Лазеры с оптической накачкой на эпитаксиальных слоях ZnSc и гетероструктура с квантовыми ямами ZnMgSSe/ZnSe тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК БЕЛАРУСИ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ им. Б. И. СТЕПАНОВА

РГВ ол

УДК 621.373.826+535.37:539.216.2 ,

АВГ 2.10;]

МАРКО Игорь Павлович

ЛАЗЕРЫ С ОПТИЧЕСКОЙ НАКАЧКОЙ НА ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СЛОЯХ гпвс И ГЕТЕРОСТРУКТУРАХ С КВАНТОВЫМИ ЯМАМИ 7пМй88е/Хп8с

01.04.21 - лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Минск-2000

Работа выполнена в Институте физики им. Б. И. Степанова НАН Беларуси

Научные руководители: доктор физико-математических наук,

профессор Яблонский Геннадий Петрович

кандидат физико-математических наук Гурский Александр Леонидович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Орлов Лев Николаевич

кандидат физико-математических наук Демидович Александр Анатольевич

Оппонирующая организация:- Беларусский государственный университет

информатики и радиотехники

Защита состоится "Ü?" 04 2000 г. в МО часов на заседании Совета по защите диссертаций Д 01.05.01 в Институте физики им. Б. И. Степанова HAH Беларуси по адресу. 220072, Минск, проспект Ф.Скорины, 68, к.__. Тел. 284-09-58.

С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке им. Я. Коласа HAH Беларуси

Автореферат разослан " (9 " 2000 г.

Ученый секретарь совета по защите диссертаций д-р физ.-мат. наук профессор

А. А. Афанасьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 инжекциошшх 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, концентрацией 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 HAH 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.

1. Исследовать спектры краевой и примесной фотолюминесценции, а также спектры генерации легированных и нелегированных гетероэпитаксиальных слоев ZnSe/GaAs, выращенных методом газофазной эпитаксии из элементо органических источников, в зависимости от температуры и интенсивности возбуждающего излучения; определить влияние тана 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.

2. Определить влияние ширины квантовых ям, высоты барьеров, типа гетероструктуры на интенсивность и спектры фотолюминесценции, порога генерации лазеров на основе гетероструюур Zni_xMgxSySet.y/ Zrii.pMgpSqSej^/ZnSe в широком температурном диапазоне от 78 до 620 К.

3. Рассчитать энергии квантования носителей заряда и энергии связи экситонов, спектры краевого излучения гетероструктур Zni_xMgxSySei_y/ Zai.pMgpSqSei_q/ZnSe в зависимости от глубины и ширины квантовых ям, а также интенсивности возбуждения.

4. 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 Zri],xMgxSySe ] .y/Zni.pMgpSqSei^/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 запрещешгой зоны волноводных слоев гпМ^БЗе. 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 ваЛя. 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 фотолюминесценции и генерации в широком интервале температур и интенсивностей возбуждающего излучения. Определение 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 гетероструктур ¿н^^^^уЗс].,/ 2п1.р1\<%р8ч8е1.ч/7п5е 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 2п5еЛЗаАз. 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 гпМсББе между слоем Zn.Se и подложкой предотвращает эффект "растекания" электронно-дырочной плазмы и способствует увеличению ее плотности.

3.Установлено, что при высоких интенсивностях возбуждающего излучени основ1шм 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=78-620 К является рекомбинации в электронно-дырочной плазме.

4.Показано, что при наличии малых внутренних оптических noTepj (около 5 см'1) величина порога генерации лазеров с оптической накачкой н; основе гетероструктур ZnMgSSe/ZnSe с квантовыми ямами определяете; главным образом параметром оптического ограничения. Для исследованныэ структур установлены предельные значения параметра оптическоп ограничения (Г > 0.06) и ширины квантовой ямы (d > 4 нм), необходимые щи получения лазерного эффекта. Впервые получена генерация в гетероструктур а? 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 эмштерны? слоев. Это приводит к увеличению концентрации дефектов в активной области, уменьшению интенсивности фотолюминесценции гетероструктур 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 элекфоники. 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 гпБе/гпМдЗЗе при высоких температурах, может быть положено в основу разработки методов изготовления лазеров на основе таких гетероструктур, работающих при высоких температурах. Полученные результаты мотуг найти применение как в отечественных, так и зарубежных организациях, занимающихся вопросами физики полупроводниковых лазеров и технологиями получения соединений на основе ЕпБе и его твердых растворов (ИФ НАН Беларуси, ИМАФ НАН Беларуси, ИФТТП НАН Беларуси БГУ, ФИ РАН, ФТЙ РАН, Университет г. Аахен, ФРГ).

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1. Легирование однородных эпитаксиальных слоев Епйе донорной 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.

2. Основным механизмом излучательной рекомбинации и усиления при высоких уровнях оптического возбуждения в интервале температур 78-620 К в нелегированных и легироватптых эпитаксиальных слоях а также лазерных гетероструктурах гпМ^БЗе/гпЗе с квантовыми ямами является рекомбинация в электронно-дырочной плазме.

3. Основным механизмом тепловой деградации квантоворазмерных гетероструктур 2пМ§88е^п8е при температурах, превышающих 450 К, является диффузия атомов Б и Мя из барьерных слоев в квантовые ямы, приводящая к увеличению концентрации дефектов и центров безызлучательной рекомбинации в активной области лазера.

4. Собственное лазерное излучение приводит к снижению порога генерации в лазерах с оптической накачкой на гетероструктурах ¿МЛ^Бе^пБе 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 канд. 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, H. Kaiisch, H. Hamadeh, W. Taudt, J. Sollner, M. Lunenburger Института полупроводниковой техники Университета г. Аахен (Institut für 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 диссертацию, докладывались на следующих конференциях: 10th Amer.Conf. on Crystal Growth, Colorado, 1996; 8th Int. Conf. on II-VI Compounds, Grenoble, 1997; 20th Int. Sei. 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; 2nd 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 пих 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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении и общей характеристике работы обосновывается актуальность темы диссертации, показывается связь работы с научными программами и темами, формулируются цель и задачи исследования, приводятся сведения об объекте, предмете и методах исследования, обосновывается научная новизна и практическая значимость результатов, а также формулируются основные положения диссертации, выносимые на защиту, приводятся сведения о личном вкладе автора, апробации и опубликованности результатов работы, о структуре и объеме диссертации.

