Содержание
2
Список основных сокращений................................................. 4
ВВЕДЕНИЕ................................................................... 5
Глава 1. МОРФОЛОГИЯ И ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ СПЕКТРЫ
ГЕТЕРОНАНОСТРУКТУР С КВАНТОВЫМИ ТОЧКАМИ
In As/Ga As (Обзор литературы)............................... 11
1.1. Получение КРС с квантовыми точками In(Ga)As/GaAs.............. 11
1.2. Влияние некоторых условий ГФЭ МОС на морфологию КТ................ 13
1.3. Влияние на морфологию массива КТ его заращивания покровным слоем 21
1.4. Влияние толщины покровного слоя GaAs на энергетический спектр КТ 23
1.5. Влияние толщины и состава двойного покровного слоя GaAs/InGaAs на энергетический спектр КТ.......................................... 28
1.6. Морфология и фотоэлектронные спектры КРС с КТ InAs/GaAs,
выращенных ГФЭ МОС АДВ.............................................. 31
Глава 2. ВЛИЯНИЕ НЕКОТОРЫХ УСЛОВИЙ ВЫРАЩИВАНИЯ СЛОЕВ КВАНТОВЫХ ТОЧЕК InAs/GaAs НА ИХ МОРФОЛОГИЮ И ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ СВОЙСТВА................................................. 35
2.1. Методика эксперимента............................................. 35
2.1.1. Исследованные структуры. Методика выращивания............... 35
2.1.2. Диагностика энергетического спектра КРС..................... 39
2.1.3. Атомно-силовая микроскопия КРС.............................. 43
2.2. Влияние легирования слоев КТ висмутом в процессе роста на морфологию массива КТ........................................................ 44
2.2.1. Нслегированные структуры.................................... 45
2.2.2. Структуры, легированные висмутом............................ 49
2.2.3.0 связи фотоэлектронных спектров с морфологией слоев КТ 52
2.3. Влияние заращивания слоя КТ InAs покровным слоем GaAs на
морфологию и фотоэлектронные свойства гетеронаноструктур............ 58
2.4. Влияние паров ССЦ при выращивании слоев КТ InAs/GaAs на их морфологию и фотоэлектронные свойства............................. 65
з
Глава 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ МОРФОЛОГИИ СКРЫТЫХ СЛОЕВ КТ InAs/GaAs МЕТОДОМ ACM В КОМБИНАЦИИ С СЕЛЕКТИВНЫМ ХИМИЧЕСКИМ ТРАВЛЕНИЕМ.................................................................. 75
3.1. Эволюция морфологии поверхности селективного травления ГКТ.
Визуализация слоя КТ................................................... 76
3.1.1. Особенности морфологии поверхности травления однородного слоя GaAs.................................................................. 77
3.1.2. Эволюция морфологии поверхности травления ГКТ при
ступенчатом стравливании покровного слоя......................... 77
3.1.3. Морфология скрытого слоя КТ, выявленного с помощью селективного травления................................................ 83
3.2. Мониторинг in situ процесса селективного травления ГКТ методами фотолюминесцентной и фотоэлектрической спектроскопии...................... 84
3.2.1. Мониторинг методом спектроскопии ФЛ........................... 85
3.2.2. Мониторинг методом спектроскопии ФГ1Э......................... 87
Глава 4. ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ МОДИФИКАЦИИ ПОКРОВНОГО СЛОЯ GaAs И СЛОЯ КТ InAs/GaAs НА МОРФОЛОГИЮ И ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ СПЕКТРЫ КТ 94
4.1. Эволюция спектров ФПЭ ГКТ при ступенчатом селективном травлении покровного слоя..................................................... 94
4.2. Модификация ПКТ путем селективного травления......................... 96
4.2.1. Эволюция морфологии ПКТ при травлении......................... 98
4.2.2. Эволюция фотоэлектронных спектров ПКТ при травлении.......... 101
4.3. Влияние анодного окисления покровного слоя и ПКТ на энергетический
спектр КТ............................................................. 103
Заключение.................................................................. 108
Список публикаций по теме диссертации.................................... 112
Цитируемая литерату ра................................................... 116
Список основных сокращений
АСМ - атомно-силовая микроскопия;
ВКТ - встроенные в полупроводниковую матрицу КТ;
ГФЭ МОС - газофазная эпитаксия из металлорганических соединений; ГФЭ МОС АДВ - ГФЭ МОС при атмосферном давлении водорода; ГФЭ МОС ПДВ - ГФЭ МОС при пониженном давлении водорода;
ГКТ - гетероструктура с КТ;
КРС - квантово-размерная структура;
КТ (СР) - квантовые точки;
КЯ ((}\У) - квантовая яма;
СС (\УЬ) - смачивающий слой;
МЛЭ - молекулярно-лучевая эпитаксия;
ПКТ - выращенные на поверхности КТ (без покровного слоя);
ФЛ - фотолюминесценция;
ФПЭ - фотоэдс на контакте полупроводник / жидкий электролит.
