Создание и исследование наногетероструктур в узкозонных системах на основе арсенида индия тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ
|
Романов, Вячеслав Витальевич
АВТОР
|
||||
|
кандидата физико-математических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Санкт-Петербург
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2013
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.10
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
На правах рукописи
/Г?
РОМАНОВ Вячеслав Витальевич
Создание и исследование наногетероструктур в узкозонных системах на основе арсенида индия.
(01.04.10 - Физика полупроводников)
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
г я ноя 2013
Санкт-Петербург 2013 г.
005540673
005540673
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Физико-техническом институте имени А.Ф. Иоффе Российской академии наук
Научный руководитель: д.ф.-м. н., вед. научн. сотр., Моисеев Константин Дмитриевич
(Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-техническом институте имени А.Ф. Иоффе Российской академии наук)
Официальные оппоненты:
д.ф.-м.н., проф., Иванов - Омский Владимир Иванович, (Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-техническом институте имени А.Ф. Иоффе Российской академии наук)
д.ф.-м.н., проф., Сидоров Валерий Георгиевич, (Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский Государственный Политехнический университет")
Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)"
Защита состоится 19 декабря 2013 г. в 11-30 на заседании диссертационного совета Д 002.205.02 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Физико-техническом институте имени А.Ф. Иоффе Российской академии наук по адресу 194021, Санкт-Петербург, ул. Политехническая д. 26.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе Российской академии наук.
Автореферат разослан 18 ноября 2013 г.
Ученый секретарь диссертационного совета,
совета Д 002.205.02 ^ —'
д.ф.-м.н., проф. Сорокин Л.М.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы.
Наногетероструктуры в узкозонных полупроводниковых системах на основе соединений 1пАэ привлекают пристальный интерес исследователей тем, что на их базе могут быть созданы как источники, так и приемники излучения для средней инфракрасной (ИК) области спектра 2-5 мкм. Данный спектральный диапазон актуален для задач лазерной диодной спектроскопии газов и молекул, систем лазерной дальнометрии, волоконных линий связи третьего поколения, медицинских применений, а также для систем обнаружения взрывоопасных материалов и задач экологического мониторинга, поскольку в области длин волн 25 мкм располагается большинство линий поглощений промышленных и природных газов: метан (2.3 мкм, 3.3 мкм), углекислый газ (2.65 мкм, 4.27 мкм), угарный газ (2.34 мкм, 4.67 мкм), аммиак (2.25 мкм, 2.94 мкм) и другие неорганические и органические вещества [1,2]. Как правило, гетероструктуры включают в себя эпитаксиальные слои различных полупроводниковых материалов, которые могут отличаться шириной запрещенной зоны, показателем преломления и т.д., что открывает новые возможности для улучшения характеристик оптоэлектронных приборов. Мировое признания ключевого вклада гетероструктур в прорывные технологии и в современное развитие науки и техники было отмечено присуждением Нобелевской премии академику Ж.И. Алферову в 2000 году [3].
Современное развитие технологий наращивания полупроводниковых соединений, таких как газофазная эпитаксия из металлоорганических соединений (МОГФЭ) и молекулярно пучковая эпитаксия (МПЭ) расширило материальную базу для получения гетероструктур. Данные технологии позволяют создавать наногетероструктуры на основе рассогласованных по параметру кристаллической решетки эпитаксиальных слоев, что дает мощный импульс в создании оптоэлектронных приборов, содержащих множественные квантовые ямы и сверхрешетки. На примере источников когерентного излучения в диапазоне длин волн 1-2 мкм было показано [4], что применение квантовых ям и сверхрешеток, по сравнению с объемными слоями, обеспечивает улучшение характеристик лазера. Необходимость в создании высокоэффективных приборов среднего ИК-диапазона 3-5 мкм, работающих при комнатной температуре, стимулировала ряд новых физических подходов к конструкции активной области светоизлучающей структуры путем применение нанообъектов пониженной размерности таких, как квантовые нити, квантовые штрихи или квантовые точки. На сегодняшний день достигнуты значительные успехи в получении и исследование гетероструктур с квантовыми точками в системах 1пАя/СаАя и 1пАз5Ь/1пР [5,6]. На основе данных
наногетероструктур были созданы лазеры, работающие в режиме непрерывной генерации в диапазоне дайне волны 1.3-2 мкм с низким пороговым током при комнатной температуре.
Для продвижения в область спектра свыше 3 мкм необходимо использовать в качестве матричных слоев узкозонные полупроводниковые материалы такие, как ваБЬ и МАв. Однако до настоящего времени на основе наногетероструктур с квантовыми точками в узкозонных системах ШБЬ/ОаБЬ и ¡пЗЬ/ГпАв оптоэлектронные приборы не были созданы. Наиболее длинноволновой из упомянутых систем является система ЬйЬЛпАв, в которой квантовые точки ГпБЬ образуют с матричным слоем 1пАв гетеропереход II типа [7]. Поэтому, особый интерес представляет разработка технологии получения наногетероструктур с объектами пониженной размерности (квантовыми точками, квантовыми штрихами и др.) в узкозонных системах на основе соединений 1пАз. Также, актуальным является изучение структурных, транспортных и люминесцентных свойств полученных наногетеротсрутур для создания светоизлучающих приборов среднего ИК-диапазона свыше 3 мкм.
Цель работы. Целью настоящей работы являлись разработка технологии эпитаксиального синтеза методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений наногетероструктур II типа в узкозонной системе твердых растворов на основе арсенида индия для возможного применения их в создании оптоэлектронных приборов спектрального диапазона 3-5 мкм. Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:
- разработка технологии выращивания бинарных (¡пАв, Са5Ь), тройных (1пА.ч8Ь, ОаБЬАБ) и четверных (1пАэ5ЬР) твердых растворов методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений и получение эпитаскиальных слоев ОаБЬАз и ТпАвБЬР предельного состава, изопериодных с подложкой 1пАв;
- исследование структурных, гальваномагнитных и люминесцентных свойств полученных гетероструктур II типа ОаБЬАз/ЬгАв и установление их зонных энергетических диаграмм;
- разработка технологии получения квантовых штрихов и квантовых точек 1пБЬ на поверхности матрицы бинарного 1пАб и многокомпонентного твердого раствора 1пАз8ЬР;
- исследование влияния технологических условий выращивания, химии поверхности матрицы на плотность, размеры и геометрию формы квантовых объектов;
- изучение электролюминесцентных свойств полученных гетероструктур на основе квантовых объектов в узкозонной матрице и создание прототипа
светоизлучающего прибора, работающего в области свыше 3 мкм при комнатной температуре.
Научная новизна.
1. Впервые получены эпитаксиальные слои ОаБЬ^АЗх, изоморфные с подложкой 1пА5(001), в диапазоне составов 0.06<х<0.35 методом МОГФЭ при атмосферном давлении.
2. Был предложен оригинальный качественный подход при расчете зависимостей положения потолка валентной зоны и дна зоны проводимости от состава тройного соединения с учетом прогибов в валентной зоне и зоне проводимости для тройного твердого раствора ОаБЬАэ, определен коэффициент прогиба (Ь=1.42 сУ) для зависимости ширины запрещенной зоны тройного твердого раствора Са8Ь]_хАзх от состава при Т=17 К и построена зонная энергетическая диаграмма гетероструктуры ОаАзБЬЛпАз.
3. Определена область составов тройного твердого раствора ОаБЬ^хАБх (0<х<0.15), при котором гетеропереход II типа Оа8ЬьхА5х/1пАз является разъединенным, и установлено существование на гетерогранице электронного канала с высокой подвижностью электронов (и=2000 см"2/В-с при Т=77К).
4. Разработана технология получения эпитаксиальных слоев четверного твердого раствора ЫАбБЬР, изоморфных с подложкой 1пА5(001), с максимальным содержанием фосфора в твердой фазе, которые могут выступать в качестве матричных слоев для квантовых точек и квантовых штрихов 1пБЬ.
5. Впервые получены квантовые точки и квантовые штрихи 1пБЬ на поверхности 1пАк(001) с плотностью до 7х109 см"2 методом МОГФЭ в условиях атмосферного давления.
6. Исследовано влияние условий процесса эпитаксии (скорости осаждения, температуры подложки, и т.д.) на плотность, размеры и геометрию форм квантовых точек 1пБЬ.
7. Определены факторы влияющие (определена роль поверхностной диффузии адатомов) на эффект самоорганизации квантовых точек на поверхности 1пА8(001) и оценено влияние химии поверхности 1пА5(8Ь,Р) на характер формирования квантовых точек.
