Прямое получение полупроводниковых квантовых проволок и точек методом молекулярно-пучковой эпитаксии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

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

На правах рукописи

ЕГОРОВ Антон Юрьевич

Прямое получение полупроводниковых квантовых проволок и точек методом молетсулярно-пучковой эпитаксии

(01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 19Э6

Ь .1

> АПР Ш6

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

Научный ¿<уководитель:

доктор физико-математических наук

КОПЬЕВ П.С.

Официальные оппоненты:

доктор Физико-математических наук

профессор

доктор Физико-математических наук

ПИУТИН А.Н., ТРАВНИКОВ В.В.

Ведущая организация: Институт аналитического приборостроения РАН.

Защита диссертации состоится /в/ШМ 1996 г. на

заседании специализированного совета К 003.23.01 при Физико-техническом институте им.А.Ф.ИоФФе РАН по адресу: 194021, Санкт-Петербург', Политехническая ул., 26.

С диссертацией 1-ожпо ознакомиться в библиотеке института. Отзывы па автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по вышеуказанному . адресу ученому секретарю специализированного совета.

Автореферат разослан

/2 мрем

1996 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат Физико-математических наук

Куликов Г.С.

Общая характеристика работы. Актуальность работы. Создание и исследование полупроводниковых готероструктур с ограничением носителей более ' чем в одном направлении, квантовых проволок и точек, является в настоящее время актуальной задачей с точки зрения как изучения фундаментальных свойств систем с пониженной размерностью, так и их возможных приборных применений . Такие структура обладают уникальными, свойствами и' использование этих свойств обещает существенно улучшить рабочие характеристики широкого класса приборов 113-

Для того чтобы полностью реализовать преимущества гетероструктур с квантовыми проволоками или точками, необходимо научиться создавать плотные однородные массивы указанных объектов, иначе , неоднородное укгрение может полностью ликвидировать преимущества пониженной размерности.

К настоящем!' времени выделились два направления: искусственное создание структур подобного Tima, с использованием пред- или постростовой обработки, или использование эффектов спонтанного, формирования наноструктур на поверхности кристаллов с последующим их заращиванием. В настоящее время спонтанно образующиеся упорядоченные наноструктуры, имевдие периодичность намного больше, чем параметр кристаллической решетки, рассматриваются как наиболее обещающий путь для создания квантовых проволок и квантовых точек. В основе этого лособа лезгит использование эффектов, возникающих на начальной стадии гетероэпитакеш в системах с большим рассогласованием параметров решетки, таких как InAs-GaAs, либо на микроскопически упорядоченных поверхностях. Таким образом, работа в данном направлении позволяет исследовать фундаментальные процессы при гетерогпитаксии материалов рассогласованных но параметру решетки, создать новый класс квантоворазмерных приборов, что является весьма актуальной задачей.

К тому же указанный выше способ является прямым способом получения квэнтоворззмерных структур (за один эпитаксиальный процесс), в отличие от способов использующих пред- и постростовую обработку и несколько этапов эпитаксиалького Енращивэния и,

следовательно, долае" позволить существенно повысить надежность и воспроизводимость получения приборов.

Основная цель данной работы - исследование явлений с^пон;Г5Тшого~оЗразования наноструктур на поверхности кристаллов при молекулярнс-пучковой эпитаксии в системе соединений и

создание на основе этих эффектов квантово-рззмэрных

гетероструктур с ограничением носителей более чем в одном измерении.

На завету выносятся оледуадиз положения:

1. Метод создания массива изолированных квантовых проволок (КПр) в системе СаАБ/А1Аз на фа се тиров энной поверхности подложи Сале (311).

2. Метод "субмонослойной эпитаксии", т.е. создание гетеростуктур на основе равновесных субмонослойных покрытий при работа в сильно напрятанных системах, таких как 1пА5:-СаАз, позволяющий значительно повысить эффективность излучательной рекомбинации по сравнение с традиционным методом непрерывного осаждения.

3. Метод создания гетероструктур с ограничением носителей во всех трех измерениях, основанный на явлении трансформации упругенапрязкенного слоя (1п,Са)Аз на поверхности йаАБ в иассив трехмерных островов , обладающих высоким структурным совершенством и висско.-, эффективностью излучательной рекомбинации.

4. Изменяя ростовые условия , а также количество осажденного (1п,Са)лБ, можно целенаправленно влиять на размер и форму трехмерных островов и их люминесцентные свойства. Существуют оптимальные диапазоны ростовых условий, при которых удается добиться максимальной однородности и высокой плотности массива квантовых точек.

