Влияние скорости эпитаксиального роста сильно напряженных квантовых ям InGaAs на фотолюминесценцию гетероструктур на подложках GaAs

   Введение. Эпитаксия сильно напряженных квантовых ям InGaAs с мольной долей индия более 35 % является технологически сложной задачей. Эффективность люминесценции таких квантовых ям в значительной степени зависит от их структурного качества. Изготовление гетероструктур с упруго-напряженными эпитаксиальными слоями требует оптимизации параметров эпитаксиального роста, одним из которых является скорость роста эпитаксиального слоя.

   Метод. Методом молекулярно-пучковой эпитаксии на подложках GaAs изготовлены гетероструктуры с квантовыми ямами In_xGa_1–xAs (0,37 ≤ x < 0,41) с различной скоростью осаждения слоя от 0,24 Å/с до 3,3 Å/с. Методом рентгеновской дифрактометрии определены фактические толщина и состав квантовой ямы, а также исследовано структурное качество гетероструктур. Проведены измерения спектров фотолюминесценции изготовленных гетероструктур при температурах 20 К и 300 К с различной мощностью оптической накачки. На основании зависимости интенсивности фотолюминесценции от мощности накачки произведены расчеты рекомбинационных токов и оценено время безызлучательной рекомбинации в квантовых ямах исследуемых гетероструктур.

   Основные результаты. Содержание InAs в квантовых ямах изготовленных гетероструктур определено в диапазоне 37,0–40,6 %. Исходя из анализа кривых качания рентгеновской дифракции определено ухудшение структурного качества гетероструктур при низкой (0,24 Å/с) скорости роста InGaAs. Измерения методом спектроскопии фотолюминесценции показали значительно более высокую интенсивность фотолюминесценции квантовых ям с умеренной скоростью роста InGaAs (0,9–2,5 Å/с) по сравнению с остальными образцами. Рассчитанные значения времени безызлучательной рекомбинации в квантовых ямах, выращенных при умеренных скоростях роста, составили порядка 10^–6 с при температуре 20 К и 10^–9 с при 300 К. В случае увеличения и уменьшения скорости роста время безызлучательной рекомбинации сокращается.

   Обсуждение. Полученные результаты показали достижение наилучшего структурного качества сильно напряженных слоев InGaAs при поддержании скорости роста InGaAs в диапазоне 0,9–2,5 Å/с. Представленные результаты могут быть применены при оптимизации параметров эпитаксиального роста сильно напряженных квантовых ям InGaAs при изготовлении монолитного вертикально-излучающего лазера на подложке GaAs спектрального диапазона 1200–1300 нм.

1. Sundgren P., Berggren J., Goldman P., Hammar M. Highly strained InGaAs∕GaAs multiple quantum-wells for laser applications in the 1200–1300 nm wavelength regime // Applied Physics Letters. 2005. V. 87. N 7. P. 071104. doi: 10.1063/1.2010615

2. Sundgren P., von Würtemberg R.M., Berggren J., Hammar M., Ghisoni M., Oscarsson V., Ödling E., Malmquist J. High-performance 1.3 µm InGaAs vertical cavity surface emitting lasers // Electronics Letters. 2003. V. 39. N 15. P. 1128–1129. doi: 10.1049/el:20030733

3. Kondo T., Arai M., Onomura A., Miyamoto T., Koyama F. 1.23 μm long wavelength highly strained GaInAs/GaAs quantum well laser // Proc. of the 15^th Annual Meeting of the IEEE Lasers and Electro-Optics Society. 2002. P. 618–619. doi: 10.1109/LEOS.2002.1159459

4. Westbergh P., Söderberg E., Gustavsson J.S., Modh P., Larsson A., Zhang Z., Berggren J., Hammar M. Single mode 1.3 um InGaAs VCSELs for access network applications // Proceedings of SPIE. 2008. V. 6997. P. 69970Y. doi: 10.1117/12.781294

5. Takeda K., Miyamoto T., Kondo T., Uchiyama Y., Kitabayashi N., Uchida T., Matsutani A., Koyama F. Wavelength extension effect on lasing characteristics of highly-strained GaInAs/GaAs vertical-cavity surface-emitting lasers with cavity detuning // Japanese Journal of Applied Physics. 2006. V. 45. N 8S. P. 6691. doi: 10.1143/JJAP.45.6691

