Гетеропереходы II типа на основе узкозонных полупроводников A3B5 : оптические и магнитотранспортные свойства

4
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ..............................................................7
ГЛАВА 1. Гетеропереходы II типа в полупроводниках А3В;>...............21
1 Л. Типы энергетических диаграмм гетеропереходов в полупроводниках А3!!5.....................................................22
1.2. Ступенчатые гетероструктуры II типа в системе АЮаАзЗЫпАБ 26
1.3. Разъединенные гетероструктуры II типа в системе ОаЗЬЛпАэ.........27
1.4. Ступенчатые гетеропереходы II типа ваГь^Ь/ваБЬ...................30
1.5. Разъединенные гетеропереходы И типа ЕЮаАзБЬ/ОаЗЬ.................40
4
ГЛАВА 2. Изготовление гетеропереходов II типа Оа1пАз8Ь/1пАБ и
установление зонной энергетической диаграммы.................43
2.1. Выращивание эпитаксиальных слоев в системе четверных твердых растворов Са1пАз8Ь, изопериодных с подложкой 1пАз, методом жидкофазной эпитаксии.................................................44
2.1Л. Расчет термодинамических диаграмм фазовых равновесий
расплав-твердое тело для системы ОаЛп-Аь-ЗЬ....................45
2.1.2. Эпитаксиальные слои твердого раствора Оа1пАБ8Ь, обогащенного ОаБЬ, изопериодные с подложкой ТпАб.........................50
2.1.3. Одиночные гетероструктуры II типа Оа1пА$8Ь/1пАв с резкой планарной границей раздела..........................................53
2.2. Исследование комбинационного рассеяния в эпитаксиальных слоях четверных твердых растворов Оа|.х1пхАз8Ь, изопериодных
с 1пАз, для составов х<0.22.......................................62
2.3. Фотолюминесцентные свойства четверных твердых растворов
^ Са1пАь8Ь> изопериодных с 1пАз.....................................69
2
2.3.1. Зависимость ширины запрещенной зоны эпитаксиального слоя ОаІпАзБЬ, изопериодного с іпАб, от состава твердого раствора. .. .70
2.3.2. Температурная зависимость ширины запрещенной зоны твердо-
го раствора Оа1пАз8Ь, изопериодного с подложкой 1пАз..........76
2.3.3. Примесные уровни в запрещенной зоне твердого раствора Са1пАз8Ь, обогащенного ваБЬ.......................................81
2.3.4. Природные дефекты в твердом растворе Са1пАз8Ь, полученном
из расплава, обогащенного атомарным индием....................88
2.3.5.Афмфотерная примесь Бп в твердом растворе ОаЬъ^Ь, полученном из расплава, обогащенного атомарным индием 92
2.4. Определение зонной энергетической диаграммы разъединенных * гетеропереходов II типа ОаГпАэБЬЛпАз..............................99
2.4.1. Экспериментальное определение типа гетероперехода и величины разрыва энергетических зон на гетерогранице ОаЫАзЗЬЯпАз.......................................................99
2.4.2. Особенности зонной энергетической диаграммы разъединенного гетероперехода II типа р-Оа1пАз8Ь/р-1пА$.................105
ГЛАВА 3. Электронный канал на одиночной разъединенной гетерогранице II типа Са1пА$8Ь/р-1пАз и изучение его магнитотранспортных свойств в слабых магнитных полях.................111
3.1. Обнаружение электронного канала с высокой подвижностью на разъединенной гетерогранице II типа р-ОаЫАэЗЬ/рЛпАз..................113
3.2. Магнитотранспорт в электронном канале в одиночных гетероструктурах II типа р(п)-Са1пхА5у8Ь/р-1пА5 с различным типом и уровнем легирования четверного твердого раствора.....................125
3.3. Истощение электронного канала на разъединенной гетерогранице
ф II типа р-Оа1пАз8Ь/р-1пА8. Роль неоднородности гетерограницы......128
3.4. Магнитотранспорт в электронном канале в одиночных гетеро-
3
структурах II типа р-ваІііхАБуЗЬ/р-ІпАБ с различным составом
♦
твердого раствора 0.03<х<0.22......................................133
3.5. Переход от ступенчатого гетероперехода II типа к разъединенному в гетероструктурах Оа(Іп)Аз8Ь/їпА8(Оа8Ь) в зависимости от состава твердого раствора..............................................137
3.6. Отрицательное магнитосопротивление в разъединенных гетероструктурах Оа1пхА8у8Ь/р-1пА8 с большим содержанием Мп в подложке іпАб..........................................................141
ГЛАВА 4. Квантовый магнетотранспорт электронном канале на одиночной разъединенной гетерогранице II типа ♦ р(п)-СаІпА88Ь/р-ІдА8..........................................153
4.1. Двумерный электронный канала на одиночной разъединенной гетерогранице II типа р-ОаІпАзЗЬ/р-ІпАБ...............................156
4.2. Энергетические подзоны в полуметаллическом канале на гетерогранице р-ваІпАзЗЬ/р-ІпАз............................................159
4.3. Квантовый эффект Холла в двумерном электронном канале на гетерогранице II типа р(п)-ваІпА88Ь/р-ІпА8............................167
4.4. Особенности энергетического спектра двумерного электронного канала в присутствии дырочной системы.................................172
4.5. Квантовый магнитотранспорт в электронном канале на разъединенной гетерогранице II типа в зависимости от легирования
твердого раствора..................................................177
4.6. Циклотронно-резонансное поглощение света в двумерном электронном канале на одиночной разъединенной гетерогранице
II типа р(п)-Оа1пхА8у8Ь/р-1пА8.....................................185
4.7. Магнитофотолюминесценция в двумерном электронном канале на
^ одиночной разъединенной гетерогранице II типа п-ОаІпАзЗЬ/р-ІпАз .. 190
4
ГЛАВА 5. Интерфейсная электролюминесценция на одиночной
*
гетерогранице II типа р(п)-Са1пАБ8Ь/р-1пА8.................200
5.1. Электролюминесценция в одиночном разъединенном гетеропереходе p-GaIno.i6Aso.22Sb/p-InAs..................................201
5.2. Механизм излучательной рекомбинации на одиночной разъъединенной гетерогранице II типа................................211
5.3. Электролюминесценция в одиночном разъединенном гетеропереходе p-GaIno.i6Aso.22Sb/p-InAs в магнитном поле.................219
