Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Интерес к структурам на основе ZnSe и твердых растворов Zn(Mg, Cd, S)Se обусловлен их перспективностью для создания полупроводниковых приборов на сине-зеленую область спектра таких, как лазеры, светодиоды, оптические модуляторы, детекторы и др., а также для разработки на их основе цветных телевизионных систем, оптических систем памяти с высокой плотностью записи информации, печатающих и копировальных устройств и другого оборудования. Уменьшение длины волны излучения полупроводниковых лазеров до 0.4-0.5 мкм позволит увеличить объем информации, хранимой на стандартном компакт-диске, в 10-15 раз по сравнению с существующими дисками. Рекордное время работы инжекционных лазеров сине-зеленого диапазона на основе квантоворазмерных структур из Zn(Cd,Mg,S)Se, в настоящее время составляет около 400 часов. В марте 2000 г. японская компания Sumitomo Electric Industries сообщила о начале коммерческого производства светодиодов белого свечения на основе ZnSe с гарантированным сроком службы 10000 часов. По эффективности и яркости свечения эти светодиоды сравнимы со светодиодами на основе нитрида галлия (Р=4 мВт при U=2.7 В). В этих светодиодах синее электролюминесцентное излучение гетероструктуры с квантовой ямой использовано для возбуждения желтой фотолюминесценции в подложке из ZnSe. На начальном этапе планируется производить до 5 млн. светодиодов в месяц. От инвестиций в 7 млн. EUR ожидается доход в 19 млн. EUR.
Оптическая накачка используется как непосредственно в приборах, так и является наиболее экспрессным методом возбуждения для определения различных характеристик гетероструктур, установления связи между оптическими свойствами структур и технологией их получения, поскольку не требуется создание электрических контактов и исключается влияние контактных областей. Возможно также создание в одном технологическом процессе лазеров на синюю область спектра, накачиваемых излучением инжекциоїшьіх лазеров на основе GaN, работающих в ультрафиолетовой области спектра 375 - 420 нм.
Разработка и создание лазеров на основе гетероструктур ZnMgSSe/ZnSe с квантовыми ямами на сине-зеленую область спектра требуют решения ряда проблем, связанных с изучением влияния легирования на свойства лазеров; определения взаимосвязей оптических свойств гетероструктур и лазерных параметров с химическим составом и структурой образцов, концеїгграіщей примесей, условиями возбуждения и рабочей температурой; исследования генерации света при высоких температурах и температурной стабильности лазерных параметров; изучения причин и механизмов деградации лазеров, а также механизмов излучательной рекомбинации и усиления света. Данные факторы и обуславливают актуальность тематики данной работы.
Связь работы с крупными научными программами, темами. Работа выполнялась в рамках темы, входящей в Планы важнейших научно-
исследовательских работ в области естественных наук по республиканским комплексным программам, выполнявшейся по постановлению Президиума НАН Беларуси: "Разработка новых типов полупроводниковых лазеров и исследование нелинейных оптических процессов в квантоворазмерных системах" (Квант-01, 1996-2000 гг.), а также по заданию НИР "Многочастичные взаимодействия и генерация света в эпитаксиальных слоях и гетероструктурах с квантовыми ямами на основе широкозонных полупроводников ZnSe и GaN" (договор с Белорусским республиканским фондом фундаментальных исследований №Ф97М-045, х/д№550,1998-2000 гг.).
Цель и задачи исследования. Целью данной работы являлось создание лазеров с оптической накачкой на эпитаксиальных слоях ZnSe и гетероструктурах ZnMgSSe/ZnSe с квантовыми ямами на сине-зеленую область спектра, работающих при температурах более 300 К, оптимизация их параметров, определение лазерных характеристик и установление механизма усиления.
Для достижения поставленной цели ставились следующие задачи.
-
Исследовать спектры краевой и примесной фотолюминесценции, а также спектры генерации легированных и нелегированных гетероэпитаксиальных слоев ZnSe/GaAs, выращенных методом газофазной эпитаксии из элемента органических источников, в зависимости от температуры и интенсивности возбуждающего излучения; определить влияние типа легирующей примеси на интенсивность фотолюминесценции и ее зависимость от температуры; установить влияние легирования, температуры и уровня возбуждения на характеристики лазеров с оптической накачкой на основе гетероэпитаксиальных слоев ZnSe/GaAs.
