Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Оптическая анизотропия, другие оптические свойства и структура гетерограниц сверхрешеток GaAs/AIAs, выращенных на подложках с индексами Миллера, отличными от (100) и (111) (обзор литературы) 12
1.1. Оптическая анизотропия 12
1.2. Оптические свойства 17
1.3. Структура гетерограниц сверхрешеток GaAs/AIAs, выращенных вдоль направления [311] 23
Глава 2. Экспериментальные методики и образцы 31
2.1. Методика спектроскопии фотолюминесценции 31
2.2. Методика высокоразрешающей просвечивающей электронной микроскопии 36
2.3. Параметры экспериментальных образцов и методика их приготовления 37
Глава 3. Структура гетерограниц сверхрешеток GaAs/AIAs, выращенных на подложках GaAs с ориентацией (311)А и (311)В 40
3.1. Дифракция быстрых электронов 41
3.2. Высокоразрешающая просвечивающая электронная микроскопия 42
3.3. Рост на поверхностях (ЗП)А и (311)В 50
Глава 4. Фотолюминесценция латеральных сверхрешеток GaAs/AIAs, выращенных на (ЗН)А- и (311)В-ориентированных поверхностях 56
Основные результаты и выводы 106
Заключение 108
Список литературы 109
Список публикаций по теме диссертации 126
Приложение 1 130
- Структура гетерограниц сверхрешеток GaAs/AIAs, выращенных вдоль направления [311]
- Методика высокоразрешающей просвечивающей электронной микроскопии
- Параметры экспериментальных образцов и методика их приготовления
- Высокоразрешающая просвечивающая электронная микроскопия
Введение к работе
В конце 20-го века ряд новых интересных явлений в физике полупроводников был обнаружен и исследован, благодаря появлению новых объектов -сверхрешеток (СР) [1,2]. Полупроводниковыми сверхрешетками обычно называют периодические структуры, состоящие из тонких слоев двух полупроводников, повторяющиеся в одном направлении [2]. Совсем недавно, при использовании явления самоорганизации (т.е. самопроизвольного возникновения макроскопического порядка в первоначально однородной системе [3]) в процессе гетероэпитаксиального роста, была продемонстрирована возможность получения сверхрешеток, состоящих из гофрированных слоев [4], квантовых проволок [5] и квантовых точек [6]. Сверхрешетки, содержащие гофрированные слои или квантовые проволоки принято называть латеральными сверхрешетками (ЛСР) [6]. Квантовые проволоки и квантовые точки в таких структурах являются одномерными и нуль-мерными объектами и интересны тем, что их квантовые свойства проявляются при высоких температурах. Последнее интересно не только с позиции фундаментальной физики, но и с приборной точки зрения [7]. В настоящее время структуры пониженной размерности нашли широкое практическое применение в быстродействующих приборах для телекоммуникаций, оптоэлектронных приборах, лазерах и т. д. [1,2,6,7]. Особенно интересны оптические и электронные свойства таких структур.
Наиболее полную информацию непосредственно об оптических и электронных свойствах системы обычно получают анализируя спектры фотолюминесценции (ФЛ) [8-10] и спектры возбуждения фотолюминесценции [11]. Эти методики обладают рядом преимуществ перед другими. Прежде всего
5 они не требуют специальных трудоемких процедур приготовления (препарирования) образцов, дорогостоящего оборудования, не разрушают образцы, позволяют проводить экспрессные (за короткое время) и сканирующие (от разных участков) измерения. В последнее время к таким обычным и общепринятым характеристикам квантоворазмерных объектов, как интенсивность излучательной рекомбинации, узкая ширина линии излучения (монохроматичность излучения) при комнатной температуре, возможность получения излучения в видимом и ИК диапазоне добавилось и такое требование, как близкая к линейной поляризация излучения.
Структура границ раздела сверхрешеток GaAs/AlAs существенно влияет, а во многих случаях и определяет работу объектов на их основе. Это делает актуальными исследования в этой области. Совсем недавно при помощи высокоразрешающей просвечивающей электронной микроскопии (ВПЭМ) [12], было установлено, что в образцах, выращенных на поверхности (311)А, наблюдается гофрирование обоих GaAs/AlAs и AIAs/GaAs интерфейсов с латеральным периодом в 3.2 нм и высотой гофрирования 1 нм. В работе [13] методом сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) обнаружено фасетирование поверхности (311)В GaAs с аналогичным периодом. В тоже время, имеется существенный недостаток структурных и фотолюминесцентных научно-исследовательских данных по латеральным сверхрешеткам GaAs/AlAs на поверхности (ЗИ)А и (ЗП)В с узкими квантовыми ямами и туннельно прозрачными барьерами, когда происходит наиболее значительное изменение свойств СР.