8. Впервые наногетероструктуры II типа на основе квантовых штрихов 1п5Ь, помещенных в матрицу 1пА5(8Ь,Р), были получены методом МОГФЭ. Практическая ценность работы:
• Разработана методика получения тройного твердого раствора СаЗЬАя на подложке 1пАз методом МОГФЭ;
• Впервые разработана методика получения квантовых точек 1п5Ь на поверхности матрицы 1пА5(8Ь,Р) методом МОГФЭ;
• В наногетероструктуре с квантовыми штрихами 1п5Ь, помещенными в матрицу п-1пА5, при комнатной температуре обнаружена электролюминесценция на длине волны 3.65 мкм, обусловленная излучательными переходами с участием локализованных состояний квантовых штрихов, что позволило использовать их для создания прототипа светоизлучающего прибора для среднего ИК-диапазона.
На защиту выносятся следующие научные положения:
1. Гетеропереход Са5Ь]_хА5х/1пА8 является разъединенным II типа в области составов тройного твердого раствора 0<х<0.15, где на одиночной гетерогранице р-ОаБЬьхАвх/р-ЫАз существует полуметаллический канал, в котором подвижность электронов, локализованных в самосогласованной квантовой яме на интерфейсе со стороны 1пАз, меняется с 2000 см2/Вс до 350 см2/В-с в зависимости от увеличения содержания мышьяка в тройном твердом растворе.
2. Эпитаксиальные слои в системе твердых растворов 1пА5(1_у_Х)БЬуРх, изоморфные с подложкой ГпАв, могут быть получены во всем интервале существования составов 0<х<0.7 и х/у=2.6 при наращивании методом МОГФЭ при низких температурах (менее 510°С) с использованием третбутиларсина как источника мышьяка в газовой фазе.
3. Массивы квантовых точек 1п8Ь с поверхностной плотностью до 7><109 см"2 и средними размерами 4 нм в высоту и 20 нм в основании образуются на поверхности узкозонной матрицы на основе соединений 1пАз при наращивании методом МОГФЭ при условии реализации эффекта самоорганизации согласно механизму Срански-Крастанова.
4. Состав узкозонной многокомпонентной матрицы на основе эпитаксиальных
слоев йгАвБЬР, изоморфных с подложкой ¡пАв, при заданной ориентации
(001) наряду с условиями эпитаксиального роста определяет характер формирования объектов пониженной размерности 1п5Ь. Поверхностная плотность квантовых точек, изменение геометрии квантовых точек и
трансформация квантовых штрихов в квантовые точки обусловлены
доминирующим механизмом формирования данных объектов (Вольмера-
Вебера или Странски-Крастанова).
Апробация работы. Результаты работы докладывались на следующих всероссийских и международных конференциях: The 14th International Conference of Metalorganic Vapor Phase Epitaxy (ICMOVPE-14), (Metz, France 2008); 7th International Conference on Semiconductor Micro- and Nanoelectronics (ICSMN-2009), (Yerevan, Armenia, 2009); 14th International Conference on Narrow-Gap Semiconductors and Systems (NGS-14), (Sendai, Japan, 2009); The 16th International Conference on Crystal Growth (ICCG-16), (Beijing, China, 2010); The 10th International Conference on Mid-Infrared Optoelectronics: Materials and Devices (MIOMD-X), (Shanghai, China, 2010); Intern. Sci.-Tech. and Appl. Conf. on opto-nanoelectronics and renewable energy sources, (Varna, Bulgaria, 2010); 7th International Conference on Low Dimensional Structures and Devices (LDSD 2011), (Telchac, México, 2011); 4th International conference on NANO-structures SElf-Assembly (NanoSEA 2012), (S. Margherita di Pula, Italy, 2012); The 11th Biennial Conference on High Resolution X-Ray Diffraction and Imaging (XTOP 2012), (Saint-Petersburg, Russia, 2012); 9th International Conference on Semiconductor Micro- and Nanoelectronics (ICSMN-2013), (Yerevan, Armenia, 2013); 20th International Conference on Electronic Properties of Two-Dimensional Systems (EP2DS20) and 16th International Conference on Modulated Semiconductor Structures (MSS16), (Wroclaw, Poland, 2013), 21st Annual International Conference on Composites or Nano-Engineering (ICCE-21), (Tenerife, Spain, 2013), XI Российская конференция по физике полупроводников «Полупроводники-2013», (Санкт-Петербург, 2013).
Публикации. Основные результаты проведенных исследований опубликованы в 6-ти печатных работах в изданиях, рекомендованных ВАК, и 13-ти публикациях в материалах всероссийских и международных конференций, список которых приведен в конце диссертации.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Она состоит из 173 страниц текста, 70 рисунков, 10 таблиц список литературы из 142 работ.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность исследований, проведенных в данной работе, сформулирована ее цель, изложены основные результаты работы и представлены к защите научные положения.
Первая глава носит обзорный характер и посвящен литературным данным по достижениям в области создания наногетероструктур II типа в узкозонных системах на основе твердых растворов арсенида индия. Подчеркнута перспективность создания наноструктур с квантовыми точками в системе
InSb/InAs. В параграфе 1.1 рассмотрена возможность получения эпитаксиальных слоев твердых растворов в системах In-As-Sb-P и Ga-In-Sb-As, согласованных по параметру решетки с подложкой InAs, которые могут быть использованы в качестве матричных слоев для нанообъектов (квантовых нитей, квантовых штрихов, квантовых точек) на основе InSb. Далее, в параграфе 1.2, было уделено внимание механизмам формирования трехмерных островков в гетеросистемах, рассогласованных по параметру кристаллической решетки. На примере гетеросистем InAs/GaAs и Ge/Si рассмотрены закономерности зарождения островков, которые определяются балансом поверхностных энергий осаждаемой пленки и подложки на границе раздела пленка-подложка, а также зависят от внутренней энергии объема островка и объема осаждаемого материала. Разрастание островков может происходить в направлении последовательного изменения формы кластера от простой пирамиды к сложной куполообразной с более высоким значением отношения высоты к размеру основания островка. Отмечено, что если рост протекает по механизму Странски-Крастанова, то роль упругих деформаций и их релаксация в островках становится доминирующей над тенденцией их коалесценции, вплоть до установления квазиравновесного состояния, в котором нанобъекты достигают определенных размеров и формы [8]. Более пристальное внимание эффекту самоорганизации при формировании объектов пониженной размерности было удалено в параграфе 1.3, где приведен обзор работ посвященных формированию наноостровков InSb в матрице InAs. Показано, что при стандартном процессе наращивания узкозонных материалов на основе соединений InSb как методом МПЭ, так и методом МОГФЭ плотность массивов когерентных квантовых точек на поверхности InAs не превышало 6х109 см"2. Только применение специальных методик выращивания, таких как усовершенствованная миграционная эпитаксия в методе МПЭ или попеременное осаждение InSb в методе МОГФЭ [9,10], позволяли получать массивы квантовых точек с большей плотностью (1010-10п см"2). В свою очередь использование достаточно простого и недорогого метода жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) дает возможность получать массивы квантовых точек InSb на подложке InAs с начальной плотностью Ю10 см"2 [11]. В параграфе 1.4 была рассмотрена возможность формирования гетеропереходов II типа в системах твердых растворов In-As-Sb-P и Ga-In-Sb-As, отличительной особенностью которых является пространственное разделение электронов и дырок и их локализация в самосогласованных квантовых ямах на гетерогранице. Установлено, что гетеропереход GalnAsSb/InAs в изопериодных гетероструктурах будет ступенчатым для составов четверного твердого раствора, близких к InAs, и
разъединенным для составов, близких к ОаБЬ. Однако до настоящего времени детальных исследований одиночных гетеропереходов ОаБЬАз/ЬгАз на основе тройных твердых растворов, которые также могут быть разъединенными, не проводилось. Актуальность исследования соединения ОаБЬАз заключается в том, что он является предельным по составу для системы твердых растворов (ЗаБЬ-ГаАз, изопериодных подложке ¡пАв, с максимальным значением ширины запрещенной зоны, и образует гетероструктуру I типа в системе квантовых точек СаЗЬАвЯпБЬ, близкую к зонной диаграмме системы ОаЗЬЛпЯЬ. Также, показана актуальность использования в качестве матричного слоя четверного твердого раствора 1пАз8ЬР, так как применение данного соединения позволяет управлять энергетической диаграммой наногетероструктур на основе квантовых точек ¡пБЬ.
