CC BY
10
УДК 621.315.592.3
ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ ЦЕНТРОВ, СВЯЗАННЫХ С ИОНАМИ УЬ3+, В КВАНТОВО-РАЗМЕРНЫХ СТРУКТУРАХ НА ОСНОВЕ СаАз/СаАЬ^
В. М. Коннов, И. П. Казаков, Н. Н. Лойко, В. А. Дравин, О. М. Бородина1,
М. Ю. Часовских, А. А. Гиппиус
Проведены исследования фотолюминесценции квантово-размерных структур на основе СаЛ^/СтаЛ/Ля, легированных УЪ либо в процессе молекулярно-лучевой эпитак-сии, либо методом ионной имплантации. Специфическая люминесценция, связанная с ионами УЬ3+, наблюдалась только после дополнительной имплантации кислорода. Проведено сопоставление интенсивности редкоземельной люминесценции в квантово-размерных структурах и объемном материале.
Внимание, проявляемое к исследованиям оптических свойств квантово-размерных структур, в значительной мере обусловлено перспективами создания на их основе новых оптоэлектронных приборов.
Исследования спектров возбуждения фотолюминесценции (ФЛ) редкоземельных (РЗ) ионов Ег3+, помещенных в кристаллы кремния и арсенида галлия показали, что в механизме возбуждения этих ионов существенную роль играют экситоны [1]. Методы зонной инженерии позволяют резко повысить концентрацию экситонов в отдельных пространственных областях структуры с пониженной размерностью, прежде всего, в квантовых ямах. При этом предполагается, что в такой системе эффективность возбуждения РЗ иона будет определяться параметрами квантово-размерной структуры и
Государственный научный центр РФ институт ГИРЕДМЕТ.
атомно-электронной структурой самого РЗ центра, если, конечно, введение РЗ элемента катастрофически не ухудшит качества самих материалов барьера и ямы, например, из-за больших геометрических размеров РЗ атомов.
В данной работе исследовалась фотолюминесценция квантово-размерной структуры на основе GaAs/GaAlAs, легированной Yb либо в процессе роста этой структуры по технологии молекулярно-лучевой эпитаксии (МВЕ), либо методом ионной имплан тации. Выбор Yb в качестве РЗ примеси определялся накопленным опытом работы с объемными кристаллами GaAs, AlGaAs, GaP и InP, легированными Yb в процессе ионной имплантации или при выращивании эпитаксиальных слоев [2-7].
Рост квантово-размерных структур проводился на установке МВЕ "Цна-25", имплантация - на ускорителе тяжелых ионов "High Voltage Engineering Europe".
Имплантация ионов, вносящая значительные радиационные повреждения, и отжш с целью их устранения, в общем, приводят к ухудшению качества квантово-размерных структур. Это проявляется как в уменьшении интенсивности линий экситонной люминесценции, так и в их уширении, обусловленном изменением геометрии квантово-размерных структур (диффузия алюминия из барьерного слоя AlGaAs в область GaAs) при высокотемпературном отжиге. В ходе предшествующих исследований были определены режимы имплантации и отжига, обеспечивающие приемлемое качество структур [8].
Одноямная, МВЕ-легированная структура. Вначале рассмотрим результаты, по-
о
лученные на предельно простой структуре, состоящей из 100-Л ямы GaAs, легировав ной Yb во время роста по технологии МВЕ, заключенной между двумя барьерами из AlxGa\-xAs толщиной ~ 40 нм.
Измерения, проведенные методом масс-спектроскопии вторичных ионов (SIMS), подтвердили наличие ямы шириной ~ 10 нм и показали, что концентрация алюминия в материале барьера х ~ 0.3, а толщина барьеров близка к рассчитанной из условий роста структуры. К сожалению, чувствительности метода SIMS не хватило, чтобы опреде лить наличие Yb в тонком слое GaAs и, тем более, оценить его концентрацию. Для оценки величины концентрации Yb в материале квантовой ямы были воспроизведены режимы роста и легирования Yb контрольных пленок GaAs, но уже на более толстых (~ 100 нм) слоях. Измерения SIMS показали, что при использованных технологических режимах в этих контрольных слоях концентрация Yb была постоянной по глубине ¡1 составляла ~ 1018 см~3. Существенно, что в спектре такой структуры присутствовало мощное излучение экситонов, локализованных в квантовой яме. Таким образом, струк-
тура достаточно безболезненно перенесла введение УЬ в объем квантовой ямы. В то же время излучение ионов УЬ3+ отсутствовало.
