Введение к работе
Актуальность темы.
В настоящее время является общепризнанным, что квантоворазмерные гетероструктуры определяют прогресс в физике и технике полупроводников. Наиболее активные исследования таких структур ведутся в системах соединений АЗВ5 и А2В6. Весьма важны и приборные применения квантоворазмерных структур. Например, инфракрасные полупроводниковые лазеры с квантовыми ямами на основе традиционных соединений АЗВ5 являются ключевым элементом в линиях волоконно-оптической связи (ВОЛС), лазерных принтерах, устройствах оптической записи информации (видео- и компакт-диски и др.).
В настоящее время все возрастающие требования, предъявляемые к современным оптоэлектронным устройствам, обуславливают необходимое расширение круга материалов, применяемых в оптоэлектронике. Так, уменьшение длины волны излучения полупроводникового лазера с 800 нм (инфракрасный диапазон) до 400 нм (голубой диапазон) позволяет в несколько раз увеличить плотность и, как минимум, на порядок по величине скорость оптической записи информации, что дает возможность существенно расширить круг применений данных устройств; увеличить на один - два порядка по величине скорость печати лазерных принтеров; заменить, при сохранении пиковой оптической мощности в несколько сот милливатт, крупногабаритные и дорогие газовые и твердотельные лазеры в их различных диагностических применениях (спектроскопия, медицина и т.д.).
Появление полупроводниковых светодиодов в сине-зеленой области спектра открывает новые возможности по созданіпо устройств
цветного оптического отображения информации нового поколения, например, таких как плоские полупроводниковые дисплейные матрицы. В связи с этим в последнее время широкое внимание привлекают к себе широкозонные полупроводниковые соединения А2В6 и нитридов третьей группы.
После демонстрации в 1991 году специалистами ЗМ Company (США) первого полупроводникового лазера на основе гетероструктуры ZnSe/ZnCdSe, работающего в импульсном режиме при Т=77К в зеленом оптическом диапазоне [1], ведущие производители оптоэлектронной техники (ЗМ Со. (США), Sony Со. (Япония), М-А Philips Со. (США), Matsushita Electric Ind. Со. (Япония), Nichia (Япония) и др.) активно включились в исследования по разработке технологии создания непрерывных полупроводниковых гетеролазеров в этом диапазоне длин волн. В настоящее время фирма Nichia (Япония) разработала непрерывный промышленный полупроводниковый лазер на основе GaN, имеющий длину волны излучения -410 нм [2].
В то же время промышленный лазер, работающий в зеленой области видимого спектра, пока не создан. В связи с этим сохраняется интерес к соединениям А2В6, так как эта система является наиболее перспективной как раз для создания зеленого лазера, необходимого для ряда важных применений (проекционное телевидение, медицина и т.д.). Кроме того, соединения А2В6 были и являются основными материалами для изучения оптических процессов в широкозонных полупроводниках и гетероструктурах на их основе, так как их оптические свойства можно рассматривать как модельные. В случае нитридов третьей группы плохая однородность твердых растворов и доменная структура эпитаксиальных пленок усложняют детальные физические исследования. Таким образом,
изучение основных физических процессов в А2В6 наноструктурах может служить базисом для разработок новых физических концепций управления световыми потоками в широкозонных полупроводниках, особенно при использовании структур с квантовыми проволоками и квантовыми точками.
За последние годы разработка технологии получения непрерывных полупроводниковых лазеров на основе широкозонных соединений А2В6, работающих в зелено-голубой области спектра при комнатных температурах, превратилась в одно из ведущих направлений исследований в современной полупроводниковой оптозлектронике. Молекулярно-пучковая эпитаксия (МПЭ) является, на данный момент, единственным эффективным технологическим методом, позволяющим получать подобные ннжекционные гетероструктуры. В настоящее время реализован зеленый лазер, непрерывно работающий >400 часов при комнатной температуре (Sony Ltd.) [3]. Однако параметры лазеров на основе соединений А2В6 пока, в целом, не достаточны для их широкого технического применения, что свидетельствует о настоятельной необходимости проведения новых исследований.
Считается общепризнанным, что дальнейший прогресс в улучшении параметров сине-зеленых гетеролазеров (таких, как пороговая плотность тока, выходная оптическая мощность, время жизни в непрерывном режиме при комнатной температуре и т.д.) связан с
существенным расширением круга используемых материалов А2В6, главным образом четверных твердых растворов ZnMgSSe, ZnMgSeTe, ZnBeSSe, обеспечивающих более полное оптическое и электронное ограничение в лазерных гетероструктурах;
выбором оптимальных контактных, изолирующих и конструкционных материалов при изготовлении диодов;
применением структур с пониженной размерностью, особенно, использование квантовых точек в активной области лазера.
Квантовые точки позволят резко увеличить усиление, улучшить температурную стабильность и снизить пороговую плотность тока лазера.
Основная цель данной работы - разработка новых принципов управления световыми потоками в полупроводниках с помощью низкоразмерных гетероструктур (Zn,Cd)Se/(Zn,Mg)(S,Se) с массивами квантовых точек, полученных методом субмонослойного осаждения в процессе молекулярно-пучковой эпитаксии.
Научная новизна работы заключается в решении поставленных задач, а именно:
исследование оптических свойств эпитаксиальных слоев ZnMgSSe и
ZnCdSe;
расчет и сравнение с экспериментом уровней размерного квантования
в ZnCdSe/ZnSe квантовых ямах, что позволило определить некоторые
основные параметры объемных ZnSe и CdSe;
установление взаимосвязи между структурными и оптическими
свойствами квантовых точек, полученных путем субмонослойного
осаждения при молекулярно-пучковой эпитаксии;
исследование электронного спектра структур с квантовыми точками;
численное моделирование волноводов с утечками, в которых
увеличение показателя преломления в активной области достигается за
счет резонансного характера спектров поглощения и/или усиления в
квантовых точках;
исследование механизмов усиления и лазерной генерации в структурах
без внешнего волновода;
реализация лазерной генерации с поверхности.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Результаты оптических и магнитооптических исследований субмонослойных (0.7-1.0 монослоя) структур согласуются с наличием CdSe островков в ZnSe матрице. образующихся путем самоорганизации (высота 1-2 монослоя, латеральные размеры -30-40А и плотность ~1012 см'2).
-
Структуры с CdSe островками обладают оптическими свойствами структур с квантовыми точками.
-
В случае вертикального складирования массивов квантовых островков возникает их вертикальное упорядочивание, которое может быть двух типов: вертикальная корреляция и вертикальная антикорреляция. Изменение типа вертикальной корреляции, осуществляемое путем изменения толщины барьеров между массивами квантовых островков, позволяет управлять электронным спектром подобных структур и приводит к кардинальным изменениям в спектрах фотолюминесценции.
-
За счет резкой модуляции показателя преломления вблизи экситонного резонанса возможно осуществление эффективного волноводного эффекта в полупроводниковых структурах без использования толстых широкозонных слоев с меньшим показателем преломления, ограничивающих активную область.
-
Осуществлена резонансная (безфопонная) лазерная генерация через состояния квантовых точек вплоть до комнатной температуры в структурах без внешнего оптического ограничения.
Научная и практическая ценность. Впервые было показано, что субмонослойные внедрения CdSe в матрицу (Zn,Mg)(S,Se) представляют собой массивы однородных наноостровков высотой от 1 до 2 монослоев, с латеральными размерами 30-40А и плотностью ~10|2см"2. Структуры с наноостровками обладают оптическими свойствами характерными для квантовых точек. Впервые продемонстрировано изменение типов вертикального упорядочивания вертикально складированных массивов наноостровков путем вариации толщины барьеров между слоями, что позволило управлять электронными волновыми функциями и, соответственно, спектральным положением пиков фотолюминесценции и поляризацией люминесценции с торца. Сильная модуляция показателя преломления в субмонослойных структурах вблизи экситонного резонанса приводит к возникновению экситон-обусловленного волноводного эффекта. При этом возможна лазерная генерация вплоть до комнатных температур без внешнего оптического ограничения вследствие гигантского коэффициента поглощения, отсутствия экранировки экситонов при больших плотностях возбуждения и резонансного характера механизма усиления, обусловленного снятием правил отбора по импульсу. Впервые было показано, что возможна лазерная генерация с поверхности в структурах с произвольной толщиной микрорезонатора вследствие эффекта самосогласования мод резонатора со спектром усиления, обусловленного резкой модуляцией показателя преломления.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на:
2-ой Российской конференции по физике полупроводников, Зеленогорск, 26 февраля - 1 марта 1996;
« 23rd International Conference on the Physics of Semiconductors, Berlin, Germany, 21-26 July 1996;
Second International Conference on Low Dimensional Structures and Devices, May 19-21, 1997, Lisbon, Portugal;
Sixth International Conference on the Formation of Semiconductors Interfaces, June 23-27, 1997, Cardiff, UK;
Eighth International Conference on II-VI Compounds, 25-29 August 1997, Grenoble, France;
International symposium "Nanostructures: physics and technology", 24-28 June 1996, St.-Petersburg, Russia;
24lh International Conference on the Physics of Semiconductors, August 2-7, 1998, Jerusalem, Israel (invited talk);
а также на научных семинарах лаборатории квантоворазмерных гетероструктур ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН и института физики твердого тела Технического Университета Берлина.
Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 14 печатных работах, в том числе в 11 научных статьях и в материалах 3 конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 75 страницах машинописного текста. Диссертация включает также 44 рисунка п список литературы из 107 наименований. Обший объем диссертации 125 страниц.
