Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Методы изучения топографии и характеристик излучения полупроводниковых лазеров (литературный обзор) 11
1.1. Общие характеристики полупроводниковых лазеров на гетероструктурах 11
1.2. Исследование морфологии гетероструктур 14
1.3. Исследование характеристик излучения полупроводниковых лазеров 28
Глава II. Методы и объект исследования 36
2.1. Атомно-силовая микроскопия 36
2.2. Ближнепольная сканирующая оптическая микроскопия 49
2.3. Двухчастотный лазер 70
2.4. Метод жидкостного селективного химического травления 77
Глава III. Исследование полупроводникового лазера 82
3.1. Экспериментальная установка 82
3.2. Ближнепольные зонды 88
3.3. Изучение ближнепольного излучения полупроводникового лазера... 91
3.4. Геометрия излучающей области двухчастотного полупроводникового лазерного диода 95
Глава IV. Результаты исследования пространственной структуры излучения двухчастотного лазера 102
4.1. Сопоставление топографии излучающей поверхности полупроводникового лазера и его излучения в ближнем поле 102
4.2. Спектрально разрешенное исследование пространственной структуры излучения в ближнем поле 105
4.3. Модальная структура излучения лазерных диодов 111
Заключение 117
Литература 119
- Исследование характеристик излучения полупроводниковых лазеров
- Метод жидкостного селективного химического травления
- Геометрия излучающей области двухчастотного полупроводникового лазерного диода
- Спектрально разрешенное исследование пространственной структуры излучения в ближнем поле
Введение к работе
Нобелевская премия по физике на стыке двух столетий, то есть в 2000 г., была присуждена трем физикам: академику Жоресу Ивановичу Алферову, директору Санкт-Петербургского физико-технического института им. А.Ф. Иоффе, и американским ученым Герберту Крэмеру из Калифорнийского Университета в Санта Барбаре и Джеку Колби из фирмы Тексас Инструменте. Самая престижная научная премия дана за исследования в области физики полупроводников и полупроводниковой технологии, что предопределило значимость данных разработок во многих областях физики и техники, ознаменовало новый этап в области микроэлектроники и зародившейся недавно наноэлектроники.
Главными достижениями первых двух физиков считаются предложение и создание полупроводниковых приборов, основанных на применении полупроводниковых гетероструктур. Гетероструктура представляет из себя многослойную структуру из полупроводников разного состава, в котором каждый слой имеет свою ширину запрещенной зоны, положение потолка валентной зоны и дна зоны проводимости. На основе гетероструктур созданы мощные высокоэффективные светоизлучающие диоды, используемые в дисплеях, лампах тормозного освещения в автомобилях и светофорах. В гетероструктурных солнечных батареях, которые широко используются в космической и наземной энергетике, достигнуты рекордные эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую.
Одним из ярких применений полупроводниковых гетеропереходов является полупроводниковый лазер, или лазерный диод. Сегодня один только рынок гетеролазеров соответствует рынку всей полупроводниковой промышленности за 80-й год. Лазеры на гетероструктурах - то, что доминирует в современных информационных технологиях, и нобелевская премия за них была дана в том числе с точки зрения социальной значимости. Именно такой лазер был предложен независимо в 1963 г. в авторском свидетельстве ленинградских физиков Ж.И. Алферова и Р.Ф. Казаринова (живущего сейчас в
США) и в работе Г.Крэмера. В принципе, лазер на основе излучающего диода предлагали и значительно раньше, в частности, в 1953 г. знаменитый математик Джон фон Нейман, в 1959 г. советские физики Н.Г. Басов (впоследствии нобелевский лауреат), Б.М. Вул и Ю.М. Попов независимо друг от друга [1]. Впервые такой лазер был реализован разными группами физиков в СССР и США в 1962 г. [2] Однако индуцированное излучение света, которое отличает работу лазера от других светоизлучателей, в таких диодах было едва выражено.
Если возможность управления типом проводимости полупроводника с помощью легирования различными примесями и идея инжекции неравновесных носителей заряда - те семена, из которых выросла полупроводниковая электроника, то гетероструктуры дают возможность решить значительно более общую проблему управления фундаментальными параметрами в полупроводниковых кристаллах и приборах: шириной запрещенной зоны, эффективными массами носителей и их подвижностями, показателем преломления, электронным энергетическим спектром и т. д.
На основе предложенных в 1970 г. Ж.И. Алферовым и его сотрудниками идеальных переходов в многокомпонентных соединениях InGaAsP созданы полупроводниковые лазеры, работающие в существенно более широкой спектральной области. Они нашли широкое применение в качестве источников излучения в волоконно-оптических линиях связи повышенной дальности. Современные информационные системы должны отвечать двум простым, но основополагающим требованиям: быть быстрыми, чтобы большой объем информации можно было передать за короткий промежуток времени, и компактными, чтобы уместиться в офисе, дома, в портфеле или кармане.
Гетеролазеры передают, а гетероприемники принимают информационные потоки по волоконно-оптическим линиям связи. Гетеролазеры можно обнаружить также в проигрывателях CD-дисков, устройствах, декодирующих товарные ярлыки, лазерных указках и во многих других приборах. Сейчас очень трудно представить современную физику твердого тела без полупроводниковых гетер о структур. Полупроводниковые гетероструктуры,
включая квантовые ямы, нити и точки, являются сегодня предметом исследований 2/3 исследовательских групп в области физики полупроводников.
Актуальность темы
Исследование и создание новых, перспективных конструкций полупроводниковых лазеров на наногетероструктурах становится особенно актуальным в эпоху интенсивного развития нанотехнологий. В последнее время повышенный интерес вызывают различные лазеры на гетероструктурах, генерирующие монохроматическое излучение одновременно в двух разных частотных полосах. Интерес к ним вызван, во-первых, тем, что такие лазеры обладают большей эффективностью и имеют широкое практическое применение в области передачи информации в сравнении с обычным лазером. Во-вторых, наряду с каскадным лазерами такие устройства могли бы являться источниками излучения среднего и дальнего инфракрасного (ИК) диапазона длин волн за счет возникновения разностной частоты между двумя модами с близкими частотами в ближнем ИК диапазоне.
Основная проблема реализации таких устройств - выполнение условия согласования фаз между модами. Было показано [3], что это условие невыполнимо, если обе моды являются основными модами лазерной структуры. Для решения данной проблемы создана конструкция инжекционного лазера с двумя и более квантовыми ямами (КЯ), одна из которых обеспечивает генерацию основной моды волновода, а другая - моды второго порядка. Для реализации такой конструкции необходимо точное согласование положения КЯ в волноводной структуре с максимумами распределения интенсивности электромагнитного излучения в соответствующих модах.
Для решения данной задачи необходимо экспериментальное исследование распределения интенсивности излучения лазера. Распределение интенсивности излучения в апертуре позволяет определить модовый состав генерируемого излучения и его изменение в зависимости от согласования
положений КЯ в волноводной структуре. Это позволяет выявить особенности, учитывать которые необходимо для создания многочастотных лазеров.
Весьма эффективным методом исследования лазерных
наногетероструктур является метод сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ), включающий:
сканирующую туннельную микроскопию (СТМ);
сканирующую силовую микроскопию (ССМ), в том числе атомно-силовую микроскопию (АСМ);
ближнепольную сканирующую оптическую микроскопию (БСОМ).
Используя метод БСОМ [4,5], можно изучать пространственное
распределение интенсивности излучения лазерного диода (ЛД) с разрешением до 50 нм, то есть существенно превосходящим дифракционный предел разрешения обычного оптического микроскопа [6].
В настоящее время также продемонстрировано [7], что АСМ на сколе ЛД структур позволяет наблюдать топографию КЯ и волноводных слоев. Вместе с тем, несмотря на то, что метод БСОМ дает возможность регистрировать профиль моды излучения ЛД, нерешенной остается проблема пространственной привязки измеренного профиля интенсивности излучения к структуре ЛД, поскольку топографическое разрешение БСОМ недостаточно для идентификации КЯ.
Исходя из вышесказанного, можно определитьь следующие основные задачи работы:
1. Разработать спектрально разрешенную методику исследования
полупроводниковых лазерных структур с помощью ближнепольной
сканирующей оптической микроскопии.
2. Провести сопоставление топографии поверхности активной области и
пространственного распределения излучения полупроводниковых лазерных
структур.
3. Экспериментально исследовать пространственную структуру излучения двухчастотных полупроводниковых лазеров методом спектрально разрешенной ближнепольной сканирующей оптической микроскопии.
Научная новизна работы
1. Впервые разработана методика, позволяющая сопоставить геометрию
передней грани полупроводникового лазерного диода и пространственный
профиль интенсивности его излучения в ближнем поле.
2. Впервые разработана методика спектрально разрешенной
ближнепольной сканирующей микроскопии и исследована пространственная
структура двухчастотного полупроводникового ЛД в ближнем поле.
Впервые получен профиль и карта пространственного распределения интенсивности двухчастотного полупроводникового лазера в ближнем поле.
Впервые осуществлено сопоставление геометрии излучающей области двухчастотного полупроводникового лазера и пространственной структуры его излучения в ближнем поле.
Практическая ценность работы
Разработана эффективная методика исследования связи геометрии активной области и пространственной структуры излучения полупроводниковых лазеров на основе квантоворазмерных гетероструктур.
Разработан метод спектрально разрешенной БСОМ для исследования пространственного распределения интенсивности двухчастотных ЛД в ближнем поле.
3. Осуществлена привязка геометрии излучающей области и
пространственной структуры излучения в ближнем поле полупроводникового
двухчастотного ЛД.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались в виде двух работ на международном рабочем совещании «Scanning Probe Microscopy-2003» (Россия, Нижний Новгород, 2-5 марта 2003 г.), в виде двух работ на международном рабочем совещании «Scanning Probe Microscopy-2004» (Россия, Нижний Новгород, 2-6 мая 2004 г.), на IX Ежегодном международном симпозиуме «Нанофизика и наноэлектроника» (Россия, Нижний Новгород, 25—29 марта 2005 г.), на Второй межрегиональной научной школе для студентов и аспирантов «Материалы нано-, микро- и оптоэлектроники: физические свойства и применение» (Россия, Саранск, 13-15 октября 2004 г.), на VI Всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике (Санкт-Петербург, 1—5 декабря 2004 г.), на VII Всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике (Санкт-Петербург, 5-9 декабря 2005 г.).
На защиту выносятся следующие основные положения:
Использование режима ближнепольной сканирующей оптической микроскопии на основе ближнепольных зондов с апертурой 50 нм и кварцевым датчиком силового взаимодействия обеспечивает оптическую диагностику лазерных структур на уровне пространственного разрешения около 200 нм.
Предложенный метод характеризации электромагнитного поля в волноводе лазерной структуры дает информацию как о структуре волноводного слоя, так и о структуре излучения лазерного диода.
3. Установлена корреляция топографии поверхности активной области и
пространственного распределения излучения полупроводниковых лазерных
структур.
4. Пространственное разрешение разработанного метода позволяет
определить распределение максимумов интенсивности излучения лазерных
диодов относительно краев волноводного слоя с точностью 50 нм.
5. Предложенный метод характеризации электромагнитного поля в волноводе лазерной структуры может быть использован в качестве диагностического метода в технологии создания лазерных структур, излучающих в терагерцовом диапазоне.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 5 статей в научных журналах и 5 сообщений в материалах конференций.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Объем диссертации составляет 132 страницы, содержит 53 рисунка и 2 таблицы. Список литературы включает 126 наименований и размещен на 13 страницах.
Список основных сокращений и обозначений
АСМ - атомно-силовая микроскопия
БСОМ — ближнепольная сканирующая оптическая микроскопия
ДН — диаграмма направленности
ГФЭ МОС - газофазная эпитаксия из металлорганических соединений
ИК - инфракрасный
ИС - интегральная схема
КТ - квантовые точки
КЯ - квантовая яма
ЛД - лазерный диод
МЛЭ - молекулярно-лучевая эпитаксия
ПЗС — прибор с зарядовой связью
РЭМ - растровая электронная микроскопия
СР - сверхрешетка
СТМ - сканирующая туннельная микроскопия
ФЛ - фотолюминесценция
ХСЛ - химически стойкий лак
XT - химическое травление
ЭСМ - микроскопия электростатических сил
EBIC - electron beam induced current
GRINSCH - Graded-Index Separate Confinement Heterostructure
SCH - Separate Confinement Heterostructure
Исследование характеристик излучения полупроводниковых лазеров
Полупроводниковые инжекционные лазеры как малогабаритные и экономичные источники когерентного излучения высокой яркости находят чрезвычайно широкое применение в науке, технике, системах связи, медицине и т. д. [8]
Существует множество различных конструкций полупроводниковых лазеров. Их принцип действия основан на инжекции электронов и дырок в активную область. В двойной гетероструктуре широкозонный полупроводник имеет более низкий показатель преломления, чем активная область, поэтому излучение ограничено в области активного слоя. Формирование контактного полоска, ограниченного полуизолирующими областями, созданными ионной имплантацией, позволяет току протекать в ограниченной части активной области. Это создает оптическое ограничение в активной области. Хотя для создания лазера можно использовать и обычный р-n переход, пороговый ток генерации лазерного излучения в таком случае слишком велик. Причиной этого является диффузия электронов и дырок из области, где происходит рекомбинация. Более эффективными являются гетероструктуры и двойные гетероструктуры.
Активные области современных лазеров могут иметь сложную структуру и содержать более одного ограничивающего слоя (например, Separate Confinement Heterostructure, SCH или Graded-Index Separate Confinement Heterostructure, GRINSCH). Активные области могут содержать квантовые ямы (КЯ) и сверхрешетки (СР).
Такие лазеры обладают рядом преимуществ. Когда толщина двойной гетероструктуры становится сравнимой с длиной волны де Бройля (примерно 100 А), то в этом случае электроны локализованы в пределах квантовой ямы. Ширина квантовой ямы и ее состав определяют число и энергии квантово-размерных уровней в ее пределах, таким образом определяя длину волны излучения.
Излучательная рекомбинация в квантовой системе происходит преимущественно с основных состояний электронов в КЯ в зоне электропроводимости на первый энергетический уровень тяжелых дырок в валентной зоне. Поэтому распределение энергетических уровней и, соответственно, длину волны излучения можно регулировать. Другое преимущество лазеров на квантовых ямах состоит в том, что температурная зависимость порогового тока линейна. Разработанные к настоящему времени лазеры на квантовых ямах имеют низкие пороговые токи и высокую стабильность в работе (срок службы более 106 часов) [1].
На Рис. 1 изображен спектр излучения полупроводникового лазера, на котором видно, что до порогового тока пик интенсивности широк и размыт, а при достижении порогового тока генерации пик принимает 5-образный вид, что говорит о режиме вынужденной лазерной генерации.
В данной работе использовались полупроводниковые инжекционные лазеры с квантовыми ямами на примере лазера на системе материалов InGaAs/GaAs/InGaP. В исследованных лазерах в качестве ограничивающих слоев используется InGaP, согласованный по параметру решетки с GaAs подложкой. Волноводный слой содержит несколько квантовых ям InyGai_yAs. Толщина квантовых ям может изменяться в пределах 5-20 нм при содержании индия у=0.4-Ю.1, обеспечивая более эффективную работу лазера. Структуры InGaAs/GaAs/InGaP изготовлены методом газофазной МОС-гидридной эпитаксии при атмосферном давлении на GaAs подложке, ориентированной вдоль кристаллографической плоскости (100) [9]. После выращивания на пластину методом фотолитографии наносили маску в виде полосок шириной 100 мкм с периодом 400 мкм, ориентированных вдоль
кристаллографического направления (110). Вне полосок контактный слой GaAs стравливали, затем эти области изолировали методом имплантации ионов
Н энергией около 100 кЭв. Таким образом, рабочая ширина активной области лазеров составляет 100 мкм, а имплантированные области в работе лазера не участвуют. Затем маску удаляли и на пластину методом вакуумного напыления наносили золотые контакты. Пластину раскалывали на бруски шириной 500- -1000 мкм в направлении (100), перпендикулярно полоскам. Сколотые грани в дальнейшем служили зеркалами резонатора лазера. На них методом электронно-лучевого напыления в вакууме наносилось многослойное отражающее покрытие с коэффициентом отражения 95 % на одну грань и просветляющая четвертьволновая пленка АЬОз с коэффициентом просветления 5% на другую грань. Бруски делились на отдельные лазерные чипы, каждый из которых содержал только одну активную полоску. Чипы припаивались на медный теплоотвод, чтобы не допустить перегрева активной области лазера при работе в непрерывном режиме.
