Оптические свойства гетероструктур (Zn, Cd)Se/(Zn, Mg)(S, Se) с массивами квантовых точек тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

<5- РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

^ йВДЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. А.Ф.ИОФФЕ £

На правах рукописи

КРЕСТНИКОВ Игорь Леонидович

ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГЕТЕРОСТРУКТУР (гп,С(1)8е/(гп,М8)(8,5е) С МАССИВАМИ КВАНТОВЫХ ТОЧЕК

(Специальность 01.04.10-физика полупроводников и диэлектриков )

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 1998

Работа выполнена в Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе Российской Академии наук.

Научный руководитель:

доктор физ.-мат. наук Н.НЛеденцов.

Официальные оппоненты:

доктор физ.-мат. наук А.Н.Пихтин, доктор физ.-мат. наук Л.Е.Воробьев.

Ведущая организация:

Институт аналитического приборостроения РАН.

Защита состоится

'■У 1998г. в /¿час. на заседании

диссертационного совета K0Q3.23.01 при Физико-техническом институте им.А.Ф.Иоффе РАН по адресу: 194021, Санкт-Петербург, ул.Политехническая, д.26, ФТИ им.А.Ф.Иоффе РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физико-технического института им.А.Ф.Иоффе РАН.

Автореферат разослан /$^ 98г.

Л

Ученый секретарь диссертационного совета, ^лЛ сЛЛ^

98г.

кандидат физ.-мат. наук

Г.С.Куликов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

В настоящее время является общепризнанным, что квантовораэмерные гетероструктуры определяют прогресс в физике и технике полупроводников. Наиболее активные исследования таких структур ведутся в системах соединений АЗВ5 и А2В6. Весьма важны и приборные применения квантоворазмерных структур. Например, инфракрасные полупроводниковые лазеры с квантовыми ямами на основе традиционных соединений АЗВ5 являются ключевым элементом в линиях волоконно-оптической связи (ВОЛС), лазерных принтерах, устройствах оптической записи информации (видео- и компакт-диски и др.).

В настоящее время все возрастающие требования, предъявляемые к современным оптоэлектронным устройствам, обуславливают необходимое расширение круга материалов, применяемых в оптоэлектронике. Так, уменьшение длины волны излучения полупроводникового лазера с 800 нм (инфракрасный диапазон) до 400 нм (голубой диапазон) позволяет в несколько раз увеличить плотность и, как минимум, на порядок по величине скорость оптической записи информации, что дает возможность существенно расширить круг применений данных устройств; увеличить на один - два порядка по величине скорость печати лазерных принтеров; заменить, при сохранении пиковой оптической мощности в несколько сот милливатт, крупногабаритные и дорогие газовые и твердотельные лазеры в их различных диагностических применениях (спектроскопия, медицина и т.д.).

Появление полупроводниковых светодиодов в сине-зеленой области спектра открывает новые возможности по созданию устройств

цветного оптического отображения информации нового поколения, например, таких как плоские полупроводниковые дисплейные матрицы. В связи с этим в последнее время широкое внимание привлекают к себе широкозонные полупроводниковые соединения А2В6 и нитридов третьей группы.

После демонстрации в 1991 году специалистами ЗМ Company (США) первого полупроводникового лазера на основе гетероструктуры ZnSe/ZnCdSe, работающего в импульсном режиме при Т=77К в зеленом оптическом диапазоне [1], ведущие производители оптоэлектронной техники (ЗМ Со. (США), Sony Со. (Япония), M-A Philips Со. (США), Matsushita Electric Ind. Со. (Япония), Nichia (Япония) и др.) активно включились в исследования по разработке технологии создания непрерывных полупроводниковых гетеролазеров в этом диапазоне длин волн. В настоящее время фирма Nichia (Япония) разработала непрерывный промышленный полупроводниковый лазер на основе GaN, имеющий длину волны излучения -410 нм [2].

В то же время промышленный лазер, работающий в зеленой области видимого спектра, пока не создан. В связи с этим сохраняется интерес к соединениям А2В6, так как эта система является наиболее перспективной как раз для создания зеленого лазера, необходимого для ряда важных применений (проекционное телевидение, медицина и т.д.). Кроме того, соединения А2В6 были и являются основными материалами для изучения оптических процессов в широкозонных полупроводниках и гетероструктурах на их основе, так как их оптические свойства можно рассматривать как модельные. В случае нитридов третьей группы плохая однородность твердых растворов и доменная структура эпитаксиальных пленок усложняют детальные физические исследования. Таким образом,

-4-

изучение основных физических процессов в А2В6 наноструктурах может служить базисом для разработок новых физических концепций управления световыми потоками в широкозонных полупроводниках, особенно при использовании структур с квантовыми проволоками и квантовыми точками.

За последние годы разработка технологии получения непрерывных полупроводниковых лазеров на основе широкозонных соединений А2В6, работающих в зелено-голубой области спектра при комнатных температурах, превратилась в одно из ведущих направлений исследований в современной полупроводниковой оптозлектронике. Молекулярно-пучковая эпитаксия (МПЭ) является, на данный момент, единственным эффективным технологическим методом, позволяющим получать подобные инжекционные гетероструктуры. В настоящее время реализован зеленый лазер, непрерывно работающий >400 часов при комнатной температуре (Sony Ltd.) [3]. Однако параметры лазеров на основе соединений А2В6 пока, в целом, не достаточны для их широкого технического применения, что свидетельствует о настоятельной необходимости проведения новых исследований.

Считается общепризнанным, что дальнейший прогресс в улучшении параметров сине-зеленых гетеролазеров (таких, как пороговая плотность тока, выходная оптическая мощность, время жизни в непрерывном режиме при комнатной температуре и т.д.) связан с ® существенным расширением круга используемых материалов А2В6, главным образом четверных твердых растворов ZnMgSSe, ZnMgSeTe, ZnBeSSe, обеспечивающих более полное оптическое и электронное ограничение в лазерных гетероструктурах; • выбором оптимальных контактных, изолирующих и конструкционных материалов при изготовлении диодов;

- 5 -

• применением структур с пониженной размерностью, особенно, использование квантовых точек в активной области лазера.

