Оптические свойства гетероструктур InGaAsN на основе GaAs тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

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

На правах рукописи

КРЫЖАНОВСКАЯ Наталья Владимировна

ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГЕТЕРОСТРУКТУР ^ваЛвИ НА ОСНОВЕ

ваАв

(Специальность 01.04.10-физика полупроводников)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

I

Санкт-Петербург 2005

Работа выполнена в Физико-Техническом институте им. А.Ф.Иоффе Российской Академии наук.

Научный руководитель: кандидат физ.-мат. наук

А.Ф.Цанульников

Официальные оппоненты: доктор физ.-мат. наук

Д.А.Фирсов доктор физ.-мат. наук А.А.Гуткин

Ведущая организация: Санкт Петербургский

государственный электротехнический университет СП6ГЭТУ(ЛЭТИ)

Защита состоится ^^елюг^ 2005 г. в /З^час. на заседании диссертационного совета К002.205.02 при Физико-Техническом институте им. А.Ф.Иоффе РАН по адресу: 194021, Санкт-Петербург, ул.Политехническая, д.26, ФТИ им.А.Ф.Иоффе РАН.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Физико-Технического института им.А.Ф.Иоффе РАН.

Автореферат разослан /^2005г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат физ.-мат. наук 4 I Г.С.Куликов

200&-А г 252413

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Интерес к исследованию свойств четверных соединений InGaAsN вызван их физическими свойствами и возможностью создания эффективных излучателей на базе подложек GaAs, работающих в области длин волн 1.3-1.55 мкм, используемой в системах телекоммуникации. Уникальные физические свойства III-N-V соединений обусловлены химическими свойствами атомов азота: при добавлении только 1% азота в GaAs происходит уменьшение ширины запрещенной зоны твердого раствора на 180 мэВ. Дальнейшее добавление In в твердый раствор GaNAs приводит к компенсации сжатия решетки, вызванного азотом, и к еще большему уменьшению ширины запрещенной зоны [1]. Основными преимуществами использования в лазерах соединений InGaAsN, выращенных на подложках GaAs, по сравнению с распространенными в настоящее время InGaAsP/InP гетероструктурами считаются следующие: лучшая температурная стабильность характеристик лазеров, вследствие увеличения энергии локализации носителей в активной области; возможность создания поверхностно-излучающих лазеров с монолитными AlGaAs/GaAs брэгговскими зеркалами, более высокая теплопроводность слоев структур. Таким образом, переход к излучателям на основе InGaAsN твердого раствора на подложках GaAs может позволить реализовать неохлаждаемые полосковые лазеры с распределенной обратной связью, а также вертикально излучающие лазеры со стандартными брегговскими зеркалами на основе AlGaAs/GaAs для диапазона 1.3-1.6 мкм, используемого в волоконно-оптических линиях связи. Соединения InGaAsN также используются для создания солнечных элементов и биполярных транзисторов.

Несмотря на явный прогресс в создании приборных структур с соединениями InGaAsN в качестве активной области, до настоящего | времени существуют открытые вопросы в области фундаментальных

свойств используемого материала. На настоящий момент, основной проблемой при росте гетероструктур (In)GaAsN/GaAs остается падение интенсивности излучения при увеличении концентрации азота и индия в слоях. Также, особенностью роста как твердого раствора GaAsN, так и квантово-размерных структур InGaAsN является неоднородность состава твердого раствора. Одним из нерешенных вопросов является взаимное расположение краев зон в гетеропереходах GaAs/GaAsN и InGaAs/GaAsN. Таким образом, исследование свойств InGaAsN/GaAs гетероструктур имеет исключительно важное значение, с одной стороны, для новых аспектов полупроводниковой нанотехнологии и, с другой стороны, в связи с

■э РОС. НАЦИОНАЛЬНА* |

БИБЛИОТЕКА

фундаментальными работами в области физики полупроводников.

Основная цель данной работы - исследование оптических и структурных свойств гетероструктур ЫОаАзШЗаАв, излучающих в ближнем инфракрасном диапазоне и оптимизация структур с целью создания эффективных излучателей, в частности, лазеров диапазона 1.55 мкм.

Научная новизна работы:

1. Исследованы оптические свойства эпитаксиальных слоев СаАвЫ на подложке ваАБ. Показано, что при малых (~1-2 %) концентрациях азота в слоях ОаАвК и послойном характере эпитаксиального роста слоев может наблюдаться неоднородное встраивание азота и образование флуктуации потенциала.

2. Исследованы возможности намеренного создания центров локализации в структурах на основе СаАвЫ. Показано, что осаждение сверхтонких слоев GaAsN в ваАв матрицу приводит к формированию обогащенных по N областей, что позволяет получить излучение в области меньших энергий фотонов по сравнению с толстым слоем того же среднего состава.

3. Впервые продемонстрирована возможность получения излучения в области 1,55 мкм при комнатной температуре из массива 1пАз квантовых точек, с помощью использования гетероструктур ЬгАзЛпОаАв/ОаАзК и 1пА8ЯпОаАБЛпСаА8К

4. Предложен новый метод получения эффективного излучения в области длин волн 1,5 мкм в структурах с ЬпАз/МхаАвН активной областью, ограниченной с обеих сторон решеткой ОаАзМЛпваАзК Показано, что для получения излучения с длиной волны более 1,5 мкм в гетероструктурах предложенного типа требуется меньшая средняя концентрация азота и индия чем в квантовой яме ГпСаАзМЛЗаАБ, что позволяет существенно уменьшить эффекты, связанные с распадом твердого раствора МЗаАэМ, и значительно увеличить излучательную эффективность.

5. Экспериментальным путем впервые проведено изучение взаимного расположения краев энергетических зон в решетке на примере гетероструктур ОаАвЛЗаАвМ и МтаАв/СЗаАзК

Основные положения, выносимые на защиту:

1. В исследованном диапазоне концентраций азота (1-2%) в слоях GaAsN и двумерном характере эпитаксиального роста слоев наблюдается неоднородное встраивание азота в слой. Рекомбинация носителей происходит через локализованные состояния, вызванные флукгуациями состава твердого раствора.

2. Использование метода многократного осаждения сверхтонких слоев GaAsN и GaAs для получения гетероструктур GaAsN/GaAs позволяет значительно увеличить длину волны излучения по сравнению со слоем того же среднего состава, так как рекомбинационные процессы происходят в областях с повышенной концентрацией азота. Применение методики нитридизации для создания GaAsN слоев приводит к увеличению неоднородности встраивания атомов азота в GaAs.

3. Показана возможность сдвига максимума фотолюминесценции массива InAs квантовых точек в область длин волн ~1,5 мкм, с помощью гетероструктур InAs/InGaAs/GaAsN и InAs/InGaAs/InGaAsN.

4. Показана возможность реализации эффективной фотолюминесценции в области длин волн 1,5 мкм при комнатной температуре от гетероструктур с InGaAsNflnAs/InGaAsN активной областью, ограниченной с обеих сторон решеткой GaAsN/InGaAsN.

Апробаиия работы. Основные результаты диссертации докладывались на VI Российской конференции по физике полупроводников (Санкт Петербург, 2003), 10 Международном симпозиуме «Наноструктуры: Физика и Технология» (Санкт Петербург, 2002г), Международной конференции по молекулярно-пучковой эпитаксии (Сан Франциско, 2002г), Второй Всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия - структуры и приборы», (Санкт Петерург, 2003г), на VII Российской конференции по физике полупроводников (Звенигород, 2005г), а также на научных семинарах Физико-Технического Института им. А.Ф.Иоффе РАН и Института Физики Твердого Тела Технического Университета Берлина.

Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 19 печатных работах, в том числе 11 в научных статьях и 8 в материалах конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 105 страницах машинописного текста. Диссертация включает также 36 рисунков и список литературы из 99 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследования свойств четверных полупроводниковых соединений ЬЮаАвТ^, полученных методом молекулярно-пучковой эпитаксии на подложке ваАв, сформулирована цель диссертационной работы, изложены положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена обзору имеющейся литературы по тематике 1пОаАвК твердых растворов и квантоворазмерных гетероструктур. Первый раздел главы посвящен основным методам получения и особенностям роста слоев М^гАвМ Далее описывается зависимость изменения ширины запрещенной зоны твердого раствора ОаАэК от концентрации азота и основные теоретические модели, описывающие эту зависимость. Второй раздел также посвящен оптическим свойствам соединения (Ь^ваАвМ: основному механизму излучательной рекомбинации и температурным зависимостям ширины запрещенной зоны. Приведено обсуждение существующих дизайнов структур с (1п)ОаАзЫ/ОаА8 квантовыми ямами, позволяющими получить излучение на длине волны 1,5 мкм. В третьем разделе главы рассмотрены основные характеристики имеющихся лазеров на основе гетероструктур (1п)ОаАзК/ОаАБ. Отдельно расматриваются лазеры полосковой конструкции и вертикально излучающие лазеры.

