Книги по разным темам Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 5 Фотолюминесценция ( = 1.3 мкм) при комнатной температуре квантовых точек InGaAs на подложке Si (100) й Т.М. Бурбаев, И.П. Казаков, В.А. Курбатов, М.М. Рзаев, В.А. Цветков, В.И. Цехош Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, 119991 Москва, Россия (Получена 18 октября 2001 г. Принята к печати 30 октября 2001 г.) На кремниевой подложке с буферным слоем Si1-xGex выращены структуры GaAs / Inx Ga1-x As с квантовыми точками, обладaющие интенсивной фотолюминесценцией в области 1.3 мкм при комнатной температуре.

Процесс выращивания осуществлялся последовательно в двух установках молекулярно-лучевой эпитаксии с перегрузкой структуры через атмосферу. Приводятся результаты исследования процесса роста структуры методом дифракции быстрых электронов.

1. Введение В данной работе предложен новый подход: квантовые точки (КT) Inx Ga1-xAs формировались в матрице GaAs, Прогресс в области информационных технологий во эпитаксиально выращенной на подложке Si (001) с бумногом определяется развитием оптоэлектроники, где ферными слоями Si1-x Gex.

пропускная способность линий передачи информации возрастает на порядки за счет более высокой несущей частоты сигнала. В настоящее время широко приме- 2. Подготовка образцов няется оптическое волокно на основе SiO2, в котором при длине волны 1.3 мкм отсутствует дисперсия, а Выращивание структуры проводилось последовательпри 1.55 мкм потери минимальны. В настоящее время но на двух установках молекулярно-лучевой эпитакведется интенсивная разработка светоизлучающих при- сии (МЛЭ). На установке ДКатуньУ с электронноборов на эти длины волн.

учевыми испарителями выращивался буферный слой Интегрирование оптических устройств обработки инSi1-xGex, на установке ДЦНА-25У с тигельными молеформации в кремниевые интегральные схемы Ч наикулярными источниками Ч активная область структуболее естественный путь развития в данном направры GaAs / InxGa1-x As (KT). Структура выращивалась на лении, однако технологические трудности здесь весьма велики. Не удается создать светоизлучающие приборы на основе самого кремния из-за его ДнепрямозоннойУ природы. Попытки использования наноостровков SiЦGe, пористого кремния, легирования кремния редкоземельными элементами пока не привели к созданию приборов, так как оптические характеристики этих структур при комнатной температуре неудовлетворительны.

Возможное решение проблемы заключается в использовании прямозонных материалов AIIIBV в качестве светоизлучающих элементов, интегрированных на кремниевой подложке. Несмотря на очевидные успехи в технологии гибридных интегральных схем, где готовые приборы, например лазеры, ДприклеиваютсяУ на кремниевую подложку, структуры, получаемые в процессе эпитаксиального роста, более перспективны хотя бы потому, что они технологичны при групповых методах изготовления интегральных схем. Получение совершенных эпитаксиальных слоев GaAs на кремнии сталкивается с рядом проблем, таких как высокая плотность дислокаций и возникновение антифазных доменов. Вместе с тем наноостровковые структуры из прямозонного материала на кремниевой подложке практически не исследовались.

В работе [1] наноостровки InAs выращивались непосредственно на кремниевой подложке. Структуры обладали люминесценцией в области 1.55 мкм при комнатной Рис. 1. Схематический разрез структуры, содержащей квантотемпературе.

вые точки InGaAs, на подложке Si (001) с многослойным бу ферoм Si1-xGex. Указаны толщины слоев d и температуры Ts, E-mail: kazakov@sci.lebedev.ru Fax: (095)1357880 при которых слои выращивались.

566 Т.М. Бурбаев, И.П. Казаков, В.А. Курбатов, М.М. Рзаев, В.А. Цветков, В.И. Цехош Рис. 2. Картины дифракции быстрых электронов на отражение на различных стадиях выращивания гетероструктуры (энергия электронов 15 кэВ, азимут 110 ): a Ч поверхность подложки Si (001) с выращенными буферными слоями Si / SiGe / Ge / Si после перегрузки через атмосферу из установки ДКатуньУ в ростовую камеру ДЦНА-25У; b Ч та же поверхость после очистки в потоке Ga; c Ч поверхность буферного слоя GaAs (001) толщиной 2000 ; d Ч изменение картины дифракции после выращивания слоя квантовых точек InGaAs.

подложке кремния марки КЭФ-4.5 с ориентацией (001) необходимой для увеличения потока Ge, таким же обрадиаметром 76 мм. зом выращивался следующий слой и т. д. Как видно из Предэпитаксиальная подготовка подложки в установке приведенной схемы, многослойный буфер Si1-xGex соДКатуньУ заключалась в удалении окисного слоя в потостоял из трех слоев с содержанием Ge x = 0.3, 0.62, 1.0.