Метод жидкостного селективного химического травления
В настоящее время в микроэлектронике и в зарождающейся наноэлектронике все более интенсивно используются многослойные низкоразмерные структуры с квантовыми ямами, нитями, точками. И на их основе строятся различные приборы, в частности, полупроводниковые лазерные диоды. В связи с этим, принципиальное значение приобретает разработка методик исследования и контроля параметров таких структур, для изучения их морфологии. Миниатюризация полупроводниковых структур до субмикронных размеров делает необходимым прецизионный контроль распределений по объему, составу, легированию и электрическим параметрам. Развитие методов атомно-силовой микроскопии (АСМ) в последние годы как нельзя лучше откликается на эти требования, обеспечивая пространственное разрешение до нескольких нанометров даже в условиях работы на воздухе. Данные о распределении параметров структур в их объеме получаются при исследовании сколов структур, пересекающих интересующие области. Применение уже самых простых методов АСМ - топографического и определения силы трения зонда о поверхность - позволяет уверенно визуализировать все конструктивные элементы структур, отличающиеся химическим составом. На атомарно-гладких сколах после окисления на воздухе участки разного состава обычно различаются по высоте из-за разной толщины нарастающих окислов [10,7]. Наличие механических напряжений на границах разнородных материалов также может дать вклад в рельеф поверхности, визуализируя границы [11,12]. При применении метода определения силы трения участки поверхности разного состава выявляются по изменению на них измеряемой силы трения [14,13].
Также разработан АСМ-метод, позволяющий детектировать силу электростатического взаимодействия зонда с изучаемой поверхностью. В микроскопии электростатических сил (ЭСМ) измеряется механический отклик зонда под воздействием электростатической силы, зависящей от локальной разности потенциалов между зондом и поверхностью под ним, плотности поверхностных зарядов и локальной емкости [14,15]. Очевидно, что метод ЭСМ является весьма перспективным для анализа распределений собственных и внешних электрических полей в объеме приборных структур.
В работе [16] рассматривается применение метода ЭСМ для изучения распределений электрического поля поперек слоев полупроводниковых лазерных гетероструктур. В лазерных гетероструктурах внешнее напряжение падает преимущественно в области р-n перехода, создаваемого путем различного легирования эмиттеров, располагающихся по разные стороны нелегированного волновода. Для успешной работы лазера положение р-п перехода должно точно располагаться в области волновода. Традиционно положение р-n перехода в лазерных гетероструктурах находили методом измерения тока, индуцированного электронным зондом, сканирующим область обратно смещенного р-n перехода (в западной литературе этот метод носит название EBIC - electron beam induced current) [17]. В ЕВІС-методе регистрируемый ток максимален при попадании электронного луча примерно в середину обратно смещенного р-n перехода. Истинное положение р-n перехода находится путем сопоставления измеренного распределения наведенного тока с модельными зависимостями. Точность сопоставления зависит от довольно большого числа параметров, таких как диффузионная длина носителей, скорость поверхностной рекомбинации, ширина обедненной области, форма функции генерации носителей. Поэтому в ЕВІС-методе трудно добиться нанометровой точности определения положения р-n перехода, необходимой для современных лазерных гетероструктур, содержащих квантово-размерные слои.
В методе ЭСМ заложена возможность непосредственного определения распределения электрического поля на изучаемой поверхности (в данном случае - на поперечном сколе лазерной структуры). Одновременно дается и прямая привязка получаемых профилей напряжения к деталям структуры лазера, которые выявляются в топографических АСМ-изображениях, получаемых одновременно с данными ЭСМ. Метод может обеспечивать нанометровое планарное разрешение на уровне 20 - ЗОнм, которое определяется диаметром кончика зонда.
В появившихся первых работах для лазерных гетероструктур GaAlSb/GaSb/GaAlSb и InP/InGaAsP/InP [18] используется бесконтактный ЭСМ-метод, когда зонд не касается поверхности, а совершает резонансные колебания на некотором удалении от нее. Существует также контактный ЭСМ-метод [19], при котором зонд всё время находится в постоянном контакте с изучаемой поверхностью. В этом случае зонд максимально близок к изучаемой поверхности, что обеспечивает одновременно повышение чувствительности и планарного разрешения.
В работе [20] обращается внимание на интересную возможность получения регулярного квазистационарного нанорельефа на сколах полупроводниковых гетероструктур путем их окисления. Как известно, толщины естественного окисла на поверхностях различных полупроводников различаются [21]. В связи с этим можно ожидать, что на сколах гетероструктур у пленки окисла появится поверхностный рельеф, поскольку высота окисла над различными слоями структуры будет различной. Кроме того, при удалении пленки окисла открывшаяся поверхность скола гетер о структур также будет иметь поверхностный рельеф, задаваемый составом слоев, если глубины окисления материалов не равны. За характерный масштаб высоты рельефа на сколах гетероструктур можно взять толщину естественного окисла на поверхности полупроводников, которая оценивается значениями порядка нескольких нанометров [9,22].
В работе [20] исследовалась морфология поверхностей сколов решетки чередующихся гетерослоев GaAs(250HM)/GaojAlo.3As (250нм), окисленных в комнатных условиях, а также (после удаления окисла и химической пассивации) - обнажившейся поверхности с помощью процедуры нитридизации в водном растворе N2H4+Na2S. Нитридизация с использованием растворов гидразина обеспечивала возможность защиты поверхности скола от нового окисления монослойной пленкой нитридов, когерентно связанной с решеткой полупроводника.
Геометрия излучающей области двухчастотного полупроводникового лазерного диода
Для исследования излучения полупроводниковых лазерных диодов используют в том числе ближнепольную сканирующую оптическую микроскопию (БСОМ) и спектроскопию (БСОС) [80,81]. С их помощью можно локально определить оптические моды полупроводниковых лазерных диодов. Например, в работе [6] демонстрируется использование БСОМ для исследования свойств излучения отдельной квантовой ямы, которая определяет активную область полупроводникового лазерного диода на основе InGaAs/AlGaAs. В данной работе с использованием БСОМ измерялась дивергенция, то есть расходимость лазерного луча, его сужение в вертикальной и горизонтальных плоскостях и астигматизм режима генерации. В ближнем поле, в плоскости р-n перехода, наблюдалась почти идеальная гауссова форма, которая согласуется с расходимостью пучка, измеренного в дальнем поле. В плоскости, перпендикулярной р-n переходу, наблюдались отклонения формы луча от идеального гауссова распределения. То есть благодаря данной методике можно напрямую характеризовать свойства лазерного излучения полупроводниковых лазеров для дальнейшей их оптимизации.
В работе [82] авторы продемонстрировали новый метод исследования полупроводниковых приборов на базе ближнепольной сканирующей оптической микроскопии - ближнепольную спектроскопию фототока, которая позволила исследовать сверхмощные лазеры на основе GaAs/(AlGa)As. Данный метод позволил локально изучить характеристики излучения рассмотренных лазеров, в частности, эффектов деградации лазерного излучения, которые связаны с образованием дефектов и с поверхностной рекомбинацией. Данный метод также использовался авторами в работах [83,5,84,85] для исследования характеристик излучения полупроводниковых лазеров на основе гетер о структур. За последние несколько лет продемонстрирована применимость методики БСОМ к исследованию полупроводниковых микро- и наноструктур, ее достаточная чувствительность и разрешающая способность.
Работа [86] посвящена локальной спектроскопии и модификации полупроводниковых гетер о структур InGaP/GaAs/InGaAs с квантовыми ямами методом сканирующей ближнепольной оптической микроскопии. Исследовано пространственное распределение интенсивности фотолюминесценции в таких гетероструктурах, обнаружена пространственная неоднородность фотолюминесценции, связанная с неоднородностью свойств InGaP слоев. Впервые показана возможность локального гашения фотолюминесценции с помощью стимулируемой оптическим излучением диффузии примеси в область квантовой ямы, что может быть использовано при создании низкоразмерных полупроводниковых объектов.
В одной из первых работ [87], описывающих исследования полупроводников с помощью низкотемпературного БСОМ, получено пространственное распределение (карта) интенсивности фотолюминесценции скола структуры на основе сверхрешетки GaAs/AlAs, содержащей Т-образные стыки квантовых слоев. Одновременная регистрация всего спектра в каждой точке поверхности в ходе сканирования позволила построить затем изображения, создаваемые отдельно квантовыми слоями и квантовыми нитями, образуемыми на их пересечении. Излучение накачки вводили через острие иглы, а для сбора сигнала фотолюминесценции и его вывода из кристалла использовалось сферическое зеркало. Аналогичные структуры, содержащие квантовые слои различной толщины, исследовались в работе [88] с помощью той же сканирующей головки при гелиевой температуре. С помощью перестраиваемого титан-сапфирового лазера были получены спектры фотовозбуждения. В свете сделанного выше замечания, необходимо отметить, что разрешающая способность в данной схеме эксперимента в меньшей степени ограничена диффузионными явлениями, поскольку поглощение света накачки в основном происходит в непосредственной близости от иглы -источника света.
В данной работе для исследования полупроводниковых лазеров мы использовали ближнепольную сканирующую оптическую микроскопию как метод перспективный и эффективный в данном направлении. Она позволяет получить представление о структуре электромагнитного поля лазерного луча в ближнем поле, то есть в непосредственной близости от активной области лазера, и одновременно с этим позволяет связывать параметры излучения с геометрией активной области. Спектральное разрешение обеспечивалось путем пропускания собранного излучения через решетчатый монохроматор, что позволило раздельно исследовать характеристики пространственного распределения излучения лазера.
Спектрально разрешенное исследование пространственной структуры излучения в ближнем поле
Зависимость сил взаимодействия между зондом и поверхностью образца от расстояния между ними. При приближении к образцу зонда последний сначала притягивается к поверхности благодаря наличию притягивающих сил (силы Ван-дер-Ваальса). При дальнейшем приближении зонда к образцу электронные оболочки атомов на конце иглы и атомов на поверхности образца начинают перекрываться, что приводит к появлению отталкивающей силы.
При дальнейшем уменьшении расстояния отталкивающая сила становится доминирующей. Влияние наличия адсорбционного слоя на поверхности образца на взаимодействие с АСМ зондом. На воздухе поверхность образца всегда покрыта тонким слоем адсорбированных атомов. Этот слой состоит из воды и других компонентов воздуха, а также следов веществ, с которыми образец находился в контакте в процессе изготовления, загрязнений и т. п. Толщина слоя может меняться в пределах 2-f-50 нм в зависимости от многих обстоятельств, например, от влажности воздуха. При соприкосновении конца иглы с адсорбционным слоем возникает сильная притягивающая компонента силы вследствие капиллярного притяжения.
Эффект капиллярного притяжения также очень сильно проявляется при отведении иглы от образца. Часто капиллярные силы в этом случае настолько крепко удерживают зонд вблизи поверхности, что скорее можно сломать кантилевер, чем оторвать зонд от образца (говорят, что образец «клейкий»). Форма иглы также оказывает большое влияние на характер взаимодействия зонда и адсорбционного слоя. Силы капиллярного взаимодействия заметнее проявляются в случае использования зондов с большим радиусом закругления иглы г и малым отношением LAV. Напротив, острые зонды с малым г испытывают меньшее влияние капиллярных сил вследствие меньшей площади контакта с адсорбционным слоем и их легче оторвать от поверхности.
Влияние материала образца. Материал образца оказывает значительное влияние на характер сил взаимодействия между зондом и поверхностью. Так, разные материалы имеют разные константы адсорбции и, следовательно, разную склонность к образованию адсорбционного слоя. Кроме того, некоторые материалы склонны накапливать статическое электричество, которое может оказывать значительное влияние на взаимодействие между иглой и поверхностью и существенно затруднять АСМ-измерения.
Влияние свойств зонда. В АСМ-методах сила измеряется по отклонению упругого кантилевера. Наиболее важными его характеристиками являются упругая постоянная и резонансная частота. Упругая постоянная определяет значение силы между зондом и образцом при их непосредственном контакте и, в свою очередь, определяется материалом, из которого изготовлен кантилевер, и его формой. В контактной моде используются очень мягкие кантилеверы с очень малой упругой постоянной.
При отклонении кантилевера из положения равновесия и последующем освобождении он начинает колебаться с резонансной частотой, зависящей от его механических свойств. Жесткий кантилевер (с большей упругой постоянной) имеет большую резонансную частоту, чем мягкий. Резонансная частота зависит от размеров и материала кантилевера и от сил, действующих на зонд. Кантилеверы, используемые для АСМ, имеют резонансную частоту в диапазоне 15-ь500 кГц. Резонансная частота также зависит от массы на конце кантилевера.
Обычно в контактном методе используются тонкопленочные V-образные Si3N4 кантилеверы с пирамидальными зондами (отношение длины L зонда к ширине W основания 1:1, радиус закругления d конца 50 нм). Кантилеверы для контактного метода имеют упругую константу А:=0,03-ь0,6 Н/м. Сила взаимодействия зонда с образцом - 5-50 нН.
Изображение топографии поверхности в контактном методе может быть получено в двух режимах - режиме постоянной силы и режиме переменной силы (или постоянного отклонения), которые используются для сканирования поверхностей с различными масштабами неровностей.
В режиме постоянной силы сила взаимодействия зонда с образцом поддерживается постоянной за счет приближения и отвода типа от поверхности системой обратной связи. Обратная связь отрабатывает изменение положения зонда, управляя пьезоприводом таким образом, чтобы сила между зондом и образцом была постоянной. Сигнал для построения изображения топографии поверхности берется из канала Z-пьезопривода.
Режим постоянной силы используется в случае, если размер неровностей на поверхности образца составляет 1 нм. В режиме переменной силы сканирование происходит при постоянной высоте укрепленного на сканере конца кантилевера над поверхностью образца. Для изображения топографии поверхности используется сигнал непосредственно АСМ-сенсора. Переменная сила используется для сканирования очень маленьких (не более 10x10 нм) моноатомно гладких областей. Этот режим используется для исследования строения поверхностных атомных сеток и моноатомных ступеней на поверхности кристаллов.
Кроме топографии поверхности в контактном методе можно получить информацию о трибологических свойствах поверхности образца в нанометровом масштабе размеров, используя канал регистрации латеральной силы (Рис. 9), действующей на зонд в процессе сканирования, и карту распределения твердости поверхности, применяя модуляционную методику (Z-Modulation).
Латеральные силы. В методе латеральных сил исследуются силы трения между поверхностью и скользящим по ней зондом. Принцип работы латерального сенсора подобен принципу работы АСМ-сенсора в режиме переменной силы, где изображение поверхности формируется путем регистрации разностного сигнала между верхним и нижним секторами фотодетектора (Т-В). Для получения карты распределения латеральных сил выделяется разностный сигнал левого и правого секторов фото детектора (L-R). В процессе сканирования на зонд действует сила трения со стороны поверхности образца:
