Введение к работе
Актуальность темы.
Полупроводниковые двойные гетероструктуры, включая квантовые ямы, нити и точки, в последние годы заняли ведущие место в области физики полупроводников и оптоэлектроники.
Гетероструктуры с пространственным ограничением носителей заряда во всех трех измерениях (квантовые точки) реализуют предельный случай размерного квантования в полупроводниках, когда модификация электронных свойств материала наиболее выражена. Электронный спектр квантовой точки (КТ) соответствует спектру одиночного атома, хотя реальная КТ при этом может состоять из сотен тысяч атомов. Благодаря своим уникальным свойствам КТ являются перспективным рабочим материалом при создании принципиально новых полупроводниковых приборов и улучшении параметров уже существующих.
Эффекты самоорганизации при молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) и её разновидностях в полупроводниковых системах А3!*5 экспериментально подтверждены работами последних лет. В случае использования полупроводниковой системы InAs/GaAs возможно получение массива КТ при достижении критической толщины арсенида индия, осажденного на подложку арсенида галлия, непосредственно при МПЭ. Данный эффект объясняется релаксацией упругих напряжений, возникающих при росте в гетероэпитаксиальной системе с рассогласованными постоянными решеток по механизму Странски-Крастанова. Известно, какое влияние на спектры фотолюминесценции (ФЛ) оказывают латеральные размеры, поверхностная плотность и степень пространственной упорядоченности КТ. В свою очередь большинство этих факторов регулируется технологическими условиями и кинетикой роста. Установлено, что использование режима субмонослойной миграционно-стимулированной эпитаксии (СМСЭ) и вицинальных подложек GaAs позволяет получать массивы КТ InAs с наиболее близкими латеральными размерами, что проявляется в сужении их полосы ФЛ. Этот критерий является одним из определяющих при выборе активной среды гетеролазеров.
При некоторых условиях наблюдается более сложная структура спектра ФЛ КТ: основная полоса, интерпретируемая как экситонная рекомбинация электрона и тяжелой дырки в основном состоянии КТ, оказывается неоднородно уширенной, а в ряде случаев проявляются и дополнительные максимумы излучения. Происхождение этих максимумов в настоящее время интенсивно дискутируется.
Цель диссертационной работы:
Целью настоящей работы являлось исследование ФЛ двумерных массивов КТ InAs, выращенных методом СМСЭ на вицинальных подложках GaAs(lOO) с различными направлениями и углами разориентации при осаждении слоя InAs толщиной 1.8 монослоя.
Основной задачей настоящей работы явилось определение природы составляющих спектра ФЛ КТ InAs, выращенных на вицинальных поверхностях GaAs.
Для выполнения поставленной цели в работе предполагалось:
Проведение в широком диапазоне температур исследований спектров
ФЛ массивов КТ InAs с различными углами и направлениями
разориентации подложки GaAs.
Проведение исследований спектров возбуждения ФЛ КТ и спектров
ФЛ при возбуждении из области барьера GaAs и подбарьерной
области смачивающего слоя InAs.
Исследование влияния плотности возбуждения на характеристики
компонент, составляющих спектр ФЛ.
На основе этих результатов выявление происхождения различных
групп КТ и механизмов их излучателъной рекомбинации.
Проведение исследований спектров ФЛ КТ InAs/GaAs под влиянием
гидростатического давления.
Научная новизна полученных результатов:
-
Проведены исследования излучательных свойств двумерных массивов КТ InAs на начальных стадиях их самоорганизации на вицинальной поверхности.
-
Обнаружено смещение максимума ФЛ относительно сингулярной поверхности в коротковолновую сторону, вызванное уменьшением размера КТ на вицинальных поверхностях. Сужение максимума ФЛ связывается с уменьшением разброса КТ по размерам.
-
Показано, что структура спектра ФЛ формируется группами КТ, принадлежащих террасам, уширенным за счет эффекта складирования моноатомных ступеней на вицинальных поверхностях.
-
Установлено существование группы изолированных КТ, не связанных с остальным массивом из-за нарушений смачивающего слоя.
-
Обнаружено различие баррических зависимостей отдельных компонент спектра ФЛ. Обнаруженный эффект связан с наличием поля внутренних деформаций.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
При увеличении угла разориентации подложки происходит уменьшение средних размеров КТ и их дисперсии. Это проявляется в смещении максимума излучения КТ в область высоких энергий и его сужении.
-
Полосы ФЛ принадлежат группам КТ InAs, излучающим с террас, уширенных за счет эффекта складирования моноступеней на разориентированной поверхности GaAs.
-
Интенсивная высокоэнергетическая полоса (1,37эВ) спектра ФЛ у образцов с относительно высокой степенью разориентации (5 и 7) связана с рекомбинационным излучением КТ, изолированных от остального массива из-за нарушений смачивающего слоя.
-
Возбужденные состояния КТ, являась неактивными в ФЛ, проявляются в температурной зависимости спектра ФЛ.
-
Барические коэффициенты могут зависеть от размеров КТ, особенно для групп КТ различного происхождения. Эффект обусловлен вкладом поля внутренних деформаций, зависящего от кристаллического окружения КТ.
Практическая ценность работы:
-
Выяснение механизмов рекомбинации, ответственных за появление полос излучения у массивов КТ на начальной стадии их самоорганизации на вицинальной подложке, дает возможность наиболее эффективного подбора активной среды инжекционных гетеролазеров.
-
Проведенный в работе цикл исследований дает методологический подход к идентификации мультимодальной структуры спектров ФЛ КТ.
Апробация работы: Основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались на международных конференщшх "Nanostractures : Physics and Technology 1998", "Nanostructures : Physics and Technology 1999", Репино, Санкт-Петербург; "The 24* International Conference on the Physics of Semiconductors", 1998, Jerusalem, Israel; на IV Российской Конференции по Физике Полупроводников 1999, Новосибирск, II Городской Научной Конференции Студентов и Аспирантов по Физике Полупроводников и Полупроводниковой Наноэлектронике, 1998, Санкт-Петербург; Всероссийской Молодежной Научной Конференции по Физике Полупроводников и Полупроводниковой Опто- и Наноэлектронике, 1999, Санкт-Петербург.
Публикации: По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Она содержит 99 страниц машинописного текста, 44 рисунков. Список литературы содержит 97 наименований.
