Оптические свойства квантовых точек InAs, выращенных на вицинальных подложках GaAs

5.2 Исследование спектров фотолюминесценции при гидростатическом давлении при температуре Т=ПК. 117.

5.3 Температурная зависимость спектров ФЛ при гидростатическом давлении. 124.

5.4 Основные результаты и выводы. 129.

Заключение

.

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 возможность устранить основную проблему современной микрои 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 полупроводниковую систему для реализации приборов с существенно различающимися требованиями к активной среде.

В течение долгого 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]. При этом приборно-ориентированные структуры так и не были созданы, а принципиальная возможность реализации атомоподобного спектра плотности состояний в макроскопической полупроводниковой структуре не 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 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 А3В:> экспериментально подтверждены работами последних лет [2]. В случае использования полупроводниковой системы ГпАз/ОаАБ 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 гетероэпитаксиальной 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 вицинальных подложек ОаАз позволяет получать массивы КТ 1пАб 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 спектра ФЛ. Решение этой проблемы имеет принципиальное значение, поскольку выяснение механизмов рекомбинации, ответственных за появление полос излучения, может послужить дальнейшему продвижению в понимании электронной структуры, и процессов, происходящих в КТ 1пАз на вицинальных подложках СаАБ.

Для реализации поставленной цели в настоящей работе проведено систематическое изучение спектров ФЛ ансамбля двумерных массивов КТ 1пА8, выращенных методом СМСЭ на вицинальных подложках ОаА8(ЮО) с различными направлениями и углами разориентации при осаждении слоя 1пАз 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.

Основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались на международных конференциях «Nanostructures: Physics and Technology 1998», «Nanostructures: Physics and Technology 1999», Репино, Санкт-Петербург- «The 24th International Conference on the Physics of Semiconductors», 1998, Jerusalem, Israelна IV Российской Конференции по Физике Полупроводников 1999, Новосибирск, II Городской Научной Конференции Студентов и Аспирантов по Физике Полупроводников и Полупроводниковой Наноэлектронике, 1998, Санкт-ПетербургВсероссийской Молодежной Научной Конференции по Физике Полупроводников и Полупроводниковой Оптои Наноэлектронике, 1999, Санкт-Петербурги изложены в следующих публикациях:

1. R.B. Juferev, А.В. Novikov, B.V. Novikov, S.Yu. Verbin, Dinh Son Thach, G. Gobsch, R. Goldhahn, N. Stein, A. Golombek, G.E. Cirlin, V.G. Dubrovskii, V.N. Petrov. Photoluminescence of 1.8ML InAs quantum dots grown by SMEE on GaAs (100) misoriented surface. Nanostructures: Physics and Technology. 6th International Symposium. St. Petersburg, Russia, June 22 — 26, 1998. QWR/QD.07. pp.204−207.

2. R.B. Juferev, A.B. Novikov, B.V. Novikov, S.Yu. Verbin, Dinh Son Thach, G. Gobsch, R. Goldhahn, N. Stein, A. Golombek, G.E. Cirlin, V.G. Dubrovskii, V.N. Petrov. Photoluminescence of InAs quantum dots grown by SMEE on GaAs misoriented surface. The 24th International Conference on the physics of semiconductors. August 2 -7, 1998, Jerusalem, Israel. Tu-P138. Vol. 1.

3. G. Cirlin, V. Dubrovskii, V. Petrov, R. Iuferev, A. Novikov, B. Novikov, S. Verbin, Dinh Son Thach, I. Shchur, G. Gobsch, R. Goldhahn, N. Stein, A. Golombek. Growth of InAs quantum dots on GaAs misoriented surfaces by SMEE and their photoluminescence characterization. Tenth International Conference on Molecular Beam.

Epitaxy. Cannes, August 31 — September 4, 1998. Abstract Book. p. 428.

4. Динь Шон Тхак, И. В. Щур, А. Киселев, Б. В. Новиков. Исследование возбужденных состояний в квантовых точках InAs на разориентированной поверхности GaAs (100), полученных методом субмонослойной миграционно-стимулированной эпитаксии. II Городская Научная Конференция Студентов и Аспирантов по Физике Полупроводников и Полупроводниковой Наноэлектронике, 1998, Санкт-Петербург, КС-14, pp. 23−24.

5. S. Yu. Verbin, В. V. Novikov, R. В. Juferev, Yu. Stepanov, A. B. Novikov, Dinh Son Thach, I. Shchur, V. B. Talalaev et Al. Photoluminescence study of electronic structure of InAs quantum dots grown on GaAs vicinal surfaces. 7th. Int. Symp. «Nanostructures: Physics and Technology», St. Petersburg, Russia, June 14−18,1999. QWR/QD.17, p. 63.

