Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Морфология и фотоэлектронные спектры гетеронаноструктур с квантовыми точками InAs/GaAs (Обзор литературы) 11
1.1. Получение КРС с квантовыми точками In(Ga)As/GaAs 11
1.2. Влияние некоторых условий ГФЭ МОС на морфологию КТ 13
1.3. Влияние на морфологию массива КТ его заращивания покровным слоем 21
1.4. Влияние толщины покровного слоя GaAs на энергетический спектр КТ 23
1.5. Влияние толщины и состава двойного покровного слоя GaAs/InGaAs на энергетический спектр КТ 28
1.6. Морфология и фотоэлектронные спектры КРС с КТ InAs/GaAs, выращенных ГФЭ МОС АДВ 31
Глава 2. Влияние некоторых условий выращивания слоев квантовых точек InAs/GaAs на их морфологию и фотоэлектронные свойства 35
2.1. Методика эксперимента 35
2.1.1. Исследованные структуры. Методика выращивания 35
2.1.2. Диагностика энергетического спектра КРС 39
2.1.3. Атомно-силовая микроскопия КРС , 43
2.2. Влияние легирования слоев КТ висмутом в процессе роста на морфологию массива КТ . 44
2.2.1. Нелегированные структуры 45
2.2.2. Структуры, легированные висмутом , 49
2.2.3. О связи фотоэлектронных спектров с морфологией слоев КТ 52
2.3. Влияние заращивания слоя КТ InAs покровным слоем GaAs на морфологию и фотоэлектронные свойства гетеронаноструктур 58
2.4. Влияние паров ССЦ при выращивании слоев КТ InAs/GaAs на их морфологию и фотоэлектронные свойства 65
ГЛАВА 3. Разработка методики исследования морфологии скрытых слоев КТ InAs/GaAs методом асм в комбинации с селективным химическим травлением 75
3.1. Эволюция морфологии поверхности селективного травления ГКТ. Визуализация слоя КТ 76
3.1.1. Особенности морфологии поверхности травления однородного слоя GaAs 77
3.1.2. Эволюция морфологии поверхности травления ГКТ при ступенчатом стравливании покровного слоя 77
3.1.3. Морфология скрытого слоя КТ, выявленного с помощью селективного травления 83
3.2. Мониторинг in situ процесса селективного травления ГКТ методами фотолюминесцентной и фотоэлектрической спектроскопии 84
3.2.1. Мониторинг методом спектроскопии ФЛ 85
3.2.2. Мониторинг методом спектроскопии ФПЭ 87
Глава 4. Влияние электрохимической модификации покровного слоя gaas и слоя КТ InAs/GaAs на морфологию и фотоэлектронные спектры КТ 94
4.1. Эволюция спектров ФПЭ ГКТ при ступенчатом селективном травлении покровного слоя 94
4.2. Модификация ПКТ путем селективного травления 96
4.2.1, Эволюция морфологии ПКТ при травлении 98
4.2.2. Эволюция фотоэлектронных спектров ПКТ при травлении 101
4.3. Влияние анодного окисления покровного слоя и ПКТ на энергетический спектр КТ 103
Заключение 108
Список публикаций по теме диссертации 112
Цитируемая литература 116
- Влияние толщины и состава двойного покровного слоя GaAs/InGaAs на энергетический спектр КТ
- Влияние легирования слоев КТ висмутом в процессе роста на морфологию массива КТ
- Эволюция морфологии поверхности травления ГКТ при ступенчатом стравливании покровного слоя
- Эволюция спектров ФПЭ ГКТ при ступенчатом селективном травлении покровного слоя
Введение к работе
Актуальность темы
В последние годы интенсивно исследуются полупроводниковые структуры с гетеровключениями нанометровых размеров, в которых проявляется размерное квантование электронного газа. Квантово-размерные гетеронаноструктуры (КРС) привлекают к себе внимание благодаря уникальным физическим свойствам и широким возможностям технического применения в оптоэлектронике, в частности для создания светодиодов и лазеров с улучшенными характеристиками. Особенно большой интерес вызывают КРС с квантовыми точками (КТ), в которых электроны обладают полностью дискретным квазиатомным энергетическим спектром. Одной из наиболее интересных и широко изучаемых систем этого типа является КРС с самоорганизованными КТ In(Ga)As/GaAs, которые образуются при гетероэпитаксиальном выращивании слоя In(Ga)As в матрице GaAs из-за большого рассогласования кристаллических решеток гетеропары [1-7].
