Исследование физических основ методов создания гетероструктур А3В5 с квантовыми точками InGaAsP и упруго-компенсированными сверхрешетками InGaAs/InAlAs для источников оптического излучения ближнего и среднего ИК-диапазона тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Андрюшкин Владислав Васильевич
Андрюшкин Владислав Васильевич
кандидат наук
2023
- Специальность ВАК РФ00.00.00
- Количество страниц 221
Оглавление диссертации кандидат наук Андрюшкин Владислав Васильевич
Реферат
Synopsis
Введение
Глава 1. Аналитический обзор литературы
1.1 Методы роста эпитаксиальных гетероструктур
1.1.1 Метод осаждения металлоорганических соединений из газовой фазы
1.1.2 Метод молекулярно-пучковой эпитаксии
1.2. Режимы роста полупроводниковых структур методом молекулярно-пучковой эпитаксии
1.3 Практическая реализация и области применения квантовых точек, сформированных методом молекулярно-пучковой эпитаксии
1.4 Особенности роста сверхрешеток на подложках InP методом молекулярно-пучковой эпитаксии
1.4.1 Особенности роста слоев сверхрешетки, согласованных по параметру кристаллической решетки, с подложкой InP методом молекулярно-пучковой эпитаксии
1.4.2 Особенности роста упруго-компенсированных сверхрешеток на подложках InP методом молекулярно-пучковой эпитаксии
1.5 Области применения сверхрешеток и устройств микро- и наноэлектроники на их основе
Выводы к главе
Глава 2. Методики и оборудование для формирования и характеризации гетероструктур, содержащих квантовые точки InGaAsP и упруго-компенсированные InGaAs/InAlAs сверхрешетки, сформированных методом
молекулярно-пучковой эпитаксии
2.1 Установка молекулярно-пучковой эпитаксии RIBER49
2.2 Анализ качества поверхности эпитаксиальных гетероструктур методом дефектометрии
2.3 Анализ оптических свойств эпитаксиальных гетероструктур методами спектроскопии фотолюминесценции и возбуждения фотолюминесценции
2.4 Анализ мольного состава и толщины слоев эпитаксиальных гетероструктур методом рентгеновской дифрактометрии
2.5 Анализ структурных свойств эпитаксиальных гетероструктур методом просвечивающей электронной микроскопии
Выводы к главе
Глава 3. Квантовые точки InGaAsP, сформированные методом замещения элементов 5-й группы в реакторе установки молекулярно-пучковой эпитаксии
3.1 Особенности формирования и режимы эпитаксиального роста гетероструктур, содержащих квантовые точки InGaAsP, методом молекулярно-пучковой эпитаксии
3.2 Исследование оптических свойств гетероструктур, содержащих квантовые точки InGaAsP
3.2.1 Исследование оптических свойств гетероструктур, содержащих квантовые точки InGaAsP методом фотолюминесценции
3.2.2 Исследование влияния кратковременного отжига на оптические свойства эпитаксиальных гетероструктур, содержащих квантовые точки 1пОаЛвР
3.3 Исследование структурных свойств эпитаксиальных гетероструктур, содержащих квантовые точки InGaAsP
Выводы к главе
Глава 4. Особенности роста упруго-компенсированных сверхрешеток
InGaAs/InAlAs методом молекулярно-пучковой эпитаксии
4.1 Калибровка потоков чистых материалов в ростовой камере установки молекулярно-пучковой эпитаксии
4.2 Определение ростовых параметров объемных слоев InGaAs и InAlAs
4.3 Влияние температуры источников материалов 3-й группы на ростовые параметры сверхрешетки
4.4 Методика корректировки ростовых параметров при изготовлении гетероструктур упруго-компенсированных сверхрешеток InGaAs/InAlAs методом молекулярно-пучковой эпитаксии
Выводы к главе
Заключение
Список сокращений и условных обозначений
Благодарности
Список используемой литературы
Приложение А. Акт внедрения
Приложение Б. Тексты основных публикаций
Реферат Общая характеристика работы
Рекомендованный список диссертаций по специальности «Другие cпециальности», 00.00.00 шифр ВАК
Физические основы создания активных областей вертикально-излучающих быстродействующих лазеров телекоммуникационного диапазона длин волн 1300-1550 нм методом молекулярно-пучковой эпитаксии2022 год, кандидат наук Рочас Станислав Станиславович
Метаморфные гетероструктуры InSb/InAs/In(Ga,Al)As на подложках GaAs для оптоэлектроники среднего инфракрасного диапазона GaAs МКМ2021 год, кандидат наук Чернов Михаил Юрьевич
Полупроводниковые гетероструктуры A3B5, полученные методами молекулярно-пучковой эпитаксии и спекания, и лазеры спектрального диапазона 1300 – 1550 нм на их основе2021 год, доктор наук Карачинский Леонид Яковлевич
Одночастотный арочный квантово-каскадный лазер диапазона 7-8 мкм на основе гетероструктур, изготовленных методом молекулярно-пучковой эпитаксии2019 год, кандидат наук Курочкин Александр Сергеевич
Оптические и структурные свойства квантовых точек (In,Ga,Al)As на подложках арсенида галлия для светоизлучающих приборов диапазона 1.3-1.55 мкм2006 год, кандидат физико-математических наук Гладышев, Андрей Геннадьевич
Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование физических основ методов создания гетероструктур А3В5 с квантовыми точками InGaAsP и упруго-компенсированными сверхрешетками InGaAs/InAlAs для источников оптического излучения ближнего и среднего ИК-диапазона»
Актуальность темы.
С момента открытия самоорганизующихся полупроводниковых квантовых точек (КТ) и начала их применения в лазерных диодах для улучшения характеристик их генерации в начале 1980-х годов многие исследовательские группы добились значительного прогресса в улучшении методов изготовления квантово-размерных наноструктур с нулевой размерностью, а также в разработке теоретических моделей, объясняющих лежащие в их основе физические свойства. Полупроводниковая квантовая точка представляет собой трехмерный квантово-размерный объект, сформированный из полупроводника с меньшей шириной запрещенной зоны, окруженной другим полупроводником с большей шириной запрещенной зоны. Окружающий материал обеспечивает ограничивающий потенциальный барьер в трех измерениях. Таким образом, носители заряда в валентной зоне и зоне проводимости локализованы в области узкозонного материала в трех измерениях. Такая локализация носителей заряда приводит к существенной модификации функции плотности состояний. В КТ функция плотности состояний представляет собой дельта-функцию. Благодаря модифицированной электронной структуре в КТ появляется возможность создания на их основе источников одиночных фотонов. Энергия испускаемых фотонов зависит от ширины запрещенной зоны области КТ, ширины запрещенной зоны, окружающей ее материала и размерами КТ, которые определяют эффект трехмерного квантования. Существующий набор полупроводниковых материалов А3В5, используемых для формирования КТ позволяет управляемо влиять на длину волны излучения и использовать их для изготовления источников излучения ближнего ИК-диапазона, в том числе для создания источников одиночных фотонов при определенных условиях.
В связи с развитием квантовых оптических информационных технологий растет потребность в создании генераторов одиночных фотонов (ГОФ). Перспективным способом получения монолитного ГОФ с электрической накачкой
в научной литературе рассматривается подход на основе использования микрорезонатора, в котором при помощи эпитаксиальных технологий, в частности молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ), сформированы активные КТ [1]. В основе технологии создания КТ лежат фундаментальные эффекты самоорганизации полупроводниковых наноструктур, возникающие при гетероэпитаксии упруго-напряженных полупроводниковых материалов. Формирующиеся во время такой гетероэпитаксии трехмерные объекты имеют геометрические размеры, обеспечивающие возникновение эффекта трехмерного квантования при достаточно низкой плотности дефектов кристалла, что обеспечивает высокую эффективность излучательной рекомбинации. Решение проблемы создания источников излучения ближнего ИК-диапазона, в том числе источников излучения одиночных фотонов на основе КТ является актуальной задачей. Формирование полупроводниковых гетероструктур ГОФ с достижением минимально возможной плотности КТ по поверхности полупроводниковой пластины и сохранением эффективной фотолюминесценции (ФЛ) от КТ является принципиальной задачей в мировом сообществе. Таким образом, получение ансамбля КТ с поверхностной плотностью ~1010 см-2 и менее в системах материалов А3В5 является актуальной задачей для изготовления однофотонных приборов.
Исследование технологии гетероэпитаксии упруго-напряженных слоев с одной стороны дает возможность создания гетероструктур с самоорганизующимися КТ для источников излучения ближнего ИК-диапазона, а с другой стороны возможность создания многослойный упруго-компенсированных сверхрешеток, которые могут быть эффективными источниками излучения среднего ИК-диапазона. В основе создания таких источников излучения также лежат эффекты размерного квантования, но излучение обеспечивается за счет переходов электронов между уровнями размерного квантования только зоны проводимости. Перспективным решением для создания активных областей источников оптического излучения среднего ИК-диапазона является использование сверхрешеток системы материалов А3В5, что позволяет реализовывать источники оптического излучения в спектральном диапазоне 3-8
мкм [2]. Известным примером таких источников являются квантово-каскадные лазеры (ККЛ) на основе сверхрешеток InGaAs/InAlAs [3]. Подобно классическим лазерным диодам не нуждающиеся в обслуживании ККЛ весьма удобны в эксплуатации, однако представляют собой чрезвычайно сложные в технологическом отношении устройства, предполагающие выращивание сотен полупроводниковых нанослоев. Согласованные гетеропары InGaAs/InAlAs ограничивают эффективность ККЛ среднего ИК-диапазона вследствие теплового выброса носителей заряда с верхнего уровня размерного квантования в непрерывный спектр, обусловленного недостаточным разрывом зоны проводимости на гетерогранице InGaAs/InAlAs. Для решения данной проблемы применяются тонкие упруго-компенсированные сверхрешетки InGaAs/InAlAs [4,5]. Основной технологической проблемой при изготовлении гетероструктур с упруго-компенсированными сверхрешетками InGaAs/InAlAs методом МПЭ является необходимость практической реализации гетероструктуры ККЛ в точном соответствии с разработанной принципиальной конструкцией. Принципиальными параметрами для квантово-размерной структуры является химический состав и толщина полупроводниковых слоев. Соответственно, возникает необходимость одновременного прецизионного контроля мольной доли InAs в составе твердых растворов InGaAs и InAlAs, а также заданных толщин в течение долговременного ростового процесса для точной реализации принципиальной конструкции прибора и исключения возникновения структурных дефектов и шероховатости гетерограниц. Указанные проблемы могут быть решены путем разработки специальных технологических методов эпитаксии таких гетероструктур, что обуславливает актуальность данной работы.
Создание источников оптического излучения ближнего и среднего ИК-диапазона является актуальной задачей, в основе которой лежит разработка новых физико-технологических методов эпитаксии упруго-напряженных полупроводниковых гетероструктур.
Целью д иссертационной работы является:
Разработка новых физико-технологических методов создания полупроводниковых гетероструктур источников оптического излучения ближнего и среднего ИК-диапазона, создание экспериментальных образцов таких гетероструктур методом МПЭ, исследование их физических свойств, установление взаимосвязи между их физическими свойствами и технологическими параметрами эпитаксиального процесса.
Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:
• Разработка физико-технологических подходов конструирования и создание полупроводниковых гетероструктур с низкоплотными КТ InGaAsP выращенными на подложках GaAs методом молекулярно-пучковой эпитаксии, включая определение базовых конструктивных параметров полупроводниковых слоев: химического состава и толщины, для создания источников оптического излучения ближнего ИК-диапазона;
• Изготовление гетероструктур на с низкоплотными КТ InGaAsP на подложках GaAs методом молекулярно-пучковой эпитаксии;
• Исследование оптических и структурных характеристик полупроводниковых гетероструктур с низкоплотными КТ InGaAsP на подложках GaAs изготовленных методом молекулярно-пучковой эпитаксии;
• Разработка технологических подходов уменьшения величины рассогласования слоев упруго-компенсированных сверхрешеток InGaAs/InAlAs по параметру кристаллической решетки с подложкой 1пР в процессе эпитаксиального роста методом молекулярно-пучковой эпитаксии, для создания источников оптического излучения среднего ИК-диапазона;
• Изготовление гетероструктур с упруго-компенсированными сверхрешетками InGaAs/InAlAs на подложке 1пР методом молекулярно-пучковой эпитаксии и исследование их свойств.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Использование метода молекулярно-пучковой эпитаксии позволяет формировать гетероструктуры GaAs/AlGaAs/InGaP с квантовыми точками InGaЛsP на подложке GaAs за счет замещения в эпитаксиальном слое InGaP, согласованном по параметру решетки с GaAs, элементов пятой группы в потоке мышьяка в процессе эпитаксиального роста.
2. Квантовые точки InGaЛsP, полученные за счет замещения в эпитаксиальном слое InGaP толщиной 2-3 нм элементов пятой группы в потоке мышьяка в течение 5-10 минут в процессе эпитаксиального роста методом молекулярно-пучковой эпитаксии на подложке GaAs, излучают в спектральном диапазоне 950-1000 нм.
3. Использование слоя InGaAs толщиной 5 нм непосредственно после формирования квантовых точек InGaЛsP, полученных за счет замещения в эпитаксиальном слое InGaP элементов пятой группы в потоке мышьяка в процессе эпитаксиального роста методом молекулярно-пучковой эпитаксии на подложке GaAs, обеспечивает длинноволновый сдвиг излучения квантовых точек InGaЛsP в диапазоне 1030-1195 нм в зависимости от мольной доли InЛs в составе твердого раствора InGaAs.
4. Учет разницы дополнительного нагрева полупроводниковой пластины 1пР при открытии заслонок эффузионных источников Ga и Al и соответствующая корректировка скоростей роста полупроводниковых слоев InGaAs и InAlAs при эпитаксиальном росте упруго-компенсированных сверхрешеток InGaAs/InAlAs методом молекулярно-пучковой эпитаксии обеспечивает прецизионную реализацию сверхрешеток с заданными толщинами и химическим составом составляющих их слоев с максимальным отклонением толщин слоев не более 1.5% и химического состава не более 1.0%.
Научная новизна диссертации отражена в следующих пунктах:
1. Предложен оригинальный способ формирования КТ InGaЛsP и экспериментально реализована гетероструктура на подложке GaЛs методом
молекулярно-пучковой эпитаксии с оценочной поверхностной плотностью КТ 1пОаАвР 1,3 ■ 1010 см-2.
2. Продемонстрировано отсутствие влияния механического напряжения, возникающего из-за рассогласования постоянной кристаллической решетки полупроводникового слоя, на котором формируются КТ с подложкой ОаАБ, на длину волны излучения полученных КТ 1пОаАвР.
3. Продемонстрирована зависимость полуширины линии ФЛ КТ 1пОаАвР от температуры в диапазоне 77-300 К, связанная с температурным перераспределением носителей заряда внутри ансамбля КТ InGaAsP и имеющая два характерных участка изменения полуширины линии ФЛ с ростом температуры вследствие выброса носителей из слаболокализованных состояний и захвата их на более глубокие уровни, а также термического выброса носителей заряда в КТ с менее глубоким потенциалом локализации и в слои ОаАБ.
4. Продемонстрировано увеличение интенсивности ФЛ до 300% при комнатной температуре и коротковолновый сдвиг максимума ФЛ до 10 нм в гетероструктуре с КТ 1пОаАвР после быстрого термического отжига при температуре 600°С в течение 2 минут.
5. Для упруго-компенсированных сверхрешеток типа InAlAs/InGaAs обнаружено отклонение на 8-10% скоростей роста, вычисленных по экспериментально полученным скоростям роста объёмных слоев InGaAs и InAlAs, обусловленное нагревом ростовой поверхности от эффузионных источников установки молекулярно-пучковой эпитаксии.
6. Предложена и успешно апробирована методика уменьшения величины рассогласования слоев упруго-компенсированных сверхрешеток InGaAs/InAlAs по параметру кристаллической решетки с подложкой 1пР во время эпитаксиального роста методом молекулярно-пучковой эпитаксии.
Теоретическая и практическая значимость работы
1. Разработанные технологические подходы эпитаксиального роста методом молекулярно-пучковой эпитаксии гетероструктур твердых растворов
A3B5 с низкоплотными КТ InGaAsP на подложках GaAs позволили реализовать гетероструктуры обладающие высоким структурным и оптическим качеством с потенциальной возможностью их применения для создания источников оптического излучения ближнего ИК-диапазона.
2. Полученные в диссертации результаты послужили научной основой для патента РФ №209708 «Полупроводниковая гетероструктура с пониженной поверхностной плотностью квантовых точек».
3. Разработанная в диссертационной работе методика уменьшения величины рассогласования слоев упруго-компенсированных сверхрешеток InGaAs/InAlAs по параметру кристаллической решетки с подложкой InP во время эпитаксиального роста методом молекулярно-пучковой эпитаксии позволила успешно реализовать квантово-каскадные лазеры спектрального диапазона 4,6 мкм на основе упруго-компенсированной сверхрешетки Ino,67Gao,33As/Ino;36Alo;64As.
Достоверность результатов работы основана на применении современных научно-обоснованных и дополняющих друг друга методов исследования. Экспериментальные результаты диссертации получены с использованием приборов и установок, позволяющих получать воспроизводимые результаты в широком диапазоне изменяемых параметров экспериментов.
Внедрение результатов работы
Внедрение результатов работы осуществлено на опытном производстве эпитаксиальных гетероструктур на предприятии реального сектора экономики: ООО «Коннектор Оптикс» (г. Санкт-Петербург).
Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: 7,8,10th International School and Conference "Saint-Petersburg OPEN 2020" on Optoelectronics, Photonics, Engineering and Nanostructures, Санкт-Петербург, Россия, 2019, 2020, 2023; XXII Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и
наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике Санкт-Петербург, Россия, 2020; International Conference PhysicA.SPb/2020, Санкт-Петербург, Россия, 2020; First virtual Bilateral Conference on Functional Materials (BiC-FM), Эспоо, Финляндия, 2020; OSA Frontiers in Optics + Laser Science APS/DLS, Вашингтон, США, 2020.
Личный вклад автора
Все представленные в диссертации результаты получены автором лично или при его определяющем участии. Автор принимал решающее участие в постановке и решении задач, изготовлении полупроводниковых гетероструктур A3B5 с квантовыми точками и сверхрешетками для активных областей источников оптического излучения ближнего и среднего ИК-диапазона методом молекулярно-пучковой эпитаксии, измерении характеристик полученных полупроводниковых гетероструктур, интерпретации результатов эксперимента и последующей подготовке публикаций в рецензируемых научных журналах. Он лично представлял научные результаты на всероссийских и международных конференциях.
Публикации
Основное содержание диссертации опубликовано в 15 научных работах, из них 5 публикаций в изданиях, индексируемых Web of Science или Scopus, 1 публикация в журналах из перечня ВАК, 1 охранный документ на результат интеллектуальной деятельности, 8 публикаций в иных изданиях.
В международных изданиях, индексируемых в базе данных Web of Science или Scopus:
1. Gladyshev A. G. Studying the Optical and Structural Properties of Three-Dimensional InGaP (As) Islands Formed by Substitution of Elements of the Fifth Group / Gladyshev A. G. E., Babichev A. V., Andryushkin V. V. E., Denisov D. V., Nevedomskii V. N., Kolodeznyi E. S., Novikov I. I., Karachinsky L. Ya., Egorov A. Y. // Technical Physics. - 2020. - Т. 65. - №. 12. - С. 2047-2050.
2. Kryzhanovskaya N. V. Optical Properties of Three-Dimensional InGaP(As) Islands Formed by Substitution of Fifth-Group Elements / Kryzhanovskaya N. V., Dragunova A. S., Komarov S. D., Nadtochiy A. M., Gladyshev A. G., Babichev A. V., Uvarov A. V., Andryushkin V. V., Denisov D. V., Kolodeznyi E. S., Novikov I. I., Karachinsky L. Ya., Egorov, A. Y. // Optics and Spectroscopy. - 2021. - Т. 129. - С. 256-260.
3. Andryushkin V. V. 1 цт range InGaPAs three-dimensional islands grown by molecular beam epitaxy / Andryushkin V. V., Gladyshev A. G., Babichev A. V., Kolodeznyi E. S., Novikov I. I., Karachinsky L. Y., Nevedomskii V. N., Egorov, A. Y. // Journal of Physics: Conference Series. - IOP Publishing, 2020. - Т. 1695. - №. 1. - С. 012015.
4. Andryushkin V. V. Investigation of optical and structural properties of three-dimensional InGaPAs islands formed by substitution of elements of the fifth group / Andryushkin V. V., Gladyshev A. G., Babichev A. V., Kolodeznyi E. S., Novikov I. I., Karachinsky L. Y., Nevedomskii V. N., Egorov A. Y. // Journal of Physics: Conference Series. - IOP Publishing, 2020. - Т. 1697. - №. 1. - С. 012106.
5. Andryushkin V. V. Influence of low temperatures and thermal annealing on the optical properties of InGaPAs quantum dots / Andryushkin V. V., Dragunova A. S., Komarov S. D., Nadtochiy A. M., Gladyshev A. G., Babichev A. V., Uvarov A. V., Novikov I. I., A. V., Kolodeznyi E. S., Karachinsky L. Y., Kryzhanovskaya N. V., Nevedomskii V. N., Egorov, A. Y., Bougrov V. E. // Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics. - 2022. Т. 22. - №. 5. - С. 921-928.
В изданиях из перечня ВАК РФ:
1. Андрюшкин В. В. Особенности эпитаксиального роста методом МПЭ тонких сильно напряжённых слоев InGaAs/InAlAs на подложках InP / Андрюшкин В. В., Новиков И. И., Гладышев А. Г., Бабичев А. В., Карачинский Л. Я., Дюделев В. В., Соколовский Г. С., Егоров А. Ю. // Журнал Технической Физики - 2023. - Т. 93 - №.8 - С. 1166-1172.
Патенты по теме работы (приравненные к ВАК РФ):
1. Пат. 209708 Российская Федерация, МПК H01L 33/04 H01L 33/30 B82Y 20/00. Полупроводниковая гетероструктура с пониженной поверхностной плотностью квантовых точек / В. В. Андрюшкин, И. И. Новиков, А. Г. Гладышев, Л. Я. Карачинский, А. Ю. Егоров, В. Е. Бугров; заявитель и патентообладатель Университет ИТМО. - № 2021137550; заявл. 17.12.2021, опубл. 18.03.2022
Публикации в иных изданиях:
1. Andryushkin V. V. Matrix composition effect on InGaP(As) quantum dots photoluminescence / Andryushkin V. V., Novikov I. I., Gladyshev A. G., Babichev А. V., Karachinsky L. Ya., Egorov A. Yu. // BOOK of ABSTRACTS, 10th International School and Conference on Optoelectronics, Photonics, Engineering and Nanostructures, SaintPetersburg OPEN 2023 - 2023.
2. Andryushkin V. V. Epitaxial growth of highly stressed InGaAs/InAlAs layers on InP substrates by molecular-beam epitaxy / Andryushkin V. V., Novikov I. I., Gladyshev A. G., Babichev А. V., Karachinsky L. Ya., Dudelev V. V., Sokolovskii G.S., Egorov A. Yu. // BOOK of ABSTRACTS, 10th International School and Conference on Optoelectronics, Photonics, Engineering and Nanostructures, SaintPetersburg OPEN 2023 - 2023.
3. Andryushkin V. V. Influence of low temperatures and thermal annealing on the optical properties of InGaPAs quantum dots / Andryushkin V. V., Dragunova A. S., Komarov S., Nadtochiy A. M., Gladyshev A. G., Babichev A. V., Uvarov A., Novikov I. I., Kolodeznyi E. S., Karachinsky L. Ya., Kryzhanovskaya N. V., Egorov A. Yu., Bougrov V. E. // BOOK of ABSTRACTS, 8th International School and Conference on Optoelectronics, Photonics, Engineering and Nanostructures, SaintPetersburg OPEN 2021 - 2021.
4. Андрюшкин В. В. Исследование оптических и структурных свойств трехмерных островков InGaPAs, сформированных методом замещения элементов пятой группы / Андрюшкин В. В., Гладышев А. Г., Бабичев А. В., Новиков И. И., Карачинский Л. Я., Егоров А. Ю. // ФизикА.СПб: тезисы докладов международной конференции 19-23 октября 2020 г - 2020. - С. 193-194.
5. Voznyuk G. V. 7-8 um range ring cavity quantum-cascade lasers with a surface emission / Voznyuk G. V., Babichev A. V., Kolodeznyi E. S., Andryushkin V. V., Gladyshev A. G., Dudelev V. V., Mitrofanov M.I., Slipchenko S. O., Lutetskii A. V., Evtihiev V. P., Karachinsky L. Ya., Pihtin N. A., Sokolovskii G. S., Egorov A. Yu. // Optics InfoBase Conference Papers - 2020. C. JTh4B.18.
6. Андрюшкин В. В., Особенности фотолюминесценции трехмерных островков InGaPAs / Андрюшкин В. В., Гладышев А. Г., Бабичев А. В., Колодезный Е. С., Неведомский В. Н., Новиков И. И., Карачинский Л. Я., Егоров А. Ю. // Физика полупроводников и наноструктур, полупроводниковая опто- и наноэлектроника Тезисы докладов 22-й Всероссийской молодежной конференции - 2020. - С. 53.
7. Andryushkin V. V. Investigation of structural and optical properties of three-dimensional InGaPAs islands / Andryushkin V. V., Gladyshev A. G., Dragunova A. S., Babichev A. V., Nadtochiy A. M., Kolodeznyi E. S., Nevedomskii V. N., Novikov I. I., Karachinskii L. Y., Kryzhanovskaya N. V., Egorov A. Y. // Proceedings First virtual Bilateral Conference on Functional Materials (BiC-FM) 8-9 October, 2020, 2020. - С. 63-64.
8. Andryushkin V. V. Investigation of optical and structural properties of three-dimensional InGaPAs islands formed by substitution of elements of the fifth group / Andryushkin V. V., Gladyshev A. G., Babichev A. V., Kolodeznyi E. S., Novikov I. I., Karachinskii L. Y., Nevedomsky V. N., Egorov A. Y. // BOOK of ABSTRACTS, 7th International School and Conference on Optoelectronics, Photonics, Engineering and Nanostructures, SaintPetersburg OPEN 2020, 2020. - С. 54-55.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений и списка литературы. Общий объем диссертационной работы составляет 220 страниц, включая 52 рисунка и 10 таблиц. Список литературы содержит 106 наименований.
Содержание работы
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, изложены цели и задачи диссертационной работы, дана оценка ее научной и практической значимости, а также обоснование достоверности полученных результатов. Приведены основные научные положения, выносимые на защиту, сведения об апробации и публикации результатов.
Первая глава «Аналитический обзор литературы» содержит обзор физических принципов построения и обзор технологий изготовления эпитаксиальных гетероструктур с квантовыми точками и сверхрешетками для активных областей источников оптического излучения ближнего и среднего ИК-диапазона.
Во второй главе «Методики и оборудование для формирования и характеризации гетероструктур, содержащих квантовые точки InGaAsP и упруго-компенсированные InGaAs/InAlAs сверхрешетки, сформированных методом молекулярно-пучковой эпитаксии» описаны основные экспериментальные методы, использованные в работе для синтеза и характеризации полупроводниковых гетероструктур. Приведено описание основных характеристик экспериментальных установок, используемых в данной диссертационной работе, в частности, установки молекулярно-пучковая эпитаксии, а также экспериментальных установок для исследования оптических и структурных характеристик изготовленных гетероструктур.
Третья глава «Квантовые точки InGaAsP, сформированные методом замещения элементов 5-й группы в реакторе установки молекулярно-пучковой эпитаксии» посвящена созданию методом молекулярно-пучковой эпитаксии гетероструктур с КТ InGaAsP на подложках GaAs. В главе описан метод формирования гетероструктур GaAs/AlGaAs/InGaP и GaAs/InGaAs/AlGaAs/InGaP с квантовыми точками InGaAsP на подложке GaAs за счет замещения в эпитаксиальном слое InGaP, согласованном по параметру кристаллической решетки с подложкой GaAs, фосфора на мышьяк в потоке мышьяка в процессе эпитаксиального роста. Представлены результаты по исследованию влияния
эпитаксиальных режимов роста, температуры, времени отжига и внедрения тонких слоев InGaAs с различной мольной долей InAs в твердом растворе в гетероструктуры GaAs/AlGaAs/InGaP на оптические и структурные свойства полученных КТ InGaAsP.
Показано, что использование метода молекулярно-пучковой эпитаксии позволяет формировать гетероструктуры GaAs/AlGaAs/InGaP с квантовыми точками InGaAsP на подложке GaAs (рисунок 1) за счет замещения в эпитаксиальном слое InGaP, согласованном по параметру решетки с GaAs, элементов пятой группы в потоке мышьяка в процессе эпитаксиального роста. Экспериментально реализованы гетероструктуры на подложке ОаЛБ методом молекулярно-пучковой эпитаксии с оценочной плотностью КТ 1пОаЛБР, согласно методу просвечивающей электронной микроскопии, порядка 1,3 ■ 1010 см-2. Изменение эпитаксиальных режимов роста, а именно температуры подложки во время выращивания слоя 1пОаР и формирования КТ в потоке мышьяка в диапазоне 525-535°С, позволило реализовать гетероструктуры с КТ 1пОаЛвР, согласно методу просвечивающей электронной микроскопии, порядка 5 ■ 1011 см-2.
Рисунок 1 - Схематическое изображение базовой конструкции эпитаксиальных гетероструктур с КТ ТпОаЛвР
В главе описаны режимы роста двух серий гетероструктур. Первая серия гетероструктур (С1-С4) изготавливалась с целью оценки влияния на оптические и структурные свойства КТ 1пОаЛБР эпитаксиальных режимов роста. Вторая серия эпитаксиальных гетероструктур ^01^06) изготавливалась с целью определения
влияния квантовых ям ЛпОаЛБ с различной мольной долей ЛпАб в составе гетероструктур на оптические свойства КТ 1пОаЛвР. Особенности эпитаксиальных режимов роста и дизайна эпитаксиальных гетероструктур с КТ 1пОаЛвР, изготовленных методом МПЭ, представлены в таблице 1.
Таблица 1. Эпитаксиальные режимы роста и особенности конструкции
гетероструктур с КТ ТпОаЛБР.
Гетероструктура Толщина Время Температура Особенности
слоя выдержки, подложки во конструкции
МаР, мин время гетероструктуры
нм выдержки, °С
С1 2 5 520 -
С2 2 5 535 -
С3 3 10 535 -
С4 3 10 535 КТ заращены слоем ОаЛБ 25 нм (для просвечивающей электронной микроскопии)
2 5 525 Аналог С2
2 5 525 +прикрывающий КТ слой 1по,170ао,83Лв
2 5 525 +слой 1по,17Оао,83Лв формирования МаР
2 5 525 +прикрывающий КТ слой 1по,170ао,83Лв +слой 1п0,17Оа0,83Лв формирования МаР
2 5 525 +прикрывающий КТ слой 1по,23Сао,77Лв +слой 1по,230ао,77Лв формирования МаР
ОБб 2 5 525 Аналог С4
На спектрах фотолюминесценции (ФЛ) при температуре 300К (рисунок 2) наблюдались 2 спектральные линии, одна из которых с максимумом на длине волны порядка 872 нм соответствует излучению ОаЛБ, а вторая в диапазоне 9501000 нм связана с излучением КТ 1пОаЛвР. Увеличение температуры подложки во время выдержки ростовой поверхности в потоке мышьяка привело к длинноволновому сдвигу максимума ФЛ КТ на 30 нм до 990 нм. Увеличение времени выдержки ростовой поверхности в потоке мышьяка с 5 до 10 минут привело к обратному коротковолновому сдвигу максимума ФЛ до 960 нм.
Таким образом, было показано влияние ростовых параметров при формировании гетероструктур с КТ 1пОаЛБР на длину волны излучения массива квантовых точек в диапазоне 50 нм.
и
Ч
о
>>
о о К и к
и
м 1)
К
2,0
1,5
1.0
0.5
0.0 800
1 1 1 ' 1 1 1 -С1
й ----С2
: /' СаАэ .......сз
; / ЬОаАэР
■ / V \ ^
у/ - ' N
1 1
850 900 950 1000 1050 1100 Длина волны, нм
Рисунок 2 - Спектры ФЛ гетероструктур С1-С3, полученные при
температуре 300К
Продемонстрирована зависимость полуширины линии ФЛ КТ InGaAsP от температуры в диапазоне 77-300К (рисунок 3), связанная с температурным перераспределением носителей внутри массива КТ InGaAsP и имеющая два характерных участка изменения полуширины линии ФЛ с ростом температуры вследствие выброса носителей из слаболокализованных состояний и захвата их на
более глубокие уровни, а также термического выброса носителей заряда в КТ с менее глубоким потенциалом локализации и в слои GaAs.
120
т юо
о
сЗ
в
Он
3 80
а
4 о
с
60
1 ■ 1 | • 1
▲
- • -
■ ■ • • • ▲ ■
- ▲ • ▲ ■ ♦ I • ▲ * ▲ ■ ■ ■ -
• 130К 200К
юок
▲ С1
■ С2 "
1 ■ | • СЗ
50 100 150 200 250 Температура, К
300
Рисунок 3 - Зависимость полуширины линии ФЛ гетероструктур С1-С3 от
температуры наблюдения
При анализе второй серии гетероструктур (QD1-QD6) было показано, что использование InGaAs слоя толщиной 5 нм и 17% мольной долей InAs в твердом растворе в качестве прикрывающего КТ InGaAsP слоя (QD2) относительно GaAs (QD1) приводит к длинноволновому сдвигу максимума ФЛ КТ (рисунок 4) на 56 нм. При этом пик ФЛ в области 978 нм соответствует прикрывающему КТ слою In0,17Gao,83As толщиной 5 нм. Продемонстрировано отсутствие влияния механического напряжения, возникающего из-за несогласованности постоянной решетки полупроводникового слоя, на котором формируются КТ с подложкой GaAs, на длину волны излучения полученных КТ InGaAsP. Согласно спектрам ФЛ сделан вывод о том, что использование слоя In0,17Ga0,83As толщиной 5 нм (пик ФЛ в области 924 нм) в качестве поверхности формирования слоя InGaP не оказывает существенного влияния на длину волны излучения КТ InGaAsP и длина волны излучения КТ InGaAsP составляет ~1028 нм. Вывод об отсутствии влияния на длину волны излучения КТ InGaAsP слоя In0,17Ga0,83As в качестве поверхности формирования слоя InGaP также подтверждается спектром ФЛ гетероструктуры
Похожие диссертационные работы по специальности «Другие cпециальности», 00.00.00 шифр ВАК
Полупроводниковые структуры для волоконно-оптических линий связи, полученные методом молекулярно-пучковой эпитаксии и его разновидностями2001 год, кандидат физико-математических наук Егоров, Вячеслав Анатольевич
Азотсодержащие полупроводниковые твердые растворы AIIIBV-N - новый материал оптоэлектроники2011 год, доктор физико-математических наук Егоров, Антон Юрьевич
Оптические свойства гетероструктур InGaAsN на основе GaAs2005 год, кандидат физико-математических наук Крыжановская, Наталья Владимировна
Квантовые точки как активная среда оптоэлектронных приборов2009 год, доктор физико-математических наук Максимов, Михаил Викторович
Электронный спектр в модулированно-легированных гетероструктурах InGaAs/InAlAs на подложках GaAs и InP2015 год, кандидат наук Клочков, Алексей Николаевич
Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Андрюшкин Владислав Васильевич, 2023 год
- • -
■ ■ • • • ▲ ■
- ▲ • ▲ ■ ♦ I • ▲ * ▲ ■ ■ ■ -
• 130К 200К
юок
▲ С1
■ С2 "
1 ■ | • СЗ
50 100 150 200 250 Температура, К
300
Рисунок 3 - Зависимость полуширины линии ФЛ гетероструктур С1-С3 от
температуры наблюдения
При анализе второй серии гетероструктур (QD1-QD6) было показано, что использование InGaAs слоя толщиной 5 нм и 17% мольной долей InAs в твердом растворе в качестве прикрывающего КТ InGaAsP слоя (QD2) относительно GaAs (QD1) приводит к длинноволновому сдвигу максимума ФЛ КТ (рисунок 4) на 56 нм. При этом пик ФЛ в области 978 нм соответствует прикрывающему КТ слою In0,17Gao,83As толщиной 5 нм. Продемонстрировано отсутствие влияния механического напряжения, возникающего из-за несогласованности постоянной решетки полупроводникового слоя, на котором формируются КТ с подложкой GaAs, на длину волны излучения полученных КТ InGaAsP. Согласно спектрам ФЛ сделан вывод о том, что использование слоя In0,17Ga0,83As толщиной 5 нм (пик ФЛ в области 924 нм) в качестве поверхности формирования слоя InGaP не оказывает существенного влияния на длину волны излучения КТ InGaAsP и длина волны излучения КТ InGaAsP составляет ~1028 нм. Вывод об отсутствии влияния на длину волны излучения КТ InGaAsP слоя In0,17Ga0,83As в качестве поверхности формирования слоя InGaP также подтверждается спектром ФЛ гетероструктуры
в которой КТ InGaAsP находятся в матрице In0,l7Ga0,83As, т.е. включают в своем составе как слой In0,l7Ga0,83As в качестве поверхности формирования слоя 1пОаР, так и прикрывающий КТ слой In0,l7Ga0,83As. Длина волны максимума ФЛ составляет 1087 нм и сопоставима с максимумом ФЛ гетероструктуры с прикрывающим КТ слоем Тпц^а^зЛБ (1084 нм). При этом наблюдается два пика в области 924 нм и 978 нм, соответствующие слоям М^^а^зАБ. Для детального исследования влияния мольной доли InAs в составе слоев InGaAs матрицы в гетероструктурах с КТ InGaAsP на оптические свойства КТ изготовлена гетероструктура с мольной долей InAs 23% в матрице И^аЛБ. На спектре ФЛ гетероструктуры наблюдается максимум ФЛ в области 1195 нм.
1000 1200 Длина волны, нм
Рисунок 4 - Спектры ФЛ гетероструктур со слоями InGaAs в конструкции, полученные при комнатной температуре
Продемонстрировано увеличение интенсивности ФЛ гетероструктуры С2 (рисунок 5) до 300% при комнатной температуре и коротковолновый сдвиг максимума ФЛ до 10 нм в гетероструктуре с КТ InGaAsP после быстрого термического отжига при температуре 600°С в течение 2 минут. Увеличение
температуры отжига до 650оС привело к исчезновению линии ФЛ КТ 1пОаАвР. При этом на спектрах возникает новая линия в области 930 нм, связанная с остаточным двумерным слоем ТпОаАвР.
а) б)
Рисунок 5 - Спектры ФЛ гетероструктуры С2, полученные при комнатной температуре до и после отжига при температурах 600 и 650оС (а). Относительное изменение интенсивности ФЛ и относительный сдвиг длины волны максимума излучения для линии КТ InGaAsP от температуры отжига (б)
Глава 4 «Особенности роста упруго-компенсированных сверхрешеток InGaAs/InAlAs методом молекулярно-пучковой эпитаксии» посвящена эпитаксиальному росту упруго-компенсированных сверхрешеток 1пОаАв/1пА1Ав на подложках 1пР методом МПЭ. Описана проблема изменения скорости роста бинарных соединений, при эпитаксиальном росте СР после проведения необходимых калибровок с использованием объемных слоев 1пОаАБ и 1пА1Аб, связанная с дополнительным нагревом ростовой поверхности от эффузионных источников. Показано, что разработанная в результате исследований методика позволяет сгладить эффект дополнительного нагрева ростовой поверхности и создавать упруго-компенсированные СР 1пОаАв/1пА1Ав на подложках 1пР с высокой точностью соответствия химического состава и толщин слоев заданным значениям.
Обнаружено отклонение на 8-10% скоростей роста упруго-компенсированных сверхрешеток типа InAlAs/InGaAs вычисленных по экспериментально полученным скоростям роста объёмных слоев InGaAs и 1пА1Аз, обусловленное нагревом ростовой поверхности от эффузионных источников установки молекулярно-пучковой эпитаксии.
Предложена и успешно апробирована методика уменьшения величины рассогласования по параметру кристаллической решетки с подложкой 1пР слоев упруго-компенсированных сверхрешеток InGaAs/InA1As во время эпитаксиального роста методом молекулярно-пучковой эпитаксии.
В результате апробации методики в гетероструктуре с упруго-компенсированной СР In0.36Al0.64As/In0.67Ga0.33As было получено небольшое превышение толщин слоев относительно номинала (не более 1,5%), согласно рентгенодифракционному анализу (рисунок 6). Средний состав слоев СР совпал с согласованным значением и был слабо различим на кривых качания на фоне пика подложки 1пР. Составы слоев отличались на 1% для эпитаксиальных слоев InA1As и на 0,9% для эпитаксиальных слоев InGaAs, оба в сторону большего содержания индия. Выращенные тестовые образцы и полученные по ним данные позволили осуществить корректировки температур источников для последующих ростовых исследований.
Рисунок 6 - Рентгенодифракционная кривая тестовой гетероструктуры со СР
состава Innз6Alo,64AsЛnn67GanззAs
Разработанная методика была успешно применена при эпитаксиальном росте гетероструктур ККЛ спектральных диапазонов 4,6 мкм, 5,8 мкм и 8 мкм на предприятии реального сектора экономики ООО «Коннектор Оптикс» (г. Санкт -Петербург).
Заключение
В настоящей диссертационной работе представлены результаты разработки новых физико-технологических методов создания методом молекулярно-пучковой эпитаксии и результаты исследования физических свойств полупроводниковых гетероструктур с квантовыми точками InGaAsP и упруго-компенсированными сверхрешетками InGaAs/InAlAs для применения в источниках оптического излучения ближнего и среднего ИК-диапазона.
В ходе выполнения диссертационной работы были получены следующие основные результаты:
Предложен и экспериментально реализован оригинальный метод, позволяющий с помощью молекулярно-пучковой эпитаксии формировать гетероструктуры с квантовыми точками InGaAsP на подложке ОаЛБ за счет замещения в эпитаксиальном слое InGaP, согласованном по параметру кристаллической решетки с подложкой, элементов пятой группы в потоке мышьяка непосредственно в процессе эпитаксиального роста. Разработанным методом экспериментально реализованы и исследованы гетероструктуры с квантовыми точками InGaAsP на подложке GaAs с минимальной оценочной поверхностной плотностью квантовых точек 1,3 ■ 1010 см-2.
Представлены результаты исследования оптических характеристик, созданных методом молекулярно-пучковой эпитаксии полупроводниковых гетероструктур с квантовыми точками InGaAsP на подложках GaЛs и показано, что длина волны фотолюминесценции квантовых точек InGaAsP, выращенных на подложке GaЛs методом молекулярно-пучковой эпитаксии и сформированных за счет замещения в эпитаксиальном слое InGaP толщиной 2-3 нм элементов пятой
группы в потоке мышьяка в течение 5-10 минут в процессе эпитаксиального роста, составляет 950-1000 нм.
Исследована зависимость от температуры полуширины линии фотолюминесценции квантовых точек 1пОаАвР в диапазоне 77-300К. Показано, что наличие двух характерных участков изменения полуширины линии фотолюминесценции с ростом температуры связанно с температурным перераспределением носителей внутри массива квантовых точек 1пОаАвР, вследствие выброса носителей из слаболокализованных состояний и захвата их на более глубокие уровни, а также термического выброса носителей заряда в квантовые точки с менее глубоким потенциалом локализации и в слои матрицы ОаАБ.
Экспериментально доказано, что рост 1пОаАБ слоя толщиной 5 нм непосредственно после формирования квантовых точек 1пОаАвР обеспечивает длинноволновый сдвиг излучения квантовых точек в диапазоне 1030-1195 нм, при этом величина сдвига зависит от мольной доли 1пАб в составе твердого раствора 1пОаАв.
При формировании гетероструктур с квантовыми точками 1пОаАвР на подложке ОаАБ, методом молекулярно-пучковой эпитаксии, за счет замещения в эпитаксиальном слое 1пОаР, согласованном по параметру кристаллической решетки с подложкой, элементов пятой группы в потоке мышьяка непосредственно в процессе эпитаксиального роста обнаружено отсутствие влияния на длину волны излучения полученных квантовых точек 1пОаАвР механического напряжения, возникающего из-за несогласованности постоянной решетки полупроводникового слоя, на котором формируются 1пОаАвР КТ, с подложкой ОаАБ.
Обнаружено, что скорости роста упруго-компенсированных сверхрешеток типа 1пА1АвЛпОаАв отличаются на 8-10% от вычисленных по экспериментально полученным скоростям роста объёмных слоев 1пОаАБ и 1пА1Аб. Показано, что такое поведение, обусловлено дополнительных нагревом ростовой поверхности от эффузионных источников установки молекулярно-пучковой эпитаксии. Учет разницы дополнительного нагрева полупроводниковой пластины 1пР при открытии
заслонок эффузионных источников Ga и Л1 и соответствующая корректировка скоростей роста полупроводниковых слоев InGaЛs и InЛ1Лs при эпитаксиальном росте упруго-компенсированных сверхрешеток InGaЛs/InЛ1Лs методом молекулярно-пучковой эпитаксии обеспечивает прецизионную реализацию сверхрешеток с заданными толщинами и химическим составом составляющих их слоев с максимальным отклонением толщин слоев не более 1,5% и химического состава не более 1.0%. Предложенная методика успешно апробирована при создании гетероструктур квантово-каскадных лазеров спектрального диапазона 4,6; 5,8 и 8 мкм с упруго-компенсированными сверхрешетками InGaAs/InAlAs.
Synopsis General thesis summary
Relevance.
World research groups have made significant progress in improving the methods of manufacturing quantum-dimensional nanostructures with zero dimension, as well as in the development of theoretical models explaining the underlying physical properties since the discovery of self-organizing semiconductor quantum dots (QD) and the beginning of their application in the laser diodes to improve their generation characteristics in the early 1980s. A semiconductor quantum dot is a three-dimensional quantum-dimensional object formed from a semiconductor with a smaller band gap surrounded by another semiconductor with a larger band gap. The surrounding material provides a limiting potential barrier in three dimensions. Thus, the charge carriers in the valence band and the conduction band are localized in the region of a narrow-band material in three dimensions. Such charge carrier's localization leads to a significant modification of the density of states function. In QD the density of states function is a delta function. Due to the modified electronic structure in QDs it becomes possible to create single photon sources based on them. The energy of the emitted photons depends on the width of the QD region band gap, the width of the band gap surrounding its material, and the size of the QD, which determine the effect of three-dimensional quantization. The existing set of A3B5 semiconductor materials used for the formation of QD makes it possible to control the emission wavelength and use QD's for the manufacture of near-infrared (IR) sources, including single photon sources under certain conditions.
There is a growing necessity to create single photon sources due to the development of quantum optical information technologies. An approach based on the use of a microcavity in which active QD is formed using epitaxial technologies in particular molecular beam epitaxy (MBE) is considered a promising method for obtaining monolithic single photon source with electric pumping [1]. The QD creation technology is based on the fundamental effects of semiconductor nanostructures self-organization that occur during heteroepitaxy of elastically stressed semiconductor materials. The three-dimensional objects formed during heteroepitaxy have geometric dimensions that ensure
the appearance of a three-dimensional quantization effect at a sufficiently low density of crystal defects, which ensures high efficiency of emission recombination. Solving the problem of creating near-infrared emission sources including single photon sources based on QD is an actual task. The formation of semiconductor single photon source heterostructures with the achievement of the lowest possible QD's density on the semiconductor wafer surface and the preservation of effective photoluminescence (PL) from QD's is a fundamental task in the world scientific community. Thus, obtaining the QD array with a surface density of ~1010 cm-2 or less in A3B5 material systems is an actual task for the single-photon devices fabrication.
The study of the heteroepitaxy technology of elastically stressed layers, on the one hand, makes it possible to create heterostructures with self-organizing QDs for near-IR sources, and on the other hand, the possibility of multilayer elastically compensated superlattices fabrication that can be effective sources of mid-IR region. The fabrication of such emission sources is also based on the effects of dimensional quantization, but the emission is provided by electron transitions between the conduction band levels of dimensional quantization. A promising solution for creating active areas of optical emission sources in the mid-IR range is the use of superlattices of the A3B5 material system which allows the implementation of the sources in the spectral range of 3-8 microns [2]. A well-known example of such sources are quantum cascade lasers (QCL) based on InGaAs/InAlAs superlattices [3]. Like classical laser diodes, maintenance-free QCLs are very convenient to operate, but they are extremely technologically complex devices involving the fabrication of hundreds of semiconductors nanolayers. Lattice-matched with semiconductor wafer InGaAs/InAlAs heteropairs limit the efficiency of the mid-IR range QCL due to the thermal emission of charge carriers from the upper level of dimensional quantization into a continuous spectrum due to insufficient discontinuity of the conduction band at the InGaAs/InAlAs heterointerface. Thin elastically compensated InGaAs/InAlAs superlattices are used to solve this problem [4,5]. The main technological problem in the heterostructures with elastically compensated InGaAs/InAlAs superlattices fabrication by the MBE method is the need for the practical implementation of the QCL heterostructure in exact accordance with the developed basic design. The
important parameters for the quantum-dimensional structure are the chemical composition and thickness of the semiconductor layers. Accordingly, there is a need for simultaneous precision control of the molar fraction of InAs in the InGaAs and InAlAs solid solutions as well as the specified thicknesses during the long-term growth process for the accurate implementation of the basic design of the device and the exclusion of structural defects and roughness of heterointerfaces. These problems can be solved by developing special technological methods of epitaxy of such heterostructures, which determines the relevance of this work.
The creation of emission sources in the near and medium IR range is an urgent task, which is based on the development of new physical and technological methods of epitaxy of elastically stressed semiconductor heterostructures.
The goal of the thesis is development of new physical and technological methods for fabrication semiconductor heterostructures of near- and mid-IR optical sources, creation of experimental samples of such heterostructures by the MBE epitaxial method, investigation of their physical properties, establishment of the relationship between their physical properties and technological parameters of the epitaxial process.
To achieve the goal, the following tasks were set:
1. Development of physical and technological approaches to the construction and creation of semiconductor heterostructures with low-density InGaAsP QD grown on GaAs substrates by MBE including the determination of the basic design parameters of semiconductor layers: chemical composition and thickness, for the fabrication of near-IR optical sources;
2. Fabrication of heterostructures with low-density InGaAs QD on GaAs substrates by MBE method;
3. Investigation of optical and structural properties of semiconductor heterostructures with low-density InGaAsP QDs on GaAs substrates manufactured by MBE method;
4. Development of technological approaches to reduce the mismatch of layers of elastically compensated InGaAs/InAlAs superlattices by the parameter of the crystal lattice with an InP substrate during epitaxial growth by MBE to create mid-IR range sources;
5. MBE fabrication of heterostructures with elastically compensated InGaAs/InAlAs superlattices on InP substrates and investigation of their properties.
Defended research statements:
1. The use of the molecular beam epitaxy method makes it possible to create GaAs/AlGaAs/InGaP heterostructures with InGaAsP quantum dots on GaAs substrate due to the substitution of elements of the fifth group in the arsenic stream during epitaxial growth in the InGaP epitaxial layer lattice matched with GaAs.
2. InGaAsP quantum dots obtained by substitution of the fifth group elements in the arsenic stream in the 2-3 nm thick InGaP epitaxial layer for 5-10 minutes during epitaxial growth by molecular beam epitaxy on a GaAs substrate emit in the 950-1000 nm spectral range.
3. The use of an InGaAs layer with a thickness of 5 nm immediately after the formation of InGaAsP quantum dots obtained by substitution of the fifth group elements in the arsenic stream in the InGaP epitaxial layer during epitaxial growth by molecular beam epitaxy on a GaAs substrate provides a red shift of InGaAsP quantum dot emission in the 1030-1195 nm range depending on the molar fraction of InAs in the composition of the solid InGaAs solution.
4. Taking into account the difference in additional heating of the InP semiconductor wafer when opening the shutters of the Ga and Al effusion cells and the corresponding adjustment of the growth rates of InGaAs and InAlAs semiconductor layers during epitaxial growth of elastically compensated InGaAs/InAlAs superlattices by molecular beam epitaxy method ensures the precision implementation of superlattices with specified thicknesses and chemical composition of their constituent layers with a maximum deviation of layer thicknesses of no more than 1.5% and chemical composition not more than 1.0%.
Scientific novelty:
1. An original method of forming InGaAsP QD was proposed and the heterostructure on a GaAs substrate was experimentally realized by molecular beam epitaxy method with an estimated surface density of InGaAsP QDs 1,3 ■ 1010 cm-2.
2. The absence of the influence of the mechanical stress arising from the mismatch of the constant crystal lattice of the semiconductor layer on which the QDs is formed with the GaAs substrate on the wavelength of the emission of the obtained InGaAsP QDs is demonstrated.
3. The dependence of the half-width of the InGaAsP QD PL line on temperature in the 77-300 K range is demonstrated which is associated with the temperature redistribution of charge carriers within the InGaAsP QDs and has two characteristic areas of change in the half-width of the PL line with an increase in temperature due to the release of carriers from weakly localized states and their capture to deeper levels as well as the thermal release of charge carriers in the QDs with less deep localization potential and into GaAs layers.
4. An increase of the PL intensity up to 300% at room temperature and a shortwave shift of the PL maximum up to 10 nm in the heterostructure with InGaAsP QDs after rapid thermal annealing at 600°C for 2 minutes were demonstrated.
5. For elastically compensated superlattices of the InAlAs/InGaAs type a deviation of 8-10% of the growth rates calculated from the experimentally obtained growth rates of the InGaAs and InAlAs bulk layers was found due to heating of the growth surface from effusion cells of the molecular beam epitaxy system.
6. A technique for reducing the crystal lattice mismatch of elastically compensated InGaAs/InAlAs superlattice layers with an InP substrate during epitaxial growth by molecular beam epitaxy has been proposed and successfully tested.
The practical significance of the research.
1. The developed technological approaches for epitaxial growth by molecular beam epitaxy method of heterostructures of A3B5 solid solutions with low-density InGaAsP QD on GaAs substrates made it possible to implement heterostructures with
high structural and optical quality with the potential for their application to create near-IR optical sources.
2. The results obtained in the dissertation work served as the scientific basis for RF Patent No. 209708 "Semiconductor heterostructure with reduced surface density of quantum dots".
3. The technique developed in the dissertation work for reducing the crystal lattice mismatch of elastically compensated InGaAs/InAlAs superlattice layers with an InP substrate during epitaxial growth by molecular beam epitaxy made it possible to successfully implement quantum cascade lasers of a 4.5 microns spectral range based on an elastically compensated superlattice In0,67Ga0,33As/In<),36Al0,64As.
The reliability of the results of the work is based on the use of modern scientifically based and complementary research methods. The experimental results of the dissertation work were obtained using instruments and devices that allow to obtain reproducible results when the experimental parameters are changed.
Implementation of research results. Implementation of the results obtained during the work was carried out at the pilot production of epitaxial heterostructures in the enterprises of the real sector of the economy: Connector Optics LLC (St. Petersburg).
Approbation of research results. The main results of the work were reported and discussed at the following conferences: 7,8,10th International School and Conference "Saint-Petersburg OPEN 2020" on Optoelectronics, Photonics, Engineering and Nanostructures, St. Petersburg, Russia, 2019, 2020, 2023; XXII ALL Russian Youth Conference on Physics of Semiconductors and Nanostructures, Semiconductor Opto and Nanoelectronics, St. Petersburg, Russia, 2020; International Conference PhysicA.SPb/2020, St. Petersburg, Russia, 2020; First virtual Bilateral Conference on Functional Materials (BiC-FM), Espoo, Finland, 2020; OSA Frontiers in Optics + Laser Science APS/DLS, Washington, USA, 2020.
Personal contribution. All results presented in the dissertation were obtained by the author personally or with his participation. The author took a decisive part in the formulation and solution of problems, the manufacture of A3B5 semiconductor heterostructures with quantum dots and superlattices for active regions of near- and mid-IR optical radiation sources by molecular beam epitaxy, measurement of the characteristics of the obtained semiconductor heterostructures, interpretation of experimental results and subsequent preparation of publications in peer-reviewed scientific journals. He personally presented scientific results at all-Russian and international conferences.
Publications. The main content of the dissertation was published in 15 scientific papers of which 5 publications in journal indexed by Web of Science or Scopus, 1 publication in journals from the list of the Higher Attestation Commission, 1 patent, 8 publications in other journals.
Publications in international journals indexed by Web of Science or Scopus:
1. Gladyshev A. G. Studying the Optical and Structural Properties of Three-Dimensional InGaP (As) Islands Formed by Substitution of Elements of the Fifth Group / Gladyshev A. G. E., Babichev A. V., Andryushkin V. V. E., Denisov D. V., Nevedomskii V. N., Kolodeznyi E. S., Novikov I. I., Karachinsky L. Ya., Egorov A. Y. // Technical Physics. - 2020. - T. 65. - №. 12. - C. 2047-2050.
2. Kryzhanovskaya N. V. Optical Properties of Three-Dimensional InGaP(As) Islands Formed by Substitution of Fifth-Group Elements / Kryzhanovskaya N. V., Dragunova A. S., Komarov S. D., Nadtochiy A. M., Gladyshev A. G., Babichev A. V., Uvarov A. V., Andryushkin V. V., Denisov D. V., Kolodeznyi E. S., Novikov I. I., Karachinsky L. Ya., Egorov, A. Y. // Optics and Spectroscopy. - 2021. - T. 129. - C. 256-260.
3. Andryushkin V. V. 1 ^m range InGaPAs three-dimensional islands grown by molecular beam epitaxy / Andryushkin V. V., Gladyshev A. G., Babichev A. V., Kolodeznyi E. S., Novikov I. I., Karachinsky L. Y., Nevedomskii V. N., Egorov, A. Y.
// Journal of Physics: Conference Series. - IOP Publishing, 2020. - Т. 1695. - №. 1. - С. 012015.
4. Andryushkin V. V. Investigation of optical and structural properties of three-dimensional InGaPAs islands formed by substitution of elements of the fifth group / Andryushkin V. V., Gladyshev A. G., Babichev A. V., Kolodeznyi E. S., Novikov I. I., Karachinsky L. Y., Nevedomskii V. N., Egorov A. Y. // Journal of Physics: Conference Series. - IOP Publishing, 2020. - Т. 1697. - №. 1. - С. 012106.
5. Andryushkin V. V. Influence of low temperatures and thermal annealing on the optical properties of InGaPAs quantum dots / Andryushkin V. V., Dragunova A. S., Komarov S. D., Nadtochiy A. M., Gladyshev A. G., Babichev A. V., Uvarov A. V., Novikov I. I., A. V., Kolodeznyi E. S., Karachinsky L. Y., Kryzhanovskaya N. V., Nevedomskii V. N., Egorov, A. Y., Bougrov V. E. // Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics. - 2022. Т. 22. - №. 5. - С. 921-928.
Publications in journals from the list of the Higher Attestation Commission: 1. Андрюшкин В. В. Особенности эпитаксиального роста методом МПЭ тонких сильно напряжённых слоев InGaAs/InAlAs на подложках InP / Андрюшкин В. В., Новиков И. И., Гладышев А. Г., Бабичев А. В., Карачинский Л. Я., Дюделев В. В., Соколовский Г. С., Егоров А. Ю. // Журнал Технической Физики - 2023. - Т. 93 - №.8 - С. 1166-1172.
Patents (equivalent to the list of the Higher Attestation Commission): 1. V. V. Andryushkin, I. I. Novikov, A. G. Gladyshev, L. Ya. Karachinsky, A. Yu. Egorov, V. E. Bougrov, «Semiconductor heterostructure with reduced surface density of quantum dots», Utility Model Patent No. 209708, Utility Model Patent Priority 17.12.2021, State Registration Date in the State Register of Utility Models of the Russian Federation 18.03.2022.
Publications in other journals:
1. Andryushkin V. V. Matrix composition effect on InGaP(As) quantum dots photoluminescence / Andryushkin V. V., Novikov I. I., Gladyshev A. G., Babichev А. V., Karachinsky L. Ya., Egorov A. Yu. // BOOK of ABSTRACTS, 10th International
School and Conference on Optoelectronics, Photonics, Engineering and Nanostructures, SaintPetersburg OPEN 2023 - 2023.
2. Andryushkin V. V. Epitaxial growth of highly stressed InGaAs/InAlAs layers on InP substrates by molecular-beam epitaxy / Andryushkin V. V., Novikov I. I., Gladyshev A. G., Babichev А. V., Karachinsky L. Ya., Dudelev V. V., Sokolovskii G.S., Egorov A. Yu. // BOOK of ABSTRACTS, 10th International School and Conference on Optoelectronics, Photonics, Engineering and Nanostructures, SaintPetersburg OPEN 2023 - 2023.
3. Andryushkin V. V. Influence of low temperatures and thermal annealing on the optical properties of InGaPAs quantum dots / Andryushkin V. V., Dragunova A. S., Komarov S., Nadtochiy A. M., Gladyshev A. G., Babichev A. V., Uvarov A., Novikov I. I., Kolodeznyi E. S., Karachinsky L. Ya., Kryzhanovskaya N. V., Egorov A. Yu., Bougrov V. E. // BOOK of ABSTRACTS, 8th International School and Conference on Optoelectronics, Photonics, Engineering and Nanostructures, SaintPetersburg OPEN 2021 - 2021.
4. Андрюшкин В. В. Исследование оптических и структурных свойств трехмерных островков InGaPAs, сформированных методом замещения элементов пятой группы / Андрюшкин В. В., Гладышев А. Г., Бабичев А. В., Новиков И. И., Карачинский Л. Я., Егоров А. Ю. // ФизикА.СПб: тезисы докладов международной конференции 19-23 октября 2020 г - 2020. - С. 193-194.
5. Voznyuk G. V. 7-8 um range ring cavity quantum-cascade lasers with a surface emission / Voznyuk G. V., Babichev A. V., Kolodeznyi E. S., Andryushkin V. V., Gladyshev A. G., Dudelev V. V., Mitrofanov M.I., Slipchenko S. O., Lutetskii A. V., Evtihiev V. P., Karachinsky L. Ya., Pihtin N. A., Sokolovskii G. S., Egorov A. Yu. // Optics InfoBase Conference Papers - 2020. C. JTh4B.18.
6. Андрюшкин В. В., Особенности фотолюминесценции трехмерных островков InGaPAs / Андрюшкин В. В., Гладышев А. Г., Бабичев А. В., Колодезный Е. С., Неведомский В. Н., Новиков И. И., Карачинский Л. Я., Егоров А. Ю. // Физика полупроводников и наноструктур, полупроводниковая опто- и наноэлектроника Тезисы докладов 22-й Всероссийской молодежной конференции - 2020. - С. 53.
7. Andryushkin V. V. Investigation of structural and optical properties of three-dimensional InGaPAs islands / Andryushkin V. V., Gladyshev A. G., Dragunova A. S., Babichev A. V., Nadtochiy A. M., Kolodeznyi E. S., Nevedomskii V. N., Novikov I. I., Karachinskii L. Y., Kryzhanovskaya N. V., Egorov A. Y. // Proceedings First virtual Bilateral Conference on Functional Materials (BiC-FM) 8-9 October, 2020, 2020. - C. 63-64.
8. Andryushkin V. V. Investigation of optical and structural properties of three-dimensional InGaPAs islands formed by substitution of elements of the fifth group / Andryushkin V. V., Gladyshev A. G., Babichev A. V., Kolodeznyi E. S., Novikov I. I., Karachinskii L. Y., Nevedomsky V. N., Egorov A. Y. // BOOK of ABSTRACTS, 7th International School and Conference on Optoelectronics, Photonics, Engineering and Nanostructures, SaintPetersburg OPEN 2020, 2020. - C. 54-55.
Thesis structure.
The dissertation consists of an introduction, four chapters, a conclusion, a list of abbreviations and symbols and a list of references. The dissertation material is presented on 220 pages, contains 52 figures and 10 tables. The list of references contains 106 items.
Contents
In the introduction, the relevance of the dissertation topic is revealed, the goal and tasks of the dissertation work are outlined, its novelty, significance and reliability are disclosed. The defended research statements are given, as well as information about the approbation and publication of the results.
The first chapter called «Literature review» contains a review of the physical principles of construction and a review of fabrication technologies for epitaxial heterostructures with quantum dots and superlattices for active regions of near- and mid-IR optical sources.
The second chapter called «Methods and equipment for the formation and characterization of heterostructures containing InGaAsP quantum dots and elastically compensated InGaAs/InAlAs superlattices formed by molecular beam epitaxy» describes
the main experimental methods used in the work for the synthesis and characterization of semiconductor heterostructures.
The third chapter «InGaAsP quantum dots formed by substitution of fifth group elements in the reactor of the molecular beam epitaxy system» is devoted to the creation of heterostructures with InGaAsP QDs on GaAs substrates by molecular beam epitaxy method. The chapter describes a method for the formation of GaAs/AlGaAs/InGaP and GaAs/InGaAs/AlGaAs/InGaP heterostructures with InGaAsP QDs on a GaAs substrate due to the substitution of phosphorus for arsenic in the epitaxial InGaP layer lattice matched with the GaAs substrate in the arsenic flow during epitaxial growth. The results of the study of the influence of epitaxial growth regimes, temperature, annealing time and the addition of thin InGaAs layers with different molar fraction of InAs in solid solution in GaAs/AlGaAs/InGaP heterostructures on the optical and structural properties of the obtained InGaAsP QD's are presented.
It is shown that the application of the molecular beam epitaxy method makes it possible to form GaAs/AlGaAs/InGaP heterostructures with InGaAsP QDs on a GaAs substrate (figure 1) due to the substitution of the fifth group elements in the arsenic flow during epitaxial growth in the InGaP epitaxial layer lattice matched with GaAs. Heterostructures on a GaAs substrate have been experimentally implemented by molecular beam epitaxy with an estimated InGaAsP QD's density according to the transmission electron microscopy method of 1.3 ■ 1010 cm-2. The change in epitaxial growth regimes, namely, the substrate temperature during InGaP layer growth and the formation of QD in the arsenic flow in the 525-535°C range made it possible to implement heterostructures with InGaAsP QDs according to the transmission electron microscopy method of 5 ■ 1011 cm-2.
Figure 1 - Schematic representation of the epitaxial heterostructures with InGaAsP QDs
basic design
The chapter describes the growth modes of two series of heterostructures. The first series of heterostructures (C1 -C4) was made to assess the effect of epitaxial growth modes on the optical and structural properties of InGaAsP QDs. The second series of epitaxial heterostructures (QD1-QD6) was fabricated to determine the effect of InGaAs quantum wells with different InAs molar fraction in the heterostructures on the optical properties of InGaAsP QDs. The features of epitaxial growth modes and the design of epitaxial heterostructures with InGaAsP QD produced by the MPE method are presented in Table 1.
Table 1. Epitaxial growth modes and design features of heterostructures with InGaAsP QDs.
Heterostructure InGaP Exposure Substrate Heterostructure
layer thickness, time, min temperature during design features
nm exposure, °С
С1 2 5 520 -
С2 2 5 535 -
С3 3 10 535 -
С4 3 10 535 QDs are overgrown with a GaAs layer of 25 nm (for transmission electron microscopy)
QD1 2 5 525 Analogue С2
QD2 2 5 525 QD1 + In^nGa^As covering QD layer
QD3 2 5 525 QD1 + In0,17Gac,83As layer of InGaP formation
QD4 2 5 525 QD1 + In0,17Gac,83As covering QD layer + In0,17Ga0,83As layer of InGaP formation
QD5 2 5 525 QD1 + In0,23Gac,77As covering QD layer +слой Ino,23Gao,77As In0,17Gac,83As layer of InGaP formation
QD6 2 5 525 Analogue С4
Two spectral lines were observed on the photoluminescence (PL) spectra at a temperature of 300 K (Figure 2), one of which with a maximum at a wavelength of about 872 nm corresponds to GaAs emission and the second in the range of 950-1000 nm is associated with InGaAsP QD emission. An increase in the substrate temperature during exposure of the growth surface in the arsenic stream led to a red shift of the maximum PL
of the QDs by 30 nm to 990 nm. An increase in the exposure time of the growth surface in the arsenic stream from 5 to 10 minutes led to a reverse blue shift of the maximum PL to 960 nm. Thus, the influence of growth parameters during the formation of heterostructures with InGaAsP QDs on the wavelength of the emission of an array of QDs in the range of 50 nm was shown.
elength,
Figure 2 - PL spectra of C1-C3 heterostructures obtained at 300 K
The dependence of the half-width of the InGaAsP QD PL line on temperature in the 77-300 K range is demonstrated (Figure 3) associated with the temperature redistribution of carriers inside the InGaAsP QD array and having two characteristic areas of change in the half-width of the PL line with an increase in temperature due to the release of carriers from weakly localized states and their capture to deeper levels, as well as the thermal release of charge carriers in QDs with a less deep localization potential and in GaAs layers.
Temperature
Figure 3 - Dependence of the PL line half-width of C1-C3 heterostructures on the
temperature
When analyzing the second series of heterostructures (QD1-QD6) it was shown that the use of an InGaAs layer 5 nm thick and a 17% molar fraction of InAs in solid solution as an InGaAsP layer covering QDs (QD2) relative to GaAs (QD1) leads to a red shift of the maximum QD PL (Figure 4) by 56 nm. At the same time, the PL peak in the region of 978 nm corresponds to the covering layer In0,nGa0,83As with a thickness of 5 nm. The absence of the influence of the mechanical stress arising from the lattice mismatch of the semiconductor layer on which the QD are formed with the GaAs substrate on the emission wavelength of the obtained InGaAsP QD is demonstrated. According to the PL spectra it was concluded that the use of the In0.17Gao.83As layer with a thickness of 5 nm (the PL peak in the region of 924 nm) as the surface of the InGaP layer formation does not significantly affect the wavelength of the InGaAsP QD emission and the wavelength of the InGaAsP QD emission is ~1028 nm. The conclusion that there is no effect on the wavelength of the InGaAsP QD emission of the In0.17Ga0.83As layer as the InGaP layer formation surface is also confirmed by the spectrum of the QD4 heterostructure in which InGaAsP QDs are located in the In0.17Ga0.83As matrix, i.e. they include in their composition as the In0.17Ga0.83As layer as the InGaP layer formation
surface and the In0,nGa<),83As QD's covering layer. The wavelength of the PL maximum is 1087 nm and is comparable to the PL maximum of the heterostructure with a covering QD layer In0.17Gao.83As (1084 nm). At the same time, two peaks are observed in the region of 924 nm and 978 nm corresponding to the In0.17Ga0.83As layer. For a detailed study of the effect of the InAs molar fraction in the InGaAs matrix layers in the heterostructures on the optical properties of QDs a heterostructure with a 23% InAs molar fraction in the InGaAs matrix was made. On the spectrum of the PL heterostructure, a PL maximum is observed in the 1195 nm region.
9
8
7
r?
3 6
-D
c3 3
4
C/3
G
u -j
£
2
1
800 1000 1200 Wavelength, nm
Figure 4 - PL spectra of heterostructures with InGaAs layers in the construction
obtained at room temperature An increase of the C2 heterostructure PL intensity (Figure 5) to 300% at room temperature and a blue shift of the PL maximum to 10 nm in the InGaAsP QD heterostructure after rapid thermal annealing at 600°C for 2 minutes were demonstrated. An increase in the annealing temperature to 650°C led to the disappearance of the InGaAsP PL QD line. At the same time, a new line appears on the spectra in the region of 930 nm associated with the residual two-dimensional InGaAsP layer.
9oo 1000 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700
Wavelength, nm Annealing temperature, °C
a) b)
Figure 5 - PL spectra of the C2 heterostrncture obtained at room temperature before and after annealing at temperatures of 600 and 650°C (a). Relative change in PL intensity and relative shift of the wavelength of the emission maximum for the InGaAsP
QD's line from the annealing temperature (b)
Chapter four «Features of the growth of elastically compensated InGaAs/InAlAs superlattices by molecular beam epitaxy» is devoted to the epitaxial growth of elastically compensated InGaAs/InAlAs superlattices on InP substrates by the MBE method. The problem of changing the growth rate of binary compounds with epitaxial growth of SL after performing the necessary calibrations using InGaAs and InAlAs bulk layers associated with additional heating of the growth surface from effusion cells is described. It is shown that the technique developed because of the research makes it possible to smooth out the effect of additional heating of the growth surface and create elastically compensated InGaAs/InAlAs SL on InP substrates with high accuracy of matching the chemical composition and layer thicknesses to the set values.
A deviation of 8-10% of the growth rates of elastically compensated InAlAs/InGaAs type superlattices calculated from the experimentally obtained growth rates of InGaAs and InAlAs bulk layers due to heating of the growth surface from effusion cells of the molecular beam epitaxy system was found.
A technique for reducing the lattice mismatch the InP substrate with the layers of elastically compensated InGaAs/InAlAs superlattices during epitaxial growth by molecular beam epitaxy has been proposed and successfully tested.
As a result of testing the technique in a heterostructure with elastically compensated In0 36Al0 64As/Ino.67Gao.33As SL a slight excess of layer thicknesses relative to the nominal value (no more than 1.5%) according to X-ray diffraction analysis was obtained (Figure 6). The average composition of the SL layers coincided with the agreed value and was faintly distinguishable on the swing curves against the background of the InP substrate peak. The layers compositions differed by 1% for InAlAs epitaxial layers and by 0.9% for InGaAs epitaxial layers both towards a higher indium content. The grown test heterostructures and the data obtained from them made it possible to adjust the temperature of the material cells for subsequent growth studies.
Approximation
SL average composition
/
31,2 31,5 31,8 32,1 32,4 O-20, deg.
Figure 6 - X-ray diffraction curve of test heterostructure with
In0.36Al0.64As/In0.67Ga0.33As SL
The developed technique was successfully applied to the epitaxial growth of heterostructures of the QCL 4,6 microns, 5,8 microns and 8 microns spectral ranges at the enterprise of the real sector of the economy of Connector Optics LLC (St. Petersburg).
Conclusion
This dissertation work presents the results of the development of new physical and technological methods for creating and studying the physical properties of semiconductor heterostructures with InGaAsP quantum dots and elastically compensated InGaAs/InAlAs superlattices by molecular beam epitaxy to create near- and mid-IR optical sources.
During the dissertation work the following main results were obtained:
An original method has been developed that allows using molecular beam epitaxy to form GaAs/AlGaAs/InGaP heterostructures with InGaAsP quantum dots on a GaAs substrate by replacing elements of the fifth group in the arsenic stream during epitaxial growth in the InGaP epitaxial layer lattice matched with the GaAs substrate. Using the developed method of substitution of elements of the fifth group heterostructures on a GaAs substrate with an estimated surface density of InGaAsP quantum dots of 1,3 1010 cm-2 and 5 1011 cm-2 were experimentally realized and investigated.
The results of the optical characteristics study of created by molecular beam epitaxy of semiconductor heterostructures based on A3B5 solid solutions with InGaAsP quantum dots on GaAs substrates are presented and it is shown that InGaAsP quantum dots obtained by replacing the fifth group elements in the 2-3 nm thick InGaP epitaxial layer in an arsenic flow for 5-10 minutes during epitaxial growth by molecular beam epitaxy on a GaAs substrate emitted in the 950-1000 nm spectral range.
The dependence of the half-width of the InGaAsP QD PL line on temperature in the 77-300 K range is demonstrated associated with the temperature redistribution of carriers inside the InGaAsP QD array and having two characteristic areas of change in the half-width of the PL line with an increase in temperature due to the release of carriers from weakly localized states and their capture to deeper levels, as well as the thermal release of charge carriers in QDs with a less deep localization potential and in GaAs layers.
It has been experimentally proved that the use of an InGaAs layer with a thickness of 5 nm immediately after the formation of InGaAsP quantum dots provides a red shift of
the InGaAsP quantum dots emission in the range of 1030-1195 nm depending on the InAs molar fraction in the InGaAs solid solution.
During the formation of heterostructures with InGaAsP quantum dots on a GaAs substrate by the molecular beam epitaxy method due to the substitution of the fifth group elements in the InGaP epitaxial layer lattice matched with the substrate in the arsenic stream directly during epitaxial growth the absence of influence of mechanical stress arising from-due to the inconsistency of the constant lattice of the semiconductor layer on which InGaAsP QDs is formed with the GaAs substrate on the wavelength of obtained InGaAsP quantum dots emission.
A deviation of 8-10% of the growth rates of elastically compensated InAlAs/InGaAs superlattices calculated from the experimentally obtained growth rates of InGaAs and InAlAs bulk layers due to heating of the growth surface from effusion cells of the molecular beam epitaxy system was found. It is shown that taking into account the difference in additional heating of the InP semiconductor wafer when opening the shutters of the Ga and Al effusion cells and the corresponding adjustment of the growth rates of the InGaAs and InAlAs semiconductor layers during epitaxial growth of elastically compensated InGaAs/InAlAs superlattices by molecular beam epitaxy ensures the precision implementation of superlattices with specified thicknesses and the chemical composition of their constituent layers with the maximum thickness deviation layers no more than 1.5% and chemical composition no more than 1.0%. The proposed technique has been successfully tested in the creation of heterostructures of QCL with elastically compensated InGaAs/InAlAs SL of the 4,6; 5,8 and 8 microns spectral ranges.
Введение
Актуальность темы
С момента открытия самоорганизующихся полупроводниковых квантовых точек (КТ) и начала их применения в лазерных диодах для улучшения характеристик их генерации в начале 1980-х годов многие исследовательские группы добились значительного прогресса в улучшении методов изготовления квантово-размерных наноструктур с нулевой размерностью, а также в разработке теоретических моделей, объясняющих лежащие в их основе физические свойства. Полупроводниковая квантовая точка представляет собой трехмерный квантово-размерный объект, сформированный из полупроводника с меньшей шириной запрещенной зоны, окруженной другим полупроводником с большей шириной запрещенной зоны. Окружающий материал обеспечивает ограничивающий потенциальный барьер в трех измерениях. Таким образом, носители заряда в валентной зоне и зоне проводимости локализованы в области узкозонного материала в трех измерениях. Такая локализация носителей заряда приводит к существенной модификации функции плотности состояний. В КТ функция плотности состояний представляет собой дельта-функцию. Благодаря модифицированной электронной структуре в КТ появляется возможность создания на их основе источников одиночных фотонов. Энергия испускаемых фотонов зависит от ширины запрещенной зоны области КТ, ширины запрещенной зоны, окружающей ее материала и размерами КТ, которые определяют эффект трехмерного квантования. Существующий набор полупроводниковых материалов А3В5, используемых для формирования КТ позволяет управляемо влиять на длину волны излучения и использовать их для изготовления источников излучения ближнего ИК-диапазона, в том числе для создания источников одиночных фотонов при определенных условиях.
В связи с развитием квантовых оптических информационных технологий растет потребность в создании генераторов одиночных фотонов (ГОФ). Перспективным способом получения монолитного ГОФ с электрической накачкой в научной литературе рассматривается подход на основе использования
микрорезонатора, в котором при помощи эпитаксиальных технологий, в частности молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ), сформированы активные КТ [1]. В основе технологии создания КТ лежат фундаментальные эффекты самоорганизации полупроводниковых наноструктур, возникающие при гетероэпитаксии упруго-напряженных полупроводниковых материалов. Формирующиеся во время такой гетероэпитаксии трехмерные объекты имеют геометрические размеры, обеспечивающие возникновение эффекта трехмерного квантования при достаточно низкой плотности дефектов кристалла, что обеспечивает высокую эффективность излучательной рекомбинации. Решение проблемы создания источников излучения ближнего ИК-диапазона, в том числе источников излучения одиночных фотонов на основе КТ является актуальной задачей. Формирование полупроводниковых гетероструктур ГОФ с достижением минимально возможной плотности КТ по поверхности полупроводниковой пластины и сохранением эффективной фотолюминесценции (ФЛ) от КТ является принципиальной задачей в мировом сообществе. Таким образом, получение ансамбля КТ с поверхностной плотностью ~1010 см-2 и менее в системах материалов А3В5 является актуальной задачей для изготовления однофотонных приборов.
Исследование технологии гетероэпитаксии упруго-напряженных слоев с одной стороны дает возможность создания гетероструктур с самоорганизующимися КТ для источников излучения ближнего ИК-диапазона, а с другой стороны возможность создания многослойный упруго-компенсированных сверхрешеток, которые могут быть эффективными источниками излучения среднего ИК-диапазона. В основе создания таких источников излучения также лежат эффекты размерного квантования, но излучение обеспечивается за счет переходов электронов между уровнями размерного квантования только зоны проводимости. Перспективным решением для создания активных областей источников оптического излучения среднего ИК-диапазона является использование сверхрешеток системы материалов А3В5, что позволяет реализовывать источники оптического излучения в спектральном диапазоне 3-8 мкм [2]. Известным примером таких источников являются квантово-каскадные
лазеры (ККЛ) на основе сверхрешеток InGaAs/InAlAs [3]. Подобно классическим лазерным диодам не нуждающиеся в обслуживании ККЛ весьма удобны в эксплуатации, однако представляют собой чрезвычайно сложные в технологическом отношении устройства, предполагающие выращивание сотен полупроводниковых нанослоев. Согласованные гетеропары InGaAs/InAlAs ограничивают эффективность ККЛ среднего ИК-диапазона вследствие теплового выброса носителей заряда с верхнего уровня размерного квантования в непрерывный спектр, обусловленного недостаточным разрывом зоны проводимости на гетерогранице InGaAs/InAlAs. Для решения данной проблемы применяются тонкие упруго-компенсированные сверхрешетки InGaAs/InAlAs [4,5]. Основной технологической проблемой при изготовлении гетероструктур с упруго-компенсированными сверхрешетками InGaAs/InAlAs методом МПЭ является необходимость практической реализации гетероструктуры ККЛ в точном соответствии с разработанной принципиальной конструкцией. Принципиальными параметрами для квантово-размерной структуры является химический состав и толщина полупроводниковых слоев. Соответственно, возникает необходимость одновременного прецизионного контроля мольной доли InAs в составе твердых растворов InGaAs и InAlAs, а также заданных толщин в течение долговременного ростового процесса для точной реализации принципиальной конструкции прибора и исключения возникновения структурных дефектов и шероховатости гетерограниц. Указанные проблемы могут быть решены путем разработки специальных технологических методов эпитаксии таких гетероструктур, что обуславливает актуальность данной работы.
Создание источников оптического излучения ближнего и среднего ИК-диапазона является актуальной задачей, в основе которой лежит разработка новых физико-технологических методов эпитаксии упруго-напряженных полупроводниковых гетероструктур.
Цель работы
Разработка новых физико-технологических методов создания полупроводниковых гетероструктур источников оптического излучения ближнего и среднего ИК-диапазона, создание экспериментальных образцов таких гетероструктур методом МПЭ, исследование их физических свойств, установление взаимосвязи между их физическими свойствами и технологическими параметрами эпитаксиального процесса.
Задачи работы
1. Разработка физико-технологических подходов конструирования и создание полупроводниковых гетероструктур с низкоплотными КТ InGaAsP выращенными на подложках GaAs методом молекулярно-пучковой эпитаксии, включая определение базовых конструктивных параметров полупроводниковых слоев: химического состава и толщины, для создания источников оптического излучения ближнего ИК-диапазона;
2. Изготовление гетероструктур на с низкоплотными КТ InGaAsP на подложках GaAs методом молекулярно-пучковой эпитаксии;
3. Исследование оптических и структурных характеристик полупроводниковых гетероструктур с низкоплотными КТ InGaAsP на подложках GaAs изготовленных методом молекулярно-пучковой эпитаксии;
4. Разработка технологических подходов уменьшения величины рассогласования слоев упруго-компенсированных сверхрешеток InGaAs/InAlAs по параметру кристаллической решетки с подложкой 1пР в процессе эпитаксиального роста методом молекулярно-пучковой эпитаксии, для создания источников оптического излучения среднего ИК-диапазона;
5. Изготовление гетероструктур с упруго-компенсированными сверхрешетками InGaAs/InAlAs на подложке 1пР методом молекулярно-пучковой эпитаксии и исследование их свойств.
Научная новизна работы
1. Предложен оригинальный способ формирования КТ InGaAsP и экспериментально реализована гетероструктура на подложке GaAs методом молекулярно-пучковой эпитаксии с оценочной поверхностной плотностью КТ InGaAsP 1,3 ■ 1010 см-2.
2. Продемонстрировано отсутствие влияния механического напряжения, возникающего из-за рассогласования постоянной кристаллической решетки полупроводникового слоя, на котором формируются КТ с подложкой GaAs, на длину волны излучения полученных КТ InGaAsP.
3. Продемонстрирована зависимость полуширины линии ФЛ КТ InGaAsP от температуры в диапазоне 77-300 К, связанная с температурным перераспределением носителей заряда внутри ансамбля КТ InGaAsP и имеющая два характерных участка изменения полуширины линии ФЛ с ростом температуры вследствие выброса носителей из слаболокализованных состояний и захвата их на более глубокие уровни, а также термического выброса носителей заряда в КТ с менее глубоким потенциалом локализации и в слои GaAs.
4. Продемонстрировано увеличение интенсивности ФЛ до 300% при комнатной температуре и коротковолновый сдвиг максимума ФЛ до 10 нм в гетероструктуре с КТ InGaAsP после быстрого термического отжига при температуре 600°С в течение 2 минут.
5. Для упруго-компенсированных сверхрешеток типа InAlAs/InGaAs обнаружено отклонение на 8-10% скоростей роста, вычисленных по экспериментально полученным скоростям роста объёмных слоев InGaAs и InAlAs, обусловленное нагревом ростовой поверхности от эффузионных источников установки молекулярно-пучковой эпитаксии.
6. Предложена и успешно апробирована методика уменьшения величины рассогласования слоев упруго-компенсированных сверхрешеток InGaAs/InAlAs по параметру кристаллической решетки с подложкой 1пР во время эпитаксиального роста методом молекулярно-пучковой эпитаксии.
Теоретическая и практическая значимость работы
1. Разработанные технологические подходы эпитаксиального роста методом молекулярно-пучковой эпитаксии гетероструктур твердых растворов А3В5 с низкоплотными КТ InGaAsP на подложках GaAs позволили реализовать гетероструктуры обладающие высоким структурным и оптическим качеством с потенциальной возможностью их применения для создания источников оптического излучения ближнего ИК-диапазона.
2. Полученные в диссертации результаты послужили научной основой для патента РФ №209708 «Полупроводниковая гетероструктура с пониженной поверхностной плотностью квантовых точек».
3. Разработанная в диссертационной работе методика уменьшения величины рассогласования слоев упруго-компенсированных сверхрешеток InGaAs/InAlAs по параметру кристаллической решетки с подложкой 1пР во время эпитаксиального роста методом молекулярно-пучковой эпитаксии позволила успешно реализовать квантово-каскадные лазеры спектрального диапазона 4,6 мкм на основе упруго-компенсированной сверхрешетки Ino,6'7Gao,ззAsЛno,з6Al0,64As.
Положения, выносимые на защиту
1. Использование метода молекулярно-пучковой эпитаксии позволяет формировать гетероструктуры GaAs/AlGaAs/InGaP с квантовыми точками InGaAsP на подложке GaAs за счет замещения в эпитаксиальном слое InGaP, согласованном по параметру решетки с GaAs, элементов пятой группы в потоке мышьяка в процессе эпитаксиального роста.
2. Квантовые точки InGaAsP, полученные за счет замещения в эпитаксиальном слое InGaP толщиной 2-3 нм элементов пятой группы в потоке мышьяка в течение 5-10 минут в процессе эпитаксиального роста методом молекулярно-пучковой эпитаксии на подложке GaAs, излучают в спектральном диапазоне 950-1000 нм.
3. Использование InGaAs слоя толщиной 5 нм непосредственно после формирования квантовых точек InGaAsP, полученных за счет замещения в
эпитаксиальном слое InGaP элементов пятой группы в потоке мышьяка в процессе эпитаксиального роста методом молекулярно-пучковой эпитаксии на подложке GaAs, обеспечивает длинноволновый сдвиг излучения квантовых точек InGaAsP в диапазоне 1030-1195 нм в зависимости от мольной доли InAs в составе твердого раствора InGaAs.
4. Учет разницы дополнительного нагрева полупроводниковой пластины InP при открытии заслонок эффузионных источников Ga и Al и соответствующая корректировка скоростей роста полупроводниковых слоев InGaAs и InAlAs при эпитаксиальном росте упруго-компенсированных сверхрешеток InGaAs/InAlAs методом молекулярно-пучковой эпитаксии обеспечивает прецизионную реализацию сверхрешеток с заданными толщинами и химическим составом составляющих их слоев с максимальным отклонением толщин слоев не более 1.5% и химического состава не более 1.0%.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: 7,8,10th International School and Conference "Saint-Petersburg OPEN 2020" on Optoelectronics, Photonics, Engineering and Nanostructures, Санкт-Петербург, Россия, 2019, 2020, 2023; XXII Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике Санкт-Петербург, Россия, 2020; International Conference PhysicA.SPb/2020, Санкт-Петербург, Россия, 2020; First virtual Bilateral Conference on Functional Materials (BiC-FM), Эспоо, Финляндия, 2020; OSA Frontiers in Optics + Laser Science APS/DLS, Вашингтон, США, 2020.
Достоверность научных достижений
Достоверность результатов работы основана на применении современных научно-обоснованных и дополняющих друг друга методов исследования. Экспериментальные результаты диссертации получены с использованием
приборов и установок, позволяющих получать воспроизводимые результаты в широком диапазоне изменяемых параметров экспериментов.
Публикации
Основное содержание диссертации опубликовано в 15 научных работах, из них 5 публикаций в изданиях, индексируемых Web of Science или Scopus, 1 охранный документ на результат интеллектуальной деятельности, 8 публикаций в иных изданиях.
В международных изданиях, индексируемых в базе данных Web of Science или Scopus:
1. Gladyshev A. G. Studying the Optical and Structural Properties of Three-Dimensional InGaP (As) Islands Formed by Substitution of Elements of the Fifth Group / Gladyshev A. G. E., Babichev A. V., Andryushkin V. V. E., Denisov D. V., Nevedomskii V. N., Kolodeznyi E. S., Novikov I. I., Karachinsky L. Ya., Egorov A. Y. // Technical Physics. - 2020. - Т. 65. - №. 12. - С. 2047-2050.
2. Kryzhanovskaya N. V. Optical Properties of Three-Dimensional InGaP(As) Islands Formed by Substitution of Fifth-Group Elements / Kryzhanovskaya N. V., Dragunova A. S., Komarov S. D., Nadtochiy A. M., Gladyshev A. G., Babichev A. V., Uvarov A. V., Andryushkin V. V., Denisov D. V., Kolodeznyi E. S., Novikov I. I., Karachinsky L. Ya., Egorov, A. Y. // Optics and Spectroscopy. - 2021. - Т. 129. - С. 256-260.
3. Andryushkin V. V. 1 цт range InGaPAs three-dimensional islands grown by molecular beam epitaxy / Andryushkin V. V., Gladyshev A. G., Babichev A. V., Kolodeznyi E. S., Novikov I. I., Karachinsky L. Y., Nevedomskii V. N., Egorov, A. Y. // Journal of Physics: Conference Series. - IOP Publishing, 2020. - Т. 1695. - №. 1. - С. 012015.
4. Andryushkin V. V. Investigation of optical and structural properties of three-dimensional InGaPAs islands formed by substitution of elements of the fifth group / Andryushkin V. V., Gladyshev A. G., Babichev A. V., Kolodeznyi E. S., Novikov I. I.,
Karachinsky L. Y., Nevedomskii V. N., Egorov A. Y. // Journal of Physics: Conference Series. - IOP Publishing, 2020. - Т. 1697. - №. 1. - С. 012106.
5. Andryushkin V. V. Influence of low temperatures and thermal annealing on the optical properties of InGaPAs quantum dots / Andryushkin V. V., Dragunova A. S., Komarov S. D., Nadtochiy A. M., Gladyshev A. G., Babichev A. V., Uvarov A. V., Novikov I. I., A. V., Kolodeznyi E. S., Karachinsky L. Y., Kryzhanovskaya N. V., Nevedomskii V. N., Egorov, A. Y., Bougrov V. E. // Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics. - 2022. Т. 22. - №. 5. - С. 921-928.
В изданиях из перечня ВАК РФ:
1. Андрюшкин В. В. Особенности эпитаксиального роста методом МПЭ тонких сильно напряжённых слоев InGaAs / InAlAs на подложках InP / Андрюшкин В. В., Новиков И. И., Гладышев А. Г., Бабичев А. В., Карачинский Л. Я., Дюделев В. В., Соколовский Г. С., Егоров А. Ю. // Журнал Технической Физики - 2023. - Т. 93 - №.8 - С. 1166-1172.
Патенты по теме работы (приравненные к ВАК РФ):
1. Пат. 209708 Российская Федерация, МПК H01L 33/04 H01L 33/30 B82Y 20/00. Полупроводниковая гетероструктура с пониженной поверхностной плотностью квантовых точек / В.В. Андрюшкин, И.И. Новиков, А.Г. Гладышев, Л.Я. Карачинский, А.Ю. Егоров, В.Е. Бугров; заявитель и патентообладатель Университет ИТМО. - № 2021137550; заявл. 17.12.2021, опубл. 18.03.2022
Публикации в иных изданиях:
1. Andryushkin V. V. Matrix composition effect on InGaP(As) quantum dots photoluminescence / Andryushkin V. V., Novikov I. I., Gladyshev A. G., Babichev А. V., Karachinsky L. Ya., Egorov A. Yu. // BOOK of ABSTRACTS, 10th International School and Conference on Optoelectronics, Photonics, Engineering and Nanostructures, SaintPetersburg OPEN 2023 - 2023.
2. Andryushkin V. V. Epitaxial growth of highly stressed InGaAs/InAlAs layers on InP substrates by molecular-beam epitaxy / Andryushkin V. V., Novikov I. I., Gladyshev A. G., Babichev А. V., Karachinsky L. Ya., Dudelev V. V., Sokolovskii G.S., Egorov A. Yu. // BOOK of ABSTRACTS, 10th International School and Conference on
Optoelectronics, Photonics, Engineering and Nanostructures, SaintPetersburg OPEN 2023 - 2023.
3. Andryushkin V. V. Influence of low temperatures and thermal annealing on the optical properties of InGaPAs quantum dots / Andryushkin V. V., Dragunova A. S., Komarov S., Nadtochiy A. M., Gladyshev A. G., Babichev A. V., Uvarov A., Novikov I. I., Kolodeznyi E. S., Karachinsky L. Ya., Kryzhanovskaya N. V., Egorov A. Yu., Bougrov V. E. // BOOK of ABSTRACTS, 8th International School and Conference on Optoelectronics, Photonics, Engineering and Nanostructures, SaintPetersburg OPEN 2021 - 2021.
4. Андрюшкин В. В. Исследование оптических и структурных свойств трехмерных островков InGaPAs, сформированных методом замещения элементов пятой группы / Андрюшкин В. В., Гладышев А. Г., Бабичев А. В., Новиков И. И., Карачинский Л. Я., Егоров А. Ю. // ФизикА.СПб: тезисы докладов международной конференции 19-23 октября 2020 г - 2020. - С. 193-194.
5. Voznyuk G. V. 7-8 um range ring cavity quantum-cascade lasers with a surface emission / Voznyuk G. V., Babichev A. V., Kolodeznyi E. S., Andryushkin V. V., Gladyshev A. G., Dudelev V. V., Mitrofanov M.I., Slipchenko S. O., Lutetskii A. V., Evtihiev V. P., Karachinsky L. Ya., Pihtin N. A., Sokolovskii G. S., Egorov A. Yu. // Optics InfoBase Conference Papers - 2020. C. JTh4B.18.
6. Андрюшкин В. В., Особенности фотолюминесценции трехмерных островков InGaPAs / Андрюшкин В. В., Гладышев А. Г., Бабичев А. В., Колодезный Е. С., Неведомский В. Н., Новиков И. И., Карачинский Л. Я., Егоров А. Ю. // Физика полупроводников и наноструктур, полупроводниковая опто- и наноэлектроника Тезисы докладов 22-й Всероссийской молодежной конференции - 2020. - С. 53.
7. Andryushkin V. V. Investigation of structural and optical properties of three-dimensional InGaPAs islands / Andryushkin V. V., Gladyshev A. G., Dragunova A. S., Babichev A. V., Nadtochiy A. M., Kolodeznyi E. S., Nevedomskii V. N., Novikov I. I., Karachinskii L. Y., Kryzhanovskaya N. V., Egorov A. Y. // Proceedings First virtual Bilateral Conference on Functional Materials (BiC-FM) 8-9 October, 2020, 2020. - С. 63-64.
8. Andryushkin V. V. Investigation of optical and structural properties of three-dimensional InGaPAs islands formed by substitution of elements of the fifth group / Andryushkin V. V., Gladyshev A. G., Babichev A. V., Kolodeznyi E. S., Novikov I. I., Karachinskii L. Y., Nevedomsky V. N., Egorov A. Y. // BOOK of ABSTRACTS, 7th International School and Conference on Optoelectronics, Photonics, Engineering and Nanostructures, SaintPetersburg OPEN 2020, 2020. - С. 54-55.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений и списка литературы. Общий объем диссертационной работы составляет 220 страниц, включая 52 рисунка и 10 таблиц. Список литературы содержит 106 наименований.
Глава 1. Аналитический обзор литературы
В настоящей главе описываются физические принципы технологии изготовления эпитаксиальных гетероструктур с квантовыми точками (КТ) системы материалов А3В5, согласованными и упруго-компенсированными сверхрешетками (СР) InGaAs/InAlAs для создания эффективных источников излучения ближнего и среднего инфракрасного (ИК) диапазона. Проведен обзор современных литературных источников, посвященных проблематике диссертации: обсуждаются физические основы методов создания эпитаксиальных гетероструктур с КТ и упруго-компенсированными СР, их конструктивные особенности, преимущества и недостатки, конкретные области применения оптоэлектронных приборов на базе рассматриваемых эпитаксиальных гетероструктур.
1.1 Методы роста эпитаксиальных гетероструктур
Эпитаксией называют способ формирования кристаллического слоя, при котором растущий слой наследует кристаллическую структуру подложки, на поверхности которой он осаждается. Если исходная подложка представляла собой полупроводниковый материал с определенной кристаллографической ориентацией (100) относительно поверхности, эпитаксиальный слой будет представлять собой монокристаллическую пленку типа цинковой обманки с ориентацией (100). Различные методы эпитаксиального роста нашли свое применение при создании гетероструктур полупроводниковых соединений.
Уникальные характеристики полупроводниковых оптоэлектронных приборов последнего поколения во многом определяются прогрессом в технологии формирования эпитаксиальных гетероструктур на основе полупроводниковых материалов системы A3В5. Многокомпонентные твердые растворы соединений А3В5 обеспечивают широкие возможности управления физическими параметрами, что значительно расширяет спектр возможных применений приборов. Именно на стадии получения гетероструктуры формируются основные характеристики
приборов. Среди методов получения эпитаксиальных гетероструктур выделяют методы молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) и металлоорганической газофазной эпитаксии (МОГФЭ).
1.1.1 Метод осаждения металлоорганических соединений из газовой фазы
Металлоорганическая газофазная эпитаксия, является одним из основных методов, применяемых для изготовления полупроводниковых эпитаксиальных гетероструктур. В настоящее время промышленные реакторы способны осуществлять одновременный гетероэпитаксиальный рост на тридцати 4-дюймовых пластинах, и технология активно используется для создания большинства современных полупроводниковых устройств. Области применения МОГФЭ не ограничиваются полупроводниками и также включают оксиды, металлы и органические материалы. Активное развитие данный метод получил в 1960-х годах [6-10], когда в методах эпитаксии преобладали жидкофазная и хлоридная газофазная эпитаксии, а молекулярно-пучковая эпитаксия в ее нынешнем виде не существовала. Применение МОГФЭ экономически выгодно при создании градиентных слоев, арсенидно-фосфидных растворов и нитридных полупроводников.
Общей особенностью химических газофазных методов является перенос составляющих химических элементов из газовой фазы на границу раздела газ-твердое тело в виде летучих металлоорганических соединений. В МОГФЭ транспортировка соединений осуществляется газом-носителем (например, водород), не взаимодействующим с металлоорганическими соединениями, при общем давлении парциальных газов около 100 мбар. Металлоорганические соединения термически диссоциируют на поверхности нагретой подложки, высвобождая тем самым элементы для роста гетероэпитаксиального слоя. Процессу диссоциации на поверхности подложки обычно способствуют химические реакции.
Реакция МОГФЭ для получения эпитаксиального роста GaAs с использованием стандартных исходных соединений триметилгаллия и арсина имеет следующий вид (1):
Са(СЯ3)3 + АБН3 ^ ваАБ + 3СН4 Т (1)
Исходные соединения, используемые для МОГФЭ, должны соответствовать основным требованиям. Стабильность соединений должна быть мала для разложения в процессе гетероэпитаксиального роста, но все же достаточна для их длительного хранения. Кроме того, летучесть химических соединений должна быть высокой, а их состояние в жидкой фазе обеспечивать устойчивый поток источника материалов. Большинство исходных молекул имеют форму МЯ„, где М -химический элемент, используемый для МОГФЭ, а Я - алкилы, подобные метилу (СН3). Выбирая подходящий органический радикал, можно подобрать прочность связи с данным элементом М в соответствии с требованиями МОГФЭ к выращиваемому твердому веществу. Прочность связи металл-углерод зависит от электроотрицательности металла М и размера и конфигурации радикала Я [11]. Как правило, прочность связи уменьшается по мере увеличения числа атомов углерода, связанных с центральным углеродом в алкиле. Эта тенденция также отражена в энергии диссоциации углерод-водородной связи [12].
Помимо металлоорганических источников, в качестве прекурсоров используются также гидриды, такие как арсин. При разложении они выделяют радикалы водорода, которые могут способствовать удалению углеродсодержащих радикалов с поверхности. Основной сложностью является их высокая токсичность и очень высокое давление паров, что требует тщательной подготовки по обеспечению безопасности при работе с данными веществами. Для уменьшения потенциальной опасности гидриды все чаще заменяются металлоорганическими альтернативами, например, арсин заменяется на трет-бутиларсин, где один из трех радикалов водорода заменен на трет-бутиларсинный радикал. Таким образом, давление паров гидридов снижается, в результате чего образуются жидкости при
нормальных условиях, а также значительно снижается токсичность. Наиболее распространенные химические элементы и их прекурсоры, используемые при производстве полупроводниковых гетероэпитаксиальных структур системы материалов А3B5 методом МОГФЭ представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Химические элементы и прекурсоры, используемые при производстве полупроводниковых слоев системы материалов А3B5 методом МОГФЭ
Элемент Прекурсор
М Триметилалюминий А1(СН3)3
Ga Триметилгаллий Ga(CHз)з
1п Триметилиндий 1п(СН3)3
P Трет-Бутилфосфин С4НпР
As Трет-Бутиларсин СфНл^
Sb Триметилантимонид Sb(CHз)з
N Диметилгидразин
Большинство металлоорганических источников представляют собой жидкости, находящиеся в барботерах. Для транспортировки материалов в реактор газ-носитель (обычно водород) с потоком QMO вводится по погружной трубке в металлоорганический источник, заканчивающейся у дна (рисунок 1). При фиксированной температуре металлоорганическая жидкость образует равновесное давление паров Редмо и газ-носитель насыщается молекулами прекурсора. На выходном отверстии барботера установлен регулятор давления, который позволяет определять фиксированное давление Рв в барботере, тем самым отделяя давление в барботере от равновесного давления паров металлоорганического источника. Кроме того, общее давление Рш в реакторе контролируется независимо.
Рисунок 1 - Схематическое представление установки МОГФЭ, в которой в качестве газа-носителя используется водород, МО1 и М02 - источники
металлоорганических соединений
D — v Ptot v n
(2)
Парциальное давление металлоорганического источника Рмо в реакторе определяется общим потоком в реакторе Qtot. Две фракции используются для контроля парциального давления Рмо источника в реакторе. Газообразные гидриды непосредственно контролируются потоком QHYD.
d — ®Hyd v D ^Hyd Л
Qtot
tot
(3)
Общий поток в реакторе Q tot определяется как сумма потоков всех компонентов плюс поток газа-носителя, который дополнительно вводится в реактор отдельным регулятором потока. Поток газа-носителя, как правило, намного выше, чем у всех источников, и сумма парциальных давлений всех источников Рмо и PHyd, следовательно, намного меньше общего давления в реакторе Ptot. Давление в реакторе Ptot устанавливается регулирующим клапаном, прикрепленным к выпускному насосу позади реактора (рисунок 1).
Механизм роста методом МОГФЭ представляет собой неравновесный процесс. Реагенты прекурсора в газе-носителе представляют собой источник материалов. После ввода газа-носителя с прекурсором вблизи поверхности
подложки возникает компонента вертикального диффузионного переноса в результате химических реакций исходных молекул и встраивания химических элементов в растущий слой. Все процессы, начиная с адсорбции на поверхности и заканчивая встраиванием элементов в полупроводниковый слой, сводятся к реакциям на границе раздела газ-твердое тело (подложка). По окончанию ростового процесса избыточные продукты реакции десорбируются с поверхности раздела путем диффузии и устраняются из реактора установки при помощи насоса.
Процесс роста полупроводниковых слоев методом МОГФЭ обычно выполняется в среднетемпературном диапазоне, где колебания температуры подложки оказывают лишь незначительное влияние на скорость роста, состав твердых растворов и уровень легирования. Для арсенидных и фосфидных полупроводников диапазон обычно составляет от 500 до 800 °С. Обычно скорость роста равна - 0,1 мкм/мин.
К основным проблемам метода МОГФЭ относятся загрязнение растущего слоя углеродом, источником которого является металлоорганическое соединение, а также сложность достижения резких гетерограниц в тонких гетероэпитаксиальных слоях (менее 10 нм) за счет инерционности процесса. Описанные проблемы были устранены при разработке технологии МПЭ.
1.1.2 Метод молекулярно-пучковой эпитаксии
В отличие от метода МОГФЭ, метод МПЭ обладает более высокой точностью параметров толщины и скорости роста полупроводниковых слоев (не хуже 1%), а также более резкими гетерограницами в эпитаксиальных гетероструктурах. Выращивание структур на установках промышленного типа позволяет обеспечить высокую однородность параметров по площади структуры, высокую воспроизводимость параметров от процесса к процессу, а также крайне низкую плотность ростовых дефектов.
Молекулярно-пучковая эпитаксия - это метод физического осаждения материалов из газовой фазы, широко применяемый в исследовательских
лабораториях и промышленном производстве. МПЭ представляет собой процесс эпитаксиального роста в результате взаимодействия одного или нескольких атомарных или молекулярных пучков с нагретой кристаллической подложкой в условиях сверхвысокого вакуума. Молекулярный пучок - это направленный луч нейтральных атомов или молекул в вакуумной камере. В наиболее распространенной конфигурации МПЭ с твердотельными источниками материалов молекулярные пучки образуются в результате испарения вещества в эффузионных ячейках. В ранних экспериментах 1950-х и 60-х годов различные методы с использованием молекулярных пучков применялись для кристаллического и эпитаксиального осаждения систем полупроводниковых материалов А2В6 [13], А4В6 [14] и А3В5 [15,16]. В конце 60-х годов изучение поверхностной кинетики Ga и As-частиц при эпитаксии GaAs дало первое представление о механизмах роста полупроводниковых слоев [17], и вскоре был достигнут эпитаксиальный рост слоев GaAs с высоким структурным качеством [18].
Для поддержания молекулярного пучка эпитаксиальный рост осуществляется в условиях сверхвысокого вакуума (10-7-10-9 Па). Вакуум в ростовой камере поддерживается при помощи вакуумных криогенных насосов. В данных условиях длина свободного пробега атомов и молекул намного превышает геометрические размеры ростовой камеры установки МПЭ.
Механизм роста методом МПЭ на примере ОаЛБ выглядит следующим образом. Мышьяк начинает активно испаряться при температуре 200°С. Аналогичная скорость испарения для галлия проявляется при температуре 700°С. При направленном поступлении потока молекул мышьяка на подложку ОаЛБ, находящуюся при средней температуре (порядка 500°С) в отсутствии потока галлия, мышьяк будет переиспаряться с поверхности полупроводниковой подложки. В то же время поток галлия в отсутствии мышьяка будет аккумулироваться на полупроводниковой подложке ОаЛБ. При поступлении обоих потоков в ростовую камеру адсорбированный атом галлия способен образовать химическую связь с поступившим на поверхность атомом мышьяка, что в итоге образует полупроводниковый слой ОаЛБ. Следовательно, скорость поступления
атомов элементов 3 группы, обладающих единичным коэффициентом взаимодействия с поверхностью, определяет скорость роста полупроводникового соединения. Элементный состав твердого раствора определяется отношением потоков элементов 3 группы. Избыток атомов 5 группы десорбируется с ростовой поверхности и осаждается на охлаждаемые азотом стенки ростовой камеры.
Эпитаксиальный рост гетероструктур полупроводниковых твердых растворов А3В5 выполняется на установках МПЭ различных конструкций. Наиболее распространенными в научно-исследовательской деятельности являются установки с горизонтальным эпитаксиальным реактором (рисунок 2а)), в то время как в промышленности гораздо чаще используются установки МПЭ с вертикальным реактором (рисунок 2б)).
а) б)
Рисунок 2 - Принципиальные схемы а) горизонтального и б) вертикального эпитаксиальных реакторов. 1-вакуумная камера, 2-криопанель, заполненная
жидким азотом, 3-манипулятор, 4-молибденовый держатель с полупроводниковыми пластинами, 5-элементы транспортировки держателей полупроводниковых пластин, 6-заслонки эффузионных источников, 7-эффузионные источники материалов, 8-пирометр, 9-измеритель потоков
материалов, 10-электронная пушка
Ростовые камеры современных установок МПЭ оборудованы квадрупольным масс-спектрометром, позволяющим анализировать уровень остаточной атмосферы в камере и контролировать элементный состав. Также в составе установки МПЭ присутствует система дифракции отраженных быстрых электронов (ДОБЭ) необходимая для контроля структуры и морфологии формируемых эпитаксиальных слоев непосредственно в процессе эпитаксиального роста. Дифрактометр состоит из электронной пушки, формирующей сфокусированный электронный пучок с энергий 10-40 кэВ.
Эффузионные источники, создающие потоки атомов и молекул на ростовую поверхность, состоят из нагревательных и токопроводящих элементов. При этом нагревательные элементы окружаются тепловыми экранами. Материалы в твердом состоянии загружаются в тигель из пиролитического нитрида бора, который располагается внутри нагревательного элемента. В современных конструкциях эффузионных источников распределение потока отличается от распределения потоков в ячейке Кнудсена. Поток постепенно коллимируется боковыми стенками тигля по мере истощения исходного материала. Кроме того, ячейки-источники обычно монтируются в реакторе наклонно, что позволяет использовать несколько источников. Затем нормаль поверхности исходного материала в ячейке наклоняется относительно оси тигля. Следовательно, эффект экранирования стенок тигля асимметричен, как и распределение потока. Схемы цилиндрического и конического тиглей показаны на рисунке 3. Цилиндрические тигли допускают большую загрузку исходного материала, и обеспечивают лучшую однородность металлов, таких как Ga и А1 [19]. Эффект экранирования потоков показан пунктирными линиями на рисунке 3. Область В обозначает экранирование, где только часть испаряемой поверхности вносит свой вклад в поток. Конические тигли имеют большую площадь А, где вся испаряющаяся поверхность вносит свой вклад в поток. Для легирования полупроводниковых твердых растворов используются твердые материалы легирующих примесей, таких как и Ве, для которых применяются цилиндрические тигли. Более подробная информация об
устройстве установки МПЭ и эффузионных источников представлена в главе 2 настоящей диссертационной работы.
\ в
Рисунок 3 - Цилиндрический (а) и конический (б) тигли, используемые в
установках МПЭ
МПЭ является современной высокоточной технологией, позволяющий формировать не только атомарно-гладкие слои полупроводниковых материалов А3В5, но и квантово-размерные структуры на основе данных материалов, такие как квантовые точки (КТ) [20] и был выбран в качестве базового технологического метода настоящей диссертационной работы.
1.2. Режимы роста полупроводниковых структур методом молекулярно-
пучковой эпитаксии
В гетероэпитаксии различают три ростовых режима в зависимости от морфологии образующейся пленки [21]:
1.Франка-ван дер Мерве - в данном режиме реализуется послойный полупроводникового материала на подложке;
2.Фольмера-Вебера - в данном режиме реализуется островковый рост полупроводникового материала на поверхности подложки;
З.Странского-Крастанова - в данном режиме реализуется послойный рост полупроводникового материала с последующим образованием трехмерных островков полупроводникового материала на покрытой данным слоем подложке.
В гетероэпитаксиальных системах полупроводниковых материалов А3В5, согласованных по параметру кристаллической решетки, ростовой режим определяется соотношением энергий поверхности подложки и эпитаксиального полупроводникового слоя, а также энергией гетерограницы.
В случае, когда сумма энергий эпитаксиального полупроводникового слоя и гетерограницы меньше энергии поверхности подложки, осаждаемый материал смачивает подложку, и реализуется режим роста Франка - ван дер Марве, то есть рост двумерного полупроводникового слоя (рисунок 4).
Рисунок 4 - Схема режима эпитаксиального роста Франка - ван дер Марве
В случае, когда сумма поверхностных энергий эпитаксиального полупроводникового слоя и гетерограницы больше, чем энергия поверхности подложки, осаждаемый материал не смачивает подложку и наблюдается эпитаксиальный режим роста Фольмера-Вебера (рисунок 5).
Трехмерные островки
Увеличение латеральных размеров островков
Подложка В Подложка
Рисунок 5 - Схема режима эпитаксиального роста Фольмера-Вебера
Наиболее ярким примером режима эпитаксиального роста Фольмера-Вебера является формирование трехмерных островков 1пАб на подложке [22]. Характерной особенностью системы InAs-Si является большое рассогласование параметров решетки порядка 9%, что делает невозможным получение толстых бездефектных слоев. Также особенностью получаемых методом МПЭ квантово-размерных структур InAs на поверхности Si является сильная зависимость механизма роста от температуры подложки. Режим Фольмера-Вебера по картинам ДОБЭ наблюдается при температуре 250°С. При формировании квантово-размерных структур InAs на поверхности Si при температуре 470°С наблюдается формирование двумерного слоя толщиной 60 монослоев, после чего происходит формирование трехмерных островков, что соответствует режиму эпитаксиального роста Странского-Крастанова.
В гетероэпитаксиальной системе при рассогласовании материалов подложки и полупроводникового осаждаемого слоя по постоянной решетки по мере увеличения толщины осаждаемого полупроводникового слоя вследствие накопления упругой энергии может возникать изменение суммы энергий слоя и гетерограницы. В данном случае возникает переход от эпитаксиального режима роста Франка - ван дер Мерве к режиму Фольмера-Вебера. Таким образом, первоначально имеет место послойный рост, который переходит к островковому росту при достижении некоторой критической толщины осажденного полупроводникового материала. Данный режим эпитаксиального роста называют
режимом Странского-Крастанова (рисунок 6). Остаточный двумерный слой, на котором формируются островки полупроводникового материала, носит название смачивающего слоя.
Рисунок 6 - Схема режима эпитаксиального роста Странского-Крастанова
Впервые формирование трехмерных КТ в режиме эпитаксиального роста Странского-Крастанова наблюдалось при попытке выращивания короткопериодных сверхрешеток InAs/GaAs в 1985 году [23]. С этого момента началось активное исследование возможности получения полупроводниковых КТ эпитаксиальными методами, в том числе методом МПЭ.
1.3 Практическая реализация и области применения квантовых точек, сформированных методом молекулярно-пучковой эпитаксии
Прорыв в области формирования гетероструктур с КТ связан с использованием эффектов самоорганизации в гетероэпитаксиальных полупроводниковых системах. Эффекты самоорганизации для формирования КТ с использованием МПЭ в полупроводниковых системах А3В5 активно применяются последние 30 лет [24,25]. В 1982 году было теоретически предсказано значительное снижение порогового тока и термостабильность лазера на КТ [26], а в 1986 году появились предпосылки к получению теоретической зависимости усиления и порогового тока от размера и плотности КТ [27]. Более того формирование гетероструктур c КТ обеспечивает пространственное ограничение носителей
заряда во всех трех измерениях, что позволяет реализовать предельный случай размерного квантования в полупроводниках. Электронный спектр идеальной КТ представляет собой набор дискретных уровней, соответствующий электронному спектру одиночного атома. Реализация КТ в активных областях приборов оптоэлектроники позволяет решить проблему деградации свойств приборов при повышении температуры, а также использовать одинаковые полупроводниковые системы для реализации приборов с различными требованиями к активной среде.
В зависимости условий эпитаксиального роста таких как температура роста, скорость вращения подложки во время роста, величина потока материалов могут значительно варьироваться параметры КТ: форма, размеры, химический состав и механические напряжения внутри КТ [28]. Это приводит к существенному изменению оптических свойств КТ. Для обеспечения необходимых требований к размерам и форме КТ, а также однородности этих параметров по всей ростовой поверхности, требуется подробное изучение процесса роста КТ.
Как было сказано ранее, первое формирование КТ было замечено при попытке эпитаксиального роста короткопериодных сверхрешеток InAs/GaAs на подложке GaAs в 1985 году с использованием установки МПЭ RIBER2300. [23]. В условиях As-стабилизированной поверхности при ростовой температуре 550°С на буфферный слой GaAs осаждался слой InAs толщиной 2 монослоя, заращиваемый слоем GaAs. В процессе эпитаксиального роста слоя InAs методом ДОБЭ был замечен переход от двумерного роста к трехмерному по изменению картины дифракции в части размытия и исчезновения основных дифракционных рефлексов. Длина волны излучения полученных данным методом КТ InAs лежит в спектральном диапазоне 1080 нм.
Активные исследования в области получения InAs КТ в матрице GaAs на подложках GaAs(100) проводились в 1994-1995 годах [29-31] Исследования методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) показали, что при росте субмонослойной (1/1 А) сверхрешетки InAs/GaAs при температуре 490°С, а также при росте чистого InAs с средней толщиной 1,2-1,4 нм образуются упорядоченные системы пирамидальных КТ с основаниями в форме квадрата с
длиной стороны 12-14 нм, ориентированные в направлениях (010) и (001) и высотой порядка 3 нм.
Дальнейшее развитие получили работы, связанные с синтезом и исследованием КТ во многих других системах материалов. На подложках GaAs: InGaAs/GaAs [32], InGaAs/AlGaAs [33], InAlAs/AlGaAs [34] и InP/InGaP [35]. На подложках !п?: InAs/InGaAs [36], InAs/InAlAs [36] и InAs/InP [37]. На подложках GaP: InGaP/GaP [38] и InP/GaP [39]. Также активно исследовалась система материалов SiGe на [40].
В работе [32] авторами получены InGaAs КТ при осаждении слоя In0,49Ga0,51As толщиной 4,5 монослоя при температуре 550°С на подложку GaAs. При этом температура роста прикрывающего КТ слоя GaAs толщиной 100 нм, как и буфферного слоя составляла 650°С. Согласно спектрам ФЛ при температуре 12К длина волны излучения полученных КТ составляла 1078 нм. Быстрый термический отжиг гетероструктуры с InGaAs КТ при температуре 950°С привел к коротковолновому сдвигу пика ФЛ до 918 нм. Аналогичная гетероструктура была сформирована в работе [41], однако InGaAs КТ были получены с использованием напряженного слоя In0,зGa0,7As толщиной 22 монослоя при температуре 515°С Согласно спектрам ФЛ полученные КТ изучали в спектральном диапазоне 1300 нм при комнатной температуре. Авторы демонстрируют влияние эпитаксиальных режимов роста и толщин слоев материалов системы А3В5 на оптические и структурные свойства сформированных гетероструктур с целью получения необходимых параметров для изготовления оптоэлектронных приборов различного назначения.
В настоящее время ведутся активные исследования в области полупроводниковых гетероструктур с КТ системы материалов InAs/GaAs и InGaAs/GaAs для применения в фотонных и электронных устройствах, таких как передовые энергоэффективные системы связи со сверхбольшой скоростью передачи данных [42-44], энергоэффективные лазеры [45-49], оптические усилители на основе КТ [42], однофотонные излучатели [50-53], солнечные элементы [54-57] и системы квантовой обработки информации или новые ячейки
памяти на основе одиночной КТ [58,59]. Существует большой интерес к получению КТ, излучающих в ближнем ИК диапазоне для применения в таких областях техники как: телекоммуникационные системы, химическая спектроскопия, системы распознавания изображений и биофотоника [42]. Фотоприемники с КТ In(Ga)As в качестве активных областей, работающие на межзонных и межподзонных переходах, в настоящее время активно исследуются для применения в системах обнаружения в ближнем ИК- и длинноволновом ИК-диапазонах из-за их эффективного отклика на падающее излучение [60-64].
Как было сказано ранее, большой интерес проявляется к созданию приборов для управления одиночными фотонами [1, 65-71] и нейроморфных вычислений, использующих в качестве излучателей полупроводниковые гетероструктуры с пониженной размерностью [72-74]. Наилучшими кандидатами на роль активных областей для излучателей в таких системах являются КТ. Однако, в отличие от традиционных лазерных применений, в которых массивы КТ должны иметь максимально возможную плотность [75-79], к активным областям в указанных выше системам предъявляется противоположное требование - уменьшение плотности КТ ниже значений 11010 см-2 [79,80]. Для уменьшения плотности КТ используют специальные технологические режимы эпитаксиального роста, позволяющие уменьшить плотность КТ InAs с типичных 5 -1010 см-2 до —1-109 см-2 [81].
В главе 3 настоящей диссертации предложен и описан метод формирования низкоплотных КТ InGaAsP путем замещения фосфора на мышьяк в слое 1^аР, осажденном на GaAs, непосредственно в процессе эпитаксиального роста. Были проведены ростовые эксперименты с различными технологическими режимами, исследованы оптические и структурные свойства полученных КТ.
1.4
Особенности роста сверхрешеток на подложках InP методом молекулярно-
пучковой эпитаксии
Как отмечалось ранее метод МПЭ позволяет реализовать эпитаксиальные гетероструктуры с резкими гетерограницами, определяемыми лишь временем открытия и закрытия заслонок эффузионных источников. Получение резких гетерограниц является критически важным фактором при создании полупроводниковых СР на основе материалов А3В5.
Полупроводниковые СР нашли широкое применение в качестве активных областей ККЛ среднего ИК-диапазона. Длина волны излучения ККЛ определяется дискретными уровнями энергии и их межподзонными переходами в СР систем материалов А3В5, таких как, InAlAs/InGaAs [82], InGaAs/GaAsSb [83] и InAs/AlAsSb [84]. В зависимости от материала СР и толщины эпитаксиальных слоев возможно реализовать необходимую длину волны излучения ККЛ в среднем ИК-диапазоне. СР на основе InGaAs/InAlAs, согласованные по параметру кристаллической решетки с подложкой 1пР, используются для создания ККЛ спектрального диапазона 4-9 мкм. Эпитаксиальный рост слоев типа InGaAs и InAlAs на подложке 1пР требует строгого согласования соотношения потоков индия, алюминия, галлия и мышьяка для обеспечения согласованности по постоянной решетки получаемых материалов.
1.4.1 Особенности роста слоев сверхрешетки, согласованных по параметру кристаллической решетки, с подложкой !п? методом молекулярно-пучковой
эпитаксии
Согласованными по параметру кристаллической решетки с подложкой InP для системы материалов InGaAs/InAlAs являются эпитаксиальные слои с мольной долей InAs 0,53 и 0,52 соответственно. При изготовлении методом МПЭ критически важным фактором является точное соответствие мольной доли InAs и толщин слоев СР заданным значениям.
В работе [85] авторами проведен анализ влияния ростовых параметров во время эпитаксиального роста методом МПЭ на структурное качество полученных СР, согласованных по параметру кристаллической решетки с подложками InP. Показано, что двумя основными параметрами, определяющими режим роста и качество эпитаксиального слоя, являются соотношение потоков материалов V и III группы и температура подложки. Для роста In0.53Ga0.47As соотношение потоков материалов V группы к потокам материалов III группы не может быть слишком низким, а температура подложки не может быть слишком высокой. Соотношение потоков материалов групп V/III, равное 5, приводит к сильному нарушению роста и разложению поверхности. Шероховатость поверхности в этом случае имеет величину, ограничивающую возможность измерения методом атомно-силовой микроскопии. Эти эффекты наблюдались при температуре подложки 510°C и 520°C. С другой стороны, рост при 530°C для всех соотношений V/III, кроме значения 8/20, приводил к десорбции индия с поверхности. Авторами был сделан вывод, что оптимальными параметрами роста согласованных по параметру кристаллической решетки с подложкой InP являются соотношение потоков материалов V/III порядка 12,5 и температура подложки во время эпитаксиального роста 520°C. Шероховатость поверхности гетероструктуры СР, изготовленной с использованием найденных параметров, составляла менее 0,15 нм/мкм2 .
В работе [86] было изучено влияние температуры роста и соотношения потоков материалов V/III на морфологию поверхности и образование структурных дефектов в гетероструктурах согласованных по параметру кристаллической решетки c подложкой InP СР InGaAs/InAlAs. Условия роста, которые были разработаны для роста каскадной активной области Ino.53Gao.47As/Ino.52Alo.48As, например, температура роста 520 °C и соотношение V/III, равное 12, оказались неоптимальными для роста толстых волноводных слоев In0 52Al048As. Было замечено, что после превышения толщины ~1 мкм качество слоев In0 52Al048As ухудшается. Было замечено увеличение шероховатости поверхности, вызванное образованием дефектов, что было дополнительно подтверждено атомно-силовой микроскопией. Оптимизация условий эпитаксиального роста слоев In0 52Al048As
привела к формированию гетероструктуры СР с высоким структурным качеством. Это было достигнуто путем снижения температуры роста до 480°С с соответствующим увеличением соотношения потока материалов V группы к потоку материалов III группы.
В работе [87] авторами показано, что для формирования СР с согласованными по параметру кристаллической решетки слоями InGaAs/InAlAs необходима прецизионная калибровка химического состава эпитаксиальных слоев и скоростей роста твердых растворов In0.5зGa0.47As и 1п0.52А10.4^. В работе калибровка проводилась посредством выращивания специальной тестовой гетероструктуры на основе 10 пар чередующихся слоев In0.5зGa0.47As/In0.52Al0.48As толщиной 10 нм каждый. Эпитаксиальный рост проводился при одинаковом эквивалентном давлении потока мышьяка, равном 110-5 торр, и скорости роста 0,2 нм/с. Температура подложки во время роста составляла 480°С. Подобная конфигурация ростовых параметров позволила авторам сформировать СР с высоким структурным качеством. На кривых качания, полученных методом рентгеновской дифракции, наблюдалось полное совпадение нулевого сателлита с положением пика от подложки 1пР, что говорит о полном согласовании слоев СР с подложкой №.
1.4.2 Особенности роста упруго-компенсированных сверхрешеток на подложках № методом молекулярно-пучковой эпитаксии
Как было показано в работе [88], согласованные гетеропары InGaAs / InAlAs ограничивают эффективность ККЛ спектрального диапазона 4,4-4,8 мкм вследствие теплового выброса носителей заряда с верхнего уровня размерного квантования в непрерывный спектр, обусловленного недостаточным разрывом зоны проводимости на гетерогранице InGaAs/InAlAs. Для решения данной проблемы применяются тонкие упруго-компенсированные слои InGaAs/InAlAs [4,5]. Основной сложностью при изготовлении гетероструктур с тонкими упруго-компенсированными полупроводниковым слоями InGaAs/InAlAs методом МПЭ
является необходимость одновременного выполнения условий точного соответствия мольной доли InAs в составе твердого раствора и толщины слоя заданным значениям в течение долговременного ростового процесса для исключения возникновения структурных дефектов и шероховатости поверхности. Калибровка ростовых параметров, таких как скорости потоков материалов, температура источников материалов, температура подложки во время эпитаксиального роста, является неотъемлемой частью подготовки к ростовому процессу итоговой гетероструктуры.
В работе [3] авторами предложена конструкция эпитаксиальной гетероструктуры ККЛ, включающей в себя 60 периодов упруго-компенсированной СР InGaAs/InAlAs с мольной долей InAs 0,72 и 0,32, соответственно. Предварительно, перед изготовлением многопериодной структуры ККЛ, для точной калибровки толщин и элементного состава эпитаксиальных слоев, были созданы тестовые образцы с упруго-компенсированной СР (10 каскадов) на подложках № диаметром 2 дюйма, образованной гетеропарами In0.60Gao.40As/In0.44Al0.56As и Ino.72Ga0.28As/In0.32Al0.68As. Дифракционные кривые, полученные методом рентгенодифракционного анализа тестовых гетероструктур, сформированных на основе гетеропары In0,60Ga0,40As/In0,44Al0,56As при ростовой температуре 500 ±5°С, демонстрируют дифракционные кривые, близкие к расчетным, со сравнительно узкой шириной пика дифракции. Образцы на основе гетеропары In0,72Ga0,28AsЛno,32Al0,68As, выращенные при той же температуре, характеризовались дифракционными кривыми с сильно уширенными пиками, что указывало на размытость гетерограниц и областей, обогащенных индием. Авторами был сделан вывод, что для изготовления ККЛ на основе упруго-компенсированной СР Ino,з2Alo,68As/Ino,72Gao,28As следует использовать более низкие эпитаксиальные температуры.
В работе [89] авторами производился анализ влияния эпитаксиальных режимов роста методом МПЭ упруго-компенсированных СР In0,67Ga0,33As/In0,36Al0,64As с 100 периодами в своем составе на оптическое и структурное качество полученных гетероструктур. Отмечено, что параметры роста
влияли на качество итоговой гетероструктуры. Так упруго-компенсированные СР, изготовленные при ростовых температурах ниже 520°C с соотношением потоков элемента V группы к элементам III группы порядка 5, демонстрировали послойные режимы роста в случае слоев InGaAs, тогда как, у СР выращенных при температурах выше 520 °C, наблюдалось образование трехмерных островков и разрушение гетерограниц. Данный вывод также был подтвержден увеличением среднеквадратичной шероховатости. Наблюдались незначительные изменения в средних значениях шероховатости между образцами с различным соотношением потоков материалов V и III групп во всем диапазоне. Кроме того, в гетероструктурах в условиях соотношения потоков материалов порядка 9 наблюдалась сегрегация элементов III группы. Оптимизация ростовых параметров по полученным данным позволила авторам получить гетероструктуру методом МПЭ упруго-компенсированной СР Ino^Gao^As/Ino^Alo^As с высокой точностью соответствия толщины слоев и мольной доли InAs заданным значениям, согласно данным рентгенодифракционного анализа (рисунок 7), и реализовать ККЛ спектрального диапазона 4,6 мкм.
Experiment ч Simulation
58 60 62 64 66 68 w-20 (degree)
Рисунок 7 - Рентгенодифракционная кривая упруго-компенсированной СР Ino,67Gao,33As/Ino,36Alo;64As (100 периодов) экспериментальная (черная) и
теоретическая (красная) [89]
В работе [85] авторами представлены результаты калибровки ростовых параметров для формирования упруго-компенсированной СР In0,67Ga0,33As/In0,36Al0,64As. Показано, что параметры эпитаксиального роста упруго-компенсированных СР, такие как отношение потоков материалов III и V групп и температура подложки влияют на качество итоговой гетероструктуры. Используемое в работе значение температуры подложки во время эпитаксиального роста составляло 520°С, соотношение потоков материалов V группы к потокам материалов III группы: 12,5. Получены упруго-компенсированные СР с толщинами слоев 50,24 нм (отклонение от заданного значения 1%). Содержание мольной доли InAs составило 66,6% для InGaAs, что на 0,3% меньше заданного значения, и 36,3% для InAlAs, что на 0,1% больше заданного значения. Отмечается, что стабильный эпитаксиальный рост упруго-компенсированной СР был достигнут благодаря правильному выбору ростовых параметров.
Таким образом, точная калибровка и соблюдение заданных параметров роста, таких как температура подложки и соотношение потоков материалов, в процессе эпитаксиального роста гетероструктур с упруго-компенсированными СР методом МПЭ является необходимым условием для создания эффективных источников оптического излучения среднего ИК-диапазона.
1.5 Области применения сверхрешеток и устройств микро- и наноэлектроники
на их основе
Предыдущие разделы были посвящены описанию получения СР системы материалов А3В5 для источников оптического излучения среднего ИК-диапазона, в частности ККЛ. ККЛ перекрывают наиболее значимые окна прозрачности атмосферы в среднем ИК-диапазоне и чрезвычайно востребованы в спектроскопии и газоанализе [90]. Одночастотные источники инфракрасного излучения на заданной длине волны генерации требуются для детектирования как одиночных линий поглощения, соответствующих определенным химическим соединениям, так и для детектирования широких линий поглощения (за счет наложения целого
ряда узких линий поглощения), что необходимо в клинической медицине (например, для неинвазивного определения уровня глюкозы в крови и других применений).
Помимо ККЛ СР нашли свое применение в активных областях вертикально-излучающих лазеров (ВИЛ) ближнего ИК-диапазона. Так в работах [91,92] продемонстрировано использование СР InGaAs/InAlGaAs и InGaAs/InAlGaAs для достижения генерации лазерного излучения на длинах волн 1300 и 1550 нм. Длинноволновые ВИЛ, работающие в телекоммуникационном спектральном диапазоне 1300-1550 нм, представляют интерес для реализации оптической передачи данных не только на дальние дистанции (более 1 км) [92], но и на сверхкороткие расстояния (в пределе для гибридной интеграции с кремниевыми оптическими и электронными схемами) [93]. Также такие лазеры могут быть использованы в датчиках различных газов [94] и лидарных системах [95].
Для детектирования в коротковолновом инфракрасном диапазоне используются СР на основе In0.53Ga0.47As/GaAs0.51Sb0.49, согласованные по параметру кристаллической решетки с подложками !пР. В работе [96] авторами показана эффективная гетероструктура на основе многопериодной СР In0.53Ga0.47As/GaAs0.51Sb0.49 с толщиной каждого слоя 5 нм. Эффективная ширина запрещенной зоны, по расчетам, составляла 0,494 эВ, что соответствовало длине волны детектирования 2,51 мкм и коэффициенту оптического поглощения порядка 2000 см-1 при общей толщине СР 2 мкм.
Таким образом, эпитаксиальный рост как согласованных, так и упруго-компенсированных СР с высоким структурным качеством является важной задачей для создания оптоэлектронных приборов широкого спектра применений.
Выводы к главе 1.
В главе 1 приведен литературный обзор, в котором и рассмотрены методы изготовления эпитаксиальных гетероструктур для источников оптического излучения ближнего и среднего ИК-диапазона, описаны используемые системы
материалов, а также сложности, возникающие при изготовлении таких гетероструктур. Показано, что для роста гетероструктур методом МПЭ возникает необходимость определения и соблюдения ростовых параметров для достижения необходимых условий формирования КТ пониженной плотности (~1010 см-2 и менее) на подложках GaAs и точного согласования параметров кристаллической решетки упруго-компенсированных сверхрешеток InGaAs/InAlAs с подложкой InP. Также в главе описаны области применения гетероструктур с КТ и упруго-компенсированными СР в современных устройствах фотоники.
Глава 2. Методики и оборудование для формирования и характеризации гетероструктур, содержащих квантовые точки InGaAsP и упруго-компенсированные InGaAs/InAlAs сверхрешетки, сформированных методом
молекулярно-пучковой эпитаксии
В настоящей главе содержатся сведения о применяемых в данной диссертационной работе методиках и оборудовании для формирования и характеризации гетероструктур, содержащих низкоплотные квантовые точки InGaAsP и упруго-компенсированные InGaAs/InAlAs сверхрешетки. В частности, подробно описаны методики и оборудование контроля процесса эпитаксиального роста методом МПЭ на установке RIBER49.
2.1 Установка молекулярно-пучковой эпитаксии RIBER49
Ведущими производителями установок МПЭ в мире являются американская компания VEECO и французская компания RIBER. В настоящей диссертационной работе для формирования полупроводниковых эпитаксиальных гетероструктур, содержащих квантовые точки InGaAsP и упруго-компенсированные сверхрешетки InGaAs/InAlAs использовалась установка МПЭ RIBER49 с вертикальным реактором и твердотельными источниками элементов третьей и пятой групп (рисунок 8).
Рисунок 8 - Установка МПЭ ШБЕЯ49
Установка МПЭ ЫБЕК49 построена по трехкамерной схеме. Первой является загрузочная камера (рисунок 9), в которой происходит загрузка и выгрузка молибденовых держателей с полупроводниковыми пластинами (подложками). Во время загрузки и выгрузки полупроводниковых подложек напуск давления до уровня атмосферы осуществляется при помощи подачи в загрузочную камеру чистого газообразного азота. Откачка после процесса загрузки подложек производится с использованием турбинного и криогенного насосов до уровня порядка 5х10-8 торр.
Рисунок 9 - Загрузочная камера установки МПЭ RIBER49
Второй камерой является камера предварительного отжига («degas»), представленная на рисунке 10. После загрузки держателей с полупроводниковыми подложками и достижения необходимого давления каждый держатель перемещается с помощью специального автоматизированного манипулятора в камеру предварительного отжига. В данной камере подложки нагреваются до определенной температуры (350°С для GaAs и 300°С для InP) с целью удаления остаточных водяных соединений с поверхности подложек. Качество удаления соединений контролируется при помощи встроенного вакуумметра. Приемлемым считается вакуум в камере предварительного отжига на уровне 7x10-9 торр.
Рисунок 10 - Камера предварительного отжига установки МПЭ RIBER49
Третьей камерой является ростовая (эпитаксиальный реактор установки МПЭ). После проведения предварительного отжига и достижения необходимого давления в камере предварительного отжига молибденовый держатель с подложками при помощи второго автоматизированного манипулятора перемещается в ростовую камеру и размещается на вращающемся во время эпитаксиального процесса ростовом манипуляторе. Уровень вакуума в эпитаксиальном реакторе во время передачи подложек поддерживается на уровне 10-10—10-11 торр. Перед началом эпитаксиального роста полупроводниковых слоев производится процесс сгона слоя окисла, возникающего при взаимодействии подложек с атмосферой, с поверхности подложки путем нагрева подложек до температур, определяемых экспериментально по литературным данным и картинам дифракции отражения быстрых электронов.
Установка МПЭ RIBER49 оснащена пятью эффузионными источниками материалов третьей группы и двумя источниками материалов пятой группы: один источник In, два источника Ga, три источника Al (рисунок 11а)), один источник As (рисунок 11б)) и один источник P (рисунок 11в)). Также для проведения процессов легирования полупроводниковых слоев гетероструктуры системы материалов А3В5 установка имеет в своем составе два твердотельных источника Si (используемого в качестве донорной примеси) и один газообразный источник С (используемого в качестве акцепторной примеси и подающийся в виде соединения CBr4). К загружаемым в эффузионные источники материалам предъявляются высокие требования чистоты, 6N (99,9999%) и выше в зависимости от конкретного вещества. Молекулярные пучки создаются посредством нагрева материалов в эффузионных источниках. Элементы III и легирующие примеси испаряются в атомарном виде. Элементы V группы обычно попадают на ростовую поверхность в виде тетрамеров или димеров, например (As2, P2, As4, P4). Твердотельные источники материалов состоят из токопроводящих и нагревательных элементов. При этом нагревательные элементы окружены тепловыми экранами. Внутри нагревательного элемента расположен тигель, изготовленный из пиролитического
нитрида бора (рисунок 12), в котором находятся материалы в твердом состоянии. Нагрев тигля для плавления материалов контролируется при помощи встроенной термопары с точностью ±0,1°С, показания которой выводятся на экран управляющего персонального компьютера. В установке МПЭ RIBER49 используются современные эффузионные источники с двумя нагревательными элементами, обеспечивающими лучшую временную стабильность потоков элементов и точность контроля потоков по сравнению с твердотельными источниками, имеющими в своей конструкции один нагревательный элемент. Потоки материалов измеряются при помощи ионизационного датчика. Точность измерения величин потоков не хуже 1%.
а) б) в)
Рисунок 11 - Эффузионные источники Al (а), As (б) и P (в) установки МПЭ
RIBER49
а) б)
Рисунок 12 - Тигли из пиролитического нитрида бора цилиндрической (а) и
конической (б) формы
Также установка МПЭ RIBER49 оснащена необходимыми приборами контроля параметров непосредственно во время эпитаксиального роста (in situ). Температура полупроводниковых подложек во время эпитаксиального роста измеряется при помощи встроенного инфракрасного пирометра с точностью ±5°С. Контроль качества ростовой поверхности во время эпитаксиального роста проводится с использованием электронной пушки методом дифракции отражения быстрых электронов (ДОБЭ). Картины ДОБЭ на флуоресцентном экране при отражении электронов от ростовой поверхности позволяют в процессе эпитаксиального роста контролировать шероховатость гетерограниц эпитаксиальных слоев, а также полный сгон слоя окисла с полупроводниковых подложек перед ростовым процессом.
Для эпитаксиального роста гетероструктур с квантовыми точками InGaAsP использовались подложки из GaAs диаметром 3 дюйма. Подложка помещалась в молибденовый держатель для пластин. Держатель помещался в загрузочную камеру и проходил этапы подготовки подложки к эпитаксиальному росту. Аналогичный подход использовался для эпитаксиального роста гетероструктур с упруго-компенсированными СР InGaAs/InAlAs на подложках InP диаметром 3 дюйма. После эпитаксиального роста гетероструктуры перемещались в загрузочный модуль, производился напуск камеры и упаковка в пластиковые
контейнеры. Далее производился полный анализ оптических и структурных свойств методами, описанными в следующих разделах данной главы.
2.2 Анализ качества поверхности эпитаксиальных гетероструктур методом
дефектометрии
Анализ качества поверхности эпитаксиальных гетероструктур в настоящей диссертационной работе проводился с использованием автоматизированной системы контроля состояния поверхности и определения плотности дефектов подложек и эпитаксиальных гетероструктур (Serfscan KLA Tencor), представленной на рисунке 13.
Промышленный сканер поверхности для автоматического измерения дефектности поверхности пластин Surfscan 6200 (Тепсог Instruments) поверхности позволяет бесконтактным способом быстро измерять общее количество и плотность дефектов на пластине, карту расположения дефектов и параметра «haze» (шероховатость поверхности) по поверхности пластины с координатной X-Y адресацией, а также гистограмму распределения количества дефектов по размерам. Размеры дефектов определяются как размеры эквивалентных латексных сфер, то есть рассеяние излучения лазера от которых даёт такой же (интенсивность, длительность и распространённость в пределах нескольких последовательных линий сканирования) сигнал от фотоприёмника.
Рисунок 13 - Установка Serfscan 6200
На максимальной чувствительности установка обеспечивает не менее 80% видимости латексных сфер с диаметром 0,09 мкм и 95% видимости латексных сфер с диаметром 0,12 мкм. Прибор обеспечивает измерение дефектов с размерами, соответствующими эквивалентным латексным сферам с диаметрами от 0,07 до 63 мкм. Точность воспроизводимости измерений не менее 99% (25 сканирований по пластине с латексными частицами диаметром 0,204 мкм и количеством в диапазоне 2000... 3000). Максимальное количество подсчитываемых за один проход дефектов составляет 30 000. Максимальная чувствительность параметра «haze» 0,02 млн-1 (миллионные доли от падающего излучения), максимальное разрешение параметра «haze» 0,002 млн-1. Максимальное значение параметра «haze» 25000 млн-1. Диапазон измеряемых значений размеров дефектов и интенсивностей параметра «haze» разбит на 8 поддиапазонов. Прибор способен работать с пластинами от 2 до 6 дюймов. Источник излучения - аргоновый лазер: выходная мощность 30мВт, длина волны излучения 488 нм.
Дефекты в эпитаксиальных структурах имеют различное происхождение. Различают отдельные (в данной методике нормальные и овальные) и протяженные дефекты.
Характерной особенностью эпитаксиальных слоев материалов А3В5, изготовленных методом МПЭ, является наличие так называемых овальных дефектов. Когда эпитаксиальные слои выращены на подложке GaAs с кристаллографической ориентацией (001), поверхностные дефекты овальной формы вытянуты в кристаллографическом направлении (110) (рисунок 14).
Рисунок 14 - Изображение овального дефекта, полученное с помощью
оптического микроскопа
К нормальным дефектам, определяемым данным методом дефектометрии, относятся и измеряются дефекты с площадью, соответствующие площади эквивалентных латексных сфер от 0,6 мкм2 до 10 мкм2. К овальным дефектам относят ямки и бугорки с площадью, соответствующей площади эквивалентных латексных сфер от 10 мкм2 до 256 мкм2.
Параметр «haze», связанный с микронеровностями поверхности, является набором протяженных дефектов, к которым относятся поверхностные дефекты различного происхождения: химические пятна, матовые пятна, шероховатость поверхности. Значение параметра «haze» в большинстве случаев, определяется шероховатостью поверхности структуры. Количественно параметр «haze» отображается в миллионных долях интенсивности рассеянного света по отношению к интенсивности падающего света. Параметр «haze» характеризуется величиной, именуемой общим интегральным рассеянием которая связана со среднеквадратичным значением поверхностной шероховатости.
Принцип работы сканера поверхности Surfscan 6200 состоит в использовании принципа темного поля. Система получения картины темного поля состоит из трех основных компонентов: источника излучения (Аг лазер), рассеивающей системы и системы измерения интенсивности рассеянного светового сигнала (рисунок 15).
Рисунок 15 - Схема работы сканера поверхности установки Surfscan 6200
Оптические и механические системы направляют сфокусированный лазерный луч таким образом, чтобы он перемещался от одной точки на поверхности пластины к другой. Свет фокусируется в точке на поверхности структуры и отражается на тот же угол, что имеет падающий луч. Однако, если на месте падения луча находится маленькая частица, часть падающего луча рассеивается. Рассеянные лучи собираются компонентами собирающей системы (эллиптическое зеркало и интегрирующая сфера) и направляются в фотоумножитель. Фотоумножитель используется в качестве детектора рассеянного света, поскольку другие типы детекторов не могут соперничать с ним в чувствительности и быстродействии. Интегральная величина сигнала рассеянного света, собираемого оптической системой, измеряется фотоумножителем и
хранится в памяти вместе с координатой измеряемой точки для получения карты распределения дефектов.
Существует два типа рассеяния света, которые измеряет сканер поверхности:
• Относительно высокий уровень рассеяния позволяет фотоумножителю измерять импульса света от отдельного дефекта: овального или единичного;
Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.