Выращивание гетероструктур aiiibv и исследование их функциональных характеристик Блохин Эдуард Евгеньевич

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1 Свойства и конструкционные особенности структур для фотодетекторов ИК диапазона 12

1.1 Фотодетекторы ближнего ИК диапазона 13

1.1.1 Фотодетекторы на резком p-n переходе 20

1.1.2 Фотодетекторы на базе p-i-n перехода 23

1.1.3 Фотодетекторы на основе квантоворазмерных структур 28

1.2 Выбор полупроводниковых материалов для выращивания фоточувствительных гетероструктур 31

1.3 Методы получения гетероструктур для фотодетекторов ближнего инфракрасного диапазона 32

1.4 Обоснование выбора метода ионно-лучевого осаждения для получения исследуемых гетероструктур 42

1.5 Выводы к главе 43

Глава 2 Моделирование функциональных характеристик p-i-n InGaAs/GaAs гетероструктур и наногетероструктур с квантовыми точками InAs для фотодетекторов ближнего ИК диапазона 45

2.1 Моделирование функциональных характеристик p-i-n InGaAs/GaAs гетероструктур 45

2.1.1 Входные данные модели 46

2.1.2 Математическая модель исследуемой структуры 47

2.2 Моделирование функциональных характеристик QD-InAs/GaAs гетероструктур 55

2.2.1 Допущения и граничные условия, принятые при построении модели 58

2.2.2 Объекты моделирования 60

2.2.3 Математическая модель исследуемой структуры 61

2.3 Выводы по главе 68

Глава 3 Методы получения, исследования свойств, морфологии поверхности и функциональных характеристик гетероструктур для фотодетекторов ближнего ИК диапазона 69

3.1 Выращивание гетероструктур InGaAs/GaAs и QD-InAs/GaAs методом ионно-лучевого осаждения 69

3.1.1 Выращивание InGaAs/GaAs p-i-n гетероструктур с активным i - слоем 73

3.1.2 Выращивание QD-InAs/GaAS наногетероструктур с барьером GaAs 75

3.1.3 Выращивание QD-InAs/GaAS наногетероструктур с барьером AlGaAs 76

3.2 Измерение спектральных характеристик выращенных гетероструктур 77

3.2.1 Методика измерения спектральной зависимости внешнего квантового выхода 81

3.2.2 Измерение спектров фотолюминесценции 82

3.3 Исследование поверхности активных слоев InGaAs и QD-InAs выращенных методом ионно-лучевого осаждения 84

3.3.1 Методика исследования образцов p-i-n InGaAs гетероструктур 87

3.3.2 Методика исследования образцов с массивом квантовых точек InAs

3.4 Измерение темновых вольтамперных характеристик 90

3.5 Выводы по главе 91

Глава 4 Результаты моделирования и исследования функциональных характеристик гетероструктур p-i-n InGaAs/GaAs и QD-InAs/GaAs полученных методом ионно-лучевого осаждения 92

4.1 Исследование морфологии поверхности выращенных активных слоев 92

4.2 Моделирование распределения электрического поля в p-i-n гетероструктурах с InGaAs активным слоем 96

4.3 Исследование спектральных зависимостей внешнего квантового выхода гетероструктур 100

4.4 Исследование спектров фотолюминесценции QD InAs/GaAs гетероструктур

4.5 Исследование темновых вольтамперных характеристик 108

4.6 Выводы по главе 113

Общие выводы по диссертационной работе 115

Список условных обозначений и сокращений 117

Список используемой литературы 120

• Выбор полупроводниковых материалов для выращивания фоточувствительных гетероструктур
• Допущения и граничные условия, принятые при построении модели
• Исследование поверхности активных слоев InGaAs и QD-InAs выращенных методом ионно-лучевого осаждения
• Исследование темновых вольтамперных характеристик

Введение к работе

Актуальность и степень разработанности темы исследования

Современные тенденции использования и совершенствования технологии изготовления фотодетекторов ближнего инфракрасного диапазона (0.9–1.5 мкм) в первую очередь связаны с возможностью их применения в высокоскоростных волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС), датчиках ночного видения и датчиках атмосферных газов. Необходимость решения задач, связанных с потребностью детектирования инфракрасного излучения, сформировала большое количество методов и подходов к научной и технологической реализации соответствующих фотодетекторов на основе материалов III и V групп. Широкое применение получили такие материалы как бинарные соединения InAs, InSb, сверхрешетки 2-го типа InAs/GaSb, более сложные соединения InGaAs/InP, InGaAs/GaAs, InAsSbP/InAs, InSb/InAs, фотоактивные наногетероструктуры с квантовыми точками и квантовыми ямами [1]. Также ведутся работы с материалами II-VI групп (Hg_1-xCd_xTe, Hg_1-xZn_xTe, Hg_1-xMn_xTe) и с соединениями классических полупроводников Si, Ge [2].