Актуальной фундаментальной проблемой физики низкоразмерных систем является изучение связи энергетического спектра и оптоэлектронных свойств квантово-размерных гетеронановключений с их морфологией, химическим составом, дефектностью и другими особенностями их строения. Одним из важных факторов, влияющих на эти характеристики самоорганизованного слоя КТ InAs в матрице GaAs, является нанесение на него покровного слоя, обычно завершающее основной процесс изготовления КРС. Влияние модификации покровного слоя - изменения его толщины, химического состава и условий нанесения при выращивании, а также последующей физико-химической обработки после выращивания КРС (травления, окисления, пассивации и др.) на морфологию, энергетический спектр и оптоэлектронные свойства самоорганизованных слоев КТ InAs/GaAs еще мало изучено. Изучение этого вопроса представляет не только самостоятельный научный интерес, но также важно для совершенствования
технологии выращивания КРС и улучшения их оптоэлектронных характеристик.
Цель и основные задачи работы:
Данная работа посвящена изучению влияния на морфологию, энергетический спектр и фотоэлектронные свойства КРС с КТ InAs/GaAs физико-химической модификации покровного слоя КРС как в процессе выращивания структуры, так и после его завершения.
Объектом исследования были КРС, выращенные методом газофазной эпитаксии из металлорганических соединений (ГФЭ МОС) при атмосферном давлении водорода - газа-носителя паров МОС (метод ГФЭ МОС АДВ). Этот относительно простой, экономичный метод сравнительно редко применяется для выращивания КРС с КТ InAs/GaAs, однако возможности его совершенствования еще не исчерпаны [8]. Исследования были направлены на решение следующих основных задач:
Выяснение влияния на морфологию и фотоэлектронные спектры слоя КТ InAs легирования его в процессе роста примесью-сурфактантом ВІ, заращивания массива КТ покровным слоем GaAs, газо-химического травления покровного слоя в процессе выращивания ССЦ.
Разработка методики визуализации скрытых под покровным слоем КТ InAs посредством селективного химического стравливания покровного слоя. Исследование морфологии вскрытых слоев КТ методом атомно-силовой микроскопии (АСМ).
Выяснение влияния электрохимической модификации (селективного химического травления и анодного окисления) покровного слоя и самого слоя квантовых точек на морфологию и фотоэлектронные спектры КТ.
Научная новизна работы
1. Выяснены особенности распределения нанокластеров InAs по размерам в легированных и нелегированных Bi слоях квантовых точек,
7 выращенных ГФЭ МОС АДВ, и связь спектров фоточувствительности и фотолюминесценции КРС с этими особенностями,
Установлено, что по фотоэлектрическим спектрам структур может быть определен химический состав крупных релаксированных нанокластеров InGaAs/GaAs в слоях КТ. Показана возможность их газохимического стравливания четыреххлористым углеродом в процессе выращивания покровного слоя.
Разработан метод визуализации скрытых под покровным слоем GaAs КТ InAs посредством селективного химического стравливания покровного слоя с мониторингом in situ процесса по фотоэлектрическим спектрам КРС.
Показана возможность изменения энергетического спектра КТ InAs/GaAs путем травления и/или анодного окисления тонкого покровного слоя GaAs, основанная на зависимости этого спектра от поля упругих напряжений в КТ, создаваемого покровным слоем. С помощью этого метода на одних и тех же поверхностных КТ продемонстрирована зависимость энергии основного перехода в КТ от их высоты.
Практическая ценность работы
Результаты работы позволяют улучшить морфологию и оптоэлектронные характеристики однослойных и складированных слоев КТ InAs/GaAs, выращенных ГФЭ МОС АДВ.