Во второй главе приведено описание методики и установки роста полупроводниковых структур с помощью молекулярно-пучковой эпитаксии, использовавшейся для получения исследованных в работе гетероструктур. Также описаны методики и соответствующие установки, применявшиеся для изучения оптических и структурных свойств образцов: спектроскопия фотолюминесценции и возбуждения фотолюминесценции в широком диапазоне температур, просвечивающая электронная микроскопия, рентгеновская дифрактометрия.

В третьей главе приведены результаты исследований зависимости ширины запрещенной зоны твердого раствора (1п)ОаАзМ от состава по [Ы] и по [1п]. Нами было проведено моделирование изменения ширины запрещенной зоны упруго напряженного слоя СаЛвИ с помощью методики предложенной в [2], и основанной на модели антипересекающихся зон. Учет влияния напряжений в слое ваАзК на положение энергетических зон (дна зоны проводимости и потолка валентной зоны) проводился с помощью

модели, предложенной в [3]. Вычисления выполнялись в приближении линейной зависимости постоянных упругости и постоянной решетки от состава. Зависимость ширины запрещенной зоны слоев ОаАзЫ от состава по азоту, осажденных на подложку ваАв, полученная с помощью модели антипересекающихся зон с учетом когерентных напряжений в слое

Рис. 1. Зависимость ширины запрещенной зоны слоев ОаАвН осажденных на подложку ОаАэ, полученная с помощью модели антипересекающихся зон (сплошная линия). Также приведены экспериментальные значения, полученные из спектров поглощения (круги) и из положений максимумов фотолюминесценции (квадраты). В этом же разделе представлены результаты исследований оптических свойств эпитаксиальных слоев ОаАвК/ОаАз. Показано, что даже при малых (<1%) концентрациях азота в слоях может наблюдаться неоднородное встраивание азота и образование флуктуаций потенциала. Рекомбинация носителей при низкой температуре происходит через локализованные состояния носителей на флуктуациях состава твердого раствора. Для изучения природы излучения таких слоев были проведены исследования спектров ФЛ при различных температурах и плотностях возбуждающего света. Для определения ширины запрещенной зоны твердого раствора и энергии локализации были измерены спектры пропускания и возбуждения люминесценции. Мольная доля азота в эпитаксиальных слоя ваЛвИ определялись с помощью метода рентгеновской дифракции в азимуте [004] в приближении линейной зависимости постоянных упругости от состава. Полученные значения ширины запрещенной зоны хорошо согласуются с приведенной выше зависимостью (рис.1). В ходе проведенных

исследований, показано, что оптические свойства твердых растворов ОаАБМ/ОаАв при низких температурах определяются рекомбинацией носителей через локализованные состояния носителей, вызванных существенной неоднородностью состава твердого раствора. Увеличение концентрации азота (-2%) приводит к усилению неоднородности состава и увеличению энергии локализации носителей. При этом рекомбинация через локализованные состояния определяет оптические свойства структур вплоть до комнатной температуры.

Четвертая глава посвящена результатам исследований гетероструктур СаАвК/СаАв, полученных различными методами осаждения. Исследованы возможности намеренного создания центров локализации в структурах на основе ваАвК с помощью формирования сверхтонких слоев ваАвЫ в ваАв матрице. Как было продемонстрировано для случая ГпОаАзЛЗаАз системы, осаждение сверхтонких слоев 1пОаА$ в ваАв матрицу приводит к формированию обогащенных по 1п областей, что позволяет значительно сместить линию излучения в область меньших энергий фотонов по сравнению с 1пОаАз квантовыми ямами [4]. Как показывают результаты исследований, такой подход возможен для системы ОаАэК. В случае замены твердого раствора ОаАзЫ на сверхрешетку ОаАэМ/ОаАз с тем же средним составом в спектре излучения появляется дополнительная линия фотолюминесценции, максимум которой значительно смещен в область меньших энергий фотонов. Из сопоставления результатов оптических исследований с данными просвечивающей микроскопии следует, что дополнительная линия обусловлена излучением образовавшихся в тонких слоях GaAsN обогащенных по азоту областей. Спектры фотолюминесценции, полученные в разных точках образца после применения градиентного травления, свидетельствуют об увеличении размеров данных областей вдоль направления роста сверхрешетки.

Применение методики нитридизации поверханости ОаАз для создания GaAsN слоев приводит к усилению процесса формирования центров локализации, вызванных неоднородностью встраивания атомов азота в ваЛв.

В пятой главе приведены результаты исследований свойств трех типов гетероструктур излучающих в области 1,3-1,55 мкм (рис.2): ¡пОаАзЫ/ОаАэ квантовых ям (КЯ), структур с квантовыми точками 1пА5/1пОаАз(М) и многослойных структур с 1пА$ (толщиной 1 монослой) внедрениями в 1пОаА5Ы квантоворазмерный слой, ограниченный сверхрешеткой (СР) ОаАвШпСаАвК

вале

СаАя

(а)

"ПаАГ

1п-Са-А> ьа5

ОаАв

ОаАэ ОаАяЫ ГпОаАБ

ОаАвМ

■1пАв

ЬЮаАьМ/ОаАвМ СР ЬваЛьИ +1 МС 1пАя ГпСаАзШЗаАьЫ СР

(в)

Рие.2 Схематичное изображение последовательности слоев в структурах с СтаАзЛпОаАзН'ОаАз квантовыми ямами (а), структурах с кванювыми точками ЬАзЛлСаАз, осажденными в ОаАйЫ (б), структурах с квантовыми точками ЬгАяЯпОаАвЯпСаАвЫ (в) и многослойных структурах с 1пА5 внедрениями помещенных в ¡пСаАэЫ квантоворазмерный слой (г).

Первая часть главы посвящена исследованию свойств ОаАзЯпСаАяЫ/ОаАз квантовых ям (КЯ), в которых варьировалось содержание 1п и N в диапазонах 36-42% и 2,4-5%, соответственно. Использование Тпо^Сао^яАзо^^.оз/СаАз КЯ позволило получить излучение в области 1.55 мкм. Однако, согласно данным просвечивающей электронной микроскопии, КЯ 1по;збОао>б4Азо,97б^>о24, излучающая в области 1,3 мкм, имеет атомно-гладкие поверхности, а в случае осаждения КЯ 1п0>42^ао(58А5о.95^о,о5 происходит трансформация поверхности, переход к трехмерному режиму роста, появление множества дефектов и ухудшение структурного качества. Исследование спектров фотолюминесценции при различных температурах и плотностях накачки показали, что увеличение концентрации 1п и N в квантовой яме помимо длинноволнового сдвига излучения, приводит к усилению эффектов локализации носителей, увеличению полуширины спектра, падению интенсивности фотолюминесценции и деградации оптических свойств. Например, было показано, что с увеличением плотности накачки при низкой температуре происходит сдвиг максимума ФЛ в коротковолновую сторону, причем величина данного сдвига растет с увеличением концентрации 1п и N.

В качестве альтернативной возможности сдвига максимума фотолюминесценции в сторону больших длин волн, вплоть до 1,55 мкм, было предложено поместить 1пАб квантовые точки (КТ) [5] в ваАвК

матрицу (рис.2, б). Структуры с InAs КТ в матрице GaAs излучали при комнатной температуре в области 1,3 мкм. При увеличении концентрации азота в материале матрицы до 3% максимум фотолюминесценции КТ сдвигался до 1,55 мкм. Причиной этого сдвига является значительное уменьшение ширины запрещенной зоны матрицы. В тоже время, увеличение содержания азота в матрице приводило к уменьшению интенсивности ФЛ структуры вследствие образования дефектов в матрице и усиления роли безызлучательной рекомбинации. Поэтому был предложен второй цикл экспериментов, в котором добавление азота производилось не в материал матрицы, а в верхнюю часть тонкого InGaAs слоя, покрывающего КТ (рис.2, в).

Этот подход является более гибким, так как позволяет оперировать большим количеством параметров для варьирования длины волны излучения КТ: толщина и состав слоев InzGai_2As и InyGai.yAsi.xNx. Так, с увеличением толщины слоя Ino ísGao 85Aso 98бНш4 от 0 до 4 нм происходил сдвиг длины волны максимума ФЛ КТ от 1.3 мкм до 1.52 мкм. При этом, с увеличением длины волны излучения, происходило также и увеличение полуширины спектра ФЛ при низкой температуре, что свидетельствует об увеличении неоднородности массива квантовых точек по составу и размеру. Интенсивность ФЛ таких структур значительно ниже интенсивности ФЛ структуры, с КТ, покрытыми слоем InzGai_2As и излучающими в области 1.3 мкм. Как следует из изображений поверхности образцов, полученных с помощью просвечивающей электронной микроскопии, это связано с наличием напряжений в слое InGaAsN, приводящих к формированию протяженных дефектов в структуре. Необходимо отметить, что добавление азот-содержащего слоя не повлияло на размер и форму КТ. Это свидетельствует о том, что основной причиной длинноволнового сдвига максимума ФЛ является уменьшение ширины запрещенной зоны матрицы, окружающей InAs КТ.

В третьей части главы представлены результаты исследований свойств структур с активной областью состоящей из короткопериодной сверхрешетки GaAsN/InGaAsN, в центр которой помещен квантоворазмерный слой InGaAsN со вставкой InAs толщиной 1 монослой (МС).

