НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАІНИ

ІНСТИТУТ ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ ім. В. Є. ЛАШКАРЬОВА

КОЛОМИС ОЛЕКСАНДР ФЕДОРОВИЧ

УДК 539.22; 535.36; 535.37

МОРФОЛОГІЯ ПОВЕРХНІ ТА ОПТИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ (In,Ga)As/GaAs і InAs/AlSb НАНОСТРУКТУР

( 01. 04. 07 – фізика твердого тіла )

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Київ – 2006

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України

Науковий керівник кандидат фізико-математичних наук

Стрельчук Віктор Васильович,

Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова

Національної Академії наук України,

старший науковий співробітник

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор

Корсунська Надія Овсіївна,

Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова

Національної Академії наук України,

провідний науковий співробітник

кандидат фізико-математичних наук,

Порошин Володимир Миколайович

Інститут фізики Національної Академії наук України,

старший науковий співробітник

Провідна установа Київський національний університет імені Тараса Шевченка, кафедра напівпровідникової електроніки, м. Київ

Захист відбудеться 17 березня 2006 р. о 1415 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К.26.199.01 в Інституті фізики напівпровідників
ім. В.Є. Лашкарьова НАН України за адресою: 03028, Київ-28, проспект Науки, 45

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України: 03028, Київ-28, проспект Науки, 45

Автореферат розіслано 16 лютого 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

кандидат фізико-математичних наук О.Б. Охріменко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Важливим напрямком розвитку сучасної фізики напівпровідників є створенням різноманітних низькорозмірних гетероструктур з квантовими ямами, квантовими нитками та квантовими точками з наперед заданими параметрами для потреб нано- та оптоелектроніки. Останні досягнення в молекулярно-пучковій епітаксії (МПЕ) дозволяють отримувати наногетероструктури з характеристичними розмірами від одиниць до сотень нанометрів.

У випадку співмірності лінійних розмірів наноструктур з довжиною хвилі де-Бройля електронів (дірок) виникають ряд незвичайних та унікальних фізичних властивостей обумовленних ефектами розмірного квантування енергетичного спектра носіїв заряду. Нинішній інтерес дослідників охоплює як фундаментальні аспекти квантово-розмірних явищ, так і прикладні аспекти застосування наноструктур в нано- і оптоелектроніці.

Атомно-подібний дискретний енергетичний спектр квантових точок та дельта-подібний характер густини електронних станів дають можливість створювати на їх основі електронні і оптоелектронні пристрої з унікальною температурною стабільністю і поліпшеними динамічними характеристиками. На основі (In,Ga)As квантових точок (КТ) і квантових ниток (КН) вже одержані нові прилади оптоелектроніки, такі як низькопорогові лазери на КТ, оптична пам'ять, інфрачервоні детектори.

Проте, до теперішнього часу не досягнуті теоретично передбачені значення параметрів приладів на основі А3В5 наноструктур. Головною причиною цього є достатньо широкий розкид розмірів КТ і КН і їх залежність від технологічних умов отримання. Крім того, при дослідженні процесів самоорганізації таких наноструктур, залишається багато невирішених питань, які торкаються механізму зростання, хімічного складу КТ і КН та їх форми, процесів латерального і вертикального впорядкування КТ. Незважаючи на значні зусилля численних груп науковців, на сьогоднішній день не існує однозначного задовільного трактування процесів самоіндукованного росту КТ, в тому числі для системи (In,Ga)As/GaAs. Структурні параметри наноструктур, зокрема (In,Ga)As квантових точок і ниток та InAs/Al(Ga)Sb квантових ям, зазнають кардинальних змін під впливом процесів інтердифузії і сегрегації при їх вирощувані. На час початку виконання дисертаційної роботи цій проблемі в системах (In,Ga)As/GaAs та InAs/Al(Ga)Sb не приділялось належної уваги. Вищевідзначені питання охоплюють широкий круг фундаментальних явищ фізики твердого тіла, дослідження яких необхідне для створення бази опто- і наноелектроніки нового покоління. Тому актуальність даної роботи обумовлена необхідністю встановлення впливу технологічних умов вирощування А3В5 наноструктур на їх фізичні властивості, з врахуванням ефектів інтердифузії та сегрегації.

Вищесказане і обумовлює наукову та прикладну актуальність даної роботи.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Дослідження, результати яких увійшли до дисертаційної роботи, були проведені у рамках планових фундаментальних досліджень ІФН НАН України по темах: “Оптика і спектроскопія елементарних і колективних збуджень у напівпровідникових матеріалах та наноструктурах з різною розмірністю” – Постанова Бюро ВФА НАН України від 16 листопада 1999 р., № держреєстр. 0100U000115; “Оптичні та спектроскопічні дослідження напівпровідникових матеріалів та структур на їх основі” – Постанова Бюро ВФА НАН України від 27.11.2002 р., № держреєстр. 0103U000197; Конкурсна тематика ”Світловипроміню-ючі наноструктури видимого та середнього ІЧ діапазонів: МПЕ вирощування та дослідження структурних, електрооптичних і деградаційних характеристик”. – Наказ Міністерства освіти і науки України № від 18 квітня 2001 р., договір 2М/148–2001 від 07 червня 2001 р., № держреєстрації 0102U000046; НДР № , Оптичні та спектроскопічні дослідження напівпровідникових матеріалів та структур на їх основі” (початок 1.01.2003, затверджена Постановою Бюро ВФА НАН України від 27.11.2002, протокол № ) № держреєстрації 0103U000197.