В первой главе "Полупроводниковые лазеры на основе ZnSe", которая является обзорной, рассматриваются методы получения объемных кристаллов ZnSe для гомоэпитаксиального роста, методы получения и легирования

эпитаксиалышх гетероструктур на основе 2п8е, их преимущества и недостатки, а также основные технологические проблемы и трудности, препятствующие созданию лазеров с продолжительным сроком службы. Приводится обзор возможных механизмов усиления в структурах на основе 2пБе, основных достижений по исследованию лазеров с различными видами накачки (электронной, оптической и инжекцией тока) на основе /Ме. На основании анализа основных проблем и достижений, приведенных в обзоре, формулируется цель работы и основные задачи исследования.

Во второй главе "Методика эксперимента" описываются исследуемые эпитаксиальные слои и гетероструктуры, экспериментальные установки и методы измерений, основные измеряемые величины, а также проводится оценка погрешностей измерений. Последовательность слоев и схематическая зонная диа1рамма квантоворазмерной гетероструктуры 7пМ§88е/2п8е с раздельным электронным и оптическим ограничением приведена на рис. 1. Основной объем экспериментальных работ - исследования интегральных и разрешенных по времени спектров фотолюминесценции (ФЛ) и генерации, спектров усиления, измерение пороговых характеристик, зависимостей интегральной интенсивности излучения от температуры - проводился при импульсном возбуждении излучением азотного лазера в интервале температур от 78 до 620 К. Исследования спектров фотолюминесценции при непрерывном возбуждении излучением Не-С(1 лазера проводились в интервале температур от 10 до 300 К. При изготовлении лазеров образцы предварительно утонялись со стороны подложки до толщины 50-100 мкм и скалывались вдоль плоскостей спайности. Сколотые грани выполняли роль зеркал резонатора. Длины резонаторов составляли от 190 до 1000 мкм. Лазерный луч фокусировался в полоску толщиной 80-300 мкм перпендикулярно сколотым граням. Анализировалось излучение, выходящее как из сколотой грани, так и с поверхности образца.

Третья глава диссертации "Генерация света и фотолюминесценция в гетероэгаггаксиальных слоях гпве/СаАв" посвящена изучению лазерных свойств и фотолюминесценции однородных нелегированных и легированных хлором (донор) или азотом (акцептор) эпитаксиалышх слоев ХпЯе.

В низкотемпературных спектрах всех нелегированных и легированных эшггаксиальных слоев доминировали линии, соответствующие аннигиляции свободных экситонов, экситонов, связанных на мелких примесных центрах, и переходы донорно-акцепторных пар (ДАЛ) (в образцах, легированных азотом), и отсутствовали полосы ФЛ с участием глубоких центров, которые наблюдаются в объемных кристаллах, что демонстрирует высокое качество эпитаксиалышх слоев. В слоях гпБе'К основным каналом примесной рекомбинации при температурах Т= 10-40 К являлась рекомбинация ДАЛ, с ростом температуры доминирующими становились переходы зона проводимости - акцептор. В образцах 7п8е:М, отожженных в атмосфере азота

при Т=400°С, во всем интервале температур Т=10-100 К основным механизмом примесной рекомбинации является рекомбинация ДАЛ.

©00©

3.68 эВ п 1Ч2-лазер

«

сг>

ГО

го

®000а

т

СТ> 1П

о

СП

ф© ©©

ф©@ ®

150 нм

ш»

▼ ▼ ▼ 1 п г-

2.7 эВ

8 х 5нм

150 нм

МКЯ 75 нм

40 нм

«л "во

а? О

т. сп

ГТ)

о о

хп С/5

гп О

ьВ о

£ Б"

• ЧО . . о ■ оч .

■ ■ -о а . ф : В ■

Ы N

Рис. 1 Схематическая зонная диаграмма и последовательность слоев гетерострукгуры ZnMgSSe/ZnSe с квантовыми ямами и раздельным электронным и оптическим ограничением.

При определении механизма рекомбинации при Т=78-300 К и его зависимости от интенсивности накачки проводились измерения спектров люминесценции в экситонной области для легированных и нелегированных образцов и анализ положения их максимумов и ширины линий в зависимости от уровня возбуждения (1в). Были выполнены также оценки концентрации неравновесных носителей заряда (ННЗ), соответствующей переходу Мотта. При 78 К и низких уровнях возбуждения положение и ширина спектров не изменялись существенно с ростом 1в и основным и каналом рекомбинации являлась аннигиляция свободных экситонов. При 1в > 10 - 40 кВт/см2

наблюдался длинноволновый сдвиг спектров ФЛ и их уширение, свидетельствующие о смене механизма рекомбинации и возникновении электронно-дырочной плазмы (ЭДП). Расчетная величина критической концентрации НЮ для перехода Мотга, равная 5х101бсм'3, достигается при интенсивности возбуждения 1В = 35 кВт/см2, что хорошо согласуется с экспериментом. При интенсивностях возбуждения 1„ = 200-1000 кВт/см2 наблюдалась стабилизация положения максимума ФЛ, что обусловлено эффектом растекания ЭДП в подложку и стабилизацией концентрации ННЗ.