-
Определить влияние ширины квантовых ям, высоты барьеров, типа гетероструктуры на интенсивность и спектры фотолюминесценции, порога генерации лазеров на основе гетероструктур Zni.xMgxSySet.y/ Zni.pMgpSqSei.q/ZnSe в широком температурном диапазоне от 78 до 620 К.
-
Рассчитать энергии квантования носителей заряда и энергии связи экситонов, спектры краевого излучения гетероструктур Zni_xMgxSySei_y/ Zn^pMgpSqSei-q/ZnSe в зависимости от глубины и ширины квантовых ям, а также интенсивности возбуждения.
-
Исследовать температурную зависимость порогов генерации, изучить влияние термического отжига и лазерного облучения на деградацию, параметры и химический состав лазеров с оптической накачкой на основе гетероструктур различных типов.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования являлись гетероэпитаксиальные слои ZnSe/GaAs, ZnSe:N/GaAs, ZnSe:Cl/GaAs с различной концентрацией легирующей примеси и гетероструктуры Zn]_xMgxSySe1_y/Zni.pMgpSqSei_q/ZnSe различных типов: двойные гетероструктуры (ДГ), гетероструктуры с раздельным электронным и оптическим ограничением (ГРО) с одной и многими квантовыми ямами (ОКЯ, МКЯ), а также ГРО с
плавно изменяющимися составом и шириной запрещешюй зоны волноводных слоев ZnMgSSe. Ширина КЯ, состав и толщины барьерных, волноводных и эмштерных слоев варьировались в широких пределах. Все структуры были выращены методом газофазной эпитаксии из элементоорганических источников на подложке из GaAs. Предметом исследования являлись спектры люминесценции, генерации и усиления, параметры лазеров, их связь с режимами легирования, условиями роста и параметрами структур, зависимость от температуры и уровня возбуждения.
Методы исследования. Исследования в данной работе проводились как экспериментальными, так и теоретическими методами. Основным экспериментальным методом было измерение и изучение интегральных и разрешенных во времени спектров фотолюминесцеїщии и генерации в широком интервале температур и интенсивностей возбуждающего излучения. Определешіе порогов генерации проводилось путем измерения интенсивности излучения, выходящего через зеркала резонатора, от интенсивности возбуждающего излучения. Влияние легирования, типа структуры и температуры па интенсивность люминесценции изучалось по интенсивности излучения, собираемого со светящейся поверхности образца при некотором постоянном уровне накачки. При исследовании деградации лазеров и температурной стабильности образцы в течение некоторого времени подвергались облучению лазерным излучением и термоотжигу. Для экспериментального исследования спектров усиления в лазерных гетероструктурах применялся метод возбуждения полоски переменной длины. Для расчетов спектров люминесцепции гетеросгруктур Zni.xMgxSySei_/ Zni.pMgpSqSei.q/ZnSe при разных уровнях возбуждения использовалась модель, учитывающая многочастичные взаимодействия в 2В-полупроводниковых системах. Расчеты энергий связи экситонов для разных типов квантоворазмерных гетероструктур проводились в рамках модели пространства с нецелочисленной размерностью.
Научная новизна и значимость полученных результатов. Научная новизна результатов работы заключается в следующем.
1.Впервые получена и исследована генерация света при оптическом возбуждении в легированных гетероэпитаксиальных слоях ZnSe/GaAs. Показано, что легирование как донорной (хлором), так и акцепторной примесью (азотрм) приводит к значительному росту интенсивности фотолюминесценции слоев и снижению порога генерации в лазерах с оптической накачкой на их основе, что обусловлено уменьшением концентрации дефектов в эпитаксиальных слоях при их легировании.
2.Обнаружено, что легирование гетероэпитаксиальных слоев ZnSe/GaAs и использование барьерного слоя ZnMgSSe между слоем ZnSe и подложкой предотвращает эффект "растекания" электронно-дырочной плазмы и способствует увеличению ее плотности.
3.Установлено, что при высоких интенсивностях возбуждающего излучени основным механизмом рекомбинации, обуславливающим вынужденно излучение, как в гетероэпитаксиальных слоях ZnSe/GaAs в интервал температур Т=78-300К, так и в лазерных гетероструктурах ZnMgSSe/ZnSe ' квантовыми ямами в интервале температур Т=7 8-620 К является рекомбинаци в электронно-дырочной плазме.
4.Показано, что при наличии малых внутренних оптических потер (около 5 см"1) величина порога генерации лазеров с оптической накачкой н; основе гетерострукгур ZnMgSSe/ZnSe с квантовыми ямами определяете; главным образом параметром оптического ограничения. Для исследованныз структур установлены предельные значения параметра оптической ограничения (Г > 0.06) и ширины квантовой ямы (d > 4 нм), необходимые щи получения лазерного эффекта. Впервые получена генерация в гетероструктура? ZnMgSSe/ZnSe с квантовыми ямами при температурах от 500 до 612 К. 5.Установлено, что при Т>450К в лазерных гетероструктурах ZnMgSSe/ZnSe происходит изменение химического состава материала квантовых ям вследствие диффузии атомов S и Mg из барьерных, волноводных и эмиттерньго слоев. Это приводит к увеличению концентрации дефектов в активной области, уменьшению интенсивности фотолюминесценции гетерострукгур и росту порога генерации в лазерах на их основе. Обнаружено, что под воздействием собственного лазерного излучения в гетероструктурах, отжигавшихся при высоких температурах, происходит снижение концентрации центров безызлучательной рекомбинации, возрастание интенсивности излучения, уменьшение порога генерации и его восстановление до исходной величины.
Научная значимость полученных результатов состоит в том, что: 1) установлено влияние примесей на пороги генерации лазеров с оптической накачкой на однородных эпитаксиальных слоях ZnSe; 2) определены механизмы излучательной рекомбинации и усиления в эпитаксиальных слоях и гетероструктурах с квантовыми ямами на основе ZnSe при высоких уровнях оптического возбуждения; 3) выявлены причины и механизмы процессов, происходящих в лазерных гетероструктурах ZnMgSSe/ZnSe с квантовыми ямами при высоких температурах.
Практическая значимость полученных результатов. С помощью полученных результатов могут быть разработаны новые технологические методы и усовершенствована уже существующая технология изготовления структур на основе ZnSe и твердых растворов. ZnMgSSe для создания полупроводниковых лазеров, светодиодов и других оптоэлектронных приборов, работающих в сине-зеленой области спектра. Результаты работы позволили выработать совместно с сотрудниками Institut fur Halbleitertechnik (г. Аахен, ФРГ) оптимальные режимы низкотемпературной эпитаксии из элементоорганических источников для получения эпитаксиальных слоев и гетероструктур с квантовыми ямами, удовлетворяющих требованиям квантовой электроники. Оптимизация параметров квантоворазмерных структур позволила
создать гетероструктуры с рекордными лазерными характеристиками (низкими внутренними оптическими потерями и порогами генерации, высокими характеристическими температурами и предельными температурами работы). Понимание процессов, происходящих в гетероструктурах с квантовыми ямами ZnSe/ZnMgSSe при высоких температурах, может быть положено в основу разработки методов изготовления лазеров на основе таких гетероструктур, работающих при высоких температурах. Полученные результаты могут найти применение как в отечественных, так и зарубежных организациях, занимающихся вопросами физики полупроводниковых лазеров и технологиями получения соединений на основе ZnSe и его твердых растворов (ИФ НАН Беларуси, ИМАФ НАН Беларуси, ИФТТП НАЛ Беларуси БГУ, ФИ РАН, ФТИ РАН, Университет г. Аахен, ФРГ).
Основные положения диссертации, выносимые на защиту.
