Оптические свойства гетероструктур на основе самокаталитических нитевидных нанокристаллов Ga(N,P)/GaP Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

А „ SSSE5SSS 24-26 октября 2023 г.

^ А -ПРОХОРОвОСИЕ НЕДЕЛИ-

Оптические свойства гетероструктур на основе самокаталитических нитевидных нанокристаллов Ga(N,P)/GaP

Куринная А.А., Коваль О.Ю.

Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), Долгопрудный

E-mail: kurinnaia. aa@phystech. edu

DOI: 10.24412/cl-35673-2023-1-87-89

Проблема интеграции материалов A3B5 на кремниевые и диэлектрические подложки достаточно давно является одной из наиболее актуальных для полупроводниковой технологии.

Среди семейства полупроводниковых соединений A3B5 наименьшее рассогласование параметров решетки с кремнием (0,36 %) имеет непрямозонный полупроводниковый материал фосфид галлия. Тем не менее, эффективность светоизлучающих устройств и фотоэлектрических преобразователей на основе GaP оказывается ограниченной вследствие непрямозонной природы энергетической структуры [1].

Использование тройных азотсодержащих твердых растворов (тв. р-ров) типа Ga(N,P) позволяет расширить область функционального применения гетероструктур на основе GaP/Si. Так, добавление малой мольной доли азота в соединения Ga(N,P) ведет к уменьшению ширины запрещенной зоны на величину ~100 мэВ/% [2], сопровождающемуся уменьшением постоянной решетки. При концентрациях N уже в 0,4-0,5 % в Ga(N,P) наблюдается переход к прямозонной энергетической структуре, а при концентрации N в 2 % твердые растворы Ga(N,P) (Eg = 1,95 эВ) [3] оказываются решеточно-согласованным с Si (при 300 К) [4].

Альтернативным решением проблемы эпитаксиальной интеграции А3В5 и Si является переход от гетероструктур планарной геометрии к гетероструктурам на основе нитевидных нанокристаллов (ННК), что связано с рядом наблюдаемых в них размерных эффектов, позволяющих существенно расширить возможности электронного и оптического ограничения.

Таким образом, в качестве объектов настоящего исследования можно выделить наноразмерные эпитаксиальные гетероструктуры на основе фосфида галлия и его азотсодержащих твердых растворов

ШКОЛ А-КОНФЕРЕНЦИЯ

МОЛОДЫХ УЧЁНЫХ

^f А -ПРОХОРОвСКИЕ НЕДЕЛИ»

НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ, АКТИВНЫЕ СРЕДЫ И НАНОСТРУКТУРЫ

Ga(N,P), выращенные на поверхности подложек кремния методом молекулярно-пучковой эпитаксии с плазменной активацией азота (рис. 1 (ЬМЭ).

а)

Рис. 1. Схематическое представление роста гетероструктур РЭМ изображения: образца-основания (Ь) эталонного образца с массивом GaP исследуемых Ga(N,P)/GaP массивов с различными составами

Методами фотолюминесцентной спектроскопии были исследованы особенности оптических свойств массивов ННК на ростовой подложке, а также массивов Ga(N,P)/GaP ННК, инкапсулированных в гибкую полимерную мембрану и отделенных от исходной подложки. Инкапсуляция массивов ННК в полимерный носитель была произведена посредством метода гравитационной накрутки [5] (рис. 2 (а)-(в)).

а) Исходная структура б)После мембраны д)

ПП ?

ННК в мембране

Si (111)

Г-1П Г, П 1-.П !-.!->

I Si (111)

Т=5К Я. = 507 нм

■GaP

GaNP/GaP

г) NN. nn,' |JN„ - локализованные уровни ШЧТГ NN„' - фононные повторения А NN, е) f\

nn; \ NNr nn; FsaI'

NN,4 1 583 нмЧ

NN3j InNi \ i

NNjJ уг \Nf \ ? MNJг

540 560 580 600 620 640 660 680 540 560 580 600 670 640 660 680 540 560 580 600 620 640 660 680 700

Wavelength, nm

Рис. 2. (а)-(в) схематическое представление эксперимента; (г)-(е) спектры ФЛ одного из исследуемых образцов массива Ga(N,P)/GaP ННК и спектры ФЛ эталонного образца (синей линией) (г) спектр от ННК на ростовой подложке, (д) спектр от подложки после отделения мембраны, (е) спектр от отделенной мембраны с инкапсулированными ННК.

А „ SSSÏSÎSSS 24-26 октября 2023 г.

^ А -ПРОХОРОвОСИЕ НЕДЕЛИ-

В данной работе представлены результаты сравнительного исследования низкотемпературного ФЛ отклика как мембран с отделенными ННК, так и ростовых подложек после отделения массива ННК, содержащих на своей поверхности трехмерным слой GaP, которые показали, что встраивание азота при самокаталитическом росте пар-жидкость-кристалл можно оценить как в 3-5 раз более эффективное чем при росте трехмерных островков по механизму пар-кристалл (рис. 2 (г)-(е)) [6]. При этом гетероструктурированные ННК Ga(N,P)/GaP, формирующиеся на подложках Si( 111) в процессе МПЭ-ПА по самокаталитическому механизму, демонстрируют яркий фотолюминесцентный отклик в диапазоне длин волн от 565 до 583 нм при гелиевой температуре, что соответствует содержанию азота в азотсодержащей области ННК ~1 % [4].

1. Lorenz M.R., Pettit G.D. & Taylor R.C. Phys. Rev. 1968. 171. 876-881.

2. Sukrittanon S., Dobrovolsky A., Kang W.-M., et al. Applied Physics Letters. 2014. 105. 072107.

3. Shan W., Walukiewicz W., Yu K. M. et al., Applied Physics Letters, 2000, 76, 3251-3253.

4. Lan Y., Li J., Wong-Ng W., et al. Micromachines. 2016. 7. 121.

5. Neplokh V., Messanvi A., Zhang H., et al. Nanoscale Research Letters. 2015. 10(1), 1-6.

6. Koval O.Yu., Fedorov V.V., Bolshakov A.D., et al. Nanomaterials. 2020. 10(11). 2110.