Numéro
J. Phys. Colloques
Volume 50, Numéro C6, Juin 1989
Beam Injection Assessment of Defects in Semiconductors
International Workshop
Page(s) C6-85 - C6-99
DOI https://doi.org/10.1051/jphyscol:1989608
Beam Injection Assessment of Defects in Semiconductors
International Workshop

J. Phys. Colloques 50 (1989) C6-85-C6-99

DOI: 10.1051/jphyscol:1989608

LATERAL MAPPING OF ATOMIC SCALE INTERFACE MORPHOLOGY AND DISLOCATIONS IN QUANTUM WELLS BY CATHODOLUMINESCENCE IMAGING

J. CHRISTEN et D. BIMBERG

Institut für Festkörperphysik, Technische Universität Berlin, Hardenbergstrasse 36, D-1000 Berlin 12, F.R.G.


Résumé
Notre connaissance actuelle, à l'échelle atomique, des propriétés structurales, chimiques et électroniques des interfaces de semiconducteurs est inversement proportionnelle à leur importance pour toute une génération de nouveaux dispositifs électroniques et photoniques à puits quantiques. Le but de cet article est de démontrer comment des images de cathodoluminescence (ICL) résolues en longueur d'onde et en temps fournissent une image exacte de la structure cristallographique en îlots des hétérointerfaces limitant le puits quantique. Nous donnons une description détaillée de notre système de cathodoluminescence (CL) complètement piloté par ordinateur. Le potentiel accélérateur, qui dans nos travaux standards de CL est choisi à 30 kV, est ramené à 3 kV en vue de réduire le diamètre du volume de génération des porteurs de charge, entraînant une amélioration de la résolution latérale de la CL. Le faisceau électronique excitateur est balayé digitalement sur une surface de l'échantillon divisée en jusqu'à 512 x 400 éléments d'image. Dans le domaine du visible et de l'infrarouge proche, le signal de CL est détecté au moyen d'un photomultiplicateur refroidi en utilisant la technique de comptage de photons résolu temporellement. La résolution temporelle est meilleure que 250 ps. Notre système d'acquisition de mesures possède l'avantage unique de pouvoir activer simultanément jusqu'à 14 fenêtres temporelles, nous permettant ainsi d'enregistrer jusqu'à 14 spectres ou 14 images correspondant à des instants différents par rapport au début de l'impulsion excitatrice, et ce en une seule prise de mesures. Nous présentons, à titre d'exemple typique, nos résultats pour des puits quantiques AlGaAs/GaAs/AlGaAs. Nous observons de manière directe des îlots de croissance aux interfaces GaAs/AlGaAs, différant en hauteur d'une seule monocouche (2.8 Å), mettant ainsi en évidence la structure en colonnes des puits quantiques de GaAs. Nous examinons la manière dont l'extension latérale de ces îlots, qui pour certaines conditions de croissance peut excéder 6-7 µm, dépend des paramètres de croissance cristalline. Nous observons clairement la transition d'une croissance bidimensionnelle à une croissance tridimensionnelle suite à l'accroissement de la température de croissance EJM (Épitaxie par Jets Moléculaires) de 600 °C à 660 °C. Des expériences d'ICL résolues spectralement et temporellement permettent de visualiser directement la diffusion latérale des porteurs quasi-bidimensionnels le long des interfaces du puits quantique et fournissent une mesure de la vitesse de diffusion parallèlement au puits quantique. En outre, notre dispositif de détection d'ICL a été étendu au régime infrarouge, en adaptant une diode PIN au Ge ainsi que des photodiodes à effet d'avalanche au système de comptage de photons. Ceci permet l'étude par ICL et ICL résolue temporellement de puits quantiques d'InGaAs ou de matériaux apparentés. Des dislocations induites par tension dans des puits quantiques pseudomorphes (p.ex. GaAs/InGaAs/GaAs) sont directement visualisées par ICL infrarouge. Des expériences résolues temporellement fournissent des images de la distribution de la durée de vie des porteurs autour de ces dislocations.


Abstract
Our present knowledge of the atomic scale structural, chemical and electronic properties of semiconductor interfaces is inversely proportional to their importance for a whole generation of novel electronic and photonic quantum well devices. It is the purpose of this paper to demonstrate how wavelength- and time-resolved cathodoluminescence imaging (CLI) provides a one-to-one image of the crystallographic island structure of the heterointerfaces which are the boundaries of the quantum well. A detailed description of the fully computer controlled cathodoluminescence (CL) system is given. The accelerating voltage, which is choosen to be 30 kV in our standard CL work, is lowered to 3 kV in order to reduce the diameter of the carrier generation volume resulting in an increase of the lateral CL resolution. The exciting electron beam is digitally scanned over a sample area divided in up to 512 x 400 pixels. The CL signal is detected in the visible and near infrared regime (GaAs quantum wells) by a cooled photomultiplier using the technique of time resolved single photon counting. The total time resolution is better than 250 ps. Our data acquisition technique has the unique advantage that simultaneously up to 14 time Windows can be activated, enabling us to record up to 14 spectra or up to 14 images corresponding to different times with respect to the start of the exciting pulse in a single run. Results on AlGaAs/GaAs/AlGaAs quantum wells are presented as a typical example. Direct images of growth islands differing by one monolayer height (2.8 Å) at GaAs/AlGaAs heterointerfaces and of the columnar structure of GaAs QWs are observed. The dependence of the lateral extension of these islands, which for certain growth conditions exceeds 6-7 µm, on the parameters of crystal growth is investigated. A transition from 2 dimensional to 3 dimensional crystal growth due to an increase of the MBE (molecular beam epitaxy) growth temperature from 600° C to 660° C is clearly observed. Spectrally- and time-resolved CLI experiments directly visualize the lateral diffusion of the quasi two dimensional carriers along the quantum well interfaces and provide a measure of the in-plane diffusion velocity in quantum well structures. The CLI detection setup is further extended to the infrared regime, by adapting a Ge-PIN-diode and avalanche photodiodes to the photon counting System. This enables CLI and time resolved CLI investigation of InGaAs quantum wells and related material Systems. Strain induced dislocations in pseudomorphic strained layer quantum wells (e.g. GaAs/InGaAs/GaAs QWs) are directly visualized by infrared CLI. Time resolved experiments yield lifetime images around these dislocations.