Оглавление
Введение...............................................................4
Глава 1. Литературный обзор...........................................11
1.1. Получение массивов квантовых точек.............................11
1.1.1. История создания квантовых точек и методы их формирования.... 11
1.1.2. Влияние условий роста на параметры массивов квантовых точек ...21
1.2.Свойства самоорганизующихся квантовых точек InAs/GaAs...........25
1.2.1. Электронные и оптические свойства квантовых точек InAs/GaAs, полученных методом МПЭ........................................25
1.2.2. Получение длинноволнового излучения (Л=1.3 - 1.55 мкм) в структурах с квантовыми точками InAs/GaAs. Влияние покрывающих слоев и материала матрицы на свойства квантовых точек...............28
1.2.3. Температурные зависимости фотолюминесценции
квантовых точек...................................................31
1.2.4. Механизмы захвата и рекомбинации носителей заряда в квантовых точках..............................................40
1.3. Применение квантовых точек. Лазерные характеристики............42
Глава 2. Экспериментальное оборудование и методы......................46
2.1. Росг гстероструктур методом молекулярно-пучковой эпитаксии 47
2.2. Экспериментальные методы исследований гстероструктур...........47
Глава 3. Метаморфные квантовые точки -
получение излучения в диапазоне 1.3-1.55 мкм..........................50
3.1. Метод уменьшения плотности дефектов............................51
3.2. Влияние количества осажденного InAs:
оптические и структурные свойства...................................55
3.3. Влияние состава матрицы и заращивающего слоя:
оптические и структурные свойства...................................61
3.4.Энергетичсская диаграмма носителей заряда в квантовых точках 1пАз,
сформированных в метаморфной матрице..................................68
3.5.Тсмпсратуриые зависимости фотолюминесценции - сравнение с
квантовыми точками 1пЛб, сформированными в матрице ваЛз...............71
Глава 4. Метод управления энергетическим спектром состояний носителей заряда в квантовых точках.....................................81
4.1. Влияние заращивающих слоев Л!Лз и 1пА1Л$:
оптические и структурные свойства.....................................82
4.2. Неравновесный характер распределения носителей заряда в квантовых точках 1пАз при комнатной температуре.....................92
4.3. Исследование возможности длинноволнового сдвига максимума фотолюминесценции квантовых точек 1пАз/1пА1А5......................102
4.3.1.Влияние состава заращивающего слоя 1пА1Ав на длину волны излучения квантовых точек 1пАз/1пА1А8..........................102
4.3.2.Влияние количества осажденного 1пАв на длину волны излучения квантовых точек 1пАз/1пА1Аз....................................105
Глава 5. Применение метода управления энергетическим спектром состояний носителей заряда для мстаморфных квантовых точек.............110
5.1. Влияние состава матрицы и заращивающего слоя:
оптические и структурные свойства ..................................110
5.2. Температурные зависимости интенсивности фотолюминесценции -сравнение с метаморфными квантовыми точками 1пАз/1пОаА$............120
Заключение.............................................................126
Список литерату ры.....................................................132
I
3
Введение
В последние годы в мире наблюдается бурный рост объема передаваемой информации, требующий все большего расширения полосы частот обмена информации. Такое увеличение спроса на расширение полосы частот информационного обмена в мире не может обеспечить никакая другая физическая среда кроме оптического волокна. Это является причиной роста рынка оптического волокна и оборудования для волоконно-оптических линии связи (ВОЛС), в частности, полупроводниковых лазеров диапазона 1.3-1.55 мкм, использующихся в ВОЛС в качестве излучателей.
ВОЛС имеют широкую полосу пропускания, что обусловлено чрезвычайно высокой частотой несущей 10й Гц. Это позволяет передавать по одному оптическому волокну поток информации в несколько терабит в секунду. Большая полоса пропускания - это одно из наиболее важных преимуществ оптического волокна над медной или любой другой средой передачи информации. Кроме этого ВОЛС обладают такими преимуществами, как малое затухание светового сигнала, неподверженность электромагнитным помехам, химическая стойкость, возможность увеличения плотности передаваемой информации за счет передачи разных сигналов на разных длинах воли и использования воли, перпендикулярных друг другу поляризаций.
Кварцевое оптическое волокно имеет четыре спектральных окна прозрачности вблизи длин волн 0.85 мкм, 1.3 мкм, 1.55 мкм и 1.6 мкм, соответствующих минимумам световых потерь. В современных ВОЛС широко используются первые три окна прозрачности. Уровень световых потерь в оптоволокне определяет дальность передачи информации без дополнительного усиления сигнала. Кроме того, дальность передачи и, главное, скорость модуляции сигнала определяется дисперсией оптического волокна, приводящей к размытию импульсов передаваемого оптического сигнала. Минимуму потерь в кварцевом оптоволокне соответствует длина волны 1.55 мкм, а минимуму дисперсии - 1.31 мкм. На рис.1 представлена зависимость дальности передачи информации от частоты модуляции сигнала для различных полупроводниковых лазеров, использующихся в ВОЛС. Видно, что использование лазеров, излучающих на длинах волн 1.3 мкм и 1.55 мкм, позволяет существенно
4
Частота модуляции (Мбит/с) ?им6итный 10-Гигабитный
ИОи'пнЧ ЕгИегпе!
Рис.1. Зависимость дальности передачи информации от частоты модуляции сигнала для различных полупроводниковых лазеров, использующихся в ВОЛС (по данным из [I]).
5
увеличить дальность и скорость передачи информации по сравнению с лазерами диапазона 0.85 мкм [1].
Наблюдающийся рост рынка оборудования для ВОЛС и преимущества использования в ВОЛС окон прозрачности вблизи длин волн 1.3 мкм и 1.55 мкм обусловливают необходимость создания недорогих и эффективных источников и усилителей когерентного излучения диапазона 1.3-1.55 мкм. На настоящий момент в качестве излучателей в этом диапазоне длин волн используются лазеры на основе 1пСаАзРЛпР, которые имеют такие недостатки, как низкая температурная стабильность, трудности при создании вертикалыю-излучающих лазеров, высокая оптическая нелинейность, приводящая к искажению сигнала и др., что увеличивает их стоимость и повышает требования к условиям их работы [2]. В настоящее время усилия многих исследовательских групп сосредоточены на получении лазеров диапазона 1.3 - 1.55 мкм на подложках ОаЛэ. Применение структур на подложках ОаАз позволяет достигать более высокой температурной стабильности, благодаря большей энергии локализации носителей заряда в активной области, и использовать бездефектные АЮаАз/СаАз брэгговские зеркала, оксидированные ваЛз-АЮ зеркала, а также оксидированные АЮ апертуры при создании монолитных вертикалыю-излучающих лазеров. В качестве активной области таких лазеров наиболее перспективным представляется использование 1п(Са)Аз квантовых точек (КТ), полученных методом самоорганизации. Дело в том, что переходы между уровнями в КТ, будучи аналогичными переходам между строго дискретными уровнями отдельного атома, представляются идеальными для генерации лазерного излучения [3], что повышает температурную стабильность основных характеристик приборов и позволяет кардинально уменьшить эффект оптической нелинейности в оптических усилителях и лазерах. Преимущества метода формирования КТ с помощью самоорганизации заключаются в высокой воспроизводимости, отсутствии дефектов, связанных с постростовой обработкой, а также возможности создания приборной структуры в едином эпитаксиальном процессе.
За последнее десятилетие большой прогресс был достигнут в технологии роста квантовых точек 1пАз/1пОаАз, излучающих в диапазоне 1.3 мкм, на подложках ваЛБ [4]. При этом эффективного излучения на длине волны 1.55 мкм от КТ получить не удавалось
6
вследствие большого рассогласования по постоянным решетки СаАэ и 1пА$. Поэтому нами был предложен новый метод получения длинноволнового излучения от структур с КТ 1пА$ на подложках СаЛэ, основанный на метаморфной концепции роста. Данный метод основан на получении низкодефектных зародышевых слоев 1пхСа).хА$ (0<х<30%) на подложках СаАэ при низкотемпературном выращивании [5] и методах дефектоубирания в метаморфных слоях и КТ [6] и позволяет получать метаморфные слои 1пхСа|.хА$ с КТ с высоким структурным совершенством [7, 8].
Применение метаморфных слоев 1пхСа|.хА$ в качестве матрицы, окружающей КТ 1пА5, является весьма перспективным подходом для сдвига длины волны излучения КТ в длинноволновую сторону. Такие КТ являются объектом новым и еще практически не изученным, что делает весьма актуальным исследование их структурных и оптических свойств.
Другой актуальной задачей современной физики полупроводников, как с точки зрения детального изучения процессов самоорганизации при росте КТ, так и для применения КТ в современных полупроводниковых лазерах, является разработка методов и способов управления процессами формирования массивов самоорганизующихся КТ, позволяющих контролировать параметры КТ. Например, для повышения температурной стабильности характеристик полупроводниковых лазеров на КТ существенным является сохранение условий неравновесного распределения носителей по состояниям массива КТ, в частности, с помощью увеличения энергетического интервала между основным и первым возбужденным состояниями [9]. Поэтому разработка методов, позволяющих контролировать энергетический спектр КТ, а также исследования механизмов релаксации носителей в основное состояние КТ и зависимости оптических свойств КТ от температуры являются актуальными для улучшения характеристик приборов на их основе.
Основная цель работы заключается в исследовании оптических и структурных свойств 1пА$/1пСа(А1)А$ квантовых точек, сформированных в метаморфных матрицах 1пхОа|.хА$ на подложках СэАб, в оптимизации их свойств для использования в качестве активной области излучателей диапазона 1.3-1.55 мкм и разработке метода управления энергетическим спектром состояний носителей заряда в квантовых точках.
7
Научная новизна работы:
1. Впервые исследованы оптические и структурные свойства КТ 1пА5/1пОаА5, сформированных в метаморфных матрицах 1пхСа|.хА$ на подложках ОаА$.
2. Предложен метод управления длиной волны люминесценции КТ 1пАб, сформированных в метаморфных матрицах 1пхСа1.хА5 на подложках баАя, позволяющий варьировать се значение в диапазоне 1.35-1.6 мкм.
3. Впервые продемонстрирована высокая эффективность фотолюминесценции на длине волны 1.5 мкм при комнатной температуре от КТ 1пАб, сформированных в метаморфной матрице ЬОаАь на подложке ОаАБ.
4. Методами возбуждения люминесценции и резонансной фотолюминесценции впервые исследовано влияние покрывающих слоев Л1А$/1пА1Л8 па транспорт носителей в КТ 1пА$, сформированных в матрице Са(А1)А5.
5. Впервые показано, что в КТ 1пА$/А1А5/1пА1А$ реализуется неравновесное распределение носителей по состояниям ансамбля КТ вплоть до комнатной температуры.
6. Впервые исследованы оптические и структурные свойства КТ 1пА$/1пА1А5, сформированных в метаморфных матрицах 1пхСа1.хА$ различного состава.
7. Методами возбуждения люминесценции и фотолюминесценции впервые исследовано влияние покрывающих слоев ]пуА1|.уА$ на транспорт носителей в КТ 1пЛз, помещенных в метаморфную матрицу 1пхСа|.хАв различного состава.
Основные положения, выносимые на запит':
1. Длина волны излучения структур с квантовыми точками 1пА5/1пСаА$ в метаморфной матрице 1пхСа1.хА$ может быть контролируемым образом изменена в диапазоне 1.35-1.59 мкм путем вариации состава материала матрицы и параметров осаждения КТ.
2. В квантовых точках 1пА5/1пСаАз при изменении состава метаморфной матрицы 1пхОа|.хА5 от 0 до 30% происходит уменьшение энергии локализации носителей и энергетического зазора между уровнями размерного квантования вследствие увеличения латерального размера квантовых точек.
3. В квантовых точках 1пА$/1пСаА5 при изменении состава матрицы 1пхСа|.хА8 от 0 до 30% происходит уменьшение скорости изменения длины волны излучения квантовых точек с температурой от 0.37 до 0.27 мэВ/К, соответственно, в диапