ВЕСТНИК ЮЖНОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА РАН Том 6, № 4, 2010, стр. 46-49
ХИМИЯ И НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
УДК 621.383.46
ФОРМИРОВАНИЕ КВАНТОВЫХ ТОЧЕК InAs НА ПОДЛОЖКАХ GaAs МЕТОДОМ ИОННО-ЛУЧЕВОГО ОСАЖДЕНИЯ
© 2010 г. Л.С. Лунин1, И.А. Сысоев1, С.Н. Чеботарев1, А.С. Пащенко1
Экспериментально показана возможность формирования методом ионно-лучевого осаждения квантовых точек ¡пАб на поверхности ваЛБ. Методами АСМ- и СЭМ-микроскопии исследована морфология квантовых точек ¡паб. Определен элементный состав и получены спектры фотолюминесценции выращенных наноструктур ¡пАв/ваЛв.
Ключевые слова: квантовые точки ТпЛв/ваЛв, ионно-лучевое осаждение, фотолюминесценция.
Оптимальным полупроводниковым материалом для изготовления фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) является арсенид галлия (ваЛв). Эффективность ФЭП на основе ваЛБ может достигать 33%, что на 6% выше максимальной эффективности кремниевых ФЭП [1, 2]. Дальнейшее повышение эффективности ФЭП достигается введением квантовых точек (КТ) из узкозонного полупроводникового материала (например, ¡пАб) в полупроводниковую структуру из широкозонного материала (например, ваЛв) [3]. Теоретически показано, что эффективность ФЭП с КТ может превышать 70%, что обусловлено суммированием энергии двух длинноволновых квантов света, проходящих через широкозонный полупроводник и поглощаемых материалом КТ [4]. ^ВН
Дополнительный интерес к исследованиям гете-роструктур с самоорганизующимися КТ в системе ¡пАв/ваЛв обусловлен возможностью расширения диапазона излучения структур на ваЛБ до длин волн 1,3-1,5 мкм, что открывает возможность создания лазеров длинноволнового излучения [5, 6].
Основными методами получения наногетеро-структур с КТ являются молекулярно-пучковая эпитаксия и газофазная эпитаксия из металлоорга-нических соединений. При всех несомненных достоинствах этих методов выращивания они обладают рядом недостатков. Сложное технологическое оборудование и низкая производительность тормозят применение метода молекулярно-пучковой эпи-таксии при массовом производстве ФЭП. В методе газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений отсутствует возможность непосредст-
Подложка в графитовой v кассете
Подложкодержатель
Осаждение
Перенос материала
„ /
Пучок ионов
Диафрагма
Источник ионов
1 Южный научный центр Российской академии наук, 344006, Ростов-на-Дону, пр. Чехова, 41; e-mail: Lunin_LS@ mail.ru; eianpisia@yandex.ru; sergey_cheff@mail.ru; paschenko. novoch@bk.ru.
Мишень
' Распыление материала мишени
б
Рис. 1. Установка ионно-лучевого осаждения: а) общий вид экспериментальной установки; б) схема процесса ионно-лучевого осаждения
а
ФОРМИРОВАНИЕ КВАНТОВЫХ ТОЧЕК
47
венного контроля процесса осаждения наносло-ев и формирования КТ, кроме того, в этом методе используется химически активная атмосфера, что создает определенные проблемы экологического характера.
В данной работе предпринята попытка реализовать альтернативный ионно-лучевой метод формирования наногетероструктур с КТ. Метод ионно-лу-чевого осаждения характеризуется использованием низкого вакуума, высокой производительностью, возможностью осуществления процессов ионной очистки подложки и осаждения в едином технологическом цикле, что в целом позволяет существенно снизить стоимость получаемых структур. Объектом исследования была система InAs/GaAs. Основные задачи - определение условий формирования КТ ар-сенида индия на подложках GaAs при ионно-луче-вом осаждении и изучение полученных наноструктур методами рентгеновского энергодисперсионного микроанализа, сканирующей электронной и атом-но-силовой микроскопии, фотолюминесценции.
Выращивание наноструктур InAs/GaAs с КТ проводилось на специально сконструированной экспериментальной установке ионно-лучевого осаждения (см. рис. 1а). Установка выполнена на базе стандартной ростовой камеры с двухуровневой вакуумной системой, блока электропитания СЕФ-53М, источника ионов КЛАН-53М и системы газоподачи. В методе ионно-лучевого осаждения формирование слоев или наноструктур на подложках осуществляется распылением материала твердотельной мишени пучком химически инертных ионов (см. рис. 16).
Для экспериментов использовали подложки арсе-нида галлия (100) я-типа, предварительно обрабатываемые по стандартной методике. Подложки GaAs, закрепленные в специальной кассете, помещали в ростовую камеру, находящуюся при давлении 10-2 Па, нагревали до рабочей температуры 500550 °С и подвергали предварительной очистке ионным пучком аргона в течение 10-30 мин. Затем проводили процесс ионно-лучевого осаждения ар-сенида индия путем распыления материала подложки InAs (100). После его завершения экспериментальные образцы охлаждали до температуры 50 °С в первоначальных вакуумных условиях.