6. Б. В. Новиков, P. Б. Юферев, Ю. А. Степанов, А. Б. Новиков, Динь Шон Тхак, И. В. Щур, А. С. Киселев, В. Г. Талалаев, Г. Э. Цырлин, В. Г. Дубровский, В. Н. Петров, А. Ю. Егоров, В. М. Устинов. Исследование возбужденных состояний квантовых точек InAs, выращенных на вицинальных поверхностях GaAs. IV Российской Конференции по Физике Полупроводников, 25−29 октября 1999, Новосибирск. СрАЗ-7, 226.

7. В. А. Гайсин, Динь Шон Тхак, В. Г. Дубровский, А. Ю. Егоров, А. С. Киселев, Б. С. Кулинкин, Б. В. Новиков, В. Н. Петров, В. М. Устинов, Г. Э. Цырлин, И. В. Щур. Влияние гидростатического давления на низкотемпературные спектры люминесценции квантовых точек InAs/GaAs. IV Российской Конференции по Физике Полупроводников, 25−29 октября 1999, Новосибирск. СрС-21,247.

8. Динь Шон Тхак, А. С. Киселев, В. В. Качканов, В. Г. Талалаев. Исследование структуры рекомбинационного излучения квантовых точек 1пАз, выращенных на вицинальных поверхностях СаАз. II Городской Научной Конференции Студентов и Аспирантов по Физике Полупроводников и Полупроводниковой Наноэлектронике, 1998, Санкт-Петербург. У17, 71.

9. В. Г. Талалаев, Б. В. Новиков, С. Ю. Вербин, А. Б. Новиков, Динь Шон Тхак, И. В. Щур, Г. Гобш, Р. Гольдхан, Н. Штейн, А. Голомбек, Г. Э. Цырлин, В. Н. Петров, В. М. Устинов, А. Е. Жуков, А. Ю. Егоров. Исследование структуры рекомбинационного излучения квантовых точек 1пАб, выращенных на вицинальных поверхностях ОаАБ. ФТП, 34, 467 (2000).

В заключение выражаю искреннюю признательность моим научным руководителям — доктору физ.-мат. наук, профессору Новикову Борису Владимировичу и кандидату физ.-мат. наук, ст. науч. сотр. Талалаеву Вадиму Геннадьевичу за руководство моей работой и плодотворные научные дискуссии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В заключение приведем краткий перечень основных результатов и выводов работы.

1. Исследована серия из 20-ти образцов квантовых точек ЬтАб на подложке ОаАБ с разными углами и направлениями разориентации.

2. Обнаружена существенная трансформация спектра ФЛ для разных направлений и углов разориентации подложки, при изменении температуры, интенсивности и энергии возбуждающего света.

3. Обнаружено смещение максимума ФЛ относительно сингулярной поверхности в коротковолновую сторону, вызванное уменьшением размера КТ на вицинальных поверхностях. Сужение максимума ФЛ связывается с уменьшением разброса КТ по размерам.

4. Уменьшение размеров КТ и их дисперсии объяснено в рамках представлений о латеральном ограничении КТ на террасах с учетом эффекта складывания моноатомных ступеней. Показано, что структура спектра ФЛ формируется группами КТ, принадлежащих террасам, уширенным за счет этого эффекта.

5. Изучены особенности проявления наиболее интенсивной и высокоэнергетической полосы спектра ФЛ образцов, разориентированных на углы 5° и 7°.

6. Обнаружено, что КТ группы /(Ю возбуждаются только светом из области поглощения барьера ОаАБ, тогда как две остальные группы <2?> имеют непосредственную связь со смачивающим слоем.

7. Обнаружен различный характер температурной зависимости энергетического положения максимума и полуширины полос в разных группах КТ (ОИ и ?01)).

8. Впервые предложено считать КТ 10Е) изолированными наноостровками, не связанными с остальным массивом из-за разрывов смачивающего слоя.

9. По поведению температурной зависимости интегральной интенсивности полос ФЛ, по результатам исследования спектров возбуждения ФЛ и влиянию плотности возбуждения ФЛ определено участие возбужденных экситонных состояний в рекомбинационном излучении ассоциированных и изолированных КТ.

10. Дана количественная оценка энергетической структуры разных групп КТ ГпАя/ОаАя 7°[001]. Определены глубина залегания электрона и дырки, энергия связи экситона, отщепление возбужденного состояния для каждой из полос 01) о, 01)1,1(Ю.

11. Исследованы спектры ФЛ КТ ГпАз/СаАз при приложении всестороннего гидростатического сжатия. Измерены барические коэффициенты отдельных компонент ФЛ КТ (21)о, 01)-, 101), смачивающего слоя ЖЬ и свободного экситона ЕЕ подложки ваАз.

12. Впервые обнаружено различие барических зависимостей спектрального сдвига отдельных компонент спектра ФЛ. Обнаруженный эффект связан с наличием поля внутренних деформаций в КТ 1пА$/ОаА5.