МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2007, том 36, № 4, с. 261-276
= ДИАГНОСТИКА
УДК 538.958, 621.382
ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНТНАЯ МЕТОДИКА ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ДЛИННОПЕРИОДНЫХ GaAs/AlGaAs РЕЗОНАНСНО-ТУННЕЛЬНЫХ
СВЕРХРЕШЕТОЧНЫХ СТРУКТУР НА РАЗНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЭТАПАХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
© 2007 г. А. А. Белов, И. П. Казаков, А. Л. Карузский, Ю. А. Митягин, В. Н. Мурзин, А. В. Пересторонин, С. С. Шмелёв, В. И. Цехош
Физический институт им. П. Н. Лебедева Российской АН karuz@sci.lebedev.ru Поступила в редакцию 29.12.2006 г.
Разработана методика определения характеристик резонансно-туннельных структур на основе длиннопериодных сверхрешеток из GaAs/AlGaAs по измерениям фотолюминесценции с учетом их особенностей, в частности, обусловленных шириной квантовых ям и плотностью энергетического спектра. Методика позволяет оценивать качество изготовленных структур на всех этапах технологического процесса, включая рост многослойной структуры методом МЛЭ, литографию и отжиг. Длиннопериодные структуры представляют интерес, в частности, с точки зрения создания нового типа твердотельных устройств на межподзонных переходах, излучающих в дальней инфракрасной (ИК) области. Новые возможности связаны с принципиальным различием процессов рассеяния и релаксации носителей заряда в нижних состояниях размерного квантования, которые могут осуществляться в таких структурах, как с участием, так и без участия оптических фононов. Разработанная методика может применяться как при низких, так и комнатных температурах и позволяет с помощью корректировки технологических процессов выращивать структуры высокой однородности с необходимыми параметрами.
1. ВВЕДЕНИЕ
Низкотемпературная люминесценция является одним из наиболее эффективных методов оценки качества полупроводников и наноструктур на их основе путем диагностики их электронных энергетических состояний [1]. В настоящее время актуальной с точки зрения физики и технологии наноструктур является задача развития физических принципов усиления и генерации электромагнитных волн в широком диапазоне инфракрасного излучения. Большие успехи в этой области связаны с созданием и исследованием квантовокаскадных лазеров, работающих в области ближнего и среднего ИК-излучения. Предложены другие схемы лазеров для работы в области дальнего ИК-диапазона, в том числе основанные на межподзонной инверсной заселенности в структурах с широкими квантовыми ямами, в которых энергетическое расстояние между нижними квантово-размерными состояниями может быть как больше, так и меньше энергии продольного оптического фонона [2-8]. Интенсивные процессы рассеяния носителей тока с излучением продольных оптических фононов в таких кванто-во-размерных структурах подавляются в низших подзонах, в то время как в верхних подзонах они продолжают определять скорость релаксации носителей и, соответственно, время жизни носите-
лей в этих состояниях. Структуры с широкими квантовыми ямами представляются весьма перспективными с точки зрения создания нового типа излучателей на межподзонных переходах, генерирующих узкополосное излучение в дальнем ИК-диапазоне.
Реализация процессов резонансного туннели-рования в длиннопериодных сверхрешеточных структурах требует высокой латеральной однородности и периодичности изготавливаемых структур. Характерные энергетические расстояния между квантово-размерными уровнями в структурах с широкими квантовыми ямами имеют малые значения, что затрудняет использование при диагностике длиннопериодных сверхрешеток метода низкотемпературной фотолюминесценции, являющегося наиболее эффективным инструментом зондирования электронных энергетических состояний. Эти трудности возникают вследствие: 1) частичного перекрытия полос люминесценции, излучаемых квантовыми ямами, и полос люминесценции, испускаемых вспомогательными слоями и подложкой образца; 2) требования обеспечения высокого спектрального разрешения установки фотолюминесценции, накладываемого малыми энергетическими масштабами расстояний между уровнями размерного квантования; 3) необходимости тщательного соблюдения
температурных режимов и энергетических условий возбуждающего излучения, также связанной с малой величиной разности энергии уровней размерного квантования; 4) возможного наложения спектров рекомбинационного излучения различных несобственных состояний, в том числе примесей в квантовых ямах, а также непрямых переходов на гетерограницах, на спектры собственного рекомбинационного излучения экситонов в квантовых ямах, особенно во время комбинированных измерений фотолюминесценции и вертикального транспорта в электрическом поле; 5) требований, накладываемых условиями реализации процессов резонансного туннелирования, относящихся не только к повышенной однородности и периодичности изготавливаемых структур, но и к высокой однородности пространственного распределения легирующей примеси. Отмеченная специфика структур с широкими квантовыми ямами обусловила необходимость создания специальной методики диагностики качества длиннопериод-ных сверхрешеточных GaAs/AlGaAs резонансно-туннельных структур, основанной на фотолюминесцентных измерениях.
Разработанная и опробованная в настоящей работе фотолюминесцентная методика обеспечивает возможность диагностики качества многоям-ных длиннопериодных структур на всех основных стадиях их изготовления с целью отработки методов изготовления и отбраковки образцов, в том числе на ранних стадиях их изготовления. Методика заключается в определении сравнительных характеристик резонансно-туннельных длиннопериодных сверхрешеток из GaAs/AlxGa1 _ после основных этапов технологического процесса их изготовления, включая рост многослойной структуры методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), фотолитографию и, в некоторых случаях, отжиг. Исследования выполнены на фотолюминесцентной установке с высокой чувствительностью и спектральным разрешением, позволяющей проводить измерения в широком интервале температур 4.2-300 К в диапазоне нескольких порядков интенсивности непрерывного возбуждающего лазерного излучения от ~10 мкВт (~1 мВт/см2) до ~102 мВт (~10 Вт/см2). С целью разделения вкладов полос люминесценции, излучаемых квантовыми ямами и испускаемых вспомогательными слоями и подложкой образца, использован метод сравнения спектров ФЛ мезоскопических структур с квантово-размерными слоями и спектров ФЛ подложки в областях образца, расположенных между мезами. Для исследования влияния литографии и отжига на качество структур, спектры ФЛ сравниваются с измерениями ВАХ. Разработанная методика диагностики качества структур может использоваться как при низких, так и при комнатных температурах. Показано, что при изготовлении партии однотипных структур, отличающихся не-
большим набором параметров, таких как уровень легирования, ширина барьеров и т.п., методика может быть использована для экспресс-анализа, обеспечивающего отбор качественных образцов сразу же после их выращивания. На основе разработанной методики скорректированы технологические условия выращивания и изготовлена серия сверхрешеточных структур с квантовыми ямами шириной 25 нм, шириной барьеров от 4 до 10 нм с различным уровнем легирования от 5 х 1015 до 2 х х 1016 см-3 и высокой степенью однородности, обеспечивающей необходимые параметры для резонансного туннелирования.
2. УСЛОВИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПАРАМЕТРЫ ОБРАЗЦОВ
Исследованные образцы выращивались методом молекулярно-лучевой эпитаксии на установках ЦНА-25 (ФИАН) и ЦНА-18 (НОЦ ФИАН МИЭТ). Параметры структур, выращенных на этих установках, приведены в табл. 1. Схема слоев структур, на которых проводились исследования, показана на рис. 1. Все структуры выращены на сильно легированных кремнием = 2 х х 1018 см-3) подложках из GaAs(001). Сначала последовательно выращивались два контактных слоя GaAs толщиной по 30 нм каждый, легированных кремнием до уровня 2 х 1018 см-3 и 1 х 1017 см-3, соответственно, затем следовали 30 периодов чередующихся слоев GaAs и Al0.3Ga0.7As, составляющих сверхрешеточную структуру из квантовых ям и барьеров. Сверхрешеточные структуры однородно легированы Si до уровня порядка 1016 см-3. Это относится ко всем сверхрешеткам, за исключением образцов №380 и №387, в которых легированная примесь введена внутри областей барьеров (см. табл. 1). Поверх слоев, образующих сверхрешетку, наращивались два верхних контактных слоя GaAs: первый - толщиной 30 нм, легированный Si до уровня 1 х 1017 см-3, второй - толщиной 10 нм, легированный Si до уровня 2 х 1018 см-3.
Для измерения вольт-амперных характеристик (ВАХ) в условиях вертикального электронного транспорта, получения спектров фотолюминесценции, позволяющих различить перекрывающееся излучение из квантовых слоев и подложки, а также для изучения влияния литографии, на многослойных образцах литографическим способом были сформированы мезоскопические структуры. Диаметр мез составлял 0.5 мм, на их поверхности были сформированы омические прозрачные контактные слои из ЛuGa/Ni.
Таблица 1. Число периодов, ширина квантовых ям и барьеров, а также уровень легирования кремнием исследованных образцов
Образец, № Число периодов, N Ширина квантовой ямы, dw, Á Ширина барьера, db, Á Уровень легирования, Nd, см-3 Изготовлен
94 30 250 100 5 ■ 1015 ФИАН
163 30 250 100 1.2 ■ 1016 ФИАН
237 30 250 100 1 ■ 1016 ФИАН
647 30 250 100 1 ■ 1016 НОЦ ФИАН МИЭТ
342 30 250 100 2 ■ 1016 ФИАН
348 30 250 40 1 ■ 1016 ФИАН
352 30 250 60 1.2 ■ 1016 ФИАН
380 30 250 80 4 ■ 1016 (барьер) ФИАН
387 45 250 80 4 ■ 1016 (барьер) ФИАН
Примечание. ФИАН - изготовлено в Физическом институте им. П.Н. Лебедева Российской АН, НОЦ ФИАН МИЭТ - изготовлено в научно-образовательном центре "Квантовые приборы и нанотехнологии" ФИАН-МИЭТ.
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ И ВЕРТИКАЛЬНОГО ЭЛЕКТРОННОГО ТРАНСПОРТА
3.1. Фотолюминесценция
Схема оптической низкотемпературной экспериментальной установки представлена на рис. 2.
Лазерное излучение, проходящее через фильтр, с помощью сферического зеркала фокусировалось на образец, расположенный в криостате. Свет, испускаемый образцом, фокусировался конденсором на входной щели монохроматора. Сигна
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.