Полупроводниковые гетероструктуры с квантовыми точками тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ



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

;:.,Лаправах рукописи

у ' - - • РОССИРТ

•//., № / реыеий-;- УСТИНОВ Вищор Мих^10вич г< ^

полупро:

тковьщгетещсеежгуры (получение, свойства, лазеры),......

' 1 ВАК Рг-

Ы С КВАНТОВЬШИ ТОЧКАМИ

специальность

01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук в форме научного доклада

Санкт-Петербург 1998

Работа выполнена в Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе РАН.

Официальные оппоненты:

член-корреспондент РАН

доктор физико-математических наук,

профессор

доктор физико-математических наук, профессор

доктор физико-математических наук, профессор

Мокеров В.Г. Сейсян Р.П.

&ород<>(_£ А. £

Ведущая организация - Институт аналитического приборостроения РАН, Санкт-Петербург.

Защита состоится

•/9

¿оОс^О'1

специализированного совета Д 003.23 < А.Ф.Иоффе РАН (194021, Санкт-ПетерГ ;

/О

час. на заседании ~ком институте им.

Отзывы о диссертации в двух направлять по вышеуказанному адресу учен;:

печатью, просим оованного совета.

Диссертация разослана

Ученый секретарь специализированного совета

доктор физико-математических н? - ; кшЛ.М.

Г0СУДАРС7ВЕНУАЙ еиьлиогвка

общая характеристика работы

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. В настоящее время интерес к структурам с пониженной размерностью в физике и технике полупроводников обусловлен как возможностью изучения новых физических эффектов, так и необходимостью улучшения свойств существующих и создания новых поколений полупроводниковых приборов. Принципиальная возможность создания низкоразмерных структур в полупроводниках появилась после получения совершенных гетеропереходов [1 ], а техническая - с развитием современных технологий, в частности молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ), технологического метода, позволяющего контролировать толщину выращиваемых структур с точностью до одного монослоя [2*].

Когда движение носителей заряда ограничено областью с характерными размерами порядка длины волны де-Бройля, энергетический спектр и основные характеристики системы начинают зависеть от ее размеров. В этом состоит проявление квантово-размерного эффекта, и структуры, свойства которых определяются этим эффектом, называются низко-размерными.

Приборы, принцип действия которых основан на эффектах размерного квантования, широко вошли в повседневную практику, значительно продвинув технику вперед. Это полупроводниковые лазеры в системах оптических коммуникаций и проигрывателях компакт-дисков, это транзисторы с высокой подвижностью электронов в системах спутниковой связи и многие другие. В этих приборах эффект размерного квантования проявляется в одном направлении, направлении роста структуры, при этом движение носителей в плоскости слоя остается свободным. Новый качественный скачок в характеристиках приборных структур, а также появление приборов,использующих новые фундаментальные физические эффекты, связывается со структурами, в которых квантово-размерный эффект проявляется во всех трех измерениях. Такие структуры получили название квантовые точки [3*].

Привлекательность подобных структур обусловлена, в первую очередь спектром .■лектронных состояний, который представляет собой набор дискретных уровней. В этом ;учае принципиально исключено тепловое уширение спектра, спектральное положение ший контролируется с предельно-допустимой точностью, и все носители заряда в : .Чегеме квантовых точек обладают одинаковой энергией в случае точек одинакового дзмера. Было предсказано [3 ], что в полупроводниковых лазерах эти свойства должны

приводить к резкому увеличению усиления, снижению пороговой плотности тока и отсутствию ее температурной зависимости, возрастанию рабочих частот и сверхузкому спектру генерации.