Настоящая работа посвящена сравнительному исследованию фотолюминесцентных свойств и структуры" гетерограниц сверхрешеток GaAs/AlAs, выращенных на (ЗП)А- и (ЗП)В-ориентированных поверхностях. В работе фотолюминесцентные измерения дополнены данными поляризационно чувствительной фотолюминесценции, особенно чувствительной к структуре гетерограниц. При проведении исследований ВПЭМ с целью более детального и подробного анализа структуры гетерограниц применялась специальная методика Фурье-обработки изображений.
Цели работы:
Установить природу появления оптической анизотропии в (ЗП)А- и (ЗП)В-ориентированных сверхрешетках GaAs/AIAs с узкими квантовыми ямами и туннельно прозрачными барьерами.
Выяснить устройство гетерограниц, положение уровней размерного квантования, оптические свойства, механизмы фотолюминесценции сверхрешеток GaAs/AlAs на поверхности (311)В.
Определить влияние структуры гетерограниц на поляризационные и оптические свойства сверхрешеток GaAs/AlAs, выращенных на поверхностях (311)Аи(311)В.
Для достижения указанных целей в работе решались следующие основные задачи:
Исследование поляризационной анизотропии фотолюминесценции сверхрешеток GaAs/AlAs (ЗП)А и (ЗП)В. Изучение механизмов, приводящих к анизотропии, величин ожидаемых эффектов и их связи с состоянием гетерограниц сверхрешеток.
Исследование энергетических характеристик фотолюминесценции, температурного поведения ее интенсивности и других свойств фотолюминесценции (ЗП)А-, (311)В- и (ЮО)-ориентированных сверхрешеток GaAs/AlAs.
3. Сравнительное исследование структуры гетерограниц сверхрешеток GaAs/AlAs, выращенных на поверхностях (ЗП)А и (ЗП)В, методом высокоразрешающей электронной микроскопии на просвет с применением Фурье-обработки изображений.
Научная новизна работы
1. Методами фотолюминесценции и высокоразрешающей электронной микроскопии на просвет установлено, что гофрировка гетерограниц сверхрешеток GaAs/AlAs на поверхности (ЗП)В отличается от гофрировки сверхрешеток на поверхности (ЗП)А, где она полностью соответствует модели [4]. В отличие от (ЗП)А, сверхрешетки на поверхности (311)В содержат слабогофрированные гетерограницы, 3.2 нм латеральная периодичность в них выражена слабо, присутствует длинноволновый (>10 нм) беспорядок, вертикальная корреляция областей богатых GaAs и AlAs отсутствует.
2. Обнаружено различие оптико-электронных свойств (ЗП)А- и (3 Не ориентированных сверхрешеток GaAs/AlAs. Установлено, что структура гетерограниц, выявленная в сверхрешетках (ЗП)В, не позволяет сделать их оптические и электронные свойства похожими на (ЗП)А. В частности, эффективность фотолюминесценции сверхрешеток на поверхности (311)В при комнатной температуре, была в 50 раз меньше, чем у сверхрешеток, выращенных в том же ростовом цикле на поверхности (ЗП)А. Кроме того, сверхрешетки (ЗП)В имеют менее высокое значение энергии максимума люминесценции, чем сверхрешетки на поверхности (311)А.
3. Обнаружена оптическая анизотропия (ЗП)В-ориентированных сверхрешеток GaAs/AlAs. Установлено, что в данном случае оптическая анизотропия обусловлена в основном анизотропией валентной зоны. Спектры фотолюминесценции сверхрешеток на поверхности (311)В слабо поляризованы относительно направления гофрирования интерфейса, в отличие от сверхрешеток (ЗП)А. Показано, что механизмы поляризационной анизотропии фотолюминесценции определяются структурой гетерограниц.
4. При исследовании (ЗП)А-ориентированных сверхрешеток GaAs/AlAs второго типа (нижний энергетический уровень для электронов определяется X- минимумом зоны проводимости AlAs) была обнаружена гигантская (около 70%) поляризационная анизотропия фотолюминесценции, природа которой в основном объясняется гофрировкой гетерограниц.
