Диссертация (1149651), страница 15
Текст из файла (страница 15)
В обоих случаях заметен переход от разбухания к травлению с ростомдозы облучения. При этом высота приподнятых над поверхностью областей составляет порядка 1-2 нм. Еще одной возможной причиной повышения уровняоблученных областей может являться осаждение углеводородного загрязнения,присутствующего в атмосфере рабочей камеры установки, под действием рожденных первичным ионным пучком вторичных электронов. Такое осаждениехорошо изучено в сканирующей электронной микроскопии [58].109Рис. 43: Рельеф поверхности при точечном облучении ионами 50 кэВ Ga+ кристаллического Si (а) из [56] и 35 кэВ Ga+ подложки GaAs (б) из [57].С ростом линейной дозы облучения наблюдается травление образца, причем глубина травления пропорциональна дозе.
На вкладке рис. 42 точками показана экспериментальная зависимость высоты в центре облученной линии отлинейной дозы облучения, а пунктиром — линейная аппроксимация со следующими параметрами: высота возвышения — 0.7 ± 0.2 нм; линейная доза, прикоторой наблюдается переход от разбухания к травлению — 4 · 1010 1/см, скорость травления — 1 · 10−11 нм·см. Также следует отметить, что возникающиепри травлении выемки обрамлены приподнятыми аморфизированными областями (аналогичный результат наблюдался и в [57], см. рис.
43, б).В связи с тем, что в настоящей работе предполагается модуляция только резонансных оптических свойств образца, для облучения подложки передэпитаксиальным ростом были выбраны линейные дозы облучения ионами, неприводящие к существенному травлению подложки (< 1011 1/см).5.2Изготовление образцаПредлагаемый в настоящей главе метод адресуемой модуляции резонансных оптических свойств квантовых ям состоит в облучении подложки GaAs сфокусированным пучком ионов Ga+ , и последующем росте эпитаксиальной структурына модифицированной подложке.110Эксперименты проводились с использованием легированных кремнием”epiready” подложек GaAs. Термин ”epiready”, что означает, что подложки могутбыть помещены непосредственно в установку МПЭ без какой-либо предварительной подготовки, и эпитаксиальный рост на них возможен сразу после сгоназащитного слоя окисла при температуре 580 ◦ C.Облучение ионами Ga+ с энергией 30 кэВ было выполнено с помощью рабочей станции Zeiss Crossbeam 1540XB при токе ионного пучка 2 нА и 100 пА взависимости от дозы.
Пучок был расфокусирован таким образом, что пятно наобразце представляло собой круг диаметром 800 нм с равномерным распределением плотности тока ионов. Облученные объекты представляли собой массивыиз 41 линии длиной 400 мкм, расположенные с шагом 9 мкм. Таким образом,полная площадь облученной области составляла 400×400 мкм2 . Облученные линии были ориентированы вдоль кристаллографического направления [011].
Вработе изучались два массива, облученные с линейными дозами 6.25·108 1/см и1.25 · 1010 1/см (с учетом диаметра пучка приблизительная поверхностная дозаоблучения ионами составляла 7.8 · 1012 1/см2 и 1.5 · 1014 1/см2 соответственно).Для получения электронно-микроскопических изображений облучениеописанными массивами линий было проведено повторно в другой области подложки.
На рис. 44, а показан снимок этой области (энергия электронов 10 кэВ).На снимке отчетливо виден массив облученных ионным пучком линий. Нарис. 44, б и в показано изображение пересечения облученной ионами линиис пылинкой, полученное с помощью разных детекторов вторичных электронов.Отсутствие полосы на пылинке на изображении, полученном с помощью детектора вторичных электронов второго рода, обеспечивающим преимущественныйконтраст рельефа (рис. 44, в), подтверждает отсутствие травления при стольмалой дозе облучения ионами.Уменьшение сигнала от облученной ионным пучком полосы на изображении в детекторе вторичных электронов первого рода (рис. 44, б) может бытьобусловлено как изменением свойств GaAs (меньшая плотность аморфизированного GaAs по сравнению с кристаллическим), так и осаждением тонкойпленки углеводородного загрязнения (в этом случае причиной наблюдаемогоконтраста является различие коэффициента вторичной электронной эмиссии111Рис.
