Введение к работе
Актуальность темы. Полупроводниковые инжекционные лазерные диоды за последнее время получили широкое распространение в различных устройствах записи и считывания информации, в дальномерных и локационных системах, в системах волоконно-оптической связи, а также используются для решения многих медицинских задач. Тем самым создание и исследование низкоразмерных лазерных двойных гетероструктур с раздельным ограничением (РО ДГС), улучшение их параметров является важной задачей, что определяет актуальность темы данной диссертационной работы.
Решение все более сложных задач ставит вопрос об улучшении таких характеристик лазерных диодов, как пороговая плотность тока, дифференциальная квантовая эффективность, срок службы, температурная стабильность и т.д. Качественный скачок в улучшении этих характеристик произошел при переходе к гетеролазерам с квантовой ямой (КЯ) в активной области. Предполагается, что дальнейший прогресс будет связан с использованием в активной области квантовых точек (КТ).
Известно, что наиболее перспективным технологическим методом
для выращивания гетеролазеров с КЯ и КТ в активной области является
молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ). Однако к моменту начала
выполнения этой работы перспективность выращивания
квантоворазмерных гетеролазеров методом МЛЭ из-за безызлучательной рекомбинации на гетерограницах активной области была не ясна, т.е. вызывала сомнения возможность достижения высокого квантового выхода люминесценции гетероструктур, выращенных методом МЛЭ. Актуальность данной работы состоит в том, что в ней впервые исследована эффективность излучательной рекомбинации в МЛЭ гетероструктурах с КЯ, связь МЛЭ роста КЯ и КТ лазерных гетероструктур с различными характеристиками лазерных диодов, разработаны критерии оценки качества лазерных гетероструктур.
Целью диссертационной работы является совершенствование технологии МЛЭ низкоразмерных гетероструктур в системах Al-Ga-As и 1п-Ga-As для инжекционных лазеров.
Задачи исследования:
выращивание методом молекулярно-лучевой эпитаксии AIGaAs/GaAs РО ДГС с квантово-размерной активной областью, обладающих 100% квантовым выходом;
- разработка методики получения квантово-размерных слоев,
обладающих высоким кристаллическим совершенством для изготовления
волноводных слоев и активной области низкоразмерных лазерных
гетероструктур;
- разработка метода контроля, позволяющего давать независимую
оценку качества слоев без учета их люминесцентных свойств и
прогнозировать срок службы лазерных диодов;
- разработка способов независимого управления плотностью и
размерами КТ в процессе МЛЭ;
- оптимизация МЛЭ выращивания и изготовление лазерных диодов
с активной областью, образованной одним слоем квантовых точек (КТ),
имеющих низкую пороговую плотность тока генерации при комнатной
температуре.
Представляемые к защите научные положения: Положение 1, Метод МЛЭ позволяет изготавливать GaAs/AlGaAs лазерные гетероструктуры с квантово-размерной активной областью с внутренней эффективностью излучательной рекомбинации, близкой к 100%, в широком диапазоне температур.
Положение 2. Оценка качества лазерных гетероструктур методом высокоразрешающей рентгеновской дифрактометрии по статическому фактору Дебая-Валлера позволяет прогнозировать срок службы лазерных диодов.
Положение 3. Применение бинарных сверхрешеток AlAs/GaAs в качестве волноводных слоев при выращивании методом МЛЭ лазерных РО ДГС AIGaAs/GaAs гетероструктур обеспечивает лучшее кристаллическое совершенство и увеличивает срок службы лазерных диодов.
Положение 4. Использование вицинальных поверхностей GaAs (001), разориентированных в направлении [010], в процессе молекулярно-лучевой эпитаксии позволяет создавать массивы InAs квантовых точек с контролируемой плотностью, размерами и однородностью. Положение 5. Оптимизация параметров массива квантовых точек за счет использования разориентированных в направлении [010] подложек GaAs (001) в молекулярно-лучевой эпитаксии КТ РО ДГС позволяет существенно снижать величину пороговой плотности тока генерации в лазерах с одним слоем квантовых точек в активной области при комнатной температуре.
Приоритет результатов: представляемые к защите результаты исследований низкоразмерных лазерных InGaAs/AlGaAs гетероструктур, выращенных методом МЛЭ, имеют приорететный характер, что подтверждается материалами публикаций и докладами на конференциях.
Научная новизна и практическая значимость. Впервые показано, что методом МЛЭ возможно выращивание GaAs/AlGaAs лазерных гетероструктур с квантово-размерной активной областью, имеющих вігутреннюю эффективность излучательной рекомбинации,близкую к 100% при комнатной температуре. Впервые установлена корреляция между фактором Дебая-Валлера, характеризующего долю смещенных атомов в кристаллической решетке, и сроком службы лазерных гетероструктур. Показано, что наиболее важным параметром, влияющим на скорость деградационных процессов в мощных лазерных диодах, является кристаллическое совершенство прилегающих к активной области волноводных слоев.
Показано, что изменение плотности квантовых точек, их распределение по размерам, а также подавление коалесценции на вицинальных поверхностях объясняются ограничением процесса диффузии адсорбированных атомов In из-за наличия террас на таких поверхностях. Установлено, что использование подложек (001) GaAs, разориентированных в направлении [010], позволяет создавать методом МЛЭ однородные массивы квантовых точек с высокой (до «10"см"2) поверхностной плотностью.
Практическая ценность работы состоит в том, что на основе проведенного в ней комплекса исследований получены следующие конкретные результаты.
-
Разработана методика оценки кристаллического совершенства гетероструктур по статическому фактору Дебая-Валлера (Д.-В.), которая позволяет прогнозировать срок службы лазерных диодов до приборного тестирования.
-
Показано, что применение в качестве волноводных слоев лазерных КЯ РО ДГС бинарных сверхрешеток AlAs/GaAs вместо твердого раствора AIGaAs увеличивает срок службы лазерных диодов.
3. Показано, что использование разориентированных в
направлении [010] подложек GaAs (001) в процессе МЛЭ позволяет
независимо управлять плотностью и размером КТ, уменьшать разброс КТ
по размерам.
4. Получено снижение значения пороговой плотности тока
генерации вплоть до 110 А/см2 при 293К на РО ДГС лазерах с одним слоем
квантовых точек в качестве активной области на подложке GaAs с 4
разориентацией в направлении [010].
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на:
19th International Conference on the Physics of Semiconductors, Warsaw, 15-19Aug, 1988; Third International Symposium of Molecular Beam Epitaxy, 2-7 Oct, 1989, Velico Tarnovo; 5"' Int. Symp. "Nanostructures: physics and technology", St Petersburg, 1997; Tenth International Conference on Molecular Beam Epitaxy, Cannes, France, 1998; 7lh Int. Symp. "Nanostructures: physics and technology", St Petersburg. 1999.
Публикации. Научные результаты опубликованы в 15 печатных работах в научных журналах и материалах конференций.
Структура диссертации: диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, содержит 6S страниц текста, 28 рисунков и список литературы из 96 наименований.