5.4. Электролюминесценция на гетерогранице II типа
р-СаІпо. 17Азо.225Ь/п-Са1по.8з Або^Ь.............................221
♦ ГЛАВА 6. Лазеры для среднего ИК-диапазона 3-4 мкм на основе
гетеропереходов II типа в системе ваЗЬ-ІлАя................230
6.1. Туннельно-инжекционный лазер с p-GaI1io.17Aso.22Sb/p-InGao.17AsSbo.20 гетеропереходом в активной области.................232
6.2. Туннельно-инжекционный лазер с улучшенной температурной характеристикой.....................................................241
6.3. Поляризационные характеристики туннельно-инжекционных
лазеров..........................................................246
6.4. Температурные характеристики порогового тока лазерной структуры и подавление Оже-рекомбинации на разъединенной гетерогранице II типа...............................................252
ГЛАВА 7. Асимметричные лазерные структуры, полученные
комбинированной технологией. Сравнительные исследования 258
7.1. Модель асимметричной гетероструктуры............................258
7.2. Асимметричная лазерная структура АЮаАзЗЬЛпСаАэБЬ,
Ь полученная методом жидкофазной эпитаксии.........................263
5
7.3. Асимметричная гибридная лазерная структура
t
AlGaAsSb/InAsSb/CdMgSe, полученная комбинированным методом моллекулярно-пучковой эпитаксии....................268
7.4. Асимметричная гибридная лазерная структура InAsSbP/InAsSb/CdMgSe, полученная комбинированным методом моллекулярно-пучковой эпитаксии и жидкофазной эпитаксии.....................................................275
ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................287
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................293
*
*
6
ВВЕДЕНИЕ
В последние годы гетеропереходы II типа привлекают пристальное внимание исследователей не только своими уникальными физическими свойствами, но и широким использованием их для создания целого ряда новых электронных и оптоэлектронных приборов (малошумящие транзисторы с высокой подвижностью электронов, высокочастотные полевые транзисторы, инфракрасные лазеры, светодиоды и фотодиоды).
Фундаментальное свойство гетероперехода II типа заключается в том, что электроны и дырки пространственно разделены на гетерогранице. Это позволяет в широких пределах управлять оптическими и транспортными * свойствами таких гетероструктур и определяет в значительной степени
параметры электронных и оптоэлектронных приборов, созданных на их основе. Пространственное разделение носителей в гетеропереходах 1Г типа дает возможность получить излучение с энергией фотона, много меньшей ширины запрещенной зоны каждого из полупроводников, образующих гетеропереход, как было показано впервые Г. Кремером и Г. Грифитсом [I].
Первая реализация квантово-размерного лазера на основе гетероперехода II типа Оа1пА88Ь/Са8Ь была продемонстрирована сотрудниками ФТИ им. А.Ф. Иоффе в 1986 г. [2]. Это открыло широкие перспективы для создания эффективных когерентных источников света в среднем инфракрасном оптическом диапазоне (2-5 мкм). Данный спектральный диапазон актуален для решения задач лазерной диодной спектроскопии газов и молекул, систем лазерной дальнометрии, инфракрасных волоконных линий связи, а также медицинских применений и задач экологического мониторинга [3-6]. Однако широкое практическое использование гетероструктур II типа на основе узкозонных % полупроводников А3В5 до сих пор лимитируется недостаточным пониманием
их фундаментальных свойств и ограниченным числом экспериментально
7
исследованных систем [7]. В настоящей диссертационной работе
%
предпринята попытка, в определенной мере, восполнить этот пробел.
Известно, что гетероструктуры II типа в системе твердых растворов Оа-1п-АБ“8Ь могут образовывать гетеропереходы со ступенчатым и разъединенным расположением зон на границе раздела [8-10]. Если в гетеропереходе I типа узкозонный полупроводник как бы «вставлен» в широкозонный, и при этом скачки потенциала на гетерогранице направлены в разные стороны, то в ступенчатом гетеропереходе II типа скачки потенциала в зоне проводимости и валентной зоне на границе раздела направлены в одну сторону, и гетероструктура образует «ступеньку».
Фундаментальное отличие разъединенного гетероперехода II типа от * ступенчатого выражается в таком расположении энергетических зон на гетерогранице, при котором потолок валентной зоны одного полупроводника расположен по энергии выше дна зоны проводимости другого благодаря большой разнице в величинах электронного сродства этих материалов [11]. В данном случае эта разница превышает ширину запрещенной зоны широкозонного полупроводника, как это было обнаружено впервые на примере системы бинарных соединений СаЗЫпАэ, где энергетический зазор на гетерогранице составил Д=150 мэВ [12].
К моменту начала настоящей работы основные фундаментальные свойства ступенчатых гетеропереходов II типа Оа8Ь/Оа1пАз8Ь на основе широкозонных твердых растворов, обогащенных 0а8Ь, были ранее достаточно хорошо изучены [10,13-15]. В то же время, физические свойства разъединенных гетеропереходов II типа Оа1пАз8Ь/1пА8 вообще мало исследованы. До настоящего времени оптические и электрические свойства разъединенных гетеропереходов II типа исследовались только на одиночных изопериодиых гетероструктурах ОаБЬЛпАзо.^ЗЬо.до [16-19] или ц неизопериодных гетероструктур АЮаБЬЛпАз [20-22], а изучение магнитотранспорта было возможно только на структурах с квантовыми
8
ямами или сверхрешетками на основе напряженных гетеропереходов Оа(А1)8Ь-1пА5 [23-25].
В настоящей диссертации были проведены детальные экспериментальные и теоретические исследования фундаментальных (оптических, электрических и магнитотраспортных) свойств разъединенных гетеропереходов И типа, обусловленных особенностями гетерограницы, на примере одиночных изопериодных гетероструктур СаІпАзБЬ/ІпАз с резкой планарной границей раздела.
Впервые обнаружен электронный канал с высокой подвижностью носителей (иц~50000-70000 см^с’1 при 77 К) на одиночной разъединенной гетерогранице II типа р-ОаІпАБЗЬ/р-ІпАз, образованной двумя * полупроводниками с дырочным типом проводимости [26*]. Особенности магнитотранспорта в электронном канале в слабых и сильных магнитных полях были исследованы в широком интервале температур (2-300 К). В нашей работе было обращено внимание на тот факт, что существует переход от полуметаллического типа проводимости к полупроводниковому для одиночной гетероструктуры в зависимости от положения уровня Ферми относительно энергетического зазора на разъединенной гетерогранице II типа. Показана возможность управления свойствами электронного канала, вплоть до его истощения, в зависимости от состава и уровня легирования твердого раствора [27*,28*].
Изучение квантового магнитотранспорта и резонансного циклотронного поглощения в одиночных гетероструктурах II типа р(п)-Оа1пА$8Ь/р-1пАз в сильных магнитных полях до 18 Т при низких температурах Т<2 К позволило установить параметры двумерного электронного канала на гетерогранице и определить параметры двумерных носителей в самосогласованных квантовых ямах. Это было первое •# наблюдение целочисленного квантового эффекта Холла для электронов на
9
одиночной разъединенной гетерогранице II типа в присутствии дырочной подсистемы [29*].
Обнаружена интенсивная интерфейсная электролюминесценция в разъединенном гетеропереходе II типа р-Оа1пА58Ь/р-1пА$ в спектральном диапазоне 0.3-0.4 эВ в интервале температур 77-100 К, обусловленная туннельными излучательными переходами электронов через гетерограницу и их последующей рекомбинацией с дырками, локализованными на стороне твердого раствора [30*]. Это позволило предложить и реализовать новый туннельно-инжекционный лазер с разъединенным гетеропереходом II типа в активной области [31*]. Особенностью такого лазера является слабая
температурная зависимость порогового тока и значительное подавление * безызлучательной Оже-рекомбинации на гетерограиице II типа,
предсказанное ранее Г.Г. Зегря [32].
В настоящей работе была также проанализирована важная роль высоты барьеров на гетерогранице II типа и учтено ее влияние на вероятность интерфейсных рекомбинационных процессов через границ}' раздела, что позволило предложить использование асимметричных гетероструктур II типа с различной высотой барьеров на гетерогранице для создания квантоворазмерных лазеров на основе системы твердых растворов АЮаАБЗЬЛпОаАзЗЬЛпАБЗЬР.
Актуальность темы связана с интересом к фундаментальным свойствам гетеропереходов II типа и перспективой использования такого типа структур в электронных и оптоэлектронных приборах. Физические явления,
обусловленные пространственным разделением носителей и их локализацией в самосогласованных квантовых ямах на одиночной разъединенной гетерогранице II типа, представляют большой интерес для исследователей, ц Средний ИК диапазон в настоящее время является предметом интенсивных
исследований для решения задач экологии, медицинских и военных
10
применений, диодно-лазерной спектроскопии высоко разрешения, в областях телекоммуникаций и связи.
Целью работы является исследование фундаментальных свойств (оптических, люминесцентных и магнитотраспортньтх) разъединенных гетеропереходов II типа, обусловленных особенностями гетерограницы, на примере системы Оа1пА$8Ь/1пАз(Оа8Ь) и создание лазеров для среднего инфракрасного диапазона.
Объекты и методы исследования. Объектом исследования является система твердых растворов ваЗМпАз, которая позволяет создавать как * ступенчатые, так и разъединенные гетеропереходы в зависимости от состава твердого раствора. Выбор для исследования одиночной гетерограницы обусловлен тем, что в такой системе можно наблюдать квантовые эффекты, обусловленные только взаимодействием электронов и дырок с гетерограницей и неискаженные влиянием других гетерограниц.
Научная новизна работы состоит в обнаружении и исследовании целого ряда новых физических эффектов, оптических и магнитотранспортных, в том числе в сильных магнитных полях, обусловленных особенностями разъединенной гетерограницы И типа. В работе предлагается новый физический подход к созданию лазеров для среднего инфраркасного диапазона 3-4 мкм, а именно туннелыю-инжекционных лазеров на основе разъединенных гетеропереходов II типа, где излучательная рекомбинация обусловлена главным образом непрямыми (туннельными) оптическими переходами на гетерогранице II типа.
9 Научная и практическая значимость. Все полученные автором научные
результаты, вынесенные на защиту, являются новыми. Совокупность
И
^ решенных в работе проблем сформулирована как решение важной научной и
практической задачи - исследование фундаментальных свойств гетеропереходов II типа на основе узкозонных полупроводников А3В5, обусловленных особенностью их гетерограницы, а также и перспективность их использования для создания электронных и оптоэлектронных приборов нового поколения. Разработка технологии создания гетероструктур II типа с совершенной гетерограницей и иследование широкого класса оптических и магнито-транспортных явлений на примере системе ОаЗМпАз позволили получить убедительные доказательства локализации носителей на гетерогранице II типа и определить параметры энергетического спектра двумерных носителей в самосогласованных квантовых ямах. Детальное * исследование электронного канала с высокой подвижностью носителей в
дырочной системе р-Оа1пАз8Ь/р-1пА$ и изучение его свойств в зависимости от уровня легирования и состава твердого раствора Оа1пАз8Ь определили условия перехода от полуметаллической к полупроводниковой проводимости. Наблюдение интенсивной интерфейсной
электролюминесценции, обусловленной непрямыми (туннельными) излучательными переходами через гетерограницу II типа, позволило предложить и реализовать туннельно-инжекционный лазер на разъединенной гетерогранице II типа в активной области, работающий в спектральном диапазоне 3-4 мкм. Результаты исследований квантового магнитотранспорта в сильных магнитных полях и обнаружение квантового эффекта Холла в одиночных изопериодных гетероструктурах Оа1пАз5Ь/1пАз открывают возможность создания инфракрасного лазера, управляемого магнитным полем.
Результаты исследований, выполненных в диссертационной работе, представляют фундаментальный интерес и могут быть использованы при Ф разработке новых приборов оптоэлектроники, а также при фундаментальных
исследованиях других гетероструктур II типа, в том числе наноструктур с
12
квантовыми ямами и квантовыми точками. Результаты исследований могут быть использованы в различных организациях Российской Академии наук (ФТИ им.А.Ф.Иоффе, Санкт-Петербург; ФИАН им.Лебедева, iMocKBa; ИФТТ, Черноголовка; ИПП, Новосибирск; Институт физики микросструктур, Нижний Новгород; Институт общей физики, Москва: ИРЭ, Москва), в ГОИ им. С.В.Вавилова, Санкт-Петербург, в Санкт-Петербургском Техническом университете, в Санкт-Петербургском Техническом университете и др.
Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения.
В первой главе рассмотрены основные фундаментальные свойства гетеропереходов II типа. Приводится ряд исследований фото- и к электролюминесценции на ступенчатых гетеропереходах II типа GalnAsSb/GaSb и светоизлучательиых приборов на их основе. Коротко обсуждаются данные по оптическим свойствам и особенностям квантового магнитотранспорта на примере гетероструктур II типа со сверхрешетками в системе бинарных соединений GaSb-InAs.
Во второй главе рассмотрены особенности технологии изготовления разъединенных гетеропереходов II типа GalnAsSb/InAs. Были изучены фотолюминесцентные свойства и определен фононный модовьтй состав широкозонных четверных твердых растворов Ga|.xInxAsySbi.y для составов х<0.22, изопериодных с InAs, а также исследована зависимость ширины запрещенной зоны от состава твердого раствора. Особое внимание было посвящено определению зонной энергетической диаграммы разъединенных гетеропереходов II типа Gain As Sb/In As. Исследованы спектры
фоточувствительности и фотопроводимости, обусловленные зонной
диаграммой разъединенного гетероперехода II типа GalnAsSb/InAs.
Третья глава диссертации посвящена исследованию свойств
* магнитотранспорта на одиночной разъединенной гетерогранице II типа GalnAsSb./p-InAs в слабых магнитных полях (В<2 Т) в широком интервале
13
температур от 4 К до 300 К. Были определены параметры электронного канала на гетерогранице в зависимости от состава и уровня легирования твердого раствора Са1пАз5Ь и показано, что при высоком уровне легирования акцепторной примесью наблюдается истощение электронного канала. Исследование перехода от разъединенного гетероперехода к ступенчатому в одиночных гетероструктурах II типа Оа^АзБЬЛпАз^аБЬ) позволило выявить решающее влияние неоднородности и типа границы раздела на транспортные свойства всей гетероструктуры. Установлено, что наличие электронного канала с высокой проводимостью носителей на гетерогранице с полупроводником, обогащенным магнитной примесью, обуславливает проявление аномального характера зависимости эффекта # Холла и возникновение большого отрицательного магнитосопротивления уже при азотной температуре.
В четвертой главе особое внимание будет уделено особенностям квантового магнетотранспорта в электронном канале на одиночной разъединенной гетерогранице II типа р^-СайпАяБЬ/рЛпАь в сильных магнитных полях (В>6 Т) при низких температурах (Т<2 К). Интригующее поведение двумерной электронной системы в присутствии дырок и первое наблюдение целочисленного квантового эффекта Холла на одиночной разъединенной гетерогранице II типа Оа1пА$8Ь/1пАз будут изучены в интервале полей до 18 Т на постоянном токе и до 35 Т на переменном. При исследовании магнитотранспорта, магнито-фотолюминесценция и электронного резонансного поглощения удалось убедительно показать существование двумерной электронно-дырочной системы на одиночной разъединенной гетерогранице II типа р(п)-Оа1пА$8Ь/р-1пАь. Было установлено положение и количество электронных подзон в канале и оценены значения эффективных масс для каждой из них. Экпериментально и 4 теоретически показано, что из-за гибридизации состояний валентной зоны широкозонного полупроводника и зоны проводимости узкозонного на
14
разъединенной гетерогранице II типа происходит антипресечения уровней
И
Ландау, которые приводят к возникновению в ненулевом магнитном поле квазищелей в плотности состояний. Эти исследования открывают возможности создания нового класса лазеров, использующих в активной области излучательные переходы между уровнями Ландау и управляемые магн итным полем.
В пятой главе рассмотрена интерфейсная электролюминесценция на одиночной гетерогранице II типа р(п)-Оа1пАз8Ь/р-1пА8, обусловленная непрямыми (туннельными) излучательными переходами через гетерограницу. Показано преобладание туннельных оптических переходов электронов через гетерограницу и их последующей рекомбинацией с * дырками на стороне твердого раствора. Детально обсужден механизм излучателыюй рекомбинации на гетерогранице II типа с асимметричными разрывами зон, на примере гетеропереходов р-Са1пА58Ь/п-1пваАз8Ь и р-АЮаА88Ь/р-1пСаАз8Ь, при увеличении высоты барьеров в зоне проводимости.
В шестой главе предложен и исследован туннельно-инжекционный лазер с разъединенным гетеропереходом II типа p-Galno.17Aso.22Sb/p-InAs в активной области. Проведенный теоретический расчет температурных и пороговых характеристик такой лазерной структуры показал, что на гетерограиице II типа происходит существенно подавление Оже-процессов, что выражается в слабой температурной завимости порогового тока и уменьшении токов утечки из активной области. Преобладание ТМ-поляризации (плоскость распространения световой волны перпендикулярна плоскости р-п перехода) в спектрах когерентного излучения позволило установить роль легких дырок на разъединенной гетерогранице II типа в туннельной излучательной рекомбинации через границу раздела.
% В седьмой главе рассмотрены некоторые аспекты создания
асимметричных лазерных структур, в том числе полученные с
15
^ использованием комбинированной технологии выращивания ЖФЭ, МПЭ и
МОГФЭ. Предложена модель асимметричной лазерной структуры, сочетающей в себе преимущества гетеропереходов I и II типа.
На защиту выносятся следующие основные научные положения: Положение 1 (об одиночной гетероструктуре II типа С а | _/Ч I пч А 8 Ь | . /1пАб с резкой планарной границей раздела)
Резкая планарная гетерограница с переходным слоем (1=12 А в системе термодинамически устойчивых твердых растворов Са|.х1пхА$у8Ь|.у может быть получена методом жидкофазной эпитаксии. При этом, если широкозонный слой наращивается на узкозонную подложку, то 4 гетерограница обогащена тяжелыми ростовыми компонентами (1п и 8Ь), а
тип связи на границе раздела подобен 1п8Ь (ЬгёЬ-Ике).
