автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Спектроскопия возбужденных электронных состояний в квантово-размерных гетероструктурах InGaAs/GaAs

£

/"И

/I

// и/ **"

/ российская академия наук институт физики микроструктур

На правах рукописи

Ревин Дмитрий Геннадьевич

/

спектроскопия возбужденных электронных состояний в квантово-размерных гетероструктурах

ТпСаАз/ваАв

Специальность 05.27.01 - Твердотельная электроника, микроэлектроника и наноэлектроника

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научные руководители: доктор физ.-мат. наук Красилъник Захарий Фишелевич, кандидат физ.-мат. наук Алешкин Владимир Яковлевич

Нижний Новгород, 1999

Содержание

стр.

ВВЕДЕНИЕ ..................................................................................... 4

ГЛАВА 1. Гетероструктуры 1пхОа1_хА8/ОаА8 с квантовыми

ямами и квантовыми точками (Обзор литературы)............................................................................... 10

ГЛАВА 2. Исследование межзонных переходов в гетерост-

руктурах ГпОаАз/ОаАз............................................. 23

2.1. Экспериментальная установка................................ 23

2.2. Фотолюминесценция одиночных квантовых ям ТпОаАзЮаАз.............................................................. 30

2.3. Фотолюминесценция квантовых ям ЫваАз/СаАз с высокой концентрацией фотоносителей....................................................................... 35

2.4. Фотолюминесценция гетероструктур 1пхОа1.хАз/ ваАэ с квантовыми точками.................................. 43

2.5. Особенности фотолюминесценции квантовых ям ГпОаАэ/ОаАз, расположенных в диэлектрическом волноводе.......................................................... 54

ГЛАВА 3. Исследование горячих дырок в гетероструктурах

ЬпСаАБ/ваАз с квантовыми ямами......................... 70

3.1. Методы измерений, экспериментальная установка и основные параметры исследуемых образцов 70

3.2. Спонтанное внутризонное излучение селективно-легированных гетероструктур 1пОаАз/ОаАз с квантовыми ямами в сильных электрических полях............................................................................... 83

3.3. Фотолюминесценция селективно легированных гетероструктур ГпОаАзЛЗаАБ р-типа с квантовыми ямами в сильных электрических полях............ 96

3.4. Метод модуляции межзонного пропускания для исследования функции распределения горячих дырок и пространственного переноса носителей в гетероструктурах 1пОаАз/ОаА8 р-типа с квантовыми ямами........................................................... 110

ЗАКЛЮЧЕНИЕ .................................................................................... 137

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ....................................................... 138

Введение

Диссертационная работа посвящена спектроскопическим исследованиям гетероструктур ЫхОа^Аз/ваАБ с квантовыми ямами и массивами квантовых точек в условиях сильного возбуждения, возникающего в результате оптической накачки с большой плотностью потока излучения, либо в условиях приложения к образцу сильных продольных электрических полей.

Актуальность темы.

Успехи в изучении низкоразмерных полупроводниковых гетероструктур в значительной степени связаны с развитием методов диагностики подобных объектов. Целью диагностики низкоразмерных гетероструктур является определение их фундаментальных параметров и характеристик: энергетического спектра, ширины запрещенной зоны, толщин и состава гетеросло-ев и др.

Наиболее развиты оптические методы диагностики низкоразмерных гетероструктур: спектроскопия фотолюминесценции, возбуждения фотолюминесценции, отражения и поглощения света, а также фотопроводимости. Из них в настоящее время одной из наиболее широко применяемых является спектроскопия фотолюминесценции, дающая информацию об энергетическом спектре носителей, морфологии и качестве гетерограниц, напряжениях и дефектах в квантовых ямах и др.

Обычно условия наблюдения фотолюминесценции гетероструктур таковы, что концентрация фотовозбужденных носителей не превышает 11 2

10 см" . При этом фотоносители лишь частично заполняют основные электронные и дырочные состояния в низкоразмерном слое. Поэтому методом фотолюминесценции чаще всего наблюдают только излучение, соответствующее основным переходам в низкоразмерном слое. Более полную информацию о низкоразмерных объектах можно извлечь при большом уровне оптического возбуждения, когда происходит заполнение фотоносителями возбужденных состояний размерного квантования. Такие измерения могут дать

информацию не только о значениях энергии уровней, но и об особенностях комбинированной плотности электронных состояний, что является важным для идентификации низкоразмерных объектов.