Чтобы продемонстрировать на практике свои принципиальные преимущества, должны быть синтезированы квантовые точки, отвечающие следующим основным требованиям [4*]. Минимальный размер точки определяется наличием хотя бы одного электронного состояния, максимальная величина ограничена условием отсутствия теплового заполнения соседних энергетических уровней в точке. Кроме того, для приборных применений не должно быть дефектов и дислокаций, а также существенной скорости интерфейсной рекомбинации. Синтезированный массив квантовых точек должен быть плотным, чтобы обеспечить необходимое усиление, и однородным, так как сильные флуктуации размеров приведут к уширению спектра. Важным условием является также возможность матрицы обеспечить протекание тока и сбор носителей в квантовые точки.

Ко времени начала работы квантовые точки создавались путем травления структур с квантовыми ямами, роста на профилированных подложках или в стеклянных матрицах. Все эти методы приводили к созданию квантовых точек, которые не удовлетворяли перечисленным требованиям, что полностью исключало приборное применение. Задача получения структур с квантовыми точками совместимых с современной технологией полупроводниковых приборов обусловила необходимость синтеза структур с трехмерным ограничением носителей заряда непосредственно в процессе эпитаксиального роста, оптимизации технологических режимов их выращивания, исследования энергетического спектра, структурных и физических свойств.

Таким образом, данная диссертационная работа, впервые посвященная решению всего комплекса перечисленных проблем, является актуальной как с научной, так и с практической точки зрения.

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ. Цель работы состояла в создании научных основ и разработке воспроизводимой технологии получения структур с квантовыми точками непосредственно в процессе эпитаксиального выращивания полупроводниковых материалов с рассогласованием параметров решетки для научных исследований и применений в полупроводниковых инжекционных лазерах.

Для достижения указанной цели решался следующий комплекс задач:

Е исследование начальных стадий гетероэпитаксии систем с различающимися параметрами решетки;

Ш оптимизация технологических режимов получения однородного массива когерентных островков непосредственно в процессе эпитаксиального выращивания;

■ разработка технологии выращивания массивов вертикально-связанных квантовых точек;

И исследование структурных и оптических характеристик квантовых точек;

■ исследование энергетического спектра квантовых точек;

■ исследование процессов рекомбинации и релаксации носителей в квантовых точках;

в исследование характеристик инжекционных лазеров на квантовых точках;

И оптимизация конструкции структуры инжекционных лазеров на квантовых точках.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ.

1. Впервые показано, что на стадии субмонослойного покрытия арсенида галлия арсенидом индия образуются стабильные упорядоченные поверхностные структуры типа квантовых проволок.

2. Впервые экспериментально показано, что существуют равновесные форма и размеры самоорганизующихся квантовых точек и определены технологические режимы выращивания равновесных квантовых точек.

3. Впервые продемонстрирована высокая эффективность излучательной рекомбинации и возможность быстрой энергетической релаксации носителей в самоорганизующихся квантовых точках.

4. Впервые исследован эффект вертикального самосовмещения квантовых точек и предложен и реализован метод синтеза трехмерных массивов квантовых точек.

5. Впервые реализованы инжекционные лазеры на квантовых точках и продемонстрированы их преимущества перед существующими лазерами на квантовых ямах.

Таким образом, разработана воспроизводимая технология получения структур с размерным квантованием в трех измерениях в процессе выращивания методом МПЭ, на основе которой созданы научные основы развития нового поколения инжекционных лазеров.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ

1. Результаты исследований процессов роста в системах с рассогласованием параметров решетки, позволившие решить проблему синтеза плотных массивов равновесных квантовых точек непосредственно в процессе эпитаксиального выращивания.

2. Метод прямого получения двумерных и трехмерных массивов квантовых точек с заданными свойствами.

3. Конструкция и технология получения инжекционных лазеров на квантовых точках.

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийских и Международных конференциях и симпозиумах:

22, 23 Международных конференциях по физике полупроводников (Ванкувер, Канада, 1994 г.; Берлин, Германия, 1996 г.)

8, 9 Международных конференциях по молекулярно-пучковой эпитаксии (Осака, Япония, 1994 г.; Мапибу, США, 1996г.)

