2
СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ КТ - квантовая точка СС - смачивающий слой КЯ - квантовая яма КП - квантовая проволока СР - сверхрешётка 30 - трехмерный
МЛЭ - молекулярно-лучевая эпитаксия
ДБЭО - дифракция быстрых электронов на отражение
ПЭМ - просвечивающая электронная микроскопия
КРС - комбинационное рассеяние света
ФЛ - фотолюминесценция
МС - монослой
Т5 - температура подложки
с2оа>\5 - количество осаждённого СаАэ
- плотность массива квантовых точек Аде - средний латеральный размер квантовой точки Л£>00 - дисперсия латеральных размеров квантовых точек Рт - период муара
Р<11з ~ период следования дислокаций а - параметр решётки
х - параметр состава твёрдого раствора
I/ - длина поверхностной диффузии адатомов
Ьс - критическая толщина формирования островков
д - вектор дифракции электронной микроскопии
Г - рассогласование параметров решёток
Рсх - плотность мощности оптического возбуждения
УВО - разрыв валентных зон на гетерогранице
з
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ................... -..................... -.-.................................... 5
ГЛАВА 1. Полупроводниковые гетероструктуры................................. 13
1.1. Энергетический спектр полупроводниковых гетероструктур................................... ...... 15
1.2. Полупроводниковые гетероструктуры первого рода с непрямой запрещённой зоной -.......................-.... 18
1.3. Гетероструктуры СаАг/СаР и ваБЬ/БаР........... ..................................... 19
1.4. Результаты и выводы к первой главе.................................................. 24
ГЛАВА 2. Методические вопросы исследования................................................... 25
2.1. Методы получения гетероструктур СаАз/ваР и СаБЬ/ОаР . . ..........................- ............. 2 5
2.2. Методы исследования строения гетероструктур......................................... 32
2.3. Методы исследования энергетического спектра... 3 7
2.4. Методика расчёта энергетического спектра 53
ГЛАВА 3. Структура квантовых ям и квантовых точек
ОаАг/ОаР и БаБЬ/СаР .............................................................. 57
3.1. Структура квантовых ям и квантовых точек СаЛв/СаР.............................................. 57
3.1.1. Экспериментальные результаты ...................................................... 57
3.1.2. Обсуждение результатов.............................................................. 6 5
3.2. Структура квантовых ям и квантовых точек СаБЬ/ваР.............................................. 71
3.2.1. СаБЬ/СаР гетероструктуры, сформированные на подложках СаР .......................................... 71
3.2.2. СаБЬ/СаР гетероструктуры, полученные на ростовой поверхности с развитым рельефом... 75
3.3. Механизм релаксации напряжений в
гетероструктурах с КТ СаАз/ОаР и СаБЬ/СаР 77
3.4. Результаты и выводы к третьей главе.......—....... 81
ГЛАВА 4. Энергетический спектр СаАэ/СаР и СаБЬ/СаР
гетероструктур ................................ 83
4.1. Энергетический спектр СаАБ/СаР и СаБЬ/СаР квантовых точек с полной релаксацией
механических напряжений .................. 8 3
4.2. Энергетический спектр псевдоморфно напряжённых
Са(Аз,Р)/СаР и СаБЬР/СаР гетероструктур........... 88
4.2.1. Фотолюминесценция псевдоморфно напряжённых Са(Аз,Р)/СаР гетероструктур.............................. 89
4.2.2. Расчёты энергетического спектра псевдоморфно напряжённых Са(Аз,Р)/СаР КЯ и КТ....................... 89
4.2.3. Фотолюминесценция псевдоморфно напряжённых СаБЬР/СаР гетероструктур.............................. 102
4.2.4. Расчёты энергетического спектра псевдоморфно напряжённых СаБЬР/СаР КЯ и КТ ..................... 106
4.3. Результаты и выводы к четвёртой главе ......... 110
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ....................................... 112
ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА................................ 116
ВВЕДЕНИЕ
Появление низкоразмерных полупроводниковых
гетероструктур с квантовыми ямами (КЯ) и квантовыми точками (КТ) не только открыло возможности для создания новых полупроводниковых приборов, но и позволило проводить исследования новых физических явлений фундаментального характера [1,2]. К настоящему времени, наиболее исследованными гетероструктурами являются прямозонные СаАз/А1СаАз КЯ [3] и (1п,Оа)Аз/БаАз КТ [4] первого рода (оба типа носителей заряда локализованы внутри КЯ и КТ) , а так же непрямозонные СаАз/А1Аз КЯ [3,5] и Се (Бл.) /Б1 КТ [5,6] второго рода (электроны и дырки разделены в реальном пространстве). Недавние теоретические расчеты обратили внимание исследователей на еще один, до сих пор экспериментально не исследовавшийся, тип полупроводниковых гетероструктур -КЯ и КТ первого рода с непрямой запрещенной зоной [7,8]. Гетероструктуры с таким типом энергетического спектра могут быть удобными объектами для анализа физических процессов, изучение которых в других типах полупроводниковых гетероструктур затруднено. Характерным примером такого процесса является спиновая релаксация экситонов в КТ [9-11]. Сильная локализация в КТ приводит к подавлению механизмов, определяющих переворот спина свободно двигающихся экситонов, таких как механизмы Эллиота-Яфета и Дьяконова-Переля, смещая характерные времена спиновой релаксации экситонов в миллисекундный диапазон времен. В прямозонных КТ времена релаксации спиновых состояний экситонов становятся на несколько порядков величины больше лежащих в наносекундном
6
диапазоне времен жизни экситона. В тоже время, требования закона сохранения квазиимпульса приводит к увеличению времени жизни экситона в КТ первого рода с непрямой запрещённой зоной [12], делая эти объекты перспективными для экспериментального изучения процессов спиновой релаксации экситонов в нульмерных системах.