44: Электронно-микроскопические снимки облученной ионами подложки.(а) Полный вид облученной области (линейная доза 1.25 · 1010 1/см). Изображение пересечения облученной линии с пылинкой, полученное с помощьюдетектора вторичных электронов первого (б) и второго (в) рода. Профиль интенсивности сигнала SEM (г).GaAs и осажденной пленки) под действием ионного пучка. В пользу второгопредположения говорит наличие темной полосы не только на подложке, но ина пылинке.На рис.44, г показан усредненный вдоль направления y сигнал на детекторе вторичных электронов первого рода, показанный на рис. 44, а.
Ширинатемных полос на изображении составляет порядка 1.5 мкм, что почти вдвоебольше диаметра ионного пучка. Такое расхождение может быть обусловленорассеянием ионов в образце, а также диффузионным движением вторичныхэлектронов, приводящих к осаждению углеводородного загрязнения.Модифицированная ионным пучком подложка была закреплена на одномносителе вместе с подложкой-свидетелем.
Подложка-свидетель не выносиласьна атмосферу (вскрытие герметичной заводской упаковки было выполнено вазотной атмосфере в боксе, установленном на загрузочном модуле установкиМПЭ). Рост выполнялся на установке МПЭ ЭП-1302. В ходе роста на подложках была изготовлена структура P566 с тремя тонкими одиночными кванто-112выми ямами InGaAs/GaAs с одинаковым процентным содержанием индия, иразличной толщиной ямы (схема структуры по ростовым данным приведена втабл.
5). Толщина эпитаксиального слоя, отделяющего квантовую яму до модифицированной ионами подложки, обозначена как z − zsub .Толщина, нм z − zsub , нмСлойСоставПодложкаGaAs:Si≈ 3 · 105GaAs270In0.02 Ga0.98 As2GaAs150In0.02 Ga0.98 As3GaAs150In0.02 Ga0.98 As4GaAs150QW1QW2QW3270422575Таблица 5: Схема структуры P566.После эпитаксиального роста поверхность образца была исследована с помощью атомно-силового микроскопа.
На рис. 45, а показано изображение поверхности образца в области, где подложка была облучена ионами. Поверхностьпокрыта овальными ростовыми дефектами со средним размером 2×0.5 мкм иглубиной около 5 – 10 нм, ориентированными вдоль кристаллографических осейкристалла. При этом часть дефектов выстроена парами вдоль линий облучения ионами подложки. Эта упорядоченность особенно заметна при усредненииизображения вдоль оси y (рис.
45, б). Наличие такой корреляции между облученным ионами массивом линий на подложке и рельефом поверхности говорито заметном воздействии облучения подложки ионами на последующий эпитаксиальный рост.Несмотря на небольшую глубину дефектов, периодичность их расположения приводит к возникновению слабой дифракции при боковой подсветке(рис. 45, в).
На оптическом снимке также наблюдается повышенная по сравнению с образцом-свидетелем плотность точечных дефектов, приводящих к рассеянию света (т.н. ”звездное небо”), что обусловлено запылением подложки приее переносе из установки литографии ионным пучком в установку МПЭ.113Рис. 45: (а) Снимок поверхности модифицированной эпитаксиальной структуры, полученный с помощью атомно-силового микроскопа (область облученияподложки ионами с линейной дозой 1.25 · 1010 1/см). (б) Усреднение снимкавдоль оси y.
(в) Та же область, изображение получено с помощью оптическогомикроскопа.5.3Оптические измеренияДля проведения спектроскопических измерений на модифицированном образцеи образце-свидетеле была использована установка, описанная в разделе 3.4.1.Измерения проводились при температуре 10 К в геометрии Брюстера в линейном режиме по интенсивности. Для фокусировки лазерного пучка использовалась линза с фокусным расстоянием 25 см, что позволяло полностью освещатьобласть с дифракционной решеткой.114На рис. 46 показаны спектры отражения от образца-свидетеля и модифицированного образца в облученных и необлученных областях. На графикеотмечены положения резонансов экситонов с тяжелой дыркой в соответствующих квантовых ямах.