Для эффективного преобразования излучения в ближней инфракрасной
области необходимыми условиями являются быстродействие производимых
структур, наличие минимальных шумов и высокая детектирующая способность. В
данной работе, в качестве объектов исследования, выбраны p-i-n гетероструктуры на
основе InGaAs/GaAs и структуры с квантовыми точками InAs на подложке GaAs.
Обнаружительная способность p-i-n структур достигает значений 310⁸ см^.Гц^1/2/Вт
[3] при комнатной температуре. Максимальное быстродействие на уровне 2 мкс, при
пиках интенсивности 1,3 мкм и 1,55 мкм. При введении массива квантовых точек
показатели детектирующей способности возрастают до значений 10¹⁰ смГц^1/2 при
эквивалентной мощности шума 10^-13 Вт. Максимальное быстродействие возрастает
до 0,5–1 мкс при минимальных значениях плотности темнового тока 10^-7 А/см²

[4].

Помимо электрофизических, существует еще и ряд технологических условий при создании структур для детектирования ближнего инфракрасного диапазона. Для p-i-n структур необходимо соблюдение двух взаимоисключающих условий. С одной стороны, обеспечение максимальной толщины активного слоя для высокого значения фототока, а с другой – обеспечение минимальной толщины для максимального быстродействия. Для структур с квантовыми точками необходимо технологически обеспечить плотность квантовых точек в слое не менее 10¹⁰ см^-2.

С предстоящими технологическими задачами получения гетероструктур
справляются методы молекулярно-лучевой и газофазной эпитаксии, а также
классические методы жидкофазной эпитаксии и зонной перекристаллизации
градиентом температуры. Применение данных методов ограничивается постоянно
возрастающей сложностью аппаратного обеспечения и дороговизной

технологического процесса. В качестве альтернативы в данной работе предложен
метод ионно-лучевого осаждения для получения высокоэффективных слоев и
структур чувствительных в ближней ИК области [5]. Ранее данный метод
применялся в основном для получения тонких слоев металлов и диэлектриков,
однако, благодаря аппаратному совершенствованию и модификации

технологических процессов, данным методом можно получать атомарно гладкие слои двух и трехкомпонентных материалов [6]. Технологическая оптимизация системы «мишень - подложка - ионный пучок», системы управляющих блоков и параметров процесса выращивания позволяет добиваться равномерного массопотока внутри ростовой камеры при постоянном контроле скорости осаждаемых слоев [7].

Объектами диссертационной работы являются гетероструктуры InGaAs/GaAs с активным слоем InGaAs, и гетероструктуры InAs/GaAs с квантовыми точками InAs, чувствительные в ближней инфракрасной области. Предметом исследования являются метод получения гетероструктур, и их функциональные характеристики: фотолюминесценция, спектральная зависимость внешнего квантового выхода и темновые вольтамперные характеристики.

Актуальность темы подтверждается выполнением диссертационной работы в соответствии с Приоритетным направлением развития науки, технологии и техники в Российской Федерации «Индустрия наносистем». Направление исследований диссертационной работы согласуется с Перечнем критических технологий Российской Федерации «Технологии наноустройств и микросистемной техники» из общего перечня критических технологий (согласно у Президента РФ от 07.07.2011 г. № 899).

Цели и задачи

Целью данной работы является выращивание гетероструктур InGaAs/GaAs с активным /-слоем и наногетероструктур с квантовыми точками InAs методом ионно-лучевого осаждения и исследование их функциональных характеристик.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. разработать физико-технологические принципы создания p-i-n гетероструктур InGaAs/GaAs и наногетероструктур InAs/GaAs с квантовыми точками InAs на основе метода ионно-лучевого осаждения,

2. разработать математические модели и провести моделирование функциональных характеристик p-i-n InGaAs/GaAs и QD-InAs/GaAs гетероструктур,

3. получить экспериментальные образцы p-i-n InGaAs/GaAs и QD-InAs/GaAs гетероструктур и провести исследования их функциональных характеристик,

4. провести исследования влияния барьерных слоев GaAs и AlGaAs на функциональные характеристики наногетероструктур с квантовыми точками InAs.