При изучении интегральной интенсивности ФЛ в зависимости от температуры было установлено, что легирование как хлором, так и азотом не только не приводило к уменьшению интенсивности излучения, а, напротив, способствовало ее увеличению по сравнению с нелегированными образцами, Интегральная интенсивность ФЛ в легированных эпитаксиальных слоях при Г=10 К в 2-10 раз превышала интенсивность люминесценции в нелегировашшх образцах. Такое же соотношение интенсивностей ФЛ наблюдалось во всем штервале температур от 78 до 620 К. Таким образом, легирование ZnSe как юнорной, так и акцепторной примесью приводит к увеличению времени жизни ^равновесных носителей заряда, росту их концентрации и увеличению щтенсивности люминесценции, что обусловлено улучшением качества слоя 1ри легировании и уменьшением концентрации центров безызлучательной >екомбинации.

Для снижения порога генерации существенно важным является увеличение :онцентрации ННЗ и предотвращения растекания ЭДП в узкозонную подложку три высоких уровнях возбуждения. С целью нахождения средств для меньшения влияния этого эффекта были специально изготовлены и сследованы образцы с различными концентрациями легирующей примеси, а акже эпитаксиальные слои ZnSe, имеющие широкозонный барьерный слой из tiMgSSe, отделяющий ZnSe-область от подложки. Анализ концентрации осителей заряда проводился по длинноволновому сдвигу максимума спектра >Л, который обусловлен сужением запрещенной зоны с ростом концентрации осителей заряда. Оказалось, что использование широкозонного барьера и ггирование снижают растекание ЭДП и способствуют увеличению ее потности. Концентрации ННЗ при уровне возбуждения около 500-1000 кВт/см2 нелегированном слое ZnSe с барьерным слоем и сильнолегированном азотом Зразце были, соответственно, в 11 и 65 раз выше по сравнешпо с ^легированным слоем ZnSe. Использование широкозонного слоя позволяет сдать потенциальные барьеры для электронов и дырок, что препятствует ютеканию ЭДП в подложку. В легированных образцах высокие концентрации ГО объясняются как увеличением их времени жизни, так и уменьшением их )движности при легировании, что снижает скорость растекания ЭДП.

По изменению параметра наклона высокоэнергетического спада полосы ЗД с ростом уровня возбуждения была оценена ее эффективная температура. )евышение температуры электронно-дырочной плазмы над температурой

решетки при увеличении плотности мощности излучения до 1000 кВт/см2 достигало 40-50 градусов как при Т=78 К, так и при Т=300 К.

При изучении влияния легирования эпитаксиальных слоев на параметры лазеров с оптической накачкой, созданных на их основе, было установлено, что порог генерации во всех легированных образцах был в два и более раза ниже но сравнению с нелегированными образцами. Наименьшая величина порога генерации была достигнута в лазере на основе легированного азотом 2пБе и составила 130-150 кВт/см2 при температуре 78 К. В некоторых нелегированных образцах лазерный эффект вообще не достигался. Режим генерации в легированных эпитаксиальных слоях наблюдался почти до комнатной температуры. В нелегированных образцах лазерный эффект был получен только при низких температурах. Поскольку все образцы, легированные азотом, являлись компенсированными и высокоомными в отличие от образцов, легированных хлором, которые имели высокое удельное сопротивление лишь при низкой температуре, можно считать, что основной причиной уменьшения порога генерации в легированных образцах является увеличение времени жизни НЮ вследствие уменьшения концентрации центров безызлучательной рекомбинации и "залечивания" дефектов решетки при легировании слоев. Вероятнее всего легирование приводит к подавлению формирования дислокаций. Известно, что концентрация центров безызлучательной рекомбинации вокруг дислокаций очень велика. Кроме того, частичное снижение порога генерации в легированных образцах может быть вызвано уменьшением скорости растекания ЭДП.

Во всех исследованных эпитаксиальных слоях положите лазерных линий соответствовало длинноволновому крылу спектра рекомбинации в ЭДП и более длинным волнам по сравнению с линиями, соответствующими различным экситонным механизмам. При сильном уровне возбуждения в спектре генерации образцов, легированных азотом, присутствовала низкоэнергетическая линия стимулированного излучения, соответствующая по своему положению переходам зона проводимости - акцептор.

При накачке близкой к порогу генерации не наблюдалось существенной деградации лазеров в течение 30-40 мин. импульсной работы (1.8-2.4x10® импульсов). При уровне возбуждения, в 2 раза превышающем порог генерации, интенсивность ФЛ уменьшалась на 10% за ЗхЮ6 импульсов вследствие образования дефектов в приповерхностном слое. Интенсивность генерации за это время уменьшалась на 50%. При высоких интенсивностях возбуждающего излучения большое число носителей заряда генерируется в очень тонком приповерхностном слое. Большая часть энергии НТО преобразуется в тепло вследствие их термализации. В результате перегрева возбужденной области температурный градиент и термоупругие напряжения могут быть очень высокими, вызывая образование дислокаций и точечных дефектов, что приводит к деградации лазеров.

В работе были проведены расчеты перегрева возбужденной области и величин термоупругих напряжений под воздействием импульсного лазерного

излучения. Температура на поверхности образца достегала своего максимума в конце импульса накачки в центре лазерного пятна. При температуре 78 К максимальные величины перегрева возбужденной области составили ЛТ=15К для 1„=150 кВт/см2 и ДТ=80 К для 1„=800 кВт/см2. Проведенные оценки механических напряжений показали, что даже при малых значениях температурного градиента величина термоупругих напряжений в кристалле сравнима с порогом текучести для полупроводников под действием механических напряжений и может бьггь причиной образования дефектов в приповерхностном слое лазеров с оптическим возбуждением.

Четвертая глава "Фотолюминесценция гетероструктур гп^^ББе^пБе" посвящена изучению ФЛ различных типов гетероструктур с различной шириной и числом КЯ, с разным составом и шириной барьерных, волноводных и эмитгерных слоев в интервале температур от 12 до 620 К, поскольку лазерные свойства структур связаны с их люминесцентными свойствами и зависят от многих параметров структур.

Энергия связи экситонов в КЯ Еех определялась в рамках модели пространства с нецелочисленной размерностью [1]:

ширина КЯ, учитывающая проникновение огибающих волновых функций электронов и дырок в барьерные слои, аз - боровский радиус. Для определения параметра размерности пространства а решалось уравнение Шредингера для электронов и дырок в одномерной прямоугольной КЯ с барьерами конечной высоты. Энергии связи экситонов, содержащих тяжелые и легкие дырки, имеет максимум при ширине КЯ 2-10 нм, величина которого зависит от величины скачка запрещенной зоны. Величина Еех в зависимости от параметров КЯ в исследованных структурах составляла 19-26 мэВ. Из сопоставления расчетных значений энергий экситонных переходов с положением линий ФЛ при Т=14 К было установлено, что отношение скачка зоны проводимости к общему скачку запрещенной зоны в КЯ 2п8е/2п1У^88е составляет 13-14%.

При исследовании низкотемпературных спектров ФЛ различных гетероструктур обнаружено, что в гетероструюурах с шириной КЯ с! > 4 тш основной причиной уширения экситонного спектра является взаимодействие экситонов с продольными оптическими фононами, приводящее к однородному уширению спектра с ростом температуры. В узких КЯ с шириной менее 4 нм преобладало неоднородное упшрение спектров, обусловленное флуктуациями ширины КЯ и композиционного состава барьерных слоев. В КЯ шириной 2.5 нм спектр излучения был в 10 раз шире по сравнению со спектром излучения из КЯ шириной 8 нм. В структурах, в которых преобладало неоднородное уширение экситонного спектра, лазерный эффект получить не удавалось.

-¿У

/2а,

(1)

где Ео - энергия связи экситона в объемном материале, (Г - эффективная

Как и в случае эпитаксиальных слоев с ростом уровня возбуждения в квантоворазмерных гетероструктурах наблюдалась смена экситонного механизма излучения рекомбинацией в ЭДП. При возрастании уровня возбуждения полоса ЭДП становилась преобладающей и значительно уширялась. На основе сравнения экспериментальных и расчетных спектров люминесценции были оценены времена жизни возбужденных носителей заряда в квантовой яме и эмиттере, а также коэффициент межзонной рекомбинации. Их величины в зависимости от уровня возбуждения и типа структуры были, соответственно, равны тя=9-53 пс, тэ=0.6-13 пс и у=0.2-1.8Х10"6 смV.

Пятая глава "Лазеры с оптической накачкой на основе гетероструктур ZnMgSSe/ZnSe с квантовыми ямами" посвящена исследованию лазерных свойств эпитаксиальных гетероструктур типа ZnSe/Zni.pMgpSqSei^/ {Zni.xMgxSySei.y/ZnSe}N/Zni.xMgxSySei.y/Zni.pMgpSqSei41/ZnSe/GaAs при

оптическом возбуждении в широком интервале температур 78-620 К.

Лазерный эффект в двойных гетероструктурах (ДГ) был получен до температур 150-250 К. Величина порога генерации в ДГ была выше в 3-4 раза, чем в гетероструктурах с волноводными слоями. Быстрый рост лазерного порога с температурой в этих структурах приводил к невозможности получения лазерного эффекта при высоких температурах. Наименьшие пороги генерации были получены в гетероструктурах с раздельным ограничением и составили 6 и 20 кВт/см2, соответственно, для температур 78 и 300 К. В гетероструктурах с раздельным ограничением с барьерами и волноводами из тройного соединения ZnSSe и эмиттерами из ZnMgSSe генерация регистрировалась вплоть до температуры 375 К. При использовании четверного соединения в качестве волноводных и эмиггерных слоев температурный предел генерации повышался до 577 и 612 К (рис. 2). Порог генерации у всех исследованных гетероструктур был ниже, чем в эпитаксиальных слоях ZnSe.

Для установления факторов, влияющих на величину порога генерации были проведены измерения коэффициента усиления в различных гетероструктурах, выполнены оценки параметра оптического ограничения и внутренних оптических потерь. Экспериментальное определение спектров усиления проводилось с помощью метода возбуждения полоски переменной длины. В ГРО величина коэффициента усиления составила 200-300 см'1. Для оценок параметра оптического ограничения Г использовалась приближенная формула для многослойной волноводной структуры [2]:

;n = (NAne+N6d6n6 + NBdBn.)/d, d = NJ!dJI + N6d6+NBdB> (3)

Г

2' а

(2)

Длина волны [нм]

500 490 480 470 460 450 440

2 х

к—I

из &

о

X

т

0 X

1

з:

гпМдЗЗе/гпМдЗве/гпЗе ГРООКЯ;

й=40 нм

^-пазер

где 14, с1, п - число и толщина слоев, а также их показатель преломления (индексы я, б, в - означают яму, барьер и волноводный слой, соответственно). Используя формулу для коэффициента усиления в пороге генерации

Гёпор=а;+(1/Ь^)1п(1/К), (4)

где а; - коэффициент внутренних оптических потерь, Х^рез. -длина лазерного резонатора, И - коэффициент отражения зеркал (в данном случае сколотых

боковых граней, образующих резонатор), были оценены внутренние оптические

потери в лазерах. Их величина составила около 5 см"'. Сравнение экспериментальных данных и расчетов показали, что при наличии малых внутренних

оптических потерь величина порога генерации

определяется, главным

образом, параметром

оптического ограничения. Для структур с наименьшими порогами величина Г была максимальна (0.17 и 0.13). Лазерный эффект в структурах, для которых параметр Г был менее 0.06, не г достигался. При комнатной энергия импульса 5-10 нДж, импульсе была

200 400 воо т [К]

2.48 2.56 £64 272 2.80

Энергия кванта [нм]

температуре лазерного составляла мощность в 0.6-1.2 Вт.

В лазерах с длиной резонатора менее 200 мкм удалось зарегистрировать хорошо разрешенную

модовую структуру излучения при накачке, близкой к пороговой (рис. 3), и впервые определить температурную зависимость группового показателя преломления в активной области квантоворазмерного лазера на основе 2п8е в интервале температур 78400 К, используя формулу для межмодового расстояния в резонаторе Фабри-Перо. Знание группового показателя преломления является важным, например,

Рис. 2 Спектры ФЛ и генерации ГРО-ОКЯ при Т=78-577 К. Вставка: зависимость порога генерации ГРО-МКЯ лазера от температуры.

при расчетах параметров лазеров с вертикальным резонатором или < распределенной обратной связью.

Для определения механизма усиления в лазерах на основе различию гетероструктур гпМ^Зе/ХлЗе был проведен анализ положения линий рекомбинации, соответствующих экситошшм механизмам усиления: экситон-элеюронному, экситон-экситонному, экситон-фононному рассеянию и аннигиляции биэкситонов. Из сопоставления экспериментальных спектров ФЛ с расчетными были выполнены оценки концентрации неравновесных носителей заряда. Установлено, что во всех гетероструктурах положение пика генерации

не соответствует ни одному из

с[ Ф

х

ё

о

0

1 т

о

X р

X

Длина волны [нм]

461 460 459 458 457

——I---1-■-1 ' I --г-

гпМдЗЗе/гпМдЗЭе/гпЗе ГРО-МКЯ Цез=200 мкм

экситонных каналов

рекомбинации. Кроме того, оценки концентрации ННЗ, полученные из сравнения экспериментальных и расчетных спектров

люминесценции, показали, что при уровне возбуждения, при котором появляется стимулированное излучение, в КЯ создаются концентрации носителей,

достаточные для экранирования экситонов. Таким образом, при уровнях возбуждения, близких к порогу генерации, в

гетероструктурах ХпЬ/^Я.Че^пЯе вклад экситонных механизмов в спектр излучения уменьшается и основным механизмом усиления является рекомбинация

электронно-дырочных пар.

При температурах,

превышающих 450 К, когда происходит резкое увеличение порога генерации исследованных квантоворазмерных лазеров, наблюдается также резкое необратимое уменьшение

интенсивности интегральной ФЛ. При работе лазеров после их нагрева до температур 450-620 К обнаружен новый эффект, когда в процессе работы лазера от импульса к импульсу наблюдалось сильное возрастание интенсивности излучения. Увеличение интенсивности излучения, выходящего из резонатора,

2.685 2.695 2.705 2.715

Энергия кванта [эВ]

Рис. 3 Спектры лазерного излучения для ТЕ и ТМ поляризаций. Вставка: зависимость интенсивности излучения из резонатора от уровня накачки для двух направлений поляризации.

достигало 20 раз. При этом наблюдалось уменьшение порога генерации и его восстановление до прежней величины. При отсутствии лазерного эффекта в структуре не происходило увеличения интенсивности ее свечения. Таким образом, рост интенсивности излучения и уменьшение порога генерации обусловлены только воздействием собственного лазерного излучения.

Для выяснения механизмов и причин тепловой деградации лазеров при их нагреве до температур Т=450-620 К были проведены исследования спектров ФЛ и генерации лазерных структур после различных режимов отжига и воздействия собственного лазерного излучения. Оказалось, что термический отжиг и лазерный режим работы приводят к "синему" сдвигу линии ФЛ и генерации из КЯ и к "красному" сдвигу линий излучения барьерных, волноводных и эмитгерных слоев. Такие изменения положений линий объясняются перераспределением композиционного состава между слоями, приводящим к изменению ширины запрещенной зоны отдельных слоев, и являются следствием диффузии атомов Б и из барьерных, волноводных и эмиттерных слоев в активную область. Из вышесказанного следует также, что собственное лазерное излучение приводит к снижению концентрации дефектов, появляющихся в результате теплового отжига, и тем самым к снижению концентрации центров безызлучательной рекомбинации, увеличению квантового выхода люминесценции и снижению порога генерации. Анализ влияния нагрева на спектры различных гетероструктур показал, что наиболее заметные изменения активной области в результате диффузии происходят в гетероструктурах с узкими квантовыми ямами, независимо от их числа.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты и выводы, полученные в ходе выполнения данной работы, состоят в следующем.

1. Впервые получена генерация при оптическом возбуждении в эпитаксиальных слоях ?л8е, легированных хлором или азотом. Показано, что легирование как донорной, так и акцепторной примесью приводит к увеличению квантового выхода люминесценции и снижению порога генерации лазеров. Минимальный порог генерации при Т=78 К, равный 130-150 кВт/см2, получен в лазере на основе 2п8е:К Деградация лазеров при уровнях возбуждения, превышающих 500 кВт/см2, обусловлены перегревом возбуждаемой тонкой приповерхностной области, высоким градиентом температуры и возникновением термоупругих напряжений. [1А-ЗА, 8А, 9А]

2. Установлено, что основным механизмом рекомбинации и усиления в интервале температур Т=7 8-300 К при высоких уровнях оптического возбуждения в нелегированных и легированных гетероэпитаксиалышх слоях /лЯе/ОнАя является рекомбинация в электронно-дырочной плазме, плотность которой может быть увеличена за счет легирования и использования широкозошюго барьерного слоя, отделяющего активную область от подложки. В гетероструктурах ZnMgSSe/ZnSe с квантовыми ямами при уровнях

возбуждения близких к порогу генерации вклад экситонных механизмов в спектр излучения уменьшается и основным механизмом усиления в лазерах с оптической накачкой на их основе во всем интервале температур Т=7 8-620 К является рекомбинация в электронно-дырочной плазме. [1А-5А, 8А-11А, 15 А]