Визуализация скрытых слоев КТ с фотоэлектрическим мониторингом процесса травления обеспечивает экспрессное исследование их морфологии методами сканирующей зондовой микроскопии.
Электрохимическая обработка покровного слоя КРС с КТ InAs/GaAs может быть использована для тонкой регулировки энергетического спектра КТ и выяснения роли упругих напряжений в различных явлениях.
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. В поверхностных слоях самоорганизованных КТ InAs/GaAs, выращенных ГФЭ МОС АДВ, распределение нанокластеров InAs по высоте
8 и латеральному размеру имеет бимодальный характер. Оно состоит из узкого массива нанокластеров малого размера гауссового типа и широкого, но менее плотного массива более крупных нанокластеров с близким к экспоненциальному уменьшением поверхностной концентрации при увеличении размеров. В структурах легированных ВІ гауссов массив псевдоморфных нанокластеров - КТ отделен от экспоненциального массива почти пустым интервалом размеров. С этим связано ярко выраженное в легированных слоях сужение пиков и появление тонкой структуры на спектрах фотолюминесценции и фоточувствительности от квантовых точек.
Наличие массива релаксированных нанокластеров в слое КТ InAs приводит к появлению слабой полосы фоточувствительности с порогом в районе 0.6 - 0.7 эВ, который определяется химическим составом нанокластеров InxGai_xAs, и ослаблению фотолюминесценции от КТ. Нанесение тонкого (-20 нм) покровного слоя GaAs на слой КТ InAs тормозит процесс коалесценции, ведущий к образованию релаксированных нанокластеров, и вызывает частичное растворение уже образовавшихся таких нанокластеров. Обработка слоя КТ InAs, покрытого тонким (5 нм) слоем GaAs, в парах СС14 при температуре 580С приводит к удалению релаксированных нанокластеров в результате их газо-химического травления. При этой обработке псевдоморфные нанокластеры - КТ сохраняются и оптические свойства структур улучшаются.
Селективное травление покровного слоя GaAs позволяет выявлять (визуализировать) массив КТ в результате значительной задержки процесса травления не только на нанокластерах - КТ, но и на смачивающем слое InAs. Измерение in situ спектра фотоэдс на барьере КРС/травитель позволяет эффективно осуществлять мониторинг травления, в частности определять момент полного удаления покровного слоя по красному смещению порога фоточувствительности от КТ или по исчезновению полосы фоточувствительности от смачивающего слоя.
9 4. Селективное травление тонкого одиночного (GaAs) и двойного покровного слоя GaAs/InGaAs приводит к красному смещению энергии основного перехода в КТ InAs/GaAs в интервале от « 0.9 до » 0.7 эВ в результате частичной релаксации упругих напряжений, создаваемых этим слоем. При селективном травлении самих поверхностных КТ InAs/GaAs происходит голубое смещение энергии основного перехода, обусловленное в основном уменьшением высоты нанокластеров - КТ. Анодное окисление покровного слоя и ПКТ действует в основном так же, как селективное травление.
Личный вклад автора
Автором проведены исследования, обработка и анализ данных по морфологии и фотоэлектронной спектроскопии КРС. Исследованные КРС выращены Б.Н. Звонковым. Эксперименты по влиянию технологических факторов на свойства КРС проводились совместно с Б.Н. Звонковым, по влиянию анодного окисления - совместно с СВ. Тиховым. Планирование и анализ результатов экспериментов осуществлялись совместно с научным руководителем.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались на: 9 международном симпозиуме «Nanostructures: physics and technology» (г. Санкт- Петербург, 2001 г.); 26 международной конференции по физике полупроводников «ICPS - 26» (Эдинбург, Великобритания, 2002 г.); международных рабочих совещаниях «Зондовая микроскопия» (г. Нижний Новгород, 1999, 2001, 2003 гг.); всероссийских рабочих совещаниях «Нанофотоника» (г. Нижний Новгород, 2001, 2002, 2004 гг.); международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (г. Владимир, 2005 г.); четвертой и пятой всероссийских молодежных конференциях по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике (г. Санкт- Петербург, 2002,
10 2003 гг.); международной конференции «Электронные свойства низкоразмерных полупроводниковых структур» (г. Екатеринбург, 2002 г.); восьмой, девятой и десятой молодежной конференции «Нижегородская сессия молодых ученых» (г. Нижний Новгород, 2003, 2004,2005 гг.);.
