Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 3 Зависимость структурных и оптических свойств ансамблей квантовых точек в системе InAs / GaAs от температуры поверхности и скорости роста й В.Г. Дубровский, Ю.Г. Мусихин, Г.Э. Цырлин, В.А. Егоров, Н.К. Поляков, Ю.Б. Самсоненко, А.А. Тонких, Н.В. Крыжановская, Н.А. Берт, В.М. Устинов Институт аналитического приборостроения Российской академии наук, 190083 Санкт-Петербург, Россия Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 7 июля 2003 г. Принята к печати 9 июля 2003 г.) Проведены теоретические и экспериментальные исследования зависимости свойств ансамблей квантовых точек InAs на поверхности GaAs(100) от температуры поверхности и скорости роста InAs. Развита кинетическая теория формирования квантовых точек в процессе гетероэпитаксиального роста, позволяющая рассчитать зависимости среднего размера и поверхностной плотности островков от времени и условий роста. Экспериментально исследованы структурные и оптические свойства квантовых точек с эффективной толщиной 2 монослоя, выращенных при различных температурах поверхности и скоростях роста. Проведено сравнение предсказаний теоретической модели с экспериментальными результатами и показано их хорошее соответствие. Полученные результаты показывают значительное увеличение латерального размера и уменьшение поверхностной плотности квантовых точек при повышении температуры и понижении скорости роста соответственно.

1. Введение В настоящей работе для теоретического исследования зависимости структурных свойств ансамблей КТ от температуры и скорости роста используется кинетическая Формирование ансамблей когерентных наноразмермодель формирования когерентных островков при МПЭ, ных островков непосредственно в процессе гетероэпипредложенная в [7,8]. Проведены ростовые экспериментаксиального роста является основным технологическим ты в системе InAs / GaAs при различных скоростях роста методом получения ансамблей квантовых точек (КТ) [1].

InAs и температурах поверхности с нулевой экспозицией Уникальные оптические и электрофизические свойства и фиксированным значением H0 = 2 монослоя (МС).

полупроводниковых гетероструктур с КТ, связанные Продолжены исследования спектров фотолюминесценс атомоподобным спектром энергетических состояний ции (ФЛ) КТ, начатые в [7]. Проведены исследования в КТ, делают их весьма перспективными для применения структурных свойств ансамблей КТ методом просвечив современной опто- и микроэлектронике [2]. Одна из вающей электронной микроскопии (ПЭМ). Представлеосновных задач технологии выращивания КТ состоит в ны результаты сравнения предсказаний теоретической получении ансамблей КТ с наперед заданными оптичемодели с полученными экспериментальными данными.

скими и структурными свойствами [1]. Решение данной Полученные результаты находятся в хорошем соответзадачи требует проведения теоретических и эксперименствии друг с другом и позволяют получить зависимости тальных исследований зависимости свойств КТ от техсреднего размера островков, поверхностной плотности и нологически контролируемых параметров их выращиваположения пика ФЛ 2 МС ансамблей КТ InAs на поверхния. В случае молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) ности GaAS(100) от скорости роста InAs и температуры InAs на сингулярных подложках GaAs (100) основными поверхности. Результаты исследования указывают на контрольными параметрами процесса роста являются кинетический характер процесса формирования КТ на температура поверхности T, количество осажденного рассматриваемом этапе роста.

InAs H0 (эффективная толщина после завершения роста островкового слоя), соотношение потоков элементов III и V групп, скорость роста InAs V и время экспозиции 2. Теория в потоке мышьяка после прерывания роста до заращиКак показано в [7], процесс формирования КТ по вания образца tex p. Очевидно, что экспериментально механизму СтранскогоЦКрастанова на кинетическом этанаблюдаемая зависимость структурных свойств ансампе может быть исследован в рамках классической теоблей КТ от последних двух параметров [3] в принципе рии нуклеации в материально открытой системе [9].

не поддается описанию в рамках равновесных теоретиВ случае, когда основным механизмом роста островческих моделей [4,5] и требует развития кинетического ков является потребление материала из смачивающего подхода [6Ц8].

слоя (СС), обусловленное разностью упругих энергий E-mail: v_dubr@mail.ru в островке и в СС, роль метастабильной конденсируюЗависимость структурных и оптических свойств ансамблей квантовых точек в системе InAs / GaAs... щейся фазы играет СС со средней толщиной h > heq, скорости роста дается выражением роль зародышей новой фазы Ч когерентные островки, V0T0 TD TD параметром метастабильности системы является велиQ = Q0 exp -, (3) VT T0 T чина = h/heq - 1 [7]. Равновесная толщина СС heq определяется балансом упругих и смачивающих сил в где TD Ч диффузионная температура, определяющая соответствии с критерием МюллераЦКерна [10]. Островтемпературную зависимость коэффициента диффузии ки образуются за счет флуктуационного преодоления атомов из СС в островки, вызванной упругими назародышами новой фазы активационного барьера нупряжениями; Q0 = Q(V0, T0) Ч значение Q при скороклеации. Интенсивность нуклеации островков I чрезвысти роста V0 и температуре T0. Сильное неравенство чайно резко зависит от параметра метастабильности и Fc =(5/2) ln Q 1, где Fc есть величина активационнотемпературы: I exp[-F(T, )]. Активационный барьер го барьера нуклеации при максимальной толщине СС, нуклеации F в единицах kBT (kB Ч постоянная Больцобеспечивает применимость классической теории нуклемана) [7] может быть представлен в виде ации для описания процесса формирования КТ [6,7,9].