VIII, IX Международных симпозиумах по МПЭ (Сьерра Невада, Испания, 1995 г.; Оксфорд, Великобритания, 1997 г.)

Международных симпозиумах "Наноструктуры: Физика и Технология (Санкт-Петербург, 1995,1996,1997 гг.)

Международной школе по приборам на основе низкоразмерных полупроводниковых структур (Созопол, Болгария, 1995 г.)

2, 3 Российских конференциях по физике полупроводников (Зеленогорск, 1996 г., Москва, 1997 г.)

23 Международном симпозиуме по полупроводниковым соединениям (Санкт-Петербург, 1996 г.)

Осенних и Весенней Международных конференциях Общества исследования материалов (MRS) (Бостон, США, 1995 г., 1997 г.; Сан-Франциско, США, 1996 г.) Ежегодной конференции общества "Лазеры и электро-оптика" (LEOS) (Сан-Франциско, США, 1997 г.)

Результаты исследований опубликованы в 50 статьях.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Формирование массива самоорганизующихся квантовых точек InAs в матрице GaAs.

1.1. Механизмы эпитаксиального роста.

В литературе описано три возможных механизма эпитаксиального роста: послойный, или Франка-ван-дер-Мерве (ФМ), островковый, или Волмера-Вебера (ВВ),и островковый совместно с послойным, или Странски-Крастанова (СК). Важность проблемы выявления механизма эпитаксиального роста для определенной системы материалов обусловлена как необходимостью определения оптимальных условий роста, так и совершенствованием представлений о процессе эпитаксиального выращивания, что позволит прогнозировать синтез разных типов структур.

Какой механизм эпитаксиального роста будет реализован для данной системы материалов, будет определяться энергетическими факторами, связанными с границей раздела и рассогласованием параметров решетки. Если постоянная решетки выращиваемого материала и подложки совпадают, то островки будут образовываться при условии, что поверхностная энергия подложки меньше суммы энергии границы раздела и поверхностной энергии эпитаксиального слоя. Изменения этого энергетического соотношения могут приводить к переходу от ВВ к ФМ механизму, иными словами, реализация одного из этих механизмов роста будет определяться тем, смачивает ли эпитаксиальный слой подложку или нет.

В случае гетероэпитаксии систем с различающимися параметрами решетки, на начальной стадии рост происходит послойно, но с увеличением толщины слой накапливает большую упругую энергию и системе становится выгодно уменьшить свою полную энергию путем формирования изолированных островков, в которых напряжения релаксируют путем образования дислокаций несоответствия на границе раздела. В этом состоит суть эпитаксиального роста, описываемого механизмом Странски-Крастанова в системе с рассогласованием параметров решетки.

Однако, чрезвычайно важным с точки зрения синтеза самоорганизующихся квантовых точек является тот факт, что в случае эпитаксиального роста полупроводников с различающимися параметрами решетки (Ge/Si, InAs/GaAs и др.) существует интервал

7

толщин эпитаксиального слоя, когда рост островков происходит когерентно, то есть без образования дислокаций несоответствия. Таким образом, существует критическая толщина образования дислокаций несоответствия, которая превосходит критическую толщину, соответствующую началу островкового роста. Возможность образования когерентных островков при эпитаксиальном росте в рамках механизма СК была объяснена упругой деформацией непосредственно вблизи островков, частично компенсирующей рассогласование решеток [5 ].

В ходе настоящей работы был проведен комплекс исследований эпитаксиального роста (1пОа)Аз на ОаАэ на стадиях послойного и островкового роста. В результате были выявлены основные закономерности формирования квантовых точек с помощью эффекта самоорганизации, т.е. синтеза когерентных наноразмерных островков при контролируемом осаждении материала с различающимися параметрами решетки.

1.2. Свойства слоев 1пОаАв на поверхности ваАБ на этапе, предшествующем формированию когерентных островков.

