Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 9 | Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 4 УДК 621.315.592 Гетероструктуры с квантовыми точками: получение, свойства, лазеры Обз ор йН.Н. Леденцов, В.М. Устинов, В.А. Щукин, П.С. Копьев, Ж.И. Алферов, Д. Бимберг Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Institut fr Festkrperphysik, Technische Universitt Berlin, 10623 Berlin, Germany (Получена 5 ноября 1997 г. Принята к печати 13 ноября 1997 г.) Дан обзор оригинальных результатов, в которых: 1) экспериментально открыт новый класс спонтанно упорядоченных наноструктур Ч равновесные массивы трехмерных когерентно напряженных островков на поверхности кристаллов; 2) построена теория спонтанного формирования полупроводниковых наноструктур в гетероэпитаксиальных системах; 3) экспериментально доказано существование нового класса полупроводниковых гетероструктур Ч идеальных квантовых точек, обладающих -образным энергетическим спектром, подобным спектру одиночного атома; выполнено комплексное исследование оптических свойств квантовых точек; 4) реализованы инжекционные лазеры на квантовых точках, обладающие уникальными свойствами (высокая температурная стабильность, сверхвысокие значения усиления материала).

1. Введение сколах [3], или конденсации в стеклянных матрицах [4].

При этом приборно-ориентированные структуры так и Гетероструктуры [1] с пространственным ограничени- не были созданы, а принципиальная возможность реаем носителей заряда во всех трех измерениях (кван- лизации атомоподобного спектра плотности состояний товые точки) реализуют предельный случай размер- в макроскопической полупроводниковой структуре не ного квантования в полупроводниках, когда модифи- была продемонстрирована в явном виде.

кация электронных свойств материала наиболее выра- Качественный прорыв в данной области связан с исжена. Электронный спектр идеальной квантовой точки пользованием эффектов самоорганизации полупроводни(КТ) представляет собой набор дискретных уровней, ковых наноструктур в гетероэпитаксиальных полупроразделенных областями запрещенных состояний, и со- водниковых системах. Таким образом были реализованы ответствует электронному спектру одиночного атома, идеальные гетероструктуры с квантовыми точками с выхотя реальная КТ при этом может состоять из сотен соким кристаллическим совершенством, высоким квантовым выходом излучательной рекомбинации и высокой тысяч атомов. Таким образом, появляется уникальная возможность моделировать эксперименты атомов физи- однородностью по размерам ( 10%). В полученных структурах были впервые продемонстрированы уникальки на макроскопических объектах. С приборной точки ные физические свойства, ожидавшиеся для идеальных зрения, атомоподобный электронный спектр носителей квантовых точек в течение многих лет, исследованы в квантовых точках в случае, если расстояние между электронный спектр квантовых точек, эффекты, свяуровнями заметно больше тепловой энергии, дает воззанные с энергетической релаксацией и излучательной можность устранить основную проблему современной рекомбинацией неравновесных носителей, и т. д. и помикро- и оптоэлектроники Ч ФразмываниеФ носителей лучены первые оптоэлектронные приборы, такие как, заряда в энергетическом окне порядка kT, приводянапример, инжекционные гетеролазеры на квантовых щее к деградации свойств приборов при повышении точках.

рабочей температуры. Кроме того, все важнейшие для применений характеристики материала, например время излучательной рекомбинации, время энергетической ре2. Спонтанное упорядочение лаксации между электронными подуровнями, коэффициполупроводниковых наноструктур.

енты оже-рекомбинации и т. д., оказываются кардинально Формирование квантовых точек зависящими от геометрического размера и формы квантовой точки, что позволяет использовать одну и ту же 2.1. Общие сведения полупроводниковую систему для реализации приборов с существенно различающимися требованиями к активной Спонтанное возникновение периодически упорядоченсреде.

ных структур на поверхности и в эпитаксиальных пленВ течение долгого времени во всем мире предпринима- ках полупроводников охватывает широкий круг явлений лись попытки изготовления квантовых точек и приборов в физике твердого тела и в полупроводниковой технона их основе Фтрадиционными способамиФ, например логии. Спонтанное возникновение наноструктур принадпутем селективного травления структур с квантовыми лежит к более широкому классу фундаментальных явлеямами [2], роста на профилированных подложках, на ний самоорганизации в конденсированных средах. Взрыв 1 386 Н.Н. Леденцов, В.М. Устинов, В.А. Щукин, П.С. Копьев, Ж.И. Алферов, Д. Бимберг A1-xBxC D D интереса к данной области связан с необходимостью получения полупроводниковых наноструктур с характерными размерами 1Ц100 нм, а спонтанное упорядочение наноструктур позволяет получать включения узкозонных полупроводников в широкозонной матрице и тем самым создавать локализующий потенциал для носителей тоx1 xка. Периодические структуры таких включений могут (a) (c) L D образовывать сверхрешетки, состоящие из квантовых ям, D проволок, или точек. Явления спонтанного возникновения наноструктур создают основу для новой технологии получения упорядоченных массивов квантовых проволок и квантовых точек Ч базу для опто- и микроэлектроники нового поколения. [100] При рассмотрении физических механизмов спонтанного возникновения упорядоченных наноструктур принято различать две принципиальные возможности. Во(b) (d) первых, упорядоченные наноструктуры могут возникать Рис. 1. Различные классы спонтанно возникающих нанов замкнутых системах, например, при отжиге образцов структур. a Ч структуры с модуляцией состава твердого или при длительном прерывании роста. Такие структуры раствора; b Ч периодически фасетированные поверхности;

