Оптические свойства структур с квантовыми точками в системе (In, Ga, Al)As тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Введение

Глава 1. Обзор литературы

1.1 Получение и свойства гетероструктур с квантовыми точками в системе 1пОаАз/АЮаАз

1.1.1 Получение структур с квантовыми точками.

1.1.2 Рост структур с квантовыми точками в системе 1пОаАз/ОаАз

1.1.3 Оптические свойства структур с МдаАз/ОаАз квантовыми точками

1.2 Получение излучения в диапазоне 1.3 мкм при комнатной температуре в структурах, выращенных на подложках ОаАв.

1.2.1 Длинноволновое излучение в гетероструктурах с ГпСаАзЛлаАз квантовыми точками.

1.2.2 Гетероструктуры ЬЮаАзК/ОаАз для лазеров диапазона 1.3 мкм

Глава 2. Экспериментальное оборудование и методики.

2.1 Рост гетероструктур методом молекулярно-пучковой эпитаксии

2.2 Экспериментальные методы исследований гетероструктур.

Глава 3. Оптические свойства гетероструктур с 1пАз/АЮаА субмонослойными внедрениями.

3.1 Структурные и оптические свойства 1пАз/АЮаАэ субмонослойных структур

3.2 Лазерная генерация в ТпАэ/АЮаАз субмонослойных структурах

Глава 4. Получение длинноволнового излучения в структурах с

InAs квантовыми точками, зарощенными слоем InGaAlAs.

4.1 Заращивание массива InAs квантовых точек слоем InGaAlAs: эффекты, влияющие на оптические свойства.

4.2 Влияние концентрации In в слое InGaAs, заращивающем КТ, на свойства структур.

4. 3 Влияние количества материала InAs и InGaAs на свойства структур.

4.4 Влияние добавления Al в слой, заращивающий КТ.

4.5 Оптимизация параметров структур с InAs/InGaAs КТ для применений в лазерах диапазона 1.3 мкм.

4.6 Инжекционные лазеры на основе структур с InAs КТ, зарощенными слоем InGaAs.

Глава 5: Формирование и свойства наноструктур в системе InGaAsN/GaAs

Создание и исследование квантоворазмерных структур, т.е. полупроводниковых структур, профиль потенциала в которых обеспечивает квантование энергетического спектра носителей заряда в одном и более направлениях, является одним из наиболее быстро развивающихся направлений в физике полупроводников. В последние годы наибольший интерес вызывают структуры с размерным квантованием в двух и трех направлениях: соответственно квантовые проволоки и квантовые точки (КТ). Несмотря на теоретически предсказанные уникальные свойства подобных структур, создание образцов, обеспечивающих необходимое качество, и производство действующих приборов на их основе, стало возможно только с помощью современных эпитаксиальных технологий.

Существенный прогресс в создании полупроводниковых структур с КТ был достигнут при использовании эффекта спонтанной морфологической трансформации напряженного слоя на массив островков. Для системы InGaAs/GaAs впервые формирование массива наноразмерных InGaAs островков было показано в 1985 Goldstein с соавторами [1]. Начиная с 1993 -1994, исследования самоорганизующихся КТ в различных системах проходят во множестве исследовательских групп во всем мире (см. [2] и ссьшки в этой работе).

Кроме возможности исследований фундаментальных физических свойств таких структур, использование структур с КТ позволяет создать электронные и оптоэлектронные приборы с уникальными характеристиками. Наиболее потенциально важной областью применения структур с КТ являются инжекционные лазеры [3]. Мировой рынок лазеров на гетероструктурах вырос на 108% в 2000 году и приблизился к 7 миллиардам долларов. Перспективность использования лазеров на КТ следует, в частности, из теоретически предсказанной сверхвысокой температурной стабильности порогового тока [4]. Кроме этого, такие лазеры обладают такими свойствами, как сверхнизкие значения порогового тока [5], эффективная локализация носителей в КТ и связанное с этим меньше влияние безызлучательной рекомбинации [6].

Кроме этого, использование самоорганизующихся InGaAs/GaAs КТ позволило существенно расширить оптический диапазон излучения лазеров на подложке GaAs в область 1.3 мкм [7]. Данная особенность является крайне актуальной, т.к. инжекционные лазеры диапазона 1.3 и 1.55 мкм в настоящее время составляют значительную долю рынка полупроводниковых лазеров вследствие их использования в линиях оптоволоконной связи. Использование гетероструктур на подложках GaAs позволит избежать ряда существенных недостатков использующихся в настоящее время структур на подложках InP, т.к. низкая температурная стабильность, сложность создания поверхностно-излучающих лазеров, а также высокая стоимость приборов.