Вторая глава является методической и содержит описание технологии получения методом МОГФЭ бинарных (¡пАв, ОаБЬ), тройных (1пАв8Ь, СаБЬАз) и четверных (ЫАбБЬР) твердых растворов [А1,А14]. В параграфе 2.1 приведено описание экспериментальной установки МОГФЭ. Основные особенности осаждения полупроводниковых соединений из газовой фазы с мегаллоорганическими соединениями в горизонтальном реакторе при условии атмосферного давления представлены в параграфе 2.2. Рассмотрено влияние динамики газового потока в реакторе на процесс кристаллизации полупроводникового соединения. Предварительно проведена оценка влияния температуры в реакторе на процесс эпитаксиального роста. В параграфе 2.3 представлены материалы для эпитаксиального наращивания методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений, используемые в данной работе. Традиционными источниками третей группы для роста эпитаксиальных слоев на основе ОаБЬ и 1пАя являются триметилгалий (ТМСа), триэтилгалий (ТЕОа), триметилиндий (ТМ1п) и триэтилиндий (ТЕ1п). В нашей работе мы применяли в качестве источника галлия ТЕ(За, так как парциальное давление паров триэтилгаллия меньше по сравнению с ТМОа и слабо зависит от температуры источника, что облегчает контроль количества ТЕОа, поступающего в реактор. В качестве источника индия применялся ТМ1п, поскольку по сравнению с ТЕ1п триметилиндий менее склонен к образованию паразитных реакций с гидридными газами в реакторе МОГФЭ атмосферного давления.
В параграфе 2.4 приведены основные результаты по наращиванию ваБЬ и ¡пАэ, где оценивалась влияние температуры эпитаксии и состав газовой фазы (соотношение реагентов пятой к третьей группе), напускаемых в реактор, на скорость роста и морфологию поверхности бинарных соединений. Были определены оптимальные условия роста данных бинарных соединений.
Исследования зависимости скорости роста InAs от температуры показали, что применение третбутиларсина (tBAs) в качестве источника мышьяка позволяет эффективно осаждать бинарное соединение при более низких температурах эпитаксии (Т<500 °С), чем в случае, когда в качестве источника пятой группы используется арсина (AsH3). Надо заметить, что при заращивании наноразмерных объектов (квантовых точек, квантовых штрихов и др.), обогащенных InSb, для предотвращения их деформации необходимы низкие температуры осаждения матричного слоя. В параграфе 2.5 экспериментально оценено влияние состава газовой фазы, соотношения реагентов пятой к третьей группе, напускаемых в реактор, и температуры эпитаксии на скорость роста и состав тройных твердых растворов GaAsSb и InAsSb. Было показано, что расчеты, выполненные на основе термодинамической модели, позволяют предсказать состав твердых растворов InAs^xSbx и GaSbi_xAsx, полученных при температурах роста, близких к 600 °С при условиях значительного преобладания концентрации компонентов пятой группы над третьей (V/III>10). Определены условия ввода поправок, учитывающие неполное разложение источников роста при низких температурах осаждении, а также особенности геометрии реактора в случае, когда отношение V/III в газовой фазе близко к единице.
В параграфе 2.6 показана возможность получения эпитаксиальных слоев в системе твердых растворов InAsi_y_xSbyPx, изоморфных с подложкой InAs, во всем интервале существования составов 0<х<0.7. Изучено влияние состава газовой фазы, содержащей TMIn, TMSb, РН3, AsH3 или tBAs, и температуры эпитаксии на состав эпитаксиального слоя InAsSbP. Отмечено, что содержанием фосфора в твердой фазе можно эффективно управлять путем изменения количества tBAs в газовой фазе при фиксированных потоках TMSb и РН3, при этом соотношение Sb/P в твердой фазе оставалась практически постоянным, то есть параметр кристаллической решетки четверного твердого раствора менялся не значительно за счет эффекта самоорганизации соединения, изоморфного с подложкой InAs. Контролируемое дозирование мышьяка при его достаточно низкой концентрации в твердой фазе объясняется отсутствием паразитных реакций с участием tBAs и эффективным разложением данного металлоорганического соединения при низких температурах эпитаксии по сравнению с гидридными соединениями мышьяка (AsH3). В результате, эпитаксиальные слои твердого раствора InAsSbP с высоким содержанием фосфора (х>0.5) были получены в режиме планарном 2Е)-роста.
Третья глава посвящена исследованию структурных и люминесцентных свойств эпитаксиальных слоев GaSbAs, выращенных на подложке InAs,
определению зависимости ширины запрещенной зоны полученного тройного твердого раствора от состава, а также, исследованию гальваномагнитных свойств гетерострукгур II типа р-ОаЗЬАз/рЛпАв и установлению зонной энергетической диаграммы гетероперехода ОаЗЬАзЛпАБ [А2,АЗ]. В параграфе 3.1 представлены результаты анализа структурного качества твердых растворов ОаЗЬ^АБ* (х<0.35), полученных методом МОГФЭ. Было показано, что кристаллическое совершенство эпитаксиальных слоев ОаЗЬ^хАвх сохранялось для составов в Рис.1 Фотолюминесцентные спектры интервале 0.04<х<0.15. Достаточно эпитаксиальных слоев Оа»,^
хорошее качество данных тройных твердых растворов ОаБЬАз было подтверждено результатами исследований фотолюминесцентных свойств (параграф 3.2). Спектры фотолюминесценции (ФЛ) эпитаксиальных слоев ОаБЬ^Авх для составов х<0.15 (Аа/а<0.5%) при Т=17 К содержали одиночную узкую (Р\¥НМ=16 мэВ) полосу излучения в интервале энергий фотона 0.5-0.8 эВ, максимум которой смещался в сторону меньших энергий с увеличением содержания мышьяка в твердом растворе, что отвечало уменьшению энергии ширины запрещенной зоны эпитаксиального слоя (рис.1). С возрастанием рассогласования более 0.5% в диапазоне значений 0.5%<Да/а<1%, в спектре ФЛ появляется вторая полоса излучения, которая может быть приписана рекомбинационным переходам на глубокие акцепторные состояния УСаОа5Ь, что обусловлено наличием большого количества структурных дефектов, возникающих в результате сильного напряжения в эпитаксиальном слое ОаЗЬАв. Основываясь на результатах исследований ФЛ, при математическом описании зависимости ширины запрещенной зоны от состава твердого раствора ОаБЬ^уАвх (параграф 3.3) был определен коэффициент прогиба зависимости Ь=1.42 еУ при низких температурах Т<20 К, что хорошо согласуется с данными (1.43 еУ), полученным другими авторами [12].
Параграф 3.4 посвящен исследованию транспортных свойств одиночных изотипных гетероструктур р-ОаЗЬ^хАвх/рЛпАз. На рисунке 2 представлена зависимость холловской подвижности от содержания мольной доли мышьяка в тройном твердом растворе Оа5Ь|.хА8х. Из рисунка видно, что для составов х<0.15 наблюдались отрицательные значения холовской подвижности до 2000 см2/В-с,
что было обусловлено существованием электронного канала на гетерогранице p-GaSbi_xAsx/p-InAs. Ранее электронный канал в структурах на основе материалов с дырочным типом проводимости наблюдался в разъединенных гетеропереходах II типа p-GalnSbAs/p-InAs [13]. При этом он был частью полуметаллического канала,
который возникал благодаря
пространственному разделению
электронов и дырок и их локализации в самосогласованных потенциальных ямах по обе стороны одиночной гетерограницы. С возрастанием количества мышьяка в тройном твердом растворе GaSbi_xAsx величина холловской подвижности по
абсолютному значению падала и при значениях х>0.15 в гетероструктуре р-GaSbi_xAsx/p-InAs начинала преобладать дырочная проводимость. Наблюдаемая смена знака холловской подвижности происходит за счет исчезновения полуметаллического канала на гетерогранице, вследствие трансформации гетероперехода II типа от разъединенного к ступенчатому.
В параграфе 3.5 был предложен новый подход к расчету зонного спектра тройного твердого раствора GaAsSb с учетом прогибов на зависимостях энергетических зон от состава. Было показано, что зависимость положения дна зоны проводимости тройного твердого раствора отлична от линейной зависимости и имеет прогиб с параметром bc=0.85, а величина прогиба для потолка валентной зоны bv=0.58 эВ была почти в полтора раза меньше. Полученная величина
соотношения bc/bv хорошо согласуется с результатами расчетов, выполненных с использованием аппроксимации локальных плотностей. На основании выполненного моделирования была продемонстрирована трансформация гетероперехода GaSbi-xAsx/InAs (рис.3). Было установлено, что одиночные гетероструктуры GaSbi-xAsx/InAs в интервале составов х<0.15 представляют собой разъединенные
As composition X
Рис.2 Изменение холловской подвижности от состава тройного твердого раствора в гетеропереходе p-Ga Asi .xSbx/p-In As.