В соответствии с теоретическими расчетами гетероструктуры с КТ первого рода с непрямой запрещённой зоной могут быть сформированы на основе соединений АЗ-В5: СаАэ и СаБЬ в матрице ваР [7,8]. Между тем, строение и энергетический спектр гетерсструктур с КЯ и самоорганизованными КТ, сформированных в гетеросистемах СаАэ/СаР и СаБЬ/СаР, до сих пор экспериментально не изучались.
Целью работы являлось исследование энергетического спектра гетероструктур БаЛз/СаР и СаБЬ/БаР с КЯ и самоорганизованными КТ.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Определение строения гетероструктур с
самоорганизованными КТ БаАз/СаР и БаБЬ/СаР: формы,
размеров, механических напряжений и состава КТ, и структуры лежащего в основании массива КТ смачивающего слоя (СС), являющегося квантовой ямой.
2. Определение энергетического спектра КТ СаАг/СаР и СаБЬ/БаР и СС с учётом особенностей их строения.
Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы.
7
Первая глава носит обзорный характер. Обсуждаются возможные типы энергетического спектра полупроводниковых гетероструктур. Особое внимание уделяется
гетероструктурам первого рода с непрямой запрещённой зоной. Приводится литературный обзор работ, посвященных исследованию гетероструктур СаАз/баР и ваЗЬ/СаР.
Вторая глава посвящена методическим вопросам исследования. Описаны условия синтеза гетероструктур. Обсуждаются методы исследования строения гетероструктур. Описываются: (1) методика определения степени релаксации
механических напряжений в КТ по периоду муара на планарных изображениях гетероструктур, полученных методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), и (11) методика определения состава твердого раствора, опирающаяся на анализ спектров комбинационного рассеяния света (КРС) . Приводится методика определения рода энергетического спектра гетероструктур, основанная на анализе интенсивностной зависимости положения полосы в спектрах фотолюминесценции (ФЛ) гетероструктур. Приведено техническое списание установок, для измерения стационарной и время-разрешённой ФЛ. Обосновываются условия измерений спектров ФЛ гетероструктур СаАз/ваР. Описаны методы расчёта энергетического спектра гетероструктур.
В третьей главе рассматривается строение баАв/СаР и баЗЬ/ваР гетероструктур. Обсуждается зависимость строения ОаАэ/СаР гетероструктур, полученных при осаждении ОаАэ на поверхность СаР ориентации (100) в количестве, эквивалентном 3-м монослоям вещества, от температуры
осаждения ОаАэ, в диапазоне 420*600°С. Анализируется зависимость строения СаБЬ/ОаР гетероструктур от длины латеральной диффузии адатомов: сравнивается строение
гетероструктур, полученных на поверхности ваР, не
ограничивающей латеральную диффузию материала, и полученных на поверхности СаР с развитым рельефом,
ограничивающей латеральную диффузию материала
расстояниями порядка 100 нм. Обсуждается механизм
пластической релаксации напряжений в гетероструктурах с СаАэ/СаР и ваБЬ/СаР КТ.
Четвертая глава посвящена определению энергетического спектра СаАэ/СаР и СавЬ/баР КТ и КЯ. Рассматриваются результаты экспериментального исследования
энергетического спектра СаАв/ваР и СавЬ/ваР К'Г с полной релаксацией механических напряжений. Экспериментальные результаты сопоставляются с результатами расчётов
структуры энергетических зон ненапряжённых КТ. Обсуждаются результаты экспериментального исследования псевдоморфно напряжённых 0а(Аз,Р)/СаР и Са(5Ь,Р)/СаР гетероструктур с КЯ и КТ. Экспериментальные результаты сопоставляются с результатами расчётов структуры энергетических зон псевдоморфно напряжённых КЯ и КТ, проведённых с учётом влияния упругих деформаций на положение энергетических зон. Анализируется зависимость энергетического спектра от состава твёрдого раствора, из которого сформированы КТ и КЯ.