Исследование топографии поверхности образцов после осаждения арсенида индия проводили на атомно-силовом микроскопе Solver HV и сканирующем электронном микроскопе Quanta 200. В качестве примера на рисунке 2 приведены СЭМ- и АСМ-изображения поверхности наноструктур InAs, сформированных на предварительно очищенной ионами аргона подложке GaAs (температура под-
Рис. 2. КТ InAs на подложке GaAs, полученные ионно-луче-вым осаждением: а) 3D АСМ-изображение КТ InAs/GaAs, б) СЭМ-изображение топографии КТ InAs/GaAs
ложки Т = 500 °С, время осаждения ?осажд = 15 мин, давление остаточных газов P = 1,5 • 10-2 Па).
Из анализа АСМ- и СЭМ-изображений видно, что в этих технологических условиях методом ионно-лучевого осаждения можно сформировать массивы КТ InAs на подложках GaAs. Характерные размеры полученных наноструктур InAs составляют ~35 нм, что соответствует размеру КТ InAs.
Элементный химический состав КТ определяли на рентгеновском энергодисперсионном микроанализаторе EDAX Genesis. Количественные РМА-данные (см. рис. 3 а) о содержании In в полученной наноструктуре (4% At) являются сильно заниженными из-за того, что область генерации рентгеновского излучения (~1 мкм3) значительно превышает объем КТ (~10-5 мкм3). Проведенный расчет содержания индия в КТ путем сопоставления объемов области генерации в подложке и КТ показал, что наблюдаемые пирамидальные структуры содержат 50% In и 50% As.
Исследования фотолюминесценции проводили на установке измерения фотолюминесценции микро- и наноструктур на основе соединений AIIIBV (разработана Институтом электроники НАН Беларуси, г. Минск). Спектры фотолюминесценции
48
Л.С. ЛУНИН и др.
УФЛ
§
е
о
9
1,00 2,00
9,00 10,0 Энергия, кэВ
Рис. 3. Результаты РМА- и ФЛ-исследований выращенных наноструктур ТпАБ/ОаАБ: а) данные энергодисперсионного рентгеновского микроанализа; б) спектры фотолюминесценции (77 К). Мощность возбуждающего излучения: 1 - 2 Вт, 2 - 20 Вт, 3 - 5 мВт
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
Энергия, эВ
(ФЛ) выращенных наноструктур 1пАз/ОаАз имеют максимум, положение которого изменяется в интервале 1,24 < И < 1,26 эВ (см. рис. 3б), что указывает на наличие в выращенных наноструктурах КТ 1пАз. Интенсивность ФЛ возрастала в 7 раз при увеличении мощности возбуждающего излу-
чения с 5 до 20 мВт. При дальнейшем увеличении мощности до 2 Вт изменения в положении и интенсивности ФЛ этого максимума были незначительными.
Полученные экспериментальные результаты указывают на возможность получения массивов КТ
ФОРМИРОВАНИЕ КВАНТОВЫХ ТОЧЕК
49
1пАб на поверхности ваЛБ методом ионно-лучево-го осаждения и открывают перспективы выращивания этим методом наногетероструктур ¡пАв/ваЛв с КТ для фотоэлектрических преобразователей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Андреев В.М. Гетероструктурные солнечные элементы // Физика и техника полупроводников. 1999. Т. 33. Вып. 9. С. 1035-1038.
2. Алферов Ж.И., Андреев В.М., Румянцев В.Д. Тенденции и перспективы развития солнечной фотоэнергетики // Физика и техника полупроводников. 2004. Т. 38. Вып. 8. С. 937-948.
3. Лунин Л.С., Марончук И.Е., Сысоев И.А. Фотоэлектрическое преобразование солнечной энер-
гии // Химия твердого тела: монокристаллы, нано-материалы, нанотехнологии: Сб. тр. IX междунар. науч. конф., г. Кисловодск, 11-16 октября 2009 г. С. 14-31.
4. Cuadra L., Marti A., Lopez N. 3rd World Conf. on Photovoltaic Energy Conversion. Osaka, Japan, 2003. PCD IPL-B2-01.
5. Малышев В.А., Михайлов Н.А. Учет особенностей ре-комбинационных процессов в анализе устойчивости стационарной генерации полупроводниковых инжек-ционных лазеров // Вестник Южного научного центра. 2005. Т. 1. № 2. С. 17-19.
6. Жуков А.Е., Ковш А.Р., Никитина Е.В., Устинов В.М., Алферов Ж.И. Инжекционные лазеры с широким спектром генерации на основе самоорганизующихся квантовых точек // Физика и техника полупроводников. 2007. Т. 41. Вып. 5. С. 625-630.
FORMATION OF QUANTUM DOTS INAS ON SUBSTRATES GAAS BY ION-BEAM DEPOSITION METHOD
L.S. Lunin, I.A. Sysoev, S.N. Chebotarev, A.S. Paschenko
Possibility of formation of quantum dots InAs on surface GaAs by ion-beam deposition method has been experimentally demonstrated. Morphology of QD InAs by AFM- and SEM-microscopy has been investigated. The element composition and photoluminescence spectra of grown nanostructures InAs/GaAs has been defined.
Key words: quantum dots InAs/GaAs, ion-beam deposition, photoluminescence.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.