В настоящее время интенсивно развиваются исследования неравновесных явлений в полупроводниковых гетероструктурах с квантовыми ямами, направленные на поиск возможностей создания внутризонной инверсии населенности и лазерной генерации на внутризонных оптических переходах. Эти исследования уже привели к созданию новых источников когерентного излучения среднего инфракрасного диапазона: каскадных (работающих при вертикальном транспорте) и фонтанных (работающих при оптической накачке) лазеров.

Среди возможных механизмов создания инверсии обсуждается перераспределение носителей по энергетическим состояниям в условиях пространственного переноса горячих носителей из квантовых ям в вышележащие состояния с более низкой подвижностью (барьерные слои, или вышележащие подзоны в туннельно связанных квантовых ямах) в сильных продольных электрических полях. В этой связи особый интерес представляют исследования оптическими методами явлений разогрева носителей в условиях пространственного переноса в напряженных гетероструктурах 1пхОа1_хА8/ОаА8 р-типа с квантовыми ямами и 5-легированными барьерами в сильных продольных электрических полях.

Основные цели работы:

1. Идентификация массивов квантовых точек в гетероструктурах 1пхОа1_хА8/ОаА8 оптическими методами.

2. Экспериментальное выявление условий возникновения и характеристик сверхлюминесцентного излучения в гетероструктурах ТпваАз/СаАз с одиночной квантовой ямой, расположенной в диэлектрическом волноводе 1пваР/ОаАзЛпОаР.

3. Исследование спонтанного внутризонного излучения и пространственного переноса носителей в селективно легированных гетероструктурах

1пОаАз/ОаА8 р-типа. Определение по спектрам фотолюминесценции и модуляции пропускания в сильных электрических полях изменения функции распределения горячих дырок в селективно легированных гетероструктурах 1п-ваАзАЗаАз р-типа.

Научная новизна работы

1. Показана возможность использования метода спектроскопии фотолюминесценции с большим уровнем возбуждения для исследования комбинированной электронной плотности состояний в гетероструктурах 1пхОа1_хАз/ОаА8 с массивами квантовых точек.

2. Путем спектроскопии суперлюминесцентного излучения с оптической накачкой исследована анизотропия оптических потерь в структурах с квантовой ямой ¡пваАзАлаАз, встроенной в диэлектрический волновод МаР/СаАз/МаР.

3. Впервые проведены исследования спонтанного внутризонного инфракрасного излучения, фотолюминесценции и модуляции пропускания горячих носителей в гетероструктурах ГгЮаАз/ОаАз р-типа с квантовыми ямами и 5-легированными барьерами.

Практическая ценность работы.

1. Развит фотолюминесцентный метод диагностики гетероструктур с квантовыми ямами, расположенными в диэлектрическом волноводе, при большом уровне оптического возбуждения для исследования анизотропии оптических потерь в диэлектрическом волноводе.

2. Разработан метод модуляции пропускания света для исследования функции распределения горячих носителей в квантовых ямах в сильных продольных электрических полях.

Основные положения выносимые на защиту:

1. Метод фотолюминесценции при большом уровне возбуждения (до 6 2

10 Вт/см ) позволяет определить наличие массивов квантовых точек в полупроводниковых гетероструктурах 1пхОа].хА8/ОаА8.

2. При большом уровне оптического возбуждения (> 104 Вт/см2) в квантовых ямах ¡п^а^АБ/СаАз (х ~ 0.2) шириной -10 нм, расположенных в диэлектрическом волноводе ХпхСа^хР/ОаАзЛпхОаьхР (х ~ 0.486), в направлении, перпендикулярном плоскости слоев, возникает сильно поляризованное сверхлюминесцентное излучение. Преимущественное направление вектора электрического поля сверхлюминесценции совпадает с направлением наименьших оптических потерь диэлектрического волновода.

3. В селективно легированных гетероструктурах ТпваАз/ ОаАз р-типа в сильных продольных электрических полях осуществляется пространственный перенос носителей из квантовых ям в барьерные слои ваАэ, который наблюдается по насыщению вольт-амперных характеристик, по немонотонным зависимостям интенсивности спонтанного внутризонного излучения и интенсивности фотолюминесценции от величины электрического поля, а также по модуляции межзонного пропускания света.