Для определения типа гетеропереходов в используемой сверхрешетке GaAsN/InGaAsN, была проведена оценка взаимного расположения краев энергетических зон при температуре 10К в гетероструктурах GaAs/GaAsN и InxGai.xAs/GaAsi.yNy. На основании сопоставления спектров фотолюминесценции, измеренных экспериментально, с известными значениями параметров зонной диаграммы соединений (In,Ga)As, было показано, что гетеропереход

ОаАзЛЗаАзЫ является гетеропереходом I рода, а гетеропереход InxGai.xAsZGaAsi.yNy может быть переходом I или II рода в зависимости от х и у. Так, примером перехода I рода является гетероструктура -ОаАзЛЗаАво 98^ б^а^ збАзЮаАь с относительно большим содержанием индия. Для гетероструктуры ОаА8о 988^о12/1по240ао7бА8, с меньшим содержанием индия, полученные зависимости фотолюминесценции от накачки могут быть объяснены в предположении существования перехода II рода. Таким образом, исследованные гетероструктуры состоящие из короткопериодной сверхрешетки ОаАзИЛпОаАзМ, в центр которой помещен квантоворазмерный слой МЗаАвК со вставкой 1пАв толщиной 1 монослой содержат гетеропереходы I рода.

В работе обнаружено существенное отличие оптических и структурных свойств указанных гетероструктур от свойств обычных InGaAsN КЯ, рассмотренных в первом разделе главы. В частности, для них характерны большие значения интегральной интенсивности ФЛ; меньшие значения полуширин линии фотолюминесценции и стоксова сдвига между энергией максимума ФЛ и энергией максимума спектра возбуждения люминесценции, соответствующего основному состоянию квантовой ямы. Согласно данным просвечивающей электронной микроскопии интерфейсы традиционных квантовых ям, излучающих на длине волны 1,55 мкм, непланарны, в то время как исследованные квантоворазмерные слои 1пОаАзМ/1пАз/1пОаА81Ч, ограниченные сверхрешеткой ОаАвКЯтЮаАз!^, демонстрируют гораздо более гладкие поверхности. Это является следствием использования меньших средних концентраций индия и азота, благодаря чему происходит уменьшение локальных флуктуаций элементного состава, подавление эффектов распада твердого раствора 1пОаАБМ и улучшение оптических свойств слоев. Таким образом, примененный метод выращивания и дизайн структуры позволяют получить эффективную фотолюминесценцию на длине волны 1,5 мкм и улучшить структурное качество слоев.

В заключении приводятся основные результаты работы, которые состоят в следующем:

1. Исследован сдвиг максимума ФЛ слоев ОаАвЫ при комнатной температуре в зависимости от концентрации азота. Проведено моделирование зависимости ширины запрещенной зоны с помощью модели антипересекающихся зон с учетом когерентных напряжений в слое.

2. Исследования оптических свойств слоев ОаАзМЛЗаАз показали, что рост твердого раствора СаАзИ сопровождается неоднородным встраиванием азота в слой. Показано, что даже при малых концентрациях

азота в слоях ОаАзИ и послойном характере эпитаксиального роста слоев может наблюдаться неоднородное встраивание азота и образование флуктуаций потенциала, что обуславливает локализацию носителей.

3. Проведены исследования оптических свойств гетероструюур СаАБШЗаАБ, полученных различными методами осаждения.

Показано, что использование метода получения слоев ваАвК с помощью многократного осаждения сверхтонких слоев ОаАэК! и ОаАя позволяет значительно увеличить длину волны излучения по сравнению со слоем того же среднего состава, так как рекомбинационные процессы происходят в сформировавшихся областях повышенной концентрации азота. Применение методики нитридизации для создания ОаАзИ слоев приводит к усилению процесса формирования центров локализации, вызванных неоднородностью встраивания атомов азота в ваАБ.

4. Проведены исследования оптических свойств ЬгСаАвЫ КЯ в зависимости от концентрации 1п и N в них. Продемонстрирована возможность получения длинноволнового излучения 1пОаАБК квантовой ямы вплоть до 1,55 мкм при комнатной температуре.

5. Продемонстрированы пути получения излучение в области 1.55 мкм при комнатной температуре из массива 1пАя квантовых точек, с помощью использования гетероструктур ^АяЛпОаАзЛЗаАзК и ТлАз/1пОаАзЛпОаАз1Ч. Показано, что основной причиной сдвига максимума ФЛ является уменьшение ширины запрещенной зоны материала, окружающего КТ.

6. В результате исследований оптических свойств гетеропереходов ОаАзМ/СаАз и СаАяМЯпваАз показано, что гетеропереход СаАз/СаАзЫ является гетеропереходом I рода, а гетеропереход 1пхСа 1 ,хА з/ОаАз; может быть переходом I или II рода в зависимости от х и у.

7. Исследованы оптические свойства гетероструктур с активной областью состоящей из короткопериодной сверхрешетки ОаАзКАгЮаАз'М, в центр которой помещен квантоворазмерный слой 1пОаАзЫ со вставкой ТпАэ субмонослойной толщины. Благодаря использованию меньших средних концентраций азота и индия, чем в традиционной МЗаАзМ/ОаАз квантовой яме, примененный метод выращивания и дизайн структуры позволяют достичь требуемых длин волн (1,5 мкм) с улучшением структурного качества и эффективности люминесценции. Реализация инжекционных лазеров и поверхностно-излучающих лазеров области 1.55 мкм, с использованием гетероструктур этого вида представляется перспективным путем и позволяет надеяться на улучшение характеристик лазерных структур для указанного диапазона.

Основные результаты диссертация опубликованы в работах:

1. Б.В. Воловик, Н.В. Крыжановская, Д.С. Сизов, А.Р. Ковш,

A.Ф. Цацульников, J.Y. Chi, J.S. Wang, L. Wei, B.M. Устинов, «Влияние локализации носителей на оптические свойства гетероструктур GaAsN/GaAs, выращенных методом молекулярно-пучковой эпитаксии», Физика и техника полупроводников, т. 36, вып. 9,1072-1076, (2002).

2. В.А. Одноблюдов, А.Ю. Егоров, Н.В. Крыжановская, А.Г. Гладышев,

B.В. Мамутин, А.Ф. Цацульников, В.М. Устинов, «Фотолюминесценция с длиной волны 1.55 мкм при температуре 300 К из структур с квантовыми точками InAs/InGaAsN на подложках GaAs», Письма в журнал технической физики, т. 28, вып. 22, 82-88, (2002).

3. Н.В. Крыжановская, «Структурные и оптические свойства сверхтонких GaAsN внедрений в GaAs матрицу», Тезисы докладов четвертой всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлекронике, стр.43, Санкт Петербург, 3-6 декабря, (2002).

4. А.Ю. Егоров, В.А. Одноблюдов, Н.В. Крыжановская, В.В. Мамутин, В.М. Устинов, «Взаимное расположение краев энергетических зон в гетероструктурах GaAs/GaAsN/InGaAs», Физика и техника полупроводников, т. 36, вып.12,1440-1444, (2002).

5. N.V. Kryzhanovskaya, A.G. Gladyshev, D.S. Sizov, A.R. Kovsh, A.F. Tsatsul'nikov, Jim Y. Chi, Jyh-Shyang Wang, Li-Chung Wei, and V. M. Ustinov «The earners localization influence on the optical properties of GaAsN/GaAs heterostructures grown by molecular-beam epitaxy» Proceedings of SPIE — Volume 5023 10th International Symposium on Nanostructures: Physics and Technology, Zhores I. Alferov, Leo Esaki, Editors, June 2002, 38-41.

6. V.M.Ustinov, A.Yu. Egorov, V.A. Odnoblyudov, N.V. Kryzhanovskaya, A.F.Tsatsul'nikov, Zh.I. Alferov, «InAs/InGaAsN quantum dots emitting at 1.55 micron grown by molecular beam epitaxy», International Conference on Molecular Beam Epitaxy, San Francisco, 15-20 Sept. 2002, 295 - 296, (2002).

7. A.Yu. Egorov, V.A. Odnobludov, A.E. Zhukov, A.F. Tsatsul'nikov, N.V. Krizhanovskaya, V.M. Ustinov, Y.G. Hong, C.W. Tu, «Valence band structure of GaAsN compounds and band-edge line-up in GaAs/GaAsN/InGaAs heterostructures», International Conference on Molecular Beam Epitaxy, San Francisco, 15-20 Sept. 2002,269 - 270.

8. Н.В. Крыжановская, А.Г. Гладышев, A.P. Ковш, И.П. Сошников, А.Ф. Цацульников, Н. Kirmse, W. Neumann, J.Y. Chi, J.S. Wang, L. Wei, H.H. Леденцов, В.М. Устинов «Оптические свойства сверхтонких внедрений соединения GaAsN в GaAs, полученных методом молекулярно-пучковой

эпитаксии», Физика и техника полупроводников, т. 37, вып. 11, 1363-1368, (2003).

9. A.Y. Egorov, V.A. Odnobludov, V.V. Mamutin, A.E. Zhukov, A.F. Tsatsul'nikov, N.V. Kryzhanovskaya, V.M. Ustinov, Y.G. Hong, C.W. Tu, «Valence band structure of GaAsN compounds and band-edge lineup in GaAs/GaAsN/InGaAs heterostructures», Journal of Crystal Growth, 251, 417421, (2003).

10. V.M. Ustinov, A.Y. Egorov, V.A. Odnoblyudov, N.V. Kryzhanovskaya, Y.G. Musikhin, A.F. Tsatsul'nikov, Z.I. Alferov, «InAs/InGaAsN quantum dots emitting at 1.55/mi grown by molecular beam epitaxy», Journal of Crystal Growth, 251, 388-391, (2003).

11. H.B. Крыжановская, А.Г. Гладышев, A.P. Ковш, Ю.Г. Мусихин, А.Ф. Цацульников, J.Y. Chi, J.S. Wang, L.P. Chen, H.H. Леденцов, В.М.Устинов «Оптические свойства InGaAsN/GaAs квантовых ям, излучающих в диапазоне 1,3-1,55 мкм», Тезисы докладов VI Российской конференции по * физике полупроводников, 27-31 октября 2003 года, Санкт Петербург, 297.

12. Е.В. Никитина, А.Ю. Егоров, В.А. Одноблюдов, Н.В. Крыжановская, Ю.М. Шерняков, В.М. Устинов, «Влияние конструкции активной области лазеров с квантовой ямой InGaAsN на приборные характеристики», Тезисы докладов VI Российская конференция по физике полупроводников, Полупроводники 3003, Санкт Петербург 27-31 октября 2003, 285-286. (2003).

13. Н.В. Крыжановская, А.Г. Гладышев, А.Р. Ковш, И.П. Сошников, А.Ф. Цацульников, В.М. Устинов, «Структурные и оптические свойства сверхрешеток GaAsN/GaAs выращенных методом молекулярно-пучковой эпитаксии», Тезисы докладов Второй Всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия - структуры и приборы», Санкт-Петербург, 3-4 февраля, 13-14, (2003).

14. И.П. Согаников, Н.В. Крыжановская, Н.Н. Леденцов, А.Ю. Егоров, В.В. Мамутин, В.А. Одноблюдов, В.М. Устинов, О.М. Горбенко, Н. Kirmse, W. Neumann, D. Bimberg, «Структурные и оптические свойства гетероструктур с квантовыми точками InAs в квантовой яме InGaAsN, выращенных методом молекулярно-пучковой эпитаксии», Физика и техника полупроводников, т. 38, вып. 3, 354-357, (2004).

15. I.P. Sochnikov, A.R. Kovsh, V.M. Ustinov, N.V. Kryzhanovskaya, N. Ledentsov, D. Bimberg, H. Kirmse, W. Neumann, G. Lin, J. Wang and J. Chi «Structural and optical properties of Ga(As,N) epilayers grown with continuous and pulsed deposition and nitridization», Semiconductor Science and Technology, v.19 (3), 501-504, (2004).

16. В.М. Устинов, А.Ю. Егоров, А.Р. Ковш, В.А. Одноблюдов, В.В. Мамутин Д.А. Лившиц, Н.В. Крыжановская, Е.С. Семенова, Е.В. Никитина,

Ю.М. Шерняков, М.В. Максимов, «Низкопороговые лазеры на основе InGaAsN для волоконно-оптических линий связи», Известия Академии наук, Серия Физическая, т. 68, н. 1,15, (2004).

17. Н.В. Крыжановская, А.Ю. Егоров, В.В. Мамутин, Н.К. Поляков, А.Ф. Цацульников, А.Р. Ковш, Н.Н. Леденцов, В.М. Устинов, Д. Бимберг, «Оптические свойства гетероструктур с квантово-размерными слоями InGaAsN на подложках GaAs, излучающих в области 1.3-1.55 мкм», Физика и техника полупроводников, т. 39, вып. 1, 735-740, (2005).

18. Н.В. Крыжановская, А.Г. Гладышев, А.Ю. Егоров, В.В. Мамутин, Н.К. Поляков, А.Ф. Цацульников, А.Р. Ковш, Н.Н. Леденцов, В.М. Устинов, Д. Бимберг «Оптические свойства гетероструктур с квантоворазмерными слоями InGaAsN на подложках GaAs, излучающих в области 1.3 -1.55 мкм», Тезисы докладов VII Российской конференции по физике полупроводников, 19-25 сентября 2005 года, Звенигород, 174.

19. N.V. Rryzhanovskaya, A.Yu. Egorov, V.V. Mamutin, N.K. Polyakov, A.F. Tsatsul'nikov, Yu.G. Musikhin, A.R. Kovsh, N.N. Ledentsov, V.M. Ustinov, D. Bimberg «Properties of InGaAsN heterostructures, emitting at 1.3-1.55 цш», Semiconductor Science and Technology, v.20 (9), 961-965, (2005).

Цитированная литература

[1] Kondow M., Uomi K., Hosomi K., Mozume Т., Japan. J. Appl. Phys., 33, LI056, (1994).

[2] Shan W., Walukiewicz W., Yu K.M., Ager П1 J.W., Haller E.E., Geisz J.F., Friedman D.J., Olson J.M., Kurz S.R., Xin X.P., Tu C.W., Phys. Rev. Lett., 82, 1221,(1999).

[3] Krijn M.P.C.M., Semicond.Sci.Technol., 6, 27-31, (1991).

[4] Wang P.D., Ledentsov N.N., Sotomayor Torres C.M., Kop'ev P.S., and Ustinov V.M., Appl. Phys. Lett., 64, 1526, (1994).

[5] Mukai K., Ohtsuka N., Sugawara M., Yamazaki S., Jpn.J.Appl. Phys., 33, L1710-1712, (1994).

Лицензия ЛР №020593 от 07.08.97

Подписано в печать 31.10.2005. Формат 60x84/16. Печать офсетная. Уч. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 491.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая, 29.

)

I

г

\

i I

X

I i

I í

)

I

II

I

»f

I

!

(

i

!

/

1 )

i

»22 523

РНБ Русский фонд

2006-4 27845

ОГЛАВЛЕНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

1.1. Методы синтеза (In)GaAsN слоев на подложке GaAs.

1.2. Основные свойства соединения InGaAsN.

1.2.1. Ширина запрещенной зоны соединения GaAsN. Теоретические модели, описывающие изменение ширины запрещенной зоны GaAsN.

1.2.2. Эффективная масса электрона (In)GaAsN соединений.

1.2.3. Оптические свойства соединения (In)GaAsN. ф 1.2.4. Существующие дизайны структур с (In) GaAsN квантовыми ямами, излучающими на длине волны 1,5 мкм.

1.3. Основные характеристики лазеров на основе (In)GaAsN/GaAs.

1.3.1. Лазеры полосковой конструкции.

1.3.2. Вертикально- излучающие лазеры.

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДЫ.

2.1. Рост гетероструктур методом молекулярно-пучковой эпитаксии

2.2. Экспериментальные методы исследований гетероструктур.

ГЛАВА 3. ЗОННАЯ СТРУКТУРА И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТВЕРДОГО РАСТВОРА (IN)GAASN.

3.1. Зависимость ширины запрещенной зоны твердого раствора (In)GaAsN от состава по [N] и по [In].

3.2. Излучательные свойства материала GaAsN.

ГЛАВА 4. СВОЙСТВА ТОНКИХ И СВЕРХТОНКИХ СЛОЁВ (IN)GAASN/GAAS.

ГЛАВА 5. ПОЛУЧЕНИЕ ДЛИННОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В СТРУКТУРАХ СINGAASN КВАНТОВОРАЗМЕРНЫМИ СЛОЯМИ.

5.1. Свойства InGaAsN/GaAs квантоворазмерных слоев, излучающих в области 1,3-1,55 мкм.

5.2. Исследование свойств структур с квантовыми точками InAs/InGaAs, осажденными в GaAsN, и структур с квантовыми точками InAs/InGaAs/InGaAsN

5.3. Исследование свойств InAs/InGaAsN структур, помещенных в GaAsN/InGaAsN барьеры.

5.3.1. Исследование типа гетероперехода на примере структур GaAs/GaAsN/InGaAs

5.3.2. Оптические и структурные свойства InAs/InGaAsN структур, помещенных в GaAsN/InGaAsN барьеры.

Еще совсем недавно телекоммуникационная область длин волн была разделена на две части: полупроводниковым лазерам на основе GaAs принадлежала область от 750 нм до 1100 нм, в то время как для области 1300 и 1550 нм использовались лазеры на подложке InP. Такое разграничение было обусловлено технологической возможностью псевдоморфного роста активных областей и материалов барьеров на соответствующих подложках.

