Книги по разным темам Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |   ...   | 9 |

это равновесный размер, который может быть достигнут Такой слой может рассматривться как квазижидкая в результате прерывания роста. фаза [11Ц14], поверхностная энергия которой может сильно отличаться от поверхностной энергии кристаллического InAs. Такое изменение поверхностной энергии 2.6.2. Влияние давления мышьяка на морфоменяет критическую толщину напряженного слоя, при логию гетерофазной системы. Для исследования которой происходит образование трехмерных островков.

устойчивости получающегося массива островков по отВ работе [68] было экспериментально установлено, что ношению к изменению условий роста была изучена завирост InAs на GaAs(001) в условиях избытка In происхосимость морфологии гетерофазной системы от давления дит псевдоморфно до толщины 7 монослоев.

мышьяка [6]. Осаждение 4 монослоев при температуре T = 480C и стандартном для молекулярно-пучковой 0 2.7. Массивы вертикально связанных эпитаксии давлении мышьяка (PAs 2 10-6 Тор) приквантовых точек водит к равновесным точкам с высокой концентрацией (51010 см-2). Параметры получаемого массива точек не Заращенные островки (квантовые точки) материала изменяются, когда давление мышьяка меняется на 50% в матрице материала 1 представляют собой когерентные вблизи этого значения. Увеличение давления As в 3 раза упругие включения, создающие дальнодействующие по(3 PAs) приводит к драматическим изменениям морфоля упругих напряжений во всей заращенной гетерофазлогии системы. Концентрация точек уменьшается, и поной системе. При повторном осаждении материала 2 на является высокая концентация больших ( 500-1000 ) заращенную гетероструктуру возникает принципиально кластеров InAs, содержащих дислокации.

новый режим роста: рост в поле упругих напряжений, соУменьшение давления мышьяка приводит к другому зданных заращенными точками первого слоя. Поскольку изменению морфологии гетерофазной системы. При дав полупроводниках AIIIBV при характерных температувлении мышьяка (1/6)PAs трехмерные островки полнорах для МПЭ коэффициенты объемной диффузии атомов стью исчезают, и в системе образуются плоские островки основных компонентов на несколько порядков меньше InAs с размерами ( 1000 ).

коэффициентов поверхностной диффузии, диффузией в Для исследования характера фазового перехода от объеме можно пренебречь. Поэтому распределение комтрехмерных островков к плоским островкам было осапонентов гетерофазной системы в объеме заращенной ждено 4 монослоя InAs, затем подача индия была прекрагетероструктуры ФзамороженоФ. Это распределение сощена. Методом in situ дифракции быстрых электронов здает статическое поле упругих напряжений, определяюисследовалась морфология поверхности. Было устанощее кинетику поверхностной миграции. Поверхностная влено, что данный фазовый переход при малых давлениях миграция состоит из диффузии и дрейфа в поле упругих мышьяка является обратимым, в то время как переход от напряжений.

когерентных трехмерных островков к крупным кластеПодобная кинетика роста в открытой системе исслерам, содержащим дислокации, при повышении давления довалась теоретически в работах [69,70] для эпитакмышьяка является необратимым.

сиального роста твердого раствора. Были установлены Все изменения морфологии гетерофазной системы в критерии усиления флуктуаций состава твердого расзависимости от давления мышьяка можно объяснить твора с толщиной эпитаксиальной пленки, что является на основе поверхностных энергий. Известно, что сте- начальной стадией процесса самоорганизации структур хиометрия (001) поверхностей полупроводников AIIIBV, с периодической модуляцией состава твердого раствора.

находящихся в равновесии с газовой фазой, зависит от Было показано, что усиление флуктуаций состава в давления паров элементов V группы в газовой фазе. процессе роста в открытой системе возникает в более Так, изменение давления As2 приводит к изменению широком интервале температур, чем спинодальный расповерхностной энергии GaAs(001) и даже к изменению пад в условиях равновесия в замкнутой системе.

поверхностной реконструкции [67]. Естественно ожи- Если в процессе осаждения материала 2 на структуру дать, что поверхностная энергия смачивающего слоя с заращенными точками ввести прерывание роста, то InAs / GaAs(001) также зависит от давления мышьяка. осажденный материал будет стремиться прийти к частичУменьшение поверхностной энергии смачивающего слоя ному равновесию, т. е. к равновесной поверхностной морприводит к увеличению параметра, управляющего фологии при ФзамороженномФ распределении материала зависимостью энергии гетерофазной системы от размера в объеме гетерофазной структуры.

