Молекулярно-пучковая эпитаксия квантово-размерных структур на основе ZnSe-содержащих соединений тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

/

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК НАУЧНЫЙ ЦЕНТР ВОЛОКОННОЙ ОПТИКИ ПРИ ИНСТИТУТЕ ОБЩЕЙ ФИЗИКИ

на правах рукописи

П.А.Трубенко

МОЛЕКУЛЯРНО-ПУЧКОВАЯ ЭПИТАКСИЯ КВАНТОВО-РАЗМЕРНЫХ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ г^е-СОДЕРЖАЩИХ

СОЕДИНЕНИЙ.

(специальность 01.04.21 - лазерная физика)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научные руководители: доктор физико-математических наук

Е.А.Щербаков кандидат физико-математических наук

В.И.Козловский

МОСКВА-1999

Введение.....................................................................................—.............................3

Глава 1. Молекулярно-пучковая эпитаксия 2п8е....................................................12

§1.1. Описание установки молекулярно-пучковой эпитаксии.................................12

§1.2. Поверхностные структуры. Теория................................................................. 15

§ 1.3. Параметры роста и фазовые диаграммы реконструкции поверхности эпитаксиальных плёнок 2п8е................................................................................... 20

§1.4. Описание экспериментальной установки для проведения

низкотемпературных фотолюминесцентных измерений.........................................30

§1.5. Экспериментальные результаты фотолюминесцентного анализа пленок гпБе. 31

Основные результаты Главы 1.................................................................................37

Глава 2. Молекулярно-пучковая эпитаксия 2пСс18е/2п8е, 2пСё8е/2пМ§8е,.........38

§ 2.1. Оптических переходы в квантово-размерных структурах на основе соединений А2В6 со структурой цинковой обманки..............................................38

§ 2.2. Расчет энергетического положения уровней в квантовых ямах.....................47

§2.3. Ширина линии излучения квантовой ямы 2пС(18е^п8е при разных температурах............................................................................................................61

§2.4. Влияние термического отжига на люминесцентные свойства 2пСс18е/2п8е структур...:................................................................................................................68

§2.5. Гомоэпитаксия и люминесценция квантово-размерных структур 2пСс18е^п8е на подложках 2п8е...................................................................................................73

Основные результаты Главы 2.................................................................................83

Глава 3. Лазеры на основе квантово-размерных структур.....................................85

§3.1. Полупроводниковый лазер с оптической накачкой на основе квантово-размерной структуры 2пСс18е/2п8е......................................................................... 87

§3.2. Вертикально-излучающий лазер с накачкой электронным пучком на основе квантово-размерной структуры 2пСё8е/2п8е, выращенной на подложке СаАз... 91

§3.3. Вертикально-излучающий лазер с накачкой электронным пучком на основе квантово-размерной структуры 2пСё8е/гп8е, выращенной на прозрачной подложке гп8е.........................................................................................................98

Основные результаты Главы 3................................................................................109

Заключение..............................................................................................................110

Литература..............................................................................................................112

о -J-

Введение.

Молекулярно-пучковая эпитаксия (МПЭ) является универсальной технологией роста тонких эпитаксиальных пленок полупроводников и металлов. Метод МПЭ насчитывает почти двадцатипятилетнюю историю. Основные успехи были достигнуты в "области создания периодических структур AlxGai-xAs/GaAs, InxGai-xAs/GaAs, AlGalnP/GalnP, на основе которых к настоящему времени успешно реализованы одночастотные лазеры, лазеры с распределенной обратной связью и распределенными брэгговскими зеркалами, а также вертикально-излучающие инжекционные лазеры [1,2]. Эта технология имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с другими методами выращивания эпитаксиальных слоев такими, как: жидкофазная эпитаксии (ЖФЭ) или газофазная эпитаксия из металло-органических соединений. Молекулярно-пучковая эпитаксия позволяет:

1) обеспечить высокий уровень контроля параметров молекулярных потоков испаряемых веществ и температуры подложки;

2) отслеживать морфологию поверхности подложки и эпитаксиальной пленки непосредственно перед и в ходе роста, соответственно;

3) обеспечить низкий уровень неконтролируемых примесей путем

использования сверхвысокого вакуума, лучше 10 8Па;

4) с точностью до монослоя контролировать параметры выращиваемой структуры.

Первые работы по МПЭ на А2В6 соединениях относятся к концу 70-х годов [3], но заметный прогресс был достигнут лишь в начале 90-х годов, что связано с получением в ZnSe проводимости р-типа [4] и разработкой технологии выращивания квантово-размерных гетероструктур, способных обеспечить хорошее квантовое ограничение электронов и дырок вплоть до комнатной температуры [5]. Эти достижения открыли путь к созданию на основе соединений А2В6 инжекционных полупроводниковых лазеров с длиной волны излучения, лежащей в сине-зеленом (460 - 550 нм) спектральном диапазоне. В России исследования в области МПЭ соединений А2Вб и создание на их основе лазерных структур были начаты лишь в конце 1992 года в НЦВО при ИОФ РАН (г.Москва) [6,7,8,9] и в ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН (С.-Петербург) [10,11].

Повышенный интерес к этим исследованиям связан с необходимостью создания компактных лазерных источников излучения сине-зеленого спектрального диапазона для увеличения плотности записи информации на

оптических дисках, улучшения качества цветной печати и создания лазерных дисплеев.

Базовыми материалами для создания сине-зеленого полупроводникового инжекционного лазера являются ZnSe и твердые растворы на его основе: ZnCdSe и ZnSSe. Первый полупроводниковый импульсный ZnCdSe/ZnSe/ZnSSe сине-зеленый лазерный диод, работающий при 77К на длине волны 490 нм, был создан компанией ЗМ в 1991 году [12]. В начале 1996 года группа ученых из Sony Corporation (Japan) реализовала инжекционный лазер, работающий при комнатной температуре в непрерывном режиме в течение 101.5 часа на длине волны 514.7нм с выходной мощностью 1 мВт [13]. Этот прогресс удалось достичь благодаря использованию новых четверных соединений ZnMgSSe, получению относительно низкоомного электрического контакта р-типа на многослойной структуре ZnSe/ZnTe, а также понижению плотности ростовых дислокаций до < 1*103 см-2, что позволило изготовить лазер из бездислокационной области

структуры.

С этого момента основной проблемой становится постепенная деградация ZnSe лазеров. Одной из причин деградации является высокая дефектность контакта р-типа, обусловленная сильным рассогласованием параметров кристаллической решетки ZnSe и верхнего приконтактного слоя ZnTe р-типа. Для уменьшения деградации контакта р-типа было предложено использовать вместо ZnTe новый класс материалов на основе халькогенидов бериллия: ВеТе, BeMgZnTe, BeZnTe [14], характеризующихся более прочной химической связью, относительной легкостью получения р-типа проводимости. К тому же ВеТе имеет слабое рассогласование с ZnSe [15]. Так группе ученых из ЗМ Company (США) в 1997 году удалось продемонстрировать работоспособность контакта ZnSe/BeTe р-типа при рабочей плотности тока в 2 кА/см2 в течение 1600 часов при комнатной температуре [16], что более чем в 100 раз лучше, чем для стандартного контакта ZnTe/ZnSe р-типа. А если учесть, что типичные рабочие плотности тока в пять раз меньше выше приведенной, то срок службы р-типа контакта для инжекционных лазеров может быть доведен уже в ближайшее время до рубежа 10000 часов, что является критерием работоспособности лазерного диода.

Другой важной причиной деградации является наличие точечных дефектов из-за нестехиометрии состава твердого раствора полупроводника вблизи активной области лазера. Последнее достижение в реализации лазера со сроком

службы более 400 часов в непрерывном режиме генерации при температуре 20 °С было связано именно с оптимизацией соотношения молекулярных потоков с целью снижения концентрации собственных точечных дефектов [17].

Несмотря на значительные достижения, полученные в последнее время, проблема деградации инжекционных лазеров остается все еще нерешенной. Причем основными факторами деградации являются особенности структуры лазера, содержащей р-n переход, необходимый для инжекционного способа накачки: не достаточно высокое качество и проводимость слоев структуры с р-типом проводимости, особенно волноводных слоев ZnMgSSe, и пока еще высокая дефектность контакта р-типа. Для дисплейных технологий, кроме того, требуется источник света со средней мощностью более 1 Вт. Основываясь на опыте развития инжекционных лазеров на соединениях А3В5, такие источники могут быть созданы либо на основе широкополосных лазеров или компактных лазерных батарей с хорошей направленностью излучения, либо на основе 2-х мерных матриц лазерных поверхностно-излучающих чипов, т.е. лазеров с так называемым "вертикальным резонатором", когда излучение выходит из структуры перпендикулярно ее слоям. По обоим этим направлениям развития лазеров в настоящее время пока нет положительных результатов.

В последнее время коротковолновым лазерам на основе ZnSe часто противопоставляется альтернативная возможность использования нитридных соединений: GalnN/GaN, GaAlN/GaN, - которые безусловно перспективны для использования в цифровых системах хранения и передачи информации (CD-ROM, DVD и др.). Первые результаты по лазерной генерации с инжекционной накачкой были получены в ноябре 1995 года группой S.Nakamura из Nichia Chemical Industries (Japan) [18] при комнатной температуре в импульсном режиме. Длина волны генерации была 417нм, а максимальная выходная пиковая мощность около

215 мВт при плотности тока 5.4 кА/см . Пороговое значение плотности тока

составило 4 кА/см2 при управляющем напряжении 34В. Активный слой состоял из набора квантовых ям Ga0.sIn0.2N/Ga0.95In0.05N (26 периодов), а в качестве материала подложки использовался сапфир. В настоящее время удалось достичь генерации при комнатной температуре в течение более 1000 часов в непрерывном режиме на длине волны 407 нм с выходной мощностью 1 мВт (прогнозируемый срок службы -10000 часов). Пороговое значение плотности тока 3.64 кА/см2 и напряжения 5.5 В.

Активный слой в этом случае состоял из набора квантовых ям In0.15Ga0.85N/In0.02Ga0.98N легированных кремнием (4 периода), а в качестве материала подложки использовался (0001)С сапфир [19]. Одной из проблем нитридной технологии является отсутствии подходящий материалов для подложек. Чаще всего используются 81, БЮ, АЬОз, СаАз(111). Все эти материалы имеют значительное рассогласование по параметрам решетки с ОаМ-соединениями (около 14% для АЬОз), что приводит к высокой плотности

дислокаций несоответствия на границе с подложкой, порядка 108-101осм*2, и другим структурным дефектам (дефектам упаковки) [20], а также, как результат

высокотемпературного роста 800-1000°С, и к значительным механическим напряжениям, возникающим при охлаждении до комнатной температуры, вследствие различных коэффициентов термического расширения выращенной структуры и подложки. Однако, несмотря на это и благодаря высокой теплопроводности GaN и прочности химической связи, удается получать устойчивую генерацию даже при высоких пороговых плотностях тока инжекции. Наилучшие (с точки зрения записи информации на оптических дисках) результаты, которые удалось получить группе ЭЛ^акатига [21] на сегодняшний день - это 5 мВт в непрерывном режиме на длине волны 408.6 нм при комнатной температуре, и время жизни лазерной структуры было более 290 часов.

Несмотря на значительные успехи в достижении генерации в ближней УФ области спектра, использование этого типа лазеров в дисплейных технологиях остается крайне проблематичным. При сдвиге длины волны генерации в синюю область ( не говоря уже о зеленой области) требуется увеличение концентрации 1п в квантовых ямах, что приводит к существенной сегрегации 1п и, как следствие, к увеличению порога генерации.

Важной альтернативой инжекционным лазерам в дисплейных технологиях является полупроводниковый лазер с накачкой электронным пучком [22]. Основной модификацией такого лазера является лазерная электронно-лучевая трубка (ЛЭЛТ) [23]. Активный элемент (лазерный экран) ЛЭЛТ представляет собой тонкую полупроводниковую пластинку с нанесенными на обе поверхности зеркальными покрытиями, закрепленную на прозрачном хладопроводящей подложке. Пластинка с зеркальными покрытиями образует "вертикальный резонатор" ( в терминологии инжекционных лазеров). Лазерный луч выходит

непосредственно из области возбуждения электронным пучком, и 2-мерное сканирование луча осуществляется путем сканирования электронного пучка.

Основным достоинством лазера является отсутствие в конструкции активного элемента р-п перехода и электрических контактов, что позволяет исключить эти факторы деградации, определяющие в настоящее время срок службы инжекционного лазера.

До настоящего времени лазерные экраны изготавливались из объемных кристаллов соединений А2В6: СёЭ, Сс188е, гпБе, гпСс!8 [24, 25]. Эти экраны позволяют достигнуть среднюю мощность до 10 Вт и более при их криогенном охлаждении. Однако порог генерации при комнатной температуре слишком большой, чтобы ЛЭЛТ могли быть широко использованы в дисплейных технологиях [22]. Существенное уменьшение порога ожидалось при использовании в качестве активной среды не объемного материала, а многослойной квантово-размерной структуры [26].

Конечной целью настоящей диссертационной работы являлось получение методом молекулярно-пучковой эпитаксии квантово-размерных структур из соединений А2В6 для полупроводниковых лазеров с продольной накачкой сканирующим электронным пучком, работающих при комнатной температуре активного элемента.

За основу разрабатываемой технологии была взята технология получения инжекционных лазерных структур на базе гпБе, развитая в ведущих научных группах США, Германии и Японии. К началу данной работы эта технология не была освоена в России. В нашем случае не стояла проблема легирования и создания проводящих контактов, тем не менее разрабатываемая технология отличалась от базовой не только этим. Выращиваемые структуры должны были иметь ряд особенностей, определяемых способом накачки электронным пучком. Прежде всего из-за принципиально объемного характера возбуждения (глубина возбуждения 1-10 мкм) лазерная структура должна была представлять собой структуру, содержащую многие квантовые ямы (более 100), заполняющие весь объем возбуждения. Необходима была также оптимизация состава и толщины барьерных и ямных слоев. Сложность получения таких толстых структур связана с тем, что в них трудно достигнуть изоморфизма, и релаксация внутренних напряжений оказывает влияние на излучательные характеристики.

Кроме того в данной работе ставилась задача разработки технологии роста -многоямных квантово-размерных структур на прозрачной подложке ZnSe. До начала работы в этом направлении не было получено сколько-нибудь ценных положительных результатов для создания лазеров. При традиционном росте на непрозрачную подложку ОаАэ, выращенную структуру необходимо отделять от подложки путем полного стравливания последней и приклеивать на сапфировый хладопровод. Это создает определенные трудности в достижение приемлемого срока службы лазерного экрана в целом из-за деградации клеевого слоя под действием электронного пучка. При использовании прозрачной ростовой подложки полное ее удаление не требуется. Это направление работы является важным и для разработчиков инжекционных лазеров, что подтверждается усиленным в последнее время интересом к гомоэпитаксии ZnSe и достижением первых положительных результатов: получением непрерывного режима генерации в инжекционном лазере на структуре, выращенной на подложке ZnSe [27, 28]. Гомоэпитаксия в инжекционных лазерах позволяет решить проблему, связанную с возникновением специфических для интервалентной границы ОаАэ/^пЗе дефектов, и согласовать коэффициенты температурного расширения подложки и структуры.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Первая глава посвящена совершенствованию технологии молекулярно-пучковой эпитаксии пленок ZnSe на подложках СаАз(001) и определению оптимальных параметров роста. Дан обзор теоретический моделей поверхностных структур и приведены экспериментальные данные по реконструкциям поверхности ZnSe при изменении основных параметров роста: температуры подложки и соотношения молекулярных потоков. Реконструкция поверхности определялась по дифракции отраженных быстрых электронов. Представлены также результаты по атомно-силовой микроскопии поверхности и данные по низкотемпературной фотолюминесценции пленок ZnSe в зависимости от условий роста. Оптимизация проводилась с целью получения атомно-гладкой поверхности роста и высокой интенсивности фотолюминесценции, необходимых как первый основной шаг в разработке многослойных лазерных структур.

Во второй главе представлены результаты по росту на подложке ОаА$(ЮО) и исследованию оптических характеристик многослойных квантово-размерных структур (КРС): гпС