Теоретическое исследование оптических свойств полупроводниковых лазерных структур на основе нитридов металлов III группы тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ



о

/ /)

/

у

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИМ УНИВЕРСИТЕТ «ЛЭТИ»

На правах рукописи

Бугров Владислав Евгеньевич

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЛАЗЕРНЫХ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ НИТРИДОВ

МЕТАЛЛОВ III ГРУППЫ

Специальность: 01.04Л 0 - физика полупроводников и диэлектриков

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель -

доктор физико-математических наук

О.В. Константинов

Санкт-Петербург - 1998

Оглавление.

Введение.....................................................................................................................3

Глава 1. Обзор работ по теме диссертации.............................................................9

Глава 2. Усиление света в лазере с активной областью в виде массива квантовых точек........................................................................................................18

§ 2.1. Модель сферической квантовой точки...............................................................18

§ 2.2. Волновые уравнения и энергия...........................................................................22

§ 2.3. Статистика заполнения энергетических состояний..........................................32

§ 2.4. Спектр усиления света и скорость спонтанного излучения.............................36

§ 2.5. Пороговый ток................................................. . ..................................52

.у

Глава 3. Оптическое ограничение и потери света в разных типах гетероструктур на основе нитридов металлов III группы...................................57

Глава 4. Влияние на пороговые характеристики параметров широкозонных

*

слоев гетероструктуры.............................................................................................79

§ 4.1. Влияние составов и толщин широкозонных слоев на волноводные свойства гетероструктур................................................................................................................79

§ 4.2. Эффект резонансного перетекания оптической энергии из активной области во внешние слои структуры................................................. .......................................88

Заключение................................................................................................................94

. Литература.................................................................................................................97

Введение.

В течение 1990-х годов достигнут большой прогресс в развитии технологии полупроводниковых излучательных приборов синего и ультрафиолетового диапазонов спектра. Интерес к этим приборам - светодиодам и лазерам - в последние годы стал очень велик. Основными материалами для их производства являются нитриды металлов 1П группы и А!1ВУ! материалы. Синие светодиоды уже используют при создании полноцветных экранов, светофоров, источников освещения белого света. Интерес к коротковолновым лазерам в первую очередь связан с развитием технологии оптических накопителей данных и лазерных печатающих устройств. В них плотность записи определяется параметром 1/Аг, где X - длина волны излучения. Современный промышленный стандарт - это X = 780 нм (инфракрасные лазерные диоды). Использование коротковолновых лазеров увеличит плотность записи в несколько раз. Например, в оптических накопителях данных в сочетании с усовершенствованиями технологии оно способно привести к достижению плотности записи порядка 10 Гбит/дюйм2.

Основной проблемой на пути внедрения коротковолновых полупроводниковых лазеров являются их малые сроки работы. Именно поэтому не находят своего применения демонстрируемые уже более 10 лет лазеры на основе А1|ВУ[ материалов. Успехи последних лет в области создания коротковолновых лазерных диодов на основе 1пОаМ твердых растворов принципиально изменили ситуацию. Уже сейчас, несмотря на сравнительно высокую плотность дефектов в лазерных структурах, Накамурой и др. [1] получены сроки работы 1пОаК лазеров при комнатной температуре в непрерывном режиме генерации свыше 1000 часов. Столь продолжительные сроки работы делают реальной возможность уже в ближайшее время внедрения в промышленность лазеров

ца основе нитридов металлов III группы. Однако для этого необходимо дальнейшее улучшение характеристик III-нитридных гетеролазеров. Это улучшение во многом определяется тем, насколько хорошо будут изучены происходящие в них физические процессы. Дело в том, что существующие представления об оптимальных конструкциях инжекционных лазеров и принципах их изготовления основываются преимущественно на данных, полученных для арсенидов металлов III группы и четверных твердых растворов. Вместе с тем стало очевидным, что Ш-нитридные материалы обладают целым рядом важных особенностей. Эти особенности носят как фундаментальный, так и чисто технологический характер, и состоят в следующем.