Научная новизна

Научная новизна проделанной работы заключается в достижении следующих результатов:

получены p-i-n InGaAs/GaAs гетероструктуры с концентрацией носителей ниже 10¹⁶ см"³ в /-слое чувствительные в диапазоне 1,1-1,7 мкм методом ионно-лучевого осаждения;

на основе разработанной модели установлено и исследовано влияние концентрации носителей заряда в активном /слое на распределение электрического поля и потенциала в p-i-n InGaAs/GaAs гетероструктуре для прогнозирования параметров процесса выращивания экспериментальных образцов и их функциональных характеристик;

определены энергия ионов, плотность тока, скорость роста и температура подложки в процессе ионно-лучевого осаждения в полупроводниковой матрице GaAs массива квантовых точек InAs с плотностью ~ 10¹⁰ см-²;

показано, что использование тройного твердого раствора A^Ga^As в качестве барьерного слоя для квантовых точек InAs уменьшает плотность темнового тока на два порядка при 300 К и увеличивает внешний квантовый выход квантовых точек до 17,6% в спектральном диапазоне 0,9-1,2 мкм.

Теоретическая и практическая значимость

Выражается следующей практической и теоретической полезностью результатов:

разработаны физико-технологические принципы ионно-лучевого осаждения, позволяющие получать полупроводниковые p-i-n InGaAs/GaAs и QD-InAs/GaAs гетероструктуры, чувствительные в ближней инфракрасной области,

разработан технологический процесс создания p-i-n InGaAs/GaAs гетероструктур, имеющих низкую плотность темнового тока 10~⁸ А/см² при 300 К,

разработан технологический процесс получения гетероструктур QD-InAs/GaAs с массивом квантовых точек InAs, обладающих чувствительностью в спектральном диапазоне 0,9-1,2 мкм,

разработаны компьютерные модели p-i-n InGaAs/GaAs гетероструктур и QD-InAs/GaAs наногетероструктур, позволяющие рассчитывать спектральные характеристики (Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013615008), темновые вольтамперные характеристики (Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012614375) и исследовать влияние параметров активных слоев на функциональные характеристики гетероструктур,

результаты диссертационного исследования использованы при разработке высокоэффективной и быстродействующей оптоэлектронной продукции на научно-производственном предприятии ООО НПФ «ЭКСИТОН», г. Ставрополь.

Методология и методы исследования

В качестве методов исследования использовались: компьютерное моделирование, атомно-силовая микроскопия, сканирующая электронная микроскопия, исследования спектральной зависимости внешнего квантового выхода, измерения темновых вольтамперных характеристик, измерения спектров фотолюминесценции.

Положения, выносимые на защиту

5. Распыление полупроводниковых мишеней InGaAs ионным пучком Аг⁺ с энергией 350 эВ, током пучка 20 мА, углом наклона мишень - ионный пучок 65, давлением в ростовой камере 3Ю"⁶ Па и скоростью роста 10 нм/с позволяет выращивать /-слои с концентрацией носителей заряда ниже 10¹⁶ см"³ в p-i-n InGaAs/GaAs гетероструктурах и обеспечивает в них плотность темнового тока до Ю-¹⁰ А/см² при 90 К и Ю-⁸ А/см² при 300 К.

6. Ионно-лучевое осаждение InAs с технологическими параметрами: энергия ионов аргона Еа_г = 180 эВ, ток ионного пучка 1а_г = 140 мкА, угол наклона источника к мишени - 55, температура подложки 480 оС, скорость роста 0,7 нм/с, давление в

ростовой камере 310^-6 Па позволяет выращивать на подложках GaAs массивы квантовых точек InAs с плотностью до 10¹⁰ см^-2, латеральными размерами менее 50 нм, что приводит к увеличению внешнего квантового выхода наногетероструктур QD-InAs/GaAs в диапазоне 0,9–1,2 мкм.

3. Применение в качестве барьерного закрывающего слоя Al_0,2Ga_0,8As в наногетероструктурах QD-InAs/GaAs, вместо барьера GaAs, способствует увеличению интенсивности пика фотолюминесценции квантовых точек InAs и его смещению в коротковолновую область на 30 нм.

4. Разработанные математические модели p-i-n InGaAs/GaAs гетероструктур и QD-InAs/GaAs наногетероструктур для исследования спектральных зависимостей внешнего квантового выхода, спектров фотолюминесценции и темновых вольтамперных характеристик.

Степень достоверности результатов

Положения, выносимые на защиту, и выводы по работе подтверждаются
результатами численного моделирования в совокупности с экспериментальными
результатами, согласующимися с другими научными источниками. Степень
достоверности результатов определяется применением современных

измерительных установок и приборов (сканирующий электронный микроскоп
Quanta 200, атомно-силовой микроскоп Solver HV, комплекс для исследования
спектральных характеристик гетероструктур, комплекс для измерения

фотолюминесценции, измеритель иммитанса Е7-20, измеритель с ртутным зондом), публикациями в рецензируемых научных журналах и выступлениями на научных конференциях. Кроме того, полученные в диссертационной работе результаты были использованы при выполнении проекта в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014–2020 годы» (соглашение о предоставлении субсидии № 14.576.21.0033, уникальный идентификатор RFMEFI57614X0033).