На самых ранних этапах осаждения (толщина ЬАэ менее 1.5 монослоев, Ine.5Gao.5As менее 3 монослоев) исследования морфологии поверхности в процессе эпитаксии методом дифракции быстрых электронов (ДБЭ) указывают на пленарный фронт и отсутствие структурных трансформаций поверхности роста. Однако исследования оптических [1] и структурных [2] свойств таких слоев, зарощенных арсенидом галлия, дают возможность выявить существенные различия в случае субмонослойных и монослойных покрытий.

В структурах с эффективной толщиной 1пАв менее одного монослоя наблюдается исключительно высокая эффективность люминесценции [3,4], чрезвычайно малая полуширина пика (менее 0.15 мэВ (4.2К) [5,6]), ярко выраженная оптическая анизотропия и отсутствие заметных изменений свойств при длительных прерываниях роста [1,4]. В случае, когда эффективная толщина осажденного 1пАз превосходит 1 монослой, эффективность люминесценции падает, ширина пика возрастает, анизотропия оптических характеристик значительно уменьшается, и прерывания роста приводят к существенным изменениям в спектре [1,4].

Сопоставление с данными сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) [6*] и просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) [2] позволяет сделать вывод, что уже

на этапе субмонослойных покрытий молекулы 1пАя на поверхности ОаАэ образуют структуры типа цепочек и их распределение исключительно однородно в плоскости роста [4,6]. Образование таких поверхностных структур энергетически выгодно, и они стабильны во времени. С другой стороны, монослойные покрытия 1пАэ являются нестабильными с тенденцией к образованию двух типов поверхностных структур: стабильных субмонослойных покрытий и макроскопических кластеров. В этом случае в области кластеров может происходить локальная релаксация напряжения с образованием дефектов [1].

Нами было показано, что по этой причине, ¡пАзЛЗаАв сверхрешегка, образованная субмонослоями ГпАв демонстрирует значительное улучшение интенсивности излучательной рекомбинации по сравнению как с твердыми растворами ЫЗаАэ, так и со сверхрешетками 1пАв/ОаА8, образованными монослоями 1пАб [3,4].

Таким образом, уже на самых ранних стадиях эпитаксии 1пАз образует на поверхности ОаАв упорядоченные структуры типа квантовых проволок. Значительное возрастание энергии связи экситона, обнаруженное в подобных структурах, не может быть объяснено в предположении однородного покрытия 1пАб и может возникать только вследствие четко выраженной модуляции потенциала в плоскости роста [7,8,9].

1.3. Энергетические факторы, обусловливающие формирование упорядоченного массива квантовых точек.

Когда толщина напряженного эпитаксиального слоя превосходит критическую толщину послойного роста, происходит формирование когерентных напряженных островков, расположенных на тонком сплошном "смачивающем" слое (СС), согласно механизму СК. Образование островков приводит, с одной стороны, к уменьшению упругой энергии, а с другой, к возрастанию поверхностной энергии по сравнению с послойным ростом. При этом упругая энергия пропорциональна объему островка, а поверхностная энергия - его площади поверхности. Если размер островка превысит определенное критическое значение, то его дальнейший рост становится энергетически выгодным, и в условиях прерывания эпитаксиального роста, размеры больших островков должны увеличиваться за счет меньших. Таким образом, должен иметь место существенный разброс размеров островков, что не соответствует экспериментальным данным. Наоборот, для островков, полученных в процессе роста СК, характерно довольно

9

РОССИЙСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ БИБЛИОТЕКА

узкое распределение по форме и размерам [9,10,1!], что не является следствием СК роста самого по себе. Кроме того, в ходе работы обнаружено, что при определенных условиях для когерентных островков 1пАз характерно пространственное упорядочивание в плоскости роста [10].

Для объяснения полученных экспериментальных результатов нами была теоретически рассмотрена возможность спонтанного образования упорядоченного массива напряженных когерентных островков [2]. Было показано, что мин