Во-первых, неожиданно долгие сроки работы лазеров с активной областью из твердых растворов InGaN, видимо, обусловлены тем, что слои, образующие активную область, самопроизвольно распадаются на обогащенные индием области, и окружающую их матрицу с пониженным содержанием InN [2-4]. Таким образом, активную область лазера необходимо рассматривать как массив квантовых точек определенных формы и размера. Первая особенность поэтому оказывается позитивной. Во-вторых, до сих пор выращивание толстых слоев AlGaN приводит к возникновению

I

в них множественных дислокаций. Наличие этих дислокаций снижает срок работы лазера. Однако слои AlGaN выполняют в лазере роль волновода для оптической моды. Недостаточная их толщина способна привести к плохому оптическому ограничению моды, увеличению пороговой плотности тока и, как следствие, уменьшению срока работы. Вторая особенность оказывается негативной. Из-за нее необходим аккуратный поиск оптимальных толщин и составов AlGaN слоев в сочетании с оптимизацией размеров всех остальных слоев гетероструктуры. Наконец, неизученной остается третья

особенность, а именно, проблема возможного влияния низкоэнергетических "хвостов" »

в спектрах поглощения GaN и твердых растворов AlGaN на рабочие характеристики

лазера. Они также способны привести к уменьшению срока работы лазера вследствие заметного поглощения света в пассивных слоях гетероструктуры. Отсутствие глубокого понимания роли всех этих особенностей лазеров на основе нитридов металлов III группы наряду с все более увеличивающимся экспериментальным изучением этих проблем обусловливают актуальность темы исследования.

В соответствии с ней в диссертационной работе рассмотрены следующие задачи: изучено влияние возможного спонтанного образования массива квантовых точек в InGaN активной области структуры и необычно сильного поглощения света в пассивных слоях GaN-AlGaN на характеристики гетеролазера на основе нитридов металлов III группы, найдены оптимальные составы и толщины слоев AlGaN, наличие дислокаций в которых в первую очередь способно привести к уменьшению срока работы лазера.

Научная новизна работы состоит в следующем.

щ

Рассмотрена теория лазера на квантовых точках, которые возникают за счет

самопроизвольного распада активной области гетеролазера на обогащенные индием

области и окружающую их матрицу с пониженным содержанием InN. Малые размеры

образующихся квантовых точек и малая величина разрыва зоны проводимости на

гетеропереходе GaN/InGaN приводят к необходимости учета кулоновского притяжения

электрона и дырки. Произведен учет этого притяжения в приближении Хартри для

модели сферической квантовой точки. Показано, что электронно-дырочное притяжение

увеличивает энергию связи электрона в несколько раз и приводит к тому, что обычные f

фермиевские функции заполнения состояний оказываются непригодными. Вместо них введены функции однократного заполнения, подобные донорной, и функции заполнения электроном и дыркой одновременно, которые значительно отличаются от известных ранее. В рамках построенной статистики заполнения частицами квантовых

точек произведена оценка порогового тока гетеролазера в зависимости от числа слоев, содержащих квантовые точки. Оценено число таких слоев, при котором достигается наименьшая плотность порогового тока и, как следствие, увеличивается срок работы лазера.

Показано, что необычно сильное поглощение света в пассивных слоях гетероструктуры способно заметно увеличить величину тока через структуру на пороге генерации. Установлено, что поглощение оптической моды в пассивных слоях приводит к сильному росту порогового тока гетеролазера с активной областью в виде одиночной квантовой ямы. Рассчитаны минимально достижимые при заданном уровне поглощения значения порогового тока лазера. Найдены конфигурации активной области, при которых должны достигаться эти значения.

щ

Изучены волноводные свойства гетероструктур на основе нитридов металлов П1 группы. Решены уравнения для профиля распределения оптического поля по структуре. Найдены минимально допустимые толщины и составы слоев твердых растворов AlGaN, наличие дислокаций в которых в первую очередь способно привести к уменьшению срока работы лазера. Показано, что при определенных параметрах структуры возникает опасность резкого увеличения порогового тока за счет резонансного вытекания оптической моды во внешние области. Проведено численное моделирование распределения оптических полей для широкого набора практически важных гетероструктур.