Научная новизна и практическая значимость работы заключаются в той, что в ней исследовчш особенности псевдоморфного гетерсзпитаксиальног-о роста в системе материалов (1п,Са,А1)Аз на подложках СаАс.Установлено, что при осаждении слоев с высокой мольной долой 1п реализуются два различные механизма роста: послойный рост и рост с образованием трехмерных островков. Выбор

механизма роста определяется толщиной слоя содержащего 1п, а также условиями осаждения. Показано, что не все слои 1пЛз в области послойного роста являются равновоснь&ш. Установлено какие слои можно считать равновесными и предложен новый метод создания псевдоморфных гетероструктур 1пСаАз на основе осавдения равновесных "субмонослойных" покрытий, позволяющий значительно повысить эффективность излучательной рекомбинации. Впервые продемонстрировано,' что трехмерные острова, образующиеся в результате трансформации упругонапряиенного слоя 1пАз, после превышения критической толщины слоя, упорядочены не только по размеру и форме, но и по взаимному расположению, образуя примитивную квадратную решетку. Установлена взаимосвязь меяду структурными и люминесцентными свойствами этих островов и определен спектральный "допазон излучения, показано,что массив этих островов мозто считать массивом квантовых точек (КТ). Впервые определен равновесный размер КТ. Определен оптимальный диапазон ростовых условий, позволяющий создавать однородные массивы КТ высокого структурного совершенства и большой плотности 10**см? Продемонстрирована лазерная генерация с пониженной температурной зависимостью порогового тока (полученная характеристическая температура Т0= 350К принципиально не достижима для лазеров на квантовой яме).

Предложен и реализован способ получения изолированных КПр на упорядоченных микроскопически фасетированных поверхностях.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались на 7-м Международном сгиотозиуме по молекулярно-пучковой эпитаксш (Взрдонегашя, Италия, 7-11 Марта 1993), 8-й Международной конференции по молекулярно-пучковой эпитаксш (Осака, Япония, 29 августа-2 сентября 1994 г.', 22-й международной конференции по полупроводникам (Ванкувер, Канада, 1994 ), Международном симпозиуме "Наноструктуры: физика и технология" (Санкт-Петербург, Россия, 26-30 Июня 1995 г.)

Публикации. Научные результаты опубликованы в 17 печатных работах в научных журналах и материалах конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит страниц текста, рисунков и список литературы из 45 наименований. Содержание работы.

Во введении обоснована актуальность теш, сформулирована цель работы и изложены основные положения,выносимые на защиту.

Первая глава носит обзорный характер. В ней рассмотрены существующие к настоящему времени способы получения квантоворазыерных объектов с размерностью ниже чем два, указаны их особености и недостатки. Показано, что прямое получение КПр и КТ методой МПЭ является наиболее перспективный с точки зрения создания совершешшх одномерных объектов.

Далее изложены основные механизмы роста, реализующиеся при типичных условиях МПЭ. Показано,■ что при гетероэпитаксии в системах с большим рассогласованием параметров крист а лличе с кой решетки на поверхности кристалла могут образовываться трехмерные островки.

Реализация этого эффекта на практике позволила создавать массивы обьектов с квантоворазмерным ограничением во. всех трех направлениях. Приведены результаты, достигнутые в этом направлении к настоящему времени. В заключении главы рассмотрено явление упорядоченного микрифасетирования поверхности и приведены результа- ы исследований'процесса роста методой МПЭ на поверхности СаАБ (311).

Во второй главе приведет описание установки, на которой производилось выращивание гетероструктур, ростовых методик и методов анализа полученных образцов.

Третья глава посвящена результатам исследования особеностей эпнтаксиального выращивания тонких псевдоморфных слоев 1пАв на поверхности С ад г,, с докритическими толщинами (до 1.5 монослоев). Система 1пАз-ОаЛБ характеризуется Оолытш рассогласованием параметров кристаллической решетки "1%. Возникающая, вследствие этого, дополнительная энергия упругого взаимодействия приводит к значительному изменению механизма роста по сравнении с выращиванием в ненапряженных системах, например, в таких как

AlAs-GaAs.

Результаты исследования сводятся к следующему: I.Слои InAs на поверхности GaAs с ориентацией (100) толщиной менее 1мс стабильны во время остановок роста и обладают черезвычайно однородным распределением InAs по поверхности крх!сталла,

2. Слои InAs с толщиной в интервале 1мс - 1.5 мс подвержены трансформации во время остановок роста и, следовательно, не являются равновесными при данных условиях. Время прихода этих слоев в равновесное состояние ""1000 секунд.

