктур используются в телекоммуникационных системах, в системах спутникового телевидения, в бытовой технике, в космических программах и т.д. Гетероструктурная концепция стала основным принципом создания новых полупроводниковых материалов для электроники [2].

Наиболее распространенный подход для получения совершенных гетероструктур предполагает подбор полупроводников с одинаковым типом и близкими параметрами кристаллических решеток. Такая структура представляет собой единый кристалл без напряжений и существенных скачков механических характеристик на гетерограницах. Классическим примером изопериодических структур является структура АЦва 1 ,хАб/ваАб, широко применяемая в современной электронике. Близость ковалентных радиусов А1 и ва делает пару АЬ^Б-СаАБ практически идеальной для образования совершенной гетероструктуры А1хСа,.хАз/СаА8. Рассогласование параметров решеток ваАв и АЦОа^Аэ не превышает

0,15% при комнатной температуре, поэтому концентрация дефектов на гетерогранице пренебрежимо мала. С помощью структур АЦСа^АзАлаАз были блестяще продемонстрированы предсказанные теорией преимущества гетероперехода перед гомопереходом, кардинально улучшены параметры ряда полупроводниковых приборов и созданы новые, которые не могли быть созданы на гомопереходе: мощные инжекционные гетеро лазеры и светодиоды в ближней инфракрасной и красной областях, различного вида фотоприемники, модуляторы и др. [3-6].

Однако спектральный диапазон излучающих приборов на основе гетероструктур А1хОа1.хА8/ОаА8 ограничен пределами 0,6 - 0,9 мкм. Более широкие возможности управления физическими и технологическими параметрами оптоэлектронных структур дает использование четверных твердых растворов [7-9], обладающих двумя химическими степенями свободы, в отличие от тройных соединений, у которых только одна. В основе конструирования таких гетероструктур лежит принцип изопериодического замещения, т.е. замещение атомов с сохранением периодов решетки. Теоретическое обоснование этого принципа и его практическая реализация в целом ряде структур и приборов составляет основу тех работ, за которые присуждена Государственная премия 1985 г. группе ученых: Алферову Ж.И., Елисееву П.Г., Мильвидскому М.Г. и другим.

IrixGai.xAsi.yPy был первым четверным твердым раствором, при создании которого был успешно использован принцип изопериодического замещения. Существует широкий диапазон составов, при которых параметры решеток твердого раствора 1пСаАзР совпадают с параметрами решеток либо ваАз, либо 1пР. На основе гетероструктур 1пОаАзР/ОаАз, изопериодических с ОаАв, впервые в мире наши ученые сделали гетеролазеры в 1974 г. [10].

InxGai.xAsi.yPy, изорешеточный с 1пР, занимает особое место в ряду четверных твердых растворов, поскольку структуры InxGai.xAsi.yPy/InP являются удобным материалом для создания элементной базы для волоконных систем. Ширина запрещенной зоны четверного соединения

¡пваАзР, изопериодического с подложкой 1пР, может меняться в пределах Её = (0,75 -1,4) эВ, т.е. этот материал перекрывает диапазон длин волн, где кварцевое волокно имеет оптимальные характеристики.

Освоение технологии выращивания гетероструктур 1пОаАзР/1пР началось с составов на более короткие длины волн. В работах [11, 12] сообщается об эффективных светодиодах и гетеролазерах на длины волн 1,2-1,3 мкм. Были установлены некоторые несомненные преимущества гетеросистемы InxGai.xAsi.yPy/InP перед системой АЮаАзАЗаАз. Во-первых, в лазерах на основе InxGai.xAsi.yPy/InP отсутствует так называемая «катастрофическая» деградация, долгое время тормозившая применение лазеров из АЮаАзАЗаАз. Во-вторых, материал InxGai.xAsi.yPy обладает более высокой теплопроводностью, что очень упрощает проблему теплоотвода при конструировании приборов.

К началу 80-х годов стояла задача по созданию совершенных гетероструктур InxGai.xAsi.yPy/InP, излучающих на длине волны 1,55 мкм, где волокно имеет минимум поглощения и дисперсии. По мере продвижения в более длинноволновый диапазон возникали новые технологические проблемы. В частности, оказалось, что при большой разнице в ширинах зон слоев InxGai.xAsi.yPy и 1пР сложнее выполнить условие согласования параметров решеток. На решение этих проблем были нацелены проводимые в нашем Институте исследования, результаты которых частично приведены в данной диссертационной работе.

Преимуществом изопериодических структур является возможность выращивания совершенных слоев произвольной толщины, однако выполнение условий согласования ограничивает выбор материалов, составляющих гетероструктуру. Проблемы согласования снимаются в так называемых «псевдоморфных» структурах, которые включают слои, не согласованные по периоду решетки с прилегающими слоями и с подложкой. Такие структуры с напряженными решетками могут обладать высоким структурным совершенством, если толщина слоя не превышает

«критического» значения, при котором начинается генерация дислокаций несоответствия. При малых толщинах слоев напряжения несоответствия остаются чисто упругими и не приводят к пластической деформации решетки. Это позволяет создавать структуры, составленные из слоев с увеличенной разницей ширин запрещенной зоны, таких, как 1пуОа1. yAsM.lxGai.xAs и др.

Достижения в области молекулярно-лучевой и МОС-гидридной эпитаксии сделали реальным создание многослойных гетерокомпозиций, содержащих сверхтонкие квантово-размерные слои с качественными гетерограницами. Переход от трехмерного электронного газа к двумерному меняет многие электронные свойства структуры (волновые функции, спектр энергетических состояний, характер переноса носителей, процессы коллективного взаимодействия и др.) и дает дополнительные возможности управлять фундаментальными свойствами структуры. В частности, появилась возможность уйт