Слои GaAsN впервые были получены в 1992г [1]. Соединение GaAsN привлекло внимание исследователей благодаря уникально сильному уменьшению ширины запрещенной зоны с увеличением концентрации азота, необычной для соединений AUIBV. Такое сильное уменьшение ширины запрещенной зоны как в GaNAs (180 мэВ при концентрации азота только 1% [1, 2]) не наблюдается в таких тройных твердых растворах как GalnAs, AlGaAs, GalnP, в которых запрещенная зона меняется с изменением состава практически линейно. Однако эффекты, свойственные GaAsN, наблюдались в подобных твердых растворах, содержащих азот: GaNP [3], InNP [4], InNSb [5]. В 1996г был предложен новый материал для активной области лазеров на подложке GaAs - InGaAsN [6]. Добавление In или Sb в твердый раствор GaNAs приводит к компенсации сжатия решетки, вызванного азотом и к еще большему уменьшению ширины запрещенной зоны. Таким образом, с помощью соединения GalnNAs возможно получить слои решеточно согласованные к GaAs и излучающие в ближнем инфракрасном диапазоне 1300-1550 нм. В качестве основных преимуществ использования в лазерах соединений InGaAsN, выращенных на подложках GaAs, по сравнению с распространенными в настоящее время InGaAsP/InP гетероструктурами можно перечислить следующие: лучшая температурная стабильность характеристик лазеров вследствие увеличения энергии локализации носителей в активной области; возможность создания поверхностно-излучающих лазеров с монолитными AlGaAs/GaAs брэгговскими зеркалами; более высокая теплопроводность слоев структур. Соединения InGaAsN также используются для создания солнечных элементов [7] и биполярных транзисторов [8]. К настоящему времени, с использованием в качестве активной области InGaAsN квантовых ям получены лазеры полосковой конструкции и вертикально излучающие лазеры, работающие вблизи 1.3 мкм и обладающие низким пороговым током, высокой мощностью и высокой характеристической температурой [9, 10, И]. Также было продемонстрировано лазерное излучение на длине волны 1.52 мкм [12], однако использование достаточно больших концентраций азота и индия в InGaAsN квантовых ямах (КЯ) активной области приводит к значительному ухудшению характеристик таких лазеров. Для уменьшения мольной доли азота и индия в InGaAsN КЯ были предложены различные конструкции структур с использованием дополнительных слоев, что позволило получить излучение в области 1.41-1.55 мкм без значительного ухудшения оптических свойств структур [13].

Несмотря на явный прогресс в создании приборных структур с соединениями InGaAsN в качестве активной области, до настоящего времени существуют открытые вопросы в области фундаментальных свойств используемого материала и свойства соединения (In,Ga)AsN являются предметом интенсивных теоретических и экспериментальных исследований. На настоящий момент основной проблемой при росте гетероструктур (In)GaAsN/GaAs остается падение интенсивности излучения при увеличении концентрации азота в слоях. Этот эффект связывается обычно с увеличением вклада безызлучательной рекомбинации в таких твердых растворах [14]. Для структур, выращенных методом молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) получение активных радикалов азота с помощью плазменного источника может приводить к деградации качества слоя за счет воздействия высокоэнергетичных ионов азота из источника на ростовую поверхность [15]. Причиной ухудшения оптических свойств также считается использование низких температур роста, что предъявляет повышенные требования к чистоте используемых материалов. Кроме этого, низкая температура роста приводит к возникновению таких дефектов как внедрение атомов галлия в междоузлия, встраивание атомов галлия в подрешетку элементов V группы и т.д., являющихся центрами безызлучательной рекомбинации. Отжиг структур позволяет улучшить их структурное качество и приводит к увеличению интенсивности фотолюминесценции [16].

В данной работе приведены результаты исследования оптических и структурных свойств эпитаксиальных слоев (толщина ~0.1 мкм) и тонких слоев (толщина ~ 1 монослой) GaAsN на подложках GaAs; гетероструктур с (In)GaAsN/GaAs квантовыми ямами; исследован тип гетероперехода GaAs/GaAsi.yNy и гетероперехода InxGai. xAs/GaAsi-yNy. Также проведены исследования фотолюминесцентных свойств массивов InAs квантовых точек, с помощью использования гетероструктур InAs/InGaAs/GaAsN и InAs/InGaAs/InGaAsN, и гетероструктур различного дизайна с квантоворазмерными слоями InGaAsN/GaAs, выращенных методом молекулярно-пучковой эпитаксии. Проведена оптимизация структур с целью создания эффективных излучателей, в частности, лазеров диапазона 1.55 мкм.

Научная новизна работы:

1. Исследованы оптические свойства эпитаксиальных слоев GaAsN на подложке GaAs. Показано, что при малых (-1-2 %) концентрациях азота в слоях GaAsN и послойном характере эпитаксиального роста слоев может наблюдаться неоднородное встраивание азота и образование флуктуаций потенциала.

2. Исследованы возможности намеренного создания центров локализации в структурах на основе GaAsN. Показано, что осаждение сверхтонких слоев GaAsN в GaAs матрицу приводит к формированию обогащенных по N областей, что позволяет получить излучение в области меньших энергий фотонов по сравнению с толстым слоем того же среднего состава.

3. Впервые продемонстрирована возможность получения излучения в области 1,55 мкм при комнатной температуре из массива InAs квантовых точек, с помощью использования гетероструктур InAs/InGaAs/GaAsN и InAs/InGaAs/InGaAsN.

4. Предложен новый метод получения эффективного излучения в области длин волн 1,5 мкм в структурах с InAs/InGaAsN активной областью, ограниченной с обеих сторон решеткой GaAsN/InGaAsN. Показано, что для получения излучения с длиной волны более 1,5 мкм в гетероструктурах предложенного типа требуется меньшая средняя концентрация азота и индия чем в квантовой яме InGaAsN/GaAs, что позволяет существенно уменьшить эффекты, связанные с распадом твердого раствора InGaAsN, и значительно увеличить излучательную эффективность.

5. Экспериментальным путем впервые проведено изучение взаимного расположения краев энергетических зон в решетке на примере гетероструктур GaAs/GaAsN и InGaAs/GaAsN.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. В исследованном диапазоне концентраций азота (1-2%) в слоях GaAsN и двумерном характере эпитаксиального роста слоев наблюдается неоднородное встраивание азота в слой. Рекомбинация носителей происходит через локализованные состояния, вызванные флуктуациями состава твердого раствора.

2. Использование метода многократного осаждения сверхтонких слоев GaAsN и GaAs для получения гетероструктур GaAsN/GaAs позволяет значительно увеличить длину волны излучения по сравнению со слоем того же среднего состава, так как рекомбинационные процессы происходят в областях с повышенной концентрацией азота. Применение методики нитридизации для создания GaAsN слоев приводит к увеличению неоднородности встраивания атомов азота в GaAs.

3. Показана возможность сдвига максимума фотолюминесценции массива InAs квантовых точек в область длин волн ~1,5 мкм, с помощью гетероструктур InAs/InGaAs/GaAsN и InAs/InGaAs/InGaAsN.

4. Показана возможность реализации эффективной фотолюминесценции в области длин волн 1,5 мкм при комнатной температуре от гетероструктур с InGaAsN/InAs/InGaAsN активной областью, ограниченной с обеих сторон решеткой GaAsN/InGaAsN. Ф

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1*. Б.В. Воловик, Н.В. Крыжановская, Д.С. Сизов, А.Р. Ковш, А.Ф. Цацульников, J.Y. Chi, J.S.Wang, L.Wei, В.М.Устинов, «Влияние локализации носителей на оптические свойства гетероструктур GaAsN/GaAs, выращенных методом молекулярно-пучковой эпитаксии», Физика и техника полупроводников, 2002,36, стр. 1072-1076. 2*. В.А.Одноблюдов, А.Ю.Егоров, Н.В.Крыжановская, А.Г.Гладышев, В.В.Мамутин, А.Ф.Цацульников, В.М.Устинов, «Фотолюминесценция с длиной волны 1.55 мкм при температуре 300 К из структур с квантовыми точками InAs/InGaAsN на подложках GaAs» Письма в журнал технической физики, 2002,28, 82-88.

3*. Н.В.Крыжановская, «Структурные и оптические свойства сверхтонких GaAsN внедрений в GaAs матрицу», Тезисы докладов четвертой всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлекронике, Санкт Петербург, 3-6 декабря, 2002, стр.43.

4*. А.Ю.Егоров, В.А.Одноблюдов, Н.В.Крыжановская, В.В.Мамутин, В.М.Устинов, «Взаимное расположение краев энергетических зон в гетероструктурах GaAs/GaAsN/InGaAs», Физика и техника полупроводников, 2002,36, 1440-1444. 5*. N. V. Kryzhanovskaya, A. G. Gladyshev, D. S. Sizov, A. R. Kovsh, A. F. Tsatsul'nikov, Jim Y. Chi, Jyh-Shyang Wang, Li-Chung Wei, and V. M. Ustinov «The carriers localization influence on the optical properties of GaAsN/GaAs heterostructures grown by molecular-beam epitaxy» Proceedings of SPIE — Volume 5023 10th International Symposium on Nanostructures: Physics and Technology, Zhores I. Alferov, Leo Esaki, Editors, June 2002, pp. 38-41 6*. V.M.Ustinov, A.Yu. Egorov, V.A. Odnoblyudov, N.V. Kryzhanovskaya, A.F.Tsatsul'nikov, Zh.I. Alferov, «InAs/InGaAsN quantum dots emitting at 1.55 micron grown by molecular beam epitaxy», International Conference on Molecular Beam Epitaxy, San Francisco, 15-20 Sept. 2002 Page(s):295-296, (2002).