Квантовые точки позволят резко увеличить усиление, улучшить температурную стабильность и снизить пороговую плотность тока лазера.

Основная цель данной работы - разработка новых принципов управления световыми потоками в полупроводниках с помощью низкоразмерных гетероструктур (2п,Сс1)5е/(2п,М§)(5,5е) с массивами квантовых точек, полученных методом субмонослойного осаждения в процессе молекулярно-пучковой эпитаксии.

Научная новизна работы заключается в решении поставленных задач, а именно:

исследование оптических свойств эпитаксиальных слоев 2пК^85е и гпСс18е;

расчет и сравнение с экспериментом уровней размерного квантования в гпСс15е/2п8е квантовых ямах, что позволило определить некоторые основные параметры объемных гпБе и Сс1Ве;

установление взаимосвязи между структурными и оптическими свойствами квантовых точек, полученных путем субмонослойного осаждения при молекулярно-пучковой эпитаксии; исследование электронного спектра структур с квантовыми точками; численное моделирование волноводов с утечками, в которых увеличение показателя преломления в активной области достигается за счет резонансного характера спектров поглощения и/или усиления в квантовых точках;

исследование механизмов усиления и лазерной генерации в структурах

без внешнего волновода;

реализация лазерной генерации с поверхности.

-6-

Основные положения, выноснмые на защиту:

1. Результаты оптических и магнитооптических исследований субмонослойных (0.7-1.0 монослоя) структур согласуются с наличием Сс18е островков в гп8е матрице. образующихся путем самоорганизации (высота 1-2 монослоя, латеральные размеры -30-40А и плотность ~1012 см'2).

2. Структуры с СсЗБе островками обладают оптическими свойствами структур с квантовыми точками.

3. В случае вертикального складирования массивов квантовых островков возникает их вертикальное упорядочивание, которое может быть двух типов: вертикальная корреляция и вертикальная антикорреляция. Изменение типа вертикальной корреляции, осуществляемое путем изменения толщины барьеров между массивами квантовых островков, позволяет управлять электронным спектром подобных структур и приводит к кардинальным изменениям в спектрах фотолюминесценции.

4. За счет резкой модуляции показателя преломления вблизи экситонного резонанса возможно осуществление эффективного волноводного эффекта в полупроводниковых структурах без использования толстых широкозонных слоев с меньшим показателем преломления, ограничивающих активную область.

5. Осуществлена резонансная (безфононная) лазерная генерация через состояния квантовых точек вплоть до комнатной температуры в структурах без внешнего оптического ограничения.

Научная и практическая ценность. Впервые было показано, что субмонослойные внедрения С(15е в матрицу (2п,Г^)(8,5е) представляют собой массивы однородных наноостровков высотой от 1 до 2 монослоев, с латеральными размерами 30-40А и плотностью ~10|2см"2. Структуры с наноостровками обладают оптическими свойствами характерными для квантовых точек. Впервые продемонстрировано изменение типов вертикального упорядочивания вертикально складированных массивов наноостровков путем вариации толщины барьеров между слоями, что позволило управлять электронными волновыми функциями и, соответственно, спектральным положением пиков фотолюминесценции и поляризацией люминесценции с торца. Сильная модуляция показателя преломления в субмонослойных структурах вблизи экситонного резонанса приводит к возникновению экситон-обусловленного волноводного эффекта. При этом возможна лазерная генерация вплоть до комнатных температур без внешнего оптического ограничения вследствие гигантского коэффициента поглощения, отсутствия экранировки экситонов при больших плотностях возбуждения и резонансного характера механизма усиления, обусловленного снятием правил отбора по импульсу. Впервые было показано, что возможна лазерная генерация с поверхности в структурах с произвольной толщиной микрорезонатора вследствие эффекта самосогласования мод резонатора со спектром усиления, обусловленного резкой модуляцией показателя преломления.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на:

• 2-ой Российской конференции по физике полупроводников, Зеленогорск, 26 февраля - 1 марта 1996;

• 23rd International Conference on the Physics of Semiconductors, Berlin, Germany, 21-26 July 1996;

• Second International Conference on Low Dimensional Structures and Devices, May 19-21, 1997, Lisbon, Portugal;

• Sixth International Conference on the Formation of Semiconductors Interfaces, June 23-27, 1997, Cardiff, UK;

• Eighth International Conference on II-VI Compounds, 25-29 August 1997, Grenoble, France;

• International symposium "Nanostructures: physics and technology", 24-28 June 1996, St.-Petersburg, Russia;

• 24lh International Conference on the Physics of Semiconductors, August 2-7, 1998, Jerusalem, Israel (invited talk);

а также на научных семинарах лаборатории квантоворазмерных гетероструктур ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН и института физики твердого тела Технического Университета Берлина.

Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 14 печатных работах, в том числе в 11 научных статьях и в материалах 3 конференций.

Структура н объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 75 страницах машинописного текста. Диссертация включает также 44 рисунка и список литературы из 107 наименований. Общий объем диссертации 125 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель

диссертации, изложены основные положения, выносимые на защиту.

-9 -

Первая глава содержит обзор литературы. В ней рассмотрены механизмы роста напряженных гетероструктур А2В6. Описываются результаты теоретических исследований, которые предсказывают распад субмонослойных покрытий на массивы упорядоченных по размерам двумерных наноостровков [4]. При вертикальном складировании массивов наноостровков возможны несколько типов вертикального упорядочивания [5]: статистическое распределение наноостровков на поверхности вследствие флуктуации (рис. 1а), вертикальная корреляция (рис.16) и вертикальная антикорреляция (рис. 1в). Далее приведены экспериментальные результаты оптических исследований сверхтонких квантовых ям и субмонослойных структур А2В6. Освещены механизмы стимулированного излучения и лазерной генерации в широкозонных соединениях А2В6 и квантовых ямах на их основе. Показано, в частности, что при экситонном механизме усиления в объемных соединениях А2В6 и квантовых ямах на их основе лазерная генерация существенно сдвинута в низкоэнергетичную сторону относительно экситонного резонанса вследствие многочастичного взаимодействия (например, с ЬО-фононом), необходимого для выполнения правил отбора по импульсу.

