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 системе соединений АЗВ5. С точки зрения приборных применений наиболее важными являются квантоворазмерные структуры. Например, 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 полупровдниковля микроэлектроника является одной из самой быстро развивающейся отраслей промышленности (рынок п/п лазеров растет со скоростью 30% в год). В то же врег>ія, возрастающие требования, предъявляемые к современным оптоэдекгронным устройствам, обуславливают необходимое расширение крута .материалов, применяемых в оптоэлектронике. Так, уменьшение длины волны излучения полупроводникового лазера с 800 им (инфракрасный свет) до 400 им (фиолетовый свет) позволяет в несколько раз увеличшъ плотность оптической записи информации, что дает возможность существенно расширить круг применений данных устройств; увеличить скорость и качество 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 коммерческих полупроводниковых светодиодов в сине-зеленой области спектра открывает новые возможности по созданию 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 на основе нитридов третьей группы.
Нитриды III группы, такие как GaN и A1N известны очень давно. Первая работа по лазерной генерации при оптической накачке GaN появилась еще в 1971 году [1]. Тогда же появились первые светодиодные структуры на основе GaN [2J, но это были структуры металл-изолятор-полупроводник. Прорыв в области приборного применения наступил в 1989 году, когда группой исследователей из Японии (Mejo) под руководством И. Акасаки был получен GaN р-типа проводимости [3].
Для получения источников сине-зеленого сета могут применятся и др5'гие материлы, например А2В6. В 1991 году специалистами ЗМ Company (США) был продемонстрирован первый полупроводниковый лазер на основе гетероструктуры ZnSe/ZnCdSe, работающего в импульсном режиме при Т=77К в зеленом оптическом диапазоне [4]. После этого сообщения многие научные группы активно включились в исследования по разработке технологии создания непрерывных полупроводниковых для видимого диапазона. Вместе с тем, следует отметить, что на данный момент срок службы таких лазеров не превышает нескольких сотен часов, что делает невозможным их промышленное применение.
Первые сообщения о получении лазерной генерации в нитридах при инжекционной накачке появились значительно позднее - в 1996 году, но прогресс был намного более быстрым. Вот некоторые даты:
1996 - первый импульсный-лазер [5] (комнатная тёмиерэтлра)
и чуть позже первый непрерывный лазер (233 К) [6]
июль 1997 - 100 часов непрерывной работы при комнатной
температуре
декабрь 1997 - 3000 часов непрерывной работы при 20DC, 1100
часов при 50С [7],
-
год - выпуск коммерческою полупроводникового лазера (длина волны излучения —405 им, мощность 5мВт).
-
год - создание синего лазера (длина волны 460 їм) [8]
За последние годы разработка технологии получения эффективных светодиодов и непрерывных полупроводниковых лазеров на основе нитридов III группы, работающих в видимой и ближней ультрафиолетовой области спектра, превратилась в одно из ведущих направлений исследований в современной полупроводниковой опгоэлектроникс. Газофазная эпитаксия из металоргашгческих соединений (ГФЭ МОС) является, на данный момент, единственным эффективным технологическим методом. позволяющим получать подобные инжекционные гетероструктуры. В настоящее время реализован фиолетовый лазер, со сроком службы >10000 часов при комнатной температуре, недавно получек синий лазер. Однако параметры лазеров на основе нитридов III группы требуют дальнейшей оптимизации, что свидетельствует о настоятельной необходимости проведения новых исследований.
Считается общепризнанным, что дальнейший прогресс в улучшении параметров гетеролазеров (таких, как пороговая плотность тока, выходная оптическая мощность, время жизни в непрерывном режиме при комнатной температуре и т.д.) связан с:
существенным уменьшением плотности дислокаций в структурах;
выбором оптимальной геометрии структуры лазерных диодов (толщина и состав эмиттерных слоев, ширина волновода);
выбором оптимальных контактных, изолирующих и конструкционных материалов при изготовлении диодов;
применением структур с пониженной размерностью в агсгивной области лазера, особенно, использование квантовых точек.
Квантовые точки позволят резко увеличить усиление, улучшить температурную стабильность и снизить пороговую плотность тока лазера.
Основная цель данной работы - исследование оптических и структурных свойств слоев и гетероструктур в системе InGaN/(Al)GaN в зависимости от условий выращивания для создания эффективных светоизлучаюших приборов.
