CC BY
214
Физика твердого тела Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2007, № 2, с. 54-60
УДК 621.382
ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕТЕРОСТРУКТУР InGaAs/GaAs C КВАНТОВЫМИ ЯМАМИ И ТОЧКАМИ МЕТОДОМ КОМБИНИРОВАННОЙ СТМ/АСМ
НА СКОЛАХ В ЖИДКОСТИ
© 2007 г. Е.Е. Щербакова, МА. Исаков, ДА. Воронцов, Д.О. Филатов
Научно-образовательный центр «Физика твердотельных наноструктур» Нижегородского госуниверситета им. Н.И. Лобачевского
Поттупила в редакцию 08.02.2007
Впервые метод комбинированной сканирующей туннельной/атомно-силовой микроскопии на сколах структур (Х-СТМ/АСМ) в защитной жидкой среде (масле) применен для исследования гетероструктур с квантовыми ямами (КЯ) InGaAs/GaAs и квантовыми точками (КТ) InAs/GaAs. Исследуемые структуры укреплялись вертикально в чашке Петри, заполненной маслом для диффузионных насосов, и скалывались под слоем масла, который защищал поверхность скола от окисления на воздухе. Поверхность скола сканировалась проводящим АСМ-зондом в контактной моде, одновременно измерялся ток через контакт зонд - образец. Показана возможность визуализации КЯ (КТ) на сколах в режимах постоянной силы, постоянной высоты и латеральной силы, а также возможность получения токового изображения гетерослоев и вольт-амперных характеристик (ВАХ) контакта АСМ-зонда к поверхности скола гетероструктур на основе полупроводниковых соединений А3В5 в масле и идентификации участков различного состава на сколах структур.
Введение
Развитие технологии полупроводниковых гетероструктур с пониженной размерностью и исследование их электрофизических, оптических и других свойств в течение последних 30 лет являлось одним из основных направлений физики и техники полупроводников [1]. Цель этих исследований - выработка научно обоснованных подходов к созданию технологии получения наност-руктурированных материалов для твердотельной нано- и оптоэлектроники с заданными свойствами. Для этого необходимо решить фундаментальную проблему физики наноструктур: установить закономерности, связывающие условия формирования наноструктур, их геометрические параметры, состав и физические свойства. Несмотря на обилие работ в данной области, эта проблема еще далека от решения.
Поскольку энергетический спектр гетероструктур пониженной размерности определяется в первую очередь геометрическими размерами слоев (кластеров, нитей и т.п.), из которых они состоят, определение морфологии является необходимым элементом их исследований. Для этого чаще всего используются методы просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) [2] и сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ) [3]: сканирующей туннельной микроскопии
(СТМ) и атомно-силовой микроскопии (АСМ). В последнее время все шире применяется метод СТМ на сколах структур (Х-СТМ) в условиях
сверхвысокого вакуума (СВВ) [4]. Этот метод позволяет изучать атомную структуру, состав материала квантовых ям (КЯ), квантовых нитей (КН), квантовых точек (КТ) и его неоднородности, структуру гетерограниц и другие параметры морфологии и структуры.
В настоящей работе для исследования гетероструктур с КЯ InGaAs/GaAs и КТ InAs/GaAs впервые применен метод комбинированной СТММ.СМ на сколах структур в защитной жидкой среде (в высокочистом минеральном масле). Х-СТММ.СМ в защитной жидкой среде может быть простой, недорогой и перспективной альтернативой СВВ Х-СТМ в области исследований полупроводниковых наноструктур. Известно, что даже в СВВ при давлении 10-10 Торр время образования одного монослоя (МС) адсорбата составляет ~1 часа [5]. Это существенно ограничивает время исследования чистых поверхностей. С другой стороны, было теоретически показано, что в химически чистом масле время жизни атомно-чистой поверхности практически не ограничено [6], что может быть важным преимуществом жидкой среды по сравнению с СВВ. Хотя отдельные составляющие предлагаемого метода исследования (комбинированная СВВ АСМ/СТМ, СВВ Х-СТМ, СТМ в масле) успешно применялись для изучения поверхностей твердых тел и полупроводниковых наноструктур, их комбинация вплоть до настоящего времени не была описана в литературе. Соединение указанных приемов в едином комби-
нированном методе позволяет впервые получить новую информацию о полупроводниковых наноструктурах, которая не может быть получена в отдельности перечисленными методами.
Целью данной работы являлось изучение возможности применения метода Х-СТМ/АСМ в защитной жидкой среде в области исследования гетероструктур на основе полупроводниковых соединений типа А3В5 с квантовыми ямами и точками.
