научная статья по теме ФОРМИРОВАНИЕ КВАНТОВЫХ ТОЧЕК INAS НА ПОДЛОЖКАХ GAAS МЕТОДОМ ИОННО-ЛУЧЕВОГО ОСАЖДЕНИЯ Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук

Текст научной статьи на тему «ФОРМИРОВАНИЕ КВАНТОВЫХ ТОЧЕК INAS НА ПОДЛОЖКАХ GAAS МЕТОДОМ ИОННО-ЛУЧЕВОГО ОСАЖДЕНИЯ»

ВЕСТНИК ЮЖНОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА РАН Том 6, № 4, 2010, стр. 46-49

ХИМИЯ И НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

ФОРМИРОВАНИЕ КВАНТОВЫХ ТОЧЕК InAs НА ПОДЛОЖКАХ GaAs МЕТОДОМ ИОННО-ЛУЧЕВОГО ОСАЖДЕНИЯ

Экспериментально показана возможность формирования методом ионно-лучевого осаждения квантовых точек ¡пАб на поверхности ваЛБ. Методами АСМ- и СЭМ-микроскопии исследована морфология квантовых точек ¡паб. Определен элементный состав и получены спектры фотолюминесценции выращенных наноструктур ¡пАв/ваЛв.

Ключевые слова: квантовые точки ТпЛв/ваЛв, ионно-лучевое осаждение, фотолюминесценция.

Оптимальным полупроводниковым материалом для изготовления фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) является арсенид галлия (ваЛв). Эффективность ФЭП на основе ваЛБ может достигать 33%, что на 6% выше максимальной эффективности кремниевых ФЭП [1, 2]. Дальнейшее повышение эффективности ФЭП достигается введением квантовых точек (КТ) из узкозонного полупроводникового материала (например, ¡пАб) в полупроводниковую структуру из широкозонного материала (например, ваЛв) [3]. Теоретически показано, что эффективность ФЭП с КТ может превышать 70%, что обусловлено суммированием энергии двух длинноволновых квантов света, проходящих через широкозонный полупроводник и поглощаемых материалом КТ [4]. ^ВН

Дополнительный интерес к исследованиям гете-роструктур с самоорганизующимися КТ в системе ¡пАв/ваЛв обусловлен возможностью расширения диапазона излучения структур на ваЛБ до длин волн 1,3-1,5 мкм, что открывает возможность создания лазеров длинноволнового излучения [5, 6].

Основными методами получения наногетеро-структур с КТ являются молекулярно-пучковая эпитаксия и газофазная эпитаксия из металлоорга-нических соединений. При всех несомненных достоинствах этих методов выращивания они обладают рядом недостатков. Сложное технологическое оборудование и низкая производительность тормозят применение метода молекулярно-пучковой эпи-таксии при массовом производстве ФЭП. В методе газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений отсутствует возможность непосредст-

Подложка в графитовой v кассете

1 Южный научный центр Российской академии наук, 344006, Ростов-на-Дону, пр. Чехова, 41; e-mail: Lunin_LS@ mail.ru; eianpisia@yandex.ru; sergey_cheff@mail.ru; paschenko. novoch@bk.ru.

' Распыление материала мишени

Рис. 1. Установка ионно-лучевого осаждения: а) общий вид экспериментальной установки; б) схема процесса ионно-лучевого осаждения

ФОРМИРОВАНИЕ КВАНТОВЫХ ТОЧЕК

венного контроля процесса осаждения наносло-ев и формирования КТ, кроме того, в этом методе используется химически активная атмосфера, что создает определенные проблемы экологического характера.

В данной работе предпринята попытка реализовать альтернативный ионно-лучевой метод формирования наногетероструктур с КТ. Метод ионно-лу-чевого осаждения характеризуется использованием низкого вакуума, высокой производительностью, возможностью осуществления процессов ионной очистки подложки и осаждения в едином технологическом цикле, что в целом позволяет существенно снизить стоимость получаемых структур. Объектом исследования была система InAs/GaAs. Основные задачи - определение условий формирования КТ ар-сенида индия на подложках GaAs при ионно-луче-вом осаждении и изучение полученных наноструктур методами рентгеновского энергодисперсионного микроанализа, сканирующей электронной и атом-но-силовой микроскопии, фотолюминесценции.

Выращивание наноструктур InAs/GaAs с КТ проводилось на специально сконструированной экспериментальной установке ионно-лучевого осаждения (см. рис. 1а). Установка выполнена на базе стандартной ростовой камеры с двухуровневой вакуумной системой, блока электропитания СЕФ-53М, источника ионов КЛАН-53М и системы газоподачи. В методе ионно-лучевого осаждения формирование слоев или наноструктур на подложках осуществляется распылением материала твердотельной мишени пучком химически инертных ионов (см. рис. 16).

Для экспериментов использовали подложки арсе-нида галлия (100) я-типа, предварительно обрабатываемые по стандартной методике. Подложки GaAs, закрепленные в специальной кассете, помещали в ростовую камеру, находящуюся при давлении 10-2 Па, нагревали до рабочей температуры 500550 °С и подвергали предварительной очистке ионным пучком аргона в течение 10-30 мин. Затем проводили процесс ионно-лучевого осаждения ар-сенида индия путем распыления материала подложки InAs (100). После его завершения экспериментальные образцы охлаждали до температуры 50 °С в первоначальных вакуумных условиях.

