ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2007, < 2, с. 9-12
УДК 538.935:621.315.592
СВОЙСТВА КВАНТОВО-РАЗМЕРНЫХ СТРУКТУР GaAs/InGaAs, СОДЕРЖАЩИХ 5<Мп)-ЛЕГИРОВАННЫЕ СЛОИ
© 2007 г. О. В. Вихрова1, Ю. А. Данилов1' 2, Ю. Н. Дроздов2, Б. Н. Звонков1,
F. Iikawa3, M. J. S. P. Brasil3
Научно-исследовательский физико-технический институт ННГУ, Нижний Новгород, Россия 2Институт физики микроструктур РАН, Нижний Новгород, Россия 3lnstituto de Fisica Gleb Wataghin, Universidade de Campinas, Campinas, Brazil Поступила в редакцию 09.06.2006 г.
Исследованы свойства структур, содержащих квантовую яму (КЯ) InGaAs или квантовые точки InAs, а также 5-легированные углеродом и марганцем слои. Основная часть слоев получена методом МОС-гидридной эпитаксии, а 5(Мп)-легированные слои - низкотемпературным лазерным распылением непосредственно в эпитаксиальном реакторе. Исследуемые структуры имели три канала проводимости: 5(С)-легированный слой, 5(Мп)-легированный слой и квантовые ямы или смачивающий слой. Вклад каждого из каналов в общую проводимость зависел от температуры измерений. Изучена фотолюминесценция структур при варьировании толщины 5(Мп)-легированного слоя.
ВВЕДЕНИЕ
Использование возможности управления зонной структурой полупроводниковых соединений и волновыми функциями носителей заряда в них открывает новые перспективы воздействия на физические свойства структур путем изменения таких характеристик носителей, как концентрация и спин. Например, ферромагнитный порядок в квази-двумерных системах полупроводников A2B6 и в гетероструктурах полупроводников A3B5 может быть создан или нарушен изменением перекрытия волновой функции двумерного дырочного газа с магнитными примесями [1, 2]. В подобные структуры магнитная примесь часто входит в виде легированного слоя, где ее атомы распределены как 5-функция. Это позволяет получить локально высокие концентрации магнитных моментов и носителей заряда и достаточно свободно управлять расположением магнитного слоя в выращиваемой структуре [3]. Вместе с тем в литературе практически отсутствуют данные по изучению квантовых ям (КЯ) и квантовых точек (КТ) в системе GaAs/InGaAs, содержащей магнитные примеси.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Данная работа посвящена исследованию свойств структур, содержащих квантовую яму InGaAs или квантовые точки InAs, 5(C)- и 5(Мп)-ле-гированные слои. В качестве подложек использованы пластины полуизолирующего GaAs с ориентацией (100). Получение структур осуществлялось сочетанием МОС-гидридной эпитаксии (выращивание буферного слоя, 5(С)-легированного слоя,
КЯ или КТ, спейсерного слоя GaAs) с низкотемпературным лазерным распылением (б(Мп)-леги-рованный слой и покровный слой GaAs). Установка МОС-гидридной эпитаксии и технологические условия формирования структур с КЯ и КТ описаны нами ранее [4, 5]. Методика лазерного нанесения слоев, легированных марганцем, описана в [6]. Температура нанесения слоев (7^) при лазерном распылении составляла 450°С или 380°С. Толщина 5<Мп) -легированного слоя (^мп) варьировалась от 0 до ~0.7 монослоя (МС). Покровный слой нелегированного GaAs выращивался также лазерным распылением и при той же температуре, что и 5(Мп)-легированный слой, а толщина его составляла >10 нм. Толщина спейсерного слоя GaAs, разделяющего 5(Мп)-легирован-ный слой и КЯ, составляла 4 нм, а для структур с КТ его толщина варьировалась от 5 до 15 нм.
Кристаллическое совершенство структур изучалось методом рентгеновской дифракции с помощью прибора ДРОН-4 по двухкристальной схеме с монохроматором Ge(400) на излучении Си^а1. О светоизлучающих свойствах структур судили по спектрам фотолюминесценции (ФЛ), полученным при 77 К с возбуждением Не-№ лазером и при 1.8 К с возбуждением аргоновым лазером. Для изучения электрических свойств изготавливались индиевые контакты к поверхности структур, а измерения по методике ван-дер-Пау выполнялись при комнатной температуре и при 77 К. Дополнительно изучались температурные зависимости сопротивления (в диапазоне температур 100-300 К).
I, отн. ед. 10-8 10-9 10-10 10-11 10-12 1.30
в
Т = 1.8 К
2 ,3
1.35 1.40 1.45
Е, эВ
Рис. 1. Спектры ФЛ-структур с КЯ, 8(С)-легирован-ным слоем и 8(Мп)-легированным слоем различной толщины. Температура измерений 1.8 К. Толщины 8(Мп)-легированного слоя, соответствующие номерам структур 1-3, приведены в таблице.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Рентгеноструктурные исследования позволили определить, что квантово-размерные структуры с КТ и с КЯ имеют хорошее кристаллическое качество, как и покровный слой GaAs, полученный низкотемпературным лазерным распылением. Слой InGaAs дает широкий пик в сторону малых углов от основного пика GaAs (400), а покровный слой GaAs вызывает дополнительную модуляцию пика. Это означает, что дифрагированный пучок от покровного слоя GaAs интерферирует с пучком от подложки, т.е. слой является монокристаллическим с планарными (в достаточной степени) границами.