Во второй главе описывается применявшееся технологическое и измерительное оборудование, а также применяемые методики. В процессе

Рнс.1.

а б в

Различные возможности вертикального упорядочивания наноостровков: нет корреляции (а), вертикальная корреляция (б) и антикорреляция (в) [5].

диссертационной работы изучался набор структур, выращенных методом МПЭ на установке ЭП 1203, поэтому дано подробное описание метода МПЭ и устройства ростовой установки. Все структуры были выращены на подложке GaAs(OOl). В качестве источников базовых молекулярных пучков использовались элементарные Zn(6N), Se(6N), Mg(5N), Cd(6N), а также сульфид цинка (5N). Дано подробное послойное описание структур, интенсивно изучавшихся в процессе работы. В конце главы описаны применявшиеся в настоящей работе методы исследования выращенных образцов. Исследования по просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения (ПЭМВР) осуществлялись вдоль направлений <110> на электронном микроскопе PHILIPS СМ 200 FEG/ST с разрешением 0.24 нм. Оцифрованные изображения ПЭМВР подвергались цифровой обработке DALI методом. Пример изображения ПЭМВР субмонослойной сверхрешетки с периодом 30Ä приведен на рис.2 [6]. Спектры фотолюминесценции (ФЛ), возбуждения фотолюминесценции (CBJI) и оптического отражения снимались на установке, собранной на базе монохроматора МДР-23 и охлаждаемого фотоэлектронного умножителя ФЭУ-83, работающего в режимах счета фотонов и синхронного

4 ,-А

I ,»>>«ih1V,'. I

*рг ** t f ^

2НМ

гпЭе • Сс18е |_|

Рис.2. Изображение ПЭМВР, подвергнутое цифровой обработке, для структуры с ЗОА барьерами между субмонослойными вставками. Показаны оба типа вертикального упорядочивания: вертикальная корреляция (а) и антикорреляция (б).

детектирования. ФЛ возбуждалась непрерывным Не-С<1 лазером (Л=325 нм, плотность мощности до 1 Вт/см2) или импульсным азотным лазером (Х.=337.1 нм, плотность мощности до 1.5 МВт/см2). Для спектров оптического отражения использовалась галогеновая лампа накаливания, дающая непрерывный спектр. СВЛ были получены с помощью той же галогеновой лампы накаливания, свет от которой пропускался через монохроматор МДР-41, или перестраиваемого лазера на красителях (>.=428-463 нм, плотность мощности до 10 МВт/см2), возбуждаемого зксимерным лазером. Спектры усиления были получены методом вариации длины резонатора при помощи лазера на красителях.

В третьем главе исследуются оптические свойства слоев 2п5у8е]_у и 2п]_хС(1х5е, широко используемых в волноводной и активной

областях сине-зеленых лазеров. На основе литературных данных произведена подгонка параметров гпБе и Сс18е для расчета уровней в гпСс&е/гпБе квантовых ямах. При гелиевых температурах локализация экситонов на флуктуациях состава слоев 2п5уБе|.у (2П|.хСс1х8е) с большим содержанием Б (Сс!) приводит к возрастанию интегральной интенсивности ФЛ твердых растворов по сравнению с интенсивностью ФЛ объемных чистых слоев гпБе, выращенных на СаА$ подложке. Повышение температуры наблюдения до 77К приводит к делокалнзации экситонов и носителей и существенному уменьшению интегральной интенсивности краевой ФЛ слоев с большим содержанием Б и Сс1 вследствие их безызлучательной рекомбинации на протяженных дефектах, поверхности и интерфейсе с ваАБ подложкой. Основными каналами безызлучательной рекомбинации в согласованных по параметру решетки однородных слоях 2п,.хМ£„8у8е1.у являются поверхностная и интерфейсная рекомбинация.

Проведенный анализ экспериментальных (как оригинальных, так и извлеченных из литературы) данных по энергиям оптических переходов в гпС(15е/2п5е КЯ позволил определить некоторые физические параметры 2пБе и С(1Бе, при которых наблюдается наилучшее совпадение значений, даваемых расчетной моделью с экспериментом. Также модель была проверена на выращенных нами структурах с набором квантовых ям. Данные параметры были использованы для интерпретации оптических данных для структур с субмонослойными квантовыми точками.

В четвертой главе с помощью оптических и структурных исследований показано, что при субмонослойном осаждении Сс]8е на 2п5е путем самоорганизации формируются массивы двумерных островков (высота 1-2 монослоя, латеральные размерами 30-40А) высокой плотности. Вертикальное складирование массивов квантовых точек приводит к вертикальному упорядочиванию наноостровков, причем осуществляются оба типа упорядочивания, описанных в Главе I: вертикальная корреляция и вертикальная антикорреляция (см. рис.2). Переход от одного типа упорядочивания к другому происходит при изменении толщины барьера между плоскостями с квантовыми точками, что позволяет намеренно управлять геометрическими свойствами наноостровков и, соответственно, их электронным спектром. Переход от вертикальной антикорреляции к вертикальной корреляции приводит, во-первых, к уменьшению энергии перехода, соответствующего экситону, локализованному на квантовой точке, вследствие перекрытия волновых функций носителей в вертикально соседних квантовых точках. А во-вторых, к изменению симметрии волновой функции дырки из-за вытягивания этой волновой функции в вертикальном направлении, что влечет изменение линейной поляризации

г

5

I

Рис.3.1(оляризационные зависимости спектров ФЛ с торца для структур с различными толщинами между слоями точек. Оптические переходы, соответствующие вертикально связанным, состояниям.помечены "К",

2.61 2.64 2.67 2.70 2.73 2.76 а не связанным - "АК"

т—•—I—'—

1

15А

/

I I. I ___и

2.64 2.67 2.70 2.73 2.76 2.79

Энергия кванта, эВ

ФЛ с торца с ТЕ для вертикально несвязанных квантовых точек на ТМ для вертикально связанных (см. рис.3).