7*. A.Yu.Egorov, V.A. Odnobludov, A.E. Zhukov, A.F. Tsatsul'nikov, N.V. Krizhanovskaya, V.M. Ustinov, Y.G. Hong, C.W. Tu, «Valence band structure of GaAsN compounds and bandedge line-up in GaAs/GaAsN/InGaAs heterostructures», International Conference on Molecular Beam Epitaxy, San Francisco, 15-20 Sept. 2002, Page(s):269 - 270.

8*. Н.В.Крыжановская, А.Г.Гладышев, А.Р.Ковш, И.П.Сошников, А.Ф.Цацульников, H.Kirmse, W.Neumann, J.Y.Chi, J.S.Wang, L.Wei, Н.Н.Леденцов, В.М.Устинов «Оптические свойства сверхтонких внедрений соединения GaAsN в GaAs, полученных методом молекулярно-пучковой эпитаксии», Физика и техника полупроводников, 2003, 37, 1363-1368.

9*. A.Y. Egorov, V.A.Odnobludov, V.V. Mamutin, A.E. Zhukov, A.F. Tsatsul'nikov, N.V. Kryzhanovskaya, V.M. Ustinov, Y.G. Hong, C.W.Tu, «Valence band structure of GaAsN compounds and band-edge lineup in GaAs/GaAsN/InGaAs heterostructures», Journal of Crystal Growth, 2003,251,417-421.

10*. V.M. Ustinov, A.Y. Egorov, V.A. Odnoblyudov, N.V.Kryzhanovskaya, Y.G. Musikhin,

A.F. Tsatsul'nikov, Z.I.Alferov, «InAs/InGaAsN quantum dots emitting at 1.55jtim grown by molecular beam epitaxy» Journal of Crystal Growth, 2003,251, 388-391.

11*. Н.В.Крыжановская, А. Г.Гладышев, A.P. Ковш, Ю.Г.Мусихин, А.Ф.Цацульников, J.Y. Chi, J.S. Wang, L.P.Chen, Н.Н.Леденцов, В.М.Устинов «Оптические свойства InGaAsN/GaAs квантовых ям, излучающих в диапазоне 1,3-1,55 мкм», Тезисы докладов VI Российской конференции по физике полупроводников, 27-31 октября 2003 года, Санкт Петербург, стр. 297.

12*. Е.В.Никитина, А.Ю.Егоров, В.А.Одноблюдов, Н.В.Крыжановская, Ю.М.Шерняков,

B.М.Устинов, «Влияние конструкции активной области лазеров с квантовой ямой InGaAsN на приборные характеристики», Тезисы докладов VI Российская конференция по физике полупроводников, Полупроводники 3003, Санкт Петербург 27-31 октября 2003, стр.285-286. (2003)

13*. Н.В. Крыжановская, А.Г. Гладышев, А.Р. Ковш, И.П. Сошников, А.Ф. Цацульников, В.М. Устинов, «Структурные и оптические свойства сверхрешеток GaAsN/GaAs выращенных методом молекулярно-пучковой эпитаксии» Тезисы докладов Второй Всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия - структуры и приборы», Санкт-Петербург, 3-4 февраля, стр. 13-14, (2003).

14*. И.П. Сошников, Н.В.Крыжановская, Н.Н.Леденцов, А.Ю.Егоров, В.В.Мамутин, В.А.Одноблюдов, В.М.Устинов, О.М.Горбенко, H.Kirmse, W.Neumann, D.Bimberg, «Структурные и оптические свойства гетероструктур с квантовыми точками InAs в квантовой яме InGaAsN, выращенных методом молекулярно-пучковой эпитаксии» Физика и техника полупроводников, 2004,38, 354-357.

15*. I.P .Sochnikov, A.R.Kovsh, V.M.Ustinov, N.V.Kryzhanovskaya, N.Ledensov, D.Bimberg, H.Kirmse, W.Neumann, G.Lin, J.Wang and J.Chi «Structural and optical properties of Ga(As,N) epilayers grown with continuous and pulsed deposition and nitridization», Semiconductor Science and Technology, 2004,19, 501-504.

16*. В.М.Устинов, А.Ю.Егоров, А.Р.Ковш, В.А.Одноблюдов, В.В.Мамутин Д.А.Лившиц, Н.В.Крыжановская, Е.С.Семенова, Е.В.Никитина, Ю.М.Шерняков, М.В.Максимов, «Низкопороговые лазеры на основе InGaAsN для волоконно-оптических линий связи» Известия Академии наук, Серия Физическая, 2004, 68,15.

17*. Н.В.Крыжановская, А.Ю.Егоров, В.В.Мамутин, Н.К.Поляков, А.Ф.Цацульников, А.Р.Ковш, Н.Н.Леденцов, В.М.Устинов, Д.Бимберг, «Оптические свойства гетероструктур с квантово-размерными слоями InGaAsN на подложках GaAs, излучающих в области 1.31.55 мкм», Физика и техника полупроводников, 2005,39, 735-740.

18*. Н.В.Крыжановская, А.Г.Гладышев, А.Ю.Егоров, В.В.Мамутин, Н.К.Поляков, А.Ф.Цацульников, А.Р.Ковш, Н.Н.Леденцов, В.М.Устинов, Д.Бимберг «Оптические свойства гетероструктур с квантоворазмерными слоями InGaAsN на подложках GaAs, излучающих в области 1.3 -1.55 мкм», Тезисы докладов VI Российской конференции по физике полупроводников, 19-25 сентября 2005 года, Звенигород, стр.174.

19*. N.V.Kryzhanovskaya, A.Yu.Egorov, V.V.Mamutin, N.K.Polyakov, A.F.TsatsuPnikov, Yu.G.Musikhin, A.R.Kovsh, N.N.Ledentsov, V.M.Ustinov, D.Bimberg «Properties of InGaAsN heterostructures, emitting at 1.3-1.55 цт», Semiconductor Science and Technology, 2005,20, 961-965.

Заключение

В данной работе нами были исследованы оптические и структурные свойства следующих типов гетероструктур:

1. эпитаксиальных слоев (In)GaAsN, осажденных на подложку GaAs;

2. гетероструктур GaAsN/GaAs;

3. гетероструктур GaAs/GaAsN/InGaAs;

4. InGaAsN/GaAs квантоворазмерных слоев;

5. гетероструктур с квантовыми точками InAs помещенными в матрицу GaAsN;

6. гетероструктур с квантовыми точками InAs/InGaAs/InGaAsN/GaAs;

7. структур с InAs (1 ML) внедрениями в InGaAsN квантоворазмерный слой, помещенный в GaAsN/InGaAsN барьеры;

1. M.Weyers and M.Sato, «Red shift of photoluminescence and absorption in dilute GaAsN alloy layers» JpnJ.Appl.Phys., 1992,31, L853- L855.

2. Kondow M, Uomi K, Hosomi K, Mozume T, «Gas-source molecular beam epitaxy of GaNxAsi.x using a N radical as tha N source», Japan.J.Appl.Phys., 1994,33, L1056-L1058.

3. Bi G.W., Tu C.W., «N incorporation in GaP and band gap bowing of GaNxPi-x», Appl.Phys.Lett., 1996, 69, 3710-3712.

4. Bi G.W., Tu C.W. «N incorporation in InP and band gap bowing of InNxPi-x » Journal of Applied Physics, 1996, 80,1934-1936.

5. Kondow M., Uomi K, Niwa A., Kitatani Т., Watahiki K., Yazawa Y., «GalnNAs: a novel material for long-wavelength-range laser diodes with excellent high-temperature performance», Jpn. J.Appl. Phys., 1996,35,1273-1275.

6. Friedman D.J., Geisz J.F., Kurtz S.R., Olson J.M., «1-eV solar cells with GalnNAs active layer», Journal of Crystal Growth, 1998,195,409-415.

7. Welty R.J., Xin H.P., Mochizuki K., Tu C.W., Asbeck P.M., «GaAs/GalnNAs/GaAs NpN double heterojunction bipolar transistor with low turn-on voltage», Solid State Electronics, 2002, 46, 1-5.

8. J.S.Harris, «GalnNAs long-wavelength lasers: progress and challenges», Semicond. Sci.Technol., 2002,17, 880-891.

9. B.Borchert, A.Yu.Egorov, S.Illek, M.Komainda, H.Riechert, «1.29 цт GalnNAs multiple quantum-well ridge-waveguide lased diodes with improved performance»,Electronic Letters, 1999,35,2204-2206.

10. Larson M.C., Kondow M., Kitatani Т., Nakahara K., Tamura K., Inoue H., Oumi H., «GalnNAs-GaAs long-wavelength vertical-cavity surface-emitting laser diodes», IEEE Photonics Technology Letters, 1998,10,188-190.

11. Fischer М., Reinhardt М., Forhel A., «GalnAsN/GaAs laser diodes operating atl.52mm», ElectronicsLetters, 2000,36,1208-1209.

12. Bian L.F., Jiang D.S., Lu S.L., Huang J.S., Chang K., Li L.H., Harmand J.C., «The effect of inserting strain-compensated GaNAs layers on the luminescence properties of GalnNAs/GaAs quantum well», Journal Crystal Growth, 2003,250,339-344.

