Особенности морфологии и спектров фотолюминесценции массивов квантовых точек InAs/GaAs, выращенных методом газофазной эпитаксии при периодическом прерывании роста Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА

УДК 621.382

ОСОБЕННОСТИ МОРФОЛОГИИ И СПЕКТРОВ ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ МАССИВОВ КВАНТОВЫХ ТОЧЕК 1пЛ8/ОаЛ8, ВЫРАЩЕННЫХ МЕТОДОМ ГАЗОФАЗНОЙ ЭПИТАКСИИ ПРИ ПЕРИОДИЧЕСКОМ ПРЕРЫВАНИИ РОСТА

© 2008 г.

А.В. Здоровейщев, П.Б. Демина, Б.Н. Звонков

Научно-исследовательский физико-технический институт Нижегородского госуниверситета им. Н.И. Лобачевского

[email protected]

Поступола вседащою 21.07.2008

Приведены результаты модифицирования режима роста квантовых точек 1пЛ8/ОаЛ8 газофазной эпитаксией из металлорганических соединений при атмосферном давлении. В отличие от стандартного режима роста время периодического прерывания подачи триметилиндия и арсина в реактор было увеличено и варьировалось в диапазоне от 4 до 18 с. Показано, что оптимизация времени прерывания роста пог 1Г,10 -2

зволяет получить массивы квантовых точек с высокой поверхностной концентрацией до 6-10 см и снизить концентрацию крупных релаксированных кластеров без применения дополнительных обработок (легирования сурфактантами или химического травления). Структуры, выращенные по модифицированной методике, имеют высокую интенсивность электролюминесценции диодов Шоттки с торца структуры при комнатной температуре.

Ключевые слова: квантовые точки, фотолюминесценция, электролюминесценция, атомно-силовая микроскопия.

Введение

Гетероструктуры с качественными массивами самоорганизованных квантовых точек (КТ) изготовляют методами молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) (например, [1]) и газофазной эпитаксии из металлорганических соединений (ГФЭ МОС) при пониженном [2] или атмосферном давлении. Последний метод применяется нами для выращивания квантово-размерных гетероструктур, содержащих слой КТ 1пЛ8/ОаЛ8. Его недостатками являются не столь высокое качество слоев и меньшая воспроизводимость результатов (по сравнению, например, с методом МЛЭ), поэтому получение массивов КТ с высокой поверхностной концентрацией, однородных по размерам и химическому составу, не содержащих крупных релаксированных кластеров, остается до сих пор актуальной задачей. Ранее для улучшения параметров КТ 1пЛ8/ОаЛ8 нами были разработаны методики легирования слоя КТ висмутом [3] и/или экспонирования поверхности КТ в потоке тетрахлорида углерода [4]. Применение этих методик позволило существенно улучшить параметры

массива КТ 1пЛ8/ОаЛ8 и изготовить на их основе излучающие при 300 К светодиоды - с р-п-переходом на 1.3 мкм [4] и с барьером Шоттки на 1.3-1.57 мкм [5].

В данной работе сообщается о новой методике совершенствования параметров массива КТ 1пЛ8/ОаЛ8 - изменении технологического режима его роста. При «стандартном» режиме ГФЭ МОС при атмосферном давлении [6] рост КТ осуществляется с прерыванием времени подачи материалов ґт до 4 с (рис. 1), которое вводится для ограничения концентрации триметил-индия и арсина в реакторе и не приводит к обеднению атмосферы реактора атомами мышьяка. В отличие от стандартного при новом модифицированном режиме роста мы увеличили время прерывания подачи триметилиндия и арсина в реактор (до 18 с), чтобы изменить условия для поверхностной диффузии атомов индия и мышьяка и тем самым повлиять на процесс формирования КТ 1пЛ8/ОаЛ8. По данным [2], в методе ГФЭ МОС с пониженным давлением применение прерывания потока арсина во время роста слоя КТ позволяет увеличить поверхностную концентрацию КТ 1пОаЛ8/ОаЛ8 и

избавиться от появления крупных релаксиро-ванных кластеров.

Исследовано влияние прерывания подачи материалов при росте КТ на морфологию и спектры фотолюминесценции структур.

Методика исследования

На подложках п+-ОаЛБ (100) последовательно выращивались буферный слой ОаЛБ, толщиной 0.6 мкм, слой КТ іпЛб в различных режимах и покровный слой (ПС), состоящий из квантовой ямы (КЯ) Іп02Оа0.8Л8 толщиной 3 нм и слоя ОаЛБ толщиной 20 нм. В ряде случаев покровный слой не выращивался. В некоторых структурах при росте слоя КТ дополнительно применялось легирование Ві.

О качестве полученных структур судили по снимкам топографии поверхности и спектрам фото- и электролюминесценции. Морфология поверхности исследовалась методом атомносиловой микроскопии (АСМ) и на структурах без покровного слоя, и после селективного стравливания по методике [7] покровного слоя ОаЛБ. Фотолюминесценцию возбуждали Не-№-

лазером мощностью 30 мВт. Электролюминесценцию диодов Шоттки, образованных термическим напылением золота в вакууме на поверхность гетероструктур с КТ, измеряли при прямом смещении. Измерения люминесценции проводились при 77 и 300 К.

Экспериментальные результаты и их обсуждение

На спектрах фотолюминесценции КТ ІпЛз/ОаЛБ (рис. 2), выращенных с различными временами прерывания, наблюдаются узкие низкоэнергетические пики (0.93-0.97 эВ) и широкий пик на 1.04 эВ. При этом если низкоэнергетические пики на разных образцах различаются как по длине волны, так и по интенсивности, то пик на 1.04 эВ одинаково присутствует на спектрах всех образцов независимо от времени прерывания роста, что, на наш взгляд, объясняется бимодальным распределением КТ ІпЛз/ОаЛБ по размеру. Наиболее интересен в этом случае массив более крупных КТ, спектром которых, как видно из рис. 2, можно управлять, изменяя режим роста.

Рост КТ ІпАз

ПС

8

я

я

я

ІЗ

я

я

я

я

ё

I

Ну, эВ

Рис. 2. Зависимость спектра ФЛ (77 К) КТ/КЯ от технологического режима осаждения КТ: 1, 2, 3 - прерывание роста соответственно 12, 8, 18 с; 4 - стандартный режим

Ну, эВ

Рис. 3. Зависимость спектра ФЛ (77 К) легированных Ы КТ/КЯ от технологического режима осаждения КТ: 1, 2 - прерывание роста соответственно 8, 12 с; 3 -стандартный режим

Ну, эВ

Рис. 4. Спектры электролюминесценции КТ, снятые с торца структур при 300 К: 1 - КТ, выращенные с прерыванием роста 12 с, в диоде Шоттки, ток инжекции 10 мА; 2 - КТ, выращенные в стандартом режиме, в области резкого ^-^-перехода, ток инжекции 200 мА

Рис. 5. АСМ-изображение поверхности гетероструктуры с КТ, выращенными с применением прерывания роста на 8 с и легирования Вк а) после стравливания покровного слоя ваЛБ толщиной 20 нм в селективном травителе; б) выращенной без покровного слоя

Обнаружено, что для структур с нелегированными КТ оптимальное время прерывания роста составляет 12 с. Пик фотолюминесценции (рис. 2, кривая 1), соответствующий энергии основного перехода таких КТ, равной 0.94 эВ (1.32 мкм), имеет высокую интенсивность и рекордно узкую ширину на полувысоте 20 мэВ. Такой результат можно объяснить тем, что увеличение времени прерывания подачи арсина вызывает обеднение поверхности атомами мышьяка и, как следствие, увеличение длины свободного пробега атомов индия по поверхности роста. Это приводит к тому, что индий более равномерно распределяется по поверхности, а его излишки удаляются с поверхности роста. При этом поверхностная концентрация КТ увеличивается и уменьшается число крупных ре-лаксированных кластеров, что приводит к увеличению интенсивности фотолюминесценции. С другой стороны, в результате слишком длительного прерывания роста может образоваться высокая концентрация антиструктурных дефектов, приводящая к уменьшению интенсивности фотолюминесценции.

При применении легирования КТ ¡пЛз/ваЛз висмутом в модифицированном режиме роста наблюдается аналогичная картина (рис. 3), только в этом случае оптимальное время прерывания роста оказывается равным 8 секундам (рис. 3, кривая 1). При этом интенсивность пика фотолюминесценции, соответствующего энергии основного перехода КТ, несколько повышается, а его ширина на полувысоте увеличивается и составляет 34 мэВ. Можно предположить, что присутствие висмута на поверхности роста замедляет диффузию адатомов индия и, соответственно, снижает оптимальное время прерывания роста, при котором наблюдается наиболее равномерное распределение индия по поверхности.

При сравнении спектров фотолюминесценции гетероструктур с КТ, выращенными в оптимальном режиме прерывания (рис. 2, кривая 1; рис. 3, кривая 1) и в стандартном режиме роста (рис. 2, кривая 4; рис. 3, кривая 3), видно, что оптимизация прерывания роста значительно улучшает фотолюминесцентные свойства КТ ¡пЛз/ваЛз как нелегированных, так и легированных В1. При этом наименьшую полуширину имеют спектры структур, полученных в режиме прерывания роста 12 секунд без легирования висмутом. О высоком качестве этих структур свидетельствует также тот факт, что на диодах Шоттки с КТ ¡пЛз/ОаЛБ, выращенными по модифицированной методике, при комнатной температуре зарегистрирована высокая интенсив-