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 21 печатная работа, из них 7 статей и 14 публикаций в материалах конференций.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения. Общий объем диссертации составляет 123 страницы, включая 70 рисунков. Список цитируемой литературы содержит 75 наименований, список работ автора по теме диссертации 21 наименование.
Влияние толщины и состава двойного покровного слоя GaAs/InGaAs на энергетический спектр КТ
Как и в предыдущей работе, красное смещение спектра было объяснено частичной релаксацией упругих напряжений при уменьшении толщины покровного слоя.
В отличие от [25], в [26] при уменьшении толщины покровного слоя не наблюдалось увеличения интенсивности ФЛ. Гашение ФЛ в этой работе авторы объясняют возникновением конкуренции процессов излучательной и безизлучательной рекомбинации при малых толщинах покровного слоя из-за возникновения дополнительного канала безизлучательной рекомбинации через поверхностные состояния, вероятность туннелирования электронов на которые, через тонкий поверхностный барьер, сильно возрастает.
Недавно в работе [27] авторы снова исследовали вопрос о причинах красного смещении спектра излучения ПКТ относительно спектра ВКТ. На рис. 1.16 из этой работы видно, что пик ФЛ от ПКТ, как и в других работах, смещен относительно пика от ВКТ в красную область на 466 нм (306 мэВ), значительно уширен и на порядок меньше по интенсивности. Авторы теоретически показали, что релаксацией упругих напряжений можно объяснить смещение только на »195 мэВ, т.е. примерно 2/3 смещения.
Остальное смещение авторы объясняют в основном объединением (coupling) размерно-квантованных и поверхностных состояний. В этой работе наблюдались близкие к полученным в [25] зависимости длины волны и интенсивности ФЛ от толщины покровного слоя (рис. 1.14).
Заметим, что ранее при исследовании энергетического спектра встроенных и поверхностных КЯ InGaAs было обнаружено как красное [28, 29, 30], так и голубое смещение [31] спектра ФЛ при выносе КЯ на поверхность, однако наблюдаемые смещения спектра были значительно меньше, чем в случае КТ. Красное смещение объяснялось объединением размерно-квантованных и поверхностных состояний, а голубое смещение -увеличением высоты ограничивающего барьера на свободной поверхности КЯ, который увеличивается от и 0.2 до к 5 эВ. Упругие напряжения в псевдоморфной КЯ полностью определяются взаимодействием ее с подложкой и поэтому нанесение покровного слоя практически их не меняет. В работах [32 - 34] одновременно было обнаружено, что при нанесении на слой КТ InAs двойного покровного слоя, состоящего из слоя КЯ InxGai.xAs (х 0.15 - 0.2) толщиной 5 нм и внешнего слоя GaAs, происходит значительное красное смещение спектра ФЛ от КТ по сравнению со спектром структур с однородным покровным слоем GaAs. Такие структуры можно рассматривать как структуры с комбинированным квантово-размерным слоем КЯ/КТ. Позднее на структурах этого типа удалось достичь окна максимальной прозрачности кварцевого волокна на длине волны 1.55 мкм. [35]
В работе [32] заращиванием слоя КТ InAs слоем внешней КЯ Ino.2Gao.3As методом МЛЭ удалось увеличить длину волны излучения с 1.16 до 1.35 мкм. Авторы объяснили красное смещение спектра излучения релаксацией упругих напряжений в КТ, обусловленной уменьшением рассогласования решеток на границе КЯ/КТ. На рис. 1.17 а схематически изображена КТ InAs, заращенная покровным слоем GaAs. КТ упруго сжата, так как постоянная решетки InAs больше постоянной решетки GaAs на 7%. Направление действия напряжений сжатия со стороны подложки и со стороны покровного слоя показаны незаполненными стрелками. Если на КТ наносится слой InGaAs или InAlAs, то происходит частичная релаксация упругих напряжений со стороны покровного слоя, поскольку указанные материалы имеют большую по сравнению с GaAs постоянную решетки. При этом главным образом уменьшается компонента упругих напряжений в направлении роста, что приводит к уменьшению упругой деформации и, следовательно, увеличению высоты КТ (рис. 1.17 Ь). В этой работе структуры были выращены методом МЛЭ. По данным АСМ КТ имели латеральный размер 42 нм, высоту 14 нм и поверхностную концентрацию 10ю см"2.