3. Результатом трансформации является образование слоя InAs

о

толщиной ~ IA и массива островков высотой 1-2 монослоя.

4. Причиной трансформации, очевидно, являются упругие напряжения

возникающие в псевдоморфном слое и повывающие поверхностную энергию

системы. Поэтому система стремится прийти в более энергетически

выгодное положение (равновесное) во время остановки роста за счет

перераспределения InAs на поверхности кристалла.

о

5. Временная стабильность слоя InAs толщиной IA говорит о том, что равновесное распределение в покрытйи такой толщины достигается за время выращивания.

о

6. Появление покрытия InAs толщиной 1А в результате трансформации одного монослоя указывает на то, что такое покрытие наиболее энергетически выгодное. Очевидно, при более высокой степени заполнегчя слоя энергия упругого взаимодействия резко возрастает.

7. Из анализа интегральной интенсивности ФЛ можно заключить, что эти островки, возникащг-з в результате трансформации, свободны от дислокаций, которые являются эффективными центрами безызлучательной рекомбинации.

На основе описанных выше результатов исследований предложен и реализован новый метод зпитаксиального выращивания гетероструктур на основе напряженных слоев (In.Ga)As, основанный на замене твердого раствора InGaAs "субмонослойной" сверхрешеткой TnAs/GaAs, позволяющей значительно повысить интенсивность фотолюминесценции из квантовой ямы, а также реализовать сверхтонкие

квантоворазмерше слои с высокой однородностью по среднему составу и эффективной толщине, суть которого изложена во втором разделе третьей л авы. Для выявления преимуществ данного способа выращивания было проведено сравнеше люминесцентных свойств структур с различными типами активного слоя, содержащего 1п.

При замене в квантовой яме GaAs/InQ ^gGa0 gKAs/GaAs тройного

раствора на "субмоносдойную" сверхрешетку InAs(1 A)/GaAs(6 А) было обнаружено значительное (приблизительно в 20 раз при 77 К) увеличение интенсивности фотолюминесценции. Наиболее вероятной причиной улучшения люминесцентных свойств является снижение плотности центров безызлучательной рекомбинации, связанных с дефектами в неоднородно напряженном слое InGaAs даяе с докритической толщиной.

В четвертой главе приведены результаты исследования явления

трансформации слоев (In,Ga)As и InAs в массив трехмерных островков

яг поверхности GaAs (100). Это явление самоорганизации поверхности

можно использовать для прямого получения КТ в одностадийном

эпитаксиальном процессе. При характерной толщине псевдоморфкого

слоя InAs I.6-1.7 монослоя, происходит переход к процессу роста,

описываемому моделью Странского-Крастанова, т.е. моделью роста

когерентных островов. В результате мы шеем на поверхности GaAa

о

массив трехмерных островков InAs с размерами 80-200А по основанию о

и 30-90А по высоте. Если зарастить полученный массив островов врсенидои галля, то благадаря их характерным размерам, ш получаем массив 0-мерных объектов, т.е. с квантово-размерным ограничением во всех трех измерениях, так называемых КТ ,

КТ на основе InAs и InGaAs были выращены методом МПЭ на подложках GaAs (100). Их развитие во время роста контролировалось методом дифракции быстрых электронов ка отражение. После заращивашя точе:. прикрывающим слоем, структуры исследовались методами просвечивающей электронной микроскопии и фотолюминесценции.

Исследования с псиотаьг метода дифракции быстрых электронов (ДВЭ) показали, что критическая толщина перехода к росту по СК

уменьшается от 3 до 1.7 ыонослоев при увеличении мольной доли 1пАз в ШСаАз от 0.5 до I. ,4 — " Т

<0СН> <ОЦ)

<0Ш>

<004>

ИапрвьлиниЕ на БлижайшмЕ ,00пт

СОСЕДНИЕ КТ, ГРАД.

а -V

Г" :

и. е '

^ г- ' «. '

;^, <

4

-а-.

Рис.1. ПЭМ микрофотография массива КТ 1пАз на поверхности СаАэ (100) и гистограмма, демонстрирующая упорядочивание КТ по их взаиморасположению.

Исследования подобных структур с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) высокого разрешения действительно обнаруживают существоваше на поверхности СаАп массива островов, размеры которых указаны в нижеследующей таблице.

На основании ПЭМ-микрофотографий установлено, что точки имеют форму пирамида с квадратным основанием, основные оси которого определяются двумя ортогональными к <100>

направлениями.