Практическая ценность работы определяется тем, что развитые в диссертации идеи и полученные результаты использовались другими авторами, в частности, в работах Бергмана и Кейси [5] и Маковяка и Накваски [6] при расчетах оптических полей в лазерных диодах на основе твердых растворов AlGaN и InGaN. Кроме того, полученные в диссертации результаты позволяют определять оптимальные параметры

гетероструктур, необходимые при их производстве, а также судить об ожидаемых плотностях порогового тока в них. Эти результаты позволяют объяснить ряд экспериментальных фактов, таких как удачная реализация лазеров с малым содержанием A1N в волноводных слоях или неудачи в практической реализации ставшего уже традиционным лазера с активной областью в виде одиночной квантовой ямы.

Научные положения, выносимые на защиту

*

1. Для наблюдаемых в экспериментах массивов квантовых точек на основе твердых растворов InGaN необходим учет кулоновского притяжения электрона и дырки. Оно увеличивает энергию связи электрона в несколько раз. Благодаря этому снижаются расчетные значения порогового тока примерно в два раза по сравнению с квантовыми ямами и темп теплового выброса носителей из активной области, что приводит к увеличению срока работы лазера.

2. Учет кулоновского притяжения частиц в квантовой точке приводит к • необходимости построения отличной от фермиевской статистики заполнения

частицами квантовых точек. В работе построена такая статистика.

3. Наблюдаемые в слоях GaN и AlGaN низкоэнергетические "хвосты" в спектрах поглощения приводят в лазерах на основе нитридов металлов III группы к увеличению во много раз величины необходимого усиления в активной области на пороге генерации. Этот эффект особенно заметен в структурах с активной областью в виде одиночной квантовой ямы.

4. Для хорошего ограничения оптической моды внутри активной области «

гетероструктуры с активной областью из GaN-Ino.2Gao.8N достаточным является содержание A1N в твердых растворах широкозонных волноводных слоев не более 8-

-810 %. При этом достаточными являются толщины верхнего и нижнего слоев около 0.1 мкм и 0.2-0.3 мкм, соответственно.

5. При определенных параметрах широкозонных и внешних слоев структуры возможна резонансная перекачка оптической моды из активной во внешние области.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на

4

международной конференции по карбиду кремния и родственным материалам 1995 года (Киото, Япония), на симпозиуме по нитриду галлия и родственным материалам в рамках осеннего съезда 1995 года общества MRS (Бостон, США), на конференции "Прикладная оптика 96" (Санкт-Петербург, Россия), на первом европейском семинаре по нитриду галлия (Риги, Швейцария, 1997), на XLVIII общегородских традиционных чтениях памяти проф. A.C. Попова (Санкт-Петербург, Россия, 1997), на второй международной конференции по нитридным полупроводникам (Токушима, Япония, 1997), на международной конференции по карбиду кремния, 1Н-нитридам и родственным материалам 1997 года (Стокгольм, Швеция), на итоговом семинаре по физике и астрономии победителей конкурса грантов 1997 года для молодых ученых Санкт-Петербурга (Санкт-Петербург, Россия), на международном семинаре по оптоэлектронике (Санкт-Петербург, Россия, 1998), а также на научных семинарах ФТИ им. А.Ф. Иоффе.

4

Глава 1. Обзор работ по теме диссертации.

