Введение к работе
Гетеронаноструктуры (ГНС) с размерным квантованием энергетического спектра электронного газа стали в последние годы одним из основных объектов исследований и разработок в физике, технике и технологии полупроводников. К настоящему времени для гетеросистемы GaAs/InxGai_xAs относительно хорошо изучены наноструктуры со слоями квантовых ям (КЯ) и самоорганизованных квантовых точек (КТ).
Недавно появились первые работы '' 2, в которых изучаются структуры с комбинированными квантово-размерными слоями КЯ/КТ, в которых слой КТ InAs заращивается сначала слоем КЯ InxGai.xAs (х~0.2) и лишь затем покровным слоем GaAs. Они привлекли к себе внимание в связи с тем, что в них наблюдается значительное красное смещение энергии основного оптического перехода в КТ E0(QD) относительно его значения в одиночном слое КТ. Это открыло возможность создания на ГНС с КТ (ГКТ) In(Ga)As/GaAs более длинноволновых инжекционных полупроводниковых лазеров для волоконно-оптических линий связи, в частности лазеров, излучающих в окнах прозрачности кварцевого оптического волокна на длинах волн 1.3 и 1.55 мкм, которым соответствуют значения Eo(QD) 0.95 и 0.8 эВ соответственно.
Данная работа посвящена изучению энергетического спектра, фотоэлектронных свойств и морфологии ГНС GaAs/InGaAs с комбинированными слоями КЯ InxGa, xAs и самоорганизованных КТ InAs, выращенных методом газофазной эпитаксии из металлорганических соединений (ГФЭ МОС) при атмосферном давлении водорода - газа-носителя паров МОС.
Актуальность темы и постановка задач исследования Изучение ГНС с комбинированными слоями типа КЯ/КТ представляет значительный теоретический и практический интерес. На морфологию и энергетический спектр комбинированных слоев КЯ/КТ может влиять диффузионное перемешивание состава слоев, перераспределение и релаксация в них упругих напряжений, гибридизация их энергетического спектра и др. Эти эффекты могут по-разному проявляться в структурах, выращенных разными методами и при разных условиях, и они еще мало изучены. Не совсем ясен и вопрос об основной причине красного смещения E0(QD) в комбинированных слоях КЯ/КТ. В ' это смещение связывается с релаксацией упругих напряжений в КТ, обусловленной уменьшением рассогласования решеток на границе КЯ/КТ, в 2 - с увеличением эффективйадьллрюмерйьаЖТ в результате
Г MNMKOTCKA ]
4
стимулированного наличием кластеров InAs распада твердого
раствора квантовой ямы.
В данной работе подход к изучению этих структур отличается
двумя особенностями: 1) изучаются структуры, выращенные редко
применяемым для выращивания ГКТ методом ГФЭ МОС при атмосферном
давлении водорода, 2) для изучения энергетического спектра и
электронных свойств ГКТ широко используются методы
фотоэлектрической спектроскопии, в частности, новый метод диагностики
ГНС - спектроскопия поверхностной фотоэдс в системе
полупроводник/электролит.
Интерес к методу ГФЭ МОС обусловлен тем, что благодаря относительной простоте и экономичности он хорошо подходит для массового производства структур, а специфические условия роста позволяют получать структуры с уникальными свойствами.
Энергетический спектр ГНС традиционно изучается методами фоюлюминесцентной спектроскопии. Комплексное применение методов фотолюминесцентной и фотоэлектрической спектроскопии дает важную дополнительную информацию. В отличие от спектров фотолюминесценции (ФЛ), характеризующих энергетический спектр только рекомбинационных излучательных переходов, фотоэлектрические спектры (фотопроводимости и различных фотовольтаических эффектов) отражают спектр оптического поглощения, который более полно характеризует энергетический спектр структуры, так как содержит информацию и о безизлучательных переходах.
Исходя из вышесказанного, определилась основная задача данной работы - изучение методами фотоэлектрической и фотолюминесцентной спектроскопии и атомно-силовой микроскопии особенностей энергетического спектра и морфологии гетеронаноструктур GaAs/InGaAs с комбинированными слоями КЯ/КТ разного типа, выращенных ГФЭ МОС при атмосферном давлении.
