РОЗДІЛ 2
ФОТОЛЮМІНЕСЦЕНЦІЯ НАНООСТРІВЦЕВИХ СТРУКТУР CdSe/ZnSe
2.1. Особливості технології отримання наноструктур CdSe/ZnSe
Досліджувані в дисертаційній роботі напівпровідникові самоіндуковані наноострівцеві структури CdSe/ZnSe вирощені методом молекулярно-променевої епітаксії (МПЕ) в провідних лабораторіях Росії (Фізико-технічний інститут ім. Йоффе - С.-Петербург та Фізичний інститут ім. Лєбєдєва - Москва) використовуючи різні технологічні параметри росту.
Наноострівцеві структури CdSe/ZnSe з одиночними вставками CdSe, номінальна товщина яких складала 0,6; 1,5; 3,0 та 3,15 моношару (МШ), вирощені колегами з С.-Петербурга [75 - 78]. Товщина в 1 МШ відповідає 2,83 A. Псевдоморфний ріст епітаксійних структур CdSe/ZnSe здійснювався при температурі 280-300оС на епітаксійному буфері GaAs (001), вирощеному в сусідній камері росту методом МПЕ структур А3В5, що вакуумно-зв'язана із камерою росту методом МПЕ структур А2В6. Після стандартної ініціації росту ZnSe на GaAs у режимі епітаксії з підвищеною міграцією атомів (ЕПМА), осаджувався буферний шар ZnSe товщиною 80 нм. Епітаксійні шари CdSe з різними номінальними товщинами вирощувалися субмоношаровим циклічним методом ЕПМА [77, 78]. Номінальні товщини епітаксійних шарів CdSe задавалися числом циклів осадження. В кожному циклі осаджувалось 0,3 МШ епішару; після кожного циклу проводилось 10 секундне переривання росту. Вирощування зразка завершувалось осадженням захисного обмежуючого ZnSe-шару товщиною 20 нм.
Одношарові структури з CdSe вставками номінальною товщиною 3,5 - 5,0 МШ та 12-періодні структури з CdSe вставками номінальною товщиною 2,0 - 3,5 МШ кожна вирощувались на підкладках GaAs (100) колегами із Фізичного інституту ім. Лєбєдєва (див. наприклад [65]). Товщини буферного і захисного шарів ZnSe складали 200 і 100 нм відповідно. Буферний шар ZnSe вирощувався при 280оС, а бар'єрні шари ZnSe - при 230оС. Шари CdSe осаджувалися при температурі 230оС. Для активації процесу формування тривимірних острівців CdSe, після осадження епітаксійного шару CdSe, використовувався прогрів структури до 340оС с наступним охолодженням до 230оС в парах селену. Часи підвищення температури й охолодження складали 4 хвилини. Час росту шарів CdSe в багатошарових структурах складав 12 с.
Перехід від двовимірної поверхні осадженого CdSe шару до формування тримірних острівців реєструвався в процесі осадження плівки за допомогою вмонтованого в установку дифрактометра швидких електронів. Товщина бар'єрного ZnSe шару у багатошарових зразках складала 18 нм. Причому багатошарові зразки були вирощені при співвідношенні тиску газоподібних компонент VI і II груп 5:1, а також при співвідношенні тиску компонент VI і II груп 3:1. У останніх зразках номінальні товщини CdSe вставки складали 3,5 МШ, а товщина ZnSe бар'єрного шару - 50 нм. Досліджувались також зразки, що мали лише буферні шари ZnSe товщиною 600 нм на підкладці GaAs (100).
На рис. 2.1 показана типова схема процесу росту наноструктур CdSe/ZnSe, яка використовувалась при вирощувані зразків в лабораторії Фізичного інституту ім. Лєбєдєва. Поверхнева морфологія шару CdSe контролювалась метод дифракції відбитих електронів високої енергії [79]. Знімок А отримано після осадження буферного шару ZnSe товщиною 130 нм при Т = 300оС. Після цього відбувалось охолодження структури до 230оС в парах селену і осадження шару CdSe (знімок Б); На наступному етапі температура структури підвищувалась до 340оС в середовищі з парами селену. В подальшому температура структури знижувалась до 300оС і вирощувався захисний шар ZnSe товщиною 10 нм (знімок Г). Дифракція відбитих електронів високої енергії та інші методи досліджень [79] вказують на те, що такий додатковий термічний прогрів структури дозволяє отримувати високоякісні CdSe наноострівців у матриці ZnSe.
Рис. 2.1. Схематичне представлення процесу росту CdSe/ZnSe наноструктур. В верхній частині показані знімки дифракції відбитих електронів високої енергії отримані для кожного проміжного циклу росту. Запозичений з [79].
2.2. Неоднорідне уширення смуги випромінювання та товщинні ефекти в структурах CdSe/ZnSe
На рис. 2.2 приведено спектри ФЛ структур CdSe/ZnSe з одиночними вставками CdSe номінальної товщини 3,5 МШ і 5 МШ (криві а, б) і багатошарової структури з номінальною товщиною CdSe-вставки 3,5 МШ (крива в) при збудженні Езб=2,71 еВ вирощених методом МПЕ у Фізичному інституті ім. Лєбєдєва. В усіх спектрах можна виділити три енергетичні області. Перша область спектра при ~2,69 еВ відповідає зона-зонному випромінюванню ZnSe шарів. В другій області (~2,2-2,6 еВ) проявляється випромінювання характерне для наноострівців CdSe. Третя область спектра при ~1,8-2,1 еВ відповідає випромінювальній рекомбінації за участю глибоких рівнів дефектів вакансійного типу, локалізованих в ZnSe-бар'єрних шарах і/або на гетероінтерфейсі наноострівців. Як видно з рис. 2.2, збільшення товщини вставки CdSe від 3,5 до 5 МШ в одношарових структурах приводить до зсуву максимуму смуги випромінювання CdSe-наноострівців у низькоенергетичну сторону від ~2,54 еВ до ~2,26 еВ, збільшенню напівширини (від ~40 меВ до ~95 меВ) і значному зменшенню інтенсивності ФЛ (у ~6-8 разів). Таке збільшення напівширини свідчить про ріст флуктуацій складу і/або розмірів наноострівців [25]. Для багатошарової структури CdSe/ZnSe (крива в) в порівнянні зі зразком такої ж номінальної товщини вставки CdSe (крива а) в спектрі ФЛ спостерігається значне збільшення інтенсивності і зміщення максимуму смуги випромінювання в високоенергетичну сторону (~10 меВ), а також невелике зменшення її напівширини. Інтенсивність дефектної смуги при цьому істотно не змінюється. Для багатошарових структур також спостерігався зсув максимуму смуги ФЛ у низькоенергетичну сторону і збільшення її напівширини при збільшенні номінальної товщини вставок CdSe. Слід зазначити, що смуга випромінювання від квантових точок була асиметричною й іноді двохкомпонентною. Причому при кімнатній темпер