Гетероструктуры с квантовыми точками InGaAs/AlGaAs/GaAs и InAs/InGaAs/InP для лазерных применений тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. А.Ф.ИОФФЕ

На правах рукописи

КОВШ Алексей Русланович , у

а

Гетероструктуры с квантовыми точками I п Са А$/А1СаАч/Саи 1пА8/1пСаА8/1пР для лазерных применений

специальность 01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор физ.-мат. наук, профессор КОПЬЕВ П.С.

Санкт-Петербург 1998

Содержание

Введение 5

Глава 1 Обзор литературы 9

1.1 Метод молекулярно-пучковой эпитаксии 9

1.1.1 Основные принципы и аппаратное обеспечение 9

1.1.2 Кинетические модели молекулярно-пучковой эпитаксии 13

1.1.3 Термодинамическая концепция роста при МПЭ 16

1.2 Полупроводниковые гетероструктуры с самоорганизующимися

квантовыми точками 23

1.2.1 Теоретические преимущества квантовых точек 24

1.2.2 Требования, предъявляемые к массивам КТ для практической реализации их преимуществ 28

1.2.3 Формирование и свойства массивов КТ (1п,Оа)Аъ в матрице ваАв 30

1.2.4 Лазеры на основе КТ ТпОаАэ в матрице ОаАэ 33

1.2.5 Диапазон длин волн, достижимый на структурах с КТ

(1п,Оа)Аз/ОаА8 39

Глава 2 Особенности проведения экспериментов 41

Глава 3 Термодинамическое описание процессов роста при молекулярно- 43

пучковой эпитаксии 3.1 Равновесный термодинамический подход к росту тройных и четверных

соединений с двумя летучими компонентами методом МПЭ 44

3.1.1 Равновесная термодинамическая модель 45

3.1.2 Результаты расчетов 49

3.1.3 Рамки применимости равновесной термодинамической концепции 57 роста при МПЭ

3.2 Новый термодинамический подход к МПЭ. Отказ от рассмотрения

равновесной ситуации 63

3.2.1 Неравновесная термодинамическая модель МПЭ роста тройных соединений с двумя летучими компонентами 64

3.2.2 МПЭ рост в условиях существования жидкой фазы на поверхности 70

3.2.3 Случай роста четверного соединения 72

3.2.4 Формирование гетерограниц между соединениями содержащими

разные летучие компоненты 74

3.2.5 Результаты расчетов 74 Глава 4. Влияние материала матрицы на свойства квантовых точек

/яСаЛ* 83

4.1 Квантовые точки 1пСаАз в матрице АЮаАз 83

4.1.1 Влияние состава АЮаАя матрицы на свойства квантовых точек

ЫСаАя 84

4.1.2 Инжекционный лазер на основе квантовых точек ЫСаАя в матрице АЮаАэ 88

4.2 Квантовые точки 1пАз на подложках СаАя, излучающие в диапазоне

1.3 мкм 94

4.3 Массивы КТ 1пАя в матрице ЫСаАя решеточно согласованной к

подложкам 1пР 101

4.3.1 Структурные и оптические свойства квантовых точек

ЫАзИпОаАяИпР 101

4.3.2 Инжекционный лазер на основе квантовых точек ЫАхИпОаАзИпР 107

Глава 5 Влияние поверхностной концентрации квантовых точек на

пороговые характеристики и усиление лазеров на их основе 112

5.1. Увеличение плотности квантовых точек InGaAs 112

5.1.1 Насыщение усиления в лазерах на основе квантовых точек 112

5.1.2 Стимулированное формирование квантовых точек InGaAs 116

5.1.3 Характеристики лазера на основе составных InhlAs!InGaAs

квантовых точек 119

5.2. Особенности усиления в инжекционных лазерах на основе самоорганизующихся квантовых точек 123

5.2.1 Теоретическая модель зависимости усиления от плотности тока

накачки 123

5.2.2 Зависимость усиления от плотности тока накачки для структур с квантовыми точками 130

Заключение 143

Литература 148

Введение

Развитие технологических методов создания полупроводниковых соединений, и прежде всего молекулярно-пучковой эпитаксии и эпитаксии из металлорганических соединений, позволило получать совершенные полупроводниковые гетероструктуры с активной областью толщиною порядка 100 А или, другими словами, структуры с квантовыми ямами [1]. В итоге оказалась возможной реализация эффектов размерного квантования в твердом теле, что инициировало огромное множество фундаментальных исследований в полупроводниковой электронике и, как результат, привело к появлению нового поколения полупроводниковых приборов. Следующий качественный прорыв в данной области связывается с использованием структур пониженной размерности, так называемых, квантовых проволок и квантовых точек. Помимо новых возможностей в исследовании фундаментальных свойств полупроводников, данный класс соединений открывает новые возможности в конструировании микроэлектронных устройств.

Основным прибором, создание которого привело к революции в области записи и передачи информации, по праву можно считать полупроводниковый лазер [1]. Одной из основных характеристик, определяющих практическое применение полупроводникового лазера, является пороговая плотность тока. Использование квантовых ям в качестве активной области привело к резкому снижению данной величины по сравнению с лазерами на основе традиционных гетероструктур, что прежде всего связано с уменьшением количества состояний, в которых необходимо поддерживать инверсную заселенность [2,3,4,5]. Однако, плотность состояний структуры с квантовой ямой определяется фундаментальными характеристиками материала и не зависит от ширины самой ямы. В случае использования массива квантовых точек в активной области полупроводникового лазера появляется принципиально новая возможность управлять количеством участвующих в лазерной генерации состояний за счет изменения количества квантовых точек. С другой стороны,

вследствие дельта-образной плотности состояний, использование массивов квантовых точек, обладающих малым неоднородным уширением, позволяет надеяться на высокие значения максимального усиления, достижимого в лазерах на их основе, а также на независимость пороговых характеристик от температуры. В итоге ожидается, что массивы квантовых точек позволят снизить пороговую плотность тока, увеличить скорость модуляции и достичь более узких спектральных ширин линий. Практическая реализация перечисленных преимуществ возможна лишь при условии, что будут созданы гетероструктуры, свойства которых близки к модельным. Дефекты, неконтролируемые примеси, случайные вариации состава могут привести к подавлению и даже полному исчезновению ожидаемых эффектов. В настоящее время метод создания квантовых точек за счет эффектов самоорганизации поверхности считается наиболее перспективным, так как позволяет получать бездислокационные трехмерные островки непосредственно в процессе выращивания. Поэтому, в качестве объекта исследования нами были выбраны массивы самоорганизующихся квантовых точек, получаемые с помощью молекулярно-пучковой эпитаксии на подложках ОаАя и 1пР. К моменту начала данной работы наибольший прогресс был достигнут при использовании самоорганизующихся квантовых точек (1п, Оа)А.ч в матрице ОаАя, выращиваемых методом молекулярно-пучковой эпитаксии, в качестве активной области инжекционных гетеролазеров. Однако, обнаруженные проблемы термического обеднения квантовых точек носителями заряда при комнатной температуре и быстрого насыщения усиления с увеличением тока накачки мешали реализации теоретически предсказанных преимуществ квантовых точек. Решению указанных проблем за счет специальных методов конструирования и режимов выращивания активной области структур с квантовыми точками и посвящена настоящая работа. С другой стороны, помимо пороговой плотности тока большое практическое значение имеет также и длина волны лазерной генерации. Самоорганизующиеся напряженные квантовые точки позволяют также значительно расширить диапазон длин волн достижимый в той или иной системе материалов, что связано

с возможностью создания бездислокационных локализующих объектов из напряженного материала со всеми латеральными размерами более 100 А, что было бы не возможно при его двумерном распределении. В настоящей работе нами будет показано, что использование квантовых точек ЬгСаАв, позволяет достичь длины волны 1.3 мкм и 2 мкм на подложках СаАя и 1пР, соответственно.