Магнитооптические исследования по определению радиуса экситона показали хорошее соответствие между размером экситонной волновой функции в плоскости слоев и латеральными размерами наноостровков. Было продемонстрировано, что в случае вертикально связанных квантовых точек радиус экситона резко уменьшается из-за большей энергии локализации экситона.

Подробное изучение спектров ФЛ и СВЛ позволило определить и изучить электронный спектр структур с субмонослойными квантовыми точками. Было показано, что оптические свойства подобных структур соответствуют свойствам структур с квантовыми точками и согласуются с 5-образной плотностью состояний. В частности,в СВЛ структур с большой

- 14-

энергией локализации экситонов не наблюдается основное состояние квантовых точек, наблюдаемое в спектрах ФЛ и оптического отражения. Этот эффект хорошо известен для трехмерных 1пАз квантовых точек в ОаАя матрице и обусловлен 8-образной функцией плотности состояний носителей в этих объектах и отсутствием транспорта между квантовыми точками при низких температурах [7].

Прямое сравнение структур с вертикально складированными субмонослойными вставками и структур с квантовыми ямами показало, что в первом случае наблюдается резкое увеличение силы осциллятора экситона, локализованного квантовыми точками.

В пятой главе предложено использование и исследован экситон-обусловленный волноводный эффект, а также произведен расчет распределения поля и внутренних потерь для реальных структур в случае экситон-обусловленного волноводного эффекта.

Обычно, лазерные структуры выращиваются в стандартной геометрии двойной гетероструктуры, отработанной для лазеров на основе соединений АЗВ5 (активная область ограничена более широкозонными слоями с меньшим показателем преломления). Однако, в ряде случаев возможность получения толстых шнрокозонных слоев затруднена либо отсутствием подходящей гетеропары, либо трудностями легирования широкозонного соединения. В этой работе показано, что для получения лазерной генерации нет жесткой необходимости в дополнительном оптическом ограничении, так как волноводный эффект может быть обусловлен возрастанием показателя преломления в области экситонного резонанса (экситон-обусловленный волноводный эффект). Однако, для осуществления этого эффекта должен быть выполнен ряд требований: во-первых, экситоны не должны экранироваться при больших плотностях

- 15-

возбуждения, во-вторых, необходима значительная модуляция коэффициента преломления, что влечет необходимость большой силы осциллятора экситонных переходов и, в-третьих, необходим резонансный (безфононный) механизм усиления (иначе из-за многочастичного взаимодействия линии усиления и, соответственно, лазерной генерации сдвинуты за пределы заметной модуляции показателя преломления). Выполнение этих требовании влечет необходимость использования структур с квантовыми точками. В этом случае экранировка экснтонов в квантовых точках не обнаружена вплоть до максимальных плотностей возбуждения, а снятие правил отбора по импульсу вследствие локализации экситонов обеспечивает резонансное усиление.

В шестой главе представлены исследования, проведенные при высоких плотностях возбуждения, характерных для приборных применений. Показано, что эффективное экситонное поглощение, определяющее экситон-обусловленный волноводный эффект, не насыщается при плотностях возбуждения на два порядка, превосходящих пороговую плотность.

Увеличение энергии локализации экситонов квантовыми точками в

Рис. 4Зависимость интенсивности фотолюминесценции с торца от плотности возбуждения (б) Спектры люминесценции с торца, снятые при различных плотностях возбуждения (100 кВт/см2 -(/), 83 кВт/см2 - (2).

О 20 40 60 60 100 Р„ _ . «Вт/см*

2,60 2 85 2.70 2 75 260 2 85 69 кВт/СМ -(5)). ЭВ

более шнрокозонной матрице (2пМ§5Бе) позволило реализовать лазерную генерацию при комнатной температуре в структуре без внешнего оптического ограничения (см. рис.4). Температурные исследования лазерной генерации показали, что механизм усиления не изменяется во всем диапазоне температур: от ЮК до 310К.

Гигантское усиление, обусловленное экситонными переходами в квантовых точках, позволяет реализовать лазерную генерацию с поверхности без использования брегговских зеркал. При этом модуляция показателя преломления вдоль контура пика поглощения/усиления может быть использована для эффекта самосогласования мод микрорезонатора со спектром усиления, что важно для вертикально излучающих лазеров. В структурах без экситонного резонанса длина волны лазерной генерации с поверхности определяется толщиной микрорезонатора, и эта строго фиксированная длина волны может не совпасть с усилением. В случае экситонного резонанса возможны решения, удовлетворяющие условию возникновения стоячей волны, для некоторого диапазона длин волн. При этом осуществляется автоматическая подстройка моды микрорезонатора со спектром усиления. В данной главе продемонстрирована лазерная генерация с поверхности в структурах с произвольной толщиной микрорезонатора, длина волны которой следует за усилением при изменении температуры наблюдения, а не определяется толщиной микрорезонатора.

В заключении приводятся основные результаты работы, которые состоят в следующем:

1. При помощи ПЭМВР показано, что субмонослойные (0.7-1.0 монослоя) внедрения Сс!Бе в матрицу (2п,М§)(8,Бе) представляют собой массивы

однородных наноостровков высотой от 1 до 2 монослоев, с латеральными размерами 30-40А и плотностью ~1012 см"2.

2. Продемонстрированы оптические свойства структур с наноостровками характерные для структур с упорядоченными по размеру квантовыми точками.

3. Показано уменьшение энергии оптических переходов и изменение поляризации люминесценции с торца при изменении типа вертикального упорядочивания вертикально складированных массивов наноостровков путем изменения толщины барьеров между слоями.

4. Показана большая сила осциллятора экситонных переходов квантовых точек по сравнению с квантовыми ямами.

5. Проведены численные расчеты, показывающие возможность осуществления экситон-обусловленного волноводного эффекта за счет сильной модуляции показателя преломления вблизи экситонного резонанса с большой силой осциллятора.

