CC BY
28
Полупроводниковая спинтроника Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2010, № 5 (2), с. 347-349
УДК 621.382
ВЛИЯНИЕ ПОСТРОСТОВОГО ОТЖИГА НА ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ СВОЙСТВА ГЕТЕРОСТРУКТУР С КВАНТОВЫМИ ТОЧКАМИ 1п(Оа)Аз/ОаАа
© 2010 г. А.В. Здоровейщев, Е.И. Малышева, П.Б. Демина, М.В. Дорохин
Научно-исследовательский физико-технический институт Нижегородского госуниверситета им. Н.И. Лобачевского
Поступила в редакцию 27.05.2010
Приведены результаты исследования фотолюминесцентных свойств гетероструктур с квантовыми точками 1п(Оа)Аз/ОаАз после воздействия постростового отжига в диапазоне температур 450°С -750°С. Показано, что наилучшей стабильностью фотолюминесцентных свойств при отжиге обладают гетероструктуры с квантовыми точками, выращенными в режиме прерывания роста в сочетании с обработкой тетрахлоридом углерода и комбинированным высокотемпературным покровным слоем.
Ключевые слова: квантовые точки, фотолюминесценция, постростовой отжиг.
Введение
Известно, что энергетический спектр и свойства полупроводниковых приборов с массивами самоорганизованных квантовых точек (КТ) 1пА8/ваА8, полученных методом газофазной эпитаксии, существенно зависят от условий нанесения покровного слоя ваА8. Для улучшения электрических параметров покровного слоя [1] или при выращивании эмиттерного широкозонного слоя лазерной гетероструктуры ОаА8/1пваР необходимо значительно повышать температуру роста покровного слоя ваА8 (с 520°С при росте массива КТ до 630-650°С при росте покровного слоя). Поэтому возникает необходимость проведения исследования влияния воздействия высоких температур на энергетический спектр КТ 1пА8/ваА8.
В работе проводилось исследование влияния постростового высокотемпературного отжига на спектральные свойства гетероструктур с КТ, полученных методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений при атмосферном давлении водорода (ГФЭ МОС АДВ) в различных технологических режимах. Режимы роста были отработаны ранее для повышения поверхностной концентрации и однородности КТ [2-4], а также снижения поверхностной концентрации релаксированных кластеров [5, 6]. Целью работы было определение технологии получения гетероструктур, обладающих максимальной стабильностью фо-толюминесцентных свойств при высокотемпературном отжиге, и оценка перспектив исполь-
зования таких гетеростуктур для создания светоизлучающих диодов.
Методика исследования
Исследованные структуры были получены методом ГФЭ МОС АДВ в различных технологических режимах, а также их комбинации. Технологические режимы включали в себя: прерывание роста КТ [2], 8-легирование буферного слоя ваА8 сурьмой [3], легирование слоя КТ висмутом [4] и экспонирование поверхности КТ в потоке тетрахлорида углерода СС14 [5, 6]. После выращивания производился высокотемпературный отжиг в атмосфере азота в диапазоне температур 450-750°С в течение 15 минут. В работе исследовались спектры фотолюминесценции (ФЛ) при 77 К до и после отжига. Фотолюминесценция возбуждалась Ие-№-лазером мощностью 30 мВт.
Экспериментальные результаты и их обсуждение
Рассмотрим эволюцию спектра фотолюминесценции гетероструктур с КТ на примере структуры, выращенной в режиме прерывания роста с 8-легированием буферного слоя ваА8 сурьмой. При исследовании спектра фотолюминесценции данной структуры после высокотемпературного термического отжига (рис. 1) был обнаружен голубой сдвиг линии фотолюминесценции, связанной с основным переходом в КТ (на рис.1 обозначены пунктирными
Рис. 1. Эволюция спектра фотолюминесценции
(77 К) гетероструктуры с КТ, выращенной с использованием легирования поверхности буферного слоя ваЛБ сурьмой из триметилсурьмы, при высокотем-
пературном термическом отжиге, То 2 - 550, 3 - 600, 4 - 650, 5 - 700
°С: 1 - 0,
ращенных в разных технологических режимах. Таким образом, данная температура является критерием стабильности фотолюминесценции при отжиге. Как видно из рисунка, наименьшей устойчивостью к отжигу обладают структуры, выращенные с применением сурфактантов (8Ь и В1). В таких структурах пик фотолюминесценции начинает смещаться уже при температурах отжига 550-600°С. Объяснить данный эффект можно следующим: в процессе роста часть атомов сурфактанта остается на гетерогранице КТ 1пЛ8/покровный слой ваЛБ, что активирует процессы взаимодиффузии 1п и ва при постростовом отжиге и ведет к интенсивному перемешиванию материалов КТ и покровного слоя. В результате взаимодиффузии 1п и ва увеличивается эффективный размер КТ и существенно меняется состав как самих КТ, так и покровного слоя.