К тому же отмечено, что точки упорядочены в ряды вдоль тех же направлений, что и оси основания,образуя тем самым примитивную

квадратную решетку. Результаты статистического анализа взаимного расположения КТ образующихся при осаждении 4 мс 1пАб приведены на рис Л.

Толщина Мольная Размер Высота, Примечание

осажденного доля основания, та

слоя, 1пАв км

монослои

3.3 0.5 6 собраны в агломераты

7.3 0.5 12-15 7-8 четкая пирамид, форма

2 1 8 форма плохо _различима

3 1 10-14 неоднородность выше чем при '4 мс

4 1 11-14 6-7 четкая пирамид, форма

Во втором разделе данной главы сообщается о результатах исследованияя влияния температуры подложи на процесс трансформации слоев (1п,Са)Аз. Установлено, что увеличение мольной доли 1п поникает критическую температуру, ниже которой явление трансформации слоев в массив трехмерных островов не наблюдается. Для слоев 1п0 5Сац 5Аб " критическая температура 430°С, для 1п0 6Са0 дАз - 320°С."

В третьем разделе главы приведены результаты исследованиям влияния давления Ас на размеры и форму КТ.

Известно, что изменение условий роста в технологии МПЭ приводит к изменению поверхностной реконструкции растущего слоя и изменению вследствие этого .поверхностной энергии, а образование точек напрямую связано с энергетическими процессами на поверхности. Такт образом, изменение ростоЕых условий должно приводить к модификации процесса образования точек.

Рис.2 показывает влияние изменения давления мышьяка на процесс образования точек. При давлении Ав 2*10-6 Тор,, * температуре подложки 480С ш получзем массив точек высокой плотности

(1011см 2). Если незначительно менять давление Лз в пределах - 50% от этой величины, то массив точек остается стабильным.

Подавление образования КТ на поверхности больше острова 1пАз ~ 100 нм

Значительное уменьшение размера КТ и плотности массива Падение интенсивности ФЛ

11

Плотный массив КТ ~ 1С см

Уменьшение размера КТ и плотности массива Падете интенсивности ФЛ Ухудшение однородности массива

Подавление процесса образования КТ, на поверхности острова ~ 100 нм, излучения от которых не наблюдается

Рис.2. Спектры ФЛ иддюстг-ирухяпив влияние давления Аз на процесс образования КТ.

1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 ЭНЕРГИЯ ФОТОН А, Э!

Увеличение и уменьшение давления Аз в несколько раз относительно оптимального давления приводит к образованию незоскопических поверхностных структур с размерами порядка ЮООА. Т.о. существует оптимальный диапазон давлений Ав.

В четвертом разделе приводятся результаты исследования влияния прерываний роста на процесс образования КТ.

Мы обнаружили, что для разного количества осажденного материала без ростовых прерываний, точки имеют отличные размеры (скорость роста 1пЛб ~ 0.1 мс/с. ). Мы обнаружили, что введение ростовых прерываний 40 сек (10 с. ) после осаждения 1пАз толщиной 2.3 ыс (3 мс) приводит к изменению размера КГ; за это время КТ достигают размера, который соответствует размеру КТ, йолучаемых при осаждении 4 мс' 1пАв без остановок роста. Увеличение времени ростовых прерываний не приводит к дальнейшему изменению размера. Образование больших кластеров и дислокаций в данном случае не наблюдалось. Точки, возникающие при осавдении 2 мс 1пАс достигают того же размера при введении более длительных остановок роста ~ 100 с. Таким образом, вЗхияние длительности прерывания процесса выращивания на размер точек указывает на то, что массивы КТ, возникающие при осаждении 1пАз толщиной менее 4 мс (при давлении Аь 2*10_6Тор , температуре подложки 480-450°С), не являются равновесными при данных условиях. Отсутствие видоизменения КТ при эффективной толщине осажденного ХпАэ 4 мс, а такие тот факт, что КТ, возникающие при меньшей толщине слоя 1пЛз, при введении ростовых прерываний приобретают размер, соответствующий 4 мс, указывают на то, что массив КТ, возникающий при осавдении'4 мс, является равновесным , -а точки, составляющие этот массив, имеют равновесную форму и размер, что согласуется с результатами теоретического моделирования 121. При этом КТ испытывают не только упорядочение по форме и размерам, но и по взаимному расположению на поверхности, образуя квадратную решетку.

. В пятом разделе обсуждаются причины возникновения упорядоченного массива КТ.