6. В структурах с субмонослойными квантовыми точками показан резонансный (бесфононный) механизм усиления вследствие отсутствия экранировки экситонов при больших плотностях возбуждения и снятия правил отбора по импульсу из-за локализации экситонов.

7. В структурах без внешнего оптического волновода с широкозонной матрицей (2пМ§85е) лазерная генерация осуществляется до комнатных температур за счет экситон-обусловленного волноводного эффекта.

8. Показана возможность осуществления лазерной генерации с поверхности в структурах с произвольной толщиной микрорезонатора вследствие эффекта самосогласования мод резонатора со спектром усиления, обусловленного резкой модуляцией показателя преломления вдоль спектра усиления.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. М.В.Максимов, Н.Н. Леденцов, С.В.Иванов, П.С. Копьев, С.В. Сорокин, И.Л. Крестников, "Влияние гетерограниц на релаксацию носителей в ZnSe-ZnCdSe структурах с квантовыми ямами", Материалы 2-ой Российской конференции по физике полупроводников, Зеленогорск, 26 февраля - 1 марта 1996, т.2, стр.115.

2. I.L. Krestnikov, M.V. Maximov, N.N. Ledentsov, S.V. Ivanov, S.V. Sorokin, P.S. Kop'ev, Zh.I. Alferov, "Direct evidence of ground state exciton lasing in submonolayer CdSe-(Zn.Mg)(S,Se) structures". Proceedings of the 23rd International Conference on the Physics of Semiconductors, Berlin (Germany), 21 -26 July 1996, v.4, pp.3178-3181.

3. N.N. Ledentsov, I.L. Krestnikov, M.V. Maximov, S.V. Ivanov, S.V. Sorokin, P.S. Kop'ev, Zh.I. Alferov, D. Bimberg, C.M. Sotomayor Torres, "Groud State Exciton Lasing in CdSe Submonolayers Inserted in a ZnSe Matrix". Appl.Phys.Lett. 69, 1343 (1996).

4. И.Л. Крестников, M.B. Максимов, С.В. Иванов, Н.Н. Леденцов, С.В.Сорокин, А.Ф. Цацульников, О.Г. Люблинская, Б.В. Воловик, П.С. Копьев, C.M. Sotomayor Torres "Оптические свойства субмонослойных CdSe-(Zn,Mg)(S,Se) структур" , ФТП, 31(2), 166-170 (1997).

5. И.Л. Крестников, Н.Н. Леденцов, М.В. Максимов, А.В. Сахаров, С.В. Иванов, С.В. Сорокин, Л.Н. Тенишев, П.С. Копьев и Ж.И. Алферов, "Генерация лазерного излучения в субмонослойных структурах CdSe в матрице ZnSe без внешнего оптического ограничения". Письма в ЖТФ, 23(1), 33-38(1997).

6. N.N. Ledentsov, I.L. Krestnikov, M.V. Maximov, S.V. Ivanov, S.V. Sorokin, P.S. Kop'ev, Zh.I. Alferov, D. Bimberg, C.M. Sotomayor Torres, "Response

- 19-

to «Comment on 'Groud State Exciton basing in CdSe Submonolayer: Inserted in a ZnSe Matrix'» [Appl. Phys. Lett. 70, 2765(1997)]" Appl.Phys.Lett. 70,2766 (1997).

7. A.B. Сахаров, C.B. Иванов, C.B. Сорокин, И.Л. Крестников Б.В. Воловик, Н.Н. Леденцов, П.С. Копьев. "Лазерная генерация npi комнатной температуре в структурах с квантовыми островками CdSe t матрице ZnMgSSe без внешнего оптического ограничения". Письма е ЖТФ, 23(8), 26-31 (1997).

8. М.В. Максимов, И.Л. Крестников, С.В. Иванов, Н.Н. Леденцов. С.В. Сорокин, "Расчет уровней размерного квантования в напряженных ZnCdSe/ZnSe квантовых ямах". ФТП, 31(8), 939-943 (1997).

9. М. Strassburg, V. Kutzer, U.W. Pohi, A. Hoffmann, I. Broser. N.N. Ledentsov, D. Bimberg, A. Rosenauer, U.Fischer, D. Gerthsen, I.L. Krestninov, M.V. Maximov, P.S. Kop'ev, Zh.l. Alferov, "Gain Studies ol (Cd, Zn)Se Quantum Islands in a ZnSe Matrix". Applied Physics Letters, 72(8), 942-944 (1998).

10. I.L. Krestnikov, S.V. Ivanov, P.S. Kop'ev, N.N. Ledentsov, M.V. Maximov. A.V. Sakharov, S.V. Sorokin, A. Rosenauer, D. Gerthsen, C.M. Sotomayor Torres, D. Bimberg, Zh.l. Alferov, "RT Exciton Waveguiding and Lasing in Submonolayer CdSe-(Zn,Mg)(S,Se) Structures". Material Science and Engineering B, 51,26-29 (1998).

11. I.L. Krestnikov, S.V. Ivanov, P.S. Kop'ev, N.N. Ledentsov, M.V. Maximov. A.V. Sakharov, S.V. Sorokin, C.M. Sotomayor Torres, D. Bimberg. Zh.l. Alferov, "RT Lasing via Nanoscale CdSe Islands in a (Zn,Mg)(S,Se) Matrix", Journal of Electronic Materials. 27, 72-74 (1998).

12. I.L. Krestnikov, M.V. Maximov, A.V. Sakharov, P.S. Kop'ev, Zh.l. Alferov, N.N. Ledentsov, D. Bimberg, C.M. Sotomayor Torres, "RT Lasing and

-20-

Efficient Optical Confinement in CdSe/ZnMgSSe Submonolayer Superlattices", Journal of Crystal Growth, 184/185, 545-549 (1998).