Введение
5
Актуальность темы
В последние годы интенсивно исследуются полупроводниковые структуры с гетеровключениями нанометровых размеров, в которых проявляется размерное квантование электронного газа. Квантово-размерные гетсронаноструктуры (КРС) привлекают к себе внимание благодаря уникальным физическим свойствам и широким возможностям технического применения в оптоэлектронике, в частности для создания светодиодов и лазеров с улучшенными характеристиками. Особенно большой интерес вызывают КРС с квантовыми точками (КТ), в которых электроны обладают полностью дискретным квазиатомным энергетическим спектром. Одной из наиболее интересных и широко изучаемых систем этого типа является КРС с самоорганизованными КТ 1п(Оа)Аз/СаА8, которые образуются при гетероэпитаксиальном выращивании слоя 1п(Са)Аз в матрице СэАб из-за большого рассогласования кристаллических решеток гетеропары [1-7].
Актуальной фундаментальной проблемой физики низкоразмерных систем является изучение связи энергетического спектра и оптоэлектронных свойств квантово-размерных гетеронановключений с их морфологией, химическим составом, дефектностью и другими особенностями их строения. Одним из важных факторов, влияющих на эти характеристики самоорганизованного слоя КТ 1пАб в матрице ОаАэ, является нанесение на него покровного слоя, обычно завершающее основной процесс изготовления КРС. Влияние модификации покровного слоя - изменения его толщины, химического состава и условий нанесения при выращивании, а также последующей физико-химической обработки после выращивания КРС (травления, окисления, пассивации и др.) на морфологию, энергетический спектр и оптоэлектронные свойства самоорганизованных слоев КТ ТпАэ/ОаАз еще мало изучено. Изучение этого вопроса представляет не только самостоятельный научный интерес, но также важно для совершенствования
6
технологии выращивания КРС и улучшения их оптоэлектронных характеристик.
Цель и основные задачи работы:
Данная работа посвящена изучению влияния на морфологию, энергетический спектр и фотоэлектронные свойства КРС с КТ 1пА$ЛЗаА$ физико-химической модификации покровного слоя КРС как в процессе выращивания структуры, так и после его завершения.
Объектом исследования были КРС, выращенные методом газофазной эпитаксии из металлорганических соединений (ГФЭ МОС) при атмосферном давлении водорода - газа-носителя паров МОС (метод ГФЭ МОС АДВ). Этот относительно простой, экономичный метод сравнительно редко применяется для выращивания КРС с КТ 1пАз/СаА8, однако возможности его совершенствования еще не исчерпаны [8]. Исследования были направлены на решение следующих основных задач:
1. Выяснение влияния на морфологию и фотоэлектронные спектры слоя КТ 1пА$ легирования его в процессе роста примесью-сурфактантом В1, заращивания массива КТ покровным слоем ваАБ, газо-химического травления покровного слоя в процессе выращивания СС14.
2. Разработка методики визуализации скрытых под покровным слоем КТ 1пАз посредством селективного химического стравливания покровного слоя. Исследование морфологии вскрытых слоев КТ методом атомносиловой микроскопии (АСМ).
3. Выяснение влияния электрохимической модификации (селективного химического травления и анодного окисления) покровного слоя и самого слоя квантовых точек на морфологию и фотоэлектронные спектры КТ.
Научная новизна работы
1. Выяснены особенности распределения нанокластеров 1пАз по размерам в легированных и нелегированных В1 слоях квантовых точек,
7
выращенных ГФЭ МОС АДВ, и связь спектров фоточувствительности и фотолюминесценции КРС с этими особенностями.
2. Установлено, что по фотоэлектрическим спектрам структур может быть определен химический состав крупных релаксированных нанокластеров InGaAs/GaAs в слоях КТ. Показана возможность их газохимического стравливания четыреххлористым углеродом в процессе выращивания покровного слоя.
3. Разработан метод визуализации скрытых под покровным слоем GaAs КТ InAs посредством селективного химического стравливания покровного слоя с мониторингом in situ процесса по фотоэлектрическим спектрам КРС.
4. Показана возможность изменения энергетического спектра КТ InAs/GaAs путем травления и/или анодного окисления тонкого покровного слоя GaAs, основанная на зависимости этого спектра от поля упругих напряжений в КТ, создаваемого покровным слоем. С помощью этого метода на одних и тех же поверхностных КТ продемонстрирована зависимость энергии основного перехода в КТ от их высоты.
Практическая ценность работы
1. Результаты работы позволяют улучшить морфологию и оптоэлектронные характеристики однослойных и складированных слоев КТ InAs/GaAs, выращенных ГФЭ МОС АДВ.