В заключении приводятся основные результаты и выводы работы. Оговорен личный вклад автора.
На защиту выносятся следующие научные положения:
9
1. В зависимости от размеров КТ, основное электронное состояние СаАз/ваР и СаБЬ/СаР КТ с полной релаксацией механических напряжений и энергетическим спектром первого рода может лежать как в Ь, так и в Г долине зоны проводимости.
2. Псевдоморфно напряжённые СаАз/баР КЯ имеют
энергетический спектр второго рода с непрямой
запрещённой зоной и основным электронным состоянием, принадлежащим X долине зоны проводимости СаР.
3. Псевдоморфно напряжённые СаБЬР/СаР КЯ имеют
энергетический спектр первого рода с непрямой
запрещённой зоной и основным электронным состоянием, принадлежащим Хху долине зоны проводимости СаБЬР, вне зависимости от состава твёрдого раствора КЯ.
4. Псевдоморфно напряжённые КТ СаАэР/СаР и СаБЬР/СаР имеют энергетический спектр второго рода с непрямой запрещённой зоной и основным электронным состоянием, принадлежащим Хг долине зоны проводимости СаР, вне зависимости от состава твёрдого раствора КТ.
Научная новизна работы: Впервые экспериментально
исследован энергетический спектр псевдоморфно напряжённых и полностью релаксированных полупроводниковых
гетероструктур с КТ Са(Аз,Р)/СаР и Са(ЭЬ,Р)/СаР:
1. Показано, что (а) псевдоморфно напряжённые СаАзР/баР и СаБЬР/СаР квантовые точки и СаАэ/СаР квантовые ямы имеют энергетический спектр второго рода с непрямой запрещённой зоной и основным электронным состоянием, принадлежащим X долине зоны проводимости ваР; (б) псевдоморфно напряжённые СаЭЬР/СаР квантовые ямы
10
имеют энергетический спектр первого рода с непрямой запрещённой зоной и основным электронным состоянием, принадлежащим Хху. долине зоны проводимости СаБЬР, вне зависимости от состава твёрдого раствора, из которого состоят квантовые точки и квантовые ямы.
2. Показано, что релаксация механических напряжений в СаАэ/СаР и СаБЬ/СаР квантовых точках идёт за счёт введения сетки ломеровских дислокаций в плоскости гетерограницы квантовая точка - матрица. Установлено, что релаксация механических напряжений не приводит к увеличению темпа безызлучательной рекомбинации экситонов в гетероструктурах ОаАэ/ОаР и ОавЬ/СаР с квантовыми точками.
3. Установлено, что энергетический спектр квантовых точек первого рода, сформированных из ненапряженных СаАв и ОаЭЬ в матрице СаР, существенно зависит от высоты квантовой точки. Основное электронное состояние квантовых, точек с высотой меньше 3 нм принадлежит Ь долине зоны проводимости. В квантовых точках большего размера основное электронное состояние принадлежит Г долине зоны проводимости.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
1. Высокая эффективность излучательнсй рекомбинации, демонстрируемая гетероструктурами Са(Аз,Р)/СаР и СаЗЬР/СаР с КЯ и КТ, указывает на возможность применения этих гетероструктур для создания светоизлучающих приборов.
2. Разделение носителей заряда в пространстве квазиимпульсов в КТ СаАэ/СаР и СаБЬ/СаР первого рода
II
с полной релаксацией механических напряжений приводит к увеличению времени жизни экситонов вплоть до времён, сравнимых с временами релаксации спиновой ориентации экситонов - порядка сотен микросекунд. Возможность создания долгоживущих спиновых состояний экситонов в данных КТ делает их перспективными для приложений спинтропики.
Апробация работы. Основные результаты работы представлены на:
1. XII Международной школе-семинаре по
люминесценции и лазерной физике ЛЛФ-2010 (Хужир, Россия, 26-31 июля 2010);
2.XIX Международном симпозиуме «Наноструктуры физика и технология» (Екатеринбург, Россия, 20-25 июня 2011);
3. Российской конференции и школе по актуальным проблемам полупроводниковой нанофотоэлектроники «Фотоника-2011» (Новосибирск, Россия, 22-26 августа 2011);
4. Азиатской школы-конференции по физике и технологии наноструктурированных материалов «А8СО-Ыапошаб-2011» (Владивосток, Россия, 22-27 августа 2011);
5.XIII Всероссийской молодёжной конференции по физике полупроводников и наноструктур,
полупроводниковой опто- и наноэлектронике (Санкт-Петербург, Россия, 21-25 ноября 2011) ;
- Київ+380960830922