13.1.L. Krestnikov, P.S. Kop'ev, Zh.l. Alferov, M. Strassburg, N.N. Ledentsov, A. Hoffmann, D. Bimberg, C.M. Sotomayor Torres, "Vertical Coupling of Quantum Islands in the CdSe/ZnSe Submonolayer Superlattices", Proceedings of the 6lh International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology", June 22-26, 1998, St.Petersburg, Russia, pp.187-190.

14. l.L. Krestnikov, N.N. Ledentsov, A. Hoffmann, D. Bimberg, S.V. lvanov, M.V. Maximov, A.V. Sakharov, S.V. Sorokin, P.S. Kop'ev, Zh.l. Alferov, C.M. Sotomayor Torres, "Optical Properties and Lasing in CdSe-Submonolayers in a (Zn,Mg)(S,Se) Matrix", Phisica Status Solidi(a), 168, 309-315 (1998).

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

[1] М.А. Haase, J. Qiu, J.M. DePuydt, and H.Cheng, Appl.Phys.Lett., 59, 1272(1991).

[2] S. Nakamura, MRS Bulletin, May 1998, p.37-43.

[3] E. Kato, H. Noguchi, MNagai, H. Okiyama, S. Kijima, A. Ishibashi, Electr.Lett., 34,282(1998).

[4] В.И. Марченко, Письма в ЖЭТФ, 33,381 (1981).

[5] V.A. Shchukin, D. Bimberg, V.G. Malyshkin, N.N. Ledentsov, Phys.Rev.B, 57, 12262(1998).

[6] I.L. Krestnikov, M. Straßburg, M. Caesar, V.A. Shchukin, A. Hoffmann, U.W. Pohl, D. Bimberg, N.N. Ledentsov, V.G. Malyshkin, P.S. Kop'ev, Zh.I. Alferov, D. Litvinov, A. Rosenauer and D. Gerthsen, "Vertical Arrangement and Wavefimction Control in Structures with 2D Quantum Dots" (invited talk). Proceedings of the 24lh International Conference on the Physics of Semiconductors, Jerusalem, Israel, 2-7 August 1998.

[7] N.N. Ledentsov, M. Grundmann, N. Kirstaedter, J. Christen, R. Heitz, J. Bohrer. F. Heinrichsdorff, D. Bimberg, S.S. Ruvimov, P. Werner, U. Richter, U. Gösele, J. Heydenreich, V.M. Ustinov, A.Yu. Egorov, M.V. Maximov, P.S. Kop'ev, and Zh.I. Alferov, Proceedings of the ICPS-22, Vancouver, Canada, 1994. Ed. D.J. Lockwood (World Scientific, Singapore, 1995), p.1855, vol.3.

.. . -Л .

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

На правах рукописи

КРЕСТНИКОВ Игорь Леонидович /

ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГЕТЕРОСТРУКТУР (Zn,Cd)Se/(Zn,Mg)(S,Se)

С МАССИВАМИ КВАНТОВЫХ ТОЧЕК >

»

/01.04.10. - Физика полупроводников и диэлектриков/

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

Леденцов Н.Н.

Санкт-Петербург 1998

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................................4

ГЛАВА 1. Обзор литературы...................................................................................................9

1.1. Выращивание структур со сверхтонкими слоями соединений А2В6............................9

1.2. Оптические свойства сверхтонких квантовых ям и субмонослойных структур.........17

1.3. Механизмы стимулированного излучения и лазерной генерации в широкозонньг соединениях А2В6 и квантовых ямах на их основе......................................................20

ГЛАВА 2. Экспериментальное оборудование и методики...............................................25

ГЛАВА 3. Оптические свойства слоев и структур с квантовыми ямами в систем« соединений А2В6......................................................................................................................32

3.1. Люминесцентные свойства слоев 2п88е и гпСс18е.......................................................32

3.2. Уровни размерного квантования в напряженных гпСс!8е/2п8е квантовых ямах (расчет и сравнение с экспериментом).........................................................................................36

ГЛАВА 4. Структурные и электронные свойства образцов с массивами квантовых точек............................................................................................................................................47

4.1. Люминесцентные и структурные свойства квантовых точек, полученных при субмонослойном осаждении. ...........................................................................................48

4.2. Вертикальные корреляция и антикорреляция наноостровков.....................................56

4.3. Магнитооптические исследования по определению радиуса экситонов,

♦

локализованных на квантовых точках............................................................................62

4.4. Электронный спектр структур с субмонослойными квантовыми точками. ............... 67

4.5. Сила осциллятора переходов через состояния субмонослойных квантовых точек... 72

ГЛАВА 5. Экситон-обусловленный волноводный эффект..............................................80

5.1. Условия возникновения экситон-обусловленного волноводного эффекта................80

5.2. Расчет экситонного волноводного эффекта в реальных структурах...........................83

ГЛАВА 6. Стимулированное излучение, усиление и лазерная генерация в субмонослойных структурах с экситон-обусловленным волноводным эффектом.....94

6.1. Механизмы усиления в структурах с упорядоченными массивами квантовых точек. 94

6.2. Лазерная генерация без внешнего оптического ограничения в полосковой геометрии при комнатной температуре...........................................................................................100

6.3. Лазерная генерация с поверхности: эффект самосогласования мод резонатора со спектром усиления..........................................................................................................107

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.........................................................................................................................

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................................................................................

-4-ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время является общепризнанным, что квантоворазмерные гетероструктуры определяют прогресс в физике и технике полупроводников. Наиболее активные исследования таких структур ведутся в системах соединений АЗВ5 и А2В6. Весьма важны и приборные применения квантоворазмерных структур. Например, полупроводниковые лазеры с квантовыми ямами на основе традиционных соединений АЗВ5 являются ключевым элементом в линиях волоконно-оптической связи (ВОЛС), лазерных принтерах, устройствах оптической записи информации (видео- и компакт-диски и др.).