13. Xin H.P., Kavanagh K.L., Zhu Z.Q., Tu C.W., 1999, «Observation of quantum dot-like behavior of GalnNAs in GalnNAs/GaAs quantum wells», Applied Physics Letters, 1999, 74, 2337-2339.

14. Xin H.P., Kavanagh K.L., Zhu Z.Q., Tu C.W., «Quantum dot-like behavior of GalnNAs in GalnNAs/GaAs quantum wells grown by gas-source molecular-beam epitaxy», J. Vac. Sci. Technol. B, 1999,17, 1649-1653.

15. Kitatani Т., Nakahara K., Kondow M., Uomi К., Tanaka Т., «Mechanism analysis of

16. Ф improved GalnNAs optical properties through thermal annealing», Journal of Crystal Growth, 2000,209,345-349.

17. Spruytte S.G., Larson M.C., Wampler W., Coldren C.W., Petersen H.E., Harris J.S., «Nitrogen incorporation in group Ill-nitride-arsenide materials grown by elemental source molecular beam epitaxy», Journal of Crystal Growth, 2001,227-228,506-515

18. Kovsh A.R., Wang J.S., Wei L., Shiao R.S., Chi J.Y., Volovik B.V., Tsatsulnikov A.F., Ustinov V.M., «Molecular beam epitaxy growth of GaAsN layers with high luminescence efficiency», J.Vac.Sci.Technol. B, 2002,20,1158.

19. Hauenstein R.J., Collins D.A., Cai X.P., O'Steen M.L., McGill T.C., «Reflection high energy electron diffraction study of nitrogen plasma interaction with a GaAs (100) surface» Appl. Phys. Lett., 1995, 66,21,2861-2863.

20. S.Sakai, Y.Ueta, Y.Terauchi, «Band gap energy and band lineup of III-V alloy semiconductors incorporating nitrogen and boron»,JpnJ.Appl.Phys., 1993,32,4413-4417.

21. Shan W., Walukiewicz W., Yu K.M., Ager J.W.III, Haller E.E., Geisz J.F., Friedman D.J., Olson J.M., Kurz S.R., Xin X.P., Tu C.W., «Band anticrossing in GalnNAs alloys» Phys. Rev.

22. Lett., 1999,82, 1221-1224.

23. Shan W., Walukiewicz W., Yu K.M., Ager J.W.III, Haller E.E., Geisz J.F., Friedman D.J., Olson J.M., Kurz S.R., Xin X.P., Tu C.W., «Band anticrossing in III-N-V alloys», phys.stat.sol.(b), 2001, 223, 75-85.

24. Liu X., Pistol M.-E., Samuelson L., Schwetlick S., Seifert W., «Nitrogen pair luminescence inGaAs», Applied Physics Letters, 1990,56,1451-1453.

25. Zhang Y., Mascarenhas A., Xin H.P., Tu C.W., «Scaling of band-gap reduction in heavily nitrogen doped GaAs», Phys. Rev. B, 2001, 63,161303-1 161303-4.

26. Liu X., Pistol M.-E., Samuelson L., «Exciton bound to nitrogen pairs in GaAs», Phis.Rev.B, 1990,42,7504-7512.

27. Buyanova I.A., Pozina G., Hai P.N., Thinh N.Q., Bergman J.P., Chen W.M., Xin H.P., Tu C.W., Applied Phisics Letters, 2000, 77,2325-2327.

28. Zhang Y., Mascarenhas A., Xin H. P., Tu C. W., «Formation of an impurity band and its quantum confinement in heavily doped GaAs:N», Phys.Rev.B, 2000,61,7479-7482.

29. Kent P.R.C., Belaiche L., Zunger A., «Pseudopotential theory of dilute III-V nitrides», Semiconductor science and technology, 2002,17,851-859.

30. Wei Su-Huai, Zunger A., «Giant and Composition-Dependent Optical Bowing Coefficient in GaAsN Alloys», Phys. Rev. Lett., 1996,76,664-667.

31. Bellaiche L., Wei S.-H., Zunger A., «Localization and percolation in semiconductor alloys: GaAsN vs GaAsP», Phys. Rev. B, 1996,54,17568-17576.

32. Uesugi K., Suemune I., Hasegawa Т., Akutagawa T.,Nakamura Т., «Temperature dependence of band gap energies of GaAsN alloys», Applied Physics Letters, 2000, 76,12851287.

33. Al-Yacoub A., Bellaiche L., «Quantum mechanical effects in (Ga, In)(As,N) alloys», Phys.Rev.B, 2000,62, 10847-10851.

34. Kent P.R.C. and Zunger A., «Evolution of III-V nitride alloy electronic structure: the localized to delocalized transition», Phys.Rev.Lett., 2001,86,2613-2616.

35. Zhang Y., Mascarenhas A., Xin H.P., Tu C.W., «Valence-band splitting and shear deformation potential of dilute GaAsi-xNx alloys», Phys. Rev. B, 2000,61,7,4433-4436.

36. Егоров А.Ю., Одноблюдов В.А., Крыжановская Н.В., Мамутин В.В., Устинов В.М., «Взаимное расположение краев энергетических зон в гетероструктурах GaAs/GaAsN/InGaAs», Физика и техника полупроводников, 2002,36,1440-1444.

37. Ya М.Н., Cheng W.Z., Chen Y.F., Lin T.Y., «Upside-down tuning of light- and heavy-hole states in GaNAs/GaAs single quantum wells by thermal expansion and quantum confinement», Appl. Phys. Lett., 2002, 81,3386-3388.

38. Lindsay A., O'Reilly E. P., «Theory of enhanced bandgap non-parabolicity in GaNAs and related alloys», Solid State Communications, 1999,112,443-447.

39. Uesugi K., Morooka N., Suemune I., «Strain effect on the N composition dependence of GaNAs bandgap energy grown on (001) GaAs by metalorganic molecular beam epitaxy», 1999, Journal of crystal growth, 201-202,335.

40. Matthews, 1974 Matthews J.W., Blakeslee A.E., «Defects in epytaxial multilaers», Journal of crystal growth, 1974,27,118-125.

41. Li W., Pessa M., Likonen J., «Lattice parameter in GaNAs epilayers on GaAs: Deviation from Vegard's law», Appl.Phys.Lett., 2001, 78,2864-2866.

42. Wang S. Z., Yoon S. F., Fan W. J., Loke W. K., Ng Т. K., Wang S. Z„ «The role of nitrogen-nitrogen pairs in the deviation of the GaAsN lattice parameter from Vegard's law», J.Appl.Phys., 2004,96,2010-2014.

43. Hai P.N, ChenW.M., Buyanova I. A., Xin H.P., Tu C.W., «Direct determination of electron effective mass in GaNAs/GaAs quantum wells», Applied Physics Letters, 2000,77,1843-1845.

44. Buyanova I. A., Chen W.M. and Monemar В., «Electronic Properties of Ga(In)NAs Alloys» MRS Internet J. Nitride Semicond., 2001, Res.6,2.

45. Buyanova I. A., Chen W.M., Pozina G., Bergman J.P., Monemar В., Xin H.P., Tu C.W., «Mechanism for low-temperature photoluminescence in GaNAs/GaAs structures grown by molecular-beam epitaxy»,Applied Phyics Letters, 1999, 75,501-503.

46. Queslaty M., Zouaghi M., Pistol M.E., Samuelson L., Grimmeiss H.G., Balkanski M.,m

47. Photoluminescence study of localization effects induced by the fluctuating random alloy potential in indirect band-gap GaAsi.xPx», Phys.Rev.B, 1997, 55, 8220-8227.

48. Narukawa Y, Kawakami Y., Fujita S., Nakamura S., «Recombination dynamics of localized excitons in Ino.2Gao.8N/Ino.05Gao.95N multiple quantum wells», Phys. Rev. В., 1997, 55, R1938-R1941.

49. Sun B.Q., Gal M., Gao Q., Tan H.H., Jagadish C., «On the nature of radiative recombination in GaAsN», 2002, Applied Physics Letters, 81,4368-4370.

50. Uesugi K., Suemune I., Hasegawa Т., Akutagawa Т., Nakamura Т., «Temperature dependence of band gap energies of GaAsN alloys», Appl. Phys. Lett., 2000, 76, 1285-1287.

51. Suemune I., Uesugi K., Walukiewicz W., «Role of nitrogen in the reduced temperature dependence of band-gap energy in GaNAs», Appl. Phys. Lett., 2000, 77, 3021-3023.

52. Yaguchi H., Kikuchi S., Hijikata Y., Yoshida S., Aoki D., Onabe K., «Photoluminescence study on temperature dependence of band gap energy of GaAsN alloys», Physica Status Solidi, 2001,228,273-277.

53. Xin H.P., Tu C.W., «GalnNAs/GaAs multiple quantum wells grown by gas-source molecular beam epitaxy», Applied Physics Letters, 1998,72,2442-2444.

