Дубровский В.Г. Теоретические основы технологии полупроводниковых наноструктур

Подождите немного. Документ загружается.

III.10. Влияние времени экспозиции

Рассмотренное выше поведение плотности и размера квантовых точек в

зависимости от условий роста не учитывало влияние времени экспозиции структуры

после остановки роста, так как считалось, что все островки успевают дорасти до своего

о с

х экспозиции: t=t

∆

exp

. Так

ы получаем связь между L и

∆

exp

, причем L(t

)=L(

∆

exp

=0) является минимальным

максимального размера L

. Это означает, что мы исследовали ансамбль квантовых точек

уже после окончания кинетической стадии их формирования. Тогда (Н

-h

)/d

монослоев

материала, осажденного на поверхность, переходит в состав островков и только h

монослоев стается в составе мачивающего слоя равновесной толщины. Вместе с тем

ясно, что немедленное покрытие структуры с квантовыми точками верхним слоем может

привести к тому, что островки не успеют дорасти до размера L

. Поскольку в

закритической области толщин осаждения нуклеация островков является более быстрым

процессом, чем их рост, можно ожидать, что при H

∆

H/2 увеличение времени

экспозиции будет приводить к увеличению размера островков без существенного

изменения их плотности [34].

Рассмотрим влияние времени экспозиции на средний размер закритических

островков на основе общего решения для зависимости их среднего латерального размера

от времени (3.70) или (3.79). Напомним, что решение (3.79) переходит в (3.70) при

приближении эффективной толщины осаждения H

к h

. Температуру поверхности T,

скорость осаждения материала V и эффективную толщину осаждения H

считаем

постоянными. При заданных значениях Т, V и H

максимальный квазистационарный

размер L

находится по формуле (3.67). В ней можно полагать N = const, так как, в

соответствии с (3.59), плотность закритических островков не зависит ни от H

, ни от их

экспозиции. Характерное время роста островков t

определяется из (3.68). Если рост

квантовых точек остановлен в момент времени t

/V, то текущее время t есть сумма

времени осаждения слоя с квантовыми точками и времени и

209

размером квантовых точек при данной толщине осаждения,

экспозиции. Следовательно, при фиксированных значениях

соответствующим нулевой

Т, V и H

помощью

изменения времени экспозиции можно создавать ансамбли

размером, меняющимся в пределах от L(t

) до L

, и примерно одина

В таблице 1 представлены расчетные характеристики пр

структурных свойств ансамблей квантовых точек в системе InAs е

при следующих значениях параметров: h

=1.05 MC, T

=5800 K

и V

=0.01 МС/сек, d

=0.303 нм, l

=0.429 нм,

=30

[150]. ст

производится при постоянной температуре поверхности T=430

C и эффективная толщина

осажденного InAs H

=1.9 МС. Скорость осаждения InAs V варьировалась от 0.01 до 0.07

МС/сек. Считалось, что соотношение потоков In и As

поддерживается постоянным при

различн 9) для

плотности квантовых точек толщины h

, (3.58) для

продолжительности ста ну ров

∆

t, (3.67) д максимального

латерального размера L

, (3.68) ме ост ов лщ осаждения

∆

в которой происходит , определялась

∆

H=V При

расчет о м ), ), ), ) овал приближенное

выражение U(Q)=lnQ. Значение кинетического контрольного параметра Q при различных

Эв

пр

от

чт

во

пр

островков со средним

ковой плотностью.

оцесса формирования и

/GaAs(100), получ нные

, Q=Q

=10

при T

=430

Считалось, что ро

ых скоростях осаждения In. Вычисления проводились по формулам (3.5

N, (3.64) для критической

дии клеации ост ков

ля

для вре ни р а остр ков t

. То ина

зарождение островков согласно

∆

ах п формула (3.59 (3.64 (3.58 (3.68 использ ось

определялось согласно Q=Q

/V, что следует из (3.61) при постоянной температуре.

олюция во времени среднего размера L(t) рассчитывалась по формуле (3.70). На Рис.59

едставлены зависимости латерального размера 1.9 монослойных InAs квантовых точек

времени экспозиции при трех различных скоростях осаждения InAs. Из рисунка видно,

о, в зависимости от выбранных значений скорости осаждения и времени экспозиции,

зможно получение квантовых точек

с одинаковыми размерами, но разной плотностью,

и одном и том же количестве осажденного материала.