ность электролюминесценции с торца структуры (рис. 4, кривая 1), что для структур с КТ, полученными в стандартном режиме, обычно не наблюдается. По значению она сравнима с ин-

О mkm

б

Рис. 6. АСМ-изображение поверхности гетероструктуры с КТ, выращенными с применением прерывания роста на 12 с: а) после стравливания покровного слоя ваАБ толщиной 20 нм в селективном травителе; б) выращенной без покровного слоя

тенсивностью электролюминесценции диодов с ^-^-переходом (рис. 4, кривая 2) [4]. Следовательно, на таких диодах Шоттки можно получать излучение практически без потерь эффективности, причем более длинноволновое, чем у диодов с р-я-переходом [5], за счет возможности варьирования толщины покровного слоя. Это делает их более перспективными для применения в волоконной оптике.

Полученные данные фотолюминесценции подтверждаются исследованиями морфологии поверхности КТ методом АСМ. После селективного стравливания покровного слоя на поверхности легированных структур наблюдается (рис. 5 а) массив нанокластеров - КТ, имеющий бимодальное распределение по размеру (центры распределений на 3 и 5 нм), с высокой общей поверхностной концентрацией — 3 • 1010 см-2. Это почти на порядок выше значения поверхностной концентрации КТ, сформированых в стандартном режиме роста при легировании Ві.

У нелегированных структур при оптимальном времени прерывания роста поверхностная концентрация КТ еще выше и составляет 6-1010 см-2 (рис. 6а).

Гетероструктуры с КТ, выращенными без покровного слоя, имеют меньшую поверхностную концентрацию КТ: легированные Bi структуры при оптимальном времени прерывания роста (8 с) - 1.5-1010см-2 (рис. 5б), нелегированные структуры при оптимальном времени прерывания роста (12 с) - 2-1010см-2 (рис. 6б). Однако, наряду с мелкими псевдоморфными кластерами - КТ, в обоих случаях на поверхности также наблюдаются крупные релаксированные кластеры (в отличие от [2]), то есть полностью исключить их образование оптимизацией режима прерывания роста не удалось.

Заключение

В результате показано, что модифицированная методика прерывания роста КТ InAs/GaAs позволяет получать плотные, однородные по размерам массивы КТ и снижать концентрацию крупных релаксированных кластеров без применения дополнительных обработок (легирования сурфактантами или химического травления). Поверхностную концентрацию InAs/GaAs

КТ удалось повысить почти на порядок до

10 -2 6-10 см .

Работа поддержана РФФИ (гранты 06-02-16159, 0502-16624), Минобрнауки РФ (проекты РНП.2.1.1.2741, РНП 2.2.2.3.16006) и CRDF BRHE (RUX0-001-NN/BF7M01).

Список литературы

1. Черкашин Н.А., Максимов М.В., Макаров А.Г. и др. // ФТП. 2003. Т. 37. Вып. 7. C. 120.

2. Lee Y., Ahn E., Kim J., et al. // Appl. Phys. Lett. 2007. V. 90. P. 033105.

3. Звонков Б.Н., Карпович И.А., Байдусь Н.В. и др. // ФТП. 2001. Т.35. Вып. 1. C. 92.

4. Байдусь Н.В., Бирюков А.А., Данилов Ю.А. и др. // Изв. РАН, сер. Физическая. 2003. Т. 67. № 2. C. 208.

5. Baidus N.V., Zvonkov B.N., Demina P.B., et al. // Semicond. Sci.Technol. 2004. V. 19. P. 469.

6. Байдусь Н.В., Звонков Б.Н., Некоркин С.М. и др. // Мат. совещ. «Нанофотоника». Н. Новгород, 1999. C. 242.

7. Karpovich I.A., Baidus N.V., Zvonkov B.N., et al. // Phys. Low-Dim. Struct. 2001. V. 3/4. P. 341.

MORPHOLOGICAL AND LUMINESCENCE SPECTRUM PECULIARITIES OF INAS/GAAS QUANTUM DOT ARRAYS OBTAINED BY VAPOUR PHASE EPITAXY WITH PERIODIC GROWTH INTERRUPTION

A V. Zdoroveishev, P.B. Demina, B.N. Zvonkov

The results of modification of the atmospheric pressure vapor phase epitaxy growth mode of InAs/GaAs quantum dots are presented. In contrast to a standard growth mode, the feed rate of TMI and arsine into the growth reactor was increased and varied from 4 to 18 s. It is shown that the optimization of the growth interruption time allows to obtain quantum dot lattices with a high surface concentration up to 6-1010 cm-2 and to decrease the concentration of huge relaxed clusters without additional chemical treatment (surfactant doping or chemical etching). Structures grown by the modified technique have a high electroluminescence intensity of Schottky diodes, collected from the sample end face at room temperature.