Сравнение фотолюминесцентных и структурных данных сверхрешеток (311)А и (ЗП)В позволило определить, что гигантское замешивание Г и X минимумов зоны проводимости имеет место только для сверхрешеток с сильно гофрированными интерфейсами и позволяет получать ярко-красную люминесценцию вблизи 650 нм вплоть до комнатной температуры.
Установлено, что сверхрешетки (311)В при средней толщине слоев GaAs менее 3.5 нм могут быть как первого (когда dGaAs > 2 нм), так и второго типа (КОГДа dGaAs < 2 нм).
Практическая значимость работы
1. Установление факта, что гигантское замешивание Г и X минимумов зоны проводимости имеет место только в сверхрешетках с сильно гофрированными интерфейсами является важным для оптоэлектроники. В случае толщины слоев GaAs и AlAs по 2 нм замешивание позволяет получать ярко-красную люминесценцию вблизи 650 нм вплоть до комнатной температуры. Последнее позволяет надеяться, как на создание светоизлучающих приборов, основанных на эффекте сильного замешивания и работающих при высоких температурах, так и на то, что эти приборы составят конкуренцию приборам, базирующимся на двойных гетероструктурах AlxGai.xAs и легированных сверхрешетках.
2. Исследования являются важными не только с научной точки зрения, но и в плане приборных перспектив и могут быть применены, например, для разработки, планарных приемников ИК излучения на межподзонных переходах с поляризационно-чувствительным детектированием и нормальным падением света. Приемник с нормальным падением света технологически легче сделать.
3. Обнаруженные в латеральных сверхрешетках на поверхности (ЗП)А: интенсивная люминесценция, высокое значение энергии максимума люминесценции, высокая степень (около 70%) оптической анизотропии может играть решающую роль при создании вертикальных лазеров со стабильной поляризацией излучения, каскадных и ярко-красных полупроводниковых лазеров.
4. Предложена неразрушающая методика исследования структуры гетерограниц латеральных сверхрешеток, основанная на поляризационно- чувствительной фотолюминесценции. По степени поляризационной анизотропии и положению максимума фотолюминесценции методика позволяет определять наличие гофрированных слоев, квантовых кластеров и точек в сверхрешетках.
Положения выносимые на защиту
1. "Ориентационная" анизотропия или, по-другому, отличие кристаллографической ориентации поверхности (311) от поверхности (100), приводящее к анизотропии валентной зоны, не является единственной причиной оптической анизотропии латеральных сверхрешеток GaAs/AlAs второго типа, выращенных на поверхности (311)А GaAs. Существенный вклад вносит гофрировка (corrugation) гетерограниц согласно модели Р.Нотцеля и Н.Н.Леденцова, когда высота гофрирования составляет величину 1 нм, а латеральный период равен 3.2 нм.
2. Оптическая анизотропия сверхрешеток GaAs/AlAs на поверхности (ЗП)В GaAs практически полностью обусловлена анизотропией валентной зоны.
3. До недавнего времени считалось, что гетерограницы сверхрешеток GaAs/AlAs, выращенных на поверхности (ЗП)В GaAs, являются гладкими. Однако это далеко не так. Установлено, что гетерограницы сверхрешеток на поверхности (ЗП)В GaAs также гофрированные. Причем, гофрировка гетерограниц сверхрешеток (ЗП)В, отличается от модели, предложенной Р.Нотцелем и Н.НЛеденцовым, для сверхрешеток (ЗП)А. В отличие от последних, гофрировка в сверхрешетках (ЗП)В более слабая: гетерограницы более гладкие, латеральный период величиной 3.2 нм проявляется намного слабее, присутствует беспорядок с характерным латеральным размером более 10 нм, вертикальная корреляция областей богатых GaAs и AlAs отсутствует. При этом высота гофрирования составляет величину 1 нм.
4. Установлено, что при средней осаждаемой толщине слоев GaAs более 2 нм сверхрешетки (311)В относятся к первому типу и минимумом зоны проводимости у них является Г-долина GaAs. Если осаждаемая толщина слоев GaAs менее 2 нм, то сверхрешетки (ЗП)В относятся ко второму типу и дном зоны проводимости у них является Х-долина AlAs. Это отличает сверхрешетки (311)В от сверхрешеток (311)А7~которые при толщине GaAs менее 3.5 нм~ всегда имеют непрямую структуру запрещенной зоны и относятся ко второму типу. Такое поведение сверхрешеток (ЗП)В объясняется наличием в них локально толстых областей GaAs, где структура запрещенной зоны является прямой как в реальном, так и в к-пространстве.
5. Гигантское замешивание Г и X минимумов зоны проводимости имеет место для сверхрешеток с сильно гофрированными гетерограницами.
В целом, структура гетерограниц, а не анизотропия валентной зоны играет ключевую роль в основных оптических и электронных свойствах короткопериодных сверхрешеток на поверхности (311).
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключительных выводов и библиографического списка из 125 наименований, двух приложений. Содержит 133 страницы, 37 рисунков на 37 страницах, 1 таблицу на 1 странице.
Структура гетерограниц сверхрешеток GaAs/AIAs, выращенных вдоль направления [311]
Из симметрийных соображений следует, что структуры с квантовыми ямами и сверхрешетки, выращенные из оптически изотропных полупроводниковых материалов А3В5 на подложках с индексами Миллера, отличными от (100) и (111), должны обладать анизотропными физическими свойствами. В то же время механизмы, приводящие к анизотропии, а также величины ожидаемых эффектов и их связь с состоянием гетерограниц пока еще изучены мало.
Оптическая анизотропия квантовых ям и сверхрешеток GaAs/GaAlAs, выращенных вдоль направления [ПО], наблюдалась по спектрам возбуждения экситонной люминесценции [14] и спектрам фототока [15]. В работе [16] проводится как теоретическое, так и экспериментальное изучение диэлектрической функции СР GaAs/AIAs (ПО) с акцентом на орторомбическую анизотропию. Как показано в [14,17] при плоских гетерограницах оптическая анизотропия обусловлена анизотропией валентной зоны, что для низкосимметричных направлений квантования приводит к смешиванию состояний "легких" и "тяжелых" дырок Ге и вследствие этого к зависимости интенсивности экситонных и межзонных переходов от направления поляризации света. В работах [18-20] была показана возможность получения на слабо разориентированных поверхностях (ПО) GaAs квантовых проволок при использовании природного фасетирования поверхности (ПО). В этих же работах были исследованы фотолюминесцентные свойства многослойных структур GaAs/AIAs, содержащих квантовые проволоки GaAs. Для структур (ПО) было обнаружено смещение позиции пика фотолюминесценции (так называемый redshift) в сторону меньших энергий по сравнению с (ЮО)-ориентированными СР с той же толщиной слоев GaAs. Кроме того спектры фотолюминесценции были сильно поляризованны относителтно направления параллельного квантовым проволокам.
Вообще в последние годы большой интерес уделяется исследованию оптической анизотропии сверхрешеток GaAs/AIAs, полученных методом молекулярно-пучковой эпитаксии на ориентированных не по (100) фасетированных поверхностях GaAs. Так, например, в работе [21] была исследована поляризационная анизотропия ФЛ при 14 К от (755)В-ориентированных GaAs/(GaAs)2(AlAs)2 структур с квантовыми ямами и проволоками различной толщины. Сравнение оптической анизотропии между (311), (511) и (111) GaAsZGao.7Alo.3As CP с толщиной ямы/барьера 50А/50А, 35А/35А, 25А/25А методом дифференциальной отражательной спектроскопии было проведено в работе [21].