Спектры ФЛ-структур с КЯ, содержащих также 8(С)- и 8(Мп)-легированные слои, представлены на рис. 1. Кроме пика, соответствующего фундаментальному переходу для GaAs (не показан), наблюдаются еще три пика, обозначенные нами как А, В и В. Пик В интерпретируется как соответ-
Электрические свойства квантово-размерных структур с КЯ (1, 2, 3) и КТ (4, 5, 6) при температурах 77 и 300 К. Температура выращивания 8(Ми)-легированно-го слоя и покровного слоя ваЛБ составляла Тg = 450°С
МС 300 К
< см2/В • с Ps, -2 см-2
1 0.1 230 3 х 1012
2 0.3 170 6 х 1012
3 0.5 140 8 х 1012
4 0 220 1 х 1012
5 0.03 125 9 х 1012
6 0.07 100 2 х 1013
77 К
см2/В • с
1930 1930 2440 1520 1690
см
-2
1 х 1012 1 х 1012 4 х 1011 1 х 1012 9 х 1011
ствующий основному переходу в КЯ (его положение достаточно хорошо совпадает с расчетом, выполненным на основании параметров КЯ - концентрации индия и ширины КЯ, определенных из рентгеновских исследований). Пик А является LO-фононным спутником основного перехода КЯ. Видно, что светоизлучающие свойства КЯ значительно ухудшались с увеличением толщины 8(Мп)-легированного слоя (таблица). Так, пики, соответствующие энергии основного перехода КЯ (В) и его LO-фононного спутника (А), практически не видны для структуры 3 с толщиной 8(Мп)-легированного слоя ~0.5 монослоя (МС).
Еще более сильное воздействие на излуча-тельные свойства квантовых точек оказывает присутствие даже тонкого слоя Мп (<0.1 МС). На рис. 2 показаны спектры ФЛ (Т = 77 К) структур с КТ, содержащих также 8(С)- и 8(М)-легированные слои. На спектрах кроме пика, соответствующего фундаментальному переходу GaAs (1.507 эВ), наблюдается также интенсивный широкий пик, соответствующий слою КТ (1.06-1.12 эВ). Как видно из рис. 2 (структуры 4 и 6), интенсивность пика ФЛ, отвечающего основному состоянию, уменьшается на два порядка при введении 8(Мп)-легиро-ванного слоя. Подобное гашение ФЛ может быть обусловлено расплыванием 8(Мп)-легированного слоя и диффузией атомов марганца в спейсерный и покровные слои GaAs, а также созданием центров безызлучательной рекомбинации.
Необходимо отметить, что при Т = 1.8 К в спектрах ФЛ (рис. 1) виден пик, соответствующий акцепторному уровню Мп в GaAs (пик В). Этот факт также свидетельствует о расплывании 8(Мп)-легированного слоя и о вхождении атомов Мп в прилегающие к нему слои GaAs. Как было показано в [2], степень расплывания 8(Мп)-леги-рованного слоя определяется его толщиной и температурой нанесения.
Электрические свойства исследованных структур представлены в таблице. Все образцы обладают р-типом проводимости. Характер изменения параметров структур (слоевой концентрации и эффективной подвижности) при варьировании толщины 8(Мп)-легированного слоя, а также температуры измерений свидетельствует о том, что исследуемые структуры имеют три канала проводимости: 8(С)-легированный слой, 8(Мп)-легиро-ванный слой и КЯ или смачивающий слой (в случае структур с КТ). Как видно также из представленных данных, увеличение количества Мп в 8-легиро-ванном слое приводит к значительному росту концентрации носителей заряда при 300 К и уменьшению их подвижности. Этот факт демонстрирует влияние размытия слоя Мп на транспортные свойства квантово-размерных структур. Практически для всех структур при понижении температуры до 77 К подвижность носителей заряда уве-
СВОЙСТВА КВАНТОВО-РАЗМЕРНЫХ СТРУКТУР GaAsЛnGaAs
11
I, отн. ед. 100
10-1г
10-
10-
Т = 77 К
1.5
Е, эВ
Рис. 2. Спектры ФЛ-структур с КТ, 5(С)-легированным слоем и 5(Мп)-легированным слоем различной толщины. Температура измерений 77 К. Толщины 8(Мп)-легированного слоя, соответствующие номерам структур 4-6, приведены в таблице.
личивается на порядок. Увеличение подвижности свидетельствует о том, что доминирующим каналом проводимости при низких температурах становятся КЯ или смачивающий слой для структур с КТ. По-видимому, при температуре 77 К канал проводимости по 8(Мп)-легированному слою практически не действует из-за вымораживания в нем носителей.
Вследствие дополнительного легирования марганцем сопротивление структур уменьшается в несколько раз, а характер его зависимости от температуры меняется (рис. 3). Вместо увеличения, на-
Я, кОм 80 60
40
20
10
8
6
5
6
100
150
200
250
300 Т, К
Рис. 3. Температурные зависимости сопротивления структур с КЯ (5) и КТ (4, 5, 6), содержащих 5(С)- и 8(Мп)-легированные слои.
блюдаемого для образца без Мп (4), происходит уменьшение Я с понижением температуры вплоть до ~120 К. При дальнейшем понижении температуры Я незначительно увеличивается. Такой ход температурной зависимости сопротивления может быть обусловлен возрастанием подвижности носителей заряда вследствие слабой ионизации примеси Мп и уменьшения рассеяния на тепловых колебаниях решетки.
Магнетосопротивление структур, измеренное при 77 К, было положительным и зависело значительным образом от степени легирования Мп. Так, если величина магнетосопротивления в структурах с КТ без 8(Мп)-легированного слоя составляла -0.04% в магнитном поле 0.23 Тл, то при содержании Мп, равном 0.4 МС, она увеличивалась в десять раз. Аналогичная тенденция увеличения ма
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.