Влияние легирования слоев КТ висмутом в процессе роста на морфологию массива КТ
Метод спектроскопии фотоэдс на контакте полупроводник/электролит (ФПЭ) применительно к исследованию энергетического спектра КРС был разработан И.А. Карповичем и др. [50]. Ранее этот метод в области собственной фоточувствительности широко использовался для исследования поверхностных свойств полупроводников [51]. В [52] он был применен для исследования энергетического спектра КРС InGaP/GaAs с одиночными квантовыми ямами и сверхрешетками и было отмечено высокое разрешение спектров, полученных этим методом. Важным достоинством данного метода является высокая чувствительность, позволяющая получать фотоэлектрические спектры от квантовых точек с большими барьерами для эмиссии электронов и дырок из квантовых точек в матрицу и при низкой поверхностной концентрации точек (-10 см"). Данным методом можно изучать структуры, выращенные как на полуизолирующих, так и на проводящих подложках. В отличие от методов фотопроводимости и конденсаторной фотоэдс, метод ФПЭ, благодаря высокой чувствительности, позволяет также исследовать КТ, выращенные на поверхности структуры. Также как и методом фотоэдс на барьере Шоттки или р-п переходе данным методом можно проводить исследования влияния электрического поля на спектры фоточувствительности. Единственным серьезным недостатком метода является трудность исследования температурной зависимости фоточувствительности в широком диапазоне низких температур.
Для создания электролитической ячейки к КРС, нанесенной на полуизолирующую или проводящую подложку, плотно прижималось тефлоновое кольцо с внутренним диаметром 5 мм и высотой 4 мм, которое вместе с образцом служило резервуаром для электролита (рис. 2.5). В качестве электролита обычно использовался 0.5 М раствор КС1 в смеси с глицерином в соотношении 1:1. Электродом сравнения служила погруженная в электролит Pt проволока. Конструкция ячейки позволяла освещать образец как через электролит, так и через подложку. Последний вариант использовался в тех случаях, когда электролит обладал значительным поглощением в исследуемой области спектра (при h\ 0.9 эВ). Как оказалось, для экспрессных измерений вместо резервуара с электролитом можно использовать пропитанную в электролите бумагу. hvМетод спектроскопии ФЛ в настоящее время широко применяется для исследования энергетического спектра КРС [1-7].
Нами в данной работе для фотовозбуждения ФЛ использовался He-Ne лазер с длиной волны излучения 0.63 мкм мощностью 50 мВт. Для измерения ФЛ при температуре 77 К держатель с образцом помещался в кварцевый сосуд Дьюара с прозрачным окном, в который наливался жидкий азот. Излучение лазера фокусировалось линзой на поверхности структуры в пятно диаметром «200 мкм. Интенсивность возбуждающего света составляла 7-Ю1 фотонов/см с и модулировалась при помощи механического модулятора с частотой 2 кГц. Для анализа спектра люминесцентного излучения использовался монохроматор МДР-3 с дифракционной решеткой 600 штр./мм. Разрешающая способность монохроматора при ширине входной и выходной щелей 0,5 мм составляла 2,5 мэВ. В качестве детектора использовался фотоумножитель ФЭУ-62, или германиевый фотодетектор. Регистрация сигнала проводилась по стандартной селективной методике с синхронным детектированием. Спектры ФЛ строились с учетом спектральной характеристики фоточувствительности ФЭУ и оптической схемы регистрации.
Морфология поверхности КРС исследовалась нами в Научно-образовательном центре «Физика твердотельных наноструктур» ННГУ методом АСМ на универсальном сканирующем микроскопе TopoMetrix Accurex ТМХ-2100 в контактном режиме [53].