3. Установлены минимальное значение параметра оптического ограничения Г=0.06 и минимальная ширина квантовой ямы d=4 им, требуемые для получения лазерного эффекта в гетер о стру icry р ах ZnMgSSe/ZnSe. При ширине квантовой ямы менее 4нм наблюдалось сильное неоднородное уширение спектров люминесценции вследствие флуктуации ширины квантовой ямы и состава барьерных слоев. В структурах с раздельным оптическим и электронным ограничением с использованием четверного соединения ZnMgSSe в качестве волноводных и эмиттерных слоев (Г=0.13-0.17) генерация была получена до рекордно высоких температур Т=577-612К, что на 77-112 К превышает значения, известные из литературы. Наименьшие пороги генерации составили 5-10 кВт/см2 и 20-30 кВт/см2 для температур Т=78 К и Т=ЗООК соответственно. Коэффициент усиления в пороге генерации был равен 200300 см"1, а внутренние оптические потери в лазерах составили около 5 см"1. Установлено, что в условиях малых внутренних оптических потерь величина порога генерации определяется, главным образом, величиной параметра оптического ограничения. [4А-7А, 11А-13А]

4. Впервые определена зависимость группового показателя преломления в активной области лазера на основе ZnMgSSe/ZnSe с многими квантовыми ямами от температуры в интервале Т=78-400 К. [6А, 7А, 13 А]

5. Показано, что резкое необратимое уменьшение интенсивности фотолюминесценции гетероструктур на основе ZnMgSSe/ZnSe и резкий рост порога генерации при температурах 450-620 К в лазерах с оптической накачкой на их основе обусловлены изменениями химического состава квантовых ям и увеличением концентрации центров безызлучательной рекомбинации вследствие диффузии атомов S и Mg в квантовые ямы из барьерных и волноводных слоев. [6А, 13А, 16А]

6. Обнаружено, что под воздействием собственного лазерного излучения происходит увеличение мощности излучения и уменьшение порога генерации в лазерах с оптической накачкой на основе гетероструктур ZnMgSSe/ZnSe с многими квантовыми ямами после их тепловой деградации при Т=450-620 К. При этом наблюдается восстановление излучательных свойств гетероструктур и порога генерации лазеров. [7А, 13 А, 16А]

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Mathieu Н., LefebvreP. and ChristolP. Simple analytical method for calculation exciton binding energies in semiconductor quantum wells // Phys. Rev. B. - 1992. - V. 46,№11. -P. 4092-4101.

2. Афоненко А. А., КононенкоВ. К., МанакИ. С. Теория полупроводниковых лазеров. - Минск, 1995. - 108 с.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи в журналах и материалах научных конференций

1А. Near-band-edge photoluminescence of MOVPE-grown undoped and nitrogen-doped ZnSe / A. L. Gurskii, I. P. Marko, V. N. Yuvchenko, G. P. Yablonskii, H. Hamadeh, W. Taudt, J. Sollner, H. Kalisch, M. Heuken H 1 Ciyst. Growth. -1997. - V.174. -P. 757-762.

2A. Optical-pumped lasing of doped ZnSe epilayers grown by MOVPE /

G. P. Yablonskii, A. L. Gurskii, E. V. Lutsenko, I. P. Marko, H. Hamadeh, W. Taudt, J. Sollner, H. Kalisch, M. Heuken // J. Cryst. Growth. - 1997. - V. 174. - P. 763-767. ЗА. Optically-pumped lasing of doped ZnSe epitaxial layers grown by metal-organic vapour-phase epitaxy / G. P. Yablonskii, A. L. Gurskii, E. V. Lutsenko, I. P. Marko,

H. Hamadeh, J. Sollner, W. Taudt, and M. Heuken // Phys. Stat. Sol. (a) - 1997. -V.159. -543-557.

4A. Marko I., Kalisch H., Lunenbiirger M. MOVPE growth, optical properties and lasing of ZnSe/ZnMgSSe separate confinement heterostructures // 20th Int. Sci. Symp. of Students and Young Research Workers. V. П. Electronical Engineering and Electronics. Zelena Gura. - 1998. - P. 114-118.

5A. High-temperature optically pumped lasing in ZnMgSSe/ZnSe heterostructures grown by metalorganic vapour phase epitaxy / A. L. Gurskii, I. P. Marko, E.V.Lutsenko, G. P. Yablonskii, H. Kalisch, H. Hamadeh, M. Heuken // Appl. Phys. Lett. - 1998. - V.173, №11 - P. 1496-1498.

6A. Optically-pumped lasing of MOVPE grown ZnSe/ZnMgSSe heterostructures at high temperatures / G. P. Yablonskii, I. P. Marko, E. V. Lutsenko, A. L. Gurskii, M. Heuken, H. Kalisch, H. Hamadeh, M. Lfinenbtirgcr, K. Heime // Proc. of the 2nd Int. Symp. on Blue Laser and Light Emitting Diodes, Chiba. - 1998. - P. 532-535. 7A. Лазеры с огггаческой накачкой на основе ZnSe/ZnMgSSe гетероструктур, выращенных методом MOVPE / И. П. Марко, Е. В. Луценко, А. Л. Гурский, Г. П. Яблопский, М. Heuken, Н. Kalisch, Н. Hamadeh // Тр. ХШ-Белорусско-литовского семинара "Лазеры и оптическая нелинейность", Минск. - 1999. - С. 113-116.

Тезисы докладов

8А. Near-band-edge photoluminescence of MOVPE-grown undoped and doped ZnSe / A. L. Gurskii, I. P. Marko, V. N. Yuvchenko, G. P. Yablonskii, H. Hamadeh, W. Taudt, M. Heuken // Abstr. 10th Amer. Conf. on Crystal Growth, Colorado. -1996. - P. 85.

9A. Optical-pumped lasing of doped ZnSe epilayers grown by MOVPE / G. P. Yablonskii, A. L. Gurskii, E. V. Lutsenko, I. P. Marko, H. Hamadeh, J. Sollner, W. Taudt, M. Heuken // Abstr. 10th Amer. Conf. on Crystal Growth, Colorado. -1996.-P. 95.