В табл. 6 приведены извлеченные из спектров с помощьюаппроксимации формулой (37) значения радиационной ширины ΓR и нерадиационного уширения ΓN R экситонных резонансов. Из приведенных данных видно, что радиационная ширина экситонных резонансов ΓR в модифицированномобразце и образце-свидетеле приблизительна одинакова, что свидетельствует отом, что морфология квантовых ям (толщина и состав) в этих двух образцахпрактически одинакова. Нерадиационное уширение ΓN R в модифицированномобразце в несколько раз больше, чем в образце свидетеле, но существеннойразницы в качестве облученных и необлученных областей модифицированногообразца не наблюдается.
Таким образом, основной причиной дефектности модифицированного образца является не облучение подложки, а ее загрязнениепри переносе из одной установки в другую.Рис. 46: Спектры отражения образца-свидетеля и различных областей модифицированного образца P566.Качество поверхности образца, несмотря на отдельные визуально заметные дефекты (рис.
45, в), осталось достаточно высоким, о чем свидетельствует115ΓR , мкэВОбразецΓN R , мкэВQW1 QW2 QW3 QW1 QW2 QW3Свидетель3239406374108Модифицированный (необ-484030330321516564430405361456533627449347482лученная область)Модифицированный (D =6.25 · 108 1/см)Модифицированный (D =1.25 · 1010 1/см)Таблица 6: Параметры экситонных резонансов в структуре P566.одинаковый уровень фонового нерезонансного рассеяния на обоих образцах вгеометрии Брюстера (около 0.3%).Для нахождения углового положения дифракционных рефлексов дифракционная решетка была освещена параллельным монохроматическим лазернымпучком под углом Брюстера с помощью перестраиваемого полупроводниковоголазера Sacher Lynx. При настройке лазера на экситонный резонанс квантовойямы QW1 помимо зеркального отражения (нулевой рефлекс) под углом ≈ 74.4◦возникает первый дифракционный рефлекс (рис.
47, б), распространяющийсяпод углом β1 ≈ 62◦ , что по формуле (17) соответствует дифракции на решеткес периодом 9 мкм. Также в боковое окно криостата (рис. 47, а) наблюдалисьнесколько близких по интенсивности рефлексов с большим порядковым номером, что соответствует дифракции на решетке с профилем, близким к прямоугольному.Угловое распределение первого дифракционного максимума было зарегистрировано с помощью сфокусированной на бесконечность CCD-камеры. Нарис. 47, в показано экспериментально измеренное угловое распределение резонансной дифракционной эффективности KD (∆β), где ∆β — угол распространения дифракционного рефлекса, отсчитанный от β1 , для решетки с линейнойдозой облучения 6.25 · 108 1/см. На том же графике показано теоретическоераспределение для решетки, состоящей из N = 41 штриха.
Видно достаточно116хорошее согласие экспериментальных данных с теорией, что свидетельствуето стабильности периода решетки, и заполнении решетки лазерным пучком повсей длине.Рис. 47: (а) Ход лучей в криостате. (б) Изображение нулевого и первого дифракционных рефлексов на экране. (в) Угловое распределение интенсивностипервого дифракционного рефлекса в плоскости падения света (логарифмический масштаб).Сигнал дифракции был продетектирован с помощью спектрометра на основе монохроматора МДР-23 с CCD-детектором. На рис. 48 представлены спектры дифракции для первого дифракционного рефлекса, измеренные с помощьюширокоспектрального фемтосекундного лазера для двух облученных областеймодифицированного образца.Соотношение интенсивностей резонансных дифракционных эффективностей для квантовых ям QW1, QW2 и QW3 составляет 1 : 0.04 : 0.008, и существенно отличается от соотношения соответствующих резонансных коэффициентов отражения 1 : 0.7 : 0.25 (см.
рис. 46), что свидетельствует о различномхарактере модуляции этих квантовых ям.Имеющиеся экспериментальные данные не позволяют сделать вывод о117Рис. 48: (а) Спектры дифракции для различных линейных доз облучения подложки ионами D (логарифмический масштаб). Пространственное распределение дефектов в образце при латеральном разрастании дефектной области (б) изатухании плотности дефектов (в). Цветом показана плотность дефектов.зависимости пространственного распределения плотности дефектов от толщины слоя, отделяющего квантовую яму от модифицированной ионным пучкомподложки.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