островка, и может вызывать переход от режима, в кото- Ранее было известно [44], что в многослойной системе ром имеется оптимальный размер островка, к режиму, точек InAs в матрице GaAs точки располагаются коррев котором имеется тенденция к коалесценции. Экспе- лированно друг над другом. Однако в этих работах расФизика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Гетероструктуры с квантовыми точками: получение, свойства, лазеры. О б з о р сечение структуры показывает, что вертикально связан(a) ная квантовая точка состоит из трех областей InAs, [001] разделенных тонкими (3Ц4 монослоя) областями GaAs.

Размеры верхней части вертикально связанной точки больше, чем размеры нижней части и составляют 170.

InAs Изображение в плоскости поверхности показывает, что GaAs точки имеют квадратное основание, ориентированное по InAs направлениям [100] и [010]. Гистограмма направлений GaAs между данной точкой и ближайшей соседней точкой, InAs построенная в работе [73], демонстрирует преимущественную ориентацию пар ближайших соседей по осям [100] и [010].

(b) Аналогичные результаты при росте вертикально связанных точек методом газофазной эпитаксии из металлорганических соединений были получены в работе [75].

3. Электронная структура и оптические свойства 3.1. Общие сведения Если размер полупроводникового кристалла уменьшен до нескольких десятков или сотен межатомных расстояний в кристалле, то все основные характеристики материала кардинально изменяются вследствие эффектов размерного квантования [76]. Предельный случай размерного квантования реализуется в структурах с про[010] странственным ограничением носителей заряда во всех трех измерениях. Эти так называемые ФсверхатомыФ или Фквантовые точкиФ дают возможность наиболее карди[100] 20 nm нальной модификации электронного спектра по сравнению со случаем объемного полупроводника. Согласно теРис. 5. Электронно-микроскопические изображения верти- оретическим оценкам, приборы, такие как, например, дикально связанных квантовых точек InAs в матрице GaAs.

одные лазеры, использующие квантовые точки в качестве активной среды, должны обладать существенно лучшими свойствами по сравнению с широко использующимися в настоящее время лазерами на квантовых ямах [77], стояние между слоями точек заметно превышало размер как то: существенно большим коэффициентом усилесамих точек. В таком случае корреляция в расположении ния (material gain), уменьшенной пороговой плотностью точек не изменяет их электронной структуры.

тока, его полной невосприимчивостью к температуре Чтобы получить возможность управления и оптимирешетки, лучшими динамическими характеристиками и зации электронной структуры квантовых точек с целью большими возможностями для контроля за энергией их применения в оптоэлектронике, была разработана кванта излучательной рекомбинации (ФцветомФ). Экстехнология получения массивов электронно-связанных периментальное подтверждение указанных преимуществ квантовых точек [6,71Ц74]. С этой целью применялось стало возможным благодаря появлению квантовых топоочередное осаждение InAs и GaAs, причем количество чек, удовлетворяющих весьма жестким требованиям к их осаждаемого GaAs выбиралось таким образом, чтобы размеру, форме, однородности и плотности.

InAs-пирамида была заращена только частично. Тогда в следующем цикле осаждения точки InAs, вырастающие 3.2. Требования, предъявляемые к квантовым над точками первого слоя, должны быть электронно точкам связаны с точками первого слоя.

На рис. 5 приведены изображения вертикально связан- 3.2.1. Минимальный размер. Нижний предел для ных квантовых точек InAs в матрице GaAs [6]. Изобра- размера КТ определяется размером, при котором хотя бы жения получены методом просвечивающей электронной один электронный уровень существует в КТ. Этот критимикроскопии в плоскости поверхности и в поперечном ческий размер (Dmin) существенно зависит от величины сечении. Рост осуществлялся методом МПЭ при пооче- разрыва зоны проводимости (Ec) в соответствующем редном осаждении 5.5 InAs и 15 GaAs. Поперечное гетеропереходе, используемом для получения КТ. В Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 396 Н.Н. Леденцов, В.М. Устинов, В.А. Щукин, П.С. Копьев, Ж.И. Алферов, Д. Бимберг сферической квантовой точке хотя бы один электронный реализованы лишь в том случае, если КТ как можно уровень существует в том случае, если Ec превышает более однородны по форме и размеру. Упорядочение КТ величину [78,74] в плоскости подложки и возможность создания периодических решеток из КТ во всех трех измерениях также QW желательно в ряде случаев.

