Получение наногетероэпитаксиальных структур с квантовыми точками

Размещено на http://www.allbest.ru/

Южно-Российский государственный технический университет

Севастопольский национальный университет ядерной энергии и промышленности

Северо-Кавказский государственный технический университете

ПОЛУЧЕНИЕ НАНОГЕТЕРОЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СТРУКТУР С КВАНТОВЫМИ ТОЧКАМИ

Лунин Л.С., Марончук И.Е., Сысоев И.А.

Нами разработан новый метод получения наногетероэпитаксиальных структур, проведены исследования механизмов кристаллизации массива КТ, технологических режимов получения этих структур и исследование их характеристик. Выращивание нанослоев или массивов КТ гетероэпитаксиальных структур осуществлялось при температуре печи 450-500°С в атмосфере очищенного водорода модифицированным методом жидкофазной эпитаксии при импульсном охлаждении теплопоглотителем тыльной стороны подложки [1] (рис.1).

квантовый наногетероэпитаксиальный точка кристаллизация

Рис. 1 Схема процесса жидкофазной эпитаксии при импульсном охлаждении подложки

Движущей силой процесса кристаллизации является разность химических потенциалов атомов кристаллизуемого вещества в жидкой (м_L) и твердой (м_S) фазах. Так как постоянная решетки материала КТ a₂ существенно отличается от постоянной решетки материала подложки a₁, то при формировании КТ, возникают сдвиговые механические напряжения. Эти механические напряжения, могут быть выражены через упругую энергию U(x) приходящуюся на один атом КТ с координатой х, находящийся на гетерогранице с подложкой. Тогда разность химических потенциалов будет определяться выражением:

где C, C₀ - концентрации кристаллизуемого вещества в пересыщенном и равновесном растворах соответственно; k - постоянная Больцмана; N_S - число атомов на единице поверхности; a₀- межатомное расстояние закрепленной решетки; L - относительное смещение атома; l_a1, l_a2- упругие смещения соответствующих атомов в материалах квантовой точки и подложки; G - модуль сдвига в слое КТ на гетерогранице; у - межфазная поверхностная энергия.

Межфазная поверхностная энергия при контакте твердой фазы с жидкой фазой с учетом эффекта Ребиндера [2] определяется выражением:

где Q_mA, Q_mB - изменение энергии при плавлении; Q_vA, Q_vB - изменение энергии при испарении; у_A, у_B - поверхностные энергии чистых компонентов (в жидком состоянии); z - координационное число; z_b - число соседей данного атома, расположенных в соседнем слое; x,y - концентрации компонента В соответственно в жидкой и твердой фазах.

При U>Дм процесс кристаллизации сменяется на процесс растворения, так как становится отрицательной величиной [3]. В предположении, что упругие смещения, l_a1=0, l_a2= 0, модуль сдвига G и постоянные решетки a₁, a₂ не зависят от температуры, максимальное значение линейного размера (диаметра) зарождающейся КТ при данных условиях выращивания:

Так как зародыши, образующиеся на поверхности положки (Рис. 2), представляют собой сферические сегменты, образованного в жидкой фазе, то расчет радиуса кривизны зародыша осуществлялся по выражению:

где R -универсальная газовая постоянная с, М - плотность и молярная масса вещества. Линейный размер основания зародыша высотой h* имеет радиус кривизны r* для величины переохлаждения на фронте кристаллизации ДT_F, для исследуемого интервала температур проведения процесса T₁ составляет величины, приведенные в таблице 1.

Таблица 1

Результаты расчета диаметра основания зародыша InAs на GaAs при различных значениях температуры процесса T₁

Размер основания КТ при этом будет определяться выражением:

Высота зародыша в зависимости от длительности импульса охлаждения может быть оценена из выражения:

Таблица 3

Результаты расчета высоты КТ InAs на GaAs при различных значениях температуры процесса T₁

На рис. 3 представлено СТМ - изображение КТ InAs, незарощенных матричным слоем GaAs и выращенных на подложке арсенида галлия с ориентацией поверхности (100).

