ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2011, № 6, с. 58-62
УДК 621.383.46
ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР InAs/GaAs С КВАНТОВЫМИ ТОЧКАМИ, ВЫРАЩЕННЫХ МЕТОДОМ ИОННО-ЛУЧЕВОГО ОСАЖДЕНИЯ © 2011 г. Л. С. Лунин, И. А. Сысоев, Д. Л. Алфимова, С. Н. Чеботарев, А. С. Пащенко
Южный научный центр РАН, Ростов-на-Дону, Россия Поступила в редакцию 24.09.2010 г.
Показана возможность получения гетероструктур 1пАБ/ОаА с квантовыми точками для фотоэлектрических преобразователей ионно-лучевым осаждением. Методами сканирующей зондовой микроскопии исследована морфология поверхности выращенных гетероструктур. Обнаружено наличие квантовых точек и нанокластеров 1пА с планарными размерами от 20 до 100 нм и высотой от 5 до 80 нм. Средняя поверхностная плотность квантово-размерных объектов 1пА размером до 35 нм составила 105 мм-2. В спектрах фотолюминесценции (Т = 300 К) выявлен пик с максимумом на длине волны X = 1150 нм (hv « 1.1 эВ), указывающий на наличие в выращенных гетероструктурах квантовых точек 1пА разного размера.
ВВЕДЕНИЕ
Исследования самоорганизующихся квантовых точек (КТ) на подложках ОаА инициированы перспективой получения высокоэффективных светоиз-лучающих приборов [1] и фотоэлектрических преобразователей [2, 3]. Известно, что оптимальным полупроводниковым материалом для изготовления фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) является арсенид галлия (ОаАз). Эффективность ФЭП на основе ОаАз может достигать 33%, что на 6% выше максимальной эффективности кремниевых ФЭП [4]. Дальнейшее повышение эффективности ФЭП достигается введением квантовых точек (КТ) из узкозонного полупроводникового материала (например, 1пАз) в полупроводниковую структуру из широкозонного материала (например, ОаАз) [5]. Теоретически было показано, что эффективность ФЭП с КТ может превышать 70%, что обусловлено суммированием энергии двух длинноволновых квантов света, проходящих через широкозонный полупроводник и поглощающихся материалом КТ [6]. Дополнительный интерес к исследованиям гетеро-структур с самоорганизующимися КТ в системе 1пАз/ОаА обусловлен возможностью расширения диапазона излучения структур на ОаА до длин волн 1.3-1.5 мкм, что позволит создавать лазеры длинноволнового излучения.
Основными методами получения наногетеро-структур с КТ являются молекулярно-пучковая эпи-таксия и газофазная эпитаксия из металлоорганиче-ских соединений. При всех несомненных достоинствах этих методов выращивания они обладают рядом недостатков. Сложное технологическое оборудование и низкая производительность тормозят применение метода молекулярно-пучковой эпитак-сии при массовом производстве ФЭП. В методе га-
зофазной эпитаксии из металлоорганических соединений отсутствует возможность непосредственного контроля процесса осаждения нанослоев и формирования КТ, кроме того, в этом методе используются химически активные соединения, что создает определенные проблемы экологического характера.
Метод ионно-лучевого 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.
Целью настоящей работы является экспериментальное обоснование возможности формирования фоточувствительных наногетероструктур 1пАз/ОаА с КТ альтернативным ионно-лучевым методом, а также исследование морфологии их поверхности и фотолюминесценции.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Выращивание наноструктур 1пАз/ОаАз с КТ проводилось на специально сконструированной экспериментальной установке ионно-лучевого осаждения, изготовленной на базе стандартной ростовой камеры с двухуровневой вакуумной системой, блока электропитания СЕФ-53М, источника ионов КЛАН-53М, системы газоподачи и автоматической заслонки. В методе ионно-лучевого осаждения формирование слоев или наноструктур на подложках осуществляется распылением материала твердотельной мишени пучком химически инертных ионов.
ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР
59
Для экспериментальных исследований использовались подложки GaAs(100) я-типа, подвергнутые предварительной стандартной обработке. Подложки, закрепленные в специальной кассете, помещались в ростовую камеру, находящуюся при давлении 10-3 Па, нагревались до рабочей температуры 820 K и подвергались предварительной очистке ионным пучком аргона в течение 60 секунд. Затем подложки охлаждались до температуры ~760 K, и проводился процесс ионно-лучевого осаждения арсенида индия со скоростью ~0.8 нм/с.
Исследование топографии поверхности образцов после осаждения арсенида индия проводили на атомно-силовом микроскопе (АСМ) Solver HV и сканирующем растровом электронном микроскопе (РЭМ) Quanta 200. Для идентификации области исследования образцов использовались специальные метки, нанесенные электронно-лучевой стимуляцией по методу [7]. Статистическое распределение размеров квантовых точек определялось с помощью специальной программы обработки результатов АСМ-исследования Image Analysis 2.1.2 инструментом Threshold.