Ec = E1, (16) 2m Dmin e QW где m Ч эффективная масса электрона и E1 Чпер- 3.3. Формирование упорядоченных массивов e вый уровень в прямоугольной квантовой яме (КЯ) с бесквантовых точек и демонстрация конечными стенками и шириной Dmin. Предполагая велиэлектронного спектра КТ, подобного чину разрыва в зоне проводимости порядка 0.3 эВ, типичатомному ную для прямозонных КЯ в системе GaAsЦAl0.4Ga0.6As, Попытки изготовления КТ предпринимались посредполучаем, что диаметр КТ не должен быть меньше 40.

ством локального травления или перемешивания КЯ, Это, вообще говоря, абсолютный нижний предел для роста на профилированных подложках, конденсации в размера КТ, так как для КТ даже несколько большего стеклянных матрицах и др. Вместе с тем эти методы размера энергетическое расстояние между электронным не позволили одновременно удовлетворять требованиуровнем в КТ и электронным уровнем в материале маям пп. 3.2.1Ц3.2.3 и основным условиям современной трицы будет весьма мало, и при конечных температурах полупроводниковой технологии (планарная поверхность, тепловой выброс носителей из КТ может привести к возможность токовой инжекции и т. д.). Напротив, их опустошению. Для системы InAsЦAlGaAs величина использование эффекта перехода к трехмерному росту, разрыва зоны проводимости существенно больше, однако который традиционно рассматривался технологами как электронная масса меньше, и, таким образом, величины крайне нежелательный, привело к прорыву в области Ecm сопоставимы, и критические размеры КТ близки.

e прямого получения КТ. Возможность формирования трехмерных островков в широкозонной матрице была 3.2.2. Максимальный размер. Если расстояние продемонстрирована уже в 1985 г. [44], что не привлекло между энергетическими уровнями становится сопостак себе тогда большого внимания, так как перспектива повимым с тепловой (kT ) энергией, то возрастает заселенлучения однородных по размеру квантовых точек таким ность высоких уровней. Для квантовых точек условие, методом вызывала большие сомнения, а возникновение при котором заселением более высоко лежащих уровней макроскопических сильно дефектных кластеров считаможно пренебречь, записывается как [78,74] лось неизбежным [50].

QD QD Потребовались значительные экспериментальные и теkT E2 - E1, (17) оретические исследования, уже описанные во второй QD QD главе, прежде чем плотные массивы КТ, совершенных где E1, E2 Ч энергии первого и второго уровней в структурном отношении и однородных по размеру размерного квантования соответственно. Это означает, и форме, были реализованы практически [53]. На что в случае сферической (или кубической) КТ, преимурис. 6 представлен вид с поверхности структуры с InAs щества размерного квантования могут быть полностью квантовыми точками в матрице GaAs. В данной рареализованы если [74] боте было впервые продемонстрировано формирование QW kT E1. (18) плотных ( 1011 см-2) массивов КТ и исследовалось Это условие устанавливает верхний предел для размера КТ порядка 120 в системе GaAsЦAlGaAs и порядка 200 для системы InAsЦGaAs в связи с существенно меньшей эффективной массой электрона в последнем случае. Эффективное квантование дырки требует еще меньших размеров.

3.2.3. Структурное совершенство, плотность и однородность. Для применений в оптоэлектронных приборах КТ не должны содержать дислокаций и точечных дефектов, и все гетерограницы, формирующие КТ, должны обладать низкой скоростью поверхностной рекомбинации. Эти условия делают предпочтительными методы прямого получения КТ. Плотные массивы 50 nm КТ ( 1011 см-2) требуются для реализации высокого модального усиления (modal gain) в лазерах. Исклю- Рис. 6. Изображение КТ InAs в матрице GaAs, полученное чительные преимущества структур с КТ могут быть просвечивающей электронной микроскопией с поверхности.

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № [010] [100] Гетероструктуры с квантовыми точками: получение, свойства, лазеры. О б з о р A Вработе [53] были также впервые сопоставлены спек = 879.62 nm тры поглощения, фотолюминесценции (ФЛ) и возбуждения люминесценции (СВЛ) от образцов с массивами КТ (рис. 8). В данной работе были впервые определены уникальные особенности оптических свойств структур с КТ. Так, было впервые продемонстрировано, что пик поглощения основного состояния КТ совпадает с пиком люминесценции основного состояния КТ. При этом пик основного состояния отсутствует в спектрах возбуждения ФЛ (СВЛ) ансамблей КТ. Этот факт связан с тем, что спектр плотности состояний в КТ подобен атомному 10 m и с отсутствием транспорта между соседними КТ. Нами было отмечено, что резонансное возбуждение основного состояния КТ возможно только в том случае, если энергия фотона точно соответствует спектру поглощения КТ.

Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |   ...   | 9 |    Книги по разным темам