-
Легирование однородных эпитаксиальных слоев ZnSe доіюрігой или акцепторной примесью, приводит к увеличению квантового выхода люминесценции и снижению порога генерации лазеров с оптической накачкой на их основе, что обусловлено уменьшением концентрации центров безызлучательной рекомбинации при легировании слоев.
-
Основным механизмом излучательной рекомбинации и усиления при высоких уровнях оптического возбуждения в интервале температур 78-620 К в нелегированных и легироваїпіьіх эпитаксиальных слоях ZnSe, а также лазерных гетероструктурах ZnMgSSe/ZnSe с квантовыми ямами является рекомбинация в электропио-дырочной плазме.
-
Основным механизмом тепловой деградации квантоворазмерных гетероструктур ZnMgSSe/ZnSe при температурах, превышающих 450 К, является диффузия атомов S и Mg из барьерных слоев в квантовые ямы, приводящая к увеличению концентрации дефектов и центров безызлучательной рекомбинации в активной области лазера.
-
Собственное лазерное излучение приводит к снижению порога генерации в лазерах с оптической накачкой на гетероструктурах ZnMgSSe/ZnSe с квантовыми ямами после их тепловой деградации вследствие лазерного отжига дефектов, играющих роль центров безызлучательной рекомбинации.
Личный вклад соискателя. Диссертация отражает личный вклад автора в исследования, выполненные коллективом сотрудников. Он заключается в самостоятельном выполнении основной части экспериментальных и теоретических исследований, анализе и интерпретации полученных результатов, разработке программного обеспечения для автоматизации эксперимента.
Научным руководителям д-ру физ.-мат. наук Яблонскому Г. П. и каид. физ.-мат. наук Гурскому А Л. принадлежат выбор направления и постановка задач исследований, а также участие в обсуждении результатов, положений и выводов диссертации результатов, помощь в проведении экспериментальных исследований.. Канд. физ.-мат. наук Луценко Е. В. оказывал помощь в
проведении экспериментальных исследований люминесценции и лазерных свойств образцов, а также участвовал в обсуждении полученных результатов. Профессор К. Heime и сотрудники М. Heuken, Н. Kalisch, Н. Hamadeh, W. Taudt, J. Sollner, M. Luneaburger Института полупроводниковой техники Университета г. Аахен (Institut fur Halbleitertechnik, RWTH Aachen) организовывали и осуществляли выращивание всех эпитаксиальных слоев и гетероструктур, исследованных в данной работе. Сягло А. И. участвовал в выполнении расчетов спектров люминесценции гетероструктур ZnMgSSe/ZnSe. ЮвченкоВ.Н. участвовала в обработке части экспериментальных данных.
Апробация результатов диссертации. Результаты исследований, включенных в диссертацшо, докладывались на следующих конференциях: 10th Amer.Conf. on Crystal Growth, Colorado, 1996; 8th Int. Conf. on II-VI Compounds, Grenoble, 1997; 20th Int. Sci. Symp. of Students and Young Research Workers, Zelena Gura, 1998; VI Республ. конф. студентов и аспирантов "Физика конденсированных сред", Гродно, 1998; ХШ-Белорусско-литовском семинаре "Лазеры и оптическая нелинейность", Минск, 1999; 2Dd Int. Symp. on Blue Laser and Light Emitting Diodes (2nd ISBLED), Chiba, 1998; Conf. on Lasers and Electro-Optics/ Europe'98, Glasgow, 1998; II Межгос. науч.-тех. конф. по квантовой электронике, Минск, 1998; Междунар. конф. молодых ученых и специалистов "Оптика-99", г. Санкт-Петербург, 1999.
Опубликованность результатов. Основные положения и результаты диссертации отражены в 16 публикациях. По результатам работы опубликовано 4 статьи в научных журналах, 3 статьи в материалах научных конференций и 9 тезисов докладов на научных конференциях. Общее количество страниц опубликованных материалов равно 48 страниц из них автору принадлежит 30 страниц.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, пяти глав, заключения и списка использованных источников, включающего 245 наименований. Диссертация содержит 93 страницы машинописного текста, 38 рисунков на 18 страницах и 13 таблиц на 8 страницах. Общий объем диссертации составляет 133 страницы.