4. Исследование модуляции межзонного пропускания света позволяет определить эффективную температуру и изменения функции распределения горячих дырок в квантовых ямах в селективно легированных гетероструктурах ГпОаАз/ОаАБ р-типа при продольном транспорте носителей в случае, когда край первой дырочной подзоны располагается заметно выше уровня акцепторов в ваАз.

Публикации и апробация результатов работы. Основные результаты диссертации опубликованы в работах [А1-АЗЗ] и докладывались на 2 и 3 Российских конференциях по физике полупроводников (Зеленоград, 1996, Москва, 1997), Международных симпозиумах «Наноструктуры: физика и технология» (Репино, 1994, 1996, 1997, 1998), 23 Международном симпозиуме по полупроводниковым соединениям (С.Петербург, 1996), Всероссийском совещании «Нанофотоника» (Нижний Новгород, 1999), 1 Международном симпозиуме по изготовлению и характеризации полупроводников с помощью лазеров (Штутгарт, Германия, 1994), 12 Международной конференции по электронным свойствам двумерных систем (ЕР208-12) (Токио, Япо-

ния, 1997), Международном симпозиуме по исследованию полупроводниковых приборов (Шарлоттесвилль, США, 1997), 12 Международной конференции по динамике неравновесных носителей в полупроводниках (HCIS-12) (Берлин, Германия, 1997), Международной конференции по сверхрешеткам, микроструктурам и микроприборам (Линкольн, США, 1997), 8 и 10 Международных симпозиумах по сверх быстрым явлениям в полупроводниках (Вильнюс, Литва, 1993, 1998), 25 Международном симпозиуме по полупроводниковым соединениям (Нара, Япония, 1998), 24 Международной конференции по физике полупроводников (Иерусалим, Израиль, 1998), а также на внутренних семинарах ИПФ РАН и ИФМ РАН.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 33 печатные работы, в том числе 19 статей в научных журналах и 14 тезисов докладов и трудов конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Объем диссертации составляет 150 страниц, включая 92 страницы основного текста, 42 рисунка, размещенных на 41 странице, и список литературы, который содержит 110 наименований и размещен на 13 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность темы исследований, показана ее научная новизна и практическая значимость, сформулированы цели работы, представлены сведения о структуре и содержании работы, а также приведены положения, выносимые на защиту.

В Главе 1 проведен литературный обзор современного состояния исследований структур на основе InGaAs/GaAs, приведены данные о параметрах зонной структуры, электрофизические и оптические свойства. Приведен обзор работ, посвященных исследованию фотолюминесценции этих гетеро-структур при различных уровнях оптического возбуждения. Проанализировано состояние работ, посвященных исследованию горячих носителей в

структурах с тройными соединениями на основе ОаАэ, а также оптических свойств квантовых точек 1пОаАэ. Приведено краткое описание особенностей технологии роста исследуемых гетероструктур.

В Главе 2 описана экспериментальная установка для исследования гетероструктур методами спектроскопии фотолюминесценции при различных мощностях возбуждающего лазера, фотолюминесценции возбуждения, фотопроводимости. Представлены результаты исследования особенностей фо-

6 2

толюминесценции при больших мощностях возбуждения (до 10 Вт/см ) гетероструктур с одиночной квантовой ямой 1пОаАзЛЗаА8, структур с массивами квантовых точек ГпАз/СаАз, а также структур, содержащих квантовую яму ¡пваАз/СаАз, расположенную в диэлектрическом волноводе 1пОаР/ ОаАзЛгЮаР.

Глава 3 посвящена исследованию процессов разогрева дырок в гете-роструктурах ¡пОаАз/ОаАБ р-типа с квантовыми ямами и селективно легированными барьерами. В данной главе представлены результаты исследования межзонных и внутризонных оптических переходов в селективно-легированных гетероструктурах ЫОаАзЛЗаАБ р-типа с квантовыми ямами при продольном (латеральном) транспорте носителей в сильных электрических полях.

В Заключении кратко сформулированы основные результаты, полученные в работе.

Глава 1. Гетероструктуры Гп^а^Ав/СаАв с квантовыми ямами и квантовыми точками. (Обзор литературы)

В настоящей диссертационной работе объектом исследований являются многослойные гетероструктуры, состоящие из чередующихся слоев ваАэ и его твердого раствора с 1п. На границе гетероперехода края энергетических зон испытывают скачки, ограничивающие движение носителей и играющие роль стенок квантовой ямы. Скачок в зоне проводимости ДЕС определяется разностью электронного сродства контактирующих материалов: АЕс=Х2_Хь а величина скачка в валентной зоне соответственно равна ЛЕ„=Е§1-Е§2-ЛЕС, где Её - ширина запрещенной зоны. Для структур 1пхОа,_хА8/СаАз обычно используют линейную зависимость от х для ЛЕс=0.75х и ДЕ§=Её0аАз -Её1пх0а 1.^=1.15-х [1]. Гетеропереход ЫОаАзЛЗаАз является гетеропереходом 1 рода [2]. Таким образом, в зоне проводимости слоя 1пОаАз существует прямоугольная потенциальная яма глубиной ЛЕС. Аналогичная яма глубиной АЕУ существует в валентной зоне. В соответствующих квантовых ямах существует конечное число электронных (е) и дырочных (ЬЬ - тяжелых дырок) подзон размерного квантования [3].

Вещества, составляющие гетероструктуру 1пхОа,.хАз/ОаА8, имеют различные параметры кристаллических решеток. Под действием упругой деформации тонкие слои ¡пОаАэ оказываются двуосно сжатыми в плоскости слоя, а толстые слои ОаАз остаются ненапряженными. Полную деформацию отдельного слоя можно представить в виде суммы изотропной и одноосной деформаций. Изотропная деформация сохраняет симметрию кристаллической решетки, не влияя на структуру зон, а лишь изменяя ширину запрещенной зоны, уменьшая или увеличивая ее в зависимости от знака приложенного давления. Одноосная же деформация слоя понижает симметрию решетки и изменяет структуру энергетического спектра. Сжатие слоев 1пОаАз в плоскости роста можно представить как сумму гидростатического сжатия кристалла

и одноосного.растяжения вдоль направления роста. Это растяжение приводит к тому, что подзоны тяжелых и легких дырок в валентной зоне расщепляются и вырождение в центре зоны Бриллюэна (при к=0) снимается. В валентной зоне в квантовых ямах ГпОаАэ, состоящей из подзон тяжелых дырок, двумерные носители заряда при этом будут иметь легкую массу -0.1 ч- 0.2ш0, где т0 - масса свободного электрона. Подзоны легких дырок из-за упругой деформации квантовой ямы вытолкнуты из нее в валентную зону ОаАз и им соответствует более тяжелая масса (в плоскости слоев). В работах [4,5] методом циклотронного резонанса была определена экспериментальная зависимость эффективной массы двумерных дырок (тЬ]1) в напряженных ге-тероструктурах с квантовыми ямами 1п0 2Оа0 8А8/ОаАз. Оказалось, что значение эффективной массы увеличивается от ш^^О.^З ± О.ОО5)т0 до

1 1 л

тЫ1=(0.191 ± 0.015)т0 при увеличении концентрации от 0.54 х 10 см" до 11 2

8.5 х 10 см" . Непараболичность закона дисперсии для дырок в квантовой яме 1пОаАзЛлаА8 связана с сильным взаимодействием подзон легких и тяжелых дырок на границе гетероперехода.

В случае толстых слоев ваАэ и ЫОаАз напряжение, вызываемое рассогласованием решеток, является причиной появления дислокаций несоответствия, ухудшающих качество структуры. Однако при выращивании слоев 1пОаАз с толщиной меньше, чем некоторая критическая толщина Ьс, зависящая от напряжения, несовпадение решеток может быть полностью компенсировано упругой деформацией. Зависимость Ьс(х), полученная в работе [6], находится в хорошем соответствии с теоретическим выражением, предложенным в [7]:

_ а(1 - сгр / 4|1п(4 л/2 / а)+ ¡] 2>/2я£с(1 + <т,)

где 8=0.07х, а - постоянная решетки ваАз и стр - коэффициент Пуассона, связывающий поперечную деформацию с продольной.

Уменьшение эффективной массы дырок в плоскости квантовой ямы вследствие напряжения сжатия должно привести к увеличению подвижности дырок. Так например, в [8] для дырочной проводимости в одиночной квантовой яме ¡пОаАзЛлаАБ при температуре 4.2К получена подвижность 3 х 104 см /Вхс. Для увеличения подвижности необходимо большее расщепление подзон легких и тяжелых дырок в квантовой яме и поэтому желательн