2. Визуализация скрытых слоев КТ с фотоэлектрическим мониторингом процесса травления обеспечивает экспрессное исследование их морфологии методами сканирующей зондовой микроскопии.
3. Электрохимическая обработка покровного слоя КРС с КТ InAs/GaAs может быть использована для тонкой регулировки энергетического спектра КТ и выяснения роли упругих напряжений в различных явлениях.
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. В поверхностных слоях самоорганизованных КТ InAs/GaAs, выращенных ГФЭ МОС АДВ, распределение нанокластеров InAs по высоте
8
и латеральному размеру имеет бимодальный характер. Оно состоит из узкого массива нанокластеров малого размера гауссового типа и широкого, но менее плотного массива более крупных нанокластеров с близким к экспоненциальному уменьшением поверхностной концентрации при увеличении размеров. В структурах легированных Bi гауссов массив псевдоморфных нанокластеров - КТ отделен от экспоненциального массива почти пустым интервалом размеров. С этим связано ярко выраженное в легированных слоях сужение пиков и появление тонкой структуры на спектрах фотолюминесценции и фоточувствительности от квантовых точек.
2. Наличие массива релаксированных нанокластеров в слое КТ InAs приводит к появлению слабой полосы фоточувствительности с порогом в районе 0.6 - 0.7 эВ, который определяется химическим составом нанокластеров InxGai.xAs, и ослаблению фотолюминесценции от КТ. Нанесение тонкого (~20 нм) покровного слоя GaAs на слой КТ InAs тормозит процесс коалесценции, ведущий к образованию релаксированных нанокластеров, и вызывает частичное растворение уже образовавшихся таких нанокластеров. Обработка слоя КТ InAs, покрытого тонким (5 нм) слоем GaAs, в парах ССЦ при температуре 580°С приводит к удалению релаксированных нанокластеров в результате их газо-химического травления. При этой обработке псевдоморфные нанокластеры - КТ сохраняются и оптические свойства структур улучшаются.
3. Селективное травление покровного слоя GaAs позволяет выявлять (визуализировать) массив КТ в результате значительной задержки процесса травления не только на нанокластерах - КТ, но и на смачивающем слое InAs. Измерение in situ спектра фотоэдс на барьере КРС/травитель позволяет эффективно осуществлять мониторинг травления, в частности определять момент полного удаления покровного слоя по красному смещению порога фоточувствительности от КТ или по исчезновению полосы фоточувствительности от смачивающего слоя.
9
4. Селективное травление тонкого одиночного (GaAs) и двойного покровного слоя GaAs/InGaAs приводит к красному смещению энергии основного перехода в КТ InAs/GaAs в интервале от « 0.9 до « 0.7 эВ в результате частичной релаксации упругих напряжений, создаваемых этим слоем. При селективном травлении самих поверхностных КТ InAs/GaAs происходит голубое смещение энергии основного перехода, обусловленное в основном уменьшением высоты нанокластеров - КТ. Анодное окисление покровного слоя и ПКТ действует в основном так же, как селективное травление.
Личный вклад автора
Автором проведены исследования, обработка и анализ данных по морфологии и фотоэлектронной спектроскопии КРС. Исследованные КРС выращены Б.Н. Звонковым. Эксперименты по влиянию технологических факторов на свойства КРС проводились совместно с Б.Н. Звонковым, по влиянию анодного окисления - совместно с С.В. Тиховым. Планирование и анализ результатов экспериментов осуществлялись совместно с научным руководителем.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались на: 9 международном симпозиуме «Nanostructures: physics and technology» (г. Санкт- Петербург, 2001 г.); 26 международной конференции по физике полупроводников «ICPS - 26» (Эдинбург, Великобритания, 2002 г.); международных рабочих совещаниях «Зондовая микроскопия» (г. Нижний Новгород, 1999, 2001, 2003 гг.); всероссийских рабочих совещаниях «Нанофотоника» (г. Нижний Новгород, 2001, 2002, 2004 гг.);
международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (г. Владимир, 2005 г.); четвертой и пятой всероссийских молодежных конференциях по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике (г. Санкт- Петербург, 2002,
10
2003 гг.); международной конференции «Электронные свойства
низкоразмерных полупроводниковых структур» (г. Екатеринбург, 2002 г.); восьмой, девятой и десятой молодежной конференции «Нижегородская сессия молодых ученых» (г. Нижний Новгород, 2003,2004, 2005 гг.);.
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 21 печатная работа, из них 7 статей и 14 публикаций в материалах конференций.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения. Общий объем диссертации составляет 123 страницы, включая 70 рисунков. Список цитируемой литературы содержит 75 наименований, список работ автора по теме диссертации 21 наименование.
- Київ+380960830922