являются равновесными, и для их описания используетc Ч периодические структуры плоских упругих доменов;

ся термодинамический подход. Во-вторых, упорядоченd Ч упорядоченные массивы трехмерных когерентно напряные структуры могут возникать в открытых системах женных островков (2) на подложке (1).

в процессе роста кристалла. Эти структуры не являются равновесными, и для их описания применяется кинетическое рассмотрение. В настоящем цикле работ ФсамоорганизацияФ наноструктур понимается в широком упорядоченных наноструктур и рассматривать их как смысле, как самопроизвольное возникновение макроско- равновесные структуры упругих доменов, соответствупического порядка в первоначально однородной систе- ющие минимуму свободной энергии. До недавнего време [5]. Такое использование термина охватывает как мени доменные структуры, приведенные на рис. 1, aЦc, равновесные явления, так и неравновесные процессы, а традиционно рассматривались вне связи с полупроводтакже их комбинацию. Этот подход дает возможность никовыми наноструктурами. Единый подход, развитый в анализировать с единых позиций различные механизмы работах [6Ц9], позволяет проследить основные законоспонтанного возникновения наноструктур, при котором, мерности образования упорядоченных структур на более как правило, равновесие успевает установиться только простых примерах (рис. 1, aЦc) и затем, с одной стороны, частично (например, равновесие успевает установиться применить их к описанию массивов трехмерных когена поверхности и не успевает в объеме). рентно напряженных островков (рис. 1, d), и с другой В данной главе рассматриваются спонтанно упорядо- стороны, использовать при разработке новой технологии ченные наноструктуры, среди которых можно выделить получения полупроводниковых наноструктур.

четыре большие класса, приведенные на рис. 1. Это: Применимость термодинамического подхода к проЧ структуры с периодической модуляцией состава в цессам, происходящим при молекулярно-пучковой эпиэпитаксиальных пленках твердых растворов полупровод- таксии (МПЭ) полупроводников AIIIBV была обосноваников; на ранее в ряде работ (см., например, [10Ц14]). На Ч периодически фасетированные поверхности; этой основе в настоящем цикле работ обосновывается Ч периодические структуры плоских доменов (напри- применимость термодинамического подхода к описанию мер, островков монослойной высоты); процессов спонтанного образования наноструктур при МПЭ полупроводников AIIIBV.

Ч упорядоченные массивы трехмерных когерентно напряженных островков в гетероэпитаксиальных рассогласованных системах.

