Введение к работе
Актуальность. Широкозонные соединения А2В6 являются перспективными материалами для создания на их основе новых источников лазерного излучения в сине-зеленой и средней инфракрасной областях спектра. Источники сине-зеленого излучения могут быть использованы в полноцветных оптических дисплеях и системах проекционного лазерного телевидения, а инфракрасного излучения - в области контроля окружающей среды, медицине, системах беспроводной передачи данных.
После реализации впервые, в 1991 году, «зеленого» инжекционного лазера на основе ZnSe [1], соединения АгВ6 рассматривались как наиболее перспективные материалы для лазеров сине-зеленого спектрального диапазона (460-530 нм). Однако вскоре обнаружились проблемы, связанные с ограниченным сроком службы этих приборов. Основной причиной деградации инжекционных лазеров на основе соединений АгВб явилась нестабильность проводимости р-типа и контактов [2]. В тоже время, при использовании оптической накачки или накачки электронным пучком не требуется создание р-л-перехода и омических контактов, что позволяет избежать этих проблем.
Лазеры с катодно-лучевой накачкой (ЛКН) являются перспективными источниками монохроматического излучения для применений в системах проекционного телевидения и способны составить конкуренцию как применяемым в настоящее время дуговым источникам света, так и предложенным недавно новым лазерным схемам, основанным на удвоении частоты [3]. Основным элементом ЛКН является вертикально излучающая наноразмерная гетероструктура, обеспечивающая резонансно-периодическое усиление. Одной из нерешенных научных проблем, сдерживающих развитие систем на основе ЛКН, является получение наноразмерных гетероструктур соединений АгВб для синего диапазона. Наиболее подходящим соединением для применения в качестве барьерных слоев в таких структурах является твердый раствор Zni.,MgKS].ySey с высоким содержанием Mg и S (х > 0,15, у>0,2), в то время как слои ZnSe или ZnCdSe могут быть использованы в качестве квантовых ям (КЯ). Однако, твердый раствор ZnMgSSe, согласованный по параметру кристаллической решетки с подложкой GaAs и имеющий Eg » 3,0 эВ, находится в области метастабильной фазы и близок к границе области несмешиваемости и спинодального распада [4]. До начала настоящего исследования было известно всего несколько работ, посвященных экспериментальному исследованию этой проблемы [5-7]. Отсутствовали публикации о получении методом молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) относительно толстых (до 5 мкм) слоев твердых растворов ZnMgSSe, необходимых для реализации эффективных лазеров с продольной
накачкой и резонансно периодическим усилением. Хотя на основе структур ZnSe/ZnCdSe была получена генерация в сине-зеленой области спектра, но реализованные длины волн были далеки от оптимальных, а лазерные характеристики значительно уступали характеристикам, полученным для ЛКН в красной области спектра [8].
Другое применение широкозонных полупроводниковых соединений А2В6 связано с созданием эффективных перестраиваемых источников лазерного излучения среднего ИК-диапазона. В этом случае, в качестве активной среды используются кристаллы халькогенидов цинка и кадмия, легированные ионами переходных металлов (ТМ2+:А2В6). Этот новый класс лазерных материалов был впервые предложен в 1996 году [9]. Лазеры ТМ2+:А2В6, обладая высокой эффективностью генерации при комнатной температуре (близкой к квантовому пределу) и широким диапазоном перестройки, являются на сегодня наиболее перспективными для спектральной области 2-4 мкм [10]. Несмотря на быстрое продвижение в области разработки лазеров на объёмных монокристаллах ТМ2+:А2В6, работы по плёночным аналогам этого типа лазеров находятся в начальной стадии. Использование полупроводниковых структур позволило бы существенно уменьшить размеры и энергопотребление лазеров.
Последние достижения в области разработки мощных инжекционных лазеров на основе полупроводниковых структур А3В5, излучающих в области 1,7 -1,8 мкм, открывают перспективы создания мощных, высокоэффективных и компактных гибридных лазерных систем А3В5/ТМ2+:А2Вб, излучающих в среднем ИК-диапазоне. Предполагается также, что использование наноразмерных структур ТМ2+:А2Вб позволит улучшить характеристики лазеров и реализовать инжекционную накачку [11].
Ключевым звеном в решении этой научной задачи является разработка технологии получения оптически активных эпитаксиальных слоев Сг :А2В6 и волноводных структур на их основе. К началу настоящей работы имелось всего несколько публикаций на эту тему, в которых были отмечены технологические трудности получения слоев Сг2к:А2Вб методом МПЭ, связанные с использованием высокотемпературного металлического хрома в качестве лигатуры [12, 13]. Отсутствовали данные о получении волноводных структур Сг2+:А2В6, которые необходимы для реализации эффективной лазерной генерации.
Цель работы. Целью настоящей диссертационной работы являлось исследование молекулярно-пучковой эпитаксии широкозонных гетероструктур А2Вб для лазеров видимого и среднего ИК-диапазонов.
Особенностями гетероструктуры для «синего» лазера являются прецизионное размещение КЯ в пучностях генерируемой моды микрорезонатора,
согласование толщины активной части структуры с областью возбуждения электронным пучком (4-6 мкм), обеспечение высокого транспорта неравновесных носителей из барьерных слоев в КЯ.
Отличительной особенностью гетероструктуры для лазеров среднего ИК-диапазона является размещение оптически активного слоя Cr2+:ZnSe в волноводе, образованном обкладочными слоями ZnMgSSe с меньшим показателем преломления.