Исследование топографии поверхности образцов после осаждения арсенида индия проводили на атомно-силовом микроскопе Solver HV и сканирующем электронном микроскопе Quanta 200. В качестве примера на рисунке 2 приведены СЭМ- и АСМ-изображения поверхности наноструктур InAs, сформированных на предварительно очищенной ионами аргона подложке GaAs (температура под-

Рис. 2. КТ InAs на подложке GaAs, полученные ионно-луче-вым осаждением: а) 3D АСМ-изображение КТ InAs/GaAs, б) СЭМ-изображение топографии КТ InAs/GaAs

ложки Т = 500 °С, время осаждения ?осажд = 15 мин, давление остаточных газов P = 1,5 • 10-2 Па).

Из анализа АСМ- и СЭМ-изображений видно, что в этих технологических условиях методом ионно-лучевого осаждения можно сформировать массивы КТ InAs на подложках GaAs. Характерные размеры полученных наноструктур InAs составляют

35 нм, что соответствует размеру КТ InAs.

Элементный химический состав КТ определяли на рентгеновском энергодисперсионном микроанализаторе EDAX Genesis. Количественные РМА-данные (см. рис. 3 а) о содержании In в полученной наноструктуре (4% At) являются сильно заниженными из-за того, что область генерации рентгеновского излучения (

1 мкм3) значительно превышает объем КТ (

10-5 мкм3). Проведенный расчет содержания индия в КТ путем сопоставления объемов области генерации в подложке и КТ показал, что наблюдаемые пирамидальные структуры содержат 50% In и 50% As.

Исследования фотолюминесценции проводили на установке измерения фотолюминесценции микро- и наноструктур на основе соединений AIIIBV (разработана Институтом электроники НАН Беларуси, г. Минск). Спектры фотолюминесценции

9,00 10,0 Энергия, кэВ

Рис. 3. Результаты РМА- и ФЛ-исследований выращенных наноструктур ТпАБ/ОаАБ: а) данные энергодисперсионного рентгеновского микроанализа; б) спектры фотолюминесценции (77 К). Мощность возбуждающего излучения: 1 - 2 Вт, 2 - 20 Вт, 3 - 5 мВт

(ФЛ) выращенных наноструктур 1пАз/ОаАз имеют максимум, положение которого изменяется в интервале 1,24 < И < 1,26 эВ (см. рис. 3б), что указывает на наличие в выращенных наноструктурах КТ 1пАз. Интенсивность ФЛ возрастала в 7 раз при увеличении мощности возбуждающего излу-

чения с 5 до 20 мВт. При дальнейшем увеличении мощности до 2 Вт изменения в положении и интенсивности ФЛ этого максимума были незначительными.

Полученные экспериментальные результаты указывают на возможность получения массивов КТ

ФОРМИРОВАНИЕ КВАНТОВЫХ ТОЧЕК

1пАб на поверхности ваЛБ методом ионно-лучево-го осаждения и открывают перспективы выращивания этим методом наногетероструктур ¡пАв/ваЛв с КТ для фотоэлектрических преобразователей.

1. Андреев В.М. Гетероструктурные солнечные элементы // Физика и техника полупроводников. 1999. Т. 33. Вып. 9. С. 1035-1038.

2. Алферов Ж.И., Андреев В.М., Румянцев В.Д. Тенденции и перспективы развития солнечной фотоэнергетики // Физика и техника полупроводников. 2004. Т. 38. Вып. 8. С. 937-948.

3. Лунин Л.С., Марончук И.Е., Сысоев И.А. Фотоэлектрическое преобразование солнечной энер-

гии // Химия твердого тела: монокристаллы, нано-материалы, нанотехнологии: Сб. тр. IX междунар. науч. конф., г. Кисловодск, 11-16 октября 2009 г. С. 14-31.

4. Cuadra L., Marti A., Lopez N. 3rd World Conf. on Photovoltaic Energy Conversion. Osaka, Japan, 2003. PCD IPL-B2-01.

5. Малышев В.А., Михайлов Н.А. Учет особенностей ре-комбинационных процессов в анализе устойчивости стационарной генерации полупроводниковых инжек-ционных лазеров // Вестник Южного научного центра. 2005. Т. 1. № 2. С. 17-19.

6. Жуков А.Е., Ковш А.Р., Никитина Е.В., Устинов В.М., Алферов Ж.И. Инжекционные лазеры с широким спектром генерации на основе самоорганизующихся квантовых точек // Физика и техника полупроводников. 2007. Т. 41. Вып. 5. С. 625-630.

FORMATION OF QUANTUM DOTS INAS ON SUBSTRATES GAAS BY ION-BEAM DEPOSITION METHOD

L.S. Lunin, I.A. Sysoev, S.N. Chebotarev, A.S. Paschenko

Possibility of formation of quantum dots InAs on surface GaAs by ion-beam deposition method has been experimentally demonstrated. Morphology of QD InAs by AFM- and SEM-microscopy has been investigated. The element composition and photoluminescence spectra of grown nanostructures InAs/GaAs has been defined.

Key words: quantum dots InAs/GaAs, ion-beam deposition, photoluminescence.

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