Измерение фотолюминесценции проводилось в спектральном диапазоне от 950 до 1500 нм при температуре 300 К. В качестве источника возбуждающего оптического излучения использовался инжек-ционный лазер c длиной волны 402 нм и мощностью излучения 8.5 мВт. Фотодетектором служил германиевый фотодиод ФПУ ФДГ с рабочим спектральным диапазоном длин волн от 0.5 до 2 мкм. Возбуждение фотолюминесценции осуществлялось со стороны верхнего слоя КТ InAs.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 1 представлены полученные методами РЭМ и АСМ изображения поверхности наноструктур InAs, сформированных на предварительно очищенной ионами аргона подложке GaAs. Эффективная толщина смачивающего слоя InAs в данной структуре составляла ~10 нм. На снимках видны трехмерные островки InAs в виде квантовых точек и нанокластеров. По данным АСМ-изображений латеральные размеры отдельных КТ составляют порядка ~20 нм, а высота ~5 нм, что соответствует размерам КТ InAs в матрице GaAs [8] и свидетельствует о возможности формирования методом ионно-лу-чевого осаждения гетероструктур с КТ.
Статистическое распределение размеров квантовых точек определялось с помощью специальной программы обработки результатов АСМ-исследо-вания Image Analysis 2.1.2 инструментом Threshold. Эта программа позволяет автоматически определять неоднородности на поверхности АСМ-изобра-жений (в данном случае это квантовые точки и на-нокластеры InAs) и отображать их в виде специальной карты распределения (рис. 2а).
(а)
(б)
Рис. 1. КТ InAs на подложке GaAs, полученные ионно-лучевым осаждением: 3D АСМ-изображение (а); РЭМ-изображение топографии КТ InAs/GaAs (б).
По данным обработки АСМ-изображения была построена гистограмма распределения выявленных морфологических неоднородностей, представленная на рис. 2б. Из гистограммы видно, что на исследованном участке размером 25 х 25 мкм образовалось около 380 квантовых точек с размерами менее 35 нм. Также при данных экспериментальных условиях имело место формирование нанокластеров 1пАз с размерами от 50 до 100 нм. При этом их количество на указанном участке не превышало 120. Анализ статистических данных позволил оценить поверхностную плотность КТ ТпАз, которая достигает порядка
105
мм
На рис. 3 показан спектр фотолюминесценции гетероструктуры 1пАз/ОаАз, выращенной методом ионно-лучевого осаждения при температуре 300 К.
60
ЛУНИН и др.
(а)
(б)
25 Г
20
15
10
■• i.
5
' » -i' . v
10 15
мкм
20
25
400
300
§ 200 и
F
100
200 400 600 Размер, нм
Рис. 2. Статистическое распределение квантовых точек и нанокластеров InAs по размерам: обработанное с помощью инструмента Threshold АСМ-изображение поверхности (а); гистограмма распределения по размерам (б).
0
5
Полученный спектр фотолюминесценции является составным и образован в результате излучательной рекомбинации КТ 1пАб, имеющих дисперсию геометрических размеров. С помощью программы для записи спектров фотолюминесценции экспериментальный спектр был обработан и разложен на гауссовы контуры, как представлено на рис. 3. На спектрограмме можно выделить три пика с максимумами на длинах волн: ^ = 1150 нм « 1.1 эВ), = 1220 нм (кч « 1 эВ), = 1320 нм (кч « 0.94 эВ). Столь значительный разброс по полуширинам пиков 1-3 связан с большой дисперсией размеров и
1.3
Энергия фотона, эВ 1.2 1.1 1.0 0.9
0.8
д е
0
б а
1
л
т
о
о н
«
и
о
н е т н И
1 1 /V
25000 - //\\2
> 4 \ / ' Х \ Я Il N \ 3
20000 - ' ' / 4 \ /\
\ \ Л ! 1 \ \
15000 - / / / / 1 \\/\
/ / / / / / ч V \\ ' х s А
10000 / / / / / / / V ч \\ / А \ \ \ / / \ \ х
/ / / / \ \ \ \
5000 - У''
1000
950 1050 1150 1250 1350 1450 1550 Длина волны, нм
Рис. 3. Спектр фотолюминесценции гетероструктуры InAs/GaAs c КТ, разложенный на гауссовы контуры.
формы полученных КТ InAs (рис. 2б). Анализ полуширин образованных пиков показывает, что маленькие КТ имеют меньший разброс в геометрических размерах и более высокое структурное совершенство, поскольку пик фотолюминесценции 3 на спектрограмме (рис. 3) имеет меньшую полуширину по сравнению с пиком 1. Об уширении полосы фотолюминесценции вследствие увеличения размеров КТ сообщалось и другими исследователями [9, 10].
Полученные спектры фотолюминесценции выращенных гетероструктур InAs/GaAs с КТ экспериментально подтверждают, что зонная структура и создаваемые дискретные энергетические уровни зависят от размера, формы КТ InAs, а также от состояний на гетерогранице InAs/GaAs [11].
На рис. 4 схематически представлен механизм переноса носителей заряда в квантовой яме, образованной КТ InAs в состоянии термодинамического равновесия (а) и во внешнем электрическом поле (б). Использовалась модель внутризонных переходов носителей заряда между дискретными энергетическими уровнями в квантовой яме, созданными КТ InAs в валентной зоне и зоне проводимости КТ. При этом носители заряда имеют двухстороннее квантовое ограничение, образованное широкозонным материалом GaAs (рис. 4а), которое обусловливает возможность сле
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.