Elektronika 2011-10 I.pdf - Instytut Systemów Elektronicznych ...

Optyczne właściwości supersieci GaAs/AlGaAs badaneza pomocą spektroskopii modulacyjnejmgr inż. Filip Janiak, dr inż. Marcin Motyka, dr inż. Grzegorz Sęk,dr inż. Krzysztof Ryczko, prof. dr hab. Jan MisiewiczPolitechnika Wrocławska, Instytut Fizykidr Kamil Kosiel, prof. dr hab. Maciej BugajskiInstytut Technologii Elektronowej, WarszawaWażnym źródłem promieniowania w zakresie średniej i dalekiejpodczerwieni są lasery kaskadowe [1]. Wytwarzane są one częstow oparciu o supersieci AlGaAs/GaAs [2, 3]. Znajdują zastosowaniew wielu dyscyplinach życia: w medycynie, spektroskopiiczy detekcji szkodliwych gazów. Ze względu na skomplikowaną,wielomodułową budowę obszaru aktywnego lasery te wymagająbardzo dużej precyzji wykonania, w szczególności jeśli chodzi ogrubości oraz składy poszczególnych warstw (barier oraz studnikwantowych) [4], jak również koncentracji nośników [5]. Ponadtoz technologicznego punktu widzenia, niezbędne jest badanie powtarzalnościprocesu wytwarzania struktur.Spektroskopia modulacyjna [6–11] jest metodą pomiarowącharakteryzującą się dużą czułością pozwalającą zdobywać informacjeo przejściach optycznych, a w rezultacie o strukturzeenergetycznej badanych obiektów. W szczególności metoda taw połączeniu z obliczeniami struktury pasmowej badanych próbekpozwala na wyznaczenie wielu istotnych parametrów strukturpółprzewodnikowych, takich jak: przerwy energetyczne,masy nośników, nieciągłości pasm, grubości i składy warstwtworzących strukturę [12, 13]. Ponadto takie podejście pozwalanp. na wyznaczenie wielkości wbudowanych pól elektrycznych[14], możliwość uzyskania informacji na temat położenia poziomuFermiego w strukturze [15]. W badaniach do wyznaczeniaoptycznych właściwości supersieci GaAs/AlGaAs zastosowaliśmyjedną z metod spektroskopii modulacyjnej - fotoodbicie PR(ang. Photoreflectance). Badania wykonano dla serii próbek oróżnej grubości warstw studni jak i warstw barier, celem potwierdzeniazałożonych w procesie wzrostu parametrów struktury.Ponadto wykonano serię pomiarów PR, które miały wykazaćz jednej strony jednorodność badanych struktur w obszarzepłytki epitaksjalnej, z drugiej strony powtarzalność procesówtechnologicznych.EksperymentSupersieciowe struktury testowe wykonano z zastosowaniemtechnologii epitaksji z wiązek molekularnych MBE (ang. MolecularBeam Epitaxy) w urządzeniu Riber Compact 21T, używającstałych źródeł pierwiastkowych SS (ang. Solid Sources).Wiązki molekularne pierwiastków grupy III były emitowane zestandardowych komórek efuzyjnych ABN 80 DF (Double Filament),z zastosowaniem ultraczystych metali Al 6,5N i Ga 7N.Arsen emitowany był w postaci molekuł As 4, z komórki krakingowejz zaworem. Heterostruktury osadzono na podłożachGaAs-n+, o nominalnej orientacji krystalograficznej (100). Temperaturępowierzchni kryształu (T s) podczas wzrostu strukturkontrolowano za pomocą pirometru, utrzymując stałą wartość630°C. Obszar aktywny osadzano w sposób ciągły, tzn. bez zatrzymywaniawzrostu pomiędzy epitaksją poszczególnych warstwmateriału. Komórka Al generowała strumień molekularny pozwalającyuzyskać szybkość wzrostu AlAs równą V AlAs= 0,39 ML/s.Strumień molekularny galu odpowiadał stałej szybkości wzrostuV GaAs= GaAs (0,5 ML/s). Do badań wybrano struktury „A” i„B”– supersieci GaAs/Al 0.45Ga 0.55As o grubości warstwy barieryd = 2,8 nm otrzymane w dwóch niezależnych procesach wzrostu,oraz próbki C,D i E o zmiennych grubościach warstw. Dane tezostały zamieszczone w tabeli.46Szerokości warstw w poszczególnych badanych próbkachPróbkaPomiary fotoodbicia zostały przeprowadzone w tzw. ciemnejkonfiguracji. Jako źródło światła próbkującego użyto światłamonochromatycznego (oświetlacz halogenowy plus monochromator),natomiast czynnikiem modulującym w strukturach wewnętrznewbudowane pole elektryczne była wiązka laserowaharmonicznej lasera Nd:YAG (512 nm). Do detekcji zastosowanodiodę krzemową.WynikiSzerokość barieryAl 0.45Ga 0.55AsSzerokość studniGaAsA 2,8 nm 5,4 nmB 2,8 nm 5,4 nmC 4,6 nm 8,1 nmD 4,6 nm 5,4 nmE 1,1 nm 8,1 nmNa rysunku 1 przedstawiono widma fotoodbicia z temperatury pokojowejdla obu badanych próbek A i B czyli dla supersieci GaAs/Al 0.45Ga 0.55As o grubości warstwy bariery d = 2,8 nm. Na obu widmachobserwujemy linie fotoodbiciowe związane z przerwą wzbronionąw GaAs (przy energii 1,42 eV) oraz linie spektralne związanez przejściami optycznymi w obszarze supersieci (wielokrotnej studnikwantowej). Silniejszy rezonans (przy energii 1,529 eV oznaczonyjako H1e1) związany jest z przejściem miedzy pierwszym podpasmemciężko-dziurowym, a pierwszym podpasmem elektronowym.∆R/R (j.u.)(próbka A)d=2.8nmc150(próbka B)d=2.8nmwidmo PRGaAs modelH1e1L1e11.35 1.40 1.45 1.50 1.55 1.60Rys. 1. Widma fotoodbicia (czarne linie) otrzymane w temperaturzepokojowej, wraz z modelową krzywą teoretyczną (szara linia) dla supersieciGaAs/Al 0.45Ga 0.55As o grubości bariery d = 2,8 nmFig. 1. Room temperature photoreflectane spectra (Black lines) togetherwith theoretical curve (gray line) for GaAs/Al 0.45Ga 0.55As superlatticewith barier width of d = 2,8 nmX31.529eVenergia (eV)1.568eVElektronika 10/2011