Методика эксперимента
Исследуемые структуры были выращены на подложках и-GaAs (001) методом МОС-гидридной эпитаксии при атмосферном давлении в лаборатории эпитаксиальной технологии Научно-исследовательского физико-технического института (НИФТИ) ННГУ Б.Н. Звонковым. Исследовались лазерные структуры на основе In049Ga051P/GaAs с КЯ In0>2Gao>8As в активной области, а также многослойные массивы КТ InAs/GaAs.
Исследования производились на СЗМ Solver Pro производства компании NT-MDT (Зеленоград, Москва, Россия) с использованием специализированной жидкостной сканирующей головки Smena B, оснащенной СТМ-пред-усилителем с возможностью измерения тока через зонд. Данная головка позволяет осуществлять измерения тока через контакт зонд - образец при постоянном напряжении смещения между зондом и образцом Vg в процессе сканирования (обратная связь при этом поддерживается по АСМ-каналу), а также измерять вольт-амперные характеристики (ВАХ) контакта зонд
- образец в выбранной точке скана (или в каждой точке скана в процессе сканирования).
Исследуемые структуры укреплялись вертикально в специальный держатель, представляющий собой микротиски, сделанные из латуни и смонтированные на основании, которое представляло собой стальной диск толщиной 2 мм. Для предотвращения окисления на воздухе, а также загрязнения масла вся конструкция покрывалась слоем In методом химического осаждения из раствора. Тиски с зажатой в них структурой помещались в стандартную пластмассовую чашку Петри (рис. 1), которая заполнялась маслом для паромасляных диффузионных насосов ВМ-1. Структура скалывалась под слоем масла в направлении (110). Предварительно на край структуры при помощи победитового лезвия наносилась насечка длиной 0,51 мм. Следует отметить, что процедура приготовления гладкого скола в масле намного сложнее, чем на воздухе или в СВВ. Это связано с тем, что лапласовское давление масла, смачивающего структуру, препятствует развитию трещины из первоначального надреза (который представляет собой поверхность с большой кривизной). Чтобы надломить структуру, ее верхнюю часть зажимали в медицинских щипцах с фиксацией, которые создавали рычаг с плечом « 20 см.
Чашка Петри помещалась на трансляционный столик СЗМ Solver Pro с магнитным креплением образца. Стальное основание тисков обеспечивало фиксацию образца на столике через дно чашки Петри.
Контактные кремниевые АСМ-зонды производства ФГУП «НИИФП им. Ф.В. Лукина»
Рис. 1. Схема комбинированной СТМ/АСМ в масле
марки NSG-11 с платиновым покрытием укреплялись на жидкостном сканере, опускались в масло и наводились на край скола с той стороны, где находилась исследуемая структура, так близко к краю, как позволяла оптическая система СЗМ Solver Pro, используемая для наведения зонда на образец. Оптическая система обеспечивала плавное изменение увеличения до 400х, что позволяет наводить зонд непосредственно на область скола, где находятся исследуемые квантово-размерные слои. Наличие у СЗМ Solver Pro двухкоординатного трансляционного столика позволяет выбрать наиболее ровный участок на плоскости скола.
Результаты и обсуждение
На рис. 2а представлено АСМ-изображение скола лазерной гетероструктуры на основе GaAs с ограничивающими волноводными слоями In049Ga051P и двумя КЯ In02Ga08As в активной области лазера, полученное в методом АСМ в масле. Схема гетероструктуры приведена на рис. 2б.
Результаты, представленные на рис. 2а, показывают возможность удержания обратной связи и сканирования поверхности в режиме контактной АСМ в масле. Возможность этого не является самоочевидной a priori вследствие существенно большой (почти в 2 раза по сравнению, например, с водой) вязкости масла (0,89 мПас и «1,5 мПас при температуре 25°С, соответственно [7]). Значительная вязкость масла может препятствовать как сканированию плоскости x-y, так и следованию кантилевера за рельефом поверхности.
Сравнивая схему структуры, представленную на рис. 2б, с АСМ-изображением структуры, приведенным на рис. 2а, мы видим, что на
0 mkm 1.36 mkm 2.72 mkm
а
АСМ-изображении хорошо проявляются КЯ InGaAs. Ранее возможность визуализации КЯ методом Х-АСМ на воздухе была показана в [8]. При этом в образование нанорельефа поверхности скола напряженных гетероструктур вносят свой вклад два основных фактора:
1) окисление поверхности скола после его образования при контакте с воздухом. InGaAs и GaAs имеют различную скорость реакции окисления на воздухе и, как следствие, различную равновесную толщину окисла (рис. 3а);
2) релаксация упругих напряжений (рис. 36). Таким образом, различия в химическом составе различных участков поверхности образца преобразуются в нанорельеф поверхности скола за счет различной скорости окисления на воздухе.