Личный вклад автора заключается в формулировании совместно с научным
руководителем, задач, целей исследования и научных положений, выносимых на
защиту. Соискатель принимал непосредственное участие на всех этапах
исследований, самостоятельно разработал физико-технологические принципы
выращивания гетероструктур, провел экспериментальные исследования

функциональных характеристик, обработку и интерпретацию экспериментальных данных, разработал компьютерные модели структур, а также получил основные научные результаты.

Апробация работы

Результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на
научных семинарах кафедры «Нанотехнология в электронике» в ЮРГПУ (НПИ), на
всероссийской молодежной конференции «Физика полупроводников и

наноструктур, полупроводниковая опто- и наноэлектроника» (ЮРГТУ (НПИ) 11–12 окт. 2012 г., Новочеркасск), 61-ой научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, науч. работников, аспирантов и студентов (ЮРГТУ (НПИ) 2012 г., Новочеркасск), региональной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых вузов Рост.

обл. «Студенческая научная весна 2012», девятой ежегодной научной конференции студентов и аспирантов базовых кафедр ЮНЦ РАН (11–24 апреля 2013 г. Ростов-на-Дону), третьем международном симпозиуме «Физика бессвинцовых пьезоактивных и родственных материалов» (LFPM-2014, 2–6 сентября 2014 г., Лоо), десятой ежегодной научной конференции студентов и аспирантов базовых кафедр ЮНЦ РАН (14–29 апреля 2014 г. Ростов-на-Дону), четвертом международном симпозиуме «Физика бессвинцовых пьезоактивных и родственных материалов» (LFPM-2015, 2–

6 сентября 2015 г., Туапсе), XXII международной конференции «Оптика и
спектроскопия конденсированных сред» (18–24 сент. 2016 г., г. Краснодар).

Публикации

Результаты диссертационного исследования опубликованы в 13 научных работах общим объёмом 4,09 п.л., из них работ, опубликованных в рецензируемых научных журналах (из перечня ВАК) – 4, свидетельств на программы для ЭВМ – 2 и

7 в сборниках трудов конференций.

Структура и объем диссертации

Работа состоит из введения, четырех глав основного текста, общих выводов, списка условных сокращений, списка литературы. Общий объем диссертационной работы 133 страницы, в том числе 39 рисунков, 5 таблиц. Список литературы представлен 119 наименованиями.

Выбор полупроводниковых материалов для выращивания фоточувствительных гетероструктур

Относительно недавние работы японской компании Hamamatsu позволили получить промышленные образцы кремниевых фотодетекторов с увеличенным рабочим оптическим интервалом (до 1,2 мкм). Образцы имели низкое значение порогового шума (NEP порядка 10-12 Вт/Гц1/2 при температуре 300 К) и значение фототока порядка 10-4 А (при комнатной температуре). При повышении шунтирующего сопротивления в цепи, значение эквивалентной мощности шума линейно понижается [20]. На частоте 104 Гц структуры давали шум выходного сигнала 15 дБ и шум по выходному напряжению 0,5104 В/Гц1/2.

Образцы, полученные в [18] методом локальной диффузии из газовой фазы, имели показатели чувствительности в ИК диапазоне 0,6–0,78 А/Вт. Обладая высоким рабочим температурным диапазоном (от -55 оС до 125 оС) показатели темнового тока были не ниже 300 нА (при комнатной температуре).

Авторы в работе [21] показали применение p-n-структур на основе кремния и структур с барьером Шоттки в качестве детекторов для ближнего и среднего инфракрасного излучения. Достигаемое значение квантового выхода кремниевых p-n-фотодиодов не превышает 0,6 А/Вт. Следовательно, один поглощенный фотон способен сгенерировать пару носителей заряда с вероятностью 50–60%.

Кремний-германиевые фотодетекторы обладают лучшими характеристиками в длинноволновой области ближнего ИК диапазона за счет меньшей ширины запрещенной зоны. Полученная в [22] методом осаждения из газовой фазы структура Ge/Si показала высокий уровень оптического поглощения на длине волны 1,6 мкм. Благодаря лазерному селективному отжигу слоя германия удалось уменьшить влияние несоответствия кристаллических решеток Ge и Si за счет уменьшения плотности пронизывающих дислокаций. Темновой ток до момента отжига составил 51,3 ± 0,7 мА/см2, после процесса отжига 20,4 ± 1,7 мА/см2.