Альтернативным подходом к реализации лазеров диапазона 1.3 мкм на подложках GaAs являются гетероструктуры InGaAsN/GaAs, впервые предложенные Kondow [8]. В указанной системе гигантский параметр прогиба (bowing parameter) запрещенной зоны твердого раствора (In)GaAsN приводит к смещению энергии излучения в ИК-область. Однако, гетероструктуры для излучения на 1.3 мкм в данной системе также являются рассогласованными по параметру решётки с GaAs подложкой, что может приводить к образованию наноостровков (КТ). Кроме того, в этой системе актуальны эффекты фазовой сепарации, стимулирующие спонтанное образование нанодоменов, даже в случае относительно малой величины среднего рассогласования по параметру решётки с подложкой. Следует также отметить, что структуры с InGaAsN/GaAs КТ позволили получить излучение в области 1.55 мкм [9].

В 1998-1999 полосковые лазеры диапазона 1.3 мкм были получены в системах InGaAs/GaAs КТ [10,11,12] и InGaAsN/GaAs [13,14,15]. В 2000 году реализованы инжекционные поверхностно-излучающие лазеры диапазона 1.3 мкм в обеих системах [16,17,18].

В ФТИ им. А.Ф.Иоффе в сотрудничестве с зарубежными институтами работы по исследованию КТ в системе InGaAs/GaAs проводились с 1993 года. В последние годы был проведен цикл исследований структур, излучающих в области 1.3 мкм, а также исследования свойств наноструктур в системе InGaAsN/GaAs. На основе проведенных исследований были созданы лазеры диапазона 1.3 мкм на основе КТ, характеризующиеся низкой пороговой плотностью тока, высокой выходной мощностью и высокой дифференциальной эффективностью. В самое последнее время, на основе гетероструктур с InGaAs/GaAs КТ, выращенных в ФТИ им. А.Ф.Иоффе, впервые в мире получены вертикальные лазеры диапазона 1.3 мкм на основе КТ, характеризующиеся высокой мощностью, высокой дифференциальной эффективностью и сроком службы более 1000 часов.

Целью данной работы явилось исследование оптических свойств гетероструктур с КТ в системе МдаАв/АЮаАз и наноструктур 1пОаАзМЛлаАз, и оптимизация параметров структур с целью создания эффективных инжекционных лазеров, в частности, лазеров диапазона 1.3 мкм.

Научная новизна работы

Для структур, полученных при помощи осаждения субмонослойных внедрений 1пАз в тонкие квантовые ямы ОаАэ/АЮаАз, доказано существование плотного массива двумерных островков с высокой однородностью по размеру. Показана существенная роль локализации носителей на островках и связанного с ней резонансного волноводного эффекта в структурах без внешнего оптического ограничения, в возникновении лазерной генерации при оптическом возбуждении.

Предложен и реализован метод получения эффективного излучения в области длин волн 1.3 мкм в структурах с ¡пАэ/ОаАз квантовыми точками (КТ) при заращивании КТ слоем 1гЮаА1Аз. Найден диапазон параметров, в котором удалось реализовать длинноволновое смещение линии излучения в область 1.3 мкм при сохранении высокого кристаллического совершенства структуры и её хороших люминесцентных свойств.

Показано, что основной причиной длинноволнового смещения линии излучения при заращивании 1пАэ КТ слоем 1пОаА1Аз является существенное увеличение размеров КТ, которое вызвано активированным распадом твердого раствора на упруго-релаксированных ГпАв островках, а также, возможно, подавлением процессов сегрегации/интердиффузии при заращивании КТ. а

Показано, что важную роль в оптических свойствах слоев 1пОаАзМ/ОаАз играет рекомбинация через локализованные состояния носителей в наноразмерных доменах, образованных как из-за рассогласования параметров решётки с подложкой, так и из-за эффектов фазовой сепарации твёрдого раствора.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. С помощью оптических и магнитооптических методов доказала эффективная локализация носителей на двумерных 1пАз островках в структурах с субмонослойными вставками 1пАэ в АЮаАэ.

2. В структурах с субмонослойными вставками ¡пАэ в АЮаАз матрице локализация носителей на 1пАз островках приводит к существенному усилению волноводного эффекта за счёт резонансной модуляции коэффициента преломления, и к реализации низкопороговой лазерной генерации.

3. Доказана возможность существенного увеличения размеров 1пАз квантовых точек при их заращивании слоем твердого раствора 1пОаА1Аз с различной концентрацией 1п и А1.

4. С помощью исследований взаимосвязи структурных и оптических свойств 1пАз квантовых точек, зарощенных слоем 1пОаА1Аэ, найдена возможность реализации эффективной фото-, электролюминесценции и лазерной генерации в области длин волн порядка 1.3 мкм при комнатной температуре.

5. Оптические свойства гетероструктур с 1пОаАзЫ внедрениями в матрице ОаАэ определяются локализованными состояниями, обусловленными как эффектами островкообразования, так и фазовой сепарации твёрдого раствора.

Заключение.

В ходе работы нами были исследованы оптические и структурные и свойства следующих типов гетероструктур:

• структур с 1пАэ островками, полученными при осаждении субмонослойных внедрений 1пАз в матрицу АЮаАэ

• структур с ГпАз/ОаАэ квантовыми точками, зарощенными слоем 1пОаА1Аз

• наноструктур 1пОаАзМ/ОаАз