АСМ основана на сканировании механическим зондом-острием нанорельефа поверхности для получения увеличенных изображений этого рельефа. В конструкцию микроскопа входят зонд, пьезоэлектрические двигатели для перемещения зонда, электронная цепь обратной связи и компьютер для управления процессом сканирования, получения и обработки изображений (рис. 2.6). Основным элементом атомно-силового сенсора является упругая пружинка (кантилевер). Мы использовали V- образные кремниевые кантилеверы. На конце кантилевера закрепляется пирамидальный зонд (тип). Атомно-силовой сенсор аналогичен обычному механическому профилометру, однако его чувствительность настолько высока, что позволяет регистрировать силы взаимодействия между отдельным атомами. Этим методом можно получать трехмерное изображение на воздухе, в жидкости и в вакууме с разрешением вплоть до долей ангстрема.
Сканирующая зондовая АСМ широко используется для исследования морфологии слоев самоорганизованных КТ InAs/GaAs. Однако доступны для исследования этим методом только слои КТ, расположенные непосредственно на поверхности структуры, в то время как в электронных приборах они встроены в матрицу GaAs. Заращивание слоя КТ InAs покровным слоем GaAs может оказывать существенное влияние на форму, размеры, дисперсию по размерам, химический состав и поверхностную концентрацию КТ, так как процесс формирования слоя КТ продолжается некоторое время и после прекращения осаждения этого слоя.
Эволюция морфологии поверхности травления ГКТ при ступенчатом стравливании покровного слоя
Как было показано в работах [58-60], при осаждении покровного слоя в ГКТ, выращенных методом МЛЭ, происходят процессы, существенно изменяющие морфологию и энергетический спектр КТ. Такими процессами, как считают авторы, является изменение состава КТ в результате взаимной диффузии материала КТ и матрицы или их частичное испарение. При этом существенное влияние на эти процессы оказывают условия выращивания и толщина покровного слоя.
Рентгеноструктурный анализ, проведенный в ИФМ РАМ, показал, что при заращивании КТ InAs, выращенных методом ГФЭ МОС АДВ, покровным слоем происходит образование твердых растворов InxGai.xAs, состав которых х меняется от 0 до 1. Это говорит о том, что при осаждении покровного слоя происходит перемешивание материала КТ (In) и материала матрицы (Ga).
С целью изучения влияния процесса заращивания слоя КТ InAs покровным слоем GaAs на свойства структур с КТ мы провели АСМ исследование морфологии поверхности и фотоэлектронных спектров ГКТ с разными толщинами покровного слоя.
Можно было ожидать, что если при заращивании слоя InAs покровным слоем GaAs, имеющим толщину, примерно равную высоте КТ, происходит преимущественное заращивание промежутков между нанокластерами, то высота относительно крупных нанокластеров должна приблизительно линейно уменьшаться с ростом толщины покровного слоя. Если же покрытие всей поверхности InAs арсенидом галлия происходит примерно равномерно, то рельеф поверхности должен меняться относительно слабо.
Как видно из рисунка 2.12, у нелегированной структуры с покровным слоем толщиной всего 4 нм, которая была значительно меньше средней высоты крупных релаксированных нанокластеров (60 нм) в нелегированных гетероструктурах с ПКТ, средняя высота крупных нанокластеров уменьшилась до » 30 им. Таким образом, уже осаждение тончайшего покровного слоя GaAs резко тормозит образование и рост крупных релаксированных нанокластеров. В результате, рельеф поверхности сглаживается значительно сильнее, чем можно было ожидать даже при преимущественном заращивании промежутков между нано кластерами. Этот эффект можно объяснить тем, что рост слоя GaAs на поверхности слоя InAs сразу после завершения его осаждения и быстрого формирования массива мелких нанокластеров - КТ InAs затрудняет поверхностную миграцию адатомов In на относительно большое расстояние, необходимую для формирования крупных нанокластеров, и тем самым замедляет более медленный процесс коалесценции мелких нанокластеров. На свободной поверхности InAs в условиях выращивания ПКТ последний процесс успевает пройти значительно дальше за время остывания структуры.
