Оптические свойства эпитаксиальных слоев твердого раствора Pb1-xEuxTe (0≤x≤1)

Пашкеев, Дмитрий Александрович

Оптические свойства эпитаксиальных слоев твердого раствора Pb1-xEuxTe (0≤x≤1) тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Пашкеев, Дмитрий Александрович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2014 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.07 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Оптические свойства эпитаксиальных слоев твердого раствора Pb1-xEuxTe (0≤x≤1)»

Автореферат диссертации на тему "Оптические свойства эпитаксиальных слоев твердого раствора Pb1-xEuxTe (0≤x≤1)"

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н.Лебедева Российской Академии Наук

На правах рукописи

Пашкеев Дмитрий Александрович

Оптические свойства эпитаксиальных слоев твердого раствора РЬ^ЕиДе (0 < х < 1)

Специальность: 01.04.07 - "Физика конденсированного состояния"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2014

005553182

Работа выполнена в Лаборатории узкозонных полупроводников Отделения физики твердого тела Федерального государственного бюджетного учреждения науки Физический институт им. П. Н. Лебедева Российской Академии Наук

(ФИАН)

Научный руководитель: Доктор физико-математических наук, профессор

Засавицкий Иван Иванович (ФИАН) Официальные оппоненты: Доктор физико-математических наук, профессор

Немов Сергей Александрович (СПбГПУ) Доктор физико-математических наук Горшунов Борис Петрович (ИОФ РАН) Ведущая организация: Московский государственный университет им.

М. В. Ломоносова

Защита состоится 29 сентября 2014 года в 12 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 002.023.03 при ФИАН по адресу: Российская Федерация, 119991, г. Москва, Ленинский проспект, д. 53, ФИАН, конференц-зал.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФИАН www.lebedev.ru.

Автореферат разослан _ 2014 года.

Отзывы на автореферат просим присылать по адресу: 119991 г. Москва, Ленинский проспект, д. 53, ФИАН, Отделение физики твердого тела.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 002.023.03 доктор физико-математических наук, профессор

Казарян Мишик Айразатович

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Полупроводниковые соединения типа А4В6 (РЬ8, РЬБе и РЬТе) характеризуются узкой шириной запрещенной зоны (Е„ ~ 0,1 эВ) и высоким значением показателя преломления (ЛГ ~ 5) [1]. На их основе успешно разрабатываются и применяются инжекционные лазеры (3 - 40 мкм [2, 3]) и приемники ИК излучения (2-15 мкм [4]). Этот спектральный диапазон включает полосы поглощения большинства многоатомных молекул и основные «атмосферные окна» в ИК области спектра. Областями применения таких источников излучения являются молекулярная спектроскопия высокого разрешения, высокочувствительный спектральный газоанализ и оптическое гетеродинирование.

Существенное улучшение характеристик приборов достигнуто благодаря разработке гетероструктур, требующей широкого набора материалов. Одним из путей расширения такого набора является использование щелочноземельных (8г2+, М82+ и Са2+) и редкоземельных (Еи2+, УЬ2+ и 8ш2+) элементов в тройных твердых растворах на основе халькогенидов свинца. Перспективным элементом в этом отношении является европий [5]. Система РЬ^ЕиДе (0 < .т < 1) является твердым раствором замещения со структурой типа ШС1. Добавление Ей позволяет сильно увеличить ширину запрещенной зоны и уменьшить показатель преломления. Так для РЬТе они равны £в ~ 0,2 эВ и N ~ 6, а для ЕиТе - Ее ~ 2 эВ и N ~ 2 [б]. При этом значения постоянных решеток у них близки. Это делает тройные растворы привлекательными для эпитаксиального роста слоев и гетероструктур, в том числе и квантоворазмерных, с высокой степенью кристаллического совершенства.

Гетероструктуры на основе этих материалов используются при проектировании высокоотражающих брэгговских зеркал и микрорезонаторов, например, для вертикально излучающих лазеров на длину волны излучения от 3,5 до 5 мкм [7, 8]. Особенность зеркал заключается в том, что благодаря

высокому оптическому контрасту, достигаемому в четвертьволновой паре на основе твердого раствора РЬ^Еи/Ге (0 < х < 1), удается получать коэффициент отражения Я > 99,9 %, используя всего три пары. Для сравнения, чтобы достичь такого же отражения в брэгговском зеркале на основе материала А^Са^Ав, необходимо вырастить более 10 пар. Для разработки таких приборов необходимо знать, как изменяются энергетический спектр и оптические

свойства твердого раствора РЬ^ЕиДе (0 < х < 1) в зависимости от содержания

Ей. Поэтому их изучение имеет значение не только с фундаментальной, но и с практической точки зрения.

Свойства твердого раствора РЬ^ЕиДе (0 < х < 1) изучались в основном только для составов, близких к нулю и единице. Большой интерес представляют изменение его зонной структуры в зависимости от содержания Ей во всем диапазоне составов и ее взаимосвязь с оптическими константами и излучательной рекомбинацией.

Цель диссертационной работы

Целью настоящей работы является исследование изменения зонной структуры (зоны проводимости и валентной зоны) и оптических свойств полупроводникового твердого раствора РЬ^ЕиДе (0 < х < 1) во всем диапазоне составов, а также проведение анализа свойств материала для разработки брэгговских зеркал и микрорезонаторов для средней инфракрасной области спектра. Для реализации поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Установить оптимальные условия роста материала и получить качественные эпитаксиальные слои и гетероструктуры, выращиваемые методом молекулярно-пучковой эпитаксии на подложках (111)ВаР2.

2. Изучить фотолюминесценцию (ФЛ) и спектры пропускания эпитаксиальных слоев твердого раствора в зависимости от содержания Ей и температуры. Определить изменения ширины запрещенной зоны и показателя

преломления материала с изменением состава и температуры.

3. Разработать программное обеспечение для расчета спектров пропускания многослойных структур на основе метода матрицы переноса. Провести анализ изменения спектров пропускания брэгговских зеркал и микрорезонаторов в зависимости от состава материала слоев, их толщины и количества.

Научная новизна

В работе впервые предложена схема перестройки валентной зоны и зоны проводимости твердого раствора PbUxEu/Fe (0 < х < 1) в зависимости от содержания Ей во всем диапазоне составов. В ней показано, что в области составов д: ~ 0,1 происходит смена абсолютного минимума (Z, —» X) дна зоны проводимости, а в области л; ~ 0,85 - смена абсолютного максимума валентной зоны (L —> Г). Это позволяет объяснить изменения люминесценции твердого раствора, и вид, получаемых зависимостей Е&(х) и N'(x).

Впервые изучены зависимости ширины запрещенной зоны и дисперсии показателя преломления ниже края поглощения от содержания Ей и температуры для всей области составов х. Установлено, что зависимости Eg(T) для составов 0 < х < 0,11, имеют широкую линейную область со стороны высоких температур, с положительным коэффициентом dEJdT. С увеличением содержания Ей этот коэффициент уменьшается и для EuTe становится отрицательным. Определена точка инверсии знака коэффициента dEJdT. Показано, что для зависимости N{T) характерно обратное поведение.

Научная и практическая значимость работы

Результаты оптических измерений эпитаксиальных слоев твердого раствора РЬ^Еи/Ге (0 < х < 1) использовались при изучении зонной структуры материала, и имеют практическое значение при разработке четвертьволновых брэгговских зеркал и микрорезонаторов.

Проведенный численный анализ спектров пропускания таких структур с использованием полученных результатов позволил создать и

продемонстрировать работу вертикально излучающего одномодового лазера для спектрального диапазона 4 — 5 мкм. Данные устройства в дальнейшем могут применяться для различных задач спектрального газоанализа.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Разработана и реализована комплексная методика характеризации эпитаксиальных слоев твердого раствора РЬ^ЕиДе (0 <х < 1)/ВаР2. Определены оптимальные условия роста твердого раствора, осуществляемого методом молекулярно-пучковой эпитаксии на подложках (111)ВаР2. Созданы качественные эпитаксиальные слои и гетероструктуры для инфракрасной оптоэлектроники.

2. Предложена схема перестройки валентной зоны и зоны проводимости твердого раствора РЬ^ЕиДе (0 < х < 1) в зависимости от содержания Ей. В соответствии с ней в области составов х ~ 0,1 происходит смена абсолютного минимума дна зоны проводимости с ¿-точки зоны Бриллюэна (бр-орбиталь РЬ) на Х-точку (5г/-орбиталь Ей). При этом оптические переходы становятся непрямыми, и происходит рассеяние неравновесных носителей заряда в X-долину. При дальнейшем увеличении состава в области я; ~ 0,85 изменяется абсолютный максимум валентной зоны с ¿-точки (5/з-орбиталь Те) на Л-точку (4/-орбиталь Ей).

3. Установлено, что в соответствии со схемой изменения зонной структуры твердого раствора, интенсивность излучательной рекомбинации с увеличением х уменьшается, при х ~ 0,1 падает более чем на порядок, и для составов 0,2 < я: < 0,32 люминесценция не наблюдается. Зависимости от х ширины запрещенной зоны и показателя преломления ниже края поглощения нелинейны и в областях перестройки зоны проводимости и валентной зоны имеют изгибы. Показано, что в области составов я: ~ 0,5 происходит инверсия знака коэффициента йЕ^сГГ. С ростом температуры Еа для составов с х < 0,5 увеличивается, а при х > 0,5 - уменьшается. Для Ы(Т) характерна обратная

зависимость: при х < 0,5 он уменьшается с ростом температурь!, а при л: > 0,5 -увеличивается.

4. Проведен численный анализ спектров пропускания брэгговских зеркал и микрорезонаторов на основе твердого раствора РЬ^Еи/Ге (0 < х < 1) в зависимости от целевой длины волны излучения и количества четвертьволновых пар в зеркалах. В соответствии с результатами расчетов разработаны брэгговские зеркала и микрорезонаторы с использованием гетеропары РЬо,94Еио,обТе/ЕиТе для средней ИК области спектра. Созданы одномодовые лазеры с вертикальным выводом излучения при оптической накачке и азотной температуре, излучающие в области окна прозрачности атмосферы 4,2 - 5,3 мкм.

Публикации и апробация работы

По теме диссертации опубликованы 3 статьи в реферируемых журналах, и сделаны доклады на 10-ой и 11-ой Российских конференциях по физике полупроводников (2011 и 2013), 4-ой Всероссийской молодежной конференции "Инновационные аспекты фундаментальных исследований по актуальным проблемам физики" (2011), 3-ем Симпозиуме "Полупроводниковые лазеры: физика и технология" (2012), Научной сессии НИЯУ МИФИ (2012), и на семинарах Отделения физики твердого тела ФИАН.

Структура н объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и приложения. Общий объем работы составляет 105 страниц. Количество рисунков - 60, таблиц - 5. Список литературных ссылок содержит 110 наименований.

Основное содержание работы

Во Введении обоснована актуальность исследования оптических свойств твердого раствора РЬ^ЕоДе (0 <х < 1), сформулированы цели работы, показана научная и практическая значимость работы, представлены выносимые на защиту положения.

Глава 1 посвящена созданию качественных эпитаксиальных слоев твердого раствора РЬ^Еи/Ге (0 < х < 1) и гетероструктур на их основе, получаемых методом молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ). Описана методика характеризации материала: определение толщины, состава и морфологии поверхности слоев на растровом электронном микроскопе, проведение рентгеноструктурного анализа, определение электрофизических свойств, контроль однородности слоев при помощи низкотемпературной фотолюминесценции (ФЛ) (возбуждение осуществлялось в импульсном режиме с длиной волны X = 1 мкм).

На основе микроструктурного анализа и измерений ФЛ, показано, что однородные эпитаксиальные слои получаются только при определенных условиях роста, в частности, при температуре роста (проста) образцов от 400 до 420 °С. При отклонении температуры роста от оптимального значения (/роста < 400 °С) в образцах наблюдались области (с характерным размером ~ 20 мкм), в которых сконцентрированы небольшие «капли» ~ 1 мкм. В этом случае в спектрах ФЛ помимо основной линии излучения (зона-зонные переходы) присутствовала дополнительная группа линий, обусловленная этими неоднородностями.

Дополнительная группа линий относительно основной располагается со стороны меньших энергий (что соответствует твердому раствору с меньшим х). Это согласуется с измерениями состава в области скопления капель, которые показали, что содержание Ей в них меньше, чем в самом образце. Дополнительная группа линий наблюдалась только для образцов с х > 0,03, причем ее ширина тем больше, чем больше х. Её наличие, а также интенсивность, форма и количество линий в ней изменяются в зависимости от точки возбуждения лазерным лучом на поверхности образца. При оптимизации условий выращивания и 11ЮСТа > 400 °С эта группа не наблюдалась. Интенсивность излучения основной линии имеет максимальное значения для образцов, выращенных при ^„а ~ 420 °С.

Глава 2 посвящена изучению зонной структуры и излучательной рекомбинации твердого раствора РЬ^ЕиДе (0 < л: < 1) в зависимости от содержания Ей. Приводятся основные результаты измерений ФЛ эпитаксиальных слоев твердого раствора РЬ^ЕиДе (0 < д: < 0,32), в частности: интегральной интенсивности и спектров излучения в зависимости от состава х, уровня возбуждения и температуры.

0 4

5 0.2

РЬ^ЕиДе Т= 77 К

0 2 4 6

РЬ^ЕиТе Т= 77 К

0,044

: 0.2 |

J V,

10 12 14 16 18 20 22 24 х,%

Рис. 1. Зависимость среднего (по образцам) значения интегральной интенсивности ФЛ эпитаксиальных слоев РЬ^Еи/Ге (0 < х < 0,23) от состава при 77 К.

0.21 0 22 0 23 0.34 0.35 0.39 0.40 044 045 0.56 0.57 Энергия, эВ

Рис. 2. Зависимость спектров ФЛ эпитаксиальных слоев РЬ1.гЕигТе (0 < х < 0,11) от состава д: при 77 К и одинаковом уровне возбуждения (5 • 105 Вт/см2).

На Рис. 1 показана зависимость среднего значения интегральной интенсивности ФЛ от состава при 77,4 К. Интенсивность приведена в относительных единицах, при этом величина интенсивности излучения, наблюдаемая для РЬТе (х = 0), принята за единицу. Ошибка измерения рассчитывалась как среднее отклонение значений, полученых для разных образцов одного состава и с различных точек возбуждения одного образца. Как видно из рисунка, для составов х > 0,03 интенсивность начинает резко уменьшаться и для х = 0,11 падает более чем на порядок. В области составов 0,23 < х < 0,32 излучательная рекомбинация не наблюдалась.

На Рис. 2 в зависимости от состава показаны спектры ФЛ твердого раствора РЬ^ЕиДе (0 < х < 0,11) при 77 К. Измерения проводились при

одинаковых условиях (интенсивность возбуждения в импульсе 1~ 5 • 105 Вт/см2 и энергетическое разрешение монохроматора 1 мэВ). Из рисунка видно, что для всех составов спектры состоят из одной линии излучения. С увеличением содержания Ей в твердом растворе её интенсивность уменьшается, а форма изменяется.

Форма спектра излучения РЬТе асимметричная, так как прямые излучательные переходы происходят между зоной проводимости ¿ё и валентной зоной 1%. В этом случае при малом уровне возбуждения, наблюдается линия спонтанного излучения, характеризующаяся резким краем со стороны малых энергий и экспоненциально спадающим высокоэнергетическим хвостом. При увеличении уровня возбуждения на ее фоне появляется линия вынужденного излучения, располагающаяся в области малых энергий и имеющая более узкую симметричную форму.

Такая асимметрия наблюдается для образцов с х < 0,06, и она уменьшается с ростом х. При х > 0,06 форма линии становится симметричной. Ширина линий излучения для всех составов приблизительно одинакова и составляет около 5 мэВ, что говорит о том, что излучение близко к вынужденному ( к^Т = 6,8 мэВ при 77,4 К).

Для анализа результатов измерения люминесценции твердого раствора РЬ^ЕиДе в зависимости от состава на Рис. 3 показано энергетическое положение линий излучения для 0 < х < 0,18 при 77 К (точки) и края поглощения для 0 < х < 1 при 80 К (кружочки). Для наглядности кружочки на кривой /ге(1§с(х) при л: > 0,1 соединены пунктирной линией. Треугольниками показано положение линий излучения, полученные в работах [9] для составов 0,8 < х < 1 при 2 К и [10] для х = 1 при 1,7 К.

Как видно из рисунка, в области малых составов данные по ФЛ совпадают по энергии с положением края поглощения. Обе кривые имеют изгиб в области х ~ 0,06. Для составов, близких к ЕиТе, в спектре излучения присутствуют две линии, расположенные ниже края поглощения. Первая линия в области энергий

1,5 эВ связывается с наличием дефектов, при * < 0,98 она не наблюдается. Вторая линия излучения в области энергий 1,9 эВ связывается с образованием нижележащего состояния А'-долины зоны проводимости. Такие переходы по правилам отбора запрещены, но, благодаря образованию магнитного полярона, вследствие обменного взаимодействия между электронами зоны проводимости и локализоваными электронами 4/орбитали иона Еи2+, становятся разрешенными. С уменьшением содержания Ей эта линия смещается в сторону меньших энергий и имеет слабый изгиб при х ~ 0,85.

2.5

2.0 И 1.5

Г)

я о

0.5

0.0

Рис. 3. Зависимость ширины запрещенной зоны при 77 К и края поглощения при 80 К твердого раствора РЬ, гГл]/Ге от состава. Треугольниками для сравнения показаны положения линий излучения, полученные в работах [9, 10] из измерений ФЛ при Т< 2 К.

Исходя из приведенных данных, можно построить схему изменения зонной структуры твердого раствора РЬ^ЕиДе для всей области составов 0 < х < 1 (Рис. 4). Так

как Те является общим элементом для всех составов, то для удобства при построении за основу была выбрана его 5р-орбиталь, формирующая валентную зону РЬТе и участвующая в формировании валентной зоны ЕиТе. Ее положение по энергии было принято за ноль для всех составов.

■ 1 ■->-1-1- -■-1-1-1-1-1- а

РЬ, Ей Те 1-Х X д Л * у о Уо

л' о к, ,80К • Е, 77 К

■ /' • Г. . 1 . 1 » [9], 1.7 К * [10], 2 К

_1-1_I_ '.1.1.1

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 х

Потолок валентной зоны ЕиТе определяется сильно локализованными 4/-состояниями Ей, расположенными по энергии выше р-отбитали Те на ~ 0,1 эВ [6]. Зона проводимости РЬТе определяется 6/7-орбиталями РЬ. А зона проводимости ЕиТе формируется резонансно расположенными 5(1- и 6.?-орбиталями Ей.

В РЬТе ширина запрещенной зоны составляет Еъ ~ 0,2 эВ, с добавлением Ей она начинает увеличиваться, и наклон прямой на Рис. 4, отражающей положение дна зоны проводимости до х ~ 0,1, равен наклону кривой Е„(х) на Рис. 3 до точки изгиба. При этом поглощение и излучение происходят примерно с одной и той же энергией.

т -2

§ и*

о,

а* , СО 1

Рис. 4. Зависимость зонной структуры твердого раствора РЬ^ЕиДе от состава.

Для составов с содержанием Ей, близким к единице (правая часть Рис. 4), наблюдается более сложная картина. Поглощение и излучение происходят с участием разных по энергии состояний зоны проводимости, показанных соответственно прямой и пунктирной линией. Исходя из расчетов зонной структуры и вероятностей переходов в ЕиТе, было получено [11], что поглощение происходит на более высокое энергетическое состояние, минимум

-1-1-1---1-1- 1 т-Г 1 . 1 РЬ^ЕиДе ->—1—|— /Еи(р)

Г-Х

- ^Щ^г^

РЬ (р)с\^х _Еи (/)

Те(р)

■ ----------- 14 ' 1 1.. 1 . .1_ 1 ..-1___1—1 1__1 1.

которого расположен в точке Г при антиферромагнитном порядке или в точке X при парамагнитном порядке, а излучение происходит из более низкого по энергии состояния в точке X для обоих магнитных порядков.

Наблюдаемая точка изгиба в зависимостях положения края поглощения и линии излучения от состава на рис. 3 для л: ~ 0,1 указывает на момент смены положения энергетических состояний, формирующих запрещенную зону. Уменьшение интегральной интенсивности ФЛ и дальнейшее ее затухание с увеличением содержания Ей позволяют предположить, что в первую очередь изменяется дно зоны проводимости РЬ^ЕиДе, и при д: > 0,1 происходит смена абсолютного минимума (X —> X). Оптические переходы становятся непрямыми, люминесценция затухает, и происходит рассеяние неравновесных носителей заряда в ^-долину. А наблюдаемая люминесценция для х > 0,8 появляется вследствие образования магнитного полярона. Она имеет максимум интенсивности при х ~ 0,9 и уменьшается с уменьшением содержания Ей [9]. Следует отметить, что в зависимости положения линии излучения от состава при л: ~ 0,85 тоже присутствует небольшой изгиб. Это позволяет предположить, что для х > 0,85 потолок валентной зоны в основном определяется/-состояниями Ей и оптические переходы происходят из точки /"зоны Бриллюэна.

Такая схема изменения зонной структуры твердого раствора РЬ^ЕиЛе (0< х < 1) хорошо согласуется с аналогичной схемой для твердого раствора РЬ(_ ^Еи^Бе (0 < .г < 1), рассчитанной в работе [12], исходя из первых принципов.

В главе 3 рассматриваются оптические свойства твердого раствора РЬЬ *ЕиДе (0 < х < 1). Приводится методика определения дисперсии показателя преломления ниже края поглощения по спектрам пропускания эпитаксиальных слоев. Дается описание метода матрицы переноса, позволяющего численно рассчитывать спектры пропускания и отражения для многослойных структур.

Спектры пропускания эпитаксиального слоя РЬ^ЕиДе (х = 0,059) при температурах 80 и 295 К показаны на Рис. 5. Сплошной линией изображен спектр, измеренный на Фурье-спектрометре, а кружочками - расчетный,

полученный методом матрицы переноса. На спектрах видна ярко выраженная последовательность интерференционных максимумов и минимумов. Длина волны излучения в материале (для спектрального диапазона от 1000 до 4000 см" ') составляет по порядку величины от одной до четверти толщины образца (d = 2,24 мкм). Граница области пропускания при малых значениях волнового числа определяется краем поглощения в BaF2, а при больших значениях - положением края запрещенной зоны твердого раствора, отмеченного на рисунке стрелкой ¿edge- Как видно из рисунка, с увеличением температуры для данного х край поглощения смещается в сторону больших энергий, для Т= 80 К £edge = 3640 см" а для Т= 295 К ^ = 4160 см"1.

Рис. 5. Спектры пропускания эпитаксиального слоя твердого раствора РЬ^Еи/Ге (х = 0,059) при температурах: а) 80 К, б) 295 К.

Используя условия возникновения эктремумов в спектрах пропускания эпитаксиальных слоев, можно рассчитать значения показателя преломления. Полученные таким образом дисперсионные зависимости Щ1) для твердого раствора РЬ^Еи/Ге (0 <х < 1) при температурах 80 и 295 К представлены на Рис. 6. Точками показаны значения Ы, рассчитанные по интерференционным максимумам спектров пропускания. Для сравнения, сплошными линиями показаны кривые, полученные методом подгонки расчетных спектров к

экспериментальным. Для задания явного вида зависимости ЩХ) использовалось выражение Селмейра второго порядка (г = 2):

= (1)

где / - номер осциллятора, £ - сила его резонансного поглощения, Х-, - длина волны поглощения.

2 -

-1-1-1-1-1---1_._I_._I_ | ■ '

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 к, см"1

Рис. 6. Дисперсия показателя преломления твердого раствора РЬЬ1ЕигТе(0 < х < 1) ниже края поглощения при температурах: а) 80 К, б) 295 К.

С увеличением энергии фотона показатель преломления и его скорость изменения монотонно возврастают, достигая своего максимума при энергии, равной Еъ твердого раствора. С увеличением содержания Ей в твердом растворе РЬ1_хЕихТе значение N уменьшается, и кривые становятся более пологими. Такое поведение показателя преломления обусловлено изменением положения края поглощения с изменением состава твердого раствора. Для больших х край сдвигается в сторону больших значений волнового числа, поэтому дисперсия показателя преломления достигает асимптотического значения уже в рассматриваемом спектральном диапазоне.

Для анализа изменения показателя преломления в зависимости от содержания Ей, были построены зависимости Щх) на определенной длине волны и при температурах 80 и 295 К. Значения N нелинейно убывают с ростом х и в области х ~ 0,1 имеют изгиб. С повышением температуры Лг(РЬТе)уменьшается, а Л'(ЕиТе) увеличивается (соответственно с1Е/с1Т = + 0,45мэВ/К для РЬТе, йЕ^йТ = - 0,19 мэВ/К для ЕиТе), поэтому кривые для разных температур имеют точку пересечения в области х ~ 0,5. Такое поведение N согласуется с изменением Е% твердого раствора в зависимости от состава. Для Е& характерна обратная зависимость (соотношение Мосса): для составов с х < 0,5 она увеличивается с ростом температуры, а с х > 0,5 - уменьшается.

Полученные аналитические выражения Селмейра для зависимостей ЩХ) имеют практическое значение. Они используются при анализе спектров пропускания как отдельных эпитаксиальных слоев, так и многослойных структур, например брэгговских зеркал. Так, на их основе были рассчитаны спектры пропускания слоев, которые приведены на Рис. 5 (кружочки). Расчетные спектры хорошо согласуются с экспериментальными, но амплитуды пропускания разные. Это связано с тем, что, при расчетах не учитывалось поглощение в слое. Для к ниже ширины запрещенной зоны оно невелико и определяется поглощением на свободных носителях (составляет 10 - 20 см"1). Так, пропускание в максимуме в области малых частот достигает наибольшего

значения равного Тпр = 0,98 для расчетного спектра, а для измеренного Тпр ~ 0,95 при 295 К, и Тпр ~ 0,85 при 80 К. При этом положения экстремумов совпадают с хорошей точностью.

Глава 4 посвящена разработке и созданию на основе твердого раствора РЬ^Еи/Ге (0 <х < 1) четвертьволновых брэгговских зеркал и микрорезонаторов для средней ИК области спектра. Дается описание основных принципов устройства подобных многослойных гетероструктур. С использованием метода матрицы переноса и полученных зависимостей N(1) и Е„(х) проводится анализ их спектров пропускания в зависимости от материала, толщины и количества слоев. Приводятся результаты этого анализа, и определяется оптимальная гетеропара.

С точки зрения локализации электромагнитного поля в резонаторе (т.е. меньшего его проникновения в слои зеркала), увеличения ширины стоп-зоны и экономии материала, при технологическом процессе целесообразно подбирать гетеропары с наибольшим оптическим контрастом (С). Тогда необходимый коэффициент отражения зеркал на заданной длине волны (/? > 99,9 %) будет достигаться при меньшем количестве пар. Для твердого раствора РЬЕиТе значение С для гетеропары РЬ1.хЕи1Те/ЕиТе увеличивается с увеличением х, и достигает наибольшего значения при х = 0. Но материал зеркал нужно выбирать таким, чтобы в нем не было сильного поглощения в интересующем спектральном диапазоне (4 — 5 мкм). Так как в твердых растворах с содержанием Ей менее 5% в зависимости от температуры измерения поглощается излучение с длиной волны излучения более 3,5 мкм (энергией кванта менее 0,35 эВ), то оптимальной является гетеропара РЬ,^ЕигТе (х ~ 0,05)/ЕиТе с показателями преломления = 5/2,23 (С ~ 0,38) при Т = 80 К и = 4,8/2,25 (С ~ 0,36) при Т = 295 К.

На Рис. 7 показан спектр пропускания брэгговского зеркала при Т = 295 К. Зеркало выращено на подложке ВаР2 и состоит из трех гетеропар РЬо,94Еи0,обТе/ЕиТе с дополнительным четверть-волновым защитным слоем РЬ0>94Еи0>обТе и с толщинами, приблизительно равными 223/473 нм. На вставке

показана фотография скола зеркала, сделанная на электронном микроскопе. Состав твердого раствора РЬ!.хЕихТе приведен по технологическим данным, а толщины слоев измерены на электронном микроскопе.

-,-1 , I _,_|_

1000 2000 3000 4000

к, см"

Рис. 7. Спектр пропускания трехпериодного брэгговского зеркала на основе гетеропары РЬ0,94Еио,обТе/ЕиТе с дополнительным четвертьволновым защитным слоем РЬо^Еи^обТе при Т = 295 К. Сплошной линией показан измеренный спектр на Фурье-спектрометре, а кружочками - рассчитанный методом матрицы переноса. На вставке показана фотография скола структуры.

В спектре видна область высокого отражения в пределах от ~ 2000 см"1 до ~ 3450 см"', называемая стоп-зоной. Центр этой зоны расположен на целевой длине волны излучения 1цел (на нее настраивается зеркало). В данном случае лцсл = 3,7 мкм. Специальные измерения отражения показали, что для нее коэффициент Л достигает 99.8 %.

С использованием таких зеркал разрабатывались микрорезонаторы для лазеров с вертикальным выводом излучения. Они состоят из двух трехпериодных брэгговских зеркал и активной области между ними. В качестве активной области использовались твердые растворы с содержанием Ей х < 0,02 и длинами резонаторов (¿4) от половины до двух с половиной длин волн

излучения в материале. На Рис. 8 показан спектр пропускания микрорезонатора с активной областью РЬ0,99Еи0,01Те и длиной ¿4-2 мкм. На спектре видны область стоп-зоны с Аксз ~ 1210 см"1 и Апел ~ 4,6 мкм = 2190 см"1) и три резонанса пропускания, их число зависит от величины ¿4. Чем больше длина резонатора, тем больше количество резонансов. Порядок центрального резонанса равняется т ~ 4.

Рис. 8. Спектр пропускания микрорезонатора с трехпериодными брэгговскими зеркалами на основе гетеропары Pb0.94Eu0.06Te/EuTe с активной областью Pb0.99Eu0.01 Те и йа = 5 • ЯЧК1/2УУа. На вставке показана фотография скола структуры.

Сплошной линией на рисунках показаны измеренные на Фурье-спектрометре спектры, а кружочками - рассчитанные методом матрицы переноса. Как видно из рисунков, положения экстремумов пропускания и стоп-зоны хорошо совпадают, а амплитуды разные. Особенно сильно эта разница заметна для части спектров, расположенных в высокоэнергетической области, где появляется поглощение между зонами. Для зеркал определяется слоями Pbo.94Euo.06Te, а для микрорезонатора активной областью.

Необходимо отметить разницу в ширинах резонансов пропускания измеренного и расчетного спектров. Добротность для всех резонансов реальных структур получается невысокой и составляет порядка 100. Причиной являются поглощение в слоях и рассеяние на дефектах структуры, которые могут возникать при росте на неоднородной поверхности подложки Ва¥2 (при выкалывании образуются ступеньки различного размера до 1 мкм). Вносимые таким образом дефекты дают дополнительный вклад в рассеяние излучения и, как следствие, уширение резонансов Фабри-Перо. Использование кремниевых полированных подложек позволяет увеличить добротность и достигнуть пропускания, близкого к теоретическому [8].

На основе таких микрорезонаторов продемонстрирована работа одномодовых лазеров с вертикальным выводом излучения при оптической накачке для спектрального диапазона 4-5 мкм. Лазеры работали при температурах, близких к температуре жидкого азота (50 - 80 К). Определены их основные характеристики: зависимости интегральной интенсивности излучения от уровня возбуждения, спектры излучения и перестройка длины волны излучения с температурой.

Диапазон температурной перестройки излучения лазеров составляет АТ ~ 15 - 20 К, что соответствует диапазону перестройки по энергии АЕ ~ 2,2 мэВ (Ак ~ 15 см ). Полуширина линии излучения на полувысоте составляла около 0,2 мэВ (ДА ~ 1,6 см'1). Из сравнения величины интегральной интенсивности излучения с интегральной интенсивностью излучения для торцовых лазеров, измеряемой на той же установке и для которых мощность известна, определено, что мощность лазеров с вертикальным выводом излучения была не менее десятков мВт.

В Заключении представлены основные результаты работы: 1. Совместно с технологией выращивания проведена характеризация слоев твердого раствора РЬ,.хЕихТе (0 < х < 1) во всем диапазоне составов получаемых методом молекулярно-пучковой эпитаксии на подложках

(111)ВаР2. Определены оптимальные условия роста эпитаксиальных слоев и гетероструктур (Г > 400 °С) на основе электронно-микроскопических измерений и низкотемпературной фотолюминесценции.

2. Предложена схема перестройки валентной зоны и зоны проводимости твердого раствора РЬ^ЕиДе (0 < х < 1) в зависимости от содержания Ей. В соответствии с ней в области составов х ~ 0,1 происходит смена абсолютного минимума дна зоны проводимости с ¿-точки зоны Бриллюэна (бр-орбиталь РЬ) на Х-точку (5<^-орбиталь Ей). При дальнейшем увеличении состава в области х ~ 0,85 изменяется абсолютный максимум валентной зоны с Ь-точки (5/7-орбиталь Те) на Г-точку (4/-орбиталь Ей). Данная схема согласуется с результатами измерений фотолюминесценции и дисперсии показателя преломления ниже края поглощения.

3. Установлено, что интенсивность фотолюминесценции при * > 0,03 начинает резко уменьшаться, и уже для состава х ~ 0,1 падает более чем на порядок. Для составов 0,2 < х < 0,32 люминесценция не обнаружена. Форма спектров излучения с увеличением содержания Ей симметризуется. Такие изменения связываются с изменением зонной структуры твердого раствора. В соответствии с предложенной схемой при смене абсолютного минимума (£ —> X) дна зоны проводимости оптические переходы становятся непрямыми, люминесценция затухает и происходит рассеяние неравновесных носителей заряда в Х-долину.

4. Показано, что зависимости Е&(Т) для составов 0 < х < 0,11, имеют широкую линейную область со стороны высоких (от 30 до 250 К) температур, с положительным коэффициентом с1Её/с1Т. С увеличением содержания Ей этот коэффициент уменьшается с 0,47 мэВ/К при х = 0 до 0,27 мэВ/К при * = 0,11. Это уменьшение можно объяснить тем, что для ЕиТе коэффициент йЕ^Т имеет отрицательное значение. Из измерений получено, что он равен - 0,19 мэВ/К.

5. Определены дисперсия показателя преломления и положение края

поглощения для всей области составов х при двух температурах 80 и 295 К. Так как коэффициенты dEJdT для бинарных соединений имеют противоположные знаки, то в случае твердого раствора РЬ^ЕиДе имеет место инверсия знака коэффициента dEg/dT в области составов х ~ 0,5. Для N(T) характерна обратная зависимость по сравнению с Eg(T): при х < 0,5 он уменьшается с ростом температуры, а при х > 0,5 - увеличивается.

6. Проведен численный анализ спектров пропускания брэгговских зеркал и микрорезонаторов на основе гетеропары РЬ^ЕиДе/ЕиТе в зависимости от целевой длины волны излучения и количества четвертьволновых пар в зеркалах. Показано, что оптимальным составом, при котором достигается высокое значение отражения в центре стоп-зоны при минимальном количестве четвертьволновых пар, является х ~ 0,05. На основе гетеропары получены высокоотражающие брэгговские зеркала для средней ИК области спектра. За счет высокого относительного оптического контраста С ~ 0,4 отражение R > 99,8 % получено уже при трех парах.

7. Создан одномодовый лазер с вертикальным выводом излучения для окна прозрачности атмосферы спектрального диапазона 4,2 - 5,3 мкм, работающий при оптической накачке и азотных температурах. Спектр излучения состоит из одной моды, диапазон температурной перестройки которой составляет АТ~ 15 - 20 К, что соответствует диапазону перестройки по энергии АЕ ~ 2,2 мэВ (Дк —15 см"1). Полуширина линии излучения на полувысоте составляет около 0,2 мэВ (ДА: ~ 1,6 см"1) и определяется аппартной функцией решеточного монохроматора.

Список работ по теме диссертации

1. Д. А. Пашкеев, Ю. Г. Селиванов, F. Felder, И. И. Засавицкий. Зависимость спектров фотолюминесценции эпитаксиальных слоев твердого раствора РЬь *ЕиДе (0 < я < 0,1) от условий выращивания. ФТП, 44, 891 (2010).

2. Д. А. Пашкеев, Ю. Г. Селиванов, Е. Г. Чижевский, Д. А. Ставровский, И. И.

Засавицкий. Дисперсия показателя преломления эпитаксиальных слоев

твердого раствораРЬ^ЕиДе (0 <х < 1) ниже края поглощения. ФТП, 45, 1014 (2011).

3. Д. А. Пашкеев, И. И. Засавицкий. Роль междолинного рассеяния в излучательной рекомбинации твердого раствора. РЬ^ЕиДе (0 <* < 1). ФТП, 46, 745 (2013).

Тезисы докладов на конференциях

1. Д. А. Пашкеев, Ю. Г. Селиванов, И. И. Засавицкий. Оптические свойства эпитаксиальных слоев твердого раствора РЬ^ЕиДе (0 < х < 1). // X Российская конференция по физике полупроводников. (Нижний Новгород, 19 -23 сентября 2011 г.).

2. Д. А. Пашкеев, Ю. Г. Селиванов, И. И. Засавицкий. Дисперсия показателя преломления эпитаксиальных слоев твердого раствора РЬ^Ец/Ге (0 < х < 1) // 4 Всероссийская молодежная конференция "Инновационные аспекты фундаментальных исследований по актуальным проблемам физики". (Москва, 14- 16 ноября 2011 г.).

3. Д. А. Пашкеев, Ю. Г. Селиванов, И. И. Засавицкий. Лазеры с вертикальным выводом излучения {X ~ 4 -5 мкм) на основе РЬЕиТе/ЕиТе. // 3-Й Симпозиум "Полупроводниковые лазеры: физика и технология". (Санкт-Петербург, 13 - 16 ноября 2012 г.).

4. Д. А. Пашкеев, Ю. Г. Селиванов, И. И. Засавицкий. Создание и изучение эпитаксиальных брэгговских зеркал на основе РЬ^ЕиДе (0 < х < 1) для средней инфракрасной области спектра // Научная сессия НИЯУ МИФИ. (Москва, 30 января - 4 февраля 2012 г.).

5. Д. А. Пашкеев, И. И. Засавицкий. Роль междолинного рассеяния в излучательной рекомбинации твердого раствора РЬ^ЕиДе (0 < д: < 1) // XI Российская конференция по физике полупроводников. (Санкт-Петербург, 16 -20 сентября 2013 г.).

Список используемой литературы

1. R. Dornhaus, G. Nimtz, В. Schlicht. Narrow-Gap Semiconductors. Springer Tracts in Modern Physics Series, 98 (1983).

2. M. Tacke. Infrared Physics and Technology. 36, 447 (1995).

3. И.И. Засавицкий. Труды ФИАН. 224, 3 (1993).

4. A. Rogalski. Infrared detectors. New-York: CRC Press, 2011, 876 p.

5. D. L. Partin. IEEE J. Quantum Electron. QE-24,1716 (1988).

6. P. Wachter. In: Handbook on the Physics and Chemistry of Rare Eath, eds. K.A. Gschneider, L. R. Eyring (Noth Holland, Amsterdam, 1979), vol. 2, p. 507.

7. E. W. Baumgartner, T. Schwarzl, G. Springholz, W. Heiss. Appl. Phys. Let. 89, 051110(2006).

8. H. Zogg. In: Lead Chalcogenides: Physics and Applications, ed. D. Khokhlov, (New-York, Taylor & Francis, 2003), vol. 18, p. 587.

9. H. Heredia, P. H. de Oliveira Rappl, P. Motisuke, A. L. Gazoto, F. Likawa, M. J. S. P. Brasil, Appl. Phys. Let. 93, 031903 (2008).

10.W. Heiss, R. Kirchschlager, G. Springholz, Z. Chen, M. Debnath, Y. Oka, Phys. Rev. B. 70, 035209 (2004).

ll.S. Mathi Jaya and W. Nolting, J. Phys. Condens. Matter 9, 10439 (1997).

12.A. Gruneis, K. Hummer, M. Marsman, and G. Kresse. Phys. Rev. B. 78, 165103 (2008).

13.J. N. Zemel, J. D. Jensen, R. B. Schoolar. Phys. Rev. 140, A330 (1965).

14.Shu Yuan, H. Krenn, G. Springholz, and G. Bauer. Phys. Rev. B. 47, 7213 (1993).

Подписано в печать 23.05.2014 г. Формат 60x84/16. Заказ № 29. Тираж 100 экз. П.л 1,5. Отпечатано в РИИС ФИАН с оригинал-макета заказчика 119991 Москва, Ленинский проспект, 53. Тел. 499 783 3640

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Пашкеев, Дмитрий Александрович, Москва

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н.Лебедева РАН

04201460543 На правах рукописи

Пашкеев Дмитрий Александрович

Оптические свойства эпитаксиальных слоев твердого раствора РЬ^ЕиДе (0 < х < 1)

Специальность 01.04.07 "Физика конденсированного состояния"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор

Засавицкий Иван Иванович

Москва, 2014

Посвящается моей жене Алие Касимовне, и родителям Александру Дмитриевичу и Марине Ивановне.

Благодаря их постоянной помощи и поддержке стало возможным выполнить эту работу.

Содержание

Введение.........................................................................................................................................5

Глава 1. Создание качественных опитаксиальных слоев и гетероструктур на основе твердого раствора РЬ^ЕиДе (0 < х < 1)....................................................................................11

1.1. Физико-химические свойства твердого раствора РЬЕи'Ге...........................................11

1.2. Выращивание эпитаксиальных слоев и многослойных гетероструктур...................16

1.3. Образцы............................................................................................................................17

1.4. Зависимость спектров фотолюминесценции от условий выращивания....................23

1.4.1. Методика измерения фотолюминесценции эпитаксиальных слоев...................23

1.4.2. Результаты измерения фотолюминесценции слоев, выращенных при различных условиях..........................................................................................................25

Глава 2. Зонная структура и излучательная рекомбинация твердого раствора РЬь^ЕиДе (О <х< 1)..........................................................................................................................................33

2.1. Энергетический спектр бинарных соединений РЬТе и ЕиТе......................................33

2.2. Излучательная рекомбинация твердых растворов РЬ^ЕиДе (0 < х < 0,32)..............39

2.2.1. Зависимость интенсивности и спектров излучения от содержания Ей..............39

2.2.2. Зависимость ширины запрещенной зоны от состава и температуры.................42

2.3. Роль междолинного рассеяния в изучательной рекомбинации..................................43

Глава 3. Дисперсия показателя преломления твердого раствора РЬ^ЕиДе (0 <х < 1) ниже края поглощения..........................................................................................................................47

3.1. Оптические постоянные и их дисперсия.......................................................................47

3.2 Показатель преломления и коэффициент поглощения твердого раствора РЬЕиТе...49

3.3 Методика определения показателя преломления по спектрам пропускания.............52

3.3.1 Определение Щсо) в точках расположения максимумов спектра пропускания.53

3.3.2 Метод матрицы переноса.........................................................................................55

3.4 Спектры пропускания эпитаксиальных слоев твердого раствора РЬЕиТе.................57

3.5 Изменение дисперсии показателя преломления и края поглощения твердого раствора в зависимости от состава и температуры.............................................................61

Глава 4. Брэгговские зеркала и микрорезанаторы для средней инфракрасной области спектра..........................................................................................................................................66

4.1. Методика построения брэгговских зеркал....................................................................66

4.2. Микрорезонатор на основе брэгговских зеркал...........................................................71

4.3. Спектры пропускания брэгговских зеркал и микрорезонаторов на основе гетеропары РЬо^Еио.овТе/ЕиТе..............................................................................................78

4.4. Лазер с вертикальным выводом излучения для спектрального диапазона 4-5 мкм

..................................................................................................................................................85

Заключение..................................................................................................................................92

Список работ по теме диссертации...........................................................................................94

Список литературы.....................................................................................................................95

Приложение...............................................................................................................................103

Введение

Полупроводниковые соединения типа А4В6 (PbS, PbSe и РЬТе) характеризуются узкой шириной запрещенной зоны (Eg ~ 0,1 эВ) и высоким значением показателя преломления (N ~ 5) [1 - 4]. На их основе успешно разрабатываются и применяются инжекционные лазеры [5 - 8] и приемники излучения для средней инфракрасной (ИК) области спектра [9, 10]. Лазеры работают на длинах волн излучения от 3 до 40 мкм [11]. Данный спектральный диапазон включает полосы поглощения большинства многоатомных молекул газов и газообразных веществ и основные «атмосферные окна» в ИК области спектра. Поэтому областью применения таких источников излучения является спектральный газоанализ [12 - 15]. Они используются в лазерных спектрометрах [16-17], для измерений положения и интенсивности треков газовых линий поглощения [18], в качестве перестраиваемого гетеродинного источника, как локального осциллятора [19, 20] и для изотопного анализа [21].

Использование щелочноземельных (Sr2+, Mg2+ и Са2+) [22, 23] и редкоземельных (Eu2t, Yb2+ и Sm2+) [24, 25] элементов в тройных твердых растворах на основе халькогенидов свинца позволяют сильно увеличить ширину запрещенной зоны и уменьшить показатель преломления. Одним из таких элементов является европий.

Как известно, твердыми растворами называются двух- или многокомпонентные системы, образующие однородную твердую фазу (например Ai.xBxC) определенного состава .v, в которой тип кристаллической решетки остается таким же, как и для химического соединения растворителя (АС), а атомы или ионы растворяемого вещества (В), встраиваются в эту решетку различным образом, например, замещаются или внедряются [26]. Система РЬ^ЕиДе (0 <х < 1) является твердым раствором замещения. Атомы европия с увеличением х постепенно замещают атомы свинца в кристаллической решетке РЬТе. Структурный тип твердого раствора во всем диапазоне составов от нуля до единицы остается одинаковым, а постоянная решетки (а) незначительно увеличивается [27]. Это делает его привлекательным для эпитаксиального роста слоев и гетероструктур с высокой степенью кристаллического совершенства, в том числе и квантоворазмерных структур[28, 29].

Эти гетероструктуры используются при проектировании высокоотражающих брэгговских зеркал [30] и микрорезонаторов [31] для вертикально излучающих лазеров (VCSEL - vertical-cavity surface-emitting lazer) [32, 33] на длину волны излучения от 3.5 до 5 мкм. Особенность зеркал заключается в том, что, благодаря высокому оптическому контрасту, достигаемому в четвертьволновой паре на основе твердого раствора РЬ^ЕцДе

(О < х < 1), удастся получать коэффициент отражения Я > 99,9 %, используя всего три пары слоев. Для сравнения, чтобы достичь такое же отражение в брэгговском зеркале на основе материала А^Са^Ав необходимо вырастить более 10 пар [34, 35].

Для разработки лазеров (УСБЕЬ) необходимо знать, как изменяются энергетический спектр и оптические свойства твердого раствора РЬ1-хЕихТе (0 < х < 1). Поэтому их изучение имеет значение не только с фундаментальной, но и с практической точки зрения. Свойства бинарных соединений РЬТе и ЕиТе на данный момент хорошо изучены. РЬТе является прямозонным диамагнитным полупроводником с ЕЁ ~ 0,2 эВ [36] и Лг~ 6 [37]. Зона проводимости и валентная зона расположены в одной и той же точке к-пространства, в точке Ь зоны Бриллюэна [38]. Излучательне переходы происходят между зоной проводимости ¿6 и валентной зоной Ъ\ [39].

ЕиТе является антиферромагнетным полупроводниковым соединением с температурой Нееля Ты - 9,6 К, с Е& ~ 2 эВ [40] и 2 [41]. Его магнитные свойства

7 8 \

определяются наполовину заполненными электронами 4/ состояниями (¿>7/2) атомов Еи2_г. Они же образуют максимум валентной зоны в точке Г зоны Бриллюэна. Зону проводимости ЕиТе составляют 5с/-орбитали атомов Ей, но минимум расположен в точке X [42]. Необходимо отметить, что в ЕиТе край поглощения (2,25 эВ) расположен по энергии выше чем наблюдаемая люминесценция (1,9 эВ) [43]. Причем междузонные излучательные переходы, которые по правилам отбора запрещены, происходят с образованием магнитного полярона.

Свойства твердого раствора РЬ^ЕиДе (0 < х < 1) изучались в основном только для составов, близких к нулю и единице [44 - 47]. Большой интерес представляют также изменение его зонной структуры в зависимости от содержания Ей во всем диапазоне составов и ее взаимосвязь с оптическими константами и излучательной рекомбинацией. В настоящее время в этом вопросе основное внимание направлено на рассмотрение влияния 4/ электронов атома Ей на свойства материала. В работах [48, 49] было получено, что эти состояния в наибольшей степени проявляются только в области составов х > 0,5, а в работе [50] указывается, что уже в области малых составов х ~ 0,1 они начинают оказывать влияние на свойства твердого раствора. Поэтому на данный момент этот вопрос остается открытым.

Цель диссертационной работы

анализа свойств материала для разработки брэгговских зеркал и микрорезонаторов для средней инфракрасной области спектра.

Для реализации поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

Научная новизна

В работе впервые предложена схема перестройки валентной зоны и зоны проводимости твердого раствора РЬ^ЕиДе (0 < х < 1) в зависимости от содержания Ей во всем диапазоне составов. В ней показано, что в области составов х ~ 0,1 происходит смена абсолютного минимума {Ь —* X) дна зоны проводимости, а в области х ~ 0,85 - смена абсолютного максимума валентной зоны (Ь —> Г). Это позволяет объяснить изменения люминесценции твердого раствора, и вид, получаемых зависимостей Еъ(х) и А'(х).

Впервые изучены зависимости ширины запрещенной зоны и дисперсии показателя преломления ниже края поглощения от содержания Ей и температуры для всей области составов х. Установлено, что зависимости Её(Т) для составов 0 < х < 0,11, имеют широкую линейную область со стороны высоких температур, с положительным коэффициентом с1Е&/с1Т. С увеличением содержания Ей этот коэффициент уменьшается и для ЕиТе становится отрицательным. Определена точка инверсии знака коэффициента с1Е&!с1Т. Показано, что для зависимости N(1) характерно обратное поведение.

Научная и практическая значимость работы

Результаты оптических измерений эпитаксиальных слоев твердого раствора РЬ]. д-ЕиДе (0 < д: < 1) использовались при изучении зонной структуры материала, и имеют практическое значение при разработке четвертьволновых брэгговских зеркал и микрорезонаторов.

Проведенный численный анализ спектров пропускания таких структур с использованием полученных результатов позволил создать и продемонстрировать работу вертикально излучающего одномодового лазера для спектрального диапазона 4-5 мкм. Данные устройства в дальнейшем могут применяться для различных задач спектрального газоанализа.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Разработана и реализована комплексная методика характеризации эпитаксиальных слоев твердого раствора РЬ^ЕиДе (0 < х < 1)/Вар2. Определены оптимальные условия роста твердого раствора, осуществляемого методом молекулярно-пучковой эпитаксии на подложках (111)Вар2. Созданы качественные эпитаксиальные слои и гетероструктуры для инфракрасной оптоэлектроники.

2. Предложена схема перестройки валентной зоны и зоны проводимости твердого раствора РЬ^ЕиДе (0 < х < 1) в зависимости от содержания Ей. В соответствии с ней в области составов х ~ 0,1 происходит смена абсолютного минимума дна зоны проводимости с ¿-точки зоны Бриллюэна (бр-орбиталь РЬ) на Х-точку (5й?-орбиталь Ей). При этом оптические переходы становятся непрямыми, и происходит рассеяние неравновесных носителей заряда в Х-долину. При дальнейшем увеличении состава в области д: ~ 0,85 изменяется абсолютный максимум валентной зоны с ¿-точки (5р-орбиталь Те) на Г-точку (4/:орбиталь Ей).

3. Установлено, что в соответствии со схемой изменения зонной структуры твердого раствора, интенсивность излучательной рекомбинации с увеличением х уменьшается, при х ~ 0,1 падает более чем на порядок, и для составов 0,2 < х < 0,32 люминесценция не наблюдается. Зависимости от х ширины запрещенной зоны и показателя преломления ниже края поглощения нелинейны и в областях перестройки зоны проводимости и валентной зоны имеют изгибы. Показано, что в области составов .г ~ 0,5 происходит инверсия знака коэффициента йЕ^дТ. С ростом температуры Е% для составов с л; < 0,5 увеличивается, а при х > 0,5 - уменьшается. Для ЛГ(Т) характерна обратная зависимость: при х < 0,5 он уменьшается с ростом температуры, а при х > 0,5 -увеличивается.

4. Проведен численный анализ спектров пропускания брэгговских зеркал и микрорезонаторов на основе твердого раствора РЬь^ЕиДе (0 < х < 1) в зависимости от целевой длины волны излучения и количества четвертьволновых пар в зеркалах. В соответствии с результатами расчетов разработаны брэгговские зеркала и микрорезонаторы с использованием гетеропары РЬо,94Еио,обТе/ЕиТе для средней ИК

области спектра. Созданы одномодовые лазеры с вертикальным выводом излучения при оптической накачке и азотной температуре, излучающие в области окна прозрачности атмосферы 4,2 - 5,3 мкм.

Публикации и апробация работы

Структура н объем диссертации

Основное содержание работы

Глава 1 посвящена созданию качественных эпитаксиальных слоев твердого раствора РЬ^ЕиДе (0 < х < 1) и гетероструктур на их основе. Дается обзор основных свойств материала. Приведено краткое описание метода молекулярно-пучковой эпитаксии. Описывается методика характеризации получаемого материала: определение толщины, состава и морфологии поверхности слоев на растровом электронном микроскопе, проведение рентгено-структурного анализа, определение электрофизических свойств по методу Холла, контроль однородности слоев при помощи низкотемпературной фотолюминесценции.

В главе 2 рассматриваются строение энергетического спектра и излучательная рекомбинация бинарных соединений РЬТе и ЕиТе и тройного твердого раствора РЬЕиТе. Приводятся основные результаты измерений интегральной интенсивности и спектров излучения в зависимости от состава х, уровня возбуждения и температуры. На основе полученных результатов и литературных данных для составов близких к ЕиТе обсуждается вопрос влияния 4/ локализованных состояний Ей на наблюдаемую люминесценцию материала во всем диапазоне составов. Предложена схема изменения зонной структуры твердого раствора в зависимости от содержания Ей.

В главе 3 рассматриваются оптические свойства твердого раствора РЬ^ЕцДе (0 <х < 1). Описываются различные способы определения и представления оптических постоянных. Приводится методика определения дисперсии показателя преломления ниже края поглощения по спектрам пропускания эпитаксиальных слоев. Дается описание метода матрицы переноса, позволяющего численно рассчитывать спектры пропускания и отражения для многослойных структур. Приводятся основные результаты измерения дисперсии показателя преломления твердого раствора в зависимости от содержания Ей и температуры. Проводится сравнение экспериментально измеренных спектров пропускания с модельными, при расчете которых использовались полученные зависимости N((0)

Глава 4 посвящена разработке и созданию на основе твердого раствора РЬ^ЕиДе (О < х < 1) четвертьволновых брэгговских зеркал и микр