В настоящее время все возрастающие требования, предъявляемые к современным оптоэлектронным устройствам, обуславливают необходимое расширение круга материалов, применяемых в оптоэлектронике. Так, уменьшение длины волны излучения полупроводникового лазера с 800 нм (инфракрасный диапазон) до 400 нм (голубой диапазон) позволяет в несколько раз увеличить плотность и, как минимум, на порядок по величине скорость оптической записи информации, что дает возможность существенно

расширить круг применений данных устройств; увеличить на один - два порядка по

*

величине скорость печати лазерных принтеров; заменить, при сохранении пиковой оптической мощности в несколько сотен милливатт, крупногабаритные и дорогие газовые и твердотельные лазеры в их различных диагностических применениях (спектроскопия, медицина и т.д.).

Появление полупроводниковых светодиодов в сине-зеленой области спектра открывает новые возможности по созданию устройств цветного оптического отображения информации нового поколения, например, таких как плоские полупроводниковые

дисплейные матрицы. В связи, с этим в последнее время широкое внимание привлекают к себе широкозонные полупроводниковые соединения А2В6 и нитридов третьей группы.

После демонстрации в 1991 году специалистами ЗМ Со. (США) первого полупроводникового лазера на основе гетероструктуры ZnSe/ZnCdSe, работающего в

импульсном режиме при Т=73{С в зеленом оптическом диапазоне [1, 2], ведущие

»

производители оптоэлектронной техники (ЗМ Со. (США) [1], Sony Со. (Япония) [3], N-A Philips Со. (США) [4, 5], Sharp Со. (Япония) [6], Matsushita Electric Ind. Со. (Япония) [7], Nichia (Япония) [8] и др.) активно включились в исследования по разработке технологии создания непрерывных полупроводниковых гетеролазеров в этом диапазоне длин волн. В настоящее время фирма Nichia разработала непрерывный промышленный полупроводниковый лазер на основе GaN, имеющий длину волны излучения -410 нм [9].

В то же время промышленный лазер, работающий в зеленой области видимого спектра, пока не создан. В связи с этим сохраняется интерес к соединениям А2В6, так как эта система является наиболее перспективной как раз для создания зеленого лазера, необходимого для ряда важных применений (проекционное телевидение, медицина и т.д.). Кроме того, соединения А2В6 были и являются основными материалами для изучения оптических процессов в широкозонных полупроводниках и гетероструктурах на их основе, так как их оптические свойства можно рассматривать как модельные. В случае нитридов третьей группы плохая однородность твердых растворов и доменная структура эпитаксиальных пленок иногда затрудняют детальное понимание физических процессов. Таким образом, изучение основных свойств А2В6 наноструктур может служить базисом для разработок новых физических концепций управления световыми потоками в широкозонных полупроводниках. Это особенно справедливо для структур с квантовыми проволоками и квантовыми точками.

За последние годы разработка технологии получения непрерывных полупроводниковых лазеров на основе широкозонных соединений А2В6, работающих в зелено-голубой области спектра при комнатных температурах, превратилась в одно из ведущих направлений исследований в современной полупроводниковой оптоэлектронике. При этом, в отличие от случая нитридов третьей группы где наилучшие результаты получены методом газофазной эпитаксии из металооорганических соединений, для соединений А2В6 молекулярно-пучковая эпитаксия (МПЭ) является, на данный момент, единственным эффективным технологическим методом, позволяющим получать подобные инжекционные гетероструктуры. В настоящее время реализован зеленый лазер, непрерывно работающий >400 часов при комнатной температуре (Sony Ltd.) [10]. Тем не менее, параметры лазеров на основе соединений А2В6 пока, в целом, не достаточны для их широкого технического применения, что свидетельствует о настоятельной необходимости проведения новых исследований.

Считается общепризнанным, что дальнейший прогресс в улучшении параметров сине-зеленых гетеролазеров (таких, как пороговая плотность тока, выходная оптическая мощность, время жизни при комнатной температуре и т.д.) связан с:

• существенным расширением круга используемых материалов А2В6, главным образом четверных твердых растворов ZnMgSSe, ZnMgSeTe, ZnBeSSe, обеспечивающих более полное оптическое и электронное ограничение в лазерных гетероструктурах;

• выбором оптимальных контактных, изолирующих и конструкционных материалов при изготовлении диодов;

• применением структур с пониженной размерностью, особенно, использование квантовых точек в активной области лазера.

Квантовые точки позволяют резко увеличить удельное усиление, улучшить температурную стабильность, снизить пороговую плотность тока лазера, уменьшить перегрев зеркал, подавить рост дислокаций и др.

Основная цель данной работы - разработка новых принципов управления световыми потоками в полупроводниках с помощью низкоразмерных гетероструктур (гп,Сс!)8е/(гп,М£)(8,8е) с массивами квантовых точек, полученных методом субмонослойного осаждения в процессе молекулярно-пучковой эпитаксии.

Для достижения этой цели в ходе работы решались следующие основные задачи: исследование оптических свойств эпитаксиальных слоев ZnMgSSe и 2пСс18е; расчет и сравнение с экспериментом уровней размерного квантования в 2пСё8е/2п8е квантовых ямах, что позволило определить некоторые основные параметры объемных 2п8е и Сс18е;

установление взаимосвязи между структурными и оптическими свойствами квантовых точек, полученных путем субмонослойного осаждения при молекулярно-пучковой эпитаксии

исследование электронног^спектра структур с квантовыми точками; численное моделирования* волноводов с утечками, в которых увеличение показателя преломления в активной области достигается за счет резонансного характера спектров поглощения и/или усиления в квантовых точках;

исследование механизмов усиления и лазерной генерации в структурах без внешнего волновода;

реализация лазерной генерации с поверхности.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Результаты оптических и магнитооптических исследований субмонослойных (0.7-1.0 монослоя) структур согласуются с наличием СсШе островков в гпБе матрице, образующихся путем самоорганизации (высота 1-2 монослоя, латеральные размеры -30-40А и плотность ~1012 см"2).

2. Структуры с СсШе островками обладают оптическими свойствами структур с квантовыми точками.