В совокупности эти факторы преобразуют различия в химическом составе слоев гетероструктур в нанорельеф поверхности скола структур. Это, в свою очередь, позволяет идентифицировать слои различного состава на АСМ-изображении поверхности скола.
В масле механизм, связанный с окислением, отсутствует и формирование нанорельефа может происходить только за счет релаксации упругих напряжений. Отметим, что чувствительность АСМ оказывается достаточной, чтобы зафиксировать малые изменения рельефа скола после релаксации напряжений (< 0,1 нм).
Также на АСМ-изображении (рис. 2a) проявляются слои InGaP. Хотя средняя постоянная решетки твердого раствора In0>49Ga0>51P равна постоянной решетки GaAs, наномасштабные флуктуации концентрации 1п и Ga приводят к возникновению локальных упругих напряжений разных знаков, что, в свою очередь, приводит к тому, что скол InGaP выглядит на АСМ-изображении менее ровным, чем GaAs.
Рис. 2. АСМ-изображение скола в масле (а) и схема (б) лазерной гетероструктуры InGaP/GaAs/InGaAs
GaAs 1пА^ GaAs
Рис. 3. Схематическое изображение изменения нанорельефа поверхности скола вследствие окисления поверхности скола на воздухе (а) и релаксации упругих напряжений (б)
2.72 ткт
1.36 ткт-
0 ткт
1.36 ткт
а
GaAs 0,2 цт
GaAs 0,54 цт
КЯ In0,2Ga0,8As 6 пт КЯ 1п0 2Ga0 8As 7 пт
GaAs 0,2 цт
б
Рис. 4. АСМ-изображение скола лазерной гетероструктуры InGaP/GaAs/InGaAs в масле в режиме латеральной силы (а); схема лазерной гетероструктуры (б)
GaAs 0,78 цт
In0,49Ga0,51P 0,6 цт
ДКЯ In0,2Ga0,8As 6 пт ДКЯ Ina2Ga0,8As 7 пт
GaAs 0,32 цт
In0,49Ga0,51P 0,8 цт
Рис. 5. АСМ-изображение скола лазерной гетероструктуры InGaP/GaAs/InGaAs на воздухе (а); схема лазерной гетероструктуры (б)
0 ткт
2.72 ткт
На рис. 4а приведено АСМ-изображение скола лазерной гетероструктуры InGaP/GaAs/InGaAs в масле в режиме латеральной силы (зонд в процессе записи двигался сверху вниз, ось кантиле-вера при этом располагалась горизонтально). На рис. 4а также проявляются слои InGaAs и InGaP. На рис. 4а видно, что подъем поверхности GaAs, вызванный релаксацией упругих напряжений в слое InGaAs, схематически показанный на рис. 3, наблюдается на значительных расстояниях от гетерограницы КЯ (до 100 нм).
На рис. 5а приведено АСМ-изображение скола аналогичной структуры, полученное на воздухе. Оно выглядит более грязным, чем в масле, что связано с неоднородностью толщины окисла. Это затрудняет идентификацию слоев на АСМ-изображении. Кроме того, масло предохраняет поверхность скола от осаждения пыли из окружающего воздуха.
3 2
і
0,2
0,1
Ч 0,0
с
-0,1
-0,2
Рис. 6. ВАХ туннельного контакта Si-зонда с Р^ покрытием к сколу лазерной гетероструктуры InGaP/GaAs/InGaAs в масле. Номера кривых соответствуют номерам ночек на поверхности скола на рис. 7а
5 3
0 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10
На рис. 6 представлены ВАХ контакта $і-зонда с Р^покрытием к сколу лазерной гетероструктуры 1пОаР/ОаЛ8/1пОаЛ8 в масле, измеренные в различных точках, обозначенных на рис. 7а. Номера кривых на рис. 6 соответствуют номерам ночек на поверхности скола на рис. 7 а.