6. Deki R., Sasaki T., Takahasi M. Strain relaxation and compositional separation during growth of InGaAs/GaAs (001) // Journal of Crystal Growth. 2017. V. 468. P. 241–244. doi: 10.1016/j.jcrysgro.2017.01.028

7. Grandjean N., Massies J. Epitaxial growth of highly strained InxGa1− xAs on GaAs (001): the role of surface diffusion length // Journal of Crystal Growth. 1993. V. 134. N 1-2. P. 51–62. doi: 10.1016/0022-0248(93)90008-k

8. Chang K.H., Bhattacharya P.K., Gibala R. Characteristics of dislocations at strained heteroepitaxial InGaAs/GaAs interfaces // Journal of Applied Physics. 1989. V. 66. N 7. P. 2993–2998. doi: 10.1063/1.344183

9. Yang V.K., Ting S.M., Groenert M.E., Bulsara M.T., Currie M.T., Leitz C.W., Fitzgerald E.A. Comparison of luminescent efficiency of InGaAs quantum well structures grown on Si, GaAs, Ge, and SiGe virtual substrate // Journal of Applied Physics. 2003. V. 93. N 9. P. 5095–5102. doi: 10.1063/1.1563031

10. Sun W., Kim H., Mawst L.J., Tansu N. Interplay of GaAsP barrier and strain compensation in InGaAs quantum well at near-critical thickness // Journal of Crystal Growth. 2020. V. 531. P. 125381. doi: 10.1016/j.jcrysgro.2019.125381

11. Sweeney S.J., Eales T.D., Adams A.R. The impact of strained layers on current and emerging semiconductor laser systems // Journal of Applied Physics. 2019. V. 125. N 8. P. 082538. doi: 10.1063/1.5063710

12. Dong H., Sun J., Ma S., Liang J., Jia Z., Liu X., Xu B. Interfacial relaxation analysis of InGaAs/GaAsP strain-compensated multiple quantum wells and its optical property // Superlattices and Microstructures. 2018. V. 114. P. 331–339. doi: 10.1016/j.spmi.2017.12.049

13. Jasik A., Wnuk A., Wójcik-Jedlińska A., Jakieła R., Muszalski J., Strupiński W., Bugajski M. The influence of the growth temperature and interruption time on the crystal quality of InGaAs/GaAs QW structures grown by MBE and MOCVD methods // Journal of Crystal Growth. 2008. V. 310. N 11. P. 2785–2792. doi: 10.1016/j.jcrysgro.2008.02.018

14. Jasik A., Wnuk A., Gaca J., Wójcik M., Wójcik-Jedlińska A., Muszalski J., Strupiński W. The influence of the growth rate and V/III ratio on the crystal quality of InGaAs/GaAs QW structures grown by MBE and MOCVD methods // Journal of Crystal Growth. 2009. V. 311. N 19. P. 4423–4432. doi: 10.1016/j.jcrysgro.2009.07.032

15. Wang Q., Wang H., Zhang B., Wang X., Liu W., Wang J., Wang J., Fan J., Zou Y., Ma X. Integrated fabrication of a high strain InGaAs/GaAs quantum well structure under variable temperature and improvement of properties using MOCVD technology // Optical Materials Express. 2021. V. 11. N 8. P. 2378–2388. doi: 10.1364/OME.431015

16. Chuev M.A., Lomov A.A., Imamov R.M. Simultaneous analysis of double-crystal X-ray rocking curves from a set of crystallographic planes // Crystallography Reports. 2006. V. 51. N 2. P. 178–191. doi: 10.1134/S1063774506020027

17. Asryan L.V. Spontaneous radiative recombination and nonradiative Auger recombination in quantum-confined heterostructures // Quantum Electronics. 2005. V. 35. N 12. P. 1117–1120. doi: 10.1070/QE2005v035n12ABEH013093

18. Gurioli M., Vinattieri A., Colocci M., Deparis C., Massies J., Neu G., Bosacchi A., Franchi S. Temperature dependence of the radiative and nonradiative recombination time in GaAs/AlxGa1–xAs quantum-well structures // Physical Review B. 1991. V. 44. N 7. P. 3115–3124. doi: 10.1103/PhysRevB.44.3115