Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Развитие физики и технологии квантово-размерных (КР) гетероструктур на основе широкозонных полупроводниковых соединений А В является яркой демонстрацией эффективности взаимовлияния фундаментальных и прикладных исследований в современной науке. Экспериментальная демонстрация в 1991 г. стимулированного излучения (77К) в сине-зеленой области спектра при инжекционной накачке диодов с напряженными Zn(S,Se)/(Zn,Cd)Se квантовыми ямами (КЯ) [1*], ставшая возможной благодаря: 1) фундаментальным исследованиям оптических свойств объемных материалов на основе ZnSe в 70 - 80-х годах [2*], 2) наличию современной технологической базы, в частности метода молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) [3*], активно используемого к тому времени для синтеза гетероструктур соединений А3В5, и наконец, 3) открытию способа р-легирования ZnSe при МПЭ, основанного на применении плазменных источников возбужденного азота [4*], - вызвала мощный виток фундаментальных и технологических исследований, приведший уже в середине 1993 г. к созданию первого лазерного диода, работающего в непрерывном режиме при комнатной температуре (корпорация Сони, Япония). Возможность перекрытия всего сине-зеленого спектрального диапазона (460-550 нм) с помощью полупроводниковых гетероструктур на основе ZnSe имеет огромный практический интерес для оптоэлектронных применений, в частности для реализации систем проекционного лазерного телевидения, систем оптической обработки информации с плотностью записи, на порядок превосходящей действующие системы на базе ИК лазеров, устройств высокоразрешающей цветной печати и др.
Следует отметить, что для динамично развиваемых в последнее время гетероструктур А3-нитридов [5*], основных конкурентов ZnSe в сфере оптоэлектронных применений, по-прежнему проблематично получение стимулированного излучения в сине-зеленом спектральном диапазоне из-за принципиальных трудностей формирования малодефектных (In,Ga)N КЯ с большим содержанием In. К тому же, полимерные материалы, из которых изготавливаются лазерные компакт-диски, оказываются чрезвычайно нестойкими к фиолетовому и УФ излучению нитридных лазеров.
В свою очередь, дальнейший прогресс в области приборных приложений КР гетероструктур А2Вб, характеризующихся большой энергией связи экситона (превышающей энергию возбуждения оптического фонона — L0—31.5 мэВ в ZnSe) и большой величиной критической концентрации экситонов, соответствующей переходу Мотта, невозможен без детального исследования механизмов участия эк-ситопных состояний в процессах стимулированного излучения вплоть до комнатной температуры [6*]. ^Іругая характерная особенность рассматриваемых структур связана со значительным рассогласованием кристаллических решеток материалов КЯ и барьеров (в пределе для ZnSe/CdSc и ZnSe/ZnTe Аа/а~7%), обуславливающим сильные напряжения в слоях, что приводит к кардинальной перестройке энергетических зон исходных материалов, а также к малости толщин
псевдоморфных бездефектных слоев. Большие эффективные массы электронов и особенно дырок в данной системе материалов, и как следствие, малый Боровский радиус экситона (~5 нм в ZnSe), накладывают достаточно жесткие ограничения на максимальные толщины КЯ или латеральные размеры (DL) 0-мерных квантовых объектов (например, квантовых точек (КТ)) в случае их формирования, а также на толщины туннельно-прозрачных широкозонных барьеров в коротко-периодных сверхрешетках (СР).
Таким образом, конструирование гетероструктур с заданными электронными и оптическими свойствами требует получения структурно-совершенных эпитак-сиальных пленок твердых растворов заданного химического состава (с точностью до 1-2%) и толщины (с точностью до одного моноатомного слоя), что в условиях высоких давлений паров элементов П-й и особенно VI-й группы при низких температурах, а также необходимости использовать подложки GaAs с существенно меньшим коэффициентом термического расширения и меньшей степенью ионно-сти ковалентной связи предполагает проведение детальных исследований физико-химических процессов при синтезе таких структур. С другой стороны, достижение высокого уровня понимания физических процессов в синтезированных структурах и создание методик, связывающих фундаментальные свойства структур с параметрами самих структур и параметрами технологического процесса, позволит оптимизировать технологические режимы и модернизировать или создавать пршщипиально новые конструкции структур для научных целей и приборных применений.
К моменту начала диссертационной работы (конец 1993 г.), несмотря на довольно бурное развитие данной области исследований в мире, существовало множество "белых пятен" в решении этого комплекса взаимосвязанных проблем: отсутствовали понимание механизмов роста и азотного легирования при МПЭ (Zn,Mg,Cd)(S,Se), а также согласованные модели роста бинарных, тройных и четверных соединений, способные обеспечить необходимую точность управления составом, скоростью роста и стехиометрией эпитаксиальных пленок; имевшиеся теоретические оценки и экспериментально измеренные значения таких параметров, как величины разрывов зон на гетерограницах тройных и четверных твердых растворов ZnCdSe/ZnMgSSe, показатели преломления, критические толщины псевдоморфных слоев имели точность порядка 30-50%; данные о природе стимулированного излучения при ипжекционной накачке фактически отсутствовали; причины быстрой деградации лазеров А2В не были исследованы; эффекты самоорганизации при МПЭ росте CdSe/ZnSe структур не исследовались и такие структуры не использовались при создании оптоэлсктронных приборов; халькогениды Be не выращивались МПЭ и не использовались в полупроводниковых лазерах.
