Разработка и исследование молекулярно-лучевой эпитаксии наноструктур ZnCdSeS/GaAs из металлорганических соединений Осинский, Андрей Владимирович

Введение к работе

Актуальность темы.

Для расширения спектрального диапазона и функциональных возможностей гетеролазеров, светодиодов, фотоприемннков и других оптоэлектронных приборов большоіі интерес представляют широкозонные полупроводники A'W, на основе которых могут быть созданы приборь^работающие в сине-зеленой области спектра. Это позволяет, например, в несколько раз увеличить пространственную разрешающую способность систем записи и считывания информации, разработать новые устройства эффективной стимуляции химических и биологических процессов и т.д. Однако трудно разрешимые физико-химические проблемы, связанные с необходимостью точного контроля стехиометрии полупроводников А²В⁶ в процессе выращивания кристаллов, до последнего времени не позволяли разработать надежные технологии создания приборных структур, которые нашли бы широкое применение. Используя метод молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) фирмы "Sony", Япония, и "ЗМ", США, продемонстрировали инжекционные лазеры на основе соединений А²В⁶ с длиной волны излучения ^.=510 нм для плотной записи информации. Однако из-за высокой концентрации дефектов материала срок службы этих лазеров в непрерывном режиме не превышал 100 часов, что существенно ограничивает возможности их применения.

Большие возможности для прецизионного управления составом и уменьшения дефектности тонких эпитаксиальных плёнок полупроводников А²В⁶ предоставляются в рамках метода МЛЭ из металлоорганических соединений (МОС). Хотя вопросам МЛЭ применительно к полупроводникам А'В⁶ посвящено много работ, в них подробно не исследованы процессы роста эпитаксиальных слоев из МОС, особенности роста тонких слоев - квантовых ям (КЯ), взаимодействие молекулярных потоков с поверхностью подложки, характер образования зародышей, их эволюции. Принципиальное значение для изучения физических процессов в полупроводниковых материалах А²В⁶ и для разработки новых приборов на их основе имеет создание поверхностных наноструктур, таких^ как квантовые нити (КН).

Из широкозонных материалов А²В" наиболее перспективными для физико-технологических исследований механизмов МЛЭ МОС и приборных применений является ZnSe и его твердые растворы, подходящей подложкой дпя которых является GaAs.

Цель диссертационной работы состояла в исследовании процессов

формирования наноструктур - квантовых ям, сверхрешеток и квантовых нитей на основе соединений А²В⁶ методом МЛЭ из металлических и металлорганических источников. В задачу работы входила также разработка способов травления эпитаксиальных слоев соединений A^JB⁶. Для этого необходимо было разработать ряд диагностических методик исследования поверхности, структурного совершенства материалов, разработать и создать ряд узлов аппаратуры МЛЭ МОС. Особо ставилась задача создания эффективных приборных структур, излучающих в сине-зеленой области спектра.

Научная новизна и практическая ценность результатов работы.

Установлены основные закономерности молекулярно-лучевой эпитаксии ZnSe и его твердых растворов из МОС, которые составляют физико-технологическую основу создания многослойных гегероструктур, сверхрешеток, КЯ и КН, как элементов лазеров, фотоприемников, оптоэлектронных переключателей и других приборов для сине-зеленой области спектра.

Создана установка МЛЭ МОС для выращивания гетероструктур на основе соединений А²В⁶. Проведены комплексные исследования начальных стадий образования зародышей и их эволюции в процессе МЛЭ ZnSe на подложках GaAs. Исследованы морфология поверхности и механизм роста ZnSe из атомарных пучков Se и Zn в зависимости от потоков и температуры подложки GaAs.

Предложен и разработан новый метод создания поверхностных рельефных наноструктур КН в соединениях А^гВ⁶ с шириной до 30 нм. Проведены исследования кристаллической структуры и люминесцентных свойств КН ZnCdSe/ZnSe: для ширин ннтей,меньших 60 нм, наблюдается коротковолновый сдвиг, вплоть до 17 мэВ, при ширине нитей 30 нм. Наблюдалось уменьшение ширины полос фотолюминесценции КН по сравнению с исходными структурами, содержащими КЯ, что связывается с одномерным характером плотности состояний в полученных структурах.

Методами рентгеновской дифракции (РД), микроскопии атомных сил (МАС), фотолюминесценции (ФЛ) проведены комплексные исследования гетероструктур в системе ZnCdSeS/GaAs, полученных при различных физико-технологических параметрах процесса выращивания. Определены оптимальные условия МЛЭ МОС многослойных структур с КЯ и сверхрешетками ZnCdSe/ZnSeS на подложках GaAs, InGaAs и ZnSe.

Разработана технология легирования ZnSe примесью азота, позволяющая постигать концентраций акцепторов 4.1х10'⁸см-\ достаточных для создания приборных гетероструктур.

По разработанной технологии МЛЭ МОС выращены лазерные изорешеточные структуры с несколькими КЯ ZnCdSe/ZnSe на InGaAs(lOO) и ZnCdSe/ZnSeS на GaAs(IOO) для сине-зеленой области спектра, на которых получена лазерная генерация при оптическом возбуждении и исследованы процессы деградации. Основные положения, выносимые на защиту.

1. Оригинальная конструкция крекеров для разложения металлоорганнки, держателей образцов и их взаимное расположение в ростовой камере. Оптимальными условиями МЛЭ МОС многослойных структур с КЯ и сверхрешетками на основе ZnSe на подложках GaAs, InGaAs и ZnSe являются: Тросів = 250-ЗОО'С, Тирами. = 1000С, давление в натекателе 5.5-6. Пор.

2. Для быстрого прохождения стадии трехмерного роста и достижения преобладания двухмерной моды (2D) роста необходима предварительная высокотемпературная обработка поверхности арсенида галлия селеном и образование на границе соединения GazSej, способствующего равномерному зародышеобразованию, быстрой коалесценции трехмерных зародышей в 2D моду роста, обеспечивающую высокое качество очень тонких плёнок, толщиной порядка десятков нанометров.

3. Процесс релаксации упругих напряжений в неизорешеточных структурах ZnSe/GaAs проходит стадию образования точечных дефектов, которые объединяются в кластеры, дефекты упаковки, дислокации несоответствия, дислокационные сетки. В разработанном МЛЭ процессе толщина напряженного слоя ZnSe на подложке GaAs равна примерно 150 нм.

4. Линейное возрастание температурной зависимости эффективности разложения МОС Se, Те и S на участке 100-15()"С, после которого разложение замедляется и входит в насыщение на уровне 80-90%.

5. Механизм уменьшения скорости роста плёнок ZnSe на GaAs из МОС при температурах подложки выше 240С определяется конкурирующими процессами прилипания и десорбции атомного селена на поверхности. Энергии активации десорбции Se в МЛЭ МОС и МЛЭ - процессах равны 0.8 мэВ и 0.9 мэВ, соответственно. Использование атомарного селена позволяет получать высококачественные когерентно-напряженные плёнки ZnSe с шероховатостью поверхности 0.23 нм (порядка одного монослоя)

6. Сочетание реактивного ионно-плазменного травления (РИПТ) с последующим двухступенчатым жидкостным процессом и заращиванием наноструктур методом МЛЭ МОС позволяет формировать высококачественные структуры КН CdZnSe/ZnSe с шириной 30 нм.

7. Состав травителя и технология пассивации ZnSe серой.

8. Разработанная технология формирования КН не приводит к ухудшению их люминесцентных свойств.

9. Преимущественное встраивание атомов серы по сравнению с атомами селена и его использование в МЛЭ МОС для контроля состава растущей плёнки ZnSeS по величине потока серы.

10. Лазерные изорешеточные структуры с КЯ MQVV ZnCdSe/ZnSe на InGaAs(OOl) и
MQW ZnCdSe/ZnSeS на GaAs(OOl), работающие в сине-зеленой области спектра
при оптической накачке имеют пороги генерации ~30-40кВт/см². Более высокие
времена наработки лазерных структур, не содержащих серы и выращенных на
подложках InGaAs(OOI) по сравнению со структурами из соединений серы на
подложках GaAs.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы представлялись на Международной конференции "Nanostructures: Physics and Technology", С.Петербург, 1993; на "37^lh Electronic Materials Conference", Шарлотсвиль, США, 1995; на "38^lh Electronic Materials Conference", Санта-Барбара, США, 1996.

Результаты работы докладывались также на семинарах лаборатории "Полупроводниковой квантовой электроники" и "Диагностики материалов и структур твердотельной электроники" ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН. на семинарах департаментов "Electrical Engineering" и "Chemistry" Университета штата Колорадо, США.

Публикации. По теме диссертации опубликований У печатных работ, список которых приведен в конце реферат а.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения с основными выводами и списка цитируемой литературы. Полный объём диссертации составляет 105 страниц, в том числе 40 рисунков. Список литературы включает 93 наименования.