Динамика релаксации неравновесных носителей заряда в GaAs с квантовыми точками

УДК 535.016

Вестник СПбГУ. Сер. 4. 2013. Вып. 2

А. А. Пастор, У. В. Прохорова, П. Ю. Сердобинцев, В. В. Чалдышев, Е. Лыгина

ДИНАМИКА РЕЛАКСАЦИИ НЕРАВНОВЕСНЫХ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В GaAs С КВАНТОВЫМИ ТОЧКАМИ*

Арсенид галлия, выращенный при низкой (до 300 °С) температуре (LT-GaAs) методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), активно исследуется на протяжении последних двух десятилетий. Такой интерес вызван рядом уникальных свойств, которыми обладает GaAs: сверхкоротким временем жизни носителей заряда (менее l пс), высоким удельным сопротивлением (108 Ом-см), высокой напряжённостью поля электрического пробоя (порядка 3 - 105 В/см) [l]. Эти свойства позволяют успешно использовать его для создания сверхвысокочастотных интегральных схем и транзисторов, светодиодов, лазерных диодов, сверхбыстродействующих фотоприёмников ближнего ИК и видимого диапазонов и др. [2, 3]. На их формирование влияет избыток мышьяка, захватываемый в LT-GaAs в процессе низкотемпературной МЛЭ [4-5].

В связи с тем, что свойства материала существенно зависят от условий его выращивания, актуальным является экспериментальное определение важнейшего параметра — времени жизни носителей заряда.

Для исследования динамики релаксации носителей заряда обычно используется методика pump-probe [6-l0]. При этом в материале с помощью импульса оптической накачки (pump) создается концентрация неравновесных носителей заряда, достаточная для изменения показателя преломления. Динамика изменения показателя преломления регистрируется с помощью зондирующего пробного импульса света (probe). В представляемой работе использована оригинальная схема измерения динамического изменения коэффициента преломления света, основанная на методике pump-probe, использованной авторами в предыдущих работах по изучению динамики релаксации носителей заряда в фемтосекундном диапазоне [ll].

В данном случае исследовались два образца LT-GaAs, выращенные при 200 С методом МЛЭ на подложках из полуизолирующего GaAs. Один из образцов не подвергался отжигу (назовём его «образец № l»), другой был подвергнут отжигу при 600 С в течение l5 мин непосредственно в ростовой камере установки МЛЭ, будем называть его «образец № 2».

В образцах LT-GaAs создавались неравновесные свободные носители заряда с помощью излучения фемтосекундной лазерной установки «Пульсар-lO» на длине волны 800 нм.

Александр Алесандрович Пастор — кандидат физико-математических наук, Санкт-Петербургский государственный университет.

Ульяна Витальевна Прохорова — аспирантка, Санкт-Петербургский государственный университет; e-mail: ulianchic@yandex.ru

Павел Юрьевич Сердобинцев — кандидат физико-математических наук, Санкт-Петербургский государственный университет; Санкт-Петербургский государственный политехнический университет.

Владимир Викторович Чалдышев — доктор физико-математических наук, Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе РАН.

Елена Лыгина — PhD, Новый университет Лиссабона; Rede de Química e Tecnologia (REQUIMTE), Португалия; e-mail: lena_lygina@mail.ru

* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, грант № 11-02-00973-а, и с использованием оборудования ЦКП «Аналитический центр нано- и биотехнологий ГОУ СПбГПУ» на базе ФГБОУ ВПО СПбГПУ при финансовой поддержке Минобрнауки России.

© А. А. Пастор, У.В.Прохорова, П. Ю. Сердобинцев, В. В. Чалдышев, Е. Лыгина 2013

l0

Рис. 1. Схема эксперимента: BS — светоделитель; F — нейтральный светофильтр, ослабляющий в 100 раз пробный импульс; M1, M2 — зеркала линии задержки; М3—М6 — зеркала; Sample — исследуемый образец; CCD-камера фокусируется на поверхность образца; Pump beam — пучок накачки; Probe beam — пробный пучок

На рис. 1 изображена схема экспериментальной установки. Излучение лазера с длиной волны 800 нм, энергией в импульсе 1-5 мДж, частотой повторения импульсов 10 Гц и длительностью импульса 50 фс разделяется светоделителем BS на два пучка. Один из них назовём пучком накачки (pump), другой — пробным (probe). Пробный пучок проходит через нейтральный светофильтр F, ослабляется в 100 раз, затем попадает на систему зеркал М1 и М2, образующих линию задержки, с помощью которой можно менять задержку между импульсами. Пучок накачки и пробный пучок пересекаются на поверхности образца. Отражение пробного пучка регистрируется CCD-камерой, объектив которой сфокусирован на поверхности образца. Образец облучается под углом, близким к углу Брюстера (так что коэффициент отражения р-поляризованных пучков света близок к нулю для невозбуждённого импульсом накачки образца). Отражение возникает только за счёт эффекта наведённого коэффициента отражения при генерации свободных носителей. Такая конфигурация обеспечивает максимум относительного изменения интенсивности отражённого пробного излучения. Распределение интенсивности излучения по поверхности соответствует различным задержкам пробного импульса по отношению к импульсу накачки, поскольку объектив CCD-камеры, регистрирующий отражённое излучение пробного импульса, был сфокусирован на поверхность образца.

Были выполнены несколько серий экспериментов. Для образца № 1, не подвергавшегося отжигу, получен набор регистограмм отражённого от данного образца пробного пучка для различных временных задержек между накачивающим и зондирующим импульсами. С помощью вычитания двух регистограмм, соответствующих разным задержкам, получались разностные изображения, позволяющие определить время релаксации наведённого коэффициента отражения. На рис. 2, a показано изображение, демонстрирующее результат вычитания двух регистограмм, разделённых временным интервалом задержки пробного импульса в 667 фс (что соответствует 200 мкм линии задержки).

Для образца № 1 на рис. 3, a приведён график зависимости уровня засветки пикселей CCD-камеры (уровня серого) от положения пикселя, соответствующий одному

а

Рис. 2. Результат вычитания регистограмм пробных импульсов, разделённых временным интервалом в 667 фс для образца № 1

а

б

0 40 80 120 160 200 240 Расстояние, пк

0 40 80 120 160 200 240 Расстояние, пк

Рис. 3. Графики зависимости коэффициента отражения от времени в относительных единицах для образца № 1 (а) и № 2 (б): длина задерживающей линии 200 мкм

из сечений изображения, характеризующий зависимость коэффициента отражения от времени в относительных единицах. Время на графике увеличивается справа налево.

Аппроксимировав область спада интенсивности экспонентой вида у = у о + А ехр[(х — —Хо)/Ь], можно определить характерное время Ь — время релаксации свободных носителей заряда в исследуемом образце [11]. Обработав экспериментальные данные, приведя их к среднему значению и посчитав погрешность, мы получили для образца № 1 значение времени релаксации Ь = 262 ± 30 фс. Поскольку изменение оптических свойств материала было обусловлено созданными импульсом накачки неравновесными носителями заряда, измеренное время равно времени жизни носителей заряда.

Аналогичным путём был исследован образец № 2. На рис. 2, б представлен результат вычитания двух регистограмм, разделённых временным интервалом задержки пробного импульса в 667 фс. Соответствующая зависимость коэффициента отражения от времени в относительных единицах представлена на рис. 3, б.

Время релаксации свободных носителей в образце № 2 (подвергавшемся отжигу) получилось существенно больше, чем в образце № 1 (не подвергавшемся отжигу). Время релаксации, вычисленное для образца № 2, Ь = 489,6 ± 5 фс.

Известно, что в отожжённых образцах, по сравнению с исходным ЦТ-СаЛв, концентрация мышьяка уменьшается, так как из большого числа точечных дефектов самоорганизуются металлические квантовые точки [12, 13]. Возможно, именно это и послужило причиной увеличения времени жизни неравновесных носителей заряда в отожжённых образцах.

Литература

1. Gupta S., FrankelM. Y., Valdmanis J. A. et al. Subpicosecond carrier lifetime in GaAs grown by molecular-beam epitaxy at low-temperatures // Appl. Phys. Lett. 1991. Vol. 59. P. 3276.

2. RouxJ.F., Coutaz J. L., Krotkus A. Time-resolved reflectivity characterization of polycrys-talline low-temperature-grown GaAs // Appl. Phys. Lett. 1999. Vol. 74. P. 2462.

3. ЧалдышевВ. В., Путято М. А., Семягин Б. Р. и др. Интегральные схемы на основе ар-сенида галлия, выращенного методом молекулярно-лучевой эпитаксии // Электронная промышленность. 1998. Вып. 1-2. C. 154.

4. Melloch M. R., Mahalingam K., OtsukaN. et al. GaAs buffer layers grown at low substrate temperatures using As2 and the formation of arsenic precipitates // Cryst. Growth. 1991. Vol. 111. P. 39.

5. Лаврентьева Л. Г., Вилисова М. Д., Преображенский В. В., ЧалдышевВ. В. Молекуляр-но-лучевая эпитаксия GaAs при низких температурах: влияние избыточного мышьяка на структуру и свойства слоёв // Нанотехнологии в полупроводниковой электронике / под ред. А.Л.Асеева. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2004. C 41-67.

6. Loukakos P. A., Kalpouzos C., PerakisI. E. et al. Role of As precipitates on ultrafast electron trapping in low-temperature-grown GaAs and AlGaAs alloys //J. Appl. Phys. 2002. Vol. 91. P. 9863.

7. HaimlM., Siegner U., Morier-GenoudF. et al. Femtosecond response times and high optical nonlinearity in beryllium-doped low-temperature grown GaAs // Appl. Phys. Lett. 1999. Vol. 74. P. 1269.

8. Lochtefeld A. J., Melloch M. R., Chang J. C. P. et al. The role of point defects and arsenic precipitates in carrier trapping and recombination in low-temperature grown GaAs // Appl. Phys. Lett. 1996. Vol. 69. P. 1465.

9. Siegner U., FluckR., Zhang G. et al. Ultrafast high-intensity nonlinear absorption dynamics in low-temperature grown gallium arsenide // Appl. Phys. Lett. 1996. Vol. 69. P. 2566.

10. Smith P. W. E., Benjamin S. D., LokaH. S. Tailoring of trap-related carrier dynamics in low-temperature-grown GaAs // Appl. Phys. Lett. 1997. Vol. 71. P. 1156.

11. Пастор А. А., Сердобинцев П. Ю., ЧалдышевВ. В. Экспериментальное определение времени жизни носителей зарядав GaAs, выращенном при низкой температуре // Физика и техника полупроводников. 2012. Т. 46. Вып. 5. C. 637-640.

12. Bimberg D., Grundmann M., Ledentsov N. N. Quantum Dot Heterostructures. UK: John Wiley and Sons, 1998.

13. БертН. А., Вейнгер А. И., Вилисова М. Д. и др. Арсенид галлия, выращенный методом молекулярно-лучевой эпитаксии при низкой температуре: кристаллическая структура, свойства, сверхпроводимость // Физика твёрд. тела. 1993. Т. 35, № 10. C. 2609.

Статья поступила в редакцию 23 ноября 2012 г.