Рис. 2 Зародыш на поверхности подложки

Рис. 3 СТМ-изображение квантовых точек InAs

Спектры ФЛ этого образца при 77К имели максимум, положение которого изменялось в интервале 1,24<h<1,26 эВ (рис. 4). Этот же максимум наблюдался и в спектрах ФЛ многослойных структур (структур с вертикально связанными КТ). Структуры содержали два, три, четыре, шесть, десять слоев КТ, а также расположенные между ними и на поверхности наноразмерные (3-5 нм) слои GaAs.

Идентичность спектров ФЛ при 77К структур с незарощенными КТ и с КТ, зарощенными наноразмерными слоями GaAs свидетельствует о том, что наноразмерные слои GaAs не приводят к деформации КТ и к изменению их состава.

На рис. 5 представлены спектры ФЛ при 77К двух образцов, содержащих систему вертикально связанных точек InAs. В спектрах всех исследованных многослойных структур при 300К наблюдались широкие полосы в интервале 1,05 - 1,2 эВ, причем с увеличением числа вертикально связанных КТ спектр сдвигался в длинноволновую область.

Рис. 4 Спектры фотолюминесценции структур с квантовыми точками InAs (77 K)

Рис. 5 Спектры фотолюминесценции образцов с вертикальными связанными квантовыми точками InAs (77 K)1 - 4° (100) в направлении <110> 2 - ориентации (100)

В спектрах ФЛ многослойных гетероструктур на основе GaP, содержащих массивы КТ Ge (Рис.6) и твердого раствора In_хGa_1-xAs (Рис.7) кроме коротковолновой полосы излучения при hн=1,85 эВ, обусловленной p-n переходом в GaP, наблюдалась широкая полоса с энергией излучения hн=1,5 эВ, связанная с наличием массивов КТ. Высокий уровень ФЛ в этой полосе свидетельствует об эффективной излучательной рекомбинации на КТ.

Рис. 6 Спектры ФЛ многослойных гетероструктур на основе GaP с массивами КТ Ge

Рис. 7 Спектры ФЛ многослойных гетероструктур на основе GaP с массивами КТ In_хGa_1-xAs

В настоящее время проводятся исследования параметров наногетероструктур на основе GaP и GaAs с островками и КТ Ge_хSi_1-x различного состава. Таким образом, разработанный процесс жидкофазной эпитаксии при импульсном охлаждении подложки позволяет формировать по механизму Странского-Крастанова массивы эпитаксиальных КТ и островков в условиях близких к равновесным. Наличие растворителя и релаксации импульса охлаждения приводит к формированию КТ близких к идеальным. Высокий уровень интенсивности ФЛ в полосе излучения, связанной с наличием массивов КТ, свидетельствует об отсутствии сплошного «смачивающего» слоя в гетероструктуре, наличие которого приводит к возникновению безизлучательной рекомбинации, исключающей возможность изготовления высокоэффективных солнечных элементов с квантовыми точками. Дальнейшие исследования будут направлены на возможности создания на основе наноструктур высокоэффективных солнечных элементов с КТ, а также на получение таких структур на дешевых инородных подложках.

Список использованных источников

1. И.Е. Марончук Формирование квантовых точек в процессе жидкофазной эпитаксии методом импульсного охлаждения насыщенного раствора-расплава/ Т.Ф.Кулюткина, А.И.Марончук, М.В.Найденкова, И.В.Чорный // Поверхность, рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования М:Наука/Интерпериодика,№12, 2005, С.97-101.

2. Ребиндер П.А. Поверхностные явления в дисперсных системах. Физико-химическая механика. М.: Наука, 1979, 382 С.

3. Френкель Я.И. Введение в теорию металлов. Л.: Наука, 1972, 369 С.

Размещено на Allbest.ru