Молекулярно-пучковая эпитаксия с момента ее появления стала надежным и мощным инструментом для выращивания полупроводниковых гетероструктур и, как отмечалось выше, наибольший прогресс в создании квантовых точек был достигнут именно при ее использовании. Эффективность использования такой сложной технологии во многом определяется пониманием взаимосвязи внешних ростовых условий и параметров растущей структуры, что наиболее просто и наглядно реализуется при использовании термодинамической модели роста, в отличие от кинетической концепции. Однако, рассмотрение процесса роста как равновесного является не совсем корректным и, как нами будет показано, в отдельных случаях приводит к серьезному противоречию теории и эксперимента. Поэтому создание адекватной термодинамической модели является также актуальной задачей, чему и будет посвящена отдельная глава данной работы, в которой мы развиваем новую неравновесную термодинамическую концепцию молекулярно пучковой эпитаксии.

Таким образом, целью настоящей работы являлось исследование влияния профиля потенциала активной области и технологических режимов ее создания на пороговые и мощностные характеристики, а также спектральный диапазон лазеров на основе самоорганизующихся квантовых точек ЫСаАя, выращиваемых методом молекулярно-пучковой эпитаксии.

Для достижения поставленной цели, в ходе работы решались следующие основные

задачи:

- разработка адекватного термодинамического подхода к описанию процессов роста при молекулярно-пучковой эпитаксии;

- исследование влияния материала матрицы (АЮаАя и ¡пСаАя) на структурные и оптические свойства квантовых точек (1п,Са)Аз;

определение оптического диапазона, достижимого в структурах с квантовыми точками (1п,Оа)Аь';

- разработка метода контролируемого увеличения поверхностной плотности массивов квантовых точек {1п,Са)Ах\

- исследование приборных характеристик инжекционных лазеров на основе квантовых точек (1п,Са)А$, в том числе:

исследование влияния энергии локализации носителей на температурную зависимость пороговой плотности тока;

исследование влияния материала матрицы на длину волны генерации; исследование влияния концентрации квантовых точек на зависимость модового усиления от плотности тока накачки;

- разработка теоретической модели, описывающей зависимость усиления от плотности тока накачки для лазеров на основе самоорганизующихся квантовых точек.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Термодинамическая модель роста методом молекулярно пучковой эпитаксии четверных соединений с двумя летучими элементами.

2. Метод изменения энергетического спектра структур с квантовыми точками (1п,Оа)А$ посредством выбора материала матрицы, позволяющий подавить термическое опустошение состояний квантовых точек при высоких температурах и расширить диапазон длин волн, достижимый в структурах с квантовых точек.

3. Метод контролируемого увеличения поверхностной плотности квантовых точек (1п,Са)Аз за счет "предосаждения" более плотного массива квантовых точек (1п^Н)Аз.

4. Теоретическая модель, описывающая зависимость усиления от плотности тока накачки и влияние поверхностной концентрации квантовых точек на пороговые характеристики лазеров на их основе.

ГЛАВА 1

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Метод молекулярно-пучковой эпитаксии

1.1.1 Основные принципы и аппаратное обеспечение

Для создания модулировано легированных гетероструктур и гетеролазеров могут быть применены только эпитаксиальные технологии, позволяющие надежно контролировать толщину слоев вплоть до нанометров, а также процесс введения примесей, обеспечивая при этом высокое качество материала и резкое изменение профилей легирования и состава. В настоящее время среди наиболее распространенных методов эпитаксиального выращивания следует назвать эпитаксию из металл-органических соединений и молекулярно-пучковую эпитаксию (МПЭ). Последняя, уступая в производительности, обладает надежными методами контроля непосредственно в процессе выращивания и позволяет добиться большей однородности и воспроизводимости.

МПЭ представляет собой процесс эпитаксиального роста, основанный на химическом взаимодействии одного или нескольких атомарных (молекулярных) пучков с нагретой кристаллической подложкой [6]. Режим молекулярного пучка [7] предполагает наличие вакуума не хуже 10"4 Topp. Кроме того, желательно максимально снизить интенсивность неконтролируемых потоков молекул остаточной атмосферы, поэтому общей чертой установок МПЭ является наличие систем получения и поддержания сверхвысокого вакуума вплоть до 10"10 Topp.