Максимальная толщина СС hc, при которой нуклеация Te островков происходит с максимальной интенсивностью, F(T, ) =. (1) T достигается в результате баланса между поступлением атомов в СС из молекулярного пучка и потреблением атомов из СС растущими островками. Достижение макРавновесная температура Te определяет интенсивность симума метастабильности системы в некоторой точке нуклеации островков при данной температуре поверхноявляется характерной особенностью процесса нуклеации сти T и толщине смачивающего слоя h. При малых изв материально открытых системах [9] (роль внешнего менениях температуры поверхности величину Te можно источника в случае МПЭ выполняет поток атомов на считать не зависящей от T. Выражение для Te в случае поверхность подложки). Как показано в [7,8], вследствие пирамидальных островков с квадратным основанием чрезвычайно резкой зависимости интенсивности нуклеимеет вид [8] ации от толщины СС процесс зарождения островков происходит при практически постоянной эффективной 4 [ ()/ cos - (0)]3(6ctg)толщине H hc. Таким образом, максимальная толщина Te =, 2 kB 1 - z () 0 ln2 /h0 1 - z () 0 СС примерно равна критической эффективной толщине (2) осаждения, соответствующей появлению трехмерного где (0) и () Ч удельные поверхностные энергии рефлекса в картине дифракции быстрых электронов на в плоскости поверхности подложки и боковых гра- отражение (ДБЭО) [1]. Полученное в [7] выражение для критической толщины можно представить в виде ней пирамиды с учетом перенормировки, вызванной рассогласованием решеток [1], Ч контактный угол 2 Te 1/пирамиды, z () Ч зависящий от угла коэффициент hc = heq 1 +. (4) 5 T ln Q релаксации упругой энергии в островке [11], Чмодуль упругости депозита, 0 Ч рассогласование решеток, Выражение (4) показывает, что, несмотря на кинетиче Ч плотность смачивающей энергии на поверхности скую природу критической толщины, значение hc очень подложки [10] и h0 Ч высота монослоя (МС). Выражеслабо зависит от скорости роста и в основном опрение (2) показывает, что величина Te резко уменьшается деляется энергетикой гетероэпитаксиальной системы.

с увеличением рассогласования решеток: Te 1/0, т. е.

Данный вывод согласуется с результатами равновесных в системах с большим рассогласованием при прочих моделей формирования КТ [5]. Как функция времени, в равных условиях активационный барьер нуклеации поотсутствие десорбции на интересующих нас масштабах нижается. Равновесная температура повышается при времен, эффективная толщина H = Vt при t < t0 и увеличении контактного угла, поскольку релаксация H = H0 = Vt0 при t > t0, где момент времени t = упругих напряжений в высоких островках больше, чем в соответствует началу ростового процесса и t = t0 Ч пологих.

моменту окончания роста островкового слоя (в системе Характеристики процесса формирования островков InAs / GaAs Ч время выключения потока In). Время при закритической эффективной толщине осаждения выращивания СС равновесной величины teq = heq/V, а на кинетической стадии определяются введенным в [7] время выращивания СС критической толщины tc = hc/V.

кинетическим параметром Q, который по порядку веВремя роста СС от равновесной до критической толщиличины равен отношению времени выращивания равны равно tc - teq.

новесного СС и характерного времени поступления Иерархия времен различных стадий процесса форатомов из СС в растущие островки. Очевидно, значение мирования островков в нашей модели имеет вид:

параметра Q очень велико, для типичных условий МПЭ t tR tc - teq, где t Ч продолжительность стадии Q > 103. Зависимость Q от температуры поверхности и нуклеации островков и tR Ч характерное время их Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 344 В.Г. Дубровский, Ю.Г. Мусихин, Г.Э. Цырлин, В.А. Егоров, Н.К. Поляков, Ю.Б. Самсоненко...

релаксации по размерам. Таким образом, время зарождения островков много меньше времени их релаксации по размерам, которое в свою очередь много меньше времени формирования СС критической толщины. Стадия освальдовского созревания является более поздней стадией процесса и не может проявляться на кинетическом этапе, соответствующем временам 0 < t < tc + 3tR [12].

