ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение 6
Глава 1. Обзор литературы и постановка задачи.
1.1 Формирование квантовых точек. 11
1.1.1 Общие сведения. 11
1.1.2 Спонтанное упорядочение полупроводниковых наноструктур. I2
1.1.3 Упорядоченные массивы трехмерных когерентно напряженных островков. 14
1.1.3.1 Общая морфология рассогласованных гетероэпитаксиальных систем. 14
1.1.3.2 Равновесное состояние в системе когерентно напряженных трехмерных островков. 15
1.1.4 Технология получения и структурные исследования трехмерных островков ЫАь / ОаА$. 21
1.1.4.1 Влияние прерывания роста на образование островков. 25
1.1.4.2 Влияние давления мышьяка на морфологию гетерофазной системы. 25
1.1.4.3 Высокотемпературный отжиг. 27
1.1.4.4 Особенности роста квантовых точек 1пАз на вицинальых поверхностях ОаА$. 28
1.1.4.5 Влияние заращивания квантовых точек 30
1.1.5 Массивы вертикально связанных кван товых точек. 30
1.2 Электронная структура и оптические свойства. 32
1.2.1 Требования, предъявляемые к квантовым точкам. 32
1.2.1.1 Минимальный размер. 32
3
1.2.1.2 Максимальный размер.
1.2.1.3 Структурное совершенство, плотность и однородность.
1.2.2 Формирование упорядоченных массивов квантовых точек.
1.2.3 Взаимосвязь режимов роста и оптических свойств квантовых точек.
1.2.3.1 Структуры, полученные при субмонослойиом осаждении.
1.2.3.2 Трехмерные островки: Влияние количества осажденного материала, давления мышьяка и прерываний роста на фотолюминесценцию квантовых точек.
1.2.3.3 Влияние высокотемпературного отжига на фотолюминесценцию квантовых точек.
1.2.3.4 Влияние зарашивания на фотолюминесценцию квантовых точек.
1.2.4 Г еометрия и спектр электронных состояний квантовых точек.
1.2.5 Фононный спектр и резонансная фотолюминесценция квантовых точек.
1.2.6 Влияние гидростатического давления на фотолюминесценцию квантовых точек 1пА$.
1.2.7 Люминесценция вертикально связанных квантовых точек.
1.3 Постановка задач.
33
34
34
38
38
39
41
42
43
49
51
52
54
4
Глава 2. Техника н методика эксперимента.
2.1 Получение образцов методом субмонослой ной миграцион но-стимул ирован ной эпитаксии.
2.2 Методика проведения экспериментов.
2.2.1 Изучение спектров фотолюминесценции.
2.2.2 Изучение спектров возбуждения фотолюминесценции.
2.2.3 Изучение спектров фотолюминесценции при гидростатическом давлении.
Глава 3. Спектры фотолюминесценции квантовых
точек, выращенных на вицинальных подложках.
3.1 Особенности формирования квантовых точек на вицинальных поверхностях.
3.2 Спектры фотолюминесценции квантовых точек, выращенных на разориентированных подложках.
3.3 Зависимость спектров ФЛ КТ от интенсивности возбуждения.
3.4 Зависимость спектров ФЛ КТ от энергии возбуждающего излучения.
3.4.1 Спектры ФЛ при надбарьерном и подбарьерном возбуждении.
3.4.2 Спектры возбуждения ФЛ.
3.5 Основные результаты и выводы.
Глава 4. Температурная зависимость спектров
фотолюминесценции квантовых точек 1пА$/СаА$.
4.1 Температурная зависимость спектров фотолюминесценции для разных образцов.
55
60
60
63
64
67
70
83
90
90
92
95
97
5
4.2 Исследование температурной зависимости полуширины и спектрального положения составляющих спектра фотолюминесценции
квантовых точек ЛгЛз/СаАз 7°|001 ]. 103
4.3 Исследование температурной зависимости интегральной интенсивности составляющих спектра фотолюминесценции квантовых точек
1пЛ5/СаЛ8 7°[001]. 108
4.4 Основные результаты и выводы. 113
Глава 5. Спектры фотолюминесценции квантовых точек под влиянием гидростатического давления.
5.1 Введение. 115
5.2 Исследование спектров фотолюминесценции при гидростатическом давлении при температуре Г-77 К. 117
5.3 Температурная зависимость спектров ФЛ при гидростатическом давлении. 124
5.4 Основные результаты и выводы. 129
Заключение 130
Литература 136
о
ВВЕДЕНИЕ
Сейчас очень трудно представить современную физику твердого тела без полупроводниковых гетероструктур. Полупроводниковые гетероструктуры и особенно двойные гетероструктуры, включая квантовые ямы, нити и точки, являются сегодня предметом исследований 2/3 исследовательских групп в области физики полупроводников [1].