Существуют два возможных механизма снятия упругих напряжений при гетероэпитаксиальном росте материалов с большим рассогласованием параметров решетки - это упругая релаксация с трансформацией плоской поверхности, либо образование дислокаций. Наши экспериментальные результаты показывают, что в случае выращивания квантовых точек (Гп,Са)А5 на поверхности . (100)

арсензда галия снятие упругих напряжений идет по первому пути с образованием упорядоченного массива квантовых точек. Из анализа интегральной интенсивности ФЛ (дислокации являются эффективными центрами безизлучательной рекомбинации и приводят к резкому падению интенсивности ФЛ), а также на основе ГШ высокого разрешения ми мояем говорить сб • отсутствии образования дислокаций.

В шестом разделе глазы приведены результаты исследования гетероструктур с квантовыми точками методом катодолюмипесценции высокого разрешения. Линия люминесценции полушириной 40-70 мэВ при локальном возбуждении структуры электронным пучком превращается в серка сверхузких (менее 0,2 мэв) линий люминесценции, происходящих из отдельных квантовых точек, и сохраняющих свою полушрину при повышении температуры . Этот результат является прямым спектроскопическим доказательством дельтаобразной функции плотности состояний в квантовых течках.

Седьмой раздел главы посвящен исследованию оптического диапазона излучения гетероструктур с напряженными квантовыми точками 1пАз в йакв..

Энергетическое положение максимума линии ФЛ при 77К как футщия количества осажденного материала приведено на рис.3.

Экспериментальные данные сравниваются со значениями энергия перехода меаду основными состояниями электронов и тяяслах- дырок, рассчитанными в предположении двумерного распределения того же количества .материала <Э1п(квантовая яма СаАз/ЗлАз/СаАз). Отчетливо видно, что как только имеет место формирование трехмерных островков 1пАз, энергия пика становится значительно меньше расчетной. Энергетическая • разница превысает 100 мэВ. Последующее увеличение эффективной толщины осажденного 1пАе более 2.7 МС не приводит к дальнейшему сдвигу максимума излучения к энергиям, меньшим чем ~ 1.1 эВ, зависимость испытывает насыщение. Подобный эффект наблюдается и при комнаткой температуре , где энергия излучения не опускалась низе ~ I зВ. Полученные дяктше, описывающие зависимость спектрального положения линии АЛ в исследованных стуктурах с массивами квантовых точек 1пАя от ,

1пАв

д ^о.ззш.

ш\ У Л 1 М1.

ГЖ\\ —' 1.67 М1.

ш ил\—~— 2.33 М1.

Ш \\\ ЗМ1,

'II \\ 3 33 М1

У"-- 4 33 М1

' 6М1.

0.9 1.3 1.7

Энергия фотона ЭВ

Рис.3.Спектры ФЛ массивов КТ,образованных при осавдении различного количества 1пАг. (С^дЬ и спектральное положение максимума ФЛ в зависимости от Сплошной линией соединены точки, вычисленные

в предположении двумерного осавдения материала.

могут быть объяснены в рамках следующей модели. При увеличении <31пАз имеет место увеличение среднего размера островов 1пАз . Это приводит к смещению максимума совокупной плотности состояний (СПС) массива КТ в сторону меньших энергий. Сдвиг максимума СПС с увеличением размера КТ приводит к соответствующему сдвигу линии ФЛ, что наблюдается при 51пДд в диапазоне 1.7 - 2.7 МС. По мере приближения в величине 4 МС, массив КТ все более

блигок равновесному. При этом в общем ансамбле КТ все больше доля равновесных КТ. И, очевидно, с величины <31пАз 2.7 МС эта доля настолько велика, что Начинает играть решающую роль в излучении ансамбля КТ, т.к. равновесные КТ являются самыми большими из массива, их энергетическое состояние расположено на нипкоэнергетичном краю СПС и при умеренных плотностях возбуждения они иносят основной вклад в люминесценцию. Дальнейшее увеличение

<31пд5 до 6 МС приводит к возникновению в островах дислокаций и к резкому падению в них излучателыгой рекомбинации.

Следующий раздел главы посвящен исследовашю излучательшх характеристик полупроводниковых гетеролазероз с массивом КТ в качестве активной области.

Оптимизация режимов выращивания позволила достичь генерации с пороговыми плотностями тока ниже I кА/см2 в структурах с длинным резонатором , что позволяет надеяться на практическое применение лазеров подобного типа в ближайшем будушем. Исследования показали воспроизводимое наличие в спектрах только одной или. двух продольных мод резонатора при длине резонатора, не превышающей 250 мкм. В то же время в спектрах наблюдалась поперечная неодномодовость волновода, закономерная для такой конструкции лазера. Одномодовый режим генерации сохранялся до мощности ' излучения 22 мВт.