На основании опыта предыдущей работы с объемными кристаллами СаАз, легированными УЬ, данная структура была имплантирована ионами кислорода таким образом, чтобы глубина залегания максимума распределения кислорода пришлась на середину ямы, а концентрация кислорода в максимуме соответствовала ~ 1018 см~3 [2]. Режимы отжига были выбраны такими, чтобы минимизировать возможные проявления деградации этой структуры [8, 9]. На начальных стадиях отжига пики экситонного излучения в спектрах ФЛ квантовой структуры становились несимметричными и уширенными. При повышении температуры отжига помимо несимметричного уширения полосы экситонного излучения наблюдался и ее коротковолновой сдвиг, связанный с уменьшением ширины квантовой ямы из-за проникновения алюминия из барьера в материал ямы. После однократного фотостимулированного отжига (ФСО) при температуре ~ 700°С длительностью 5 мин уширение и сдвиг экситонной полосы оказались в пределах разброса значений этих параметров по площади структуры. Это означает, что деградационные явления если и имели место, то их влияние не оказывало определяющего воздействия на квантовые свойства структуры.
Имплантация кислорода и пятиминутный отжиг при 700° С привели к уменьшению интенсивности экситонной люминесценции на полтора - два порядка и появлению люминесценции, связанной с М переходами на ионах УЬ3+ (рис. 1). Видно, что РЗ излучение представлено двумя линиями, локализованными на ~ 991 нм (У-центры) и 1006 нм (Х-центры). Ранее нами на основании накопленного статистического материала по спектрам РЗ излучения разнообразных по своему примесному составу кристаллов С а Ал, имплантированных совместно иттербием и кислородом, было показано, что в кристаллах СаАз:(У6 + О) линия излучения 1006 нм связана с ассоциацией иона УЬ3+ с примесью 5е, а линия 990.8 - 991 нм - с комплексом УЬ3+ + 5г [3].
Таким образом, структура центров РЗ люминесценции и условия их формирования в квантово-размерных структурах в целом близки к таковым в объемном материале, а специфичность спектров различных редкоземельных люминесцентных комплексов позволяет использовать их для определения фоновых примесей (в данном случае 5е и Si) в квантово-размерных структурах.
Трехъямная, ионно-имплантированная структура. Структура, состоящая из последовательности квантовых ям из СаАз различной толщины, была использована ранее при исследовании влияния дефектов, возникающих при ионной имплантации, на свой-
15
5
i л
р
о §
и
S 5
о J
Квантовая структура GaAs/Al<, 3Gao.7As
[40 - 10 - 40 нм] МВЕ Yb~ 101W
Имплантация 0~10"см*3 ФСО~700°С
Т-77К
X Y Yb-Si Yb-Se 991нм1006нм
I I I
■''i
800
850
900
950
1000 1050
X, нм
Рис. 1. Спектр ФЛ квантовой структуры, выращенной и легированной УЬ методом МВЕ. Измерения проведены после имплантации структуры ионами кислорода и ФСО при температуре 700 °С длительностью 5 минут. Спектр ФЛ регистрировался при температуре образца 77 К.
ства квантово-размерных структур [8]. При этом специфические линии собственниц люминесценции разных ям были использованы для контроля пространственного распределения радиационных дефектов и определения оптимальных условий имплантации и отжига. В частности, было установлено, что в случае иттербия таковыми являются: концентрация Yb в максимуме распределения - 1017 см~3, температура отжига 700°С, длительность - 5 мин.
Имплантация Yb и отжиг при указанных условиях не привели к возникновению в данной структуре специфических линий люминесценции иона Yb3+. Ранее нами было показано, что эффективные центры люминесценции на основе иона Yb3+ в объемных ионно-легированных кристаллах GaAs реализуются в виде трехкомпонентных комплексов, включающих ионы У63+, кислорода и соактиваторов - элементов IV (кремний, углерод) и VI (сера, селен) групп Периодической системы [10, 11]. Кислород, не влияя на энергетический спектр таких центров, играет определяющую роль в процессе передачи энергии возбуждения электронно-дырочных пар решетки центрам люминесценции
На основании этих данных была проведена дополнительная имплантация кислорода и селена; выбор последнего обусловлен как тем, что люминесцентные комплексы с его участием дают достаточно эффективную люминесценцию, так и тем, что, по не очень понятным причинам, его присутствие несколько ослабляет эффекты радиационного повреждения [3]. Имплантация образцов квантовой структуры примесями селена и кислорода проводились при таких энергиях, чтобы глубины залегания максимумов распределения этих примесей были по возможности близки к глубине залегания УЬ, а значения в максимуме также соответствовали ~ 1017 см~3.
Рис. 2. Спектры ФЛ образцов полупроводниковой структуры СаАэ/АЮаАв, содержащей три изолированных квантовых ямы различной ширины. 2.1 - спектр ФЛ образца исходной структуры. 2.2 - спектр ФЛ образца квантово-размерной структуры после имплантации первого барьера ионами УЬ, Бе и О до расчетных значений концентраций ~ 1017сл«-3 в максимуме распределения примесей. 2.3 - спектр ФЛ образца после имплантаций (УЬ+Бе+О) и после проведения ФСО при 700"С длительностью 5 минут. Температура образцов при записи спектров ФЛ составляла 77 К.