На столь малых временах еще не сказывается десорбция атомов с поверхности. Другие эффекты, которые могут привести к смене механизма роста островков, например уменьшение скорости роста островков за счет дополнительного потенциального барьера для поступления атомов из СС в островки, вызванного упругими напряжениями [13], или диполь-дипольное упругое взаимодействие островков [1], также несущественны на Рис. 1. Универсальная зависимость приведенного среднего кинетическом этапе. Полученные в [7] выражения для размера островков L/LR от безразмерного времени (t - tc)/tR продолжительности стадии нуклеации и характерного на стадии релаксации островков по размерам, полученная в результате обращения выражения (8).

времени релаксации островков по размерам 0. t = (tc - teq), (5) ln Q островков по окончании стадии релаксации по размерам LR определяется выражением 0.tR = (tc - teq)(6) ln1/3 Q hc - heq 1/LR = l0 2, (9) демонстрируют наличие указанной временной иерархии l0N при достаточно больших Q.

В случае H0 > hc + H/2, где H = V t есть ингде =(6h0 ctg /l0)1/3 Ч геометрический фактор. Вытервал эффективных толщин, соответствующий стадии ражение (9) показывает, что увеличение поверхностной нуклеации, прерывание роста происходит после оконплотности всегда приводит к уменьшению латеральчания зарождения островков. Поверхностная плотность ного размера и наоборот, поскольку в конце стадии островков выходит на постоянное значение, определяерелаксации по размерам толщина СС равна своему мое выражением [7] равновесному значению heq, а все дополнительное коли чество нанесенного материала распределено в остров3/4 T ln Q ках. Функция U(l) в правой части (8) не содержит N = heq, (7) l0 Te Q никаких параметров модели, поэтому зависимость l от (t - tc)/tR имеет универсальный вид, изображенный на где l0 Ч среднее расстояние между атомами на порис. 1. Данная зависимость позволяет при известной верхности. Это значение остается практически неизэффективной толщине H0 найти эволюцию среднего менным на стадии релаксации островков по размеразмера в зависимости от времени t или времени экспорам. Функция распределения островков по размерам зиции в потоке As, используя очевидное соотношение при H0 > hc + H имеет вид, близкий к гауссовоt - tc = t0 - tc + tex p. Нулевая экспозиция, соответствуму [8]. Зависимость латерального размера островков L, ющая заращиванию структур сразу после выключения отвечающего максимуму распределения по размерам потока In, соответствует моменту времени t = t0 и (Дсредний размерУ), от времени на стадии релаксации значению размера L(t0).

(tc < t < 3tR) находится в виде обратной зависимоПредставленные аналитические выражения решают сти t(L) [7] задачу количественного описания процесса фомирования островков на кинетическом этапе. Уравнение (2) t - tc (1 + l + l2)1/= ln позволяет рассчитать равновесную температуру Te при tR 1 - l известной энергетике гетероэпитаксиальной системы и геометрической форме островков. Выражение (4) при 2l + - 3arctg + U(l), (8) известных значениях heq и hc для скорости роста V3 2 и температуры T0 дает возможность определить неизгде l = L/LR. При этом, как обычно, считается, что вестную константу Q0 в (3). Задавая значение TD, с островки зарождаются с нулевым размером, поскольку помощью (4) можно вычислить критическую толщину критический размер классической теории нуклеации при различных температурах и скоростях роста. По много меньше LR [6Ц9]. Средний латеральный размер уравнениям (5) и (6) рассчитываются характерные вреФизика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Зависимость структурных и оптических свойств ансамблей квантовых точек в системе InAs / GaAs... Характеристики процесса формирования ансамблей островков и их структурных свойств при различных температурах поверхности и скоростях роста V, МС/ с T, C heq, МС Te, K hc, МС Q Fc H, МС t, с tR, с tc - teq, с N, 1010 см-2 L(t0), нм LR, нм 0.01 440 1.12 4630 1.70 6000 21.7 0.039 3.9 13.2 58 2.8 16.3 18.0.03 440 1.0 7630 1.75 2000 19.0 0.056 1.9 6.0 25 4.8 12.7 15.0.05 440 0.94 9900 1.77 1200 17.7 0.066 1.3 4.1 16.6 6.7 11.0 14.0.1 440 0.9 11400 1.80 600 16.0 0.080 0.8 2.3 9 13 8.8 12.0.01 485 1.12 4590 1.68 16200 24.2 0.033 3.3 12.3 56 0.62 23.1 27.0.03 485 1.02 8110 1.74 5400 21.5 0.048 1.6 5.5 24 1.3 18.9 23.0.05 485 0.95 11300 1.77 3240 20.2 0.058 1.2 3.8 16.4 1.7 17.1 20.0.1 485 0.9 13700 1.79 1620 18.5 0.069 0.7 2.2 8.9 3.3 12.7 17.мена стадий нуклеации и релаксации по размерам. Вы- 3. Эксперимент ражения (7)-(9) и универсальная зависимость, изображенная на рис. 1, позволяют определить средний размер Ростовые эксперименты проводились на установке и поверхностную плотность островков в зависимости молекулярно-пучковой эпитаксии ЭП1203 на полуиот 4 контрольных параметров процесса роста: T, V, золирующих сингулярных подложках GaAs(100). ПоH0 и tex p. Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам