CC BY
36
УДК 621.315.592.3
ИОННАЯ ИМПЛАНТАЦИЯ КВАНТОВО-РАЗМЕРНЫХ
СТРУКТУР GaAs/AlGaAs
О. М. Бородина1, В. А. Дравин, И. П. Казаков, В. М. Коннов, Т. В. Ларикова.
Н. Н. Лойко, В. И. Цехош, С. Г. Черноок
Квантово-размерная структура GaAs/Alo^GaojjAs, состоящая из трех изолированных ям, была имплантирована ионами 174Yb с энергией 120 кэВ до расчетных концентраций 1015 — 1019сл4_3. По данным фотолюминесценции оценено пространственное распределение радиационных дефектов по глубине структуры.
В данной работе рассматривается возможность использования ионной имплантапп для легирования квантово-размерных структур.
Известно, что при имплантации объемных полупроводников расчетные профили рас пределения вводимой примеси по глубине образца хорошо согласуются с данными, по лученными методом вторичной ионной масс-спектроскопии (ВИМС). В то же время при имплантации в полупроводники III—V профиль распределения дефектов по глубине образца простирается значительно глубже, чем профиль вводимой примеси [1]. Профи ли распределения дефектов по глубине образца практически не поддаются расчету, i никак они зависят от целого ряда трудно контролируемых параметров, связанных как условиями проведения имплантации, так и со свойствами конкретного образца. В дан ной работе была предпринята попытка проследить влияние границ раздела на кинетику накопления радиационных дефектов, установить характер их распределения по глубине структуры.
Для проведения имплантации была выбрана структура, состоящая из трех изо лированных квантовых ям из GaAs различной ширины, разделенных барьерами
'ГИРЕДМЕТ.
из А1хСа]-хЛ$. Структура была выращена методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). Рост структуры проводился на подложке СаЛз с ориентацией (001) при температуре ~ 600°С. Выращенная структура исследовалась методом ВИМС. По измере ниям профилей распределения А1 по глубине структуры уточнялась ширина барьеров и концентрация алюминия х; она равна 0,23.
В качестве основной контролирующей методики использовалась фотолюминесцгн ция (ФЛ). Спектры ФЛ квантово-размерной структуры измерялись следующим обра зом. Возбуждающее ФЛ модулированное излучение мощностью ~ 1 Вт было сфокуси ровано на образце в пятно диаметром около 3 мм. Спектральная область возбуждаю
' о
щего ФЛ света лежит в диапазоне от 4000 до 6000 А. Излучение от образца собиралось на входной щели спектрометра ДФС-12 (линейная дисперсия во втором порядке сое га вляет 10 А/мм). На выходе спектрометра в качестве фотоприемника использовался охлаждаемый ФЭУ-81. Регистрация ФЛ велась методом синхронного детектирования Температура образца во время измерений ФЛ составляла 77 К.
Типичный спектр ФЛ исследуемой структуры приведен на рис. 1.1. Для определения ширины каждой из трех квантовых ям Ь1 по положению экситонных пиков в спектре ФЛ были использованы нормировочные кривые из статьи [2]. Для исследованных структур
о о о
получены следующие значения: ~ 98 Л, Ь2 ~ 153 Л и Ьз > 250 Л. Качес тво структуры оценивалось по полуширине экситонного пика на полувысоте Эти полуширины имели следующие средние значения: ~ 3,0 мэВ\ 82 ~ 2,0 мэВ', ¿3 ~ 2,8 мэВ. Геоме трия структуры показана на рис. 2а.
В качестве имплантируемой примеси мы выбрали ион УЬ. основываясь на определен ном опыте работы по имплантации У6 в объемные кристаллы СаАв^СаР и 1пР ' )то сравнительно тяжелый ион с большим ионным радиусом, сильно взаимодействующий с рядом фоновых примесей. Профили распределения имплантированного УЬ по глуби не объемных образцов, полученные методом математического моделирования, хорошо согласуются с данными ВИМС.
Имплантация проводилась ионами 174УЬ с энергией 120 тсэВ при комнатной тем пературе. Облучению ионами подвергалась одна половина каждого образца. Расчет ные концентрации вводимой примеси составляли 1015,1016,101', 1018,1019 см~3. Профиль распределения УЬ по глубине образца, полученный методом математического модели рования, показан на рис. 26. Расчетный максимум концентрации введенного УЬ лежи I
о
на глубине ~ 300 Л, то есть можно считать, что имплантирован в основном первый барьер.
I, отн. ед.
X, 102 А
Рис. 1. Спектры ФЛ образцов квантово-размерной структуры СаЛй/Л/0,23^00,77^: 1 исходный образец; 2 - 6 - образцы, имплантированные УЬ до указанных расчетных концентраций УЬ, см'3 (по порядку величины).
На рис. 1 изображены спектры ФЛ образцов до и после имплантации УЬ. При расчетной концентрации УЬ порядка 1015 см'3 (рис. 1. 2) интенсивность излучения экситонных пиков уменьшилась по сравнению с исходной (рис. 1.1): в первой яме - приблизительно на порядок, во второй яме - в 2-3 раза, в третьей яме - незначительно.
Увеличение концентрации УЬ до ~ 1016 см~3 привело к уменьшению интенсивности ФЛ первой и второй квантовых ям приблизительно на два порядка и приблизительно на порядок - третьей ямы (рис. 1.3).
При переходе к концентрации УЬ ~ 1017 см~3 интенсивность излучения всех трех
60А 98А 153А >250А
Рис. 2. а) Геометрия квантово-размерной структуры: 1,2,3,4, ~ барьеры, 5 - буфер, 6 подложка, 1', 2!, 3 - ямы. б) Расчетный профиль распределения NYb по глубине d структуры, нормированный на значение в максимуме.
экситонных пиков снизилась приблизительно на два порядка, и при этом изменился характер распределения интенсивностей между квантовыми ямами (рис. 1.4). Он стал подобен распределению интенсивностей по квантовым ямам до имплантации.
Аналогичное распределение интенсивностей по квантовым ямам при общем понижении интенсивности экситонных пиков наблюдалось на образцах с концентрациями Yb ~ 1018 и 1019 см'3 (рис. 1.5 и 1.6). При этом наряду с гашением ФЛ в экситонной части спектра наблюдается относительный рост интенсивности излучения в примесно дефектной области (более 8400 А).
Ранее уже отмечалось, что имплантационные дефекты проникают в кристалл значп тельно глубже, чем вводимая примесь. Поэтому изменения интенсивности экситонных пиков мы связываем с распространением радиационных дефектов по глубине структу ры. Анализируя спектры ФЛ, можно сказать, что при концентрации Yb ~ 1015 см Л
дефекты проникли в первую и, частично, во вторую ямы, но не затронули третью. При концентрации УЬ ~ 1016 см"3 дефекты начали проникать уже в третью яму, и дальнейшее увеличение концентрации УЬ привело к равномерному распределению дефек тов по всей структуре.
Исходное соотношение интенсивностей экситонных пиков в квантово-размерной структуре определяется следующими параметрами.
а) Свойства экситона, локализованного в данной яме, прежде всего, энергия связи электрона с соответствующей дыркой. Экситоны, локализованные в более узких ямах (обладающие большей энергией связи), скорее всего, должны давать большую ин ген сивность.
б) Геометрия самой структуры. В нашем случае наиболее узкая яма расположена ближе всего к поверхности структуры, поэтому уровень накачки ее электронно-дырочными парами будет выше, чем для более глубоких ям. Уровень накачки в этом случае определяется, прежде всего, коэффициентом поглощения падающего света мате риалом барьера, а затем уже ямы.
в) Качество материала барьера и ямы, т.е. соотношение излучательных и безызлу-чательных каналов рекомбинации, в частности, концентрация точечных дефектов, как в барьере, так и в яме.
На рис. 3 показаны зависимости интенсивностей ФЛ первой, второй и третьей квам товых ям от расчетной концентрации имплантированного УЬ. Видно, что в области малых концентраций (1015 — 1016 см~3) скорости введения дефектов в первой и второй ямах близки друг к другу, а в третьей - несколько меньше. Для расчетных концентраций УЬ более 1016 см~3 изменилась не только скорость введения дефектов, но и характер накопления дефектов для двух ближайших к поверхности структуры ям.
Имплантация проводилась таким образом, что набор необходимой дозы обеспечивался ростом плотности ионного тока. Поэтому можно предположить, что увеличение плотности ионного тока при переходе к концентрациям большим, чем 1016 см~3, привело к дополнительному энерговыделению при имплантации, а следовательно, либо к частичному отжигу накопленных дефектов, либо к повышению скорости их миграции внутри структуры. Поскольку максимальные изменения произошли в кинетике накопления де фектов для первых двух ям, а для третьей характер накопления дефектов изменился слабо, то не исключено, что наличие градиента дополнительного энерговыделения уско рило исчезновение градиента концентраций дефектов по толщине структуры. Однако из-за сложности объекта исследования нельзя исключить возможность участия в кине
I, отн. ед.
Рис. 3. Зависимость интенсивности ФЛ I от расчетной концентрации N имплантированного УЬ для квантовых ям: 1 - первой; 2 - второй; 3 - третьей.
тике накопления дефектов и других факторов.
Отметим, что после имплантации во всем диапазоне концентраций, вплоть до 1019с.и-3, не происходит ни уширения экситонных пиков, ни их сдвига в коротковолновую область, а значит, не происходит "размывания" границ раздела, т.е. структура достаточно устойчива к подобной имплантации.
Таким образом, используя в качестве пространственных зондов излучение эксито-нов, локализованных в квантовых ямах, можно проследить профиль пространственного распределения дефектов и кинетику их накопления внутри структуры с ростом дозы имплантации.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект 96-02-18206а) и программы "Физика твердотельных нанострук тур" (проект 1-008).
ЛИТЕРАТУРА
[1] G i р р i u s А. А., и s h а к о V V. V., Y а к i ш к i il V. N., and V a v i 1 о v V. S. 6th International conference on ion beam modification of materials, Tokyo, Japan. June 12-17, 1988, p. EP-47.
[2] 0 e 1 g a r t G. et al. Phys. Rev., B49, 10456 (1994).
Поступила в редакцию 8 июля 1996 г.