-4.2 • -4,4. — -4.6
S
О)
Ф -5,0
с
LU
-5,2 -5.4 -5,6
свь
-__£B_<,___ ^CBZ
EC(lnAs)
VB
VBZ VBE
0.0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0.6 0.7 0,8 0,9 1,0 As composition X
Рис.3 Расчетные зависимости положения дна зоны проводимости и потолка валентной зоны тройного твердого раствора Оа5Ь1_хАзх от состава
гетеропереходы II типа.
Четвертая глава посвящена изучению гетероструктур, содержащих наноразмерные объекты (квантовые точки и квантовые штрихи) 1пБЬ как
наращенные на поверхности матрицы, так и помещенные в матрицу на основе соединений, обогащенных арсенидом индия [А4-А19]. В начале данной главы основное внимание было уделено исследованию влияния
технологических условий роста (состава газовой фазы, температуры эпитаксии, времени напуска реагентов ТМ1п и ТМ8Ь в реактор) на формирование квантовых точек и квантовых штрихов 1пБЬ как непосредственно на поверхности открытой подложки ЫАэ (001), так и на заранее наращенных эпитаксиальных слоях 1пАз (параграф 4.1) и ЫАбЗЬР (параграф 4.2). Исследование форм, размеров и плотности массивов квантовых штрихов 1п8Ь осажденных на бинарной поверхности 1пА& методом МОГФЭ показало, что в узкозонной системе 1п8Ь/1пАз поверхностные кинетические процессы, играющие основную роль в эпитаксиальном росте квантовых штрихов 1п8Ь, зависят от качества поверхности данной матрицы. Если осаждение идет непосредственно на открытую подложку, то в качестве центров кристаллизации в основном выступают дефекты решетки, распределенные на поверхности подложки. При осаждении 1п8Ь на предварительно наращенный слой центрами кристаллизации выступали упорядочено расположенные моноатомные ступеньки эпитаксиального слоя. Квантовые штрихи формировались в условиях, когда диффузия адатомов по поверхности матричного слоя доминировала, над скоростью объемной диффузии через приповерхностный слой (рис.4). Средние линейные размеры штрихов составляли 500 нм в длину, 150 нм в ширину и 50 нм в высоту. При этом наблюдалась ориентация их в плоскости матрицы в одном из направлений [110], которое могло не совпадать с направлением потока газовой фазы.
Понижение температуры осаждения 1п8Ь на 20 °С приводило к уменьшению вклада миграции адатомов по поверхности матрицы 1пАб при формировании квантовых штрихов, и плотность штрихов возрастала на порядок (до 4x10Ч см "). Уменьшение диффузионной длины реагентов по поверхности приводило к уменьшению длины штрихов и появлению объектов с малыми размерами. В
Рис. 4 АСМ изображения 10х 10 мкм полученных наноостровков InSb при температуре 440 С и скорости подачи TMIn реактор 8 мкмоль/мин.
результате наблюдалась трансформация квантовых штрихов в квантовые точки (рис.5,а). Гистограммы распределений по размерам квантовых точек 1пБЬ, осажденных на поверхности подложки 1пА8(001), показали, что нет четко выделенного среднего размера островков (рис.6,а). Размеры варьировались от 1 до 35 нм по высоте и от 5 до 100 нм в диаметре основания, а зависимость
максимальных значений. ^^^^^^^^^^ ^
индня атомов сурьмы и фосфора и, тем самым, изменяя поверхностную энергию матрицы, были получены массивы квантовых точек с поверхностной плотностью 7x109 см"2. При этом наблюдалась бимодальность в распределении по размерам: малые и большие точки 1пБЬ присутствовали одновременно на поверхности матрицы
а) б)
Рис.5 АСМ изображения поверхности и профили больших квантовых точек, осажденных на поверхностях InAs а) и InAsSbP б), с поверхностной ориентацией (001).
(рис.5,б), гистограмм определены размеры
Из были средние малых
квантовых точек: 4 нм по высоте и 20 нм в диаметре (рис. 6,6). Наличие четко
а) б)
Рис.6 Распределения по высоте квантовых точек InSb осажденных выраженного на поверхности InAs (001) а) и InAsSbP (001)6).
распределения для
малых квантовых точек InSb свидетельствовало о том, что формирование нанообъектов преимущественно протекало по механизму Странски-Крастанова.
В параграфе 4.3 отмечено различие в геометрических формах больших квантовых точек в зависимости от матричного слоя (см.рис.5). Непосредственно на поверхности InAs формируются квантовые точки с восьмиугольником в основании и с боковыми гранями {111} и {201}.С увеличением высоты островка, верхние части боковых граней начинают формироваться в плоскостях {113} и {307},
соответственно. Отношение высоты к диаметру составляет 1:3. Когда осаждение InSb производилось на поверхность четверного твердого раствора InAsSbP, квантовые точки имели форму усеченной пирамиды с четырехугольником в основании, с боковыми гранями {201} и верхним плато (001). В этом случае отношение высоты к диаметру составило 2:3. Аналогичное поведение в формировании квантовых точек ранее наблюдалось в хорошо изученных системах InAs/GaAs, InAs/InP, Ge/Si [14,15], что подтверждает общность физических подходов при формировании нанообъектов.
В параграфе 4.4 представлены результаты исследований электрических и электролюминесцентных свойств наногетероструктур II типа с квантовыми штрихами InSb, помещенными в матрицу n-InAs. Для изучения была выбрана гетероструктура с квантовыми штрихами, осажденными на эпитаксиальный слой InAs и заращенными покрывающим слоем InAs толщиной порядка 0.4 мкм. Эпитаксиальные слои арсенида индия преднамеренно не легировались. На примере поведения вольтамперных характеристик было показано, что введение
квантовых штрихов InSb в объем матрицы n-InAs вносит существенный вклад в транспортные свойства всей гетероструктуры. Впервые была предложена зонная энергетическая диаграмма наногетероструктуры II рода с квантовыми штрихами InSb, помещенными в матрицу InAs. Возрастание токов утечки было объяснено наличием локализованнго уровня дырок квантовых штрихов InSb, который располагался в запрещенной зоне матричного слоя вблизи дна зоны проводимости InAs. На рисунке 7 штриховой линией изображено предполагаемое расположение уровня размерного квантования для дырок в квантовом штрихе InSb.
Спектры электролюминесценции (ЭЛ) гетероструктуры SN-34/2.2 (см. табл.1), полученные при Т=77 К, при прямом смещении содержали одиночную полосу излучения асимметричной формы с резким высокоэнергетическим краем и затянутым спадом в области низких энергий фотона (рис.8,а). Излучение появлялось при токе накачки 20 мА вблизи Х=3.34 мкм (0.371 эВ). При увеличении приложенного напряжения максимум полосы сдвигался в сторону высоких
ш -
Е 1-V' '-с 7--------------- - Ен
F N к
n*-lnAs n°-lnAs
Рис.7 Схематическая зонная энергетическая диаграмма наногетероструктуры II рода с квантовыми штрихами 1пЗЬ, помещенными в матрицу 1пАз, в термодинамическом равновесии.
энергий фотона до Х=3.20 мкм (0.388 эВ) при токе накачки свыше 100 мА, т.е. наблюдался так называемый «голубой» сдвиг. При обратном смещении (см. рис.8,б) «голубой» сдвиг максимума полосы ЭЛ был значительно меньше: с /1=3.18 мкм (0.390 эВ) до А,=3.15 мкм (0.394 эВ). При обоих смещениях электролюминесценция была положительная, а энергия фотона регистрируемого излучения была меньше ширины запрещенной зоны матрицы (Ес(1пА8)=0.408 эВ при Т=77 К).