Но, пожалуй, наибольший интерес представляют исследования оптической анизотропии сверхрешеток GaAs/AlAs, выращенных вдоль направления [311]. Это связанно с эффектом гофрировки поверхности арсенида галлия при гетероэпитаксии на (ЗП)А ориентированных подложках, который был открыт в начале 90-ых годов Н.НЛеденцовым и др. [4]. В основе данного эффекта лежит явление самоорганизации, когда (ЗП)А поверхность арсенида галлия при некоторых условиях реконструируется на периодический массив микрофасеток (микроканавок) расположенных вдоль [ 233 ] кристаллографического направления с периодом 3.2 нм вдоль [011 ] направления. Высота микрофасеток в одной из моделей составляет 1.02 нм [4,12,23,24] и 0.34 нм в другой [25,26]. Высота микрофасеток является определяющим параметром для возможности получения сверхрешеток, содержащих массив квантовых проволок (СРКП) с диаметрами последних менее 2 нм и, следовательно, с сильным эффектом размерного квантования носителей заряда. Это позволяет надеяться как на исследование квантовых явлений при комнатной температуре, так и на создание приборов на основе СРКП, работающих на межподзонных переходах при высоких температурах. К настоящему времени еще много неясностей в вопросах создания и исследования таких сложных структур, включая вопросы касающиеся природы их оптической анизотропии, которая несомненно тесно связана с их структурной анизотропией. Сильная поляризационная анизотропия спектров возбуждения экситонной люминесценции была обнаружена в (31 -ориентированных СР GaAs/AlAs с толщиной квантовых ям от 2.9 до 6.6 нм [4,5,24]. Этот эффект связывался с гофрировкой гетерограниц, обнаруженной в таких СР [4,5,23,24]. Однако расчет оптической анизотропии в (11 ( -ориентированных гетероструктурах показал, что сильный рост анизотропии при уменьшении ширины квантовых ям может быть также обусловлен взаимодействием состояний Г8 со спин-орбитально отщепленными состояниями Г7 [17]. В работе [27] приводится расчет оптической анизотропии для (31 -ориентированных GaAsis/AlAso и GaAs26/AlAs26 СР в приближении сильной связи и с использованием sp3s базиса. Цифры указывают толщину в монослоях (МС), 1 МС равен 0.17 нм. Предпринимались попытки исследовать влияние гофрировки гетерограниц на оптическую анизотропию. В работе [28] экспериментально были исследованы (ПЗ)-ориентированные GaAsn/AlAs74, GaAse/AlAsss (где цифры так же указывают толщину в МС) СР с толстыми AlAs барьерами. Они были выращены методом атомно-слоевой молекулярно-пучковой эпитаксии [29]. В этом случае поверхность (ЗП)А не распадается на периодический массив микрофасеток и, следовательно, не образуется гофрирован ности гетероинтерфейса. В модуляционных спектрах отражения от GaAsi7/AlAs74 и GaAse/AlAsss образцов была обнаружена анизотропия оптических переходов с участием легких и тяжелых дырок. Экспериментальные данные были сопоставлены с расчетом, который был выполнен с использованием эмпирического гамильтониана в приближении модели жесткой связи и с учетом спин-орбитального расщепления [30-32].
Методика высокоразрешающей просвечивающей электронной микроскопии
Оптические измерения являются мощным методом исследования полупроводниковых структур и позволяют получать информацию непосредственно о энергии зон и электронных свойствах системы. Например, изучив спектры люминесценции, мы можем судить о структуре энергетических состояний электронов, что необходимо во многих случаях.
Современное определение люминесценции основано на формулировке, предложенной СИ. Вавиловым [10], что люминесценция - это спонтанное избыточное над тепловым излучение света с длительностью большей периода волны. Люминесценцию можно условно разделить на три стадии: возбуждение или ионизация центров свечения, пребывание центров свечения в возбужденном или ионизированном состоянии и, стадию когда происходит непосредственно излучение света.
Если возбуждение люминесценции осуществляется посредством квантов света, то в этом случае говорят о фотолюминесценции (ФЛ).
При возбуждении люминесценции светом из области собственного поглощения полупроводника возникают свободные носители тока, которые спустя время, равное времени жизни, могут излучательно прорекомбинировать, совершая при этом переходы зона - зона.
Форма спектров люминесценции при рекомбинации зона - зона зависит от структуры энергетических зон в полупроводнике. В прямозонных полупроводниках переходы с сохранением импульса связывают состояния. имеющие одинаковые значения волнового вектора. Спектр излучения описывается выражением [10]: J(hu) = B(hv — ER)V , где В - коэффициент пропорциональности, имеющий смысл вероятности данного оптического перехода, hv, Eg - энергия кванта света и ширина запрещённой зоны соответственно. Как видно, спектр излучения имеет порог со стороны низких энергий при ho = Eg. В полупроводниках с непрямой зонной структурой для соблюдения закона сохранения импульса переходы с верхнего в нижнее состояние осуществляются с поглощением или излучением фононов с энергией Ер. Число фононов, которые могут быть поглощены, мало и быстро уменьшается по мере понижения температуры. В тоже время испускание фононов электронами, находящимися в высокоэнергетическом состоянии, весьма вероятно. Кроме того, оптический переход, сопровождаемый испусканием фонона, характеризуется максимальной энергией hu = Eg— Ер, которая меньше величины Ек, тогда как при поглощении фонона, возникает фотон с более высокой энергией (не меньшей, чем Eg+Ep), который может быть вновь легко поглощен решеткой полупроводника. Соотношение, определяющее спектр поглощения в таком случае имеет вид [10]: J(hv) = В (hv-E),±Ep)2. Заметим, что интенсивность излучения при непрямых переходах нарастает с увеличением энергии гораздо быстрее (степень 2), чем при прямых переходах (степень 1/2), однако вероятность перехода В значительно меньше величины В. Таким образом, спектры люминесценции позволяют судить об энергетических состояниях в исследуемых структурах. При этом, если дополнительно анализировать поляризацию люминесценции, то можно получить информацию о структурной анизотропии исследуемых объектов.
