Жидкофазная эпитаксия и свойства наногетероструктур на основе соединений III—V

Жидкофазная эпитаксия и свойства наногетероструктур на основе соединений III—V

Авторы описывают получение наногетероструктур с квантовыми точками в процессе жидкофазной эпитаксии при импульсном охлаждении и нагревании подложки. Приведены экспериментальные результаты по выращиванию гетероструктур на основе GaAs и GaP с квантовыми точками Ge, InAs, GaInAs, GeSi, Yb и исследовани...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Veröffentlicht in:Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Datum:2012
Hauptverfasser: Марончук, И.Е., Кулюткина, Т.Ф., Марончук, И.И., Быковский, С.Ю.
Format: Artikel
Sprache:Russian
Veröffentlicht: Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України 2012
Online Zugang:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/75213
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:Жидкофазная эпитаксия и свойства наногетероструктур на основе соединений III—V / И.Е. Марончук, Т.Ф. Кулюткина, И.И. Марончук, С.Ю. Быковский // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2012. — Т. 10, № 1. — С. 77-88. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-75213
record_format dspace
spelling Марончук, И.Е.
Кулюткина, Т.Ф.
Марончук, И.И.
Быковский, С.Ю.
2015-01-27T17:35:53Z
2015-01-27T17:35:53Z
2012
Жидкофазная эпитаксия и свойства наногетероструктур на основе соединений III—V / И.Е. Марончук, Т.Ф. Кулюткина, И.И. Марончук, С.Ю. Быковский // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2012. — Т. 10, № 1. — С. 77-88. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.
1816-5230
PACS numbers: 68.37.Ps, 68.65.Hb, 78.55.Cr, 78.67.Hc, 81.07.Ta, 81.15.Lm, 84.60.Jt
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/75213
Авторы описывают получение наногетероструктур с квантовыми точками в процессе жидкофазной эпитаксии при импульсном охлаждении и нагревании подложки. Приведены экспериментальные результаты по выращиванию гетероструктур на основе GaAs и GaP с квантовыми точками Ge, InAs, GaInAs, GeSi, Yb и исследованию их характеристик с помощью атомносиловой микроскопии и фотолюминесценции.
Автори описують одержання наногетероструктур з квантовими точками в процесі рідкофазної епітаксії при імпульсному охолодженні та нагріванні підложжя. Наведено експериментальні результати з вирощування гетероструктур на основі GaAs та GaP з квантовими точками Ge, InAs, GaInAs, GeSi, Yb і дослідження їх характеристик за допомогою атомово-силової мікроскопії та фотолюмінесценції.
The authors describe the fabrication of nanoheterostructures with quantum dots during the liquid-phase epitaxy by means of the method of pulse cooling and heating of a substrate. The experimental results for heterostructures grown on the base of GaAs and GaP with Ge, InAs, GaInAs, GeSi, Yb quantum dots and their parameters obtained using the atomic force microscopy and by the method of photoluminescence-spectra analysis are presented.
ru
Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Жидкофазная эпитаксия и свойства наногетероструктур на основе соединений III—V
Article
published earlier
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
title Жидкофазная эпитаксия и свойства наногетероструктур на основе соединений III—V
spellingShingle Жидкофазная эпитаксия и свойства наногетероструктур на основе соединений III—V
Марончук, И.Е.
Кулюткина, Т.Ф.
Марончук, И.И.
Быковский, С.Ю.
title_short Жидкофазная эпитаксия и свойства наногетероструктур на основе соединений III—V
title_full Жидкофазная эпитаксия и свойства наногетероструктур на основе соединений III—V
title_fullStr Жидкофазная эпитаксия и свойства наногетероструктур на основе соединений III—V
title_full_unstemmed Жидкофазная эпитаксия и свойства наногетероструктур на основе соединений III—V
title_sort жидкофазная эпитаксия и свойства наногетероструктур на основе соединений iii—v
author Марончук, И.Е.
Кулюткина, Т.Ф.
Марончук, И.И.
Быковский, С.Ю.
author_facet Марончук, И.Е.
Кулюткина, Т.Ф.
Марончук, И.И.
Быковский, С.Ю.
publishDate 2012
language Russian
container_title Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
publisher Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
format Article
description Авторы описывают получение наногетероструктур с квантовыми точками в процессе жидкофазной эпитаксии при импульсном охлаждении и нагревании подложки. Приведены экспериментальные результаты по выращиванию гетероструктур на основе GaAs и GaP с квантовыми точками Ge, InAs, GaInAs, GeSi, Yb и исследованию их характеристик с помощью атомносиловой микроскопии и фотолюминесценции. Автори описують одержання наногетероструктур з квантовими точками в процесі рідкофазної епітаксії при імпульсному охолодженні та нагріванні підложжя. Наведено експериментальні результати з вирощування гетероструктур на основі GaAs та GaP з квантовими точками Ge, InAs, GaInAs, GeSi, Yb і дослідження їх характеристик за допомогою атомово-силової мікроскопії та фотолюмінесценції. The authors describe the fabrication of nanoheterostructures with quantum dots during the liquid-phase epitaxy by means of the method of pulse cooling and heating of a substrate. The experimental results for heterostructures grown on the base of GaAs and GaP with Ge, InAs, GaInAs, GeSi, Yb quantum dots and their parameters obtained using the atomic force microscopy and by the method of photoluminescence-spectra analysis are presented.
issn 1816-5230
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/75213
citation_txt Жидкофазная эпитаксия и свойства наногетероструктур на основе соединений III—V / И.Е. Марончук, Т.Ф. Кулюткина, И.И. Марончук, С.Ю. Быковский // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2012. — Т. 10, № 1. — С. 77-88. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.
work_keys_str_mv AT marončukie židkofaznaâépitaksiâisvoistvananogeterostrukturnaosnovesoedineniiiiiv
AT kulûtkinatf židkofaznaâépitaksiâisvoistvananogeterostrukturnaosnovesoedineniiiiiv
AT marončukii židkofaznaâépitaksiâisvoistvananogeterostrukturnaosnovesoedineniiiiiv
AT bykovskiisû židkofaznaâépitaksiâisvoistvananogeterostrukturnaosnovesoedineniiiiiv
first_indexed 2025-11-27T05:31:32Z
last_indexed 2025-11-27T05:31:32Z
_version_ 1850802087138426880
fulltext 77 PACS numbers: 68.37.Ps, 68.65.Hb,78.55.Cr,78.67.Hc,81.07.Ta,81.15.Lm, 84.60.Jt Жидкофазная эпитаксия и свойства наногетероструктур на основе соединений III—V И. Е. Марончук, Т. Ф. Кулюткина, И. И. Марончук, С. Ю. Быковский Севастопольский национальный университет ядерной энергии и промышленности, ул. Курчатова, 7, 99015 Севастополь, Украина Авторы описывают получение наногетероструктур с квантовыми точками в процессе жидкофазной эпитаксии при импульсном охлаждении и нагрева- нии подложки. Приведены экспериментальные результаты по выращива- нию гетероструктур на основе GaAs и GaP с квантовыми точками Ge, InAs, GaInAs, GeSi, Yb и исследованию их характеристик с помощью атомно- силовой микроскопии и фотолюминесценции. Автори описують одержання наногетероструктур з квантовими точками в процесі рідкофазної епітаксії при імпульсному охолодженні та нагріванні підложжя. Наведено експериментальні результати з вирощування гетерос- труктур на основі GaAs та GaP з квантовими точками Ge, InAs, GaInAs, GeSi, Yb і дослідження їх характеристик за допомогою атомово-силової мі- кроскопії та фотолюмінесценції. The authors describe the fabrication of nanoheterostructures with quantum dots during the liquid-phase epitaxy by means of the method of pulse cooling and heating of a substrate. The experimental results for heterostructures grown on the base of GaAs and GaP with Ge, InAs, GaInAs, GeSi, Yb quantum dots and their parameters obtained using the atomic force microscopy and by the method of photoluminescence-spectra analysis are presented. Ключевые слова: наногетероэпитаксиальные структуры, квантовые точки, жидкофазная эпитаксия, импульсное охлаждение и нагревание подложки. (Получено 19 октября 2010 г.; после доработки – 30 марта 2012 г.) 1. ВВЕДЕНИЕ Полупроводниковые наногетероэпитаксиальные структуры с кван- Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies 2012, т. 10, № 1, сс. 77—88 © 2012 ІМФ (Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України) Надруковано в Україні. Фотокопіювання дозволено тільки відповідно до ліцензії 78 И. Е. МАРОНЧУК, Т. Ф. КУЛЮТКИНА, И. И. МАРОНЧУК, С. Ю. БЫКОВСКИЙ товыми точками (НГЭС КТ) привлекают все большее внимание ис- следователей в связи с перспективами создания на их основе новых поколений существующих приборов, например, солнечных батарей 3-го поколения с эффективностью свыше 50% [1], а также приборов наноэлектроники. В настоящее время такие гетероструктуры получают из газовой фазы методами молекулярно-лучевой эпитаксией или МОС – гид- ридной технологией по механизму Странского—Крастанова при ис- пользовании подложек с постоянной решетки, существенно отли- чающейся от постоянной решетки материала квантовой точки [2]. К существенным недостаткам НГЭС КТ, получаемыми этими техно- логиями, относится образование в них высокого уровня генераци- онно-рекомбинационных токов. Они обусловлены наличием части «смачивающего» слоя между КТ в каждом выращенном массиве КТ [3], удаление которых в этих технологиях не представляется воз- можным. В этой связи привлекательным для получения НГЭС КТ стано- вится процесс жидкофазной эпитаксии с использованием импульс- ного охлаждения подложки, который, в принципе, позволяет полу- чать НГЭС КТ, не содержащие «смачиваемых» слоев между КТ [4]. Целью настоящей работы является анализ особенностей форми- рования квантовых точек при кристаллизации в процессе жидко- фазной эпитаксии методом импульсного охлаждения и нагревания подложки и экспериментальное исследование параметров получен- ных в этом процессе многослойных эпитаксиальных p—n-нано- структур на основе GaAs и GaP, содержащих массивы квантовых точек InAs и Ge. 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Выращивание НГЭС КТ осуществлялось в процессе жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) методом импульсного охлаждения и нагревания подложки (ИОНП). Суть используемого метода ЖФЭ ИОНП состоит в том, что на тыльную поверхность подложки, которая находится ли- цевой поверхностью в контакте с насыщенным раствором-расплавом при данной температуре Т, помещается теплопоглотитель, темпера- тура которого Тп меньше температуры подложки на величину ΔТ = Т − Тп. Через некоторое время τ ≈ 10 −3—10 −1 сек, определяющее длительность импульса охлаждения подложки, теплопоглотитель принимает температуру подложки. За время τ на лицевой поверхно- сти подложки происходит кристаллизация нанослоя или массива КТ. В связи с различием постоянных решеток материала КТ и мате- риала, на поверхности которого наращиваются массивы КТ, в начальной стадии формируется сплошной «смачивающий» слой по механизму Странского—Крастанова. С ростом толщины в нем воз- ЖИДКОФАЗНАЯ ЭПИТАКСИЯ И СВОЙСТВА НАНОГЕТЕРОСТРУКТУР 79 никают периодически механические напряжения с максимумами в середине периода нониуса совершенного строения на гетерограни- це. В процессе дальнейшего роста осуществляются формирования КТ в местах минимальных механических напряжений, т.е. в пози- циях нониуса совершенного строения [5]. Плотность КТ при опти- мальных режимах кристаллизации лимитируется, в основном, пе- риодом нониуса совершенного строения на гетерогранице. Движущей силой процесса кристаллизации является разность химических потенциалов атомов кристаллизуемого вещества в жидкой (μL) и твердой (μS) фазах. Так как постоянная решетки ма- териала квантовой точки a2 существенно отличается от постоянной решетки материала подложки a1, то на гетерогранице с подложкой при формировании КТ возникают сдвиговые механические напря- жения. Эти механические напряжения, могут быть выражены че- рез упругую энергию U(х), приходящуюся на один атом квантовой точки с координатой х, где 0 ≤ x ≤ d/2, d – диаметр основания квантовой точки. Тогда разность химических потенциалов будет определяться выражением: ( ) ( )ST L S U x U xΔμ = μ − μ − = Δμ − . (1) При U > Δμ процесс кристаллизации сменяется на процесс рас- творения, так как ΔμST становится отрицательной величиной. Ра- венство U = Δμ определяет максимально допустимые механические напряжения в квантовой точке. В предположении, что модуль сдвига G и постоянные решетки а1, а2 не зависят от температуры, максимальное значение диаметра основания (d), зарождающейся квантовой точки, при данных условиях выращивания может быть определено из выражения 2 d U   = Δμ    в виде [6]: 1 2 1 2 2 1 2 ( ) 2 . ( ) Sa a a a N d G a a Δμ + = − (2) Так как зародыши, образующиеся на поверхности подложки, представляют собой сферические сегменты, радиус кривизны кото- рых соответствует радиусу гомогенного критического зародыша, об- разованного в жидкой фазе при тех же условиях кристаллизации, то расчет радиуса кривизны зародыша осуществляется по выражению: * 0 2 , ln M r C RT C σ= ρ (3) где R – универсальная газовая постоянная; ρ, М – плотность и мо- 80 И. Е. МАРОНЧУК, Т. Ф. КУЛЮТКИНА, И. И. МАРОНЧУК, С. Ю. БЫКОВСКИЙ лярная масса вещества зародыша; C, C0 – концентрации InAs, Ge в пересыщенном и равновесном растворах соответственно; NS – чис- ло атомов на единице поверхности; σ – межфазная поверхностная энергия в жидкой фазе. Тогда высота h * гетерогенного зародыша КТ будет определяться выражением: 2 2 1 1 . (2 ) d h r r ∗ ∗ ∗    = − −      (4) В процессе роста зародыша КТ происходит увеличение механиче- ских напряжений в слое материала КТ, прилегающего к гетерогра- нице, до значений, соответствующих упругим постоянным объем- ного InAs и Ge. Из-за того, что напряжения в КТ имеют градиент, направленный по нормали к плоскости подложки, у основания КТ при μST < 0 образуется криволинейный фронт травления боковой по- верхности КТ. Это в свою очередь изменяет условие локального равновесия фаз вблизи гетерограницы по сравнению с плоским фронтом травления. Данное изменение описывается уравнением Гиббса—Томсона: 1 1 1 2 ( ) T r r− −Δμ = Ωσ + , (5) где Ω – удельный объем кристаллической фазы; r1, r2 – главные радиусы кривизны поверхности раздела. Таким образом, если в начальной стадии формирования массивов квантовых точек происходит образование механически напряжен- ного «смачивающего» слоя, то при релаксации импульса охлажде- ния «смачивающий» слой в промежутке между КТ частично рас- творяется. Диаметр оснований КТ при этом будет определяться вы- ражением: 1 2 1 2 2 1 2 ( )( ) 2 . ( ) T Sa a a a N d G a a Δμ + Δμ + = − (6) Последующее «доращивание» зародыша осуществляется путем его нормального роста в течение длительности импульса охлажде- ния τ. Учитывая, что скорость роста υ сферического зародыша при изотермическом распаде пересыщенного раствора определяется со- отношением Френкеля [7]: 0 ( ) V dr D a C C dt N r r  υ = = − −   , (7) где 0 2 MC a RT σ = ρ ; NV – количество атомов в единице объема материа- ЖИДКОФАЗНАЯ ЭПИТАКСИЯ И СВОЙСТВА НАНОГЕТЕРОСТРУКТУР 81 ла квантовой точки, то используя усредненные по длительности импульса значения переохлаждения и концентрации растворенно- го вещества, можно определить высоту КТ, в зависимости от дли- тельности импульса охлаждения, из выражения: ( )* 2 0 2 ( ) . 5 V D h h C C N = + − τ (8) Технология изготовления НГЭС КТ включает выращивание мас- сива КТ из узкозонного материала с поверхностной плотностью до 1012 см −2 на монокристаллической подложке широкозонного мат- ричного материала, при температуре печи 450—500°С в атмосфере очищенного водорода. Выращивание массива КТ завершается тогда, когда теплопогло- титель примет температуру подложки. Затем теплопоглотитель удаляется, и на тыльную поверхность подложки помещается теп- лонагреватель, температура которого Тнг, выше температуры под- ложки Т на величину ΔТнг = Тнг − Т. Импульс нагрева ΔТнг приводит к растворению на лицевой поверхности части наноразмерного «смачивающего» слоя между КТ, величина которой δс = р − d, где р – расстояние между центрами оснований КТ, d – диаметр основа- ния КТ, определяемый выражением (6). Расстояние p между сосед- ними квантовыми точками зависит от постоянных решеток а1 мате- риала КТ и а2 материала спейсерного слоя и определяется с помо- щью выражения: = − 1 2 1 2 . a a p a a (9) Эксперимент показывает, что для удаления части смачивающего слоя, создающего большие рекомбинационно-генерационные токи, амплитуда и длительность импульса тепла должна составлять 0,3— 0,7 части величины амплитуды и длительности импульса холода. Удаление части «смачивающего» слоя позволяет в наногетерострук- турах с квантовыми точками существенно снизить генерационно- рекомбинационные токи и получить массивы квантовых точек с па- раметрами близкими к «идеальным». Параметры структур с «иде- альными» квантовыми точками близки к параметрам структур с квантовыми точками, полученными из теоретических расчетов. Импульс тепла ΔТнг не только позволяет удалять часть «смачи- вающего» слоя, но и ликвидирует островки из сросшихся кванто- вых точек. То есть растворяет области соединения квантовых точек в островках, где содержатся дислокации несоответствия, отделяя квантовые точки друг от друга, а также способствует получению квантовых точек с меньшим разбросом их размеров. Процесс удаления части «смачивающего» слоя между КТ завер- 82 И. Е. МАРОНЧУК, Т. Ф. КУЛЮТКИНА, И. И. МАРОНЧУК, С. Ю. БЫКОВСКИЙ шается, когда температура теплонагревателя станет равной темпе- ратуре подложки. Затем массив КТ заращивается наноразмерным слоем матричного материала (спейсерным слоем). Спейсерные слои выращиваются толщиной, которая обеспечива- ет туннельный переход носителей заряда от КТ одного массива, расположенного параллельно поверхности подложки, к КТ другого массива, т.е. по вертикально-связанным КТ. Расположение сверх- решеток с вертикально-связанными КТ в области p—n-перехода, приводит к разделению электростатическим полем p—n-перехода генерируемых в КТ носителей заряда. Многократное последовательное повторение стадий выращива- ния массивов КТ, заращенных спейсерными слоями различного типа проводимости, позволяет сформировать многослойную p—n- НГЭС КТ. В качестве матричного материала использовались широ- козонные полупроводники III—V (GaAs, GaP), а для получения квантовых точек – узкозонные полупроводники (InAs и Ge). 3. СВОЙСТВА НГЭС КТ И РЕЗУЛЬТАТЫ АСМ-изображения не заращенных массивов КТ InAs, выращенных Рис. 1. АСМ-изображения незаращенных массивов КТ InAs, выращенных на подложках GaAs с ориентацией поверхности (100). ЖИДКОФАЗНАЯ ЭПИТАКСИЯ И СВОЙСТВА НАНОГЕТЕРОСТРУКТУР 83 на подложках GaAs с ориентацией поверхности (100) представлены на рис. 1, где также показан разброс квантовых точек по высоте. В спектрах фотолюминесценции (ФЛ) этих слоев наблюдалась харак- терная полоса излучения, энергия максимума которой соответство- вала среднему размеру КТ, полученному из АСМ-изображения. На рисунке 2 схематически изображены НГЭС КТ I и II типа, вы- ращенные на поверхности (111) пластин n-GaAs и n-GaP, соответ- ственно. На противоположной стороне пластины GaP были выра- щены n—p-структуры GaP по технологии изготовления светодиодов красного цвета свечения. НГЭС КТ включали: буферный слой (GaAs, GaP), легированный Sn, сверхрешетки n- и p-типа, состоящие из массивов КТ, разделен- ных спейсерными слоями n-типа GaAs и спейсерными слоями n- типа GaP (легированные Te) и массивов КТ, разделенных спейсер- ными слоями p-типа GaAs и спейсерными слоями p-типа GaP (леги- рованные Zn). Между этими сверхрешетками располагаются: слой n-типа (GaAs или GaP) толщиной 20 нм, прилегающий к сверхрешетке n-типа; Рис. 2. Схема НГЭС КТ I—II типов. 84 И. Е. МАРОНЧУК, Т. Ф. КУЛЮТКИНА, И. И. МАРОНЧУК, С. Ю. БЫКОВСКИЙ слой p-типа (GaAs или GaP) толщиной 20 нм, прилегающий к сверхрешетке p-типа; слой p-типа (GaAs или GaP) толщиной 80 нм. НГЭС I типа включали КТ из InAs, а НГЭС II типа – КТ из Ge. Спектр фотолюминесценции НГЭС I типа (рис. 3), полученный при возбуждении лазерным излучением с длиной волны λ = 5145 Å имел широкую полосу излучения с максимумом λ = 9620 Å, анализ которой, в сопоставлении с данными работы [8], свидетельствовал о люминесценции массивов квантовых точек InAs. На рисунке 4 представлены спектры ФЛ НГЭС II типа, содержа- щие КТ Ge при возбуждении лазерным излучением с λ = 4880 Å. На этих спектрах наблюдается широкая полоса с максимумом 1,5 эВ, которая по амплитуде была в 2 раза больше, чем максимум полосы ФЛ p—n-структуры GaP, выращенной на тыльной стороне этой же подложки. При возбуждении лазерным излучением с λ = 5145 Å Рис. 3. Спектр фотолюминесценции НГЭС I типа, полученный при возбуж- дении лазерным излучением с длиной волны λ = 5145 Å. а б Рис. 4. Спектры фотолюминесценции НГЭС КТ на подложке GaP с кванто- выми точками германия. ЖИДКОФАЗНАЯ ЭПИТАКСИЯ И СВОЙСТВА НАНОГЕТЕРОСТРУКТУР 85 этой же структуры, максимум излучения ФЛ в области КТ Ge был меньше, чем максимум ФЛ p—n GaP. Наблюдаемая зависимость интенсивности ФЛ этой полосы от энер- гии фотонов возбуждающего излучения, объясняется эффектом экси- тонного дробления высокоэнергетичных квантов жесткого излуче- ния, когда квантовая точка может генерировать две и более электрон- но-дырочные пары, если энергия фотона превышает в 2 и более раз энергию образования электронно-дырочной пары (эффект Нозика). На рисунке 5 представлены спектры ФЛ, полученные при Т = 77 К, Т = 300 К и λ = 4880 Å НГЭС II типа, которая отличалась тем, что КТ Ge находились в области p—n-перехода, т.е. между массивами КТ Ge, заращенными спейсерными слоями соответственно n- и p- типа GaP, отсутствовали слои n- и p-типа GaP, не содержащие КТ. Из сопоставления спектров, представленных на рис. 4 и рис. 5 при Т = 300 К, видно, что наличие КТ в области p—n-перехода при- водит к уменьшению излучательной рекомбинации. Уменьшение энергии пиков ФЛ КТ узкозонного материала воз- можно при увеличении линейных размеров КТ, в основном, путем использования твердых растворов. Так вместо КТ Ge использование твердого раствора Ge1−хSix с увеличением х приводит к линейному увеличению размеров КТ, а, стало быть, к уменьшению энергии пи- ков ФЛ, связанных с излучением КТ. Однако диапазон изменений энергии излучения оказывается незначительным. И в этой связи рассматривалась возможность выращивания КТ из переходных ме- таллов, в частности, из иттербия (Yb). На рисунке 6 представлен спектр НГЭС, полученной на подлож- ке GaAs с КТ из Yb, покрытых спейсерными слоями GaAs. Полосы ФЛ с энергией 0,97 эВ и 0,8 эВ связаны с образованием КТ иттер- бия, а полоса с энергией 1,39 эВ обусловлена GaAs. В связи с тем, что постоянная решетки иттербия незначительно отличается от по- Рис. 5. Спектры фотолюминесценции НГЭС КТ на подложке GaP с кванто- выми точками германия. 86 И. Е. МАРОНЧУК, Т. Ф. КУЛЮТКИНА, И. И. МАРОНЧУК, С. Ю. БЫКОВСКИЙ стоянных решеток Si и GaP были выполнены предварительные ис- следования по выращиванию НГЭС на основе GaP на подложке Si с буферным слоем из иттербия. На рисунке 7 представлена нагрузочная характеристика солнеч- ного элемента, изготовленного на основе НГЭС, содержащей р—n- структуру кремния внутри р—n-перехода GaP. НГЭС структура из- готавливалась следующим образом: сначала на подложке GaP n- типа наращивался буферный слой GaP толщиной ≅ 15 нм, затем n- тип Si толщиной ≅ 60 нм и p-тип Si, легированный Ga, толщиной ≅ 80 нм, на поверхности которого выращивался слой p-GaP, легиро- Рис. 6. Спектры фотолюминесценции НГЭС КТ на подложке GaAs с кван- товыми точками иттербия. Рис. 7. Нагрузочная ВАХ солнечного элемента НГЭС IV типа ЖИДКОФАЗНАЯ ЭПИТАКСИЯ И СВОЙСТВА НАНОГЕТЕРОСТРУКТУР 87 ванный Zn, толщиной ≅ 60 нм. Как следует из рис. 7, солнечный элемент имел высокое шунти- рующее сопротивление R ≅ 2,510⋅10 +8 Ом. Такое большое сопротив- ление связано с наличием разрыва зон ≈ 1,1 эВ на гетерогранице ва- лентной зоны pSi—pGaP [9]. Размещение нанослоя Yb на этой гете- рогранице, т.е. изготовление структуры pSi—Yb—pGaP позволяет избавиться от высокого шунтирующего сопротивления на границе pSi—pGaP. И тем самым открывает возможность создания НГЭС на основе GaP на дешевых кремниевых подложках. 4. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ Совпадение энергии максимумов фотолюминесценции НГЭС КТ I и II типов обусловлено различием рассогласования постоянных решеток GaAs—InAs (≈ 6,9%) и GaP—Ge (3,7%), которое приводит к формиро- ванию соответственно КТ с размерами d ≤ 9 нм для InAs и d ≤ 13 нм для Ge. Это подтверждается расчетом энергетического спектра носи- телей заряда в квантовых точках InAs и Ge, ограниченных GaAs и GaP соответственно, выполненным в приближении эффективной массы при решении уравнения Шредингера, 2 2 2 0 * 2 arctg 1 2 n n U E n Em d  π= − −      , (10) где En – энергия минизон с квантовым числом n, отсчитанная от дна зоны проводимости (для электронов) или потолка валентной зоны (для дырок); U0 – потенциальные барьеры для носителей; d – ширина ям; m * – эффективная масса носителей заряда. Полученные значения энергии для КТ InAs и Ge вышеуказанных размеров сопоставимы с энергией пиков ФЛ квантовых точек, пред- ставленных на рис. 3 и рис. 4. Незначительное изменение энергети- ческого положение максимумов ФЛ в интервале температур Т = 300—77 К, наблюдаемое на рис. 5, соответствует характеру тем- пературной зависимости энергетического спектра квантовых точек. Из спектров, представленных на рис. 4 и рис. 5, также следует, что отсутствие КТ в области p—n-перехода уменьшает безызлуча- тельную рекомбинацию неравновесных носителей зарядов и для создания высокоэффективных солнечных элементов необходимо создавать массивы КТ в объеме p- и n-областей, но не в центральной части обедненного слоя p—n-перехода. 5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Метод импульсного охлаждения и нагревания подложки в процессе 88 И. Е. МАРОНЧУК, Т. Ф. КУЛЮТКИНА, И. И. МАРОНЧУК, С. Ю. БЫКОВСКИЙ жидкофазной эпитаксии из растворов-расплавов позволяет полу- чать массивы КТ, не содержащие «смачивающих» слоев в проме- жутках между КТ. Для уменьшения безызлучательной рекомбинации в многослой- ных p—n-наногетероэпитаксиальных структурах необходимо созда- вать массивы КТ в объеме p- и n-областей, но не в центральной ча- сти обедненного слоя p—n-перехода. ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. L. Cuadra, A. Marti, and N. Lopez, 3 rd World Conference on Photovoltaic Ener- gy Conversion (May 11—18, 2003, Osaka, Japan), PCD IPL-B2-01. 2. Н. Н. Леденцов, В. М. Устинов, В. А. Щукин, П. С. Копьев, Ж. И. Алферов, Д. Бимберг, ФТП, 32, № 4: 385 (1998). 3. A. G. Norman, M. C. Hanna, P. Dippo, D. H. Levi, R. C. Reedy, J. S. Ward, and M. M. Al-Jassim, The 31 IEEE Photovoltaic Specialists Conference and Exhibi- tion (January 3—7, 2005, Lake Buena Vista, Florida), NREL/CP-520-37405. 4. Т. Ф. Кулюткина, И. Е. Марончук, А. В. Шорохов, Письма в ЖТФ, 21, № 20: 1 (1995). 5. В. Г. Дубровский, Теория формирования эпитаксиальных структур (Москва: Физматлит: 2009). 6. И. Е. Марончук, А. И. Марончук, Т. Ф. Кулюткина, М. В. Найденкова, И. В. Чорный, Поверхность, рентгеновские, синхротронные и нейтронные ис- следования, № 12: 97 (2005). 7. Я. И. Френкель, Введение в теорию металлов (Ленинград: Наука: 1972). 8. E. Cánovas, A. Martí, and D. Fuertes, Proc. of 23rd European Photovoltaic Solar Energy Conference (1—5 September, Valencia, Spain: 2008), 1CV.1.21. 9. I. Sakato and H. Kawanami, Applied Physics Express, 1: 091201 (2008).

Ähnliche Einträge