Табл.1. Послойный состав экспериментальных структур для исследований электрических и электролюминесценшых свойств._
Подложка Слой 1 Слой 2 Слой 3
8иВ-2 п+-1пАз(100):8 П°-1ПА5 - -
$N-34/2.02 п+-1пАз(100):8 - 1п8Ь ОБИ ПМПАБ
81М-34/2.2 п+-1пАз(100):8 п"-1ПА8 (пБЬ (ЗОЬ п'-ГпАв
Наблюдаемые особенности электролюминесцентных свойств образца БМ-34/2.2 указывают на тот факт, что мы имеем дело с излучательной рекомбинацией на гетерогранице II типа. В данном случае интерфейсные излучательные переходы между электронами из самосогласованной потенциальной ямы на гетерогранице II типа 1п8Ь/1пА$ и локализованными дырочными состояниями в квантовых штрихах 1п8Ь. Различие в ЭЛ при прямом и обратном смещении является следствием неравнозначности слоев матрицы п°-1пАз. Следовательно, условия локализации электронов в самосогласованных потенциальных ямах различаются в зависимости от матричного слоя. В буферном (нижнем) слое изгиб в зоне проводимости арсенида индия вблизи гетерограницы ЫБЬЛпАв может быть меньше, чем в накрывающем (верхнем), в силу специфики формирования интерфейсных деформаций (рис.7). В этом случае, интерфейсная люминесценция при прямом смещении возникает при энергиях фотона меньших, чем при обратном смещении. Сильнолегированная подложка п+-1пАз, которая может выступать в качестве дополнительного инжектора электронов, обеспечивает значительный приток носителей заряда в область рекомбинации, и интенсивность ЭЛ при прямом смещении больше, чем при обратном смещении, что и наблюдалось в эксперименте. Однако при больших уровнях накачки наблюдается насыщение на токовой зависимости интенсивности ЭЛ при прямом смещении, что может быть объяснено существованием дополнительного барьера на пути протекания тока в виде гомоперехода п+-п°, тогда как интерфейсная люминесценция при обратном смещении демонстрировала суперлинейную зависимость.
>
Е 1,5
Т-77К
3000 3500 4000 У/ауе!епд^, пт
60 тА
3000 3500 4000 Wavelength (пт)
а) б)
Рис. 8. Спектры электролюминесценция наногетероструктур II типа с квантовыми штрихами 1п8Ь сформированные в матрице п-1пАэ при а) - прямом и б) - обратном смещении.
Наиболее поразительным фактом было наблюдение ЭЛ в гетероструктуре с квантовыми штрихами 1п8Ь, помещенными в изотипную матрицу пЧпАэ, при комнатной температуре (рис.9). Сравнение спектров ЭЛ образцов полученных в режиме прямого смещения показало, что в одиночной п+-п структуре (5иВ-2) излучение наблюдалось вблизи Х=3.46 мкм, которая соответствует межзонной излучательной рекомбинации в объеме нелегированного эпитаксиального слоя 1пАз с энергией перехода 0.358 эВ. Осаждение квантовых штрихов 1п8Ь непосредственно на гетерогранице п+-1пА8/п°-1пА5 (5Ы-34/2.02) приводило к
2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500
УУауе1епд1Ь1 (пт)
0,06
0,05
Т 0,04
2 0,03 Чо
| 0,02 0,01
0,00
Т=300 к 1=100 тА
¡и
2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 МауЫепд^ (пт)
а) б)
Рис. 9 Спектры электролюминесценция образцов 511В-2 (серая линия), 8Ы-34/2.02 (штрихпунктирная линия), $N-34/2.2 (черная линия) при а) - прямом смещении и б)- обратном смещении.
подавлению люминесценции, тогда как в спектрах электролюминесценции наногетероструктур с нанообъектами сформированными в преднамеренно нелегированной матрице п-1пАз (БЫ-34/2.2) было обнаружено излучение в области длин волн 3.62 мкм (0.3420 эВ).
Интерфейсная природа излучательной рекомбинации в гетероструктурах с нанообъектами 1п5Ь в матрице п-1пА8 подтверждается измерениями ЭЛ при обратном смещении, когда на подложку подается положительный потенциал. Появление положительной люминесценции в образце 5М-34/2.02 с максимумом излучения вблизи /.=3.58 мкм (0.346 эВ) обусловлено асимметрией п+-1пА8/1п5Ь/п°-1пАб гетероструктуры. При данной полярности прикладываемого внешнего электрического поля к разъединенной гетероструктуре II типа п ь-1пА8/1п5Ь/п-¡пАв потенциальная яма для электронов со стороны нелегированного 1пАв заполняется инжектируемыми носителями, которые успешно рекомбинируют на дырочные состояния квантовых штрихов 1п$Ь. В наногетероструктуре с квантовыми штрихами 1пБЬ, помещенными в нелегированной матрице п°-1пА.ч (8Ы-34/2.2), также наблюдается положительная люминесценция вблизи Х=3.58 мкм, которая совпадает с длиной волны излучения для гетероструктуры 8Ы-34/2.02, но отличается от положения пика ЭЛ при прямом смещении. Надо отметить, что для образца 8Ы-34/2.02 разница в положениях пиков ЭЛ наблюдалась также при температуре Т=77 К. Следовательно, природа излучательных переходов для данной наногетероструктуры инвариантна относительно направления потока инжектируемых носителей. Наблюдаемая полоса излучения с энергией 0.342 сУ при температуре 300 К демонстрирует возможность создания светоизлучающих приборов среднего ИК-диапазона (Х>3.5 мкм) на основе наногетероструктур с квантовыми штрихами ЫБЬ, где в качестве матрицы используются узкозонные твердые растворы на основе ¡пАб.
В общем заключении к работе сформулированы наиболее важные результаты проведенных исследований, которые состоят в следующем:
• Разработана технология выращивания бинарных (1пАз, ваБЬ), тройных ([пАэЯЬ, ОаБЬАв) и четверных (ЫАбБЬР) твердых растворов, изопериодного с подложкой ЬъАб, методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений.
• Получены эпитаксиальные слои тройного твердого раствора ОаБЬ^хАвх в интервале составов 0.04<х<0.30. Исследованы структурные, гальваномагнитные и люминесцентные свойства полученных гетероструктур II типа ОаБЬАзЛпАв. Установлено, что твердый раствор ОаЗЬАв,
согласованный по параметру кристаллической решетки с подложкой 1пАз, образует разъединенный гетеропереход II типа Са5Ь|-хАзх/1пЛ8 для составов х<0.15, который становится ступенчатым при х>0.15.
Получены эпитаксиальные слои 1пА8п-у-х)5ЬуРх, изоморфные с подложкой [пАя, во всем интервале существования составов 0<х<0.7 и х/у=2.6 при температуре осаждения 510 °С с использованием третбутиларсина как источника мышьяка в газовой фазе.
Разработана технология получения квантовых точек 1пБЬ на поверхности матрицы бинарного 1пАя и многокомпонентного твердого раствора ЫАзБЬР.
Получены квантовые штрихи (до 4 109 см"2) и квантовые точки (7 109 сш"2) [пБЬ на поверхности 1пАб (001) стандартным методом газофазной эпитаксии из металлорганических соединений в интервале температур 420-440°С.
Исследовано влияние технологических условий выращивания, химии поверхности матрицы на плотность, размеры и геометрию формы квантовых объектов. Обнаружено, что повышение скорости осаждения 1пБЬ приводит к трансформации формы и размеров квантовых штрихов, в результате на поверхности матричного слоя формируются квантовые точки. Установлено, что поверхностные кинетические процессы, играют основную роль в формировании данных нанообъектов.
Получены квантовые точки, формирования которых протекало по механизму Странски-Крастанова на поверхности матрицы [пАя^ЬР). Обнаружено, что форма полученных квантовых точек зависит от состава матричного слоя.
Созданы наногетероструктуры на основе квантовых штрихов, помещенных в матрицу п-1пАз. Исследование электрических и электролюминесцентных свойств показало, что основной вклад в люминесцентные свойства гетероструктуры определяется излучательными рекомбинационными переходами электронов из матрицы 1пАб через разъединенную гетерограницу II типа на дырочные состояния в квантовых штрихах 1п8Ь.
Создан прототип светоизлучающего прибора, работающего в диапазоне длин волн свыше 3 мкм при комнатной температуре.
Основные результаты диссертации опубликованы в работах:
А1. .К Moiseev, V Romanov, Т Voronina, Т Lagunova, М Mikhailova, Yu Yakovlev "Type II GaAsxSb,.x/InAs (x<0.35) heterojunction grown by MOVPE near a miscibility gap of the ternary solid solution" The 14th International Conference of Metalorganic Vapor Phase Epitaxy (ICMOVPE-14), 1-6 June 2008, Metz, France, pp. 245-246 A2. B.B. Романов, К.Д. Моисеев, Т.И. Воронина, Т.С. Лагунова, Ю.П. Яковлев, "Разъединенный гетеропереход П-типа GaSb|.xAsx/InAs (х<0.15): эволюция зонной энергетической диаграммы тройного твердого раствора" ФТП, 2008, т.42, в. 12, с. 1434-143 8.
