Главная Контакты Добавить в избранное Авторы Вопросы и ответы
,

 

 

УДК 621.362:621.383

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДА ИМПУЛЬСНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

НАСЫЩЕННОГО РАСТВОРА-РАСПЛАВА ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ

НАНОРАЗМЕРНЫХ СТРУКТУР INSB В МАТРИЦЕ GASB

Марончук И.Е., Андронова Е.В., Баганов Е.А., Курак В.В.

Введение

Одним из наиболее перспективных направлений в электронике является создание приборов на основе низкоразмерных структур, таких как квантовые слои, нити и точки. На сегодняшний день наибольший прогресс достигнут в получении квантовых точек InAs в матрице GaAs, в то время как ограниченный ряд работ посвящен получению и исследованию свойств квантовых точек в системе материалов InSb-GaSb [1, 2].

Основными методами создания низкоразмерных структур являются МОС-гидридная технология и молекулярно-лучевая эпитаксия [3]. Необходимо отметить, что квантовые точки, полученные данными методами, обладают низким кристаллическим совершенством, поскольку рост происходит в условиях сильных пересыщений. В связи с этим, авторами работы [4] предлагается выращивать низкоразмерные структуры из жидкой фазы методом импульсного охлаждения насыщенного раствора-расплава, обеспечивающим условия кристаллизации, близкие к равновесным.

В этой связи, целью данной работы является изучение возможности получения структур с квантовыми точками InSb в матрице GaSb при использовании метода импульсного охлаждения насыщенного раствора-расплава. Получение структур с квантовыми точками InSb в матрице GaSb в условиях, близких к равновесным, позволит создать высокоэффективные приборы оптоэлектроники, в частности, ИК-фотодиоды и лазеры, а также ТФВ-преобразователи [5].

 

Методика эксперимента

При выращивании наноразмерных структур InSb в матрице GaSb методом импульсного охлаждения насыщенного раствора-расплава теплопоглотитель в виде графитовой пластины (рис. 1), имеющей температуру 200 0С, помещали над тыльной поверхностью подложки GaSb ориентацией (111). Затем осуществляли кратковременный контакт подложки с насыщенным при температуре 300 0С раствором-расплавом In-Sb. Процессы теплообмена в системе приводили к кратковременному снижению температуры на границе подложка – раствор-расплав, вследствие чего возникало переохлаждение и происходила кристаллизация InSb. После этого осуществляли деконтацию раствора-расплава In-Sb, подложку помещали над раствором-расплавом Ga-Sb и аналогично производили наращивание нескольких нелегированных слоев р-GaSb. Затем подложку перемещали в нейтральное положение, и охлаждали систему до комнатной температуры.

 

Рис.1 Схематическое изображение кассеты для выращивания

Фотолюминесценцию (ФЛ) полученных структур возбуждали He-Ne лазером     ЛГ-76 (длина волны 1,15 мкм, мощность 6 – 12 мВт) при температурах 77, 100 и 120 К. Сигнал ФЛ диспергировался однорешеточным монохроматором МДР-2 с решеткой 300 штр/мм и регистрировался в режиме синхронного детектирования фоторезистором PbS. При регистрации спектров ФЛ структур использовали излучение, выходящее через лицевую поверхность структуры.

 

Обсуждение результатов

Спектры ФЛ полученных структур обладали серией узких пиков 1-5, изменяющих свое положение, интенсивность и полуширину в зависимости от температуры и интенсивности возбуждающего излучения (рис. 2).

Рис.2 Спектры ФЛ образцов:

а) при различных мощностях возбуждающего излучения (температура измерения 77 К): I – 6мВт, II – 8 мВт, III – 10 мВт, IV – 12 мВт; кривая V – спектр ФЛ p-GaSb при мощности возбуждающего излучения 12 мВт;

б) при различных температурах измерения (интенсивность возбуждающего излучения 12 мВт): I – 120 К, II – 100 К, III – 77К

 

 В работе [6] показано, что твердые растворы InХGa1-ХSb, образование которых возможно в процессе выращивания, имеют интенсивность ФЛ на два порядка ниже, чем GaSb при Х>0,04. Это объясняется замещением атомов галлия атомами индия в узлах кристаллической решетки, и т.о. уменьшением количества природных акцепторов VGaGaSb, являющихся основными центрами излучательной рекомбинации в GaSb. К тому же, при содержании индия более 0,4 ат.% резко ухудшается кристаллическое совершенство и морфология эпитаксиальных слоев твердых растворов на подложке GaSb, что также ведет к уменьшению интенсивности ФЛ твердых растворов [7]. Поскольку интенсивности пиков на спектрах ФЛ (рис.2, а, кривые I, II, III, IV) сравнимы или в несколько раз выше интенсивности ФЛ в p-GaSb (рис.2, а, кривая V), а твердые растворы, соответствующие пикам 1-4 должны иметь состав с 0.1<Х<0.36, то мы полагаем, что эти серии пиков не связаны с излучательными переходами в твердом растворе InXGa1-XSb. Минимальная полуширина пиков твердых растворов InXGa1-XSb по литературным данным составляет при 77 К около 20 мэВ, поэтому пик 5 (полуширина 9 мэВ) тоже не может быть описан рекомбинацией в твердом растворе.

Излучательные переходы с участием «фоновых» примесей в GaSb с энергией активации 9-10 мэВ (Ge, Si) и однократно ионизированные VGaGaSb с энергией активации 30 мэВ, с которыми может быть связан пик 5, должны обладать полушириной линии в 3kT (19,9 мэВ при 77К), что в два раза превосходит наблюдаемую полуширину пика. Переходы с участием двухкратно ионизированных VGaGaSb с энергией активации 100 мэВ на спектрах ФЛ не наблюдаются. Поэтому полученные пики ФЛ мы связываем с наличием квантоворазмерных структур InSb в матрице GaSb.

Система InSb-GaSb отличается сильным рассогласованием по постоянной решетки (~6%). При таком рассогласовании рост упругонапряженного сплошного слоя InSb возможен до критической толщины ~3,8 нм. При большей толщине эпитаксиального слоя в условиях наличия растворителя энергетически выгодным является островковый рост. В этой связи мы предполагаем, что эпитаксиальный слой InSb представляет собой квантоворазмерные островки на смачивающем слое. Поскольку на плоскости (111) тангенциальный рост преобладает над нормальным, то предполагаемая форма квантоворазмерных островков InSb – плоские диски радиуса R и высоты H.

Пик 1 мы связываем с рекомбинацией в структурах, образовавшихся в результате латеральной коалесценции квантоворазмерных островков высотой Н » 5 нм. Вклад латерального квантования в таких структурах мал, и рекомбинация происходит с энергетического уровня, определяемого высотой островка. Поскольку в антимониде галлия одним из основных каналов излучательной рекомбинации является переход с дна зоны проводимости на уровни мелких «фоновых» акцепторов с энергией активации 9мэВ (Ge, Si) [8, 9], то пик 1 связываем с переходом с энергетического квантоворазмерного  уровня на примесные уровни. При увеличении интенсивности накачки (рис.2, а) также происходит релаксация носителей на уровни валентной зоны GaSb, что выражается в уширении линии ФЛ 1 в коротковолновую область.

 Пики 3 и 4 соответствуют некоалесцировавшим квантоворазмерным островкам с латеральным размером R » 10 нм. Тождественный характер поведения интенсивности ФЛ при изменении уровня накачки и температуры позволяет предположить, что эти пики отвечают близким механизмам рекомбинации и связаны с переходами на уровень акцепторов (пик 3) и  в валентную зону GaSb (пик 4) с энергетического уровня, определяемого нормальным и латеральным квантованием. Это предположение также подтверждается температурной зависимостью интенсивности данных пиков (рис. 2, б): с ростом температуры количество ионизированных акцепторных уровней увеличивается, и интенсивность линии ФЛ, связанной с рекомбинацией в валентную зону GaSb уменьшается сильнее, чем интенсивность линии, связанной с рекомбинацией через уровни акцепторов.

Также наблюдается корреляция между пиками 3, 4 и 2, т.е. излучательные переходы в этих структурах происходят с участием общего энергетического уровня, сильно зависящего от температуры. Это указывает на экситонную природу пика 2, и соответствует экситонам, образованным электронами, находящимися в потенциальной яме InSb и дырками валентной зоны GaSb. Достаточно большая полуширина линии (~40 мэВ), соответствует широкому распределению по расстоянию между связанными в экситон носителями на гетеропереходе.

 Пик 5 соответствует рекомбинации носителей заряда с уровня квантования электрона в  квантовой яме, которую образует смачивающий слой InSb [10] толщиной ~ 2 нм, на уровень потолка валентной зоны антимонида галлия. В пользу образования смачивающего слоя свидетельствует наличие максимума в интенсивности люминесценции при Т=100 К, при которой происходит перекрывание энергетического уровня смачивающего слоя с зоной проводимости GaSb [11].

 

Выводы

Как показали результаты исследований, использование метода импульсного охлаждения насыщенного раствора-расплава позволяет формировать квантоворазмерные островки InSb в матрице GaSb. На основании анализа спектров фотолюминесценции полученных структур можно сделать предположение, что квантоворазмерные остовки имеют форму дисков радиуса 10 нм и высотой 5 нм, причем рост островков происходит на смачивающем слое InSb толщиной 2 нм.

 

Possibility of obtaining of the second type InSb quantum dots in the GaSb matrix by the method of pulse cooling of saturated solution-melt is investigated. Based on heat-mass transition simulation the technological parameters of growth processes are worked out. Investigation of photoluminescence spectra gave the possibility to assume the shape and size of quantum dots.

 

1.                  Цацульников А.Ф., Бедарев Д.А., Воловик Б.В., Иванов С.В., Максимов М.В., Мусихин Ю.Г., Леденцов Н.Н., Мельцер Б.Я., Соловьев В.А., Копьев П.С., Чернышов А.Ю., Белоусов М.В. Формирование двумерных  наноостровков при осаждении сверхтонких слоев InSb на поверхности GaSb // ФТП. – 1999. – Т.33, №8. – С. 973–975.

2.                  Цацульников А.Ф., Леденцов Н.Н., Максимов М.В., Мельцер Б.Я., Неклюдов П.В., Шапошников С.В., Воловик Б.В., Крестников И.Л., Сахаров А.В., Берт Н.А., Копьев П.С., Бимберг Д., Алферов Ж.И. Фотолюминесценция квантовых точек InSb в матрицах GaAs и  GaSb // ФТП. – 1997. – Т.31, №1. – С. 68–71.

3.                  Леденцов Н.Н., Устинов В.М., Щукин В.А., Копьев П.С., Алферов Ж.И., Бимберг Д. Гетероструктуры с квантовыми точками: получение, свойства, лазеры // ФТП. – 1998. – Т.32, №4. – С. 385–410.

4.                  Марончук И.Е., Марончук А.И., Шорохов А.В. Наноразмерные слои GaAs, полученные при импульсном охлаждении насыщенного раствора-расплава // Письма в ЖТФ. – 1997. – Т.23, №17. –  С. 82– 86.

5.                  Андронова Е.В., Баганов Е.А., Далечин А.Ю., Карманный А.Ю. Использование квантовых точек InSb в термофотовольтаических преобразователях на основе GaSb // ТКЭА. – 2003. - №1.– С. 4648.

6.                  Гайсинская Л.Б., Миргаловская М.С., Стрельникова И.А., Юнович А.Э. Излучательная рекомбинация в гетеропереходах GaSb-Ga1-xInxSb // ФТП – 1975. – Т.9, №3. – С. 474– 477.

7.                  Бирюлин Ю.Ф., Гермогенов В.П., Отман Я.И., Чалдышев В.В., Шмарцев Ю.В., Эпиктетова Л.Е. Влияние изовалентного легирования индием на «природные» акцепторы в антимониде галлия // ФТП. – 1987. – Т.21, №6. – С. 1118– 1123.

8.                  Воронина Т.И., Джуртанов Б.Е., Лагунова Т.С., Сиповская М.А., Шерстнев В.В., Яковлев Ю.П.. Электрические свойства твердых растворов на основе GaSb (GaInAsSb, GaAsSb, GaAlAsSb) в зависимости от состава // ФТП. – 1998. – Т.32, №.3. – С. 278– 284.

9.                  Моисеев К.Д., Торопов А.А., Терентьев Я.В., Михайлова М.П., Яковлев Ю.П.. Фотолюминесценция твердых растворов Ga1-xInxAsySb1-y (0,08<х<0,22), изопериодных с InAs // ФТП. – 2000. Т.34, №.12. – С. 14321437.

10.              Bennet B.R., Shanabrook B.V., Thibado P.M., Whitmen L.J., Magno R. Stranski-Krastanov growth of InSb, GaSb, and AlSb on GaAs, structure of the wetting layer // Journal of Crystal Growth. – 1997. – 175/176. Pp. 888-893.

11.              Kamath K., Chervela N., Linder K.K., Sosnowski T., Jiang H-T., Norris T., Singh J., and Bhattacharya P. Photoluminescence and time-resolved photoluminescence characteristics of InxGa(1-x)As/GaAs self-organized single- and multiple-layer quantum dot laser structures // Appl. Phys. Lett. – 1997. –71(7). – Pp. 927929.

 

 





Ответы на вопросы [_Задать вопроос_]

Современные технические средства, комплексы и системы

Краснов В.А., Прохорович А.В., Шутов С.В., Деменский А.Н. Анализ флуктуаций размера растущего кристалла (на примере легированных монокристаллов кремния, вытягиваемых из расплава по методу Чохральского)

Завальнюк И.П. Управление высокопроизводительной экструзией неоднородных материалов

Долина В.Г., Писаренко А.В. Синтез складної багатовимірної системи управління випарною станцією на основі рефрактометричних вимірювань

Стопакевич А.А., Тодорцев Ю.К. Анализ современного состояния систем управления брагоректификационными установками спиртового производства

Поливода В.В. Современные компьютерные технологии в АСУ на хлебоприёмном предприятии

Ладанюк А.П., Українець А.І., Кишенько В.Д. Управління автоматизованими технологічними комплексами харчових виробництв на основі сценарного підходу

Ковриго Ю.М., Фоменко Б.В. Врахування обмежень для підвищення якості функціонування систем регулювання енергоблоків ТЕС і АЕС

Евдокимов А.В., Китаев А.В., Агбомассу В.Л. Исследование причин, определяющих вращение рамки с током в магнитном поле после воздействия на нее внешнего импульса

Аппазов Э.С. Применение твердых растворов InGaN в фотовольтаике

Кузнєцов Ю.М., Дмитрієв Д.О. Програмно математичний апарат керування виконавчим органом багатокоординатних верстатів нових компоновок

Черевко О.И., Ефремов Ю.И., Одарченко А.М., Одарченко Д.М, Агафонова Ю.Ю. Теоретическое обоснование перспективного биконического резонатора для СВЧ-устройств при переработке растительного сырья

Хобин В.А. Бабиков А.Ю. Системы экстремального управления молотковыми дробилками с функцией гарантированного соблюдения тепловых режимов их электродвигателей.

Стадниченко В.Н. Исследование влияния изменения эксплуатационных нагрузок на свойства металлокерамических слоёв полученных с использованием трибовосстанавливающих составов

Ісаєв Е.А., Наговський Д.А., Чернецька І.Е. До вибору факторів, що характеризують окомкування тонкоподрібнених залізорудних матеріалів

Федоровский К.Ю., Лунев А.А. Теплоотдача погружного пластинчатого теплообменника системы охлаждения энергоустановок морских технических средств

Федоровский К.Ю., Владецкий Д.О. Интенсификация теплоотвода замкнутых систем охлаждения энергоустановок морских технических средств.

Пономарьов Я.Ю., Ладанюк А.П., Іващук В.В. Досвід використання нечітких регуляторів в системі атоматизації випарної установки.

Левченко А.А., Кравчук О.И. Эквивалентный макромодуль процесса технического обслуживания радиотехнических средств.

Іволгіна Т.О. Енергетичний підхід до аналізу стійкості руху вимірювальної головки координатно-вимірювальної машини

Ладанюк А.П., Кишенько В.Д., Ладанюк О.А. Системна задача управління біотехнологічними процесами.

Тернова Т.І. Алгоритм оцінювання деформацій рапорту періодичних об'єктів

Рожков С.А., Федотова О.Н. Алгоритм обучения системы распознавания автоматической системы разбраковки тканей

Пупена О.М, Ельперін І.В, Ладанюк А.П. Особливості проектування комп’ютерно-інтегрованих систем управління

Квасніков В.П., Кочеткова О.В. Проектування координатно–вимірювальної машини на нейронних мережах

Водічев В.А., Мухаммед М.А. Дослідження системи стабілізації потужності різання металообробного верстата з фази-регулятором

Шутов С.В., Аппазов Э.С., Марончук А.И., Самойлов Н.А. Методика испытания термофотовольтаических преобразователей

Хобин В.А. Повышение качества формирования смесей средствами интеллектуализации алгоритмов управления порционным дозированием

Терновая Т.И. Автоматическая система разбраковки тканей с печатным рисунком методом компенсации информационных потоков

Рожков С.А., Бражник Д.А. Использование нейросетевых структур для построения систем распознавания образов

Місюра М.Д., Кишенько В.Д. Математичні моделі технологічних процесів пивоварного виробництва як об’єктів автоматизації

Ладанюк А.П., Власенко Л.О. Автоматизоване управління бізнес-процесами в комп’ютерно-інтегрованих структурах підприємства

Жукова Н.В., Литвинов В.І. Вирішення проблеми погодженого руху валків з неоднаковими катаючими діаметрами профілезгинальних станів

Денисова А.Е., Тодорцев Ю.К., Максименко И.Н. К вопросу об автоматизации интегрированной установки теплоснабжения с возобновляемыми источниками энергии

Бессараб В.И. Компьютеризированная система управления водоотливным хозяйством угольных шахт по критерию минимума энергозатрат

Хобин В.А. Регулятор переменной структуры для объектов технологического типа

Тонконогий В.М. Трехконтурная АСУ нанесением ионно-плазменного покрытия на режущий инструмент.

Колесникова Е.В., Кострова Г.В. Формирование базы данных АСУТП дуговой сталеплавильной печи.

Водічев В.А. Автоматизована система керування швидкостями робочих рухів то-карного верстата для підвищення ефективності обробки торцевих поверхонь.

Бергер Е.Г., Дмитрієв Д.О., Бергер Є.Е., Діневич Г.Ю. Синтез строфоїдографів за методом параметричних сімей.

Бабак В.П., В.Н. Стадніченко, О.Г. Приймаков Прогнозування надійності, дов-говічності та витривалості авіаційних матеріалів

Бабак В.П., Стадниченко В.Н., Приймаков О.Г., Токарчук В.В. Прогнозування витривалості авіаційних матеріалів .

Куцак Р.С. Використання методу координатного еталону в задачах автоматизації контролю якості тканини.

Попруга А.Г. Усовершенствование электрических нагревателей по критерию экономии энергии.

Пашковский А.А., Далечин А.Ю. Система регистрации спектров фотолюминес-ценции

Никольский В.В., Цюпко Ю.М. Применение пьезоэлектрических датчиков в сис-теме кондиционирования воздуха судовых систем микроклимата.

Крапивко Г.И., Хлопёнова И.А. Повышение коэффициента полезного действия кремниевых фотоэлектронных преобразователей методом лазерной гравировки.

Кихтенко Д.А. Управление шаговыми двигателями в микрошаговом режиме, оп-тимизация управления.

Горохов В.А. Автоматизированная транспортно-складская система в текстильной и легкой промышленности.

Водічев В.А. Система стабілізації потужності різання фрезерного верстата з взаємозв'язаним керуванням швидкостями робочих рухів.

Шутов С.В., Аппазов Э.С., Марончук А.И. Испытание фотоэлектрических преобразователей в условиях экстремальных температурных колебаний.

Худяев А.А. К проблеме повышения точности воспроизведенияв классе многоканальных воспроизводящих систем с эталонной настройкой каналов.

Тверезовський В.С., Бараненко Р.В. Принцип побудови елементів вимірювальних систем, представлених цифровими програмно керованими давачами.

Никольский В.В., Сандлер А.К. Моделирование процессов в вискозиметре с пьезоэлектрическим приводом.

Водічев В.А. Аналого-цифровий регулятор режиму металообробки для верстатів з числовим програмним керуванням.

Блинов Э.И., Кравцов В.И., Кравцов А.В., Недбайло А.Н. Управление гибкими протяженными объектами направленными силовыми воздействиями.