Обнаружено, что пороговые характеристики превышают ожидаемые, в основном за счет существования каналов ' безызлучателыгой рекомбинации. С другой стороны, достигнутая высокая воспроизводимость одномодового режима генерации позволяет рассчитывать, что структуры подобного типа могут послужить основой для создания нового поколения мощных инжекционных лазеров, лазерных линеек и матриц с узким спектром излучения.

В пятой главе описывается способ получения изолированных квантовых проволок на микроскопически упорядоченной фасетированной поверхности -(311). Предложен метод создания изолированных квантовых проволок и точек на фасетированной поверхности (311) путём внедрения небольшого количества узкозонного материала в достаточно узкий барьерный слой широкозонного материала, разделяющий два слоя узкозонного материала. В случае пленарного роста это практически не приводит к изменению свойств структуры. Если же выращивание осуществляется на фасетированной поверхности, атомы узкозонного материала могут собираться в микрсклзстеры и конгломераты кластеров (рис.4 ) с формой, обусловленной геометрией фасетированной поверхности. Эта кластеры оказывают влияние на энергетические уровни электронов и дырок близлежащих слсёв

ЯШ

1.500 1.600 1.700 иоо СаАЗ Энергия фотона, эВ Рис.4. Схематическое изображение процесса выращивания структуры с квантовыми кластерами на подложке (311). (а) Формирование корругированного слоя СаАв, покрытого А1Аг>. (б) Осаждение кластеров СаАз на гофрированную прверхность А1Ав. (в) Кластеры СаЛБ зарощены А1Аб и на поверхности А1Аб сформирован слой СаАв. Спектры ФЛ: (а) спектр ФЛ структуры с кластерами, выращенной на подложке (311), (а*)- на (100). Линия I соответствует излучению экситонов короткопериоднсй СР, линия 2 - излучению экситонов ДКЯ, линии 3 и 4 - излучению экситонов, локализованных длинными и короткими кластерами соответственно, (б) спектр ФЛ структура также выращенной на подложке (311) и имеющей ту же геометрию что и исходная, но у которой кластеры СаАэ в центральный барьер А1Аб не внедрялись. Линия I* соответствует излучению экситонов короткоперйодной СР, 2*- экситонов ДКЯ. На вставке представлено схематическое изображение зонной диаграммы структуры с квантовыми кластерами: 1,11 сверхрешётки СаАз/АХАэ, III- две квантовых ямы СаАа шириной по 45А, разделённые барьером А1Аб шириной ЗОА, IV-деухэнгстремиый слой вале.

узкозонного материала, что может привести к появлению состояний, локализованных в одном или нуле измерений. При опредслёгашх условиях выращивания на тагах поверхностях методом МПЭ могут быть получены упорядочение массивы изолированных квантовых кластеров. Путём изменения условий роста или геометрических параметров (температуры подложки; времени прерывания- роста; доли поверхности, покрытой кластерами; ширины дзойного слоя СаАс; периода ограничивающей CP и т.д.) молено получать спределёшше типы кластеров (длинные, короткие кластеры, конгломераты кластеров) и реализовать существенную модификацию спектра ФЛ рис.4. Линия, соответствующая длинным кластерам, доминирует в спектре ФЛ вплоть до больших плотностей возбуждения и высоких температур наблюдения.

В заключении сформулированы основные результаты работы, которые состоят з следующем:

1. Исследован процесс выращивания сверхтонких напряженных гетероструктур в системе материалов InAs-GaAs.

2. Установлено, что покрытия InAs толщиной менее I монослоя на поверхности Gals (100) являются равновесными. При более толстых покрытиях слои InAs подвержены временной трансформации, при температуре выращивания, приводящей к образованию поверхостных кластеров InAs.

3. Показано,что равновесные слои InAs обладают наивысшей эффективностью излучательной рекомбинации.

4. Предложен и реализован козий метод эпитаксиального выращивания напряженных гетероструктур в системе (In.Ga)As , заключающийся в-попеременном ' субноноелойном осаздении равновесных слоев InAs и GaAs, позволяющий реализовать псевдоморфные квактово-размерные слои с исключительной однородностью по составу и толщине и высокой . эффективностью излучательной рекомбинации.

5. На основе исследования процессов выращивания гетероструктур методом субмонослойной зпитаксии, реа.чизован лазер с субмонослойной активной областью (InGa)As, обладающий низкой пороговой- плотность» тока SO А/си2 при ЗООК.

