Введение к работе
Актуальность работы. Изобретение инжекциоиного гетеролазера и нолевого транзистора с высокой подвижностью электронов произвели персиорот и электронике, радикально улучшив достижимые приборные характеристики. Среди соединений А В , система материалов GaAs/AIGaAs долгое время оставалась единственной хорошо изученной и практически применяемой. Однако, к настоящему времени приборные характеристики как лазеров, так и полевых транзисторов на основе этой системы практически достигли своих теоретически предсказанных пределов [1*,2*]. Дальнейший прогресс связан с использованием новых эпитаксиальных материалов, в том числе напряженных гетероструктур, новых материалов подложек и структур с размерностью ниже чем два - квантовых проволок и квантовых точек. Поэтому, в качестве объекта исследования нами были выбраны квантово-раэгмерные напряженные гетеро-структуры с активной областью на основе системы материалов (In,Ga,Al)As, получаемые с помощью молекулярно-пучковой эпитаксии на подложках GaAs и ІпЕ. В работе, исследованы два типа структур, позволяющих выявить преимущества использования квантово-размерных гетерострукзур на основе (In,Ga,A1)As в приборах микро- и ' оптоэлектроники: модулировано-легированные гетероструктуры InGaAs/lnAIAs на подложках InP, с двумерным электронным каналом, и инжекционные гетеролазеры с активной областью на основе массивов квантовых точек (ln,Ga)As.
Напряженные гетероструктуры на основе InGaAs, выращенные па подложках GaAs, позволяют в лазерах продвинуться в диапазон длин воли до ~ 1 мкм, а также, вследствие модификации зонной структуры под воздействием напряжения, снизить пороговые плотности тока, увеличить дифференциальное усиление и расширить полосу модуляции [2*]. Полевые транзисторы с InGaAs каналом, близким к согласованию с подложкой InP, являются в настоящее время самыми быстродействующими среди всех трехконтактных приборов, работающих при комнатной температуре. Ограничение носителей заряда более чем в одном направлении приводит к сильной модификации энергетического спектра, и прежде всего к возникновению сингулярностей в функции 1IJIOI1IOCT11 состояний при энергиях, отвсчаюищх дну подзон размерного квантовании. От, как ожидается, приведет к более узким спектрам оптического усиления и достижению больших значений максимального усиления, позволит спи чти. пороговую плотность тока, уменьшить ее темпераіурпую чу'іетиііте'іі.несп.,
4 увеличит!, скорость модуляции и достичь более узких спектральных линий [3*]. Использование напряженных квантовых точек (In.Ga)As позволяет, как нам представляется, реализовать преимущества как напряженных структур, так и системы с пониженной размерностью.
Практическая реализация перечисленных преимуществ возможна лишь при условии, что будут созданы гетероструктуры, свойства которых близки к модельным. Дефекты, неконтролируемые примеси, случайные вариации состава могут привести к подавлению и даже полному исчезновению ожидаемых эффектов. В случае роста InGa(AI)As на GaAs или InP дополнительная фудность связана с существованием так называемой критической толщины (критического размера в случае островкового роста), выше которой напряжение рассогласования аккомодируется за счет образования дислокаций несоответствия. Кроме того, в случае эпитаксиального роста многослойной гетероструктуры всегда существует принципиальная сложность, связанная с . различием в оптимальных условиях выращивания для компонентов, входящих в ее состав. Выполнение перечисленных выше условий предъявляет жесткие требования к технологии создания гьтероструктур и требует тщательной оптимизации как с^мой структуры, так и условий ее роста.
Целью настоящей работы являлась разработка технологии выращивания методом молекуляріїо-пучковой эпитаксии квантово-размерных напряженных гетсроструктур на осі: ве системы материалов (In,Ga,Al)As для создания модулнровано-легированных.гетероструктур InGaAs/InAlAs на подложках InP, с двумерным электронным каналом, и иижекционных гетеролазеров с активной облас.іі.ю на основе массивов квантовых точек (In.Ga)As.
Для достижения поставленной цели в ходе работы решались следующие основные задачи:
- исследовалось влияние напряжения рассогласования на структурные,
люминесцентные и транспортные свойства слоек- InGaAs и InAlAs,
выращиваемых на подложках InP;
- исследовалось влияние режимов роста на транспортные свойства электронов в
канале и люминесцентные свойства мог^лировано-легированных гетерострук-
тур InGaAs/InAiAs на подложках ЬР;
исследовались особенности температурной зависимости пороговой ПЛОЛІОСІИ тока в лазерах с активной областью на основе массивов квантовых точек (In,Ga)As; .
разрабатывались методы, позволяющие управляемо изменять форму и размеры квантовых точек InAs в матрице GaAs;
исследовалось влияние высокотемпературного отжига па оптические свойства массивов квантовых точек и на приборные характеристики иііжскционіїьіх лазеров на их основе;
- исследовались оптические свойства массивов вертикально совмещенных
квантовых точек;
- разрабатывались конструкция и технология инжекцконных лазеров с активной
областью на основе массивов вертикально-совмещенных квантовых точек и
изучались их основные характеристики.
На заіімту выносятся следующие положения:
-
Способ формирования массивов вертикально совмещенных квантовых -точек (ВСКТ), позволяющий управляемо изменять форму и размеры напряженных островков (In.Ga)As в матрице GaAs.
-
Конструкция и режимы выращивания методом МПЭ инспекционного лазера с активной областью на основе вертикально совмещенных квантовых точек, позволяющие достичь низкопороговой лазерной генерации через нуль-мерные состояния квантовых точек вплоть до комнатной температуры.
-
Оптимальные режимы роста для модулировапо-легированных гетероструктур InGaAs/InAlAs/InP, позволяющие достичь наибольшей подвижности лектронов в канале.
4. Причиной резкого увеличения пороговой плотности тока при повышении
температуры в лазерах на основе массивов квантовых точек (In.Ga)As является
термический выброс электронов из основного состояния квантовых точек.
5. Высокотемпературный отжиг массивов ВСКГ (In.Ga)As приводит к
изменению их оптических свойств, а также приборных харак ісрисіиі;
инжекционных гетеролазеров на их основе вследствие уменьшения люргии
локализации носителей и квантовых точках, а также улучшения качества
окружающих слоев Ga(Al)As.
B-6A
Научная новизна и практическая значимость работы заключаются и том, что в ней впервые исследованы причины резкого увеличения ішроншпіі
плотноепі тока с температурой в ипжекционных лазерах с активной областью на основе массивов квантовых точек (In,Ga)As. Обнаружен эффект вертикального совмещения, наблюдаемый при многократном осаждении напряженных островков In As в матрице GaAs, и впервые предложено использовать эффект или управляемого изменения формы и размеров квантовых точек. Впервые исследованы оптические и структурные свойства массивов вертикально совмещенных квантовых точек (In,Ga)As и показана возможность улучшения приборных характеристик ипжекционных лазеров с активной областью на основе квантовых точек с помощью применения ВОСТ. Впервые продемонстрирована низкопороговая лазерная генерация через нуль-мерные квантово-размерлые состояния при комнатной температуре. Достигнута рекордно высокая характеристическая температура 430 К, наибольшая среди сообщенных для полупроводниковых ипжекционных лазеров. Впервые. исследована термическая стабильность массивов ВСКТ. Определены оптимальные режимы осаждения модулировано-легированных гетероструктур InGaAs/InAlAs/InP для достижения наибольшей подвижности электронов в канале. Идентифицированы излучательные переходы в модулировано-легированных гете^роструктурах InGaAs/InAlAs/InP.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на 8-й Международной конференции по молекулярно-пучковой эпитаксии (Осака, Япония, 29 августа - ? сентября 1994 г.), 8-й Европейской конференции по молек^лярно-нучковой эпитаксич (Сиерра-Невада, Испания, 22-24 марта 1995 г.), Международной конференции по твердотельным приборам и материалам (Осак:, Япония, 21-24 августа 1995 г.), Международном симпозиуме "Наноструктуры: Физика и технология" (Санкт-Петербург, Россия, 26-30 июня 1995 г.). Конференции общества исследования материалов (Бостон, США, 27 ноября - 1 декабря 1995 г.), 7-й Международной конференции по модулированным полупроводниковым структурам (Мадрид, Испания, 10-14 июля 1995 г.), 2-й Всероссийской конференции по физике полупроводников (Зеленогорск, Россия, 26 февраля - 1 марта 1996 г.).
Публикации. Основные результаты дисгертации опубликованы в 23 печатных работах (в том числе 12 в научных журналах и 11 в материалах конференций).
7 Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 102 страницы основного текста, 44 рисунка и список литературы из 122 наименований.