Если возможность управления типом проводимости полупроводника с помощью легирования различными примесями и идея инжекции неравновесных носителей заряда были теми семенами, из которых выросла полупроводниковая электроника, то гетероструктуры дают возможность решить значительно более общую проблему управления фундаментальными параметрами в полупроводниковых кристаллах и приборах: шириной запрещенной зоны, эффективными массами носителей и их подвижностями, показателем преломления, электронным энергетическим спектром и т. д.
Гетероструктуры с пространственным ограничением носителей заряда во всех трех измерениях (квантовые точки) реализуют предельный случай размерного квантования в полупроводниках, когда модификация электронных свойств материала наиболее выражена. Электронный спектр идеальной квантовой точки (КТ) представляет собой набор дискретных уровней, разделенных областями запрещенных состояний, и соответствует электронному спектру одиночного атома, хотя реальная КТ при этом может состоять из сотен тысяч атомов [2]. Таким образом, появляется уникальная возможность моделировать эксперименты по физическим атомам на макроскопических объектах. С приборной точки зрения, атомоподобный электронный спектр носителей в КТ в случае, если расстояние между уровнями заметно больше тепловой энергии, дает
7
возможность устранить основную проблему современной микро- и оптоэлектроники — ’’размывание” носителей заряда в энергетическом окне порядка кТ, приводящее к деградации свойств приборов при повышении рабочей температуры. Кроме того, все важнейшие для применений характеристики материала, например время излучательной рекомбинации, время энергетической релаксации между электронными подуровнями, коэффициенты оже-рекомбинации и т. д., оказываются кардинально зависящими от геометрического размера и формы КТ, что позволяет использовать одну и ту же иолу проводниковую систему для реализации приборов с существенно различающимися іребованиями к активной среде.
В течение долі ого времени во всем мире предпринимались попытки изготовления КТ и приборов на их основе 'Традиционными способами”, например путем селективного травления структур с квантовыми ямами [3], роста на профилированных подложках, на сколах [4}, или конденсации в стеклянных матрицах [5]. І Гри этом приборно-ориентированные структуры так и не были созданы, а принципиальная возможность реализации атомоподобного спектра плотности состояний в макроскопической полупроводниковой структуре нс была продемонстрирована в явном виде.
Качественный прорыв в данной области связан с использованием эффектов самоорганизации полупроводниковых наноструктур в гетероэпитаксиальных полупроводниковых системах. Таким образом были реализованы идеальные гетероструктуры с квантовыми точками с высоким кристаллическим совершенством, высоким квантовым выходом излучательной рекомбинации и высокой однородностью по размерам (-10%). В полученных структурах были впервые продемонстрированы уникальные физические свойства, ожидавшиеся для идеальных КТ в течение многих лет, исследованы электронный спектр КТ, эффекты, связанные с энергетической релаксацией и излучательной рекомбинацией
8
неравновесных носителей, и т. д. и получены первые оптоэлектронные приборы, такие как инжекционные гетеролазеры на КТ.
Эффекты самоорганизации при молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) и её разновидностях в полупроводниковых системах А'В экспериментально подтверждены работами последних лет [2]. В случае использования полупроводниковой системы ПтЛз/СаАБ возможно получение массива КТ при достижении критической толщины арсенида индия, осажденного на подложку арсенида галлия непосредственно при МПЭ (9, 25]. Данный эффект объясняется релаксацией упругих напряжений, возникающих при росте в гетсроэпитаксиальной системе с рассогласованными постоянными решеток по механизму Странски-Крастанова. Установлено влияние на спектры фотолюминесценции (ФЛ) латеральных размеров, поверхностной плотности и степени пространственной упорядоченности КТ. В свою очередь большинство этих факторов регулируется технологическими условиями и кинетикой роста. Было показано, что использование режима субмонослойной миграционно-стимулированной эпитаксии (СМСЭ) и вицинаэьных подложек ОэАб позволяет получать массивы КТ 1пА$ с наиболее близкими латеральными размерами, что проявляется в сужении их полосы ФЛ [6-12].
При некоторых условиях наблюдается более сложная структура спектра ФЛ КТ: основная полоса, интерпретируемая как экситонная рекомбинация электрона и тяжелой дырки в основном состоянии КТ, оказывается неоднородно уширенной, а в ряде случаев проявляются и дополнительные максимумы излучения. Происхождение этих максимумов в настоящее время интенсивно дискутируется [13-18].
В настоящей работе приведены исследования, позволяющие детерминировать полосы, составляющие структуру спеклра ФЛ. Решение этой проблемы имеет принципиальное значение, поскольку выяснение механизмов рекомбинации, ответственных за появление полос излучения,
V
может послужить дальнейшему продвижению в понимании электронной структуры, и процессов, происходящих в КТ 1пА$ на вицинальных
подложках СаЛв.
Для реализации поставленной цели в настоящей работе проведено систематическое изучение спектров ФЛ ансамбля двумерных массивов КТ іпАб, выращенных методом СМСЭ на вицинальных подложках ОзАбООО) с различными направлениями и углами разориентации при осаждении слоя 1пА$ толщиной 1.8 монослоя, которая близка к критической. В качестве основного экспериментального метода использовалась стационарная ФЛ при различных внешних воздействиях: возбуждение различной плотности и разного спектрального состава, температура, гидростатическое давление.
Настоящая диссертационная работа состоит из введения, шести глав и заключения.
В первой главе представлен обзор литературы по вопросам формирования КТ, их электронной структуры и оптических свойств.
Во второй главе дано описание техники и методики эксперимента по изучению спектров ФЛ и спектров возбуждения люминесценции КТ ІпАд на вицинальных подложках ваЛБ. Описана методика получения КТ методом СМСЭ.
В третьей главе приводятся экспериментальные данные по изучению спектров ФЛ КТ 1пАб на вицинальных подложках ОаАэ. Сюда включены измерения спектров ФЛ при различных интенсивностях возбуждения (Т=77К).
В четвер гой главе описаны результаты по изучению спектров ФЛ КТ іпАб, измеренных в интервале 4.2 - 77К и выше.
В пятой главе изложены результаты экспериментов по исследованию спектров возбуждения ФЛ КТ ІпАя/ОаАя при температурах 4.2К и 77К.
В шестой главе приводятся результаты изучения спектров ФЛ при температуре 77К под влиянием гидростатического давления.
ш
В заключении кратко сформулированы основные результаты и выводы работы.
Основные положения работы, выносимые на защиту:
1. Увеличение угла разориентации подложки приводит к коротковолновому смещению и сужению полосы ФЛ, что свидетельствует об уменьшении средних размеров КТ и их дисперсии.
2. Структуру спектра ФЛ при низких плотностях возбуждения формируют группы КТ 1пД5, излучающие с террас, уширенных за счет эффекта складывания моноступеней на разориентированной поверхности ваАв.
3. Интенсивная высокоэнергетическая полоса (1.37эВ) спекгра ФЛ у образцов с относительно высокой степенью разориентации (5° и 7°) впервые интерпретируется рекомбинационным излучением КТ, изолированных от основного массива из-за нарушений сплошности смачивающего слоя.
4. По поведению температурной зависимости интегральной интенсивности полос ФЛ и из спектров возбуждения ФЛ установлено участие возбужденного экситонного состояния в рекомбинационном излучении КТ.
5. Впервые обнаружена зависимость величина барического коэффициента от размера КТ, обусловленная наличием ноля внутренних деформаций, дающих дополнительный (к чисто размерному) вклад в энергетический сдвиг уровней КТ.
11
ГЛАВА 1
ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1.1 Формирование квантовых точек.
1.1.1 Общие сведения.
В 80-е годы, прогресс в физике двумерных гетероструктур с квантовыми ямами и их прикладных применениях, привлек многих ученых к изучению систем, обладающих еще меньшей размерностью — квантовых проволок (КП) и квантовых точек (КТ) И]. В отличие от квантовых ям, где носители ограничены в направлении, перпендикулярном к слоям, и могут двигаться свободно в плоскости слоя, в квантовых проволоках носители заряда ограничены в двух направлениях и свободно перемещаются только вдоль оси проволоки. В квантовых ’Точках” — ’’искусственных атомах”, носители заряда ограничены уже во всех трех направлениях и обладают полностью дискретным энергетическим спектром.
Наиболее многообещающим методом формирования упорядоченных массивов КП и КТ является метод, использующий явление самоорганизации на кристаллических поверхностях. Релаксация напряжений на краях ступеней или граней может приводить к формированию упорядоченных массивов КП и КТ в случаях роста как согласованных, так и рассогласованных по параметру решетки материалов. Спонтанное формирование на кристаллических поверхностях различных упорядоченных структур, имеющих периодичность, намного большую параметра решетки, было предметом интенсивных теоретических исследований.
12
1.1.2 Спонтанное упорядочение полупроводниковых наноструктур
При рассмотрении физических механизмов спонтанного возникновения упорядоченных наноструктур принято различать две принципиальные возможности [2]. Во-первых, упорядоченные наноструктуры могут возникать в замкнутых системах, например, при отжиге образцов или при длительном прерывании роста. Такие структуры являются равновесными, и для их описания используется термодинамический подход. Во-вторых, упорядоченные структуры могут возникать в открытых системах в процессе роста кристалла. Эти структуры не являются равновесными, и для их описания применяется кинетическое рассмотрение.
’’Самоорганизация” наноструктур понимается в широком смысле, как самопроизвольное возникновение макроскопического порядка в первоначально однородной системе [27].
Среди спонтанно упорядоченных наноструктур можно выделить четыре большие класса:
— структуры с периодической модуляцией состава в эпитаксиальных пленках твердых растворов полупроводников;
— периодически фасетированные поверхности;
— периодические структуры плоских доменов (например, островков монослой ной высоты);
упорядоченные массивы трехмерных когерентно напряженных островков в гетероэпитаксиальных рассогласованных системах.
- Київ+380960830922