ке паров Si при температуре Ts = 1000C (здесь и далее Для защиты верхнего слоя чистого Ge на поверхность в качестве значения Ts приводятся показания термопары структуры был нанесен тонкий (d = 50 ) слой Si.

нагревателя подложки). Затем выращивался буферный Затем структура была перенесена через атмосферу в слой Si толщиной 1000 (Ts = 750C) и многослойный шлюзовую камеру установки МЛЭ ДЦНА-25У, в которой буфер Si1-xGex со ступенчатым увеличением содерв течение 1 ч был достигнут вакуум выше 10-6 Па.

жания Ge. Для достижения более полной релаксации Удаление окисного слоя SiO2 с поверхности структунапряжений несоответствия и снижения плотности дисры в установке ДЦНА-25У проводилось путем прогрева локаций в буферном слое со ступенчатым изменением при Ts = 800C в потоке Ga. Затем выращивалась состава использовался метод, предложенный авторами следующая структура: слой GaAs толщиной d = работ [2,3]. Схематический разрез структуры с указанипри Ts = 700C, слой КТ Inx Ga1-xAs (x = 0.5) при ем состава, толщины слоя и температуры Ts приведен на Ts = 650C, защитный слой GaAs толщиной d = рис. 1. Каждый слой с определенным содержанием Ge при Ts = 650C. Слой КТ выращивался в процессе включал подслой толщиной d = 500, выращенный при пониженной температуре, Ts = 250C. Затем тем- циклического осаждения пар слоев InAs / GaAs, продолпература поднималась до Ts = 500C и наращивалось жительность осаждения каждого слоя 2 с. Эффективная еще 1500 материала того же состава. После паузы, толщина слоя КТ составила 30.

Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. Фотолюминесценция ( = 1.3 мкм) при комнатной температуре квантовых точек InGaAs... плотность мощности излучения на образце составляла не более 4 Вт / см2. Излучение от образцов регистрировалось с помощью охлаждаемого жидким азотом германиевого p-i-n-фотодиода.

3. Результаты и обсуждение При азотной температуре в спектрах фотолюминесценции I(h) (рис. 3) наблюдаются линии как от квазидвумерного (2D) смачивающего слоя (при энергии h = 1235 мэВ), так и от трехмерных (3D) квантовых точек InGaAs (максимум линии при энергии h = 1045 мэВ). При повышении температуры до комРис. 3. Спектры фотолюминесценции гетероструктуры с натной интенсивность излучения КТ падает примерно квантовыми точками InGaAs, выращенной на подложке в 4 раза. Вследствие температурного изменения ширины Si (001) / Si0.7Ge0.3 / Si0.38Ge0.62 / Si0.1Ge0.9 / Ge / GaAs, при 77 (1) запрещенной зоны GaAs положение линии при этом и 300 K (2).

смещается в красную область спектра. Большую ширину линий излучения КТ ( 200 мэВ на полувысоте) в спектрах ФЛ можно объяснить неоднородностями Процессы очистки поверхности подложки и выраостровков InGaAs как по размеру, так и по составу.

щивания гетероструктуры контролировались методом Как показали исследования, проведенные на атомнодифракции быстрых электронов на отражение (ДБЭ) и силовом микроскопе, буферный слой Ge и защитный записывались на жесткий диск персонального компьюслой GaAs имеют рельефную поверхность. Это дает тера системой регистрации и обработки изображений основания предполагать, что выращивание КТ InGaAs ДБЭ. На рис. 2 приведены картины ДБЭ на различных проводилось так же на рельефной поверхности GaAs.

стадиях выращивания гетероструктуры. После перегрузВ работах [4,5] подобный спектр ФЛ наблюдался на ки кремниевой подложки с буферными слоями Si1-xGex образцах со смешанной (2DЦ3D)-структурой слоя InAs в ростовую камеру установки ДЦНА-25У поверхность в матрице GaAs. (2DЦ3D)-структура слоя InGaAs весьма была покрыта слоем естественного окисла (рис. 2, a).

вероятна и в наших образцах, учитывая неоднородность Очистка в слабом потоке Ga с одновременным нагретолщины слоя из-за различного наклона отдельных вом до Ts = 800C приводила к удалению окисного участков рельефной поверхности подложки к направлеслоя, что подтверждается возникновением реконструкнию падения молекулярных пучков. Известно также, что ции (2 1), характерной для чистой поверхности кремсегрегация в твердых растворах, и в частности InGaAs, ния (рис. 2, b). Практически сразу после начала роста на рельефной поверхности приводит к латеральной неодслоя GaAs на поверхности структуры установилась нородности по составу в результате различной скорости реконструкция (2 4). На рис. 2, c представлена картина поверхностной диффузии компонентов Ч адатомов к ДБЭ от поверхности буферного слоя GaAs (001) толступеням, концентрация которых больше на наклонных щиной 2000, выращенного при Ts = 700C. Наличие к сингулярным плоскостям участках поверхности [6].