10A. Lasing and optical properties of MOVPE ZnSe/ZnMgSSe QW heterostructures at high optical excitation / G. P. Yablonskii, A. L. Gurskii, I. P. Marko,

Е. V. Lutsenko, H. Hamadeh, H. Kalisch, M. Heuken // 8th Int. Conf. on ПЛЛ Compounds. Programme and Abstracts, Grenoble. - 1997. - P.236. IIA. Марко И. П. Полупроводниковые лазеры с оптической накачкой на основе гетероструктур ZnMgSSe/ZnMgSSe/ZnSe с одной квантовой ямой. Физике конденсированных сред II Физика конденсированных сред: Тез. докл. VI Респ конф. студентов и аспирантов, Гродно, 22-24 апр. 1998 г. / ГрГУ. - Гродно. 1998. - С. 125.

12А. basing and photoluminescence at T=77-650 К in MOVPE ZnSe/ZnMgSSe heterostructures / G. P. Yablonskii, I. P. Marko, E. V. Lutsenko, A. L. Gurskii, H. Kaiisch, M. Heuken, K. Heime // Conf. on Lasers and Electro-Optics Europe'98. Glasgow. - 1998. - CTuG5.

13A. Optically-pumped lasing of MOVPE grown ZnSe/ZnMgSSe heterostructures al high temperatures / G. P. Yablonskii, I. P. Marko, E. V. Lutsenko, A. L. Gurskii, M. Heuken, H. Kalisch, H. Hamadeh, M. Lünenbürger, К. Heime // 2nd Int. Symp. or Blue Laser and Light Emitting Diodes, Chiba. - 1998. - Th-P22. I4A. Марко И. П., Kalisch H. Температурная зависимость порога генерации ъ лазерах с оптической накачкой на основе ZnSe/ZnMgSSe гетероструктур h Квантовая электроника: Материалы П Межгос. науч.-тех. конф., Минск, 23-25 нояб. 1998 г. / Под ред. И. С. Манака. - Мн.: Белгосуниверситет, 1998. - С.66. 15А. Марко И. П., Сягло А. И., Kalisch H., Hamadeh H. Расчет спектров фотолюминесценции ZnSe/ZnMgSSe гетероструктур // Квантовая электроника: Материалы II Межгос. науч.-тех. конф., Минск, 23-25 нояб. 1998 г. / Под ред. И. С. Манака. - Мн.: Белгосуниверситет, 1998. - С.71.

16А. Марко И. П., Калиш X. Влияние термического отжига на лазерные свойства, фотолюминесценцию и структуру ZnMgSSe/ZnSe гетероструктур // Оптика-99: Тез. докл. Междунар. конф. молодых ученых и специалистов, Санкт-Петербург, 19-21 окт., 1999 г. - СПб., 1999. - С.111-112.

РЕЗЮМЕ Марко Игорь Павлович

ЛАЗЕРЫ С ОПТИЧЕСКОЙ НАКАЧКОЙ НА ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СЛОЯХ ХпБе И ГЕТЕРОСТРУКТУРАХ С КВАНТОВЫМИ ЯМАМИ ZnMgS.Se/ZnSe

Ключевые слова: полупроводниковые лазеры, оптическая накачка, селенид цинка, эпитаксия, примесь, гетероструктура, квантовая яма, спектроскопия, фотолюминесценция, усиление, деградация

Диссертация посвящена изучению лазеров с оптической накачкой на основе гетероэпитаксиальных слоев ZnSe/GaAs и гетероструктур с квантовыми ямами ZnMgSSe/ZnSe, выращенных из газовой фазы элементоорганических источников, с целью оптимизация параметров структур для создания на их основе полупроводниковых лазеров на область спектра 440-490 нм, работающих в при температурах более 300 К.

Проведены измерения и анализ интегральных и разрешенных во времени спектров генерации и фотолюминесценции, спектров усиления в широком интервале температур 78-620 К и шггенсивпостей возбуждающего излучения, измерения интегральной интенсивности излучения в зависимости от уровня возбуждения и температуры, выполнены расчеты энергий квантования носителей заряда, энергий связи экситонов в квантовых ямах, спектров люминесценции с учетом многочастичные взаимодействий в двумерных полупроводниковых системах. Впервые изучена генерация света при оптической накачке в однородных легированных эпитаксиальных слоях ZnSe. Установлено, что легирование приводит к уменьшению концентрации центров безызлучательной рекомбинации, увеличению квантового выхода люминесценции и снижению порога генерации лазеров с оптической накачкой на их основе. Показано, что основным механизмом излучательной рекомбинации и усиления при высоких уровнях оптического возбуждения в интервале температур 78-620 К в эпитаксиальных слоях 2пБе и гетероструктурах ZnMgSSe/ZnSe с квантовыми ямами является рекомбинация в электронно-дырочной плазме. Установлено, что основным механизмом деградации квантоворазмерных гетероструктур ZnMgSSe/ZnSe и лазеров на их основе при температурах более 450 К является диффузия атомов Б и из барьерных слоев в квантовые ямы, приводящая к увеличению концентрации дефектов и центров безызлучательной рекомбинации в активной области лазера. Обнаружено, что воздействие собствештго лазерного излучения приводит к уменьшению концентрации дефектов, играющих роль центров безызлучательной рекомбинации, и снижению, вследствие этого, порога генерации лазеров с оптической накачкой на основе гетероструктур ZnMgSSe/ZnSe с квантовыми ямами после их нагрева до температур 450-620 К.

РЭЗЮМЭ Марко 1гар Паулагнч

ЛАЗЕРЫ 3 АПТБ1ЧНАЙ НАПАМПОУКАЙ НА ЭШТАКСШЛЬНЫХ СЛАЯХ ЪаЪе I ГЕТЭРАСТРУКТУРАХ 3 КВАНТАВЫМ1ЯМАМ1 ZnMgSSe/ZnSe

Ключавыя словы: науправадшковыя лазеры, аптычная напампоука, ссленщ цынка, эштакс1я, дамешак, гетэраструктура, квантавая яма, спектраскашя, фоталюмшесцэнцыя, узмацяенне, дэградацыя

Дысертацыя прысвечана вывучэнню лазерау з аптычнай напампоукай на аснове гетэраэштакояльных слаёу Zn.Se/GaAs 1 гетэраструктур з квантавылп ямaмi ZnMgSSe/ZnSe, вырашчаных з газавай фазы элементааргашчных крышц, з мэтаю аптым1зацьи параметрау структур для стварэння на ¿х аснове пауправадшковых лазерау на вобласць спектра 440-490 нм, прапуючых пры температурах, болыных за 300 К.