A3. K.D. Moiseev, V.V. Romanov, T.I. Voronina, T.S. Lagunova, M.P. Mikhailova, Yu.P. Yakovlev "Type II GaAsxSb!_x/InAs (x<0.35) heteroj unction grown by MOVPE near a miscibility gap of the ternary solid solution" // Journal of Crystal Growth 310 (2008) 4846-4849
A4. K.D. Moiseev, V.V. Romanov, M.P. Mikhailova, P.A. Dement'ev, A.N. Titkov, Yu.P. Yakovlev "InSb Quantum dots and quantum dashes grown on InAs-based matrix by MOVPE" // 7th International Conference on Semiconductor Micro- and Nanoelectronics (ICSMN-2009), July 3-5, 2009, Yerevan, Armenia, pp. 172-175 A5. K. Moiseev, E. Ivanov, V. Romanov, M. Mikhailova, Yu. Yakovlev, E. Hulicius, A. Hospodkova, J. Pangrac, T. Simecek "Intense interface luminescence in narrow-gap InAs-based type II heterostructures at room-temperature" // 14th International Conference on Narrow-Gap Semiconductors and Systems (NGS-14), 13-17 July 2009, Sendai, Japan, pp. 24-25
A6. K.D. Moiseev, E. Ivanov, V. Romanov, M. Mikhailova, Yu. Yakovlev, E. Hulicius, A. Hospodkova, J. Pangrac, T. Simecek "Intense interface luminescence in narrow-gap InAs-based type II heterostructures at room-temperature" // Physics Procedia, 3,1189-1193 (2010)
A7. M. Grigoryev, V. Romanov, E. Ivanov, M. Mikhailova, K. Moiseev, "Interface luminescence in InAs-based type II heterostructures" // Annual Proc. of Technical University of Varna, pp.83-87 (2010)
A8. K. Moiseev, Ya. Parkhomenko, V. Romanov, P. Dement'ev, E. Ivanov, M. Mikhailova, "Quantum dots and quantum dashes in narrow-gap InSb/InAs(Sb,P) system", The 16th International Conference on Crystal Growth (ICCG-16), 8-13 August 2010, Beijing, China, p. 103
A9. K. Moiseev, Ya. Parkhomenko, V. Romanov, P. Dement'ev, E. Ivanov, I. Andreev, N. Bert, M. Mikhailova, Yu. Yakovlev, "InSb/lnAs(Sb,P) quantum dot and quantum dash heterostructures for mid-infrared spectral range 3-5 pm", The 10th International
Conference on Mid-Infrared Optoelectronics: Materials and Devices (MIOMD-X), 5-9 September 2010, Shanghai, China, p. 96
A10. M. Grigoryev, V. Romanov, E. Ivanov, M. Mikhailova, K. Moiseev, "Interface luminescence in InAs-based type II heterostructures", Intern. Sci.-Tech. and Appl. Conf. on opto-nanoelectronics and renewable energy sources, 22-23 September 2010, Varna, Bulgaria, pp. 83-87)
All. K. Moiseev, V. Romanov, P. Dement'ev, M. Mikhailova, "Quantum dots and quantum dashes in narrow-gap InSb/InAs(Sb,P) system" // J. Cryst. Growth 318, 379-384 (2011)
A12. Ya. Parkhomenko, V. Romanov, P. Dement'ev, E. Ivanov, V. Nevedomsky, M. Mikhailova, K. Moiseev "High-density InSb quantum dots in narrow-gap InAsSbP matrix", 7th International Conference on Low Dimensional Structures and Devices (LDSD 2011), May 22 - 27, Telchac - Nuevo Yucatán - México, p. 164 A13. К. Moiseev, Ya. Parkhomenko, M. Grigoryev, V. Romanov, P. Dement'ev, E. Ivanov, V. Nevedomsky, N. Bert, M. Mikhailova, "High-density uniform InSb quantum dots in narrow-gap InAs(Sb,P) matrix", 4th International conference on NANO-structures SElf-Assembly (NanoSEA 2012), 2012, June 25-29, S. Margherita di Pula, Sardinia, Italy, p. 233
A14. V.V. Romanov, E.V. Verkhovtceva, M.V. Baidakova, M.A. Yagovkina, K.D. Moiseev, "Structure study of InAsSbP epilayers with high phosphorus content grown on InAs substrate", The 11th Biennial Conference on High Resolution X-Ray Diffraction and Imaging (XTOP 2012), 15-20 September 2012, Saint-Petersburg, Russia, p. 253 A15. B.B. Романов, П.А. Дементьев, К.Д. Моисеев, "Особенности формирования наноразмерных объектов в системе InSb/lnAs методом газофазной эпитаксии из металлорганических соединений" // ФТП, 2013, т. 47, в. 3, с. 420-425 А16. K.D. Moiseev, V.V. Romanov, Р.А. Dement'ev, E.V. Ivanov, "Narrow-gap nanoheterostructures in InSb/InAs(Sb,P) quantum dot system grown by MOVPE", 9' International Conference on Semiconductor Micro- and Nanoelectronics (ICSMN-2013), May 3-5, 2013, Yerevan, Armenia, pp. 113-116
A17. Ya. Parkhomenko, V. Romanov, P. Dement'ev, N. Nevedomsky, N. Bert, E. Ivanov, K._Moiseev, "Type II InSb quantum dots in narrow-gap InAs(Sb,P) matrix: structural, electrical and luminescent properties", 20th International Conference on Electronic Properties of Two-Dimensional Systems (EP2DS20) and 16th International Conference on Modulated Semiconductor Structures (MSS16), 2013, July 1-5, Wroclaw, Poland, p. 367
A18. K.D. Moiseev, Ya.A. Parkhomenko, V.V. Romanov, P.A. Dement'ev, V.N. Nevedomsky, E.V. Ivanov, "Self-assembled type II quantum dots in narrow-gap system
InSb/lnAs(Sb,P) for mid-infrared optoelectronics", 21st Annual International Conference on Composites or Nano Engineering (ICCE-21), 2013, July 21-27, Tenerife, Spain, pp. 178-179
A19. К.Д. Моисеев, Я.А. Пархоменко, В.В. Романов, П.А. Дементьев, В.Н. Неведомский, Н.А. Берт, Э.В. Иванов, «Особенности формирования квантовых точек InSb в узкозонной матрице InAs(Sb,P)», XI Российская конференция по физике полупроводников «Полупроводники-2013», Санкт-Петербург, 2013, 16-20 сентября, с. 287
Цитируемая литература.
1. A.I. Nadezhdinsky, A.M. Prokhorov // Proc. SPIE, 1992, v. 1724, p.2
2. R.H. Pierson, A.N. Fletcher, E.S.C. Gantz. //Anal. Chem., 1956, v.28, p. 1218-1239.
3. Алферов Ж.И. // Физика и жизнь, Изд.2-е, М.; СПб.: Наука, 2001
4. Алферов Ж.И. // ФТП, 1998, т.32, №1, с.3-18.
5. Леденцов Н.Н., Устинов В.М., Щукин В.А., Копьев П.С., Алфёров Ж.И., Бимберг Д. // ФТП, 1998, т.32, 385-410.
6. Y. Qiu, D. Uhl, S. Кео // Appl. Phys. Lett., v.84, (2004), 263-265
7. M.-E. Pistol, С. E. Pryor//J. Phys. Chem. C, 2011, v.115, 10931-10939
8. D. Bimberg, M. Grundmann, N.N. Ledentsov. (Chichester, John Wiley & Sons, 1999)
9. F. Hatami, S.M. Kim, H.B. Yuen, J.S. Harris // Appl. Phys. Lett., 2006, v.89, 133115. 10.S. Shusterman, Y. Paltiel, A. Sher, V. Ezersky, Y. Rosenwaks, // J. Cryst. Growth,
2006, v.291,363-369.
11. A. Krier, X.L. Huang, A. Hammiche // J. Phys. D: Appl. Phys. 2001, v.34, p. (874878)
12.1. Vurgaftman, J.R. Meyer, L.R. Ram-Mohan // J. Appl. Phys., 2001, v.89, No.ll, p. 5815-5875.
13.M.P. Mikhailova, K.D. Moiseev, Yu.P. Yakovlev, // Semicond. Sci. Technol., 19, R109-R128 (2004).
14.G. Costantini, A. Rastelli, C. Manzano, P. Acosta-Diaz, G. Katsaros, R. Songmuang, O.G. Schmidt, H. v. Kanel, K. Kern // J. Cryst. Growth, 278 (2005) 38-45
15.V.A. Shchukin, N.N. Ledentsov, P.S. Kop.ev, D. Bimberg, // Phys. Rev. Lett., 75, 2968 (1995).
Подписано в печать 16.11.13 Формат 60x847,6 Цифровая Печ. л. 1.0 Тираж 100 Заказ 26/11 печать
Типография «Фалкон Принт» (197101, г. Санкт-Петербург, ул. Большая Пушкарская, д. 54, офис 2)
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ имени А.Ф. ИОФФЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК
04201 452259 На правах рукописи
РОМАНОВ ВЯЧЕСЛАВ ВИТАЛЬЕВИЧ
Создание и исследование наногетероструктур в узкозонных системах па основе арсенида индия
(01.04.10 - Физика полупроводников)
Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
Научный руководитель:
доктор физико-математических наук
Моисеев Константин Дмитриевич
Санкт-Петербург 2013
Оглавление
Введение..................................................................................................................5
ГЛАВА 1. Наногетероструктуры II типа в узкозонных системах на основе 1пАз. Получение, исследование свойств и создание оптоэлектронных приборов..............................................................................15
1.1 Формирование матричных слоев в узкозонных системах на основе 1пА§.....................................................................................................................17
1.1.1 Матричные слои в системе Са-1п-А8-8Ь.........................................22
1.1.2 Матричные слои в системе 1п-Аз-8Ь-Р...........................................24
1.2 Формирование трехмерных островков.................................................26
1.3 Наноструктуры в гетероэпитаксиалыюй полупроводниковой системе 1п8Ь-1пА5.............................................................................................35
1.4 Гетероструктуры I и II типа....................................................................38
Выводы..............................................................................................................43
Глава II. Синтез многокомпонентных (тройных и четверных) твердых растворов методом газофазной эпитаксией из металлоорганических соединений............................................................................................................45
2.1 Технологическая установка для выращивания гетероструктур методом МОГФЭ..............................................................................................48
2.2 Особенности роста из газовой фазы с металлоорганическими соединениями в горизонтальном реакторе при условии атмосферного давления.............................................................................................................52
2.2.1 Влияние динамики газового потока в реакторе на процесс кристаллизации полупроводникового соединения...............................52
2.2.2 Влияние температуры в реакторе на процесс эпитаксиального роста................................................................................................................55
2.3 Материалы для эпитаксиального выращивания методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений.................57
2.3.1 Монокристаллические подложки....................................................57
2.3.2 Металлоорганические соединения..................................................58
2.3.3 Источники III группы.....................................................................60
2.4 Получение бинарных соединений методом МОГФЭ.........................64
2.4.1 Эпитаксиальные слои GaSb..............................................................64
2.4.2 Эпитаксиальные слои InAs...............................................................67
2.5.1 Термодинамические расчеты для тройных твердых растворов GaSbAs и InAsSb...........................................................................................73
2.5.1.1 Общие положения.........................................................................73
2.5.1.2 Расчет твердой фазы для систем Ga-Sb-As и In-As-Sb..........75
2.5.2 Эпитаксиалыюе наращивание тройных твердых растворов GaSbAs............................................................................................................79
2.5.3 Эпитаксиалыюе наращивание тройных твердых растворов InAsSb.............................................................................................................86
2.6 Получение четверных твердых растворов InAsSbP методом МОГФЭ..............................................................................................................90
2.6.1 Осаждение четверного твердого раствора InAsi_y_xSbyPx из TMIn, TMSb, РН3 и AsH3.........................................................................................92
2.6.2 Осаждения четверного твердого раствора InAsi_y.xSbyPx из TMIn, TMSb, РН3 и tBAs.............................................................................96
2.7 Выводы......................................................................................................107
Глава III. Одиночная гетероструктура II типа GaSbAs/InAs..................110
3.1 Структурные свойства тройного твердого раствора GaAsSb, осажденного на подложку InAs методом МОГФЭ..................................110
3.2 Фотолюминесцентные свойства тройных твердых растворов GaSbAs, осажденных на подложку InAs методом МОГФЭ...................124
3.3 Изменение энергии ширины запрещенной зоны в зависимости от состава твердого раствора GaSbi_xAsx........................................................132
3.4 Особенности магнитотранспорта в одиночной разъединенной гетероструктуре II типа p-GaSbi_xAsx/p-InAs............................................134
3.6 Зонная энергетическая диаграмма твердого раствора GaSbj.xAsx 138
3.7 Выводы......................................................................................................142
Глава IV. Наногетероструктуры II типа в узкозонной системе 1пА8(8Ь,Р)/1П8Ь...................................................................................................144
4.1 Формирование квантовых точек и квантовых штрихов 1п8Ь на поверхности арсенида индия.......................................................................145
4.1.1 Бинарный матричный слой 1пА8...................................................145
4.1.2 Формирование квантовых штрихов 1пБЬ на бинарной поверхности 1пА8........................................................................................147
4.1.3 Трансформация квантовых штрихов в квантовые точки 1п8Ь на бинарной поверхности 1пА8.....................................................................154
4.2 Формирование квантовых точек и квантовых штрихов 1п8Ь на поверхности многокомпонентного твердого раствора 1пА88ЬР..........157
4.2.1 Матричный слой на основе многокомпонентного твердого раствора 1пА88ЬР........................................................................................157
4.2.2 Квантовые штрихи 1п8Ь на поверхности эпитаксиалыюго слоя ¡пАвБЬР.........................................................................................................159
4.2.3 Квантовые точки 1п8Ь на поверхности эпитаксиалыюго слоя 1пАв8ЬР.........................................................................................................161
4.3 Форма квантовых точек на поверхности узкозонного материала
1пА8(8Ь,Р).........................................................................................................163
4.4. Влияния квантовых штрихов 1п8Ь, помещенных в матрицу п-1пА8, на электрические и электролюминесцентные свойства наногетероструктур II типа.........................................................................165
4.4.1 Электрические свойства наногетероструктур с квантовыми
штрихами 1п8Ь, помещенными в матрицу п-ГпАб..............................168
4.4.2. Электролюминесценция в гетероструктурах II типа с
квантовыми штрихами 1п8Ь, помещенными в матрицу п-1пА8......173
4.5 Выводы......................................................................................................179
Заключение.........................................................................................................181
Литература
186
Введение
Актуальность темы.
Наногетероструктуры в узкозонных полупроводниковых системах на основе соединений 1пАб привлекают пристальный интерес исследователей тем, что на их базе могут быть созданы как источники, так и приемники излучения для средней инфракрасной (ИК) области спектра 2-5 мкм. Данный спектральный диапазон актуален для задач лазерной диодной спектроскопии газов и молекул [1], систем лазерной дальнометрии [2], инфракрасных волновых линий связи третьего поколения [3], для систем обнаружения взрывоопасных веществ, медицинских применений, а также для задач экологического мониторинга. В интервале длин волн 2-5 мкм располагается большинство линий поглощений промышленных и природных газов, например: метана (2.3 мкм, 3.3 мкм), углекислого газа (2.65 |лп, 4.27 цт), угарного газа (2.34 мкм, 4.67 мкм), ацетона (3.4 мкм), аммиака (2.25 мкм, 2.94 мкм), паров воды (1.94 мкм, 2.75-2.85 мкм) и других неорганических и органических веществ [4]. Для указанных выше задач требуются высокоэффективные лазеры и светодиоды, а также высокочувствительные фотодиоды. Возможные применения таких оптоэлектронных приборов, работающих в интервале длин волн 2-5 мкм, требуют создания новой элементной базы для данного спектрального диапазона.
Поскольку в настоящее время практически все оптоэлектронные приборы получают на базе гетероструктур, то актуальной задачей является получение и исследование узкозонных гетероструктур на основе соединений арсенида индия. Моделирование зонной энергетической диаграммы при конструировании прибора на основе гетеропереходов позволяет создавать широкий спектр структур, который включает в себя эпитаксиальные слои из различных полупроводниковых материалов с разными значениями ширины запрещенной зоны, показателем преломления и т.д. Это дает возможность формировать "широкозонные окона" в фотоприемниках, создавать эпитаксиальные слои для электронного и оптического ограничения
инжектированных носителей заряда в лазерах и светодиодах, что позволяет принципиально улучшить эффективность этих приборов. Мировое признание роли гетеропереходов в прорывных технологиях и в современном развитии науки и техники было отмечено присуждением Нобелевской премии академику Ж.И. Алферову в 2000 году [5].
Первые гетероструктуры были выращены методом жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) [6]. Однако из-за специфики наращивания гетероструктур методом ЖФЭ, когда для протекания эпитаксиального процесса требуется выполнение равновесных термодинамических условий, выбор материалов существенно ограничен. Например, для узкозонных многокомпонентных твердых растворов на основе 1пАб, таких как 1пАб8ЬР, 1пСаАз8Ь и др. из-за наличия области несмешиваемости невозможно получить эпитаксиальные слои в достаточно широком диапазоне составов [7].
Развитие новых технологий выращивания полупроводниковых соединений, таких как газофазная эпитаксия из металлоорганических соединений (МОГФЭ) и молекулярно пучковая эпитаксия (МПЭ), где эпитаксиальный процесс протекает при неравновесных условиях, позволило расширить выбор материалов для получения гетеропереходов. Кроме того, данные технологии позволяют создавать гетероструктуры на основе рассогласованных эпитаксиальных слоев, что дало мощный импульс разработке новых оптоэлектронных приборов на основе наногетероструктур. Сильное рассогласование параметров кристаллической решетки на границе двух полупроводников приводит к возникновению внутренних упругих напряжений в гетероструктуре, которые возрастают с увеличением толщины эпитаксиального слоя. Таким образом, толщина наращиваемого слоя ограничена критической величиной, при превышении которой в нем возникают дислокации несоответствия. Комбинирование таких рассогласованных слоев с толщинами несколько нанометров позволяет получать наногетероструктуры, содержащие множественные квантовые ямы и сверхрешетки.
На примере источников когерентного излучения в диапазоне длин волн 1-2 мкм было показано [6], что применение квантовых ям и сверхрешеток, по сравнению с объемными слоями, обеспечивает улучшение характеристик светоизлучающего прибора. Однако необходимость создания светоизлучающих приборов среднего ИК-диапазона 3-5 мкм, работающих при комнатной температуре, стимулировала ряд новых физических подходов к конструкции активной области лазерных структур, поиск новых наногетероструктур. Известно, что для носителей заряда в узкозонных полупроводниковых материалах характерна малая величина эффективной массы и высокая подвижность [8]. Таким образом, при проектировании узкозонных наногетероструктур важно обеспечить хорошую локализацию носителей в активной области, что может быть достигнуто при использовании нанообъектов с пониженной размерностью, таких как квантовые нити, квантовые штрихи или квантовые точки. В отличие от гетероструктур с квантовыми ямами, где носители заряда пространственно ограничены в одном направлении и не ограничены в остальных двух, в гетероструктурах с квантовыми точками пространственное ограничение возникает во всех трех измерениях, в результате реализуется предельный случай размерного квантования в полупроводниках. В излучательных приборах, где гетероструктура содержит квантовые точки, можно ожидать высокую температурную стабильность, большие коэффициенты максимального удельного усиления материала и максимального дифференциального усиления материала.
До настоящего времени были достигнуты большие успехи в получении и исследовании гетероструктур с квантовыми точками в системах 1пАзЛЗаА8 [9] и ЫАбЗЬЛпР [10]. На основе данных гетероструктур были созданы лазеры, работающие в режиме непрерывной генерации в диапазоне длин волн 1.3-2 мкм при комнатной температуре. Для продвижения в более длинноволновую область спектра (более 3 мкм) необходимо использовать в качестве матричных слоев узкозонные полупроводниковые материалы, такие
как ва8Ь и ¡пАб. Однако до сих пор на основе гетероструктур с квантовыми точками в системах 1п8ЬЛЗа8Ь и 1п8Ь/1пАз оптоэлектронные приборы не были созданы. Наиболее узкозонной из упомянутых систем является система 1п8Ь/1пАз, где квантовые точки ¡пБЬ образуют гетероструктуру II типа с матричным слоем 1пАз [11].
Наиболее хорошо изучены гетеропереходы II типа на основе узкозонных соединений арсенида индия в системах Са1пАз8Ь/1пА8 и ¡пАзЗЬРЯпАв. Было установлено, что гетеропереходы в системе Оа1пАз8ЬЯпА8 могут, в зависимости от состава, образовывать как ступенчатые, так и разъединенные гетероструктуры II типа. Фундаментальным свойством гетероперехода II типа является пространственное разделение дырок и электронов и их локализация в самосогласованных квантовых ямах по обе стороны гетерограницы. Этот факт в значительной степени определяет фотоэлектрические, гальваномагнитные и люминесцентные свойства таких гетероструктур, а также оптоэлектронных приборов на их основе. Однако наногетероструктуры II типа СаЗЬАвЛпАз и 1п8Ь/1пАз не изучены в достаточной степени.
В рамках данной работы впервые были проведены исследования гальваномагнитных и люминесцентных свойств полученных методом МОГФЭ твердых растворов ваЗЬАз, изопериодных с 1пА8, которые могут служить матричными слоями для квантовых точек и квантовых штрихов 1п8Ь. Исследовано влияние технологических условий роста на формирование квантовых точек и определены условия, при которых происходит трансформация форм квантовых объектов от штрихов к точкам, а также оценено влияние поверхности матричного слоя 1пАз(8ЬР) на плотность и форму квантовых точек 1п8Ь.
Цель работы. Целью настоящей работы являлась разработка технологии эпитаксиального синтеза методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений наногетероструктур II типа в узкозонной системе твердых растворов на основе арсенида индия для возможного
применения их в создании оптоэлектронных приборов спектрального диапазона 3-5 мкм.
Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:
- разработка технологии выращивания бинарных (1пАз, ваБЬ), тройных (1пА88Ь, ваЗЬАз) и четверных (1пАз8ЬР) твердых растворов методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений и получение эпитаскиальных слоев ваЗЬАз и ГпАзБЬР предельного состава, изопериодных с подложкой 1пАз;
- исследование структурных, гальваномагнитных и люминесцентных свойств полученных гетероструктур II типа ОаЭЬАзЛпАз и установление их зонных энергетических диаграмм;
- разработка технологии получения квантовых штрихов и квантовых точек 1п8Ь на поверхности матрицы бинарного соединения 1пАз и многокомпонентного твердого раствора ХпАбЗЬР;
- исследование влияния технологических условий выращивания, химии поверхности матрицы на плотность, размеры и геометрию формы квантовых объектов;
- изучение электролюминесцентных свойств полученных гетероструктур на основе квантовых объектов в узкозонной матрице и создание прототипа светоизлучающего прибора, работающего в области свыше 3 мкм при комнатной температуре.
Научная новизна.
1.Впервые получены эпитаксиальные слои ОаБЬ^Авх, изоморфные с подложкой 1пА5(001), в диапазоне составов 0.06<х<0.35 методом МОГФЭ при атмосферном давлении.
2. Предложен оригинальный качественный подход при расчете зависимостей положения потолка валентной зоны и дна зоны проводимости от состава тройного соединения с учетом прогибов в валентной зоне и зоне
проводимости для тройного твердого раствора ОаБЬАз, определен коэффициент прогиба (Ь=1.42 еУ) для зависимости ширины запрещенной зоны тройного твердого раствора ОаЗЬ^Авх от состава при Т=17 К и построена зонная энергетическая диаграмма гетероструктуры ОаАзЗЬЛпАз.
3. Определена область составов тройного твердого раствора йаЗЬ^хАБх (0<х<0.15), при которых гетеропереход II типа ОаБЬьхАзхЛпАз является разъединенным, и установлено существование на гетерогранице электронного канала с высокой подвижностью электронов (11=2000 см"~/В-с при Т=77К).
4. Разработана технология получения эпитаксиальных слоев четверного твердого раствора 1пА88ЬР, изоморфных с подложкой 1пАз(001), с максимальным содержанием фосфора в твердой фазе, которые могут использоваться в качестве матричных слоев для квантовых точек и квантовых штрихов 1п8Ь.
5. Впервые получены квантовые точки и квантовые штрихи 1п8Ь на поверхности 1пАб (001) с плотностью до 7*109 см-2 методом МОГФЭ в условиях атмосферного давления.
6. Исследовано влияние условий процесса эпитаксии (скорости осаждения, температуры подложки, и т.д.) на плотность, размеры и геометрию форм квантовых точек 1п8Ь.
7. Определены факторы, влияющ