2.2. Концентрационные упругие домены Хотя причина неустойчивости однородного состояния в твердых растворах полупроводников различна для каждого класса наноструктур, причина упорядочения в неоднородном состоянии общая для всех Возможность спонтанного возникновения структур с классов наноструктур. Во всех этих системах соседние модулированным составом в твердых растворах связана домены различаются постоянной кристаллической ре- с неустойчивостью однородного твердого раствора отношетки и (или) структурой поверхности, и, следователь- сительно спинодального распада [15,16]. Эта неустойно, доменные границы являются источниками дально- чивость для твердого раствора A1-cBcC означает, что действующих полей упругих напряжений. Это позволяет твердый раствор с некоторым неоднородным профилем использовать единый подход ко всем четырем классам состава c(r) = c + c(r) имеет меньшую свободную Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № [010] Гетероструктуры с квантовыми точками: получение, свойства, лазеры. О б з о р энергию, чем однородный твердый раствор с составом твора. Для твердого раствора в эпитаксиальной пленc(r) = c. Изменение свободной энергии системы, ке на (001)-подложке кубического кристалла, согласо обусловленное флуктуацией состава c(r), равно ванного по постоянной решетки с однородным твердым раствором с составом c, была найдена Фмяг кая модаФ флуктуаций состава. Показано, что ФмягF = H c +c(r) - TSmix c + c(r) кая модаФ локализована вблизи свободной поверхности z = 0 и затухает экспоненциально в глубину пленки - H(c) - TSmix(c) dV + Eelastic, (1) c(r) exp(-|kz|) exp(ik r ), а волновой вектор в плоскости поверхности k =(kx, ky) направлен вдоль оси наигде H Ч энтальпия, Smix Ч энтропия смешивалегчайшего сжатия [100] (или [010]). Благодаря релаксания, T Ч температура, Eelastic Ч упругая энерции упругих напряжений вблизи свободной поверхности гия. Неустойчивость однородного твердого раствоупругая энергия, связанная с Фмягкой модойФ, уменьшена ра относительно флуктуаций состава возникает, кона множитель 1/3 по сравнению с упругой энергией гда энтальпия образования твердого раствора A1-cBcC в объемном образце, и многие твердые растворы окаиз бинарных компонентов AC и BC положительна, зываются неустойчивыми относительно спинодального Hformation = H(A1-cBcC)- (1- c)H(AC)- cH(BC) > 0, распада уже при 450-500C. Была найдена равновесная что справедливо для всех тройных твердых растворов структура с модуляцией состава, для которой состав полупроводников AIIIBV. Тогда при T = 0 двухфазная модулирован в плоскости вдоль направления [100] или смесь чистых материалов AC и BC имеет меньшую [010], а амплитуда модуляции максимальна на свободной свободную энергию, чем однородный твердый раствор поверхности и затухает вглубь пленки. Данные исслеA1-cBcC, и последний оказывается неустойчивым. При дования показали, что релаксация упругих напряжений конечных T вклад Smix в свободную энергию способ- вблизи свободной поверхности способствует спонтанноствует перемешиванию компонентов и стабилизирует му образованию наноструктур, а упругая анизотропия однородный твердый раствор.

материала определяет ориентацию наноструктур.

Упругая энергия обусловлена зависимостью равновесного параметра решетки твердого раствора a от состава c 2.3. Периодически фасетированные в соответствии с правилом Вегарда. Области твердоповерхности го раствора с различным составом имеют различные Причиной спонтанного фасетирования плоской позначения равновесной постоянной решетки. Сопряжение верхности кристалла является ориентационная зависидвух областей происходит путем упругой деформации, с мость поверхностной свободной энергии. Если плоская которой связана упругая энергия. Именно упругая энерповерхность имеет большую удельную поверхностную гия, зависящая от пространственного профиля состава, энергию, то она спонтанно трансформируется в струкопределяет Фмягкую модуФ, соответствующую наиболее туру Фхолмов и канавокФ [20]. Это уменьшает полную неустойчивым флуктуациям состава. В объемном образсвободную энергию поверхности, несмотря на увеличеце Фмягкая модаФ обусловлена только упругой анизотроние ее площади.

пией кристалла и может быть представлена как волна соОбъяснение возникновения периодически фасетиростава с волновым вектором, параллельным направлению ванной структуры связано с концепцией капиллярных наилегчайшего сжатия кристалла [15]. Для большинства явлений на поверхности твердых тел [21,22]. Поскольку кубических материалов Ч это направления [100], [010] атомы на поверхности твердого тела находятся в другом и [001]. Конечное состояние распадающегося твердого окружении, чем атомы в объеме, равновесное расстояние раствора Ч это 1D слоистая структура концентрационмежду поверхностными атомами отличается от равноных упругих доменов, чередующихся вдоль одного из весного расстояния между атомами в объеме. Поэтому направлений наилегчайшего сжатия [16].

микроскопически поверхность кристалла можно рассмаПоскольку Eelastic = 0 в однородном твердом растривать как упругонапряженный слой. В феноменологитворе и Eelastic > 0 в неоднородном твердом раствоческом описании поверхность обладает поверхностным ре, упругая энергия стабилизирует однородный твердый натяжением, и зависимость поверхностной энергии раствор. Расчет критических температур неустойчивости от тензора деформации содержит неисчезающее твердого раствора относительно спинодального распада, линейное слагаемое в разложении проведенный Стрингфелло [17], показал, что объемные кристаллы тройных твердых растворов полупроводников (m; ) =0(m) +(m) AIIIBV устойчивы относительно спинодального распада при всех температурах.

+ S(m) +... (2) Для исследования возможности спонтанного образования наноструктур в работах [18,19] была постро- Здесь m Ч нормаль к поверхности, (m) Чтензор ена теория спинодального распада в эпитаксиальных поверхностных натяжений. Квадратичные коэффициенты пленках твердых растворов, где релаксация напряжений разложения S(m) имеют смысл избыточных повблизи свободной поверхности должна уменьшать эф- верхностных упругих модулей, которые могут быть как фект упругой стабилизации однородного твердого рас- положительными, так и отрицательными.

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