Научная новизна работы
-
В работе впервые установлены особенности энергетического спектра, фотоэлектронных свойств и морфологии комбинированных слоев квантовых ям и точек различного типа, выращенных газофазной МОС г идридной эпитаксией при атмосферном давлении.
-
Показана возможность управления энергетическим спектром квантовых точек InAs/GaAs в широких пределах изменением толщины и состава тонкого двойного покровного слоя GaAs/InGaAs.
Практическая ценность работы
Результаты работы могут быть использованы для
. , . :>; .** \
5
усовершенствования технологии ГФЭ МОС и создания лазерных
структур с поверхностным фото- или электронным возбуждением, а также светодиодных структур, излучающих в окнах прозрачности оптического волокна на длинах волн 1.3 и 1.55 мкм.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Низкие энергии основного перехода в одиночных слоях КТ InAs/GaAs и относительно малая величина его красного смещения в комбинированных слоях КЯ/КТ, выращенных ГФЭ МОС при атмосферном давлении, обусловлены образованием на фанице InAs/GaAs переходного слоя твердого раствора, вызывающего частичную релаксацию упругих напряжений в КТ.
-
Обнаруженный эффект красного смещения энергии основного перехода в КЯ InxGai.xAs при нанесении ее на слой КТ обусловлен образованием гибридной КЯ InxGai_xAs + InAs (смачивающий слой) между квантовыми точками.
-
В структурах с тонким двойным покровным слоем GaAs/InxGai. xAs изменением его толщины и состава можно управлять энергией основного перехода в КТ InAs/GaAs в интервале 0.68 - 0.95 эВ, перекрывающем оба окна прозрачности кварцевого оптического волокна на длинах волн 1.3 и 1.55 мкм. Увеличение содержания Ьі в КЯ InxGaj.xAs и уменьшение ее ширины и толщины внешнего покровного слоя GaAs увеличивают красное смещение энергии основного перехода в КТ.
-
Селективный феррицианидный травитель выявляет скрытые слои КЯ InxGai_xAs с х > 0.2 и КТ InAs со смачивающим слоем, позволяющие исследовать их морфологию методом атомно-силовой микроскопии. При селективном травлении тонкого покровного слоя GaAs (~30 нм) наблюдается значительное красное смещение E0(QD), связанное с релаксацией упругих напряжений в КТ, и исчезновение полосы фоточувствительности, связанной с крупными дислоцированными кластерами, обусловленное их растравливанием.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на первой, второй и третьей Всероссийских молодежных конференциях по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике (г. Санкт-Петербург, 1999, 2000, 2001 гг.), международном рабочем совещании «Зондовая микроскопия - 2000» (г. Нижний Новгород, 2000 г.), 8 международном симпозиуме «Nanostructures: physics and technology» (г. Санкт- Петербург, 2000 г.), 25 и 26 международных конференциях по физике полупроводников «ICPS - 25», «ICPS - 26» (Осака, Япония, 2000 г.,
Эдинбург, Великобритания, 2002 г.), международной молодежной
конференции «Problems of Optics in XXI century» (г. Киев, Украина, 2000 г.), международной конференции «Фундаментальные проблемы физики» (г. Саратов, 2000 г.), международном рабочем совещании «Scanning Probe Microscopy - 2001» (г. Нижний Новгород, 2001 г.), Всероссийских рабочих совещаниях «Нанофотоника» (г. Нижний Новгород, 2001, 2003 гг.), шестой и восьмой нижегородских сессиях молодых ученых (г. Нижний Новгород, 2001, 2003 гг.), V российской конференции по физике полупроводников (г. Нижний Новгород, 2001 г.), 2 и 3 международных молодежных конференциях «Scientific Problems of Optics and High Technology Material Science» (г. Киев, Украина, 2001, 2002гг.), 5 международной конференции «Nanotechnologies in the area of physics, chemistry and biotechnology» (r. Санкт- Петербург, 2002 г.), XII международной конференции «Semiconducting and Insulating Materials Conference » (г. Братислава, Словакия, 2002г.).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 32 работы [А1-А32], в том числе 8 статей в научных журналах и 24 сообщения в материалах конференций.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Объем диссертации составляет 120 страниц, содержащих 54 рисунка. Список литературы содержит 66 наименований.