линиями). Величина сдвига росла с увеличением температуры от 5 мэВ при 550°С до 300 мэВ при 700°С. Данный сдвиг можно объяснить увеличением эффективного размера и изменением профиля энергетической диаграммы КТ, возникающими за счет объемной взаимной диффузии атомов индия и галлия в процессе отжига. Наряду со сдвигом, наблюдается снижение интенсивности фотолюминесценции КТ, вплоть до практически полного гашения ФЛ КТ после отжига при 700°С. Это связано с увеличением вероятности безызлучательной рекомбинации за счет образования после отжига вакансий мышьяка вблизи поверхности. После отжига при 650-700°С (рис. 1, кривые 4, 5) на спектре фотолюминесценции хорошо различим пик вблизи 1.32 эВ, связанный с излучательной рекомбинацией через основной переход квантовой ямы смачивающего слоя, дающей существенный вклад при значительном уменьшении интенсивности фотолюминесценции КТ.
Подобные закономерности эволюции спектров фотолюминесценции были характерны для всех остальных типов исследованных гетероструктур.
На рис. 2 приведена зависимость абсолютного сдвига пика фотолюминесценции КТ от температуры отжига для структур, выращенных в различных технологических режимах. При малых температурах отжига до 550°С положение пика фотолюминесценции всех структур практически не менялось. Увеличение температуры отжига приводило к резкому голубому сдвигу пика фотолюминесценции. Температура, после которой наблюдается подобный эффект, различалась для структур, вы-
Рис. 2. Зависимость абсолютного сдвига пиков фотолюминесценции (77 К) от КТ, полученных в различных режимах роста, от температуры пост-ростового отжига: 1 - легированные 8Ь, 2 - легированные В1, 3 - стандартный режим роста, 4 -с применением СС14 , 5 - режим прерывания роста,
6 - с применением комбинации методик прерывания роста, СС14 и высокотемпературным (Тр= 630°С) покровным слоем
Наибольшей устойчивостью к высокотемпературному отжигу обладают гетероструктуры с КТ и комбинированным высокотемпературным покровным слоем, выращенные в режиме прерывания роста с использованием газохимического травления релаксированных кластеров тетрахлоридом углерода. По-видимому, у подобных структур в покровном слое ваЛБ остается наименьшее количество дефектов (дислокаций несоответствия, точечных и антиструк-турных дефектов). Дефекты, вносимые релак-сированными кластерами, удаляются четыреххлористым углеродом вместе с самими кластерами, а большинство оставшихся дефектов отжигается в процессе роста высокотемпературного покровного слоя. В таких гетерострукту-
рах положение пиков фотолюминесценции КТ практически не менялось при температуре отжига до 700°С.
Заключение
Показано, что наибольшей стабильностью фотолюминесцентных свойств при высокотемпературном отжиге и, соответственно, наилучшей перспективой для приборного применения обладают гетероструктуры с КТ, выращенными в режиме прерывания роста в сочетании с обработкой тетрахлоридом углерода CCl4 и комбинированным высокотемпературным покровным слоем [5]. Предложена модель, объясняющая зависимость термической стабильности фотолюминесценции гетероструктур с КТ от технологических условий роста.
Работа поддержана РФФИ (гранты 08-02-00548а, 08-02-97038р, 09-02-90479-Укр_ф_а, 10-02-00501-а и 10-02-00739-а), АВЦП «Развитие потенциала высшей школы» 2.2.2.2/4297, Министерством образования и науки (ФЦП «Научные и науч-
но-педагогические кадры инновационной России», номер заявки - НК-675П) и СЯОГ БЯЫЕ (ЯиХ0-001-Ш/БР4Ш01 и ЯиХ0-001-ММ/БГ7И01).
Список литературы
1. Мильвидский Н.Г., Освенский В.Б. Структурные дефекты в монокристаллах полупроводников. М.: Металлургия, 1984.
2. Здоровейщев А.В., Дёмина П.Б., Звонков Б.Н. // ПЖТФ. 2009. Т. 35. Вып. 2. С. 15-20.
3. Здоровейщев А.В., Байдусь Н.В., Звонков Б.Н., Дёмина П.Б. // Нанофотоника. Труды XIV Международного симпозиума, Н. Новгород, 15-19 марта 2010 г. Н. Новгород: ИФМ РАН, 2010. С. 488-489.
4. Звонков Б.Н., Карпович И.А., Байдусь Н.В. и др. // ФТП. 2001. Т. 35. С. 92.
5. Здоровейщев А.В., Дорохин М.В., Дёмина П.Б. // Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы. Труды конференции. Ульяновск, 25-29 мая 2009 г. Ульяновск: УЛГУ, 2009. С. 35-37.
6. Байдусь Н.В., Звонков Б.Н., Мокеева П.Б., Ускова Е.А. // Нанофотоника. Материалы совещания, Н. Новгород, 11-14 марта 2002 г. Н. Новгород: ИФМ РАН, 2002. С. 207-210.
effects of post-growth annealing on photoluminescence properties of in(ga)as/gaas quantum-dot heterostructures
A. V. Zdoroveishchev, E.I. Malysheva, P.B. Demina, M. V. Dorokhin
The results of the study of photoluminescence properties of heterostructures with In(Ga)As/GaAs quantum dots after post-growth annealing in the temperature range 450°C-750°C are reported . The best stability of the photolumines-cent properties during annealing was observed in the quantum-dot heterostructures grown in a growth-interruption mode, with carbon tetrachloride processing and a combined high-temperature capping layer.
Keywords: quantum dots, photoluminescence, post-growth annealing.