Основными задачами, которые требовалось решить для достижения поставленной цели, являлись:
Изучение закономерностей МПЭ толстых слоев ZnMgSSe, изопериодных GaAs, исследование дефектов и условий их образования, ухудшающих морфологию ростовой поверхности.
Исследование факторов, влияющих на микрооднородность твердого раствора ZnMgSSe с увеличением содержания Mg и S, факторов, ухудшающих транспорт неравновесных носителей к КЯ.
Оптимизация структуры с целью повышения эффективности люминесценции КЯ при комнатной температуре.
Реализация на основе оптимизированной структуры генерации в синей области спектра и исследование характеристик лазера с продольной накачкой электронным пучком.
Оптимизация условий формирования оптически активных в ИК-области эпитаксиальных слоев ZnSe:Cr и волноводных структур ZnSe:Cr/ZnMgSSe.
Исследование спектров, кинетики и эффективности люминесценции эпитаксиальных пленок ZnSe с различной концентрацией ионов Сг+, оптимизация уровня легирования.
Создание волноводных структур ZnSe:Cr2+/ZnMgSSe и исследование их характеристик.
Научная новизна и практическая значимость работы состоит в создании и исследовании новых гетероструктур для востребованных лазеров, излучающих в синем (460-475 нм) и среднем ИК (2-3 мкм) диапазонах спектра. К наиболее значимым результатам работы следует отнести:
результаты исследования особенностей формирования методом МПЭ относительно толстых (до 6 мкм) зеркальных эпитаксиальных структур на основе твердого раствора ZnMgSSe, изопериодных GaAs;
установление причины фазового распада ZnMgSSe с содержанием S и Mg более 15 %, определение ростовых параметров, обеспечивающих микрооднородность слоев ZnMgSSe;
создание эффективного лазера для синего спектрального диапазона с продольной накачкой электронным пучком на гетероструктуре ZnCdSe/ZnMgSSe, полученной методом МПЭ;
существенное улучшение технологии формирования оптически активных в ИК-области эпитаксиальных слоев ZnSe:Cr2+ и волноводных структур ZnSe:Cr2+/ZnMgSSe;
результаты исследования спектрально-кинетических характеристик эпитаксиальных пленок Cr2+:ZnSe, определение оптимального для лазерных применений диапазона концентраций ионов Сг2'.
Основные положения, выносимые па защиту:
-
Наблюдаемый фазовый распад твердого раствора ZnMgSSe, изопериодного подложке GaAs, с шириной запрещенной зоны Eg > 2,9 эВ стимулируется смещением стехиометрического баланса в процессе МПЭ в Zn-стабилизированную область. Высокая однородность твердого раствора ZnMgSSe с составом, соответствующим условию Eg > 2,9 эВ, обеспечивается при росте в стехиометрических условиях при уменьшении температуры эпитаксии ниже 280 С, однако в этом случае увеличивается вероятность образования пирамидальных ростовых дефектов из-за ухудшения поверхностной миграции атомов, адсорбируемых поверхностью.
-
Добавление в КЯ ZnSe атомов Cd в концентрации 2-5 % приводит к дополнительному усилению эффективности их излучения, связанному с улучшением транспорта в барьерных слоях и захвата неравновесных носителей заряда квантовыми ямами.
-
На структурах ZnCdSe/ZnMgSSe, полученных методом МПЭ и обеспечивающих резонансно-периодическое усиление, может быть реализован лазер с продольной накачкой электронным пучком с мощностью не менее 2,8 Вт и порогом не более 7 А/см2 при энергии электронов 47 кэВ, излучающий па длине волны вблизи 470 нм и работающий при комнатной температуре.
-
Использование соединения CrSe вместо металлического Сг в качестве лигатуры в процессе МПЭ слоев ZnSe:Cr2+ позволяет по меньшей мере па 150 С снизить температуру молекулярного источника и тем самым уменьшить неконтролируемый разогрев подложки. Таким способом получаются оптически активные в среднем ИК-диапазоне (2-3 мкм) эпитаксиальные слои ZnSe:Cr * с концентрацией легирующей примеси до 1021 см"3. Пленки с концентрацией ионов Сг2+ в диапазоне 10,8+ 10"см"3 имеют максимальную интенсивность люминесценции. Время затухания люминесценции для таких пленок составляет примерно 5 мкс.
5. МПЭ позволяет получать волноводные структуры на основе ZnSeiCr^/ZnMgSSe, оптически активные в диапазоне 2-3 мкм. Интенсивность люминесценции таких структур более чем на порядок превышает интенсивность излучения эпитаксиальных слоев ZnSe:Cr2^ с такой же концентрацией активных центров. Публикации.
Материалы диссертации изложены в 14 публикациях, включая 5 статей в рецензируемых отечественных и зарубежных журналах (3 из них входят в список журналов рекомендованных ВАК) и тезисы 9-ти докладов на российских и международных конференциях. Апробация работы.
Результаты работы представлены на: международной конференции Advanced Solid-State Photonics (ASSP) г. Вена (Австрия) 2005г.; международном симпозиуме "Наноструктуры: Физика и Технология " г. Санкт-Петербург, 2005 г.; российской конференции по физике полупроводников "Полупроводники-2005", г. Звенигород, 2005 г.; международной научно-технической конференции «Электроника и информатика-2005» г. Москва, 2005 г.; российском научном форуме «Демидовские чтения», г. Москва, 2006 г.; международном симпозиуме "Наноструктуры: Физика и Технология " г. Владивосток, 2008 г. Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов и списка цитируемой литературы. Общий объем работы составляет 144 страницы, включая 46 рисунков, 7 таблиц и список литературы из 140 наименования.