Общий вид ВАХ, измеренных на атомночистой поверхности полупроводника в масле, соответствует типичным ВАХ, получаемым на поверхности полупроводника в СВВ [9]. Эффективная величина щели в спектре плотности состояний, наблюдаемая по ВАХ, качественно согласуется с шириной запрещенной зоны соответствующих материалов. Наименьшая величина щели наблюдалась на КЯ 1пваЛ8 (точка 3), наибольшая - на слоях ІпОаР (точки 1 и 6). Однако наблюдаемая величина щели значительно превышала значения ширины запрещенной зоны. Данный эффект хорошо известен в сканирующей туннельной спектроскопии поверхностей полупроводников и обычно связывается со следующими двумя факторами. Во-первых, часть напряжения падает на ОПЗ поверхностного барьера в полупроводнике. Во-вторых, часть напряжения может падать на остаточном слое адсорбата на поверхности зонда, наличия которого нельзя исключить (специальных мер для его удаления не принималось).
В точке 4 туннельного тока не наблюдалось. Это связано с тем, что точка 4 находится в об-
+ +
ласти пространственного заряда р - п -перехода, расположенного в активной области структуры (см. схему структуры на рис. 7б).
ВАХ в областях различного типа проводимости различаются между собой (кривые 2 и 5 на рис. 6), так же как и в вакууме [10]. Данный
р -ОаЛ8 0,2цт
77777777777777777777777777777777777:
Ш р-Іпо,490ао,5іР 0,3 цт ;
р-ОаЛ8 0,2 цт
р -ОаЛ8 0,27 цт КЯ 1п0,2Са0,8Лз 6 пт
п -ОаЛ8 0,27 цт
КЯ 1п0-2Оа08Л8 7 пт
п-ОаЛ8 0,2 цт
п-ОаЛ8 0,2 цт
1
6
5
4
б
а
Рис. 7. АСМ-изображение скола в масле (а) и схема (б) лазерной гетероструктуры InGaР/GaЛs/InGaЛs. Цифрами 1-6 показаны точки измерения ВАХ
km % *
Пі
а б
Рис. 8. АСМ-изображение в режиме латеральных сил (а) и токовое изображение (б) поперечного скола гетероструктуры с 5 слоями КТ InAs/GaAs (001) в масле
эффект связывается с различным положением уровня Ферми относительно краев зон (в ^-ОаЛ8 уровень Ферми расположен вблизи потолка валентной зоны, тогда как в материале п-типа - вблизи дна зоны проводимости). В [10] указывается, что он может использоваться для идентификации слоев различного типа проводимости на сколах лазерных гетероструктур. Результаты данной работы показывают, что АСМ/СТМ под маслом также может использоваться для этой цели.
ВАХ, подобные приведенным на рис. 6, воспроизводимо наблюдались в течение одной недели. При этом образец снимался с микроскопа и хранился под защитным слоем масла. В дальнейшем воспроизводимость ВАХ нарушалась.
На рис. 8а представлено АСМ-изображение (в режиме латеральных сил) поперечного скола гетероструктуры с 5 слоями КТ 1пЛ8/ОаЛ8. Номинальная толщина слоев 1пЛ8 составляла 5 МС («1,5 нм), расчетная толщина спейсорных слоев
— 50 нм. На АСМ-изображении наблюдается периодический рельеф, возникающий вследствие релаксации упругих напряжений в слоях КТ по механизму, аналогичному описанному выше для структур с КЯ. На поверхности скола наблюдаются также особенности, связанные, вероятно, с дефектами роста эпитаксиальных слоев ваЛ8. Вблизи левого края АСМ-скана виден край скола (со стороны поверхности структуры). Расчетная толщина покровного слоя в данной структуре составляла « 0,5 цт.
На рис. 8б представлено токовое изображение скола той же структуры в увеличенном масштабе. На нем наблюдается слоистая структура, связанная со слоями КТ. Поперечные размеры участков повышенной проводимости составляют 4-7 нм. Высота КТ 1пЛ8 на образцах, выращенных в аналогичных условиях, по дан-
ным АСМ-исследований поверхностных КТ, а также КТ, заращенных покровным слоем GaAs, после удаления последнего селективным тралением составляет 4-6 нм [11]. Более крупные (размером до 10-15 нм) участки повышенной проводимости могут быть связаны с дислоцированными кластерами InGaAs, которые также часто наблюдаются на гетероструктурах с КТ InAs/GaAs, выращенных методом МОС-гид-ридной эпитаксии. Их образование связывается с коалесценцией КТ.
Средняя толщина спейсорных слоев на рис. 86 составляет «37 нм, что на «30% меньше расчетной. Данные расхождения могут быть вызваны как погрешностью в калибровке скорости роста GaAs, на основании которой определяется время осаждения GaAs, необходимое для получения слоя заданной толщины, так и погрешностью калибровки АСМ-сканера в плоскости х—у.
