Письма в ЖЭТФ, том 109, вып. 6, с. 381 - 386

Влияние сильнонапряженных вставок GaAs и InAs в буферном слое

InAlAs на структурные и оптические свойства метаморфных

квантово-размерных гетероструктур InAs(Sb)/InGaAs/InAlAs/GaAs

В.А.Соловьев⁺¹⁾, М.Ю.Чернов⁺, О.С.Комков^+∗, Д.Д.Фирсов^∗, А.А.Ситникова⁺, С.В.Иванов⁺

⁺Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе РАН,

194021 С.-Петербург, Россия

^∗Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет “ЛЭТИ”, 197376 С.-Петербург, Россия

Поступила в редакцию 23 января 2019 г.

После переработки 23 января 2019 г.

Принята к публикации 24 января 2019 г.

Методом молекулярно-пучковой эпитаксии на подложках GaAs (001) выращены метаморфные

квантово-размерные гетероструктуры InAs(Sb)/InGaAs/InAlAs с тонкими (1-5 нм) сильнонапряженны-

ми вставками GaAs и InAs в градиентном метаморфном буферном слое InxAl1-xAs. Показано, что ис-

пользование вставки GaAs толщиной 5 нм в области метаморфного буферного слоя при x ∼ 0.37 при-

водит к почти двукратному возрастанию интенсивности фотолюминесценции при 300 К (λ ∼ 3.5 мкм)

из квантовой ямы InAs/InGaAs, содержащей монослойную вставку InSb. Это объясняется увеличени-

ем энергии локализации дырок в InSb, измеренной методом фотомодуляционной инфракрасной фурье-

спектроскопии отражения, за счет возросших упругих напряжений в квантовой яме вследствие понижен-

ной плотности прорастающих дислокаций в этой структуре, обусловленной введением дополнительной

обратной ступени в метаморфный буферный слое, функции которой выполняет 5 нм слой GaAs. Введе-

ние 5 нм слоя InAs в метаморфный буферный слой нарушает его функции как дислокационного фильтра,

приводя к большей плотности дислокаций в области квантовой ямы и падению на порядок величины

интенсивности люминесценции.

DOI: 10.1134/S0370274X19060079

Полупроводниковые источники излучения сред-

ны метаморфные квантово-размерные гетерострук-

него инфракрасного (ИК) диапазона 3-5 мкм пред-

туры InAs(Sb)/InGaAs/InAlAs, получаемые методом

ставляют значительный интерес ввиду большого ко-

молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) на подлож-

личества применений (мониторинг окружающей сре-

ках GaAs с использованием МБС InAlAs и излучаю-

ды, неинвазивные медицинские тесты и т.п.) [1].

щие на длине волны более 3 мкм [2]. Они представля-

Для получения гетероструктурных активных эле-

ют собой двойные гетероструктуры с квантовой ямой

ментов на основе узкозонных соединений А³В⁵ для

(КЯ) InAs/InGaAs типа-I, содержащей субмонослой-

таких источников на сильно рассогласованных по па-

ную вставку InSb в InAs и расположенной между

раметру кристаллической решетки, но относитель-

ограничивающими барьерами InAlAs, и обеспечива-

но дешевых и широко распространенных подлож-

ют эффективное оптическое и электронное ограни-

ках GaAs применяется подход, заключающийся в ис-

чение.

пользовании метаморфного буферного слоя (МБС).

Остаточные напряжения в верхней бездислока-

Метаморфная эпитаксиальная технология с задан-

ционной части МБС компенсируются путем выбо-

ным градиентом состава МБС по толщине позво-

ра состава виртуальной подложки InAlAs с пони-

ляет получить виртуальную подложку с существен-

женным содержанием In на величину так называ-

но пониженной плотностью структурных дефектов

емой обратной ступени, которая определяется раз-

(< 10⁷ см^-2) и таким параметром решетки, кото-

ницей между предельным составом МБС и соста-

рый необходим для псевдоморфного роста последу-

вом виртуальной подложки. Плотность прорастаю-

ющих активных слоев. В качестве таких источников

щих дислокаций (ПД) в таких структурах сильно

среднего ИК диапазона ранее нами были предложе-

зависит от выбора конструкции и режимов роста

МБС. Так, например, было показано, что использо-

¹⁾e-mail: vasol@beam.ioffe.ru

вание МБС с нелинейным профилем изменения со-

Письма в ЖЭТФ том 109 вып. 5 - 6

2019

381

382

В.А.Соловьев, М.Ю.Чернов, О.С.Комков и др.

става приводит к более толстой бездислокационной

области и, соответственно, к меньшей величине плот-

ности ПД в активной области по сравнению с МБС

с линейным профилем [3]. Кроме того, в работе [4]

было продемонстрировано, что напряженные сверх-

решетки InAlAs/InGaAs, внедренные в МБС InAlAs,

позволяют снизить плотность ПД и увеличить ин-

тенсивность фотолюминесценции (ФЛ) гетерострук-

тур, в то время как последовательное использование

нескольких обратных ступеней в МБС не приводит

к улучшению их структурных и оптических свойств.

Особый интерес представляют одиночные тонкие

сильнонапряженные слои, выполняющие роль барье-

ра для ПД, резко меняющего направление их рас-

пространения вплоть до загибания в плоскости ро-

ста, что было продемонстировано на примере систе-

мы GaN/AlN [5]. Однако на данный момент отсут-

ствуют работы, посвященные исследованию влияния

внедренных в МБС тонких одиночных сильнонапря-

Рис. 1. Схематическое изображение конструкции ре-

женных слоев на релаксацию и распределение упру-

перного образца A - метаморфной гетероструктуры

гих напряжений в метаморфных гетероструктурах

InAlAs/InGaAs с активной областью в виде вставки

(Al, Ga, In)As, а также на их оптические свойства.

InSb (∼1 МС (ML)) в КЯ 8 нм - InAs/InGaAs

Данная работа посвящена исследованию влияния

тонких (1-5 нм) сильнонапряженных слоев GaAs и

InAs, внедряемых в МБС InAlAs с корневым профи-

дованных структур (образцы B) содержала внут-

лем изменения состава, на структурные и оптические

ри МБС тонкую вставку GaAs в области составов

свойства метаморфных квантово-размерных гетеро-

In_0.37Al_0.63As, где в реперной структуре наблюдалось

структур InAs(Sb)/InGaAs/InAlAs/GaAs.

заметное уменьшение плотности ПД. Другая часть

Экспериментальные образцы выращивались ме-

(образцы C) содержала вставку InAs по достижению

тодом МПЭ на нелегированных подложках GaAs

состава In_0.61Al_0.39As. Толщина вставок выбиралась

(001) с использованием установки RIBER 32P, обо-

равной 1 или 5 нм и не превышала критических зна-

рудованной стандартными эффузионными ячейками

чений для случая роста материала вставки на полу-

для всех источников, за исключением мышьяка. В

бесконечном слое указанных выше составов. Оценка

качестве источника мышьяка использовался крекин-

этих критических значений была проведена на ос-

говый клапанный источник VAC-500, функциониру-

новании результатов работ для близких по парамет-

ющий в режиме формирования потока молекул мы-

ру решетки систем InGaAs/GaAs [6, 7] и InAlAs/AlSb

шьяка As₄. Температура подложки измерялась ИК-

[8]. Следует отметить, что образцы со вставками в

пирометром, который предварительно калибровался

МБС толщиной 1 нм по своим структурным и оп-

по температуре перехода реконструкции поверхности

тическим свойствам практически не отличались от

от (2 × 4)As к c(4 × 4)As при остывании буферного

реперного образца, что свидетельствует, по нашему

слоя GaAs в потоке As₄, наблюдаемого in-situ с помо-

мнению, о малом уровне вводимых в МБС напряже-

щью дифракции быстрых отраженных электронов.

ний. Поэтому более детально исследовались образцы

Была получена серия структур

с 5нм вставками.

Активная область во всех образцах была оди-

InAs(Sb)/InGaAs/InAlAs/GaAs,

наковой и содержала ограничивающие барьеры

отличающихся между собой только конструкцией

In_0.75Al_0.25As толщиной по 200 нм каждый, между

МБС. В качестве реперного образца (образец A) ис-

которыми располагалась

8 нм-InAs/In_0.63Ga_0.37As

пользовалась гетероструктура, последовательность

КЯ с ультратонкой (∼ 1 монослой (МС)) вставкой

слоев которой приведена на рис. 1. В ней роль МБС

InSb (рис. 1). Формирование вставки InSb в InAs

выполнял слой переменного состава In_xAl_1-xAs с

осуществлялось путем выдержки поверхности InAs

корневым профилем изменения содержания In (x =

под потоком сурьмы. Состав и толщина упруго

= 0.05-0.87) по толщине структуры. Часть иссле-

растянутых барьеров In_0.63Ga_0.37As выбирались

Письма в ЖЭТФ том 109 вып. 5 - 6

2019

Влияние сильнонапряженных вставок GaAs и InAs в буферном слое InAlAs. . .

383

Рис. 2. Светлопольные ПЭМ-изображения в геометрии поперечного сечения структуры активной области и верхней

части МБС образцов A (a), B (b), C (c), а также нижней части МБС образца B (d)

таким образом, чтобы скомпенсировать напряжения

На рисунке 3 представлены спектры ФЛ иссле-

сжатия, генерируемые в КЯ InAs по отношению к

дованных структур, измеренные при температурах

барьерным слоям In_0.75Al_0.25As. Условия МПЭ роста

12 и 300 K. Как было показано нами ранее [2,10],

структур были аналогичны приведенным в работах

линия излучения с энергией E_InSb ∼ 0.4 эВ (12 K)

[2, 9], а высота обратной ступени выбиралась близ-

и E_InSb ∼ 0.35эВ (300K) соответствует излучатель-

кой к оптимальной [10]. Структурные исследования

ным переходам с электронных уровней размерного

проводились методом просвечивающей электронной

квантования в КЯ InAs на дырочные уровни в мо-

микроскопии (ПЭМ) с использованием микроскопа

нослойной вставке InSb. Еще одна линия излучения

Philips EM-420. Спектры фотоотражения (ФО) реги-

меньшей интенсивности с энергией E_InAlAs ∼ 0.8 эВ,

стрировались при комнатной температуре методом

присутствующая в спектре ФЛ (T = 12 K), соответ-

фотомодуляционной ИК фурье-спектроскопии с

ствует излучению из верхней узкозонной бездислока-

помощью экспериментальной установки на базе ИК

ционной области МБС с максимальным содержанием

фурье-спектрометра Vertex 80 [11]. Измерения ФЛ

In (x = 0.87) [10]. Как видно из рис. 3, интенсивность

проводились на той же установке с использованием

линии с энергией E_InSb в образце C почти на порядок

гелиевого криостата замкнутого цикла.

величины меньше по сравнению с образцами A и B,

Исследования методом ПЭМ поперечных сечений

как при T = 12 K, так и при T = 300 K. Это хорошо

образцов показали, что если в образцах A и B наблю-

коррелирует с высокой плотностью ПД в активной

дается в целом характерное для МБС распределение

области образца C, наблюдаемой в ПЭМ (рис.2с).

ПД по глубине структуры (рис.2a,b) и наличие верх-

Следует также отметить, что в образце B интенсив-

него бездислокационного участка МБС (так называ-

ность комнатной ФЛ с энергией E_InSb почти в 2 раза

емая “TD-free”-область), толщина которого в образце

превышает значение, измеренное в реперном образце

B (d_free = 0.21 мкм) несколько больше, чем в образ-

A (рис. 3b), в то время как при низких температурах

це A (d_free = 0.19 мкм), то в образце C данная “TD-

спектры ФЛ для образцов A и B практически не от-

free”-область полностью отсутствует. Кроме того, у

личаются между собой (рис. 3a).

последнего образца высокая плотность ПД наблюда-

Мы полагаем, что наблюдаемое увеличение ин-

ется не только в МБС, но и во всей активной области

тенсивности ФЛ при 300 K обусловлено большей ве-

(рис. 2c).

личиной энергии локализации дырок (E_loc) в InSb

Письма в ЖЭТФ том 109 вып. 5 - 6

2019

384

В.А.Соловьев, М.Ю.Чернов, О.С.Комков и др.

точную виртуальную подложку на уровне x ∼ 0.37

и приводящая к аккумуляции дополнительных сжи-

мающих напряжений в области InAlAs МБС, рас-

положенной непосредственно под слоем GaAs, ана-

логично [10]. Релаксация напряжений в верхней ча-

сти МБС происходит уже относительно этой про-

межуточной виртуальной подложки, что вследствие

меньшего рассогласования параметров решетки при-

водит к меньшей плотности ПД в активной области

и большей величине остаточных упругих напряже-

ний в верхней уширенной “TD-free” области образ-

ца B. Кроме того, поскольку ПД пронизывают все

слои активной области, степень релаксации каждого

из слоев в этом образце также уменьшается, приводя

к возрастанию в них величины упругих напряжений

независимо от их знака (сжатие/растяжение).

Была проведена теоретическая оценка влияния

упругих напряжений в исследуемых метаморфных

гетероструктурах на энергию локализации дырок в

КЯ InSb/InAs толщиной 1 МС. Сдвиги дна зоны про-

водимости, а также положения подзон тяжелых и

легких дырок, обусловленные напряжениями растя-

жения в слоях In_0.63Ga_0.37As и напряжениями сжа-

тия в InSb и InAs, рассчитывались по модели [12]

в предположении полубесконечных ненапряженных

барьеров In_0.75Al_0.25As. Расчет уровней размерно-

го квантования в ультратонкой вставке InSb и КЯ

InAs/InGaAs производился путем численного реше-

ния уравнения Шредингера. Проведенная оценка по-

казала, что учет упругих напряжений приводит к

сильному увеличению энергии локализации дырок в

Рис. 3. (Цветной онлайн) Спектры ФЛ исследованных

КЯ InSb/InAs с 85 до 125 мэВ.

структур, измеренные при температурах 12 K (a) и

Для экспериментальной оценки величины E_loc

300 K (b). Раздвоенный пик ФЛ при 300 К обусловлен

в исследованных образцах с КЯ InSb/InAs/InGaAs

в том числе поглощением паров воды (λ ∼ 3.4 мкм)

был использован метод фотомодуляционной ин-

фракрасной фурье-спектроскопии отражения,

вставке для образца B по сравнению с образцом A,

разработанный нами ранее [13] и апробированный

а также меньшей плотностью ПД в активной об-

недавно на многопериодных InSb/InAs структурах

ласти структуры B, на что косвенно указывает бо-

с InSb вставками суб- и сверхмонослойной толщи-

лее широкая область d_free (рис. 2b). Увеличение E_loc

ны [14]. Типичный для исследованных структур

может быть вызвано изменением баланса и величи-

InAs(Sb)/InGaAs/InAlAs/GaAs спектр ФО с ука-

ны упругих напряжений в активной области, воз-

занием характерных особенностей представлен в

никающих в результате введения в МБС образца

верхней части рис.4. Поскольку спектр ФО яв-

B сильно рассогласованного по параметру решетки

ляется дифференциальным, то для разделения

слоя GaAs. Действительно, в этом образце в ПЭМ-

близкорасположенных спектральных особенностей

изображении МБС наблюдалась область толщиной

был задействован метод, описанный в [15, 16]. На

∼ 100 нм с резко пониженной плотностью дислока-

преобразованном по этому методу спектре (ниж-

ций, расположенная непосредственно под вставкой

няя часть рис. 4) энергиям оптических переходов

GaAs (рис. 2d). Аналогия с “TD-free”-областью поз-

соответствуют максимумы. В таблице 1 приведены

воляет предположить, что тонкий слой GaAs работа-

значения энергий переходов в составной КЯ типа-

ет как эффективная обратная ступень (в отличие от

II InSb/InAs/In_0.63Ga_0.37As (E_InSb), в КЯ типа-I

результатов, полученных в [4]), создающая промежу-

InAs/In_0.63Ga_0.37As (E_InAs) и в слое In_0.63Ga_0.37As

Письма в ЖЭТФ том 109 вып. 5 - 6

2019

Влияние сильнонапряженных вставок GaAs и InAs в буферном слое InAlAs. . .

385

Таблица 1. Параметры энергетического спектра образцов,

определенные по спектрам ФО при 300 K

Образец E_InSb, эВ E_InAs, эВ E_InGaAs, эВ E_loc, эВ

0.357

0.498

0.552

0.141

0.351

0.503

0.537

0.152

0.363

0.472

0.565

0.109

Таким образом, введение в МБС тонкой (толщи-

ной 5 нм) сильнонапряженной вставки может приво-

дить как к снижению плотности ПД в активной обла-

сти гетероструктур InAs(Sb)/InGaAs/InAlAs/GaAs

(в случае вставки GaAs), так и к полному нару-

шению функции МБС как дислокационного филь-

тра, т.е. к резкому возрастанию плотности ПД и па-

дению на порядок величины интенсивности ФЛ (в

Рис. 4. (Цветной онлайн) Спектр ФО образца A, изме-

ренный при комнатной температуре (вверху) и резуль-

случае вставки InAs). Показано, что повышенные

тат его преобразования по [15, 16] (внизу). Вертикаль-

упругие напряжения в КЯ InSb/InAs/InGaAs, вы-

ными стрелками показаны энергии оптических перехо-

званные снижением плотности ПД при использова-

дов, определенные по преобразованному спектру

нии 5 нм вставки GaAs в МБС, приводят к увели-

чению энергии локализации дырок в InSb и почти

двукратному возрастанию интенсивности ФЛ из КЯ

InSb/InAs/InGaAs при комнатной температуре.

(E_InGaAs), полученные на основе измерений при

Работа выполнена при частичной поддержке

300 К, а также значения E_loc

= E_InAs - E_InSb.

Российского фонда фундаментальных исследований

Следует отметить, что наименьшее отличие экс-

(проект

#18-02-00950) с использованием обору-

периментальных значений E_InAs и E_InGaAs от их

дования ЦКП

“Материаловедение и диагностика

расчетных величин (0.41 эВ и 0.63 эВ, соответствен-

в передовых технологиях”, поддержанного Мини-

но) для случая ненапряженных слоев (степень

стерством образования и науки РФ (Соглашение

релаксации - 100 %) наблюдается в образце C, в

о предоставлении субсидии

#14.621.21.0007 id

котором по данным ПЭМ самая большая плотность

RFMEFI62114X0007).

ПД в активной области (рис.2с). Другими словами,

в нем имеет место максимальная степень релаксации

отдельных слоев. В этом же образце пик ФЛ от

1. Editorial, Nature Photon 6, 407 (2012).

МБС с энергией E_InAlAs смещен в длинноволновую

2. В. А. Соловьев, М. Ю. Чернов, Б. Я. Мельцер,

сторону по отношению к образцу A, что также

А. Н. Семенов, Я. В. Терентьев, Д.Д. Фирсов,

согласуется с меньшей величиной напряжений в

О. С. Комков, С. В. Иванов, Письма в ЖТФ 42(20),

образце C вследствие большей степени его релак-

33 (2016).

сации. С другой стороны, наибольшее расхождение

3. M. Yu. Chernov, O. S. Komkov, D. D. Firsov,

измеренных данных E_InAs и E_InGaAs с приведенны-

B. Ya. Meltser, A. N. Semenov, Ya. V. Terent’ev,

ми выше расчетными значениями получается для

P. N. Brunkov, A. A. Sitnikova, P. S. Kop’ev,

образца B (табл.1). Это свидетельствует о том, что

S. V. Ivanov, and V.A. Solov’ev, J. Crystal Growth.

в исследованной серии структур именно образец B

477, 97 (2017).

характеризуется минимальной степенью релаксации

4. Г. Б. Галиев, Е. А. Климов, А. Н. Клочков,

отдельных слоев и, соответственно, максимальными

Д. В. Лаврухин, С. С. Пушкарев, П.П. Мальцев,

значениями упругих напряжений в них. Как и

ФТП 48(5), 658 (2014).

предполагалось, значение E_loc для образца B оказа-

5. V. N. Jmerik, D. V. Nechaev, S. Rouvimov,

лось несколько большим по сравнению с образцом

V. V. Ratnikov, P. S. Kop’ev, M. V. Rzheutski,

A. Сдвиг в коротковолновую сторону пика ФЛ с

E. V. Lutsenko, G. P. Yablonskii, M. Aljohenii,

энергией E_InAlAs (рис. 3a) также свидетельствует об

A. Aljerwii, A. Alyamani, and S.V. Ivanov, Journal of

увеличении напряжений сжатия в верхней бездисло-

Materials Research 30(19), 2871 (2015).

кационной области МБС образца B по сравнению с

6. J. Zou, D. J. H. Cockayne, and B. F. Usher, J. Appl.

образцом A.

Phys. 73, 619 (1993).

Письма в ЖЭТФ том 109 вып. 5 - 6

2019