В нашей стране технология МПЭ квантово-размерных гетероструктур широкозонных соединений А2В6 отсутствовала, а их фундаментальные и прикладные исследования практически не проводились, хотя исследования объемных материалов в системе ZnCdSe [2*] и ZnSSe [7*], в том числе и выращенных на GaAs,
ний в системе (Be,Mg,Zn,Cd)(S,Se), находящееся в хорошем количественно, согласии с экспериментальными данными.
Впервые с помощью разработанных ВЧ активаторов молекулярного азота экс перименталыю доказана доминирующая роль возбужденных молекул N2 в об разовании электрически стабильного мелкого азотного акцептора NSe и выяв лена взаимосвязь параметров активатора азота и свойств легированных слои ZnSe:N.
Впервые для МПЭ роста гетероструктур полупроводников А В использован; концепция компенсации разно-полярных напряжений в многослойных КР ге тероструктурах.
Впервые в А2В6 гетероструктурах с КЯ и СР проведены детальные исследова ния ряда физических эффектов, обусловленных особенностями релаксации локализации, рекомбинации и транспорта носителей заряда в структурах ( большой энергией связи экситона, и дана их интерпретация.
Впервые исследованы особенности роста методами МПЭ и эпитаксией с но вышешюй миграцией атомов (ЭПМ) одиночных CdSe/ZnSe ДМС и СР на и; основе в диапазоне подкритических толщин CdSe (<3 монослоев (МС)). Де тально прослежена эволюция их морфологических, оптических и транспорт ных свойств.
Разработан и экспериментально опробован для широкозонных соединениі А2В6 ряд методик структурной, оптической и электрической характеризации применимых как к одиночным пленкам, так и структурам лазерных диодов.
Получены первые в мире непрерывные при ЗООК BeMgZnSe/BeZnSe/CdSe ла зерные диоды, содержащие СР волновод и одиночную 2.6 МС CdSe ДМС об ласть рекомбинации, трансформирующуюся в плотный массив самооргани зующихся ZnCdSe наноостровков - квантовых дисков, обогащенных Cd.
Физико-химические основы технологии МПЭ КР гетероструктур широкозоп ных соединений А2В , разработанные в результате экспериментальных и тео ретических исследований процессов роста, легирования, дефектообразования і самоорганизации.
Результаты экспериментальных и теоретических исследований энергетичсско го спектра носителей заряда, механизмов транспорта носителей вдоль оси рос та и роли экситонных состояний в процессах стимулированного излучения КЯ и СР на основе систем материалов (Mg,Zn,Cd)(S,Se,Te) 1 (Be,Mg,Zn,Cd)(Se,Te).
Результаты экспериментальных исследований структурных и оптически: свойств CdSe/ZnSe низкоразмерных наноструктур, самоорганизованно форми рующихся в процессе МПЭ роста при дробно-монослойном осаждении CdSe подкритическом диапазоне номинальных толщин (<3 МС).
4. Конструкция и технология лазерных структур на основе систем материалов ZnMgSSe и BeMgZnSe, включающих:
коротко-периодные разнополярно-напряженные СР в качестве волновода, служащие для предотвращения распространения структурных и точечных дефектов в активную область и улучшения электронного ограничения в активной области при эффективном транспорте инжектированных носителей;
CdSe/ZnSe ДМС наноструктуры в качестве активной области, представляющей собой плотный массив самоорганизующихся квантовых дисков, которые служат цетрами локализации и эффективной излучательной рекомбинации носителей заряда.
Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийских и международных конференциях и симпозиумах:
7, 8, 9 Международных конференциях по соединениям Л2В6 (Эдинбург, Великобритания, 1995 г., Гренобль, Франция, 1997 г., Киото, Япония, 1999 г.).
23, 24 Международных конференциях по физике полупроводников (Берлин, Германия, 1996 г., Иерусалим, Израиль, 1998 г.).
10 Международной конференции по молекулярно-пучковой эпитаксии (Канн, Франция, 1998 г.).
VTII, IX Европейских симпозиумах по МПЭ (Сьерра Невада, Испания, 1995 г.; Оксфорд, Великобритания, 1997 г.).
1, 2 Международных симпозиумах по синим лазерам и светодиодам (Чиба, Япония, 1996 г., Кисарацу, Япония, 1998 г.).
Международном симпозиуме по квантовым точкам, Саппоро, Япония, 1998 г.
Международных симпозиумах "Наноструктуры: Физика и Технология (Санкт-Петербург, 1995, 1996, 1997, 1998, 1999 гг.).
3,4 Российской конференции по физике полупроводников (Москва, 1997 г., Новосибирск, 1999 г.)
22, 23, 26 Международных симпозиумах по полупроводниковым соединениям (Чечжу, Южная Корея, 1995 г., Санкт-Петербург, Россия, 1996 г., Берлин, Германия, 1999 г.).
Весенней Европейской конференции Общества исследования материалов (MRS) (Страсбург, Франция, 1998 г.).
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 53 печатных работах и 1 монографии.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка цитируемой литературы, включающего 28^ наименований. Общий объем диссертации составляет 295 страниц, включая 197 страниц текста, 12 9 рисунка и 12. таблиц.