Заключение
В данной работе впервые показана возможность визуализации КЯ (КТ) на сколах гетероструктур на основе полупроводниковых соединений А3В5 методом Х-СТМ/АСМ в масле, а также возможность измерения вольт-амперных характеристик контакта АСМ-зонда к поверхности скола гетероструктур и идентификации участков различного состава на сколах структур. Результаты данной работы показывают, что метод Х-СТМ/АСМ в масле может быть простой, недорогой и перспективной альтернативой Х-СТМ в сверхвысоком вакууме в области исследований полупроводниковых наноструктур.
Работа выполнена при поддержке совместной Российско-американской программы «Basic Research and Higher Education» (BRHE) Y1-P-01-01 и U.S. Civilian Research and
Development Foundation ^RDF) по программе Regional Equipment Support Centers (RESC) RUR1-1038-NN-03.
Список литературы
1. Алферов, Ж.И. История и будущее полупроводниковых гетероструктур / Ж.И. Алферов // ФТП.
1998. Т. 32. № 1. С. 3-18.
2. Spence, J.C.H. The future of atomic resolution electron microscopy for materials science / J.C.H. Spence // Materials Sci. Eng. R. 1999. V. 26. № 1. P. 1-49.
3. Бухараев, А.А. Диагностика поверхности с помощью сканирующей силовой микроскопии. Обзор / А.А. Бухараев, Д.Б. Овчинников, А.А. Бухарае-ва // Заводская лаборатория. 1996. № 1. С. 10-27.
4. Wilks, S.P. Engineering and investigating the control of semiconductor surfaces and interfaces / S.P. Wilks // J. Phys. D: Applied Physics. 2002. V.35. № 9. P. R77-R90.
5. Дэшман, С. Научные основы вакуумной техники / С. Дэшман. - М.: Мир, 1964. - 321 с.
6. Неволин, В.К. Основы туннельно-зондовой нанотехнологии / В.К. Неволин. - М.: МГИЭТ, 2004.
- 100 с.
7. Эберт, Г. Краткий справочник по физике / Г. Эберт. - М.: Физматгиз, 1963. - 562 с.
8. Анкудинов, А.В. Нанорельеф окисленной поверхности скола решетки чередующихся гетерослоев Ga0.7Al0.3As и GaAs / А.В. Анкудинов, В.П. Евти-хиев, В.Е. Токранов, В.П. Улин, А.Н. Титков // ФТП.
1999. Т. 33. № 5. С. 594-597.
9. Kubby, J.A. Scanning Tunneling Microscopy of Semiconductor Surfaces / J.A. Kubby, J.J. Boland // Surf. Sci. Reports. 1996. V. 26. № 2. P. 61-204.
10. Эдельман, В.С. Сканирующая туннельная микроскопия (обзор) / В.С. Эдельман // Приборы и техника эксперимента. 1989. № 5. С. 25-49.
11. Karpovich, I.A. Tuning the Energy Spectrum of the InAs/GaAs Quantum Dot Structures by Varying the Thickness and Composition of a Thin Double GaAs/InGaAs Cladding Layer / I.A. Karpovich, B.N. Zvonkov, N.V. Baidus’ et al. // Trends in Nanotechnology Research / Ed. Eugene V. Dirote. - New York:
COMBINED CROSS-SECTIONAL STM/AFM STUDY OF InGaAs/GaAs HETEROSTRUCTURES WITH QUANTUM WELLS AND DOTS IN LIQUID
E.E. Shcherbakova, M.A. Isakov, D.A. Vorontsov, D.O. Filatov
The method of combined scanning tunneling and atomic-force microscopy (X-STM/AFM) in a protective liquid (oil) is used for the first time for studying quantum-well (QW) InGaAs/GaAs and quantum-dot (QD) InAs/GaAs heterostructures. The structures being studied were fixed vertically and cleaved in a Petri dish filled with diffusion-pump oil protecting the cleavage from oxidation. The cleavage was contact-AFM scanned by a conducting AFM probe, and the probe-sample current was measured simultaneously. It is shown that (i) QWs (QDs) on cleavages can be imaged by the constant-force, constant-height, and lateral-force AFM, (ii) current images of heterolayers and the current-voltage characteristic of the contact between an AFM probe and the cleavage surface of an in-oil heterostructure based on an A3B5 semiconductor can be obtained, and (iii) regions with different composition on heterostructure cleavages can be identified.
Nova Science, 2004. - P. 173-208.