При более детальном рассмотрении поверхности образца с покровным слоем толщиной 4 нм, было обнаружено, что характерными особенностями рельефа наряду с холмиками являются ямки и ямки с холмиками внутри ямок (рис.2.13).
Эти детали рельефа указывают на то, что нанесение покровного слоя не только тормозит процесс коалесценции нанокластеров, но и приводит к растворению уже успевших сформироваться до нанесения этого слоя крупных релаксированных нанокластеров, т. е. указывает на существование значительного массопереноса между нанокластерами и покровным слоем. нанокластеров); б) Характерные профили нанорельефа на данной ГКТ.
На морфологию слоя КТ InAs влияют режимы нанесения как слоя КТ, так и покровного слоя. Иногда на ГКТ, заращенных тонким покровным слоем, могут оставаться крупные нанокластеры (например, при задержке нанесения покровного слоя). Так, на АСМ изображении поверхности гетероструктуры с КТ, заращенными покровным слоем толщиной 10 нм (рис. 2.14), видна террасированная поверхность с крупными нанокластерами диаметром до 300 нм и высотой до 100 нм. Поверхностная концентрация таких нанокластеров N& 10 см , Вершины почти всех из них имеют кратеры, свидетельствующие о протекании процессов их растворения, которые, по-видимому, наиболее интенсивны на вершинах нанокластеров. Однако, из-за больших размеров нанокластеров, образовавшихся до нанесения покровного слоя, процесс их растворения еще не успел завершиться, при данной толщине покровного слоя. Более мелкие релаксированные напокластеры, по-видимому, полностью растворились и на их месте появились кратеры глубиной до 8 нм.
При исследовании спектров фотолюминесценции у подобных ГКТ наблюдался пик при энергии hv = 0.9 эВ, соответствующий энергии основного перехода в квантовых точках. Для проверки предположения, что люминесцирующие нанокластеры сохраняются под покровным слоем, несмотря на растворение более крупных нанокластеров, покровный слой был стравлен в селективном травителе (детально метод выявления скрытых под покровным слоем слоев КТ посредством селективного травления будет описан дальше). Как видно из рисунка 2.15, после травления действительно выявляются довольно однородные по размерам (40 нм) и высоте (2-3 нм) нанокластеры, поверхностная концентрация которых Na 4-Ю10 см"2 была близка к поверхностной концентрации КТ, определенной из независимых фотоэлектрических измерений по методу [61,62]. Дальше мы покажем, что меньшая высота вытравленных нанокластеров - КТ по сравнению с ПКТ обусловлена некоторым подтравливанием вершин нанокластеров. Относительно высокая концентрация мелких нанокластеров - КТ под покровным слоем, которая почти на порядок превышает поверхностную концентрацию подобных нанокластеров в структурах с ПКТ, дополнительно подтверждает заключение о том, что нанесение покровного слоя существенно тормозит процесс коалесценции нанокластеров, хотя и не исключает его полностью. Мы полагаем, тот факт, что псевдоморфные нанокластеры - КТ, в отличие от крупных релаксированных нанокластеров, не растворяются при нанесении покровного слоя, обусловлен высоким совершенством их кристаллической структуры, затрудняющей диффузионные процессы через интерфейс.
Эволюция спектров ФПЭ ГКТ при ступенчатом селективном травлении покровного слоя
При выращивании слоев GaAs и некоторых других соединений А3В5 методом ГФЭ МОС в качестве акцепторной примеси часто используется углерод, вводимый в слои пиролизом паров четыреххлористого углерода (CCLf) [64, 65]. Однако было обнаружено [66], что при выращивании слоев материалов, содержащих индий (например, слоя КЯ InGaAs), введение в реактор СС14 в процессе роста приводит к уменьшению коэффициента вхождения как индия, так и акцепторного углерода. Было высказано предположение, что это, по-видимому, связано с образованием на поверхности подложки летучих соединений, в состав которых входят индий и углерод. В связи с проводимыми в лаборатории эпитаксиальной технологии Б.Н. Звонковым исследованиями возможности модификации параметров слоев самоорганизованных квантовых точек (КТ) InAs в матрице GaAs при воздействии на них ССЦ, мы изучали влияние ССЦ на морфологию, фотоэлектрические и фотолюминесцентные спектры ГКТ (измерения спектров ФЛ выполнены А.А. Бирюковым).