Спектры фотолюминесценции измерялись на автоматизированной установке, блок-схема которой приведена на рис. 2. В качестве источника возбуждения ФЛ использовались Аг+-лазер ЛГ-503 с длиной волны X = 488 нм и He-Ne-лазер с X = 632.8 нм. Типичная плотность мощности возбуждения составляла примерно 50 Вт/см2. Луч лазерного излучения поворачивался зеркалами, попадал на линзу L1 и фокусировался на образец, укрепленный на подвижном оптическом столике, обеспечивающем его перемещение. Рассеянный свет собирался объективом L2. После объектива L2 световой пучек становился параллельным и попадал на объектив L3 с помощью которого фокусировался на входную щель двойного монохроматора СДЛ-1. Чтобы записать спектры производилось сканирование по длине волны, которое осуществлялось поворотом дифракционных решеток монохроматора при помощи шагового двигателя (ШД), управляемого блоком МУШД. В качестве фотоприемника использовался фотоэлектронный умножитель ФЭУ-79. Попадающие на ФЭУ фотоны генерировали электрические импульсы, которые после их усиления и формирования считывались 24 разрядным счетчиком. Управление осуществлялось с помощью ЭВМ ДВК-4, позволяющим провести автоматизированную запись спектров ФЛ и сохранение их в формате, совместимом с форматом персонального компьютера IBM PC. Регистрация спектров осуществлялась со значением спектрального разрешения равным примерно 0.5 нм, что позволяло определять положение пиков ФЛ с точностью менее 5 мэВ. Для улучшения соотношения сигнал/шум применялся метод накопления сигнала.
Чтобы исследовать поляризационную анизотропию фотолюминесценции между линзами L2 и L3 располагался анализатор (призма Плана), а на входе спектрометра находился деполяризующий клин. Прежде чем попасть на входную щель спектрометра излученный от образца свет собирался объективом L2, анализировался анализатором, а затем деполяризовался деполяризующим клином. Применение деполяризующего клина, во-первых, позволило устранить аппаратное влияние поляризационной анизотропии самого монохроматора и, во-вторых, позволило более чем на порядок уменьшить световые потери фотолюминесценции по сравнению с традиционной методикой, в которой применяются два скрещенных поляризатора. Применение данного конструктивного решения позволило определить степень поляризационной анизотропии фотолюминесценции даже в случае очень слабых сигналов, что не осуществимо при традиционной методике. В целом, оптическая схема позволила исследовать зависимость интенсивности ФЛ в различных поляризационных геометриях.
Параметры экспериментальных образцов и методика их приготовления
В этой главе приведены результаты исследований методом высокоразрешающей просвечивающей электронной микроскопии структуры гетерограниц высокочистых многослойных гетероструктур GaAs/AlAs, выращенных на поверхностях (311 )А и (311)В. Обычные исследования ВПЭМ были дополнены фурье-обработкой изображений ВПЭМ. Фурье-преобразование изображений помогает выделить периодичность в ВПЭМ-изображениях. Структуры были выращены в условиях, когда картина дифракции быстрых электронов на отражение демонстрирует расщепление поверхности (311 )А GaAs на массив микроканавок (микрофасеток) с высотой 1.02 нм и латеральным периодом вдоль направления [0Ї1] 3.2 нм. Ранее, в работах [4,5,23,24] было установлено, что при последующем росте на такой расщепленной поверхности слоев GaAs и AlAs формируются либо гофрированные слои, либо упорядоченные массивы квантовых проволок, а при частичном заполнении микроканавок формируются проволокоподобные квантовые кластеры [6,82]. В случае, когда сформировались квантовые кластеры, дальнейший рост идет по-разному в области окрестностей кластеров и в областях находящихся от них на расстоянии. Это приводит к уменьшению латеральной периодичности примерно в два раза с 3.2 до 1.6 - 2 нм [12,84]. Далее будет показано, что рост на поверхности (311)В также приводит к формированию структур с периодически гофрированными гетерограницами. Однако, в этом случае 3.2 нм периодичность более слабая и присутствует беспорядочная длинноволновая модуляция слоев по толщине с характерным латеральным размером 10 - 15 нм. Оптические свойства короткопериодных сверхрешеток, выращенных одновременно на (311)А-, (311)В- ф и (1 (Ю)-ориентированных поверхностях, существенно отличаются. В отличие от сверхрешеток (311)В и (100), сверхрешетки (ЗП)А демонстрируют на порядок большую интенсивность ФЛ при комнатной температуре. Максимум ФЛ сверхрешеток (311)А расположен при больших значениях энергии по сравнению с максимумом ФЛ короткопериодных сверхрешеток, выращенных на поверхностях (100)и(311)В.
Образцы были выращены методом обычной молекулярно-лучевой эпитаксии при температуре 580С. Окисел с подложки GaAs удалялся при температуре 600"С. Скорость роста была около 1 мкм/час для GaAs и 0.3 мкм/час для AlAs, отношение потоков AsVGa было равно 3. Процесс эпитаксиального роста контролировался по картинам дифракции быстрых электронов на отражение под скользящим углом, составляющим значение 1. Энергия электронного пучка была 30 кэВ. В данных условиях роста наблюдались отчетливые особенности динамики интенсивности дифракционных рефлексов при гетероэпитаксиальном росте, что свидетельствовало о расщеплении поверхности (311)А на массив микроканавок [5,54].
Картины дифракции быстрых электронов, записанные вдоль направления [0ЇІ], ясно демонстрировали резко выраженные полоски, показывающие, что поверхности (311) распадаются на упорядоченный массив подымающихся и опускающихся ступеней (гофров), ориентированных вдоль направления [2 33], в полном согласии с работой [5]. Расстояние между полосками соответствовало периодичности в 3.2 нм вдоль направления [0Ї1].
Фасетирование поверхности (311) также подтверждается дифракцией электронов вдоль направления [2 33]. Типичная картина дифракции быстрых электронов, записанная для направления [2 33], показана на рис. 3. Видны: вертикальное расщепление основных рефлексов (00) и горизонтальные дифракционные рефлексы, вызванные латеральной периодичностью. Расщепление рефлексов (00) дает высоту ступеней 1.02 нм. Расстояние между горизонтальными дифракционными рефлексами соответствует величине периодичности вдоль направления [0Ї1 ] равной 3.2 нм.
Динамика картин дифракции быстрых электронов при гетероэпитаксиальном росте многослойных гетероструктур GaAs/AIAs свидетельствует о наличии выраженных осцилляции интенсивности рефлексов при начале роста GaAs и AlAs вследствие изменения фазы поверхностного фасетирования.
Таким образом, полная структура соответствует периодическому массиву широких и узких областей GaAs и AlAs, ориентированных вдоль [2 33] и может рассматриваться как регулярный массив квантовых проволок. Квантовые проволоки повторяются вдоль направления [0Ї1] с периодичностью равной 3.2 нм, а их характерный "диаметр" равен примерно 2 нм, т.е. двойной высоте ступеней (1.02 нм). Все это полностью согласуется с моделью гофрировки поверхности, предложенной в работах [4,5].
Высокоразрешающая просвечивающая электронная микроскопия
Влияние гофрировки гетерограниц на свойства фотолюминесценции должно наиболее эффективно проявляться именно в сверхрешетках с очень тонкими слоями GaAs и AlAs, но до настоящего момента времени были исследованы структуры либо с толстыми слоями как GaAs, так и AlAs, либо с тонкими GaAs и толстыми AlAs, когда сверхрешетками данные структуры назвать нельзя, скорее, это система слабосвязанных квантовых ям. В этой связи существует недостаток экспериментальных данных по ФЛ и, особенно, по анизотропии ФЛ латеральных сверхрешеток (ЗП)А со средней толщиной GaAs и AIAs слоев сравнимой и меньше чем двойная высота гофрировки («2 нм). Практическое отсутствие экспериментальных данных по ФЛ для данной области толщин, связано с некоторыми методическими трудностями. Это и слабые сигналы ФЛ от подобных объектов и наличие сильного сигнала ФЛ от самой подложки в случае, когда число повторов в СР не велико. Структура границ раздела и фотолюминесцентные свойства СР, выращенных на (ЗП)В поверхности GaAs вообще до настоящего времени изучены не были. До недавнего времени предполагалось, что поверхность (311)В GaAs не распадается на массив микроканавок, а гетерограницы сверхрешеток, выращенных на поверхности (ЗП)В GaAs, являются плоскими. Однако, как показано в настоящей работе, это далеко не так. Имеющийся недостаток экспериментальных данных стимулировал проведение экспериментов по исследованию ФЛ в подобных структурах, с целью обнаружить эффекты влияния корругированности гетерограниц (ЗП)А на свойства ФЛ и поляризационную анизотропию ФЛ. Проведенный анализ различия свойств ФЛ СР GaAs/AlAs (311)А по сравнению со свойствами СР, выращенных в тех же условиях на поверхности (ЗП)В, позволил подтвердить наличие структурной анизотропии поверхности (311)А, а также оценить параметры гофрировки сверхрешеток (311)В. В данной работе исследования методом ВПЭМ дополняют фотолюминесцентные измерения. Анализируются различия в свойствах ФЛ сверхрешеток, выращенных на (311 )А- и (311 )В-ориентированных поверхностях с толщиной слоев GaAs и AlAs равной и менее 2 нм. Чтобы не нарушать чистоту эксперимента, делается это на одних и тех же образцах, которые исследовались методами ВПЭМ и ФЛ.
Наиболее значительные изменения свойств сверхрешеток GaAs/AIAs происходят при толщине слоев GaAs (AlAs) менее 3.5 нм, когда, согласно классификации приведенной в работах [2, 24,27,42,43, 100], происходит переход от сверхрешеток первого типа к сверхрешеткам второго типа. В СР второго типа носители заряда локализованы в различных слоях (дырки - в слоях GaAs, а электроны — в слоях AlAs), и рекомбинация неравновесных носителей заряда осуществляется за счет непрямых как в реальном, так и к-пространстве пространстве оптических переходов (т.е. с участием Х-минимума зоны проводимости AlAs). На рис. 11 рассмотрим спектры фотолюминесценции сверхрешеток GaAs(«2.lHM)/AlAs(«2.lHM), выращенных на (311)А, (311)В и (100) поверхностях в одном росте и, следовательно, при одинаковых условиях. Спектры приведены для разных значений температуры. Если сравнить спектры сверхрешеток (311)В и (100), то можно заметить, что они очень похожи между собой и коренным образом отличаются от спектров сверхрешетки (ЗП)А. В отличие от последней спектры сверхрешеток (ЗП)В и (100) содержат по одному максимуму, интенсивность которого растет с уменьшением температуры. Чтобы разобраться в причинах такого поведения и классифицировать переходы были ft записаны спектры фотолюминесценции вблизи линии возбуждения.
На рис. 12 показан спектр фотолюминесценции латеральной сверхрешетки, выращенной на поверхности (311 )А, со средней толщиной слоев GaAs и AlAs по «2.1 нм. Энергия возбуждающего кванта - 1.959 эВ, температура измерения - 77 К. В спектре видна серия пиков, отстоящих от энергии возбуждения на 11 и 36 мэВ, что примерно соответствует ТА(Х)- и LO-фононам в GaAs, и различным комбинациям этих энергий. Дополнительные измерения показали, что ширина пиков возрастает по мере увеличения температуры наблюдения и плотности мощности возбуждающего излучения. Эти результаты наряду со сравнительно большой шириной линий (несколько мэВ) свидетельствуют о том, что они не могут быть приписаны резонансному рамановскому рассеянию и обусловлены непрямым поглощением и релаксацией горячих экситонов с участием LO-фононов в GaAs [6, 101-104]. В случае латеральных сверхрешеток второго типа линии горячих экситонов выявляются непосредственно в спектрах фотолюминесценции [6].
Спектр фотолюминесценции сверхрешетки, выращенной на поверхности (311)В, показан на рис. 13. Данная сверхрешетка была выращена в одном ростовом процессе с образцом спектр, которого приведен на рис. 12 и, соответственно, имеет такую же толщину слоев. Как видно, в спектре фотолюминесценции не наблюдается серии пиков, которая отчетливо была видна в случае сверхрешетки (311).