вытянутых тяжей в азимуте 110 свидетельствует о Наличие подобной смешанной (2DЦ3D)-структуры слоя достаточно высоком качестве слоя GaAs. После выраInGaAs подтверждается также наблюдаемыми in situ щивания слоя квантовых точек In0.5Ga0.5As на картине картинами ДБЭ (рис. 2, d).

ДБЭ помимо тяжей присутствуют точечные рефлексы, характерные для кристаллических поверхностей с трехмерными островками (рис. 2, d). Анализ положения 4. Заключение максимумов интенсивности стержней и точек дает соотношение между постоянными решеток InGaAs и GaAs В настоящей работе предложен и реализован споaInGaAs/aGaAs = 1.034. Это позволяет оценить состав соб выращивания ансамбля квантовых точек InGaAs твердого раствора InxGa1-x As как x 0.5, без учета на кремниевой подложке путем создания переходнонапряжений, возникающих из-за несоответствия пара- го буферного слоя Si / Si1-xGex / Ge / GaAs. Получены метров решетки КТ и матрицы GaAs. структуры с интенсивной фотолюминесценцией при комнатной температуре в важной для практических примеСпектры фотолюминесценции (ФЛ) измерялись при температурах 77 и 300 K с использованием моно- нений области спектра 1.3 мкм.

хроматора МДР-2. Источником возбуждения служил Показана возможность использования в качестве подполупроводниковый лазер с длиной волны излуче- ложки для эпитаксии GaAs структуры Si / Si1-xGex, выния = 0.66 мкм (энергия кванта h = 1.87 эВ). ращенной в другой установке, после ее перегрузки через Максимальная мощность излучения была равна 70 мВт, атмосферу.

Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 568 Т.М. Бурбаев, И.П. Казаков, В.А. Курбатов, М.М. Рзаев, В.А. Цветков, В.И. Цехош В отличие от формирования КТ AIIIBV непосредствен- Room temperature photoluminescence но в кремниевой матрице предлагаемый способ обладает ( = 1.3 m) of InGaAs quantum dots следующими преимуществами.

on Si (001) substrate 1) Имеется возможность гибкого управления процесT.M. Burbaev, I.P. Kazakov, V.A. Kurbatov, M.M. Rzaev, сом формирования КТ путем изменения напряжения V.A. Tsvetkov, V.I. Tsekhosh несоответствия, зависящего от конструкции буферного слоя Si / Si1-xGex / Ge / GaAs.

P.N. Lebedev Physical Institute, 2) Подавляется неконтролируемое легирование КТ Russian Academy of Sciences, примесью Si из окружающей матрицы.

119991 Moscow, Russia 3) Изготовление структур осуществляется на обычных установках МЛЭ и не требует разработки специаль

Abstract

A heterostructure with GaAs / Inx Ga1-xAs quantum ных ростовых камер, имеющих молекулярные источники dots has exhibited intense photoluminescence in the range of как для выращивания слоев соединений AIIIBV, так и 1.3 mat roomtemperature. It was grown on Si (001) substrate слоев Si1-xGex.

with Si1-x Gex buffer layer. The growth process was performed Работа выполнена при частичной поддержке РФФИ consecutively in two molecular beam epitaxy systems with over (проекты № 01-02-17732, № 00-02-16470), Научно- loading through out the atmosphere. High energy electron технических программ ДФизика твердотельных нано- diffraction investigations are presented.

структурУ (проекты № 97-1050, № 2000-2Ф) и ДПерспективные технологии и устройства микро- и наноэлектроникиУ (проект № 1), а также Программы государственной поддержки ведущих научных школ РФ (грант № 00-15-96568).

Список литературы [1] G.E. Cirlin, V.N. Petrov, V.G. Dubrovsky, S.A. Masalov, A.O. Golubok, N.I. Komyak, N.N. Ledentsov, Zh.I. Alferov, D. Bimberg. Techn. Phys. Lett., 24, 10 (1998).

[2] H. Chen, L.W. Guo, Q. Cui, Q. Hu, Q. Huang, J.M. Zhou.

J. Appl. Phys., 79, 1167 (1996).

[3] C.S. Peng, Z.Y. Zhao, H. Chen, J.H. Li, Y.K. Li, L.W. Guo, D.Y. Dai, Q. Huang, J.M. Zhou, Y.H. Zhang, T.T. Sheng, C.H. Tung. Appl. Phys. Lett., 72, 3160 (1998).

[4] J.M. Gerard, J.B. Genin, J. Lefebre, J.M. Moison, N. Lebouchе, F. Barthe. J. Cryst. Growth, 150, 351 (1995).

[5] D.I. Lubyshev, P.P. Gonzalez-Borrero, E. Marega, jr., E. Petitprez, P. Basmaji. J. Vac. Sci. Technol. B, 14, 2212 (1996).

[6] K. Kamath, J. Phillips, J. Singh, P. Bhattacharya. J. Vac. Sci.

Technol. B, 14, 2312 (1996).

   Книги по разным темам