54. Liu H.Y., Hopkinson M., Navaretti P., Gutierrez M., Ng J.S., David P.R., «Improving optical properties of 1,55 |jm GalnNAs/GaAs multiple quantum wells with Ga(In)NAs barrier and space layer», Applied Physics Letters, 2003, 83,4951-4953.

55. Sato S., OsawaY., Saitoh Т., Fujimura I., «Room-temperature pulsed operation of 1.3 mm GalnNAs/GaAs lased diode», Electronics Letters, 1997,33,1386-1387.

56. Nakahara К., Kondow M., Kitatani Т., Larson M.C., Uomi К., «1.3- цт Continuous-Wave Lasing Operation in GalnNAs Quantum-Well Lasers», IEEE, Photonics Technology Letters, 1998,10,487-488.

57. Sato S., Satoh S., «1.3(im continuous-wave operation of GainNAs lasers grown by metal organic chemical vapour deposition», Electronics Letters, 1999,35,1251-1252.

58. Riechert H., Egorov A.Yu., Livshits D., Borchert В., Illek S., «InGaAsN/GaAs heterostructures for long-wavelength light-emitting devices», Nanotechnology, 2000,11,201205.

59. Kitatani Т., Nakahara K., Kondow M., Uomi К., Tanaka Т., «А 1.3 mm GalnNAs/GaAs single-quantum-well laser diode with a high characteristic temperature over 200К», JpnJ.Appl.Phys., 2000,39, L86-L87.

60. Gollub D., Fischer M., Forhel A., «1.4 jam continuous-wave GalnNAs distributed feedback laser diodes», Electronics Letters, 2002,39, 1815-1816.

61. Yamada M., Anan Т., Tokutome K., Kamei A., Nishi K., Sugou S., IEEE Photonics Technology Letters, «Low-threshold operation of 1.3 цт GaAsSb quantum-well lasers directly grown on GaAs substrates», 2000,12,774-776.

62. Yang X., Jurkovic J., Heroux J.B., Wang W.I., «Molecular beam epitaxial growth of InGaAsN:Sb/GaAs quantum wells for long-wavelength semiconductor lasers», Applied Physics Letters, 1999, 75, 178-180.

63. Gambin V., Wonnil Ha, Wistley M., Yuen H., Bank S.R., Kim S.M., Harris J.S., «GalnNAsSb for 1.3-1.6 jim-long wavelength lasers grown by molecular beam epitaxy», IEEE J. Select. Top. Quantum Electronics, 2002,8, 795-800.

64. Borchert В., Egorov A.Yu., Illek S., Riechert H., «Static and dynamic characteristics of 1.29-jj.m GalnNAs ridge-waveguide laser diodes», IEEE Photonics Technology Letters, 2000, 12,597-599.

65. Wei J., Xia F., Li C., Forrest S.R., «High To long-wavelength InGaAsN quantum-well lasers grown by GSMBE using a solid arsenic source», IEEE Photonics Technology Letters, 2002,14, 597-599.

66. Fischer M., Golub D., Forhel A., «1.3 GalnNAs Laserdiodes with improved high temperature performance», Japanese Journal of Applied Physics, 2002,41, 1162-1163.

67. Livshits D.A., Egorov A.Yu, Riechert H., «8W continuous wave operation of InGaAsN lasers at 1.3 |Ш1», Electronics Letters, 2000,36, 1381-1382.

68. Averbeck R., Jaschke G., Geelhaar L, Riechert H., «Record-low thresholds of InGaAsN/GaAs SQWs lasers», IEEE Semiconductor Laser Conference, 21-25 Sept. 2004, Conference Digest, 2004, 69 70.

69. Wang X.D., Wang S.M., Wei Y.Q., Sadeghi M., Larsson A., «High-quality 1.3 цт GalnNAs singlequantum well lasers grown by МВЕ», Electronics Letters, 2004,36,1338-1339.

70. Gollub D., Moses S. and Forchel A., «1.3 цт double quantum well GalnNAs distributed feedback laser diode with 13.8 GHz small signal modulation bandwidth», Electronics Letters, 2004,40,1181-1182.

71. Kawagushi M., Gouardes E., Schlenker D., Kondo Т., Miyamoto Т., Koyama F., Iga K., «Low threshold current density operation of GalnNAs quantum well lasers grown by metalorganic chemical vapour deposition» Electronics Letters, 2000,36, 1776-1777.

72. Kawagushi M., Miyamoto Т., Gouardes E., Schlenker D., Kondo Т., Koyama F., Iga K., «Lasing characteristics of low threshold GalnNAs lasers grown bymetalorganic chemical vapour deposition», Japanese Journal of Applied Physics, 2001,40, L744-L746.

73. Tansu N., Kirsch N.J., Mawst L.J., «Low-threshold-current-density 1300-nm dilute-nitride quantum well lasers», Applied Physics Letters, 2002,81,2523-2525.

74. Sato S., «Low threshold and high characteristic temperature 1.3 mm range InGaNAs lasers grown by metalorganic chemical vapor deposition», Japanese Journal of Applied Physics, 2000, 39,3403-3405.

75. Kim K.-S., Lim S.-J., Kim K.-H., Yoo J.-R., Kim Т., Park Y.-J., «MOVPE grown 1360-nm GalnNAs quantum-well laser with multibarrier structures», IEEE Photonics Technology Letters, 2004,16,1994-1996.

76. Takeuchi Т., Chang Y.-L., Leary M., Tandon A., Luan H.-C., Bour D.P., Corzine S.W., Twist R., Tan M.R., IEEE LEOS, post deadline session, 2001

77. Sato, S.; Takahashi, Т.; Jikutani, N.; Itoh, A.; Kaminishi, M.; «MOCVD grown GalnNAs lasers», Lasers and Electro-Optics, 2002, CLEO '02. Technical Digest. Summaries of Papers Presented at the 19-24 May 2002,1, 266 267.

78. Yeh J.-Y., Tansu N., Mawst L.J., Electronics Letters, 40, 739-741,2004

79. Ledentsov N.N., Bimberg D., Ustinov V.M.,Alferov Zh.I., Lott A., Japanese Journal of Applied Physics, 41,949-952,2000

80. Jackson A.W., Naone R.L., Dalberth M.J., Smith J.M., Malone K.J., Kisker D.W., Klem J.F., Choquette K.D. Serkland D.K., Geib K.M., Electronics Letters, 37, 6,2001

81. Steinle G., 2001, Mederer F., Kicherer R, Michalzik R., Kristem G., Egorov A.Yu., Riechert H., Wolf H.D., Ebeling K.J., Electronics Letters, 37,10,2001

82. Ramakrishnan A., Steinle G., Supper D., Degen C., Ebbinghaus G., Electronics Letters, 38, 7,2002

83. Krijn M.P.C.M., Semicond. Sci. Technol. 6. (1991) pp. 27-31

84. Kaschner A., Luttgert Т., Born H., Hoffmann A., Egorov A.Yu., Riechert H., «Recombination mechanisms in GalnNAs/GaAs multiple quantum wells», Appl. Phys. Lett., 2001,78,1391-1393.

85. Polimeni A., Capizzi M., Geddo M., Fischer M., Reinhardt M., Forchel A., «Effect of temperature on the optical properties of (InGa)(NAs)/GaAs single quantum wells» Appl. Phys. Lett., 2000,77,2870-2872.

86. P 89. Sochnikov I.P., Kovsh A.R., Ustinov V.M., Kryzhanovskaya N.V., Ledensov N., Bimberg

87. D., Kirmse H., Neumann W., Lin G., Wang J. and Chi J., «Structural and optical properties of

88. Ga(As,N) epilayers grown with continuous and pulsed deposition and nitridization», Semiconductor Science and Technology, 2004,19,501-504.

89. Bressler-Hill V., Lorke A., Varma S., Petroff P.M., Pond K., and Weinberg W.H., «Initail stages of InAs epitaxy on vicinal GaAs(001)-(2x4)», Phys.Rev.B, 1994,50, 8479.

90. Wang P.D., Ledentsov N.N., Sotomayor Torres C.M., Kop'ev P.S., and Ustinov V.M., «Optical characterization of submonolayer and monolayer InAs structures grown in GaAs matrix on (100) and high-index surfaces», Appl. Phys. Lett., 1994,64, 1526-1528.

91. Mukai K., Ohtsuka N., Sugawara M., Yamazaki S., JpnJ.Appl. Phys., 33, L1710-1712, (1994).

92. А.Ю.Егоров, В.В.Мамутин, В.М.Устинов. Заявка на патент РФ N 2004113171, приоритет от 28.04.2004.

93. Ji G., Huang D., Reddy U.K., Henderson T.S., Houdre R., Morkoc H., J. Appl. Phys., 1987, 62,3366-3368.

94. Ledentsov N.N., Bohrer J., Beer M., Heinrichsdorff F., Grundmann M., and Bimberg D., «Radiative states in type-II GaSb/GaAs quantum wells», Phys. Rev. B, 1995,52,14 058.

95. Gao Q., Tan H.H., Jagadish C., Sun B.Q., Gal M., Ouyang L., Zou J., «Enhanced optical properties of the GaAsN/GaAs quantum-well structure by the insertion of InAs monolayers», Applied Phyics Letters, 2004,84,2536-2538.