6. Реализован новый способ получения квантовых точек (In,Ca)As в матрице GaAs непосредственно в едином процессе эпитаксиального

выращивания, основанный на трансформации упруго-напряженного слоя в массив трехмерных островов.

7. Исследовано влияние параметров роста на процесс ' формирования трехмерных.островов и их люминесцентные свойства

и предложены оптимальные режимы выращивания их однородных массивов.

8. Впервые наблюдалась лазерная генерация при оптической и инжекционной накачке с использованием в качестве активной среды массива квантовых точек. Температурная зависимость лазерной генераций через состояния квантовых точек описывается высокой характеристической температурой 350К.

9. Получены одномерные квантовые кластеры на поверхности (311) СаАв, которые можно рассматривать как массив изолированных квантовых проволок.

10. Исследозано влияние ростовых параметров на тип одномерных кластеров и рщенткфидаровзны ргзличиые типы кластеров. Разработаны пригасили конструирования гетероструктур с квантовыми кластерами на поверхности СаАв (311).

11. Обнаружено, что квантовые кластеры ПаАа, полученные на поверхности (311), обладают высокой эффективностью излучательной рекомбинации влоть до высоких плотностей возбуждения и высоких температур.

Т.о. в работе исследованы процессы самоорганизации поверхности при эпитаксиальноы выращивании гетероструктур методом МПЭ , такие как

- снятие упругих напряжений при гетероэпитаксиальном росте материалов с большим рассогласованием параметров решетки через механизм упругой, релаксации и образование новых поверхостных структур,

- трансформация плоской поверхности с высокими индексами Миллера в более энергетически выгодный однородный массив фасеток,

и па основе этих явлений созданы гетероструктуры (1п,Са,А1)Аз с квэнтоворазмерными объектами с ограничением носителей более в одном измерении, т.е., так называемые, квантовые проволоки и квантовые точки.

Осноьное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. II. N. Ledentsov, S. V. Ivanov, V. !.!. Ustinov, I. G. Tabatadzs,

A. E. Zhul'.ov, B. Ya. Meltser, M. V. Maksimov, A. Yu. Egcrcv, and P. S. Kop'ev, Isolated quantum wires directly grown by MBE on (311) nuri'ace, Extended Abstracts of the 7t"n European Workshop on 1to- lecular Beam Epitaxy,March 7-11,(1993, Bardonecchla, Italy), p.Pc2

2. А.Ю.Егоров, А.Е.Жуков, П.С.Копьев, Н.Н.Леденцов. М.В.Максимов,

B.М.Устинов, Вырэщивзше квэнтово-размерных гетеросгруктур (In,Ga)As/GaAs- методом осаздения "субыонослойных" папрякешшх слоев InAs, ФТП, т.28, В.4, с. 604-610 (1994)

3. А.Ю.Егоров, А.Е.Жуков, П.С.Копьев, Н.Н.Леденцов, М.В.Максимов, В.М.Устинов, Влиягние условий осгздения на процесс формирования квантовых мастеров (In,Ga)As в матрице GaAs,

ФТП т.28 вып.8 стр. 1439-1444 (I9S4)

4. Н.Н.Леденцов, В.М.Устинов, А.Ю.Егоров, А.Е.Жуков, М.В.Максимов, И.Г.Табатадзе, П.С.Копьев, Оптические свойства гетероструктур с квантовыми кластера!ли InGaAs-GaAs,

ФТП Т.28 вып.8 стр. 1483-1487 (1994)

5. М.В.Мзксимоз, А.Ю.Егоров, А.Е.Жуков, С.В.Иванов, П.С.Копьев, Н.Н.Ледснцоз, Б.Я.Мельцер, И.Г.Табатадзе,.В.М.Устинов, Оптические исследова1Шя GaAs/AlAs структур с изолированными квантовыми кластерами GaAs, выращенных на поверхности с высокими индексами Миллера, ФТП т.286 вып.6, стр. 1046-1054 (I9S4)

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

7. N.N.Ladentgov, P.D.Wang, C.M.Sotomayor-Torres, A.Yu.Egorov,-M.V.Maksimov, V.M.Ustinov, A.E.Zimkov and P.S.Kop'ev,

Optical spectroscopic studies of InAs layer transformation on Г,аЛз surfaces, Phys. Rev. B, v.50 Ho 16 pp.12171-12174 (1994)

8. P.D.Wang, N.H.bedentsov, C.M.Sotonnyor Torres, P.S.Kop'ev, A.Yu.Egorov, V.M.Ust'inov, A.Pakhomov, and I.N.Yaselevich, Optical properties and resonant luminescence in InAs monolayers

grown in a GaAs matrix on (100) and high Index surfaces,

22 Int. Conf. on the Physics oi Semiconductors, August 15-19,

1994, Vancouver, Canada, Abstracts, p.TuP-12450.

9. P.D.Wang, N.N.Ledentsov, C.M.Sotomayor-Torres, I.N.Yassievich, A.Pakhomov, A.Yu.Egorov, P.S.Kop'ev, and V.M.Ustinov, Magneto-optical properties in ultrathin InAs-GaAs quantum wells, Phys. Rev. B, v.50, No.3, pp. 1604-1610 (1994)

10. M.Grundmann, N.N.Ledentsov, R.Heitz, L.EcKey, J.Christen, J.Bvhrer, D.Bimberg, S.S.Ruvimov, P.Werner, U.Richter, J.Hcydenreich, V.M.Ustinov, A.Yu.Egorov, A.E.Zhukov, P.S.Kop'ev, and Zh.I.Alferov, InAs/GaAs quantum dots radiative recombinations lroxn zero-dimensional states,

Phys.Stat.Solidi. (b) 188, pp.249-258 (1995)-

11. M.Grundnmann, J. Christen, N.N.Ledentsov, J.Bohrer, D.Bimberg, S.S.Ruvimov, U.Richter, P.Werner, U.Gosele, J.Heydenreich, V.M.Ustinovs A.Yu.Egorov, A.E.Zhukov, P.S.Kop'ev, and Zh.I.Alferov Ultranarrow luminescence lines from singlequantumdots,

Phys.Rev.Lett., v.74, p.4043 (1995)

12. D.Bimberg, M.Grundnmann, N.N.Ledentsov, S.S.Ruvimov, J.Heydenreich, U.Richter, V.M.Ustinov, A.Yu.Egorov, A.E.Zhukov, P.S.Kop'ev, and Zh.I.Alferov, Self-organization processes in MBE grown quantum dot structures, Thin.Solid.Films, 267,pp.32-35(1995).

13. S.S.Ruvimov, P.Werner,K.Scheerschmidt, U.Gosele, J.Heydenreich, U.Richter, N.N.Ledentsov, M.Grundmann, D.Bimberg, V.M.Ustinov, A.Yu.Egorov, P.S.Kop'ev, and Zh.I.Alferov, Structural characterization of (In,Ga)As quantum dots in GaAs matrix, Phys.Rev.B, v.51, No.20, pp.14766-14769 (1995)

14. S.S.Ruvimov, P.Werner, K.Scheerschmidt, UiRichter, U.Gosele, J.Heydenreich, N.N.Ledentsov, M.Grundmann, D.Bimberg, V.M.Ustinov, A.Yu.Egorov, P.S.Kop'ev and Zh.I.Alferov.TEM/HREkTcharacterization of self-organized (In,Ga)As quantum dots,Inst.Phys.Conf.Ser.(1995)

15. V.U.Ustinov, A.Yu.Egorov, A.E.Zhukov, N.N.Ledentsov, • A.V.Lunev, S.V.Zaitsev, N.Yu.Gordeev, M.P.Soshnokov, and

P.S.Kop'ev, Single-mode operation of injection lasers based on (In,Ga)As quantum dots, VIII European Workshop on MBE,Sierra

Nevada, Granada, Spain, 22-24 March 1995, pp.149-150.

16. Zh.I.Alferov, D.Bimberg, A.Yu.Egorov, A.E.Zhukov, F.S.Kop'ev, N.N.Ledentsov, S.S.Ruvlmov, V.U.Ustinov, J.Heydenreich, Strained subraonolayer heterostructures and quantum dot heterostructures, Uspehi Pizicheskih Nauk 165, p.224 (1995).

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

Литература

11 ] Y.Arakawa, H.Sakaki, Multidimensional quantum well laser and dependence of its threshold current, Appi.Phys.Lett, v.40, No.11, pp. 939-941 (1982).

[23 V.A.Shehukin, N.N.I.adentcov, F.S.Kop'ev, and D.&imberg, Spontaneos odering of arrays of coherent straind Islands, Phis.Rev.Lett., v.75, No.16, pp.2968-2971 (1995).

Отпечатано в типографии ПИЯФ

Зак. 169, тир. 100, уч.-изд. л. 1; 15/Ш-1996г. Бесплатно