210

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5

V=0.07 ML/s

Relative exposition time ∆t /t

Рис.59. Зависимость

поверхности GaAs(100)

от приведенного времени

экспозиции ∆t

при

InAs

V = 0.03, 0.05 и 0.07

V=0.05 ML/s

V=0.03 ML/s

an lateral size L, nm

среднего размера InAs

квантовых точек на

exp

скорости осаждения

exp R

MC/сек

Таблица 1. Характеристики процесса формирования квантовых точек и их

морфологических свойств

V Q h

МС/сек

МС

МС сек

сек cm

нм

∆

-2

L(t

) L

0.01 10

1.70 0.040 4.0 14.6 7.8*10

26.6 32.4

0.03 3.33*10 1.73 0.048 1.6 5.3 3.3*10 15.0 20.0

3 10

0.05 2*10 1. 0.052 1.0 3 6.5*10 11.4 16.0

75 3.

0.07 1.42*10

3 11

1.76 0.056 0.8 2.5 1.0*10 9.4 13.8

Приведенные результаты демонстрируют, как можно получать ансамбли квантовых

однородность по размерам и т.д.) за счет изменения только двух неравновесных

экспозиции. Очевидно, зависимость морфологии поверхности от этих двух параметров

в принципе не может быть

объяснена с позиций равновесной термодинамики и

точек был равновесным, то в данной системе материалов при одинаковых значениях

точек с разными структурными характеристиками (размер, поверхностная плотность,

параметров ростового процесса – скорости осаждения материала и времени

является сугубо кинетическим эффектом. Если бы процесс формирования квантовых

211

темпе

о У

е точки в системах InAs/GaAs и Ge/Si

I и A 0)

ратуры и количества осажденного материала мы всегда получали бы одно и то же

распределение по размерам стровков. казанное обстоятельство открывает

возможность для кинетически контролируемого управления свойствами ансамблей

квантовых точек за счет изменения условий эпитаксиального процесса их выращивания

[150].

ЛЕКЦИЯ № 12. Квантовы

II.11. Теория эксперимент: система In s/GaAs(10

Зависимость от температуры поверхности и скорости осаждения.

Для экспериментального исследования зависимости структурных и оптических

свойств ансамблей InAs/GaAs(100) квантовых точек от ростовой температуры T и

скорости осаждения V проводились следующие ростовые эксперименты [148,152,154].

Образцы выращивались методом молекулярно-пучковой эпитаксии на установке ЭП1203

на полуизолирующих сингулярных подложках GaAs(100). После сгона окисного слоя при

температуре 630

С и роста буферного слоя GaAs выращивалась активная область,

состоящая из слоя InAs квантовых точек c постоянной для всех образцов эффективной

толщиной H

=2 МС. Активная область ограничивалась Al Ga As/GaAs

короткопериодными сверхрешетками (25Å/25Å, 10 пар) с целью предотвращения

транспорта неравновесных носителей ри проведении оптических исследований в

приповерхностную область и в область подложки. Сверху квантовые точки покрывались

слоем GaAs толщиной 5 нм непосредственно после выключения поток In при той же

температуре подложки. Далее температура подложки повышалась и остальная часть

структуры выращивалась

при 600

С. Были выращены 2 серии образцов при температурах

роста ак

0 0

поддерживалось постоянным. ое s

камере для всех экспериментов было на уровне 1.8х10

-6

Па.

0 0.3 0.7

тивной области T=440

C и T=485 C. Скорость осаждения InAs V варьировалась от

0.01 МС/сек до 0.1 МС/сек для обеих серий. При этом соотношение потоков In и As

для

всех образцов Остаточн давления паров A

в ростовой

212

Процесс осаждения InAs квантовых точек контролировался с помощью системы

регистрации и анализа картин дифракции быстрых электронов на отражение.

показало, что характерный для

от ы

дифракции, соответствующей двумерному росту, к точечн

наблюдается после напыления слоя InAs толщиной 1.7 - 1.8 МС

диапазона температур и скоростей роста.

Оптические свойства выращенных структур

фотолюминесценции. Фотолюминесценция возбуждалась Ar

-ла

нм, плотность возбуждения примерно 100 Вт/см

). Изл

охлаждаемым Ge фотодиодом. Из результатов измерений с ек

меньшении скорости осаждения InAs с 0.1 МС/сек до 0.01 МС/сек пик

х точек от температуры поверхности и скорости осаждения были проведены

сследования выращенных образцов методом просвечивающей электронной

Исследование динамики изменения картин дифракции

механизма роста Странского-Крастанова резкий переход линейчатой картин

ым объемным рефлексам

для

всего исследуемог

исследовались методом

зером (длина волны 514.5

учение детектировалось

тров ФЛ следует, что при п

фотолюминесценции, соответствующий рекомбинации в квантовых точках, монотонно

смещается в длинноволновую область от 1126 нм до 1196 нм при Т=485

С и от 1104 до

1155 нм при Т=440

С. Результаты оптических измерений в зависимости от скорости роста

при двух температурах поверхности приведены на Рис.60. Из рисунка следует, что длина

волны излучения от квантовых точек монотонно увеличивается при уменьшении скорости

осаждения InAs. При одной и той же скорости осаждения пик фотолюминесценции от

квантовых точек, выращенных при более высокой температуре, всегда более

длинноволновый. Таким образом, результаты оптических исследований показывают, что

закритические InAs квантовые точки действительно увеличиваются в размере при

увеличении температуры и понижении скорости осаждения в соответствии с

зависимостями (3.91).

Для количественного исследования зависимости морфологии ансамблей InAs

квантовы

213

микроскопии. Изучение морфологии поверхности проводилось на просвечивающем

тающем при ускоряющем напряжении 100

электронном микроскопе Philips EM420, рабо

поверхности. На вставке

показан спектр при

T=485

Рис.60. Зависимости

положения максимума

пика фотолюминесценции

InAs квантовых точек,

выращенных при

различных скоростях

осаждения InAs при двух

различных температурах

С и V=0.01 МС/сек.

кВ. Плотность и латеральные размеры квантовых точек определялись из анализа

, полученных в планарной геометрии.

механической шлифовкой и полировкой

с последующим химическим травлением в

ансамбля квантовых точек была определена

учевых условия в режиме светлого поля

е g=220. Латеральные размеры оценивались

условиях, при падении электронного

. На Рис. 61 и 62 приведены изображения

электронно-микроскопических изображений

Образцы для исследований были подготовлены

на установке Dimple Grindere Gatan 603

расторе H

O (5:1:1). Плотность

из анализа изображений, полученных в двухл

(BF) при действующем дифракционном вектор

по изображениям, полученным в многолучевых

пучка перпендикулярно ростовой поверхности

InAs квантовы

высокой

емпературе и пониженной скорости осаждения (T=485

C, V=0.03 МС/сек, Рис.61) и при

более

х точек, выращенных при различных условиях: при

более

низкой температуре и повышенной скорости осаждения (T=440

C, V=0.05 МС/cек,

Рис.62).

214

Рис.61. Электронно-микроскопическое изображение дв хмонослойных InAs квантовых

C и

точек, выращенных при T=485

V=0.03 МС/сек, полученное в многолучевых условиях

при падении пучка вдоль направления [001] (a) и в режиме светлого поля BF(g=220) (б).

Рис.62. То же, что и на Рис.61, при T=440

C и V=0.05 МС/cек.

Результаты исследований методом просвечивающей электронной микроскопии

показывают сильную зависимость морфологии ансамблей InAs квантовых точек как от

температуры подложки, так и от скорости осаждения InAs. Так, плотность квантовых

215

точек при увеличении скорости осаждения от 0.01 МС/с до 0.1

см

-2

до 1.2*10

см

-2

при температуре подложки 440

С и от

485

С . Средний латеральный размер квантовых точек при этом

МС/c возрастает от 3.5*10

7*10

см

-2

до 3*10

см

-2

при

ум до

13 нм при температуре 485

С и от 13 до 10 нм пр

Экспериментальные зависимости поверхностной плотности и

размера от скорости осаждения InAs при двух различных темпе сти

приведены на Рис. 63 и 64.

На этих же рисунках представлены результаты численных ра нные

так же, как и в предыдущем параграфе. Вычисления проводились для следующих

=440

C и V

=0.01 МС/сек,

мпе

толщины смачивающего слоя варьировались с учетом h

≈1МС и h

ть

осаждения V изменялась в диапазоне 0.01-0.1 МС/сек при

соответственно. Значение Q при различных V и Т находились по ф

еньшается от 21 нм

и температуре 440

С.

среднего латерального

ратурах поверхно

счетов, получе

значений параметров модели:

α(φ)

=1.82≈const, Q

=6*10

при

=4700

K, H

=2МС,

∆

exp

=0. Значения квазиравновесной те ратуры T

и равновесной

=1.7-1.8 МС. Скорос

T=440

С и T=485 С,

ормуле

0 0

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−=

exp

Расчетные характеристики процесса формирования ансамблей островков и их

структурные свойства при данных значениях параметров, моделирующих

етероэпитаксиальную систему InAs/GaAs(100), представлены в Таблице 2. Расчеты также

демонстрируют сильную зависимость среднего размера и поверхностной плотности

островков от скорости роста и температуры подложки. Иерархия времен стадий

нуклеации, релаксации островков по размерам и осаждения слоя критической толщины

∆

t<<t

<<t

-t

имеет место для всего исследованного диапазона температур и скоростей

роста. Во всех случаях островки не успевают достичь своего максимального размера L

при нулевой экспозиции, так что их размер к началу заращивания L(t

) меньше L

(3.93)

216

Рис. 63. Теоретическая и

сперим льн

ст тн

I то оч

ро A

ра ны

пе ах

ер и.

эк ента ая

зависимо ь пло ости

nAs кван вых т ек от

скорости ста In s при

двух злич х

тем ратур

пов хност

зависимость среднего

размера InAs квантовых

точек от скорости роста

температурах

поверхности.

Рис.64. Теоретическая и

экспериментальная

InAs при двух различных

ентальные

сог .

Таким образом, теоретические и эксперим результаты находятся в

хорошем количественном ласии друг с другом Как оптические, так и

микроскопические исследования показывают существенное увеличение плотности

квантовых точек и уменьшение их размера при увеличении скорости осаждения и

понижении ростовой температуры соответственно. Эти данные также подтверждают

кинетический характер процесса образования квантовых точек при

закритической

толщине осажденного материала.

217

Таблица 2. Характеристики процесса формирования двухмонослойных InAs квантовы

точек и их структурных свойства при различных T и V

МС/сек

V T

∆

-t

L(t

)

K МС

сек

сек сек см

-2

нм

0.01 440 4630 1.70 6000 3.9 13.2 58 2.8*10

16.3 18.5

0.03 440 7630 1.75 2000 1.9 6.0 25 4.8*10

12.7 15.9

0.05 440 9900 1.77 1200 1.3 4.1 16.6 6.7*10

11.0 14.7

0.1 440 11400 1.80 600 0.80 2.3 9 1.3*10

8.8 12.1

0.01 485 4590 1.68 16200 3.3 12.3 56 6.2*10

23.1 27.0

0.03 485 8110 1.74 5400 1.6 5.5 24 1.3*10

18.9 23.9

0.05 485 11300 1.77 3240 1.2 3.8 16.4 1.7*10

17.1 20.2

0.1 485 13700 1.79 1620 0.7 2.2 8.9 3.3*10 12.7 17.6

2. Зависимость от времени экспозиции

Для исследования зависимости свойств InAs квантовых точек от времени

экспозиции в потоке As

exp

при

выращивался при T=485

C. Для

предотвращения транспорта неравновесных носителей при проведении оптических

исследован и в область подложки активная область

ограничивалась

0.25 0.75

температу

образцов методом фотолюминесценции.

[155] была выращена серия, состоящая из 4 образцов. Активная

область всех образцов формировалась осаждением слоя InAs на сингулярную подложку

GaAs(100) с эффективной толщиной 1.9 МС при температуре 485

С и скорости осаждения

0.03 МС/сек. После выключения источника In образцы выдерживались в потоке As

течение времени

∆

t = 0; 7.5; 15 и 22.5 сек той же температуре поверхности. Затем

структура покрывалась слоем GaAs толщиной 5 нм для предотвращения испарения индия

из осажденных квантовых точек. Этот слой

ий в приповерхностную область

с обеих сторон сверхрешетками Al

Ga As/GaAs (25Å/25Å, 5 пар).

Сверху структура покрывалась слоем GaAs толщиной 5 нм. Для буферной области,

сверхрешеток и верхнего слоя GaAs ростовая ра составляла 600

С. Далее по

описанной выше методике проводились исследования оптических свойств выращенных

218