Положение 2 (о разъединенном гетеропереходе II типа в системе твердых растворов СаПп-Аэ^Ь)
Гетеропереход ба|.х1пхА$у8Ь]./I п Аб на основе твердых растворов в интервале составов 0.03<х<0.25 (у=0.922х+0.076) является разъединенным
гетеропереходом II типа, при этом потолок валентной зоны широкозонного материала Оа1пАз8Ь находится по энергии выше дна зоны проводимости узкозонного полупроводника 1пА$ на величину ДЕ=40-80 мэВ в зависимости от состава твердого раствора. В гетероструктурах II типа Оа[_х1пчА8у8Ь|. уЛ}а8Ь при изменении состава твердого раствора наблюдается переход от ступенчатого гетероперехода к разъединенному, при этом гетерограница является ступенчатой при х<0.85, а при х>0.85 - разъединенной.
Положение 3 (об электронном канале на разъединенной гетерогранице II типа)
В одиночных разъединенных гетероструктурах II типа р-ва|.х1пхА$У8Ь |_у/р-41 1пА$ в интервале составов твердого раствора 0.03<х<0.25 (у=0.922х+0.076) на гетерогранице существует электронный канал на стороне узкозонного
16
полупроводника с высокой подвижностью электронов Цн=40000-70000 см В' ‘с'1, шириной 6=150-400 А и двумерной концентрацией электронов в канале на уровне Ферми п$=3-9х10п см'3 при Т=77 К.
Положение 4 (об аномальном эффекте Холла и отрицательном магнитосопротивлении)
В одиночных разъединенных гетероструктурах II типа р-Оаі.хІпхАвувЬі-у/р-ІпАьіМп с электронным каналом на гетерогранице в слабых магнитных полях (до З Т) наблюдается аномальный характер зависимости коэффициента Холла от температуры и от магнитного поля и отрицательное магнитосопротивление, обусловленное обменным Б-р взаимодействием электронов, локализованных в электронном канале на гетерогранице, с магнитными примесями Мп в подложке при концентрации марганца р>5*!0|Всм'3.
Положение 5 (о квантовом эффекте Холла на одиночной разъединенной гетерогранице II типа)
В одиночных разъединенных гетероструктурах II типа р-Оаі.хІпхАзу8Ьі.у/р-1пА$ с самосогласованными квантовыми ямами на гетерограиице, содержащими две электронные (Е| и Е2) и одну дырочную подзоны, в сильных магнитных полях (В>9 Т) при низких температурах (Т<2 К) существуют плато целочисленного квантового эффекта Холла с факторами заполнения у=2, 3 и 6 в ультраквантовом пределе для подзоны Еь при этом квантовый эффект Холла наблюдается в присутствии дырочной подсистемы.
Положение 6 (о локализации носителей на разъединенной гетерогранице II типа)
В спектре электролюминесценции изотипной разъединенной гетероструктуры II типа р-Са1пхА$у8Ь/р-1пАб в интервале температур 4-100 К при приложении внешнего обратного смещения возникают одна или более полос излучения, сильно смещенные по энергии в длинноволновую сторону относительно ширины запрещенной зоны узкозонного полупроводника и
обусловленные туннельной рекомбинацией через гетерограницу электронов, локализованных в квантовой яме на стороне рЛпАв, с дырками, локализованными вблизи гетерогранице на стороне широкозонного твердого раствора р-ОаГпАзБЬ.
Положение 7 (о когерентном излучении в разъединенном гетеропереходе II типа)
В туннельно-инжекционном лазере на основе гетероперехода II типа р-Оа1пхА8у8Ь/р-1п(Оа)Аз(8Ь) в активной области при приложении внешнего смещения генерация когерентного излучения происходит за счет заполнения пространственно разделенных самосогласованных квантовых ям для электронов и дырок на гетерогранице с последующей излучательной
* рекомбинацией за счет туннелирования через гетеробарьер II типа.
Положение 8 (об асимметричной лазерной структуре II типа)
В асимметричной лазерной структуре, в которой узкозонная активная область заключена между двумя более широкозонными ограничительными слоями, образующими между собой гетеропереход II типа с высотами гетеробарьеров на границе раздела больше ширины запрещенной зоны активной области (ДЕс,ДЕу»Ео), обеспечивается хорошее удержание (ограничение) электронов и дырок, а излучательная рекомбинация происходит в узкозоиной активной области как в гетеропереходе I типа.
Основное содержание диссертации отражено в 38 научных статьях [26*,27*, 28*,29*,30*,31 *,101*,107*,117*, 123*, 124*, 125*, 126*, 149*, 157*, 166*,176*, 178*,179*,181*,197*,198*,199*,223*,225*,226*,227*,228*,235*,236*,238*, 239*, 240*, 241 *, 242*,266*,267*,269*].
Апробация работы. Результаты исследований, вошедшие в диссертацию,
# докладывались на Всероссийских и международных конференциях и симпозиумах: 2-13 Международные Симпозиумы “Наноструктуры: Физика и
18
Технология” (Санкт-Петербург, 1994-2005); 7 Международная конференция по полупроводниковым модуляционным материалам (Банф-Альберта, 1994); 6 Международная конференция по модуляционным полупроводниковым структурам (Льеж, 1995); Международный симпозиум по исследованию полупроводниковых приборов (Шарлотсвилль, 1995, 1997); 2,3,6 Российские конференции по физике полупроводников (Санкт-Петербург, 1996, 2003, Москва 1997); 23 Международный симпозиум по полупроводниковым соединениям (Санкт-Петербург, 1996); конференции Международного Оптического Инженерного общества (SPIE) (Сан-Хосе, 1995-1997, 2000, 2002, 2003); Международный конгресс Общества по исследованию материалов (MRS) (Бостон, 1997); 2-7 Международные конференции по Э оптоэлектронным материалам и приборам для среднего ИК-диапазона (MIOMD) (Прага, 1998; Аахен, 1999; Монпелье, 2001; Аннаполис, 2002; Санкт-Петербург, 2004; Ланкастер, 2005); 9 Международная конференция по изучению пленок и поверхностей (Копенгаген, 1998); 32 Всероссийское совещание по физике низких температур (Казань, 2000); конференция по лазерам и электро-оптике (CLEO) (Ницца, 2000); конференция Королевского Общества по физике (Лондон, 2000); 19 Европейская конференция по изучению поверхности (Мадрид, 2000); Международный симпозиум по коррелированным эффектам в двухмерных электронных системах (Ланкастер, 2001); 11 Международная конференция Американского Электро-Оптического общества (LEOS) (Сан-Диего, 2001); Международная конференция по инфракрасным когерентным источникам (Санкт-Петербург, 2001); 14 Международная конференция по электрическим свойствам двумерных систем (Прага, 2001); 12 Международная конференция по технологии молекулярно-пучковой эпитаксии (Сан-Франциско, 2002); 11-12 Международная конференция по узкозонным полупроводникам (NGS) щ (Буффало, 2003; Тулуза, 2005); симпозиум Американского Физического общества (Торонто, 2004); 26 Международная конференция по физике
19
полупроводников (Флагстаф, 2004); Международная конференция «Дни Российской науки в Польше» (Варшава, 2004); 14 Международная
конференция по динамике неравновесных носителей в полупроводниках (Урбана-Шампань, 2005).