В работе [23] удалось достичь значения плотности тока утечки на уровне теоретического ограничения для германия (порядка 10-12 А/мкм2). Авторы считают, что такое значение тока утечки удалось достичь благодаря совмещенному низкотемпературному отжигу и эксимерному лазерному отжигу. Структура показала довольно высокую чувствительность 0,45 А/Вт на длине волны 1,55 мкм.

Авторами работ [24-26] в качестве фоточувствительных материалов для фотодетекторов инфракрасной области применялись четверные твердые растворы InGaAsP на подложке фосфида индия полученные методом зонной перекристаллизации градиентом температуры (ЗПГТ). Структура представляет собой p-n фотодиод на основе эпитаксиальных слоев In1-xGaxAsyP1-y. Диапазон максимального значения спектральной чувствительности структуры находился в пределах 1,05–1,07 мкм и составлял 0,43–0,47 А/Вт. Исследования темновых ВАХ показали минимально достигнутое значение плотности темнового тока порядка 410-5 А/см2. Авторы поясняют такое значение преобладанием генерационно-рекомбинационной составляющей темнового тока и отсутствием утечки на границах раздела диэлектрик-полупроводник. Величина фотоотклика структуры составляла 10 ± 5 нс.

Учитывая сделанный выше анализ можно сказать, что обладая вполне хорошими функциональными характеристиками, фотодетекторы на p-n-переходе имеют малую эффективность и чувствительность в ближней инфракрасной области. Значения темнового тока данных структур на 2–3 порядка выше, чем у p-i-n фотодетекторов из аналогичных материалов. Невысокое время отклика (10 нс и более) не позволяет обеспечить хороший уровень быстродействия. Касательно области ближнего ИК спектра данные структуры проигрывают более современным p-i-n-структурам и структурам, содержащим нанообъекты в своем составе, как по рабочим характеристикам, так и по чувствительности в активной рабочей области.

Лучшими по функциональным характеристикам оказались фотодетекторы на p-i-n-переходе. Данные структуры перекрывают диапазон длин волн 1–1,7 мкм и дают значение детектирующей способности порядка 1013 смГц1/2/Вт при комнатной температуре [15–17, 27–29]. При термоэлектрическом охлаждении обнаружительная способность возрастает до 1014 смГц1/2/Вт (при 195 К). Данные типы детекторов изготавливаются на основе кремния и германия, материалов третьей и пятой групп и их растворов (бинарные соединения InAs, InSb, сверхрешетки 2-го типа InAs/GaSb, соединения InGaAs/InP, InGaAs/GaAs, InAsSbP/InAs, InSb/InAs), материалов второй и шестой групп (Hg1-xCdxTe, Hg1-xZnxTe, Hg1-xMnxTe). Активная i-область располагается между положительно заряженными p и n областями. Наиболее интересными является соединение с активным i-слоем InGaAs потому, что данные соединения обладают максимально удачным соотношением сигнал/шум, имеют низкую плотность темнового тока, маленький уровень фотонного шума и максимальное быстродействием по сравнению с конкурирующими соединениями. Использование InGaAs в качестве активного слоя обусловлено двумя причинами: во-первых, данный материал является прямозонным с высоким значением подвижности носителей заряда, во-вторых, его коэффициент поглощения в области ближнего ИК диапазона составляет порядка 36104 см-1 [30, 31]. Также на одном уровне с соединениями III-V групп используют соединения Si/Ge. Фотодетекторы с активным слоем германия обладают хорошими рабочими характеристиками на высоких частотах, однако значение темнового тока в них на несколько порядков больше, чем у соединений третей и пятой групп.

Допущения и граничные условия, принятые при построении модели

Из электрической схемы видно, что общий выходной ток структуры Цю) это произведение фототока при обратном смещении /0(/у)на диодное шунтирующее сопротивление R. и емкость перехода С.. В схеме присутствует паразитирующая емкость Ср, переходное сопротивление Rs и сопротивление нагрузки RL. В качестве материала подложки был выбран GaAs (001). В качестве проводящих слоев п ир+ использовался GaAs легированный донорной примесью теллура до концентрации 5Ю17 см"3 и акцепторной примесью цинка до концентрации 5Ю17 см"3 соответственно для каждой из областей. Толщины проводящих слоев оставались постоянными и составляли 1,5 мкм. В качестве активного слоя использовался раствор Ino Gao As, легированный оловом до концентрации 5Ю15 см"3 с коэффициентом поглощения в интервале 104 см"1-0,7104 см"1. Толщина активного /-слоя составляла 8 мкм. При построении модели не учитывался туннельный эффект и объемная рекомбинация во фронтальном проводящем слое (так как длина свободного пробега носителей заряда много больше толщины слоя). Основные электрофизические параметры материалов, используемые при моделировании, приведены в таблице 4. Таблица 4. Электрофизические параметры материалов. Характеристики Ino.47Gao.53As GaAs є0 13,9 12,8 0,041m0 0,062m0 m p 0,45m0 0,52m0 Eg 0,74 эВ 1,419 эВ nt 6,3 1011 см" 2,2 10bсм" М„ 12 000 см2В-1с-1 8 500 см2В-1с-1 Up 300 см2В-1с-1 400 см2В-1с-1 Dn 300 см2/с 200 см2/с Dp 7,5 см2/с 10 см2/с Материал контактов не учитывался, так как было принято допущение об идеальных омических контактах на границе с проводящими слоями.

Модель основана на дрейфово-диффузионных системах уравнений и уравнении Пуассона для получения потенциала и распределения электрического где Б - диэлектрическая проницаемость материала, є0- диэлектрическая постоянная, q - заряд электрона, п - концентрация электронов, р - концентрация дырок, Jn - плотность тока электронов, Jp - плотность тока дырок, Rn и R скорость рекомбинации электронов и дырок, G - скорость генерации электронно-дырочных пар (одинакова для электронов и дырок, так как рассматриваются межзонные переходы), р - плотность носителей заряда, Ц, и Dp - коэффициенты диффузии, //„ и // - подвижности электронов и дырок соответственно, Еъ приложенное напряжение смещения.

Для определения распределения потенциала в структуре необходимо вывести выражение для объемной плотности заряда через концентрации носителей и концентрации ионизированных примесей (доноров и акцепторов). Концентрации электронов и дырок рассчитывались как интеграл из произведения плотностей их состояний ЩЕ) на функцию распределения Ферми-Дирака (по всей зоне проводимости для электронов и по всей валентной зоне для дырок):

Рекомбинация носителей заряда описывается несколькими механизмами: Оже-рекомбинация, безызлучательная рекомбинация, рекомбинация по модели Шокли-Рида-Холла (SRH), радиоактивная рекомбинация и поверхностная рекомбинация. Оже-рекомбинация характерна для слоев с очень высоким уровнем легирования и зачастую является безызлучательной. Согласно исследованиям в работе [86] безызлучательная рекомбинация зависит от ширины запрещенной зоны материала, при малых ширинах запрещенной зоны (InGaAs является узкозонным материалом) безызлучательная рекомбинация влияет незначительно. Для построения модели был взят механизм SRH, как основной механизм рекомбинации в моделируемом активном слое. Согласно данному механизму скорость рекомбинации электронов можно приравнять к скорости рекомбинации дырок и вывести следующее выражение: апа vnNt (пр - nf) Rsm = а п+п/ х + а р+п/ 7) (25) где ап, ар - сечения захвата заряженных ловушек и нейтральных ловушек, щ - собственная концентрация носителей, Nt - плотность ловушек захвата, Et 50 энергия ловушек захвата в пределах запрещенной зоны. Перепишем выражение (21) с учетом времени жизни носителей заряда: тг Tp = (26) n(x)p(x)-n2 (27) RSRH(X) тп (n(x) + n/E -E-)/kT) + rp (p(x) + n/E--E )/kT) Дрейфовые уравнения описываются подвижностью электронов и дырок. В простом случае (в состоянии равновесия) подвижности выражаются через время жизни носителей заряда, и определяются выражениями: JUn Мр дтр m (28) В неравновесном состоянии подвижность зависит от приложенного электрического поля как представлено на рисунке 8 (для InGaAs). При этом моделирование проводится по плавному переходу от слабого поля к сильному. Задается подвижность следующими уравнениями: где ju0 - подвижность частиц в слабом поле, v - скорость насыщения носителей заряда, зависящая от температуры. И( V 1 ) \ V Г + /л0 fuvYl (П ) \ Р = 1 для электронов /3 = 2 для дырок

Исследование поверхности активных слоев InGaAs и QD-InAs выращенных методом ионно-лучевого осаждения

Из основных технических параметров и характеристик используемого ионного источника стоит отметить: возможный диаметр выходного ионного пучка – 50 мм, максимальный ионный ток – 80 мА, энергетический разброс ионов в пучке – 3 эВ, энергетический диапазон ионов в пучке – 150–1800 эВ, возможность использовать рабочие газы, такие как аргон, азот и их смеси.

Как отмечалось в Главе 1 при описании метода ионно-лучевого осаждения, для достижения массопотока и самого процесса осаждения необходимо, чтобы энергия ионного пучка превышала энергию межатомных связей мишени и не создавала имплантированные дефектные слои. Проведенный в Главе 1 обзор метода, показал оптимальный диапазон энергии для пучка ионов аргона 120–2500 эВ. Нами был использован низкоэнергетический диапазон 180–350 эВ для выполнения задачи обеспечения малых скоростей роста слоев для структур с квантовыми точками. На скорость осаждения пленок влияет и генерируемый ионный ток, который в свою очередь зависит от энергии ионного пучка и напряжения на управляющем электроде. В работе [98] показаны зависимости тока ионного пучка от напряжения на управляющем электроде при низкоэнергетических ионных пучках. Авторы показывают, что при энергии EAr = 100–350 эВ, варьируя напряжение на управляющем электроде (до значения 200 В), можно добиться тока ионного пучка 30–200 мА. Такая управляемость процесса позволит получить относительно малые скорости роста пленок, от 0,7 нм/с до 5 нм/с.

Касательно p-i-n структур, необходимость в малой скорости роста отсутствует, так как толщины слоев достаточно большие и не требуют прецизионного контроля над ростом слоя. В этом случае требование малой энергии ионного пучка и малого значения коэффициента массопереноса не играет критичной роли.

Для получения проводящих слоев использовались мишени GaAs с заданным уровнем легирования: для n – типа использовалась примесь теллура с концентрацией 51017 см-3, для p – типа использовалась примесь цинка с концентрацией 3,51017 см-3. Исследования в работах [99-103] показывают, что осаждаемые слои имеют такую же стехиометрию, как в используемых мишенях. Для получения активного слоя, использовались мишени InGaAs с массовой долей In = 53%, легированные оловом до концентрации 51015 см-3.

Перед началом процесса осаждения ростовая камера отжигалась в течение нескольких часов. Далее, в специальные кассеты, загружались подготовленные мишени осаждаемых материалов.

Нижним проводящим слоем служила подложка арсенида галлия с кристаллографической ориентацией (100) диаметром 40 мм. Предварительно подложка проходила стадию очистки ионным пучком в течение 40 минут. Процесс очистки не требует наличия высокого вакуума, поэтому для откачки применялся только форвакуумный насос, обеспечивающий давление 310-2 Па. Для достижения необходимого ионного пучка на блоке управления энергией ионного пучка, устанавливалось напряжение 120 В, на блоке разряда 150 В. Расход рабочего газа составил 15 нсм3/мин. Перед проведение очистки подложка предварительно нагревалась до температуры 500 оС при помощи вакуумного резистивного нагревателя. После очистки подложка отжигалась при Т = 580 оС, для удаления верхнего защитного слоя.

Первоначальная откачка обеспечивалась форвакуумным насосом, далее для достижения высокого вакуума подключался турбомолекулярный насос, создающий давление в ростовой камере 310-6 Па. На блок управления катодом подавалось напряжение 200 В, на блок ионного пучка 120 В. Параметры блока управления разрядом: U = 55 В, I = 0.45 А. Энергия ионного пучка аргона составила 350 эВ, ток ионного пучка – 20 мА, температура подложки – 500 оС.

Толщина обоих проводящих слоев составила 1,5 мкм, толщина активного слоя – 8 мкм. Скорость роста слоев составила 10 нм/с. Высокая скорость роста в данном случае обусловлена общим временем выращивания p-i-n структуры. Проведя ряд тестовых экспериментов, удалось установить приемлемые коэффициенты распыления: 1,05 для GaAs и 1,15 для InGaAs, при нормально падающем к мишени ионном пучке. Однако, как правило, мишень находится под определенным углом к источнику ионов. В ходе исследования установлено, что максимальные коэффициенты распыления (близкие к коэффициентам при нормальном падении) приходятся на диапазон углов 60–72. При угле наклона свыше 72 наблюдается резкое уменьшение коэффициентов распыления. Стоит отметить, что исследования геометрии «ионный пучок – мишень» проводились при энергиях ионного пучка 350 эВ. Для достижения равномерного массопотока необходимо проводить первоначальное распыление 2–3 минуты при экранированной подложке [104].