Мета і задачі дослідження

Мета роботи полягає у вивченні взаємозв’язку оптичних та структурних властивостей багатошарових InxGa1-xAs/GaAs(100) структур з квантовими точками і квантовими нитками та InAs/AlSb гетероструктур з квантовими ямами в залежності від технологічних умов вирощування, встановлення ролі інтердифузії та сегрегації атомів і включає наступні конкретні задачі:

1. Дослідити особливості механізму формування InxGa1-xAs квантових точок в багатошарових InxGa1-xAs/GaAs(100) структурах та їх випромінювальні властивості.

2. Дослідити вплив ефектів інтердифузії та сегрегації атомів на компонентний склад та деформацію в багатошарових InxGa1-xAs структурах з квантовими точками.

3. Встановити вплив технологічних параметрів (кількість шарів, товщина шарів, компонентний склад) та швидкого термічного відпалу на оптичну анізотропію випромінювання та морфологію поверхні InxGa1-xAs/GaAs(100) наноструктур.

4. Дослідити змішані внутріпідзонні плазмон-LO-фононні збудження в InAs/AlSb структурах з InAs КЯ в залежності від типу інтерфейсних зв’язків.

Об’єктом досліджень є багатошарові InxGa1-xAs/GaAs(100) структури з квантовими точками і квантовими нитками та InAs/AlSb гетероструктури з InSb- та AlAs-типом інтерфейсу і InAs квантовою ямою різної товщини.

Предметом досліджень є явища самоіндукованого формування InxGa1-xAs/GaAs(100) наноструктур, вплив ефектів інтердифузії та сегрегації атомів In/Ga на компонентний склад та пружну деформацію в наноострівцях, процеси латерального впорядкування InxGa1-xAs/GaAs(100) наноструктур з квантовими точками і квантовими нитками, вплив технологічних параметрів на структурні та оптичні властивості досліджуваних структур; внутріпідзонні плазмон-LO-фононні збудження в InAs/AlSb структурах.

Методи досліджень: комбінаційне розсіювання світла, фотолюмінесценція, атомно-силова мікроскопія, високороздільна рентгенівська дифрактометрія.

Наукова новизна одержаних результатів

1. Показано, що процес формування InxGa1-xAs квантових точок (наноострівців) при типових температурах росту не зводиться до класичного механізму Странського-Крастанова, що припускає різкий перехід від 2D пошарового до 3D острівцевого росту, а суттєво модифікується процесами вертикальної сегрегації атомів In та інтердифузії атомів Ga і реалізується через зародження 2D-острівців, які в подальшому слугують прекурсорами 3D-острівців.

2. Виявлено, що при збільшенні кількості періодів багатошарової
InxGa1-xAs/GaAs структури ступінь латерального впорядкування і однорідності КТ покращується, що супроводжується збільшенням ступеня лінійної поляризації випромінювання КТ вздовж двох взаємноперпендикулярних напрямків [011] і .

3. Встановлено, що швидкий термічний відпал багатошарових (In,Ga)As КН приводить до покращення однорідності розмірів КН, зміні енергії випромінювання і збільшення ступеня його лінійної поляризації.

4. Показано, що резонансне КРС є ефективним методом дослідження 2D електронної плазми в InAs/AlSb наноструктурах. Встановлено, що у випадку InSb-подібного інтерфейсу має місце зменшення концентрації і збільшення рухливості 2D електронів в InAs КЯ, що особливо чітко проявилось при використанні МПЕ зі спеціальними перериваннями процесу росту структури на гетероінтерфейсі.

Практичне значення одержаних результатів:

1.

2.

3.

Особистий внесок здобувача

Особистий внесок здобувача полягає в одержанні представлених експериментальних результатів за допомогою спектроскопії КРС та фотолюмінесценції. Йому належить суттєва роль в інтерпретації отриманих результатів та написанні наукових праць, а також представленні результатів на конференціях і семінарах різного рівня.

Коломисом О.Ф. у роботах [1-3,9] проведені вимірювання спектрів КРС, оброблені та інтерпретовані дані спектроскопії КРС. Він брав участь у обговоренні та написанні статей, представляв результати досліджень [7,9,10] на конференціях.

Коломисом О.Ф. у роботах [4-5,13-15] проведені вимірювання спектрів фотолюмінесценції, оброблені та інтерпретовані експериментальні дані. Він брав участь у обговоренні та написанні статей, представляв результати досліджень на конференціях.

Апробація результатів дисертації

Основні матеріали дисертації доповідалися на Міжнародних та Українських конференціях: E-MRS 2004 SPRING MEETING, Strasbourg, France, 2004; E-MRS 2004 FALL MEETING, Warshava, Poland, 2004; The Fourteenth International Conference on Crystal growth in Conjunction with the Twelfth International Conference on Vapor Growth and Epitaxy (ICCG14 ICVGE12), Grenoble, 2004; IX Міжнародній конференції „Фізика і технологія тонких плівок”, Яремча, 2002; IV Міжнародній школі-конференції „Актуальні проблеми фізики напівпровідників”, Дрогобич, Україна, 2003 р.; Лашкарьовських читаннях для молодих вчених, присвячених 100-річчю з дня народження академіка В.Є. Лашкарьова, Київ, 2003 р.; Російському міжнародному семінарі НАНОФОТОНИКА, Н.Новгород, 2004; Міжнародній конференції „Нанорозмірні системи. Електронна, атомна будова та властивості (НАНСИС 2004)”, Київ, 2004; ІІ Українській Науковій конференції з фізики напівпровідників (УНКФН-2) Чернівці-Вижниця, 2004.

Всі матеріали, що увійшли в дисертацію доповідалися на семінарах ІФН
ім. В.Є.Лашкарьова НАН України.

Публікації. За матеріалами дисертації опублікована 16 робiт, в тому числі
6 статей у провідних фахових журналах та 10 тез доповідей на наукових конференціях.

Структура та об’єм дисертації. Дисертаційна робота викладена на
165 сторінках, складається із вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел (208 найменувань) і містить 70 рисунків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано загальну мету, конкретні задачі і об’єкти дослідження, окреслено наукове і практичне значення роботи. Вказано особистий внесок здобувача, структуру і обсяг дисертації, наведено відомості про апробацію результатів роботи та публікації.

Розділ 1 – Фізичні властивості низькорозмірних напівпровідникових гетероструктур (огляд). Розглянуто процес формування та основні оптичні і структурні властивості самоорганізованних А3В5 наноструктур, обґрунтовано переваги досліджуваних наноструктур над традиційними матеріалами оптоелектроніки. Підсумовано досягнення технології вирощування структур з самоіндукованими острівцями нанометрових розмірів, зокрема вплив на їх структурні і оптичні характеристики деформацій, компонентного складу, сегрегації та інтердифузії. Викладені основні результати досліджень даних наноструктур методами фотолюмінесценції, комбінаційного розсіювання світла, атомно-силової мікроскопії.

У другому розділі – Морфологічний перехід від двомірного псевдоморфного росту до трьохмірного (наноострівцевого) в InxGa1-xAs/GaAs наноструктурах – представлено результати комплексних оптичних і структурних досліджень морфологічного переходу від двовимірної поверхні осадженого
InхGa1-хAs шару до формування тривимірних наноострівців (квантових точок) при зміні компонентного складу InхGa1-хAs шарів для 8-ми періодних InxGa1-xAs/GaAs структур (х ,2 ч ,35).

Для дослідження морфології поверхні та внутрішньої структури зразків використовувалися методи атомно-силової мікроскопії (в контактній моді) та рентгенівської дифрактометрії; оптичні властивості аналізувалися із спектрів фотолюмінесценції та комбінаційного розсіювання світла.

Висока структурна якість 2D шарів в досліджуваних структурах експериментально підтверджується наявністю сателітної структури кривих дифракційного відбивання в рентгенівських спектрах, отриманих в симетричній 400 геометрії, невеликою напівшириною LO(GaAs)-подібної фононної лінії 2D шару та високою її інтенсивністю в спектрах КРС.

Спектри ФЛ збуджувались лінією 488,0 нм випромінювання Ar+ лазера. На рис.1, а наведено спектри ФЛ зразків з різною номінальною концентрацією індію в InxGa1-xAs шарі, отримані при низькому рівні збудження. Для зразків з х ? 0,25 реалізується псевдоморфна 2D мода росту і в спектрах ФЛ присутня одна інтенсивна смуга ФЛ InxGa1-xAs квантової ями. При збільшенні концентрації індію в КЯ від х = 0,20 до х = 0,25 інтегральна інтенсивність смуги ФЛ залишається практично незмінною. При цьому низькоенергетичне зміщення спектрального положення максимуму смуги ФЛ від 1,295 еВ до 1,259 еВ, при незмінній товщині КЯ, відповідає збільшенню концентрації In в КЯ, а збільшення її напівширини від 9 меВ до 18 меВ зумовлено композиційними або товщинними флуктуаціями КЯ. Для зразків з x > 0,25 спостерігається різке збільшення напівширини смуги випромінювання і прояв двох смуг, що перекриваються. Це свідчить про початок переходу від псевдоморфної 2D до 3D (наноострівцевої) моди росту структури. Низькоенергетична компонента смуги випромінювання відповідає збагаченим індієм 3D-острівцям, а високоенергетична – 2D-подібним острівцям з меншою концентрацією індію та малою висотою і порівняно великими латеральними розмірами. Останні можна розглядати як прекурсори для зародження великих 3D-острівців. Про наявність в зразку x = 0,28 двох типів нанооб’єктів свідчать дані атомно-силової мікроскопії. В АСМ-зображенні цієї структури (рис. , б) спостерігається утворення розрідженого масиву InxGa1-xAs КТ двох типів: 3D-острівці (світлі стрілки) і 2D-острівці з малим співвідношенням висоти до латерального розміру (темні стрілки).

На основі отриманих оптичних і структурних експериментальних даних запропонована модель формування InхGa1-хAs квантових точок. При невеликих концентраціях індію на ростовій поверхні 2D-шару формуються плоскі InxGa1-xAs 2D-острівці (2D-плато), які мають великі латеральні розміри і висоту в декілька моношарів – прекурсори для зародження InxGa1-xAs КТ. Вони структурно менш досконалі порівняно з 2D-шаром, на якому вони утворюються, що обумовлено неоднорідністю поверхневих деформаційних полів, які виникають внаслідок неоднорідного розподілу сегрегованого індію.