Праведзены вымярэшн 1 анашз штэгральных 1 разрэшаных у часе спектрау генераций 1 фоталюмшесцэнцьп, спектрау узмацнення у шыроим штервале температур 78-620 К 1 штенаунасцяу узбуджаючага выпраменьвання, вымярэшп штегральнай пггенсхунасщ выпраменьвання у залежнасщ ад узроуня узбуджэння i температуры, выкананы разлил энергш квантавання носьбггау зараду, энерпй сувяз1 экатонау у квантавых ямах, спектрау люмшесцэнцьн з ушкам шматчасцшкавых узаемадзеянняу у дзьвупамерных пауправадшковых сгстэмах. Упершьшю вывучана генерацыя святла пры аптычнай налам оуцы у аднародных легаваных эштаксхялышх слаях ZnSe. Устаноулена, што легаванне прыводзщь да памяньшэньня концэнтрацьн цэнтрау безвыпраменьвальнай рекамбшацьп, павел1чэнню квантавага выхада люмшесцэндьп 1 зшженню парога генерацьн лазерау з аптычнай напампоукай на ¡х аснове. Паказана, што асноуным механизмам выпраменьвальнай рэкамбшацьц 1 узмацнення пры высоюх узроунях аптычнага узбуджэння у штервале температур 78-620 К у эштакшяльных слаях ZnSe {гегзраструктурах 21пМ§88е^п8е з квантавыш ямам! з'яуляецца рэкамбшацыя у электронна-дз1ркавай плазме. Устаноулена, што асноуным мсхашзмам дэградацьп квантавапамерных гетэраструктур ZnMgSSe/ZnSe I лазерау на к аснове пры температурах, большых за 450 К з'яуляецца дыфуз1я атамау 8 \ Mg з бар'ерных слаёу у квантавыя ямы, прыводзячая да павел1чэння канцэнтрацьп дэфектау \ центрау безвыпраменьвальнай рэкамбшацьп у акгыунай вобласщ лазера. Знойдена, што уздзеянне уласнага лазернага выпраменьвання прыводз1ць да памяньшэшш канцэнтрацьп дэфектау, граючых ролю цэнтрау безвыпраменьвальнай рэкамбшацьп, 1 зшжэння, у вышку гэтага, парога генерацьн лазерау з аптычнай напампоукай на аснове гетэраструктур 2пЛ^88е/£п8е з квантавым! ямаш пасхи ¡х нагрэву да температур 450-620 К.

SUMMURY

Marko Igor Pavlovich

OPTICALLY PUMPED LASERS BASED ON ZnSe EPITAXIAL LAYERS AND ZnMgSSe/ZnSe QUANTUM WELL HETEROSTRUCTURES

Keywords: semiconductor lasers, optical pumping, zinc selenide, epitaxy, impurity, . heterostructure, quantum well, spectroscopy, photoluminescence, gain, degradation

The thesis is devoted to the investigation of optically pumped lasers based on ZnSe/GaAs heteroepitaxial layers and ZnMgSSe/ZnSe quantum well heterostructures grown by metallorganic vapour phase epitaxy with the purpose of optimization of structure parameters for their application in semiconductor lasers operating in a spectral interval of440-490 nm at temperatures higher than 300 K.

Measurements and analysis of time-integrated and time-resolved lasing and photoluminescence spectra, gain spectra in a wide temperature interval of 78-620 K under different excitation level, measurements of integrated photoluminescence intensity under different excitation intensity at different temperatures, calculations of energy levels in quantum wells, exciton binding energies, luminescence spectra considering many-body interactions in 2D semiconductor systems were carried out. For the first time laser action under optical pumping was investigated in doped ZnSe epitaxial layers. It has been found that doping leads to a decrease of nonradiative recombination centres, to an increase of quantum yield of luminescence and to a reduction of laser threshold. It has been shown that the main gain and recombination mechanism under high optical excitation level in ZnSe epitaxial layers and ZnMgSSe/ZnSe quantum well heterostructure in a temperature interval of 78-620 K is recombination in electron-hole plasma. It has been established that the main degradation mechanism of ZnMgSSe/ZnSe quantum well heterostructure and lasers based on them at temperatures higher than 450 K is diffusion of S and Mg atoms in quantum wells from barriers, which leads to increasing nonradiative recombination centre concentration in the active layer of the laser. It has been found that inherent laser radiation decreases concentration of defects which act as nonradiative recombination centres, and reduces laser threshold in the optically pumped ZnMgSSe/ZnSe quantum well lasers after their thermal degradation at T=450-620 K.

МАРКО Игорь Павлович

ЛАЗЕРЫ С ОПТИЧЕСКОЙ НАКАЧКОЙ НА ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СЛОЯХ ZnSe И ГЕТЕРОСТРУКТУРАХ С КВАНТОВЫМИ ЯМАМИ ZnMgSSe/ZnSe

Специальность 01.04.21 -лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Подписано к печати 17 мая 2000 г. Формат 60 х 90 1/16 Тип бумаги - офисная. Печать офсетная. Бесплатно. Объем 1.5 п.л. 1.2 уч.-изд. л. Тираж 100 экз. Заказ №23

Лицензия ЛП № 20 от 20 aBiycxa 1997 года Институт физики им. Б.И.Степанова HAH Беларуси 220072, г. Минск, пр-т. Ф.Скорины, 68.

Отпечатано на ризографе Института физики им. Б.И.Степанова HAH Беларуси