ГЛАВА 1. Гетеропереходы II типа в полупроводниках А3В\
Развитие физики и технологии гетероструктур в полупроводниках А3В5 показало многогранность применений их как для фундаментальных исследований, так и для решения прикладных задач. Трудно переоценить тот рывок в развитии технологии оптоэлектронных и электронных приборов, который был совершен с внедрением гетероструктур. Гетеропереход можно определить как неоднородную структуру, изготовленную из двух различных полупроводников с различной шириной запрещенной зоны. Возможность создания эпитаксиальных структур, содержащих произвольный набор слоев твердых растворов (включая широкозонные и узкозонные, легированные и нелегированные, толстые и ультратонкие на уровне нескольких нанометров) позволили создавать весьма сложные гетероструктуры, в том числе структуры с квантово-размерными слоями. Гетероструктуры позволили решить общую проблему управления фундаментальными параметрами в полупроводниковых кристаллах, таких как ширина запрещенной зоны, эффективные массы носителей заряда и их подвижности, показатель преломления, спектральный энергетический диапазон и т.д. В работе [33] Ж.И.Алферов с сотрудниками показали возможность лазерной генерации в структуре с гетеропереходами I типа в системе ОаАь/АЮаАз. Дальнейшее усовершенствование технологии роста и конструкции лазерной структуры, приведшее к уменьшению пороговой плотности тока менее 1 кА/см2, сделало возможным непрерывный режим генерации при комнатной температуре [34] и раскрыло огромные перспективы практических применений в производстве полупроводниковых лазеров. В начале 80-х годов прошлого века Г. Кремер и Г. Гриффитс опубликовали работу, стимулировавшую повышенный интерес к гетеропереходам II типа [1]. Реализация инжекционного лазера на основе гетеропереходов II типа в системе Оа8Ь/Оа1пАз5Ь открыла хорошие перспективы для создания эффективных источников света в инфракрасном
оптическом диапазоне [2]. Благодаря особенностям зонной энергетической структуры, гетероструктуры II типа в системе соединений А3В3 открывают новые возможности как для фундаментальных исследований, так и для приборных применений, реализация которых на гетероструктурах I типа невозможна. Однако до настоящего времени практическое применение гетероструктур II типа лимитируется недостаточным пониманием их фундаментальных свойств и ограниченным числом экспериментально исследованных систем [7].
В дайной главе будут рассмотрены основные фундаментальные свойства гетеропереходов II типа в полупроводниках А3В5. Изучение фундаментальных свойств гетероструктур II типа давно привлекает внимание * исследователей. Это вызвано уникальной особенностью взаимного расположения энергетических зон двух полупроводников, образующих гетеропереход, когда разрывы потенциала на гетерогранице в зоне проводимости и валентной зоне имеют одинаковый знак. Такое расположение зон представляет значительное преимущество в перестройке эффективной запрещенной зоны в интервале от средней до дальней инфракрасной области спектра.
§ 1.1. Типы энергетических диаграмм гетеропереходов в полупроводниках А В5
В зависимости от взаимного расположения полупроводников, образующих гетеропереход, различают несколько типов энергетических диаграмм гетеропереходов I типа и II типа. При этом гетеропереходы II типа подразделяются на ступенчатые и разъединенные. Таким образом, в ф гетеропереходе возможны три варианта взаимного расположения энергетических зон полупроводников [35].
22
Ее
Ес
AlSb/GaSb (type I)
AlSb/InAs type II (staggered)
GaSb/InAs type II (broken-gap)
a) b) c)
Рис. 1-1. Типы гетеропереходов в полупроводниках А°В'
Наиболее известен случай, когда края зон широкозонного полупроводника «охватывают» края зон узкозонного, при этом узкозонный полупроводник оказывается «вставленным» в широкозонный и скачки потенциала на гетерогранице для зоны проводимости и валентной зоны имеют противоположные знаки, и гетеропереход называют гетеропереходом I типа (рис. 1.1 а). К такому типу гетероперехода относится ряд наиболее изученных гетеропар, например ОаА8/ОаА1А$, Оа1пА$/1пР, Са1пРЛЗаА5, А18Ь/Оа8Ь [36]. В квантовых ямах и сверхрешетках, изготовленных из таких % пар полупроводников, заполненные состояния в зоне проводимости находятся с той же стороны от гетерограницы, что и заполненные состояния
23
в валентной зоне. Такие структуры называют пространственно прямыми. В этом случае оба типа носителей заряда находятся и излучательно рекомбинируют в одном и том же материале.
Для некоторых пар полупроводников и зона проводимости, и валентная зона на гетерогранице могут быть сдвинуты по энергии в одном направлении (рис. 1 ЛЬ). В случае если скачки потенциала для соответствующих энергетических зон на границе раздела имеют одинаковый знак, гетеропереход называют гетеропереходом II типа. При этом реализуется такая зонная структура, в которой дно зоны проводимости одного полупроводника расположено с одной стороны от границы раздела перехода, а потолок валентной зоны другого полупроводника - с другой. Сама гетероструктура образует «ступеньку», поэтому гетеропереходы II типа прозвали «ступенчатыми». Энергетический зазор между ними, или эффективная запрещенная зона, оказывается меньше, чем наименьшая из двух запрещенных зон в исходных полупроводниках, образующих гетеропереход [35]. Основной особенностью гетероперехода II типа является то, что электроны и дырки локализуются по разные стороны границы раздела, и такие гетероструктуры называют пространственно непрямыми. Несмотря на это, волновые функции электронов и дырок перекрываются на гетерогранице за счет туннельного проникновения хвостов состояний под потенциальный барьер на границе раздела, и становиться возможной излучательная рекомбинация, при которой энергия испущенных фотонов меньше, чем ширина запрещенной зоны узкозонного полупроводника, как было впервые показано Г. Кремером и Г. Гриффитсом [I].