3. В случае вертикального складирования массивов квантовых островков возникает их вертикальное упорядочивание, которое может быть двух типов: вертикальная корреляция и вертикальная антикорреляция. Изменение типа вертикальной корреляции, осуществляемое путем изменения толщины барьеров между массивами квантовых островков, позволяет управлять электронным спектром подобных структур и приводит к кардинальным изменениям в спектрах фотолюминесценции.

4. За счет резкой модуляции показателя преломления вблизи экситонного резонанса возможно осуществление эффективного волноводного эффекта в полупроводниковых структурах без использования толстых широкозонных слоев с меньшим показателем преломления, ограничивающих активную область.

5. Осуществлена резонансная (безфононная) лазерная генерация через состояния квантовых точек вплоть до комнатной температуры в структурах без внешнего оптического ограничения.

ГЛАВА 1. Обзор литературы.

1.1. Выращивание структур со сверхтонкими слоями соединений А2В6.

В последнее время значительные усилия были направлены на изготовление квантоворазмерных структур с квантованием более, чем в одном направлении: квантовых проволок [11,12,13, 14, 15] и квантовых точек [16,17,18,19]. Для этих целей применялись различные методики: кристаллизация кластеров из пересыщенных твердых растворов, химическое травление кристаллов, электронная литография высокого разрешения, выращивание кластеров на предварительно травленых поверхностях, а также на вицинальных и фасетированных плоскостях. Однако, большая часть этих методик не обеспечивает необходимое качество структур. Так, например, ех-Шг технологии (сухое травление и т.д.) не обеспечивают высокого качества интерфейсов, и, кроме того, размеры кластеров остаются слишком большими (>30-50 нм). Кристаллиты в матрице из неорганических стекол не могут быть использованы в современных приборных структурах.

Альтернативным методом получения нульмерных структур т-тй является использование процессов самоорганизации при спонтанном распаде напряженных слоев [20,21,22,23], приводящих к периодическому фасетированию поверхности [24,25], спонтанному фазовому распаду твердых растворов [26] и образованию двумерных [27,28,29] и трехмерных [16,30,31] наноостровков при гетероэпитаксиальном росте. Наиболее разработанным и распространенным способом получения квантоворазмерных объектов является использования механизма роста Странски-Крастанова, когда после осаждения тонкой пленки происходит ее распад на трехмерные наноостровки,

расположенные на смачивающем слое. Несмотря на то, что основные успехи в этом направлении достигнуты в системе соединений Оа^Аз/АЮаАэ, где удалось реализовать преимущества квантовых точек в реальных приборных структурах [32,33], в системе соединений А2В6 и, в частности, в системе СсШе/ЕпБе также показано формирование трехмерных квантовых точек [34, 35, 36, 37, 38, 39]. В работе [40] исследовались структуры с СёБе вставками в ЕпЯе матрицу толщиной от 3 до 10 монослоев. Было показано, что критическая толщина образования квантовых точек составляет около 3 монослоев. Однако для эффективного преимущества структур с квантовыми точками необходимо, чтобы с одной стороны размер квантовых точек превышал некоторый критический, что необходимо для образования уровня размерного квантования в наноостровке. А с другой стороны размеры наноостровков не должны быть слишком велики, иначе расстояния между соседними уровнями размерного квантования могут стать меньше, чем энергия теплового движения. Это приводит к заселению высокоэнергетичных уровней и, соответственно, к замыванию преимуществ трехмерного размерного квантования. Для системы ОаАз/АЮаАэ верхний предел квантовых точек составляет -120А [41]. Однако, для системы Сб8е/гп8е этот размер составляет всего ~50А из-за того, что в широкозонных соединениях А2В6 масса носителей существенно больше, чем в ОаАэ. Из литературных данных следует, что размер квантовых точек, полученных по механизму Странски-Крастанова, существенно превышает, указанный выше: 400хЮ0А [42], 400х80А [43], 800х200А [44]. Более того, подобные образования не являются стабильными во времени [40]: диффузия кадмия происходит даже в зарощенных структурах. Таким образом, формирование массивов трехмерных квантовых точек в широкозонной системе Сс^е/гиБе не столь перспективно, как в случае узкозонных соединений АЗВ5.

*

Альтернативным путем, получения квантовых точек является рост двумерных островков при субмонослойном осаждении. Как известно такое осаждение приводит к формированию массива плоских двумерных наноостровков, у которых отношение латеральных размеров к выс-оте много больше единицы. Образование двумерной поверхностной ("паркетной") структуры при наличии на поверхности двух фаз было теоретически предсказано в работе [45], а затем продемонстрировано экспериментально для широкого спектра материалов, используемых для гетероэпитаксиального роста, в том числе для соединений АЗВ5 [27,28,29,46,47] и для соединений А2В6 [48,49,50,51,52]. В работе Марченко [45] показано, что в двумерных островках (или, например, доменах с различной поверхностной реконструкцией) с отличающимся тензором поверхностного натяжения от тензора натяжения прилегающей среды всегда осуществляется частичная релаксация поверхностных напряжений на границах образований. Таким образом, формирование границ становится энергетически выгодно. Полная свободная энергия системы плоских доменов равна [45]:

Е*ле =ЕеШс+Ем =-аАп № + 0-1)

где Ееш1С - энергия упругой релаксации, Еъота - энергия доменных границ, а, /? и у -коэффициенты, соответствующие разнице тензоров поверхностных натяжений и показывающий роль короткодействующего потенциала вследствие дополнительных оборванных связей на границе домена, Ь - размер домена. Равновесный размер доменов (или островков) определяется минимумом соотношения (1.1), который существует при любых положительных конечных значениях коэффициентов а, ¡5 и у. В противоположность этому, в случае гомоэпитаксиального роста нет разности в тензорах поверхностных

натяжений и, соответственно, а= 0. В этом случае минимуму энергии соответствует бесконечный размер островков, что означает их коалесценцию.

Система соединений Сс18е/гп8е является решеточно-несогласованной (несоответствие параметров решетки составляет 7%), и, следовательно, возникают дополнительные напряжения. В случае складирования массивов наноостровков в вертикальном направлении вышележащие слои формируются в поле упругих напряжений подлежащих слоев. Для двуме