МПЭ в современном понимании обязана своим появлением развитию нескольких физических и физико-химических направлений в науке. Во-первых, это развитие средств электронной диагностики, особенно методов дифракции быстрых электронов (ДБЭ), Оже-электронной спектроскопии, масс-спектрометрии, которые дали возможность детального

анализа объема, поверхности твердого тела и состава остаточной атмосферы в вакуумной ростовой камере. Развитие этих методов, в свою очередь, опиралось на достижения в области средств получения сверхвысокого вакуума, что оказалось чрезвычайно важным и для МПЭ. Во-вторых, развитие методов исследования взаимодействия газов с поверхностью при помощи молекулярных пучков необходимой интенсивности и чистоты. Комбинирование двух перечисленных направлений в существенной степени сформировало аппаратную базу МПЭ.

В делом, к началу 60-х годов сложились условия для возникновения этого нового метода выращивания полупроводниковых кристаллов, который в первоначальном своем виде был предложен К.Гюнтером в 1958 году, и назывался методом трех температур [8]. Далее мы более подробно опишем основные физические принципы и аппаратное обеспечение МПЭ, а сейчас рассмотрим основную идею метода, предложенного Гюнтером на простейшем примере выращивания СаАя. Известно, что Аз начинает интенсивно испаряться при температуре порядка 200 °С, в то время как Оа демонстрирует аналогичную скорость испарения при температурах выше 700 °С. Поэтому, если на подложку ОаАя, находящуюся при средней температуре (например, 500 °С) направить газообразный поток Ая, то в отсутствие потока Оа он просто будет переиспаряться с поверхности, в то время как Оа, осажденный на подложку в отсутствие Аз будет аккумулироваться на ней. При условии существования обеих потоков, адсорбированный атом Оа имеет возможность образовать химическую связь с поступившим на поверхность Аз, в итоге образуя слой ОаАз. Другими словами, при типичных ростовых условиях все атомы элемента III группы обладают единичным коэффициентом прилипания к поверхности подложки. При этом молекулы V группы не прилипают к поверхности в отсутствие потока атомов III группы. Таким образом скорость роста полностью определяется скоростью поступления на поверхность атомов III группы, а состав растущего соединения, например, ЫОаАз отношением потоков 1п и Оа. Избыток атомов Аз просто десорбируется с поверхности.

Таким образом, исходя из истории возникновения и основных принципов, можно легко перечислить основные функциональные узлы типичной установки МПЭ (рис 1.1.1):

- установка сверхвысокого вакуума, оснащенная разнообразными системами откачки; типично это: безмасляные форвакуумные, сорбционные, ионно-сублимационные, криогенные и турбомолекулярные насосы;

- блок испарительных ячеек, являющихся источниками молекулярных пучков различного состава и интенсивности;

- блок держателя образца - манипулятор, конструктивные элементы, для передачи образца в другие камеры;

- необходимые средства анализа химического состава и планарности поверхности, состава остаточной атмосферы и т.п. Наличие тех или иных средств анализа связано с конкретным назначением установки.

Данное аппаратное обеспечение определяет отличительные особенности метода МПЭ в сравнении с другими методами эпитаксиального выращивания:

- реализация при росте режима молекулярного пучка делает чрезвычайно удобным процесс управления его интенсивностью - посредством регулирования температуры источников или просто прерыванием пучков соответствующими заслонками.

- сверхнизкое давление в камере дает возможность использовать широкий спектр методов анализа и контроля поверхности непосредственно в процессе роста.

В итоге, основным преимуществом МПЭ, обусловившим широкое распространение этой технологии, является внутренне присущая ей возможность управления профилем состава и легирования выращиваемой структуры на монослойном уровне. Резкое изменение состава и (или) уровня и типа легирования осуществляется открыванием или перекрытием соответствующих потоков заслонкам, которыми снабжена каждая ячейка. Время срабатывания заслонок (< 1с) существенно меньше скорости выращивания одного

Виа спЕрЕди Виа слЕва

Рис. 1.1.1. Схематическое изображение установки молекулярно-пучк