Как было показано в разделе 2.3, при выращивании слоев КТ InAs в матрице GaAs методом ГФЭ МОС наряду с псевдомофными нанокластерами - КТ, концентрация которых достигает значений - 10 см", в результате коалесценции образуется и некоторое количество значительно более крупных релаксированных нанокластеров, в интервале изменения номинальной толщины нанесенного слоя КТ InAs 1.2-2.4 нм (4-8 монослоев) поверхностная концентрация крупных релаксированных нанокластеров изменялась в диапазоне от 1 104 до 3 108 см"2. Такие нанокластеры сильно ухудшают морфологию поверхности и электронные характеристики гетероструктуры [67].
Пары СС14 подавались в реактор непосредственно во время формирования КТ. После выращивания слоя КТ его подача прекращалась. Температура роста слоя КТ варьировалась в диапазоне от 520 до 610С. На рис. 2.18 представлены спектры ФЛ образцов, выращенных при разных температурах, при постоянной номинальной толщине слоя InAs 1.2 нм (4 монослоя).
Для ГКТ, выращенных при 520С, спектр ФЛ легированных углеродом из ССЦ структур (рис. 2.18, кривая 1) подобен спектру ФЛ нелегированных ГКТ. Как показало исследование эффекта Холла, приведенная к поверхностной концентрация дырок в структуре изменялась приблизительно пропорционально количеству введенного ССЦ от 10 до 7-Ю см". Таким образом, при этой температуре роста, влияние четыреххлористого углерода, проявлялось в образовании акцепторного дельта-слоя в слое КТ.
При повышении температуры роста пик ФЛ, соответствующий основному переходу в КТ, смещался в сторону коротких длин волн (рис. 2.18, кривые 2, 3), а концентрация акцепторов быстро уменьшалась. Об этом говорит тот факт, что в образце, выращенном при 550С, эффект Холла уже не удавалось измерить из-за низкой концентрации дырок. Для образца, выращенного при 610 С (рис. 2.18, кривая 4), положение пика ФЛ - 1.45 эВ и его узкая ширина (-15 мэВ) указывают на образование только квантовой ямы смачивающего слоя толщиной »1 МС. При дальнейшем увеличении температуры роста слоя КТ исчезает и этот пик, и на спектре ФЛ остается только пик, соответствующий GaAs ( 1.5 эВ).
Следует отметить, что сдвиг спектра ФЛ в сторону коротких длин волн с повышением температуры роста слоя КТ наблюдается и в отсутствие ССЦ, но он выражен значительно слабее (рис. 2.19). Более сильный температурный эффект смещения Ео(КТ) в присутствии ССЦ свидетельствует о том, что при температурах выше 550 С ССЦ эффективно удаляет индий с поверхности роста, причем в первую очередь исчезают КТ, и лишь затем смачивающий слой. С увеличением температуры роста увеличивается доля ССЦ, участвующего в реакции травления InAs, и уменьшается его роль как источника акцепторной примеси.
Этот результат был использован для разработки метода удаления крупных релаксированных нанокластеров InAs в слое КТ. Идея разработанного Б.Н. Звонковым метода состояла в следующем. Выращенный слой КТ, заращенный тонким покровным слоем GaAs, подвергается травлению в парах ССЦ при повышенной температуре. Если толщина покровного слоя будет достаточна для защиты от растравливания псевдоморфных напокластеров - КТ и недостаточна для защиты релаксированных нанокластеров, то такое травление должно привести к их удалению.
В экспериментах по проверке этой идеи слой КТ InAs с номинальной толщиной около 8 МС выращивался при 530С. При таком количестве индия в отсутствие покровного слоя образуется большое количество крупных релаксированных нанокластеров (рис. 2.7) с высотой до 140 им, латеральным размером 250 нм и поверхностной концентрацией -10 см" .