Научная новизна работы Показано, что оптические свойства эпитаксиальных слоев AlGaN и InGaN определяются локализацией носителей на флуктуациях состава, что приводит к немонотонному сдвигу пика фотолюминесценции с температурой;
Предложен и реализован метод создания высококачественных многслойных InGaN/GaN гетероструктур путем циклического изменения температуры подложки;
Обнаружено, что при быстром термическом отжиге слоев AlGaN и гетероструктур InGaN/GaN происходит изменение структурных и оптических свойств;
Предложена и реализована концепция создания среды с сверхвысоким коэффициентом усиления (>105 см"1) на основе плотных массивов InGaN/GaN квантовых точек позволившая получить лазерную
генерацию с поверхности при оптической накачке" в низкодобротном
резонаторе;
Впервые получена лазерная генерация с поверхности при комнатной
температуре ігри оптической накачке в гетероструктуре InGaN/GaN с
использованием только нижнего распределенного Брэгговского
отражателя GaN/AlGaN.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Наблюдаемый сильный длинноволновый сдвиг линии фотолюминесценции эпитаксиальных слоев GaN:Si
-
Ширина запрещенной зоны твердого раствора AlxGa;.xN в диапазоне х=0-0.2 изменяется по закону Ei(x)-Eg(AlN)*x+Ei,(GaN)*(l-x)-tb*x*(l-x)cb=-0.87 3B,
3 При осаждении тонких слоев InGaN при низкой температуре
формируются массивы нанодоменов обогащенных по In (квантовых точек) с латеральными размерами 3-6 нм и плотностью ~101: см"".
-
В многослойных InGaN/GaN гетероструктурах получен сверхвысокий коэффициент усиления ( >10' см" )
-
Осуществлена лазерная генерация с поверхности при оптической накачке при комнатной температуре в InGaN/GaN гетероструктурах с нижним AlGaN/GaN распределенным Брэгговским отражателем (РБО).
Научная и практическая ценность. Установлена зависимость ширины запрещенной зоны твердого раствора AlxGai.xN от состава в диапазоне х=0 - 0.2, что позволило создавать многослойные AlGaN/GaN
гетероструктуры с компенсацией напряжений в слоях. Впервые было показано, что при осаждении тонких и сверхтонких внедрений InGaN в матрице GaN формируются плотные массивы наноостровков с латеральными размерами 3-6 нм и плотностью ~10п см"2. Впервые было показано, что в таких структурах достижимы сверхбольшие коэфиициенты усиления (>105 см'1) и возможна лазерная генерация с поверхности в структурах с низкой добротностью резонатора. На основе данных оптических исследований проведена оптимизация условий роста, что позволило создать прототипы светодиодов на диапазон длин волн 370-460 нм.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на
7Ш European Workshop on Metal-Organic Vapour Phase Epitaxy and Related Growth Techniques, June 8-11, 1997, Berlin, Germany
7th International Conference on silicon carbide, Ш-nitrides and related materials Stockholm, Sweden august 31 - September 5, 1997
III Российская конференция по физике полупроводников "Полупроводники'97", Москва 1-5 декабря 1997
The Third European GaN Workshop, Warsaw, Poland, June 22-24,1998
III Всероссийское совещание «Нитрид Галлия: структуры и приборы», Москва, 23 мая 1999
8th European Workshop on Metal-Organic Vapour Phase Epitaxy and Related Growth Techniques, June 8-11,1999, Prague, Czech Republic
7th Int. Symp. "Nanostructures: Physics and Technology"' St. Petersburg, Russia, June 14-18, 1999
The Third International Conference on Nitride Semiconductors, July 4-9, 1999, Montpellier, France
Международная Зимняя Школа по Физике Полупроводников. С.-Петербург - Зеленогорск, 25-28 февраля, 2000 а также на научных семинарах Физико-Технического И нети гут а им. Л.Ф.Иоффе РАИ и Института Физики Твердого Тела Технического Университета Берлина.
Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 15 печатных работах, в том числе в У паучлых статьях ті в материалах 6 конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на ~9 страницах машинописного текста. Диссертация включает также Н5 рисунков и список литературы изн* наименований. Общий объем диссертации '?