При збільшенні концентрації осадженого і сегрегованого In відбувається пониження бар'єра зародкоутворення КТ і стає енергетично вигіднішим процес трансформації плоских 2D острівців в 3D острівці. Постійна кристалічної гратки в 3D острівцях змінюється у всіх трьох напрямках, що приводить до неоднорідного розподілу деформацій (компонентного складу) в цих областях. Останнє експериментально проявляється в розширенні інтерференційних смуг і появі дифузної компоненти розсіяння в рентгенівських спектрах, а також появі значного уширення LO-фононних ліній InxGa1-xAs КТ в спектрах КРС.

Таким чином, на основі структурних і оптичних досліджень було показано, що в процесі росту досліджуваних структур має місце формування двох субшарів InxGa1-xAs з різною усередненою концентрацією індію: більш товстого структурно досконалого 2D-шару з пониженою концентрацією індію і збагаченого індієм тонкого шару з КТ.

В третьому розділі „Дослідження процесів формування (In,Ga)As квантових точок і квантових ниток в багатошарових (In,Ga)As/GaAs(100) структурах” приведені результати дослідження впливу кількості періодів багатошарової InxGa1-xAs/GaAs-структури, товщини і компонентного складу InxGa1-xAs шару на морфологію поверхні і оптичну анізотропію випромінювання самоорганізованих масивів квантових точок і ниток.

В якості об’єкта дослідження використовувалися багатошарові InхGa1-хAs/GaAs структури вирощені методом молекулярно-променевої епітаксії на напівізолюючих підкладках GaAs орієнтації (100). Морфологія поверхні зразків досліджувалася „ex-situ” за допомогою скануючого атомно-силового мікроскопа Nanoscope IIIа. З АСМ даних слідує, що з ростом кількості періодів від 2 до 9 при концентрації індію 0,5, середні латеральні розміри КТ збільшуються від 41 нм до 55 нм, а густина КТ зменшується від 300 мкм-2 до 133 мкм-2. Середнє значення висоти КТ збільшується від 5 до 11 нм. Із рис. 2 видно, що морфологія поверхні зразків являє собою масив періодичних ланцюжків КТ і КН орієнтованих в напрямку .

Відмінність в морфології поверхні, що формується при різних концентраціях In і товщинах InхGa1-хAs шару, може бути пояснена тим, що зменшення концентрації індію приводить до зменшення пружної енергії системи і, відповідно, збільшенню критичної товщини морфологічної нестабільності поверхні, при якій реалізується морфологічний 2D-3D перехід. Іншими словами, формується ниткоподібний 2D шар на якому або при збільшенні концентрації In, або товщини осаджуваного шару можуть утворюватися КТ.

Латеральне впорядкування КТ в ланцюжки вздовж напрямку не можна пояснити дією тільки анізотропії пружних констант розмежовуючого GaAs шару, яка може приводити до впорядкування КТ в 100 напрямках (напрямках, що відповідають мінімумам тензора пружності). Це вказує на те, що в нашому випадку кінетичні ефекти і пружна взаємодія сусідніх КТ є найбільш ймовірними факторами, які приводять до формування в процесі росту впорядкованих масивів КТ. Цей висновок слідує з того, що, по-перше, при осадженні InxGa1-xAs шарів на GaAs(100) довжина поверхневої дифузії адатомів катіонів вздовж напрямків більша, ніж вздовж [011] (), що обумовлене анізотропією поверхневої морфології As-стабілізованої поверхні GaAs (наприклад реконструкцією поверхні 24 GaAs). В результаті може реалізовуватися помітний анізотропний масоперенос в процесі росту КТ.

По-друге, локальний неоднорідний розподіл деформацій, обумовлений несиметричністю форми індивідуальних КТ, підсилює дифузію адатомів із більш напружених областей в слабонапружені. Оскільки поля пружних деформацій значно швидше спадають в пружно-жорстких напрямках 011 від границь КТ в порівнянні з м’якими напрямками 100, то швидкість зародження КТ буде вища в напрямках 011 порівняно з напрямками 100.

По-третє, в багатошаровій структурі латеральна пружна взаємодія сусідніх КТ і взаємодія деформаційних полів поверхневих і бар’єрних КТ зумовлена перекриттям полів пружних деформацій в розмежовуючому GaAs і змочуючому 2D InxGa1-xAs шарі може сприяти просторовому впорядкуванню центрів зародження КТ і, як наслідок, впорядкуванню КТ на ростовій поверхні.

Відмічені вище ефекти поверхневої анізотропії полів деформацій і дифузії адатомів, а також взаємодія пружних деформаційних полів індивідуальних КТ і є відповідальними за латеральне впорядкування масивів КТ.

З метою більш детального вивчення впливу відмічених вище факторів на анізотропію випромінювання (In,Ga)As наноструктури були проведені оптичні дослідження багатошарових InxGa1-xAs/GaAs структур з ланцюжками КТ і квантовими нитками.

На рис. 2. а,б показані спетри ФЛ (8К) 17-ти періодних InхGa1-хAs/GaAs структур з (In,Ga)As КН при збудженні з енергією кванта випромінювання 2,33 еВ. Поляризація ФЛ аналізувалась для двох напрямків: паралельно ( ()) і перпендикулярно ([011] ()) до напрямку латеральної орієнтації КН.

В низькотемпературному спектрі ФЛ In0,4Ga0,6As(7,6 МШ)/GaAs(67 МШ) (рис. 2, а) реєструється смуга випромінювання КТ при ? ,28 еВ (Г ? 65 меВ). Ступінь поляризації в максимумі смуги ФЛ ? %. У випадку In0,3Ga0,7As/GaAs(67 МШ) структур з (In,Ga)As КН при товщині InxGa1-xAs шару 16,3 МШ (рис. 1, б) смуга випромінювання КН реєструється при ? ,25 еВ (Г ? 46 меВ), а ступінь поляризації в максимумі смуги ФЛ ? %, відповідно.