Предположения о том, что полупроводники могут быть использованы как лазерные материалы, были сделаны в 1958-1961 годах. Однако количественные соотношения, описывающие возможность достижения лазерного эффекта в полупроводнике, не были известны до тех пор, пока Бернар и Дюрафур не сформулировали необходимое условие возникновения вынужденного излучения в полупроводнике. В начале 60-х годов быстро увеличивался объем исследований по лазерам, и изучение приборов на р-п переходах представляло собой одну из наиболее быстро развивавшихся областей электроники. Выяснилось, что еще в 1953 году фон Нейман впервые предположил возможность усиления света путем использования вынужденного излучения в 'полупроводнике с накачкой, осуществляемой инжекцией через р-n переход. Первым материалом, который был использован для реализации полупроводникового лазера, стал арсенид галлия. В начале 1962 года Д.Н. Наследов, A.A. Рогачев, С.М. Рывкин и Б.В. Царенков 1 [7] сообщили о незначительном сужении спектра

л

электролюминесценции диода на арсениде галлия при 80 К и плотности тока 15 кА/ем~. По всей видимости, это было первое сообщение о получении стимулированного излучения из р-n перехода. В исследовавшейся схеме, однако, отсутствовал резонатор. Холл [8] решил использовать резонатор из зеркал, которыми являлись бы полированные грани кристалла, перпендикулярные плоскости р-n перехода, и получил вынужденное излучение из смещенного в прямом направлении р-n перехода в GaAs при 80 К. Такие лазеры, состоящие из одного полупроводника, принято теперь называть гомолазерами. Впоследствии по предложению Холоньяка резонатор Фабри-Перо в полупроводниковом лазере стали формировать путем получения плоскопараллельных зеркал скалыванием кристалла вдоль параллельных

кристаллических плоскостей. Общей и весьма неприятной чертой инжекционных гомолазеров являлись очень высокие значения плотности порогового тока (порядка 50 кА/'см2) при комнатной температуре.

В 1963 году Ж. И. Алферов и Р.Ф. Казаринов [9] предположили, что инжекционные лазеры с улучшенными характеристиками могут быть получены при использовании структуры, в которой слой полупроводника с относительно узкой запрещенной зоной находится между двумя слоями из более широкозонного 'полупроводника. Они предложили использовать в инжекционных лазерах гетеропереходы ОаАэ-ОаРАз. В гетеролазерах плотности порогового тока при комнатной температуре имеют гораздо более низкие значения, чем в гомолазерах. Более широкозонные области служат для ограничения инжектированных носителей и создают диэлектрический волновод, который ограничивает световое поле. Активным слоем, в котором при инжекции создается инверсия заселенности, является тонкая узкозонная область, тогда как в широкозонных слоях свет практически не поглощается.

В 1968 году Ж.И. Алферов, В.М. Андреев, В.И. Корольков, Е.Л. Портной и *

Д.Н. Третьяков [10] сообщили о создании лазера на двойной гетероструктуре (ДГС) на основе ОаАз-АЮаАэ и достижении порогового тока от 4 до 13 к А/см2 при комнатной температуре. В 1970 году Алферов и др. [11] получили лазер на двойной гетероструктуре, работающий в непрерывном режиме при комнатной температуре.

Дальнейшего улучшения характеристик лазеров удалось достичь в ДГС структурах с раздельным ограничением (ДГС РО), когда в широкозонной области создается водноводный слой с несколько меньшей шириной запрещенной зоны и большим показателем преломления. Такие структуры были предложены Томпсоном и Киркби [12] в 1972 году. На практике подобные лазеры были впервые реализованы Кейси и др. [13] в 1974 году. Плотность порогового тока в них составила 650 А/см2.

Революцией в развитии ДГС РО лазеров стало использование в качестве активной области одиночной квантовой ямы, куда для достижения усиления требуется заинжектировать намного меньше носителей, чем в объемный слой. В результате в ДГС ,РО лазерах с активной областью в виде одиночной квантовой ямы были достигнуты плотности порогового тока при комнатной температуре порядка сотен A/cm2. Для систем, использующих одномодовые лазеры, практически очень важной оказалась разработка лазеров с распределенной обратной связью, использующих брэгговское отражение от гофрированной поверхности. Этот вопрос исследован в литературе для лазеров на основе арсенидов и четверных растворов, тогда как для нитридных лаз