На рис. 2 приведены спектры ФЛ исходной квантовой структуры (2.1), то же после
Квантовая структура СаА5/А10ВОа077А5 68-9.8-36-15.3-36-25-64
1 И Ш 17 -з
имлантация (УЬ+О+Бе) ~ 10 см
_ФСО-700 "С_
750 800 850 900 950 1000 1050 1100
X, нм
имлантаций (Yb -f О + Se), (2.2) и, наконец, после проведения ФСО при температуре 700°С длительностью 5 мин (2.3). На спектре 2.3, помимо излучения экситонов, локализованных в квантовых ямах, четко видно характеристическое излучение ионов Yb3+.
Как показало исследование спектров ФЛ объемных пленок GaAlAs, либо легированных Yb по технологии МВЕ, либо имплантированных Yb, излучение центров люминес ценции на основе ионов Yb3+ в этом материале сосредоточено в интервале от 980 до 1002 нм [5]. Отсюда следует, что излучение в выделенной на рис. 2.3 спектральной области (т.е. с длиной волны более 1002 нм) связано с находящимися в GaAs люминесцентными комплексами на основе иона Yb3+. Судя по нашим данным об энергетической структуре комплексов такого типа [3], в данном случае в состав комплексов, помимо иттербия и кислорода, входит селен (имплантированная примесь) или сера (фоновая примесь).
Исходя из условий имплантации (максимумы распределения имплантированных примесей находятся в пределах первого, приповерхностного барьера) можно утверждать, что в данном случае люминесценция Yb3+ в GaAs - это РЗ люминесценция первой квантовой ямы. Для сравнения эффективности люминесценции в яме и барьере следует иметь в виду следующее. По данным SIMS концентрация Yb в первой яме не превышала 1016 см~3 (предел чувствительности этого метода по Yb), а, скорее всего, составляла ~ 1015 см~3. Полное число атомов Yb в барьере толщиной ~ 70 нм, где находится максимум концентрации на уровне 1017 см~3, превышало таковое в яме толщиной ~ 10 нм примерно на два порядка. Плотность возбуждения в области ямы меньше, чем в области барьера. Эффективность РЗ люминесценции в случае объемного материала в целом выше в AlGaAs, чем в GaAs. Последние два фактора должны были бы еще более усилить "преимущество" РЗ люминесценции барьера. Однако интенсивность РЗ излучения в области 980 - 1000 нм (барьер) превосходит интенсивность в области 1000 - 1010 нм (яма) не более чем в 3 - 4 раза. Это означает, что интенсивность люминесценции (в расчете на единицу концентрации) центров на основе Yb3+, находящихся в квантовой яме, более чем на порядок превышает таковую в барьере благодаря эффектам пространственного ограничения электронно-дырочных пар.
В данной работе показано, что методы молекулярно-лучевой эпитаксии в сочетали с ионной имплантацией позволяют реализовать полупроводниковые структуры пон женной размерности, содержащие центры люминесценции на основе ионов Yb3+. Уста новлено, что структура и процессы формирования таких центров в квантово-размерных структурах в целом близки к таковым в объемном материале. Обнаружено увеличение
эффективности редкоземельной люминесценции в квантовых ямах благодаря эффектам пространственного ограничения электронно-дырочных пар.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (96-02-18206), программы "Физика твердотельных наноструктур" (97-1046), ИНТАС - РФФИ (95-0531) и С1ШГ (N№1-235).
ЛИТЕРАТУРА
[1] М а с т е р о в В. Ф. ФТП, 27, вып. 9, 1435 (1993).
[2] К о н н о в В. М., Л о й к о Н. Н., Гиппиус А. А. Краткие сообщения по физике ФИАН, N 9-10, 18 (1995).
[3] К о н н о в В. М., Л о й к о Н. Н., Л а р и к о в а Т. В. Краткие сообщения по физике ФИАН, N 3-4, 67 (1996).
[4] К он но в В. М., Лойко H.H., Черноок С. Г. и др. Краткие сообщения по физике ФИАН, N 3, 3 (1999).
[5] К о н н о в В. М., Лойко Н. Н., Г и л и н с к и й А. М. и др. Краткие сообщения по физике ФИАН, в печати.
[6] Кон нов В. М., Лойко H.H. Краткие сообщения по физике ФИАН, N 9-10, 41 (1997).
[7] К о н н о в В. М., Лойко Н. Н. Краткие сообщения по физике ФИАН, N 9-10, 52 (1997).
[8] Б о р о д и н а О. М., Дравин В. А., Казаков И. П. и др. Краткие сообщения по физике ФИАН, N 9-10, 41 (1996).
[9] Л о й к о Н. Н., К о н н о в В. М., Ларикова Т. В. Краткие сообщения по физике ФИАН, N 9-10, 48 (1996).
[10] К о н н о в В. М., Ларикова Т. В., Лойко Н. Н., Ушаков В. В. Краткие сообщения по физике ФИАН, N 5-6, 50 (1995).
[11] Дравин В. А., К о н н о в В. М., Ларикова Т. В., Лойко Н. Н. Краткие сообщения по физике ФИАН, N 5-6, 18 (1995).
Поступила в редакцию 12 мая 1999 г.