Одинаковый знак разрывов энергетических зон на гстерогранице II типа приводит, при выравнивании уровня Ферми для всей гетероструктуры, к формированию по обе стороны от гетероперехода самосогласованных потенциальных ям для электронов и дырок, соответственно. Очевидно, что близко расположенных носителей заряда, разделенных относительно
невысоким потенциальным барьером, существует конечная вероятность
Р
туннельных излучательных переходов через гетерофаницу и может появиться специфический канал рекомбинации, отсутствующий у гетеропереходов I типа. Излучение в гетероструктурах II типа возникает за счет непрямых (туннельных) рекомбинационных переходов через гетерограницу электронов и дырок, локализованных в самосогласованных квантовых ямах по разные стороны границы раздела [37].
Многообразие гетеропереходов II типа в полупроводниках представлено такими гетеропарами как А11пА$ЯпР, 1пА$8ЬЛпАз, АЮаЗЬЯпАэ, ХпАзЗЬ/ОаБЬ, ПЮаАБ/ОаАзЭЬ, ОаШАзБЬ/ОаЗЬ, ваЫАзЗЬЛпАБ и др. [37]. Наиболее широко изучены гетеропереходы II типа на основе * соединений, наиболее близких друг другу по постоянной решетки (А18Ь,
ваБЬ и 1пА$), так называемое семейство полупроводников 6.1 А [38]. Гетероструктуры II типа могут образовывать как ступенчатые, так и разъединенные гетеропереходы в зависимости от состава твердого раствора
[10.21]. Разъединенные гетеропереходы II типа иногда еще называют гетеропереходами III типа, однако это все-таки особая разновидность предельный случай ступенчатого перехода II типа. Если ступенчатое расположение зон довести до разрыва в запрещенной зоне, тогда дно зоны проводимости широкозонного полупроводника будет расположено по энергии ниже потолка валентной зоны узкозонного (рис. 1.1 с). Предельным случаем ступенчатого гетероперехода АЮаБЬЛпАэ является разъединенная гетероструктура ОаЭЬЛпАз с разрывом в запрещенной зоне порядка 150 мэВ
[11.22].
Гетероструктуры на основе бинарных соединений являются напряженными структурами, поскольку параметры решеток Оа8Ь и 1пА$ достаточно сильно различаются. Это не дает возможности наращивать 4 толстые (более 0.5 мкм) эпитаксиальные слои из-за ограничения по
критической толщине, однако последовательный набор из нескольких
25
сверхтонких слоев ОаБЬ и 1пАб позволяет получать структуры с квантовыми ямами и сверхрешетки, которые могут в некоторой степени отражать некоторые свойства гетероперехода II типа. В этом случае количество гетерограниц в эпитаксиальных структурах более чем одна. Известно, что гетерограница представляет собой, в общем случае, неоднородность и может служить центром безызлучательных и токовых потерь для всей структуры [35]. Для того, чтобы иметь возможность изучать свойства одиночной гетерограницы, следует выполнить условия изопериодности гетероструктуры, т.е. наилучшего согласования постоянных кристаллической решетки полупроводников, образующих гетеропереход. Существует только две изопериодные пары для тройных твердых растворов в семействе 6.1 А, || образующие гетеропереходы II типа: InAs0.91Sb0.09/GaSb [16,39,40] и GaAso.osSbo.92/InAs [41,42].
Возможность получения непрерывного ряда четверных твердых растворов Ga1.xInxAsySb1.y9 изопериодных с Оа8Ь, позволило расширить диапазон существования гетеропереходов II типа [43-47]. Гетеропереходы II типа в системе твердых растворов Оа$Ь/Оа1пхА5у8Ь как ступенчатые для составов х<0.25, так и разъединенные для составов х>0.89 подробно описаны в [10]. До настоящего времени наибольшее внимание в литературе было уделено получению и исследованию гетеропереходов СаЗЬ/ОаГпАзБЬ, тогда как разъединенные гетероструктуры II типа ОаГпА^ЬЛпАя, практически, не исследованы.
§ 1.2. Ступенчатые гетероструктуры II тина в системе А1СаА$8Ь-1пА5
Ступенчатое расположение энергетических зон в гетеропереходе ф может приводить к неодинаковым разрывам на границе раздела либо в зоне проводимости, либо в валентной зоне. Для гетеропары АКва^ИпАя
26
наблюдается большой разрыв в зоне проводимости на гетерогранице, который равен 1.3-1.35 эВ [48-50]. Высокие потенциальные барьеры обеспечивают сильное пространственное ограничение электронов в квантовой яме А18Ь/1пА$/А18Ь, что позволяет получать различный набор уровней размерного квантования в зависимости от ширины слоя узкозонного полупроводника. Подобная особенность зонной энергетической диаграммы квантовой ямы А18Ь/1пАз/А18Ь оказывается весьма привлекательной для создания оптоэлектронных приборов, использующих рекомбинационные переходы между электронными подзонами и работающих в дальнем инфраркасном оптическом диапазоне А>5 мкм (квантово-каскадные лазеры [51-53], фотодетекторы [54,55] и др). Основные принципы работы ♦ светоизлучающих приборов на межподзонных электронных переходах были рассмотрены Ф. Капассо с сотрудниками в работе [56].
Как уже было сказано выше, заменяя атомы алюминия на атомы галлия в кристаллической решетке широкозонного твердого раствора можно управлять разрывами зон (валентной и зоной проводимости) на гетерогранице, что приведет к изменению вида гетероперехода II типа от ступенчатого расположения зон к разъединенному'. Для гетеропереходов на основе А1хОа|.х8ЬЛпАз это возможно в интервале составов х<0.34 [20-22,38,57]. Для изопериодных гетероструктур на основе четверных твердых растворов AlxGai.xAsi.ySby точка перехода сдвигается в сторону меньших значений х<0.17 [58].
§ 1.3. Разъединенные гетероструктуры II типа в системе Са8Ь-1пА$
Исследования одиночных гетероструктур ОавЬЛпАз на основе у бинарных соединений недостаточно представлены в литературе вследствие сильных напряжений и деформаций, возникающих при наращивании толстых
27
эпитаксиальных слоев из-за превышения критичной толщины эпитаксиального слоя, вызванной существенным рассогласованием параметров постоянной решетки (<21^=6.0584 А и ^оа$ь:=:6.096 А [59]). Ситуация аналогичная той, что и в случае для гетеропереходов А18Ь/1пАв, где разница между постоянными решеток еще больше (<2А|5ь=6.138 А [38]). Б работе [8] были изучены вольт-амперные характеристики гетеропереходов Ini.xGa.vAs-GaAsySbf.v- Было установлено, что для составов х,у>0.1 вольтамперные характеристики гетероперехода п-ЫОаАэ/р-ОаАзЗЬ демонстрируют почти линейную зависимость тока от напряжения, что является характерной особенностью полуметаллического типа проводимости в разъединенном гетеропереходе II типа. Кроме того, было показано, что * переход от полуметаллической проводимости к полупроводниковой для одиночной гетероструктуры II типа СаЭЬЛпАз может быть осуществлен не только путем изменения состава, но и типом легирования полупроводников, образующих гетеропереход. В разъединенном гетеропереходе II типа п-ОаБЬ/рЛпАБ наблюдалась выпрямляющая вольтамперная характеристика, характерная для диодных структур с областями пространственного заряда [60]. Основное же внимание исследователей было уделено квантоворазмерным структурам на основе нескольких слоев с характерными толщинами в интервале 4-50 нм, таким как одиночная квантовая яма ОаЗЬЛпАзАЗаЗЬ или сверхрешетки Оа8Ь/1пАз [24,61,62]. Образцы для исследования выращивались в основном методами МВБ [8] и МОУРЕ [25].
Полуметаллическое состояние для проводимости системы на основе одиночной квантовой ямы Р-Са5Ь/п-1пА$/Р-Са8Ь возникает при превышении критической толщины узкозонного полупроводника: с11пАз>8.5 нм [63-65]. Тогда переход к полупроводниковому состоянию можно осуществить, уменьшая толщину узкозонного слоя 1пАб [66]. Кроме того, система будет ф демонстрировать полупроводниковую проводимость при приложении магнитного поля или внешнего гидростатического давления [67,68].
28
В одиночной квантовой яме ОаЗЬЛпАБ/СаЗЬ на основе преднамеренно нелегированных материалов возникает уникальная ситуация, когда две высокопроводящие системы носителей заряда с противоположными знаками типа проводимости расположенные близко друг к другу, но, в тоже время, пространственно разделены границей раздела: электроны в узкозонном 1пАб и дырки вблизи гетерограниц на сторонах СаЭЬ [61]. Конечная высота потенциального барьера на гетерогранице позволяет взаимному проникновению волновых функций электронов и дырок в соседние материалы и их перекрытию вблизи гетерограницы. В этом случае на примере одиночной квантовой ямы на основе разъединенных гетеропереходов II типа Оа8Ь/1пА8 появляется возможность изучения оптических и квантовых магнитотранспортных свойств самосогласованных систем электронов и дырок [69-72]. Однако существование двух гетерограниц требует точной симметрии системы, что не всегда воспроизводимо.
Электроны в узкозонной квантовой яме СаЗЬЛпАз/ОаБЬ появляются за счет перетекания их с поверхностных состояний тонкого верхнего эпитаксиального слоя Ста8Ь толщиной порядка 20-80 нм или из объема валентной зоны подложки ваБЬ [73]. Уровень поверхностного состояния для Са8Ь расположен в запрещенной зоне на 0.2 эВ выше потолка валентной зоны. Данные по изучению отрицательной фотопроводимости в структурах Са8Ь/1пАз/Са8Ь выявили существенный вклад глубоких примесных состояний в качестве источника электронов для узкозонной квантовой ямы, что также наблюдалось для квантовых ям А18Ь/1пА$/А18Ь [74].
Существование двух различных источников электронов приводит к некоторому отклонению от симметричности в зонной энергетической диаграмме всей квантовой ямы и к дисбалансу носителей в квантоворазмерных каналах. Двумерных электронов в узкозонной квантовой яме оказывается почти на порядок больше, чем дырок в каналах на стороне ваБЬ,
спектр которых может быть не квантован. В результате, особенности
*
квантового магнитотранспорта отражают разницу степени заполнения электронных и дырочных энергетических подзон в квантовых ямах, т.е. число нескомпенсированных носителей в электронно-дырочной системе [75-77]. Тогда, результирующий фактор заполнения наблюдаемых плато квантового эффекта Холла на кривых поперечного магнитосопротивления (число заполненных уровней Ландау) можно представить в виде выражения:
V = \^е — V,,, (1-1)
где уеиуг электронный и дырочный факторы заполнения уровней Ландау соответствующих энергетических подзон размерного канвтоввания.
Наличие нескольких гетерограниц приводит к существенному * усложнению объекта исследования, что влияет на электрические, оптические и магнитотранспортные свойства структуры в целом, поэтому выбор для изучения одиночной гетероструктуры вызван условиями минимизации дополнительного влияния на исследуемые явления. В такой системе можно наблюдать квантовые эффекты, обусловленные только взаимодействием электронов и дырок с границей раздела и неискаженные влиянием других гетерограниц.
§ 1.4. Ступенчатые гетеропереходы II типа Са1пА88Ь/Са8Ь.
В работе [78] было показано, что одиночная гетероструктура Gao.goIno.20Aso.i8Sbo.g2/GaSb представляет собой ступенчатый гетеропереход II типа с разрывами потенциала на гетерогранице в зоне проводимости и валентной зоне АЕс=0.3 эВ и АЕу^0.09 эВ, соответственно. Зонная энергетическая диаграмма гетероперехода р^аГпАзЗЬ/р-СаБЬ представлена •V на рисунке 1-2. Из рисунка видно, что в таком гетеропереходе в термодинамическом равновесии на границе раздела заполнена только
30