Исследование темновых вольтамперных характеристик

Показано, что при температуре 90 К, пик фотолюминесценции квантовых точек InAs соответствует энергии 1,13 эВ (эксперимент) и 1,11 эВ (модель). Видно, что интенсивность экспериментального пика фотолюминесценции квантовых точек, ниже моделируемого (0,8 и 0,9 соответственно). Моделируемый пик квантовых точек имеет ширину на половине максимума излучения 60 мэВ, что меньше значения 130 мэВ для измеренного пика фотолюминесценции. Также наблюдается красное смещение моделируемого пика на 20 мэВ. Полученные эффекты обусловлены разбросом квантовых точек InAs по размерам (в моделе принято допущение о равномерности слоя квантовых точек InAs по латеральным размерам), и связаны с процессом возбуждения фотолюминесценции инжекционным лазером 402 нм (3,08 эВ). Увеличение температуры до 300 К сопровождается снижением интенсивности всех пиков, что характеризуется фононным рассеянием. Кроме рассматриваемых межзонных переходов, на спектр фотолюминесценции оказывает влияние внутризонные переходы (релаксация электронов), что приводит к уменьшению интенсивности экспериментального пика. Малую интенсивность экспериментального пика по сравнению с моделируемым пиком можно объяснить влиянием безызлучательных переходов. Вклад безызлучательных переходов в разработанной модели довольно мал и определяется через скорость и время жизни носителей заряда [110].

Появление квантовых точек большего размера объясняется влиянием сил упругих деформаций. При закрытии слоя квантовых точек широкозонным барьером, на границах возникают упругие напряжения, влияющие на размеры и форму квантовых точек (а также на структуру слоя). Возможно локальное появление квантовых точек больших размеров и дефектов слоя, которые приводят к смещению моделируемого пика межзонных переходов в длинноволновую область. Предложенная модель имеет равномерное распределение поля сил упругих деформаций и соответственно исключает влияние дислокаций и квантовых точек большего размера.

С возрастанием по энергии наблюдается пик смачивающего слоя (1,33 эВ). Для численного моделирования пика смачивающего слоя был взят раствор GaxIn1-xAs с массовой долей In 40%. Как видно из рисунка 33 экспериментальный и моделируемый пики смачивающего слоя имеют хорошее согласование по энергии, расхождение составляет приблизительно 15 мэВ. Последний пик графика (1,5 эВ) соответствует краю собственного поглощения в слое GaAs.

Увеличение температуры с 90 К до 300 К приводит к резкому снижению интенсивности пиков КТ и смачивающего слоя. Интенсивность основных переходов в КТ снижается с 0,8 до 0,15 для экспериментального пика, и с 0,9 до 0,1 для моделируемого [116]. Это связано в первую очередь с особенностями рекомбинации в квантовых точках. С увеличением температуры возрастает преобладание температурных процессов, что приводит к увеличению межзонных переходов за счет термоэлектронной эмиссии. Возможно, температурная деградация характеристики может быть связана с вкладом поверхностных и объемных дефектов, плотность которых возрастает с температурой. На рисунке 35 представлены результаты измерения спектров фотолюминесценции, полученных при использовании в качестве барьерного слоя материала Al0,2Ga0,8As c шириной запрещенной зоны 1,71 эВ.

Проведенный в Главе 1 анализ показал, что применение более широкозонного материала для покрытия слоя квантовых точек приводит к улучшению функциональных характеристик гетероструктуры. Показано, что применение барьера Al0,2Ga0,8As увеличивает интенсивность фотолюминесценции квантовых точек до 0,9 отн. ед., что объясняется снижением вероятности безызлучательных переходов и свидетельствует об эффективном захвате носителей заряда квантовыми точками. Введение барьерного слоя AlGaAs сопровождается сдвигом пика фотолюминесценции квантовых точек на 30 мэВ в область больших энергий, который связан с процессами рекомбинации в возбужденных уровнях КТ InAs. Наблюдается уменьшение ширины на половине максимума излучения под влиянием тепловых процессов в структурах с барьером AlGaAs. Также применение широкозонного материала в качестве барьерного слоя, на наш взгляд, уменьшает скорость поверхностной рекомбинации в последующих слоях структуры.

Эффективность и целесообразность применения, полученных методом ионно-лучевого осаждения p-i-n InGaAs/GaAs и QD-InAs/GaAs гетероструктур, для быстродействующих фотодетекторов ближнего инфракрасного диапазона, оценивалась по результатам исследования темновых вольтамперных характеристик. Темновой ток служит одной из основополагающих характеристик, влияющих на процессы переноса носителей заряда в структуре. Именно поэтому, необходимо технологически добиться как можно низкого значения темнового тока. Для проводимых исследований выращивались три типа образцов: гетероструктуры с активным слоем InGaAs, гетероструктуры с КТ InAs закрытые барьером GaAs, и гетероструктуры с InAs КТ закрытые барьером Al0,2Ga0,8As. Размеры образцов составляли 1 см2.

На рисунке 36 представлены зависимости темновой вольтамперной характеристики для p-i-n InGaAs/GaAs гетероструктур от температуры. Штриховыми линиями представлены результаты численного моделирования, сплошными линиями результаты экспериментальных исследований. Маркировка соответствует различным температурным значениям. Диапазон напряжения обратного смещения -1–0 В.