Відмінність інтенсивності випромінювання вздовж і [011] напрямків обумовлена пониженням кристалографічної симетрії системи, однією з причин якого є наявність квазіперіодичних анізотропних деформаційних полів, поява яких обумовлена анізотропним характером латерального впорядкування (In,Ga)As КТ.

Встановлено, що при підбором умов росту, можна отримати впорядкування КТ в площині гетерограниці при осадженні вже перших періодів багатошарової InхGa1-хAs/GaAs структури. Показано, що при збільшенні кількості періодів структури спостерігається поліпшення латерального впорядкування і однорідності розмірів КТ і КН. Зміна товщини розмежовуючого шару і концентрації індію може приводити до утворення однорідних періодичних ланцюжків КТ і КН. Збільшення оптичної анізотропії випромінювання КТ і КН корелює з анізотропією релаксації пружних деформацій в двох перпендикулярних напрямах [011] і і формою КТ і КН.

В четвертому розділі „Комбінаційне розсіювання світла в InAs/Al(Ga)Sb структурах з квантовими ямами” приведено результати досліджень змішаних внутріпідзонних плазмон-LO-фононних збуджень в InAs/AlSb структурах з InAs КЯ номінальної товщини 15 і 32 нм в залежності від типу інтерфейсних зв'язків і особливостей технології їх вирощування.

Досліджувалися нелеговані InAs/AlSb структури з InAs КЯ товщиною 15 і 32 нм, вирощені на ізолюючій GaAs(100) підкладці методом МПЕ, товщина AlSb бар’єрів – 24 нм. На рис. 3 приведені спектри КРС зразка з InAs КЯ номінальної товщини 15 нм і з InSb інтерфейсом в геометрії зворотного розсіювання при збудженні з енергією кванта 2,54 еВ. Енергія кванта збудження була близькою до енергетичного переходу, який відповідає оптичній щілині E1 InAs (2,49 (2,61) еВ при Т ) К). Спектри КРС вимірювалися при поляризації падаючого і розсіяного світла в паралельній і в перпендикулярній поляризаційній конфігураціях, де х РР], y РР], z РР].

Крім смуги LO(AlSb) (340 cм-1) в спектрі КРС реєструються дві чітко виражені лінії з максимумами в області частот 220-240 cм-1. Низькоенергетична лінія відповідає розсіюванню на низькочастотній компоненті змішаних плазмон-LO-фононних збуджень в InAs КЯ (228,4 cм-1), а високоенергетична лінія – неекранованій LO-фононній моді InAs КЯ (234,4 cм-1). Крім того, в спектрі реєструється лінія з максимумом в області ? 472 см-1, яка відповідає двохфононній 2LO(InAs) моді (рис. 3, а).

Частоти змішаних внутріпідзонних плазмон-LO-фононних мод для легованої квантової ями визначаються з рівності нулю дійсної частини діелектричної функції :

(1)

де – частота поперечних оптичних (ТО) фононів, – частота повздовжніх оптичних фононів (LO), – міжзонне розщеплення між першою збудженою і основною підзонами, – ефективна плазмова частота, де – Кулонівсь-кий матричний елемент взаємодії між основним і збудженим станами для квантової ями, – густина електронів в КЯ. Використовуючи співвідношення (1) можна встановити концентрацію електронів в КЯ, виходячи з частоти LO-фонона і плазмон-LO-фононної моди.

Додатково проведені дослідження впливу типу інтерфейсу між квантовою ямою і бар’єрними шарами і процесу переривання росту на концентрацію 2D електронної плазми в квантовій ямі. Встановлено, що зміна типу інтерфейсу приводить до значної відмінності співвідношення інтенсивності змішаної міжпідзонної плазмон-фононної моди і неекранованого LO(InAs)-фонону, енергетичного положення , неекранованого LO(InAs) і LO(AlSb) фононів. Найбільша інтенсивність і найменша ширина моди спостерігається для зразка з InSb-подібним інтерфейсом. Низькочастотний зсув моди від 229,6 см-1 до 228 см-1 і 226 см-1 свідчить про збільшення концентрації 2D-електронів, а зменшення інтенсивності і збільшення її напівширини – про зменшення їх рухливості. Крім того, для зразка вирощеного без зупинки росту на ІФ спостерігається додатковий зсув лінії неекранованого LO(InAs) фонону в низькоенергетичну сторону (Д ~1,7 см-1) порівняно з іншими зразками, що обумовлено як збільшенням пружних напружень розтягу в InAs шарі, так і підсиленням ефекту екранування носіями електричного поля LO фонона.

Таким чином, продемонстрована ефективність методу резонансного КРС для дослідження 2D електронної плазми і особливостей інтерфейсів в InAs/AlSb гетероструктурах. Показано, що у разі InSb-подібного інтерфейсу має місце зменшення концентрації і збільшення рухливості 2D електронів в InAs КЯ. Вивчено резонансну поведінку інтенсивностей розсіяння низькочастотної змішаної з LO-фононом внутріпідзонної – моди і неекранованої LO(InAs) моди при варіюванні енергії фотонів збудження у області резонансу з оптичною щілиною Е1 в InAs. Вперше виявлені помітні зміни концентрації 2D електронів і їх взаємодія з LO-фононами InAs залежно від енергії кванта збудження при низькій температурі.

ВИСНОВКИ

1. Встановлено, що в багатошарових InxGa1-xAs/GaAs структурах 2D-3D перехід реалізується при номінальній концентрації індію, що перевищує . Отримані профілі розподілу індію в InxGa1-xAs шарах вздовж напряму росту структури. Результати структурних досліджень пояснені з врахуванням поверхневої сегрегації атомів індію і інтердифузії атомів галію із GaAs шарів при формуванні InxGa1-xAs КТ.

2. Використовуючи методи ФЛ і АСМ показано, що на початковому етапі 2D-3D переходу в In0,28Ga0,72As/GaAs структурі формуються два типа квантових структур: 3D-острівці збагачені індієм, які відповідальні за низькоенергетичну смугу випромінювання, та плоскі 2D-подібні острівці з меншою концентрацією індію, які обумовлюють високоенергетичну компоненту смуги ФЛ.

3. Запропонована в роботі фізична модель процесу формування InxGa1-xAs КТ в багатошарових InxGa1-xAs/GaAs структурах дозволяє адекватно пояснити отримані методами АСМ, ФЛ, КРС і рентгенівської дифракції експериметальні результати. Ця модель передбачає утворення на границі поділу гетероструктури двохмірного шару з пониженою концентрацією індію (х < ,25) в порівнянні з середньою частиною InxGa1-xAs шару. Останнє зумовлене прагненням системи до зменшення невідповідності постійних ґраток між напруженим InxGa1-xAs шаром і розмежовуючим GaAs шаром за рахунок інтердифузії атомів галію та вертикальної сегрегації атомів індію. На початковому етапі формування (In,Ga)As КТ утворюються 2D плоскі острівці, які можна розглядати як прекурсори для зародження великих 3D-острівців.

4. Показано, що підбором умов росту (температура, швидкість осадження, номінальна товщина) можна отримати латеральне впорядкування КТ при осадженні вже перших періодів багатошарової InхGa1-хAs/GaAs структури. При збільшенні кількості періодів структури ступінь латерального впорядкування і однорідності КТ покращується, що супроводжується збільшенням ступеня поляризації випромінювання КТ. Механізми латерального впорядкування і оптичної анізотропії випромінювання InхGa1-хAs КТ пояснено на основі дії конкуруючих фізичних факторів: анізотропії деформаційного поля, поверхневої дифузії адатомів та пружної взаємодії сусідніх КТ.

5. Встановлено, що швидкий термічний відпал (ШТВ) InхGa1-хAs КН можна використовувати для покращення однорідності їх розмірів і підвищення ступеня лінійної поляризації випромінювання. Проведені дослідження показали перспективність використання ШТВ (In,Ga)As КН при створенні нових оптоелектронних пристроїв.

6. Показано, що резонансне КРС є ефективним методом дослідження 2D електронної плазми в InAs/AlSb наноструктурах. Встановлено, що у випадку InSb-подібного інтерфейсу має місце зменшення концентрації і збільшення рухливості 2D електронів в InAs КЯ, що особливо чітко проявилось при використанні МПЕ зі спеціальними перериваннями процесу росту структури на гетероінтерфейсі.

7. Встановлена резонансна поведінка інтенсивностей розсіювання низькочастотної змішаної з LO-фононом внутріпідзонної щ- моди і неекранованої LO(InAs) моди при варіюванні енергії фотонів збудження в області резонансу з оптичною щілиною Е1 в InAs. Вперше виявлені помітні зміни концентрації 2D електронів та їх взаємодії з LO-фононами InAs в залежності від енергії кванта збудження при низькій температурі.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Valakh M.Ya., Strelchuk V.V., Kolomys A.F., Hartnagel H.L., Sigmund J. Resonance Raman scattering by intersubband plasmon-phonon excitations in InAs/AlSb structures // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. – 2003. – V. , № . – C. 287-293.

2. Стрельчук В.В., Кладько В.П., Валах М.Я., Мачулін В.Ф., Корчовий А.А., Коломис О.Ф., Гулє Є.Г., Masur Yu.I., Wang Z.M., Xiao M., Salamo G.J. Дослідження самоіндукованих квантових точок в InхGa1-хAs/GaAs багатошарових наноструктурах // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології. – 2003. – Т. , № . – С. .

3. Валах М.Я., Стрельчук В.В., Коломыс А.Ф., Mazur Yu.I., Wang Z.M., Xiao M., SalamoРезонансное комбинационное рассеяние света и атомно-силовая микроскопия многослойных InGaAs/GaAs наноструктур с квантовыми точками // Физика и техника полупроводников. – 2005, Т. 39, Вып. 1. – С. .

4. Стрельчук В.В., Валах М.Я., Гуле Е.Г., Коломыс А.Ф., Лисица М.П., Mazur Yu.I., Wang Zh.M., Salamo G.J. Модификация свойств многослойных наноструктур (In,Ga)As/GaAs с квантовыми нитями при термическом отжиге // Нано- и микросистемная техника. – 2005. – V. . – C. .

5. Strelchuk V.V., Lytvyn P.M., Kolomys A.F., Lysytsya M.P., Valakh M.Ya., Mazur Yu.I., Wang Zh.M., Salamo G.J.. Radiation anisotropy and ordering effects inherent to quantum dots and wires in (In,Ga)As/GaAs nanostructures // Ukraine Journal Physics Optic. – 2005. – V. , № . –  Р. .

6. Strelchuk V.V., Kladko V.P., Yefanov O.M., Gudymenko O.I., Valakh M.Ya., Kolomys A.F., Mazur Yu.I., Wang Z.M., Salamo G.J. Anisotropy of elastic deformations in multilayer (In,Ga)As/GaAs structures with quantum wires: X-ray diffractometry study // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. – 2005. – V. 8, № . – P. 35-41.

7. Валах М.Я., Стрельчук В.В., Юхимчук В.О., Коломис О.Ф. Спектроскопія КРС і фотолюмінесценція Si+-імплантованих шарів GaAs орієнтації (100) і (211) // Матеріали IX Міжнародної конференції „Фізика і технологія тонких плівок”. – Яремча (Україна). –2003. – Т. . – С. 37-38.

8. Валах М.Я., Стрельчук В.В., Коломис О.Ф., Литовченко В.Г., Харнагель Х.Л., Зигмунд Й. Резонансное КРС на межподзонных плазмон-фононных возбуждениях // IV Міжнародна школа-конференція “Актуальні проблеми фізики напівпровідників” Тез.доповідей. – Дрогобич (Україна). – 2002. – С. .

9. Коломыс А.Ф. Проявление межподзонных плазмон-фононных возбуждений и особенностей интерфейсов в спектрах КРС структур InAs/AlSb с квантовымы ямами // Лашкарьовські читання для молодих вчених, присвячені 100-річчю з дня народження академіка В.Є. Лашкарьова. Збірник тез. – Київ (Україна). – 2003. – С. .

10. Валах М.Я., Стрельчук В.В., Коломис О.Ф., Masur Yu.I., Wang Z.M., Xiao M., Salamo G.J. Резонансное КРС и АСМ многослойных InGaAs/GaAs наноструктур с квантовыми точками // Нанофотоника. Інститут физики микроструктур. Материалы совещания. – Нижний Новгород (Россия). – 2004. – С. 29-32.

11. Стрельчук В.В., Валах М.Я., Литвин П.М., Коломис О.Ф., Мачулин В.Ф., Masur Yu.I., Wang Zh.M., Salamo G.J. Оптичні та АСМ дослідження самовпорядкування квантових точок в напівпровідникових InxGa1-xAs/GaAs структурах // Тез.конф. Нанорозмірні системи. Електронна, атомна будова та властивості (НАНСИС 2004). – Київ (Україна). – 2004. – С. 315.

12. Стрельчук В.В., Валах М.Я., Литвин П.М., Коломис О.Ф., Masur Yu.I., Wang Zh.M., Salamo G.J. Вертикальне та латеральне впорядкування квантових точок та квантових ниток в InxGa1-xAs/GaAs(100) багатошарових наноструктурах // Тез.конф. ІІ Українська Наукова конференція з фізики напівпровідників (УНКФН-2). – Чернівці-Вижниця (Україна). – 2004. – Т. 2. – С. 220-221.

13. Стрельчук В.В., Валах М.Я., Коломис О.Ф., Masur Yu.I., Wang Zh.M., Salamo G.J. Фотолюмінесцентні дослідження самовпорядкованих (InGa)As квантових точок вирощених на підкладках GaAs орієнтацій (100), (711)А/В, (511)А/В, (411)А/В, (311)А/В, (211)А/В // Тез. конф. ІІ Українська Наукова конференція з фізики напівпровідників (УНКФН-2). – Чернівці-Вижниця (Україна). – 2004. – Т. 1. – С. 212.

14. Strelchuk V.V., Kladko V.P., Kolomys A.F., Machulin V.F., Valakh. M.Ya. Vertical and lateral alignment and interdiffusion in multilayer InхGa1-хAs/GaAs (100) Nanostructures // E-MRS 2004 SPRING MEETING. – Strasbourg (France). – 2004. – T/PI.20.

15. Валах М.Я., Стрельчук В.В., Литвин П.М., К,оломис О.Ф., Mazur Yu.I., Wang Zh.M., Salamo G.J. Эффекты латерального упорядочения (In,Ga)As квантовых точек и нитей в многослойных (In,Ga)As/GaAs структурах на подложках ориентаций (100) и (N11) // Нанофотоника. Інститут физики микроструктур. Материалы совещания. – Нижний Новгород (Россия). – 2005. – С. 114-115.

16. Стрельчук В.В., Валах М.Я., Литвин П.М., Коломис О.Ф., Mazur Yu.I., Wang Zh.M., Salamo G.J. Анизотропия излучающих свойств и фононные спектры в пространственно-упорядоченных (In,Ga)As/GaAs наноструктурах // VI Международный украинско-российский семинар “Нанофизика и наноэлектроника”. – Київ(Україна). – 2005. – С. 111-112.

АНОТАЦІЯ

Коломис О.Ф. “Морфологія поверхні та оптичні властивості (In,Ga)As/GaAs та InAs/AlSb наноструктур”. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 – фізика твердого тіла. – Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України, Київ, 2006.

В дисертації викладено результати комплексного дослідження оптичних та структурних властивостей багатошарових InxGa1-xAs/GaAs структур з квантовими точками і нитками та InAs/AlSb гетероструктур з квантовими ямами.

Запропонована покращена фізична модель процесу формування InxGa1-xAs квантових точок в багатошарових InxGa1-xAs/GaAs структурах, яка пояснює всі експериментально встановлені властивості спектрів фотолюмінесценції, комбінаційного розсіювання світла, рентгенівські і АСМ дані. Показано, що процес зародження InxGa1-xAs квантових точок (наноострівців) не зводиться до класичного механізму Странського-Крастанова, а суттєво модифікується процесами вертикальної сегрегації атомів індію і інтердифузії атомів галію.

Показано, що при ретельному підборі умов росту можна отримати латеральне впорядкування квантових точок при осадженні вже перших періодів багатошарової InхGa1-хAs/GaAs структури. При збільшенні кількості періодів структури ступінь латерального впорядкування і однорідності квантових точок покращується, що супроводжується збільшенням ступеня поляризації їх випромінювання.

Встановлено, що у випадку InSb-подібного інтерфейсу структури InAs/AlSb має місце зменшення концентрації і збільшення рухливості 2D електронів в InAs квантовій ямі. Вперше виявлені помітні зміни концентрації 2D електронів та їх взаємодії з LO-фононами InAs в залежності від енергії кванта збудження при низькій температурі.

Ключові слова: квантова точка, квантова нитка, інтердифузія, деформація, плазмон-фононна мода.

АННОТАЦИЯ

Коломыс А.Ф. “Морфология поверхности и оптические свойства (In,Ga)As/GaAs и InAs/AlSb наноструктур ”. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 – физика твердого тела. – Институт физики полупроводников им. В.Е. Лашкарева НАН Украины, Киев, 2006.

В диссертации представлены результаты комплексного исследования оптических и структурных свойств многослойных InxGa1-xAs/GaAs структур с квантовыми точками и нитями и InAs/AlSb гетероструктур с квантовыми ямами.

Предложена усовершенствованная физическая модель процесса формирования InxGa1-xAs квантовых точек в многослойных InxGa1-xAs/GaAs структурах, которая объясняет все экспериментально установленные свойства спектров фотолюминесценции, КРС, рентгеноструктурные и АСМ данные. Показано, что процесс зарождения InxGa1-xAs квантовых точек (наноостровков) не сводится к классическому механизму Странского-Крастанова, а существенно модифицируется процессами вертикальной сегрегации атомов индия и интердиффузии атомов галия.

Исследованы морфология поверхности и оптические свойства многослойных (In,Ga)As/GaAs(100) структур с самоорганизованными квантовыми точками и квантовыми нитями, выращенными методом молекулярно-пучковой эпитаксии. Показано, что при тщательном подборе условий роста можно получить латеральное упорядочение квантовых точек при осаждении уже первых периодов многослойной InхGa1-хAs/GaAs структуры. С увеличением количества периодов структуры степень латерального упорядочения и однородности квантовых точек улучшается, что сопровождается увеличением степени поляризации их излучения. Изменение толщины и концентрации индия приводит к образованию однородных периодических цепочек квантовых точек и нитей. Предложен механизм латерального упорядочения квантовых точек и нитей в многослойных структурах, включающий как эффекты анизотропии полей деформаций и диффузии адатомов, так и упругое взаимодействие соседних квантовых точек. Увеличение оптической анизотропии излучения квантовых точек и нитей коррелирует с анизотропией релаксации упругих деформаций в направлениях [011] і [] и их формой.

Показано, что быстрый термический отжиг многослойных (In,Ga)As квантовых нитей может использоваться для улучшения однородности их размеров, увеличение степени линейной поляризации и изменения энергии излучения.

Установлено, что в случае InSb-подобного интерфейса структуры InAs/AlSb имеет место уменьшение концентрации и увеличение подвижности 2D электронов в InAs квантовой яме. Впервые установлены значительные изменения концентрации 2D электронов и их взаимодействие с LO-фононами InAs в зависимости от энергии кванта возбуждения при низкой температуре.

Ключевые слова: квантовая точка, квантовая нить, интердиффузия, деформация, плазмон-фононная мода.

SUMMARY

Kolomys A.F. “Surface morphology and optical property of (In,Ga)As/GaAs and InAs/AlSb nanostructures”. – Manuscript.

The Ph.D. thesis for a scientific degree of the candidate of science in physics and mathematics in speciality 01.04.07 – solid state physics. – V. Lashkarev Institute of Semiconductor Physics NAS of Ukraine, Kyiv, 2006.

Сomplex investigation of the optical and structural properties of multilayer InxGa1-xAs/GaAs structures with quantum dots and wires and of InAs/AlSb heterostructures with quantum wells is presented.

The improved physical model of the process of InxGa1-xAs quantum dots formation in multilayered InxGa1-xAs/GaAs structures which explains all photoluminescence, Raman, X-ray and AFM result is proposed.

It is shown that the process of the quantum dots (nanoislands) nucleation is not merely the classical Stranski-Krastanov growth mode, but is significantly modified by the vertical segregation of the In atoms and vacancy-assisted interdiffusion of the Ga atoms.

It is shown that by careful selection of growth conditions one can achieve the lateral ordering of quantum dots in the very first periods of multilayered InхGa1-хAs/GaAs structures. With the increase of period’s number, the degree of lateral ordering and uniformity of quantum dots is improved. It is accompanied by the increase of the degree of polarization of radiation quantum dots.

It is found that in the case of InSb-like interface in InAs/AlSb structure the concentration of 2D electrons in InAs quantum wells decreases and their mobility increases. Revealed are considerable concentration changes for 2D electrons at low temperatures in dependency of the excitation quantum energy.

Keywords: quantum dot, quantum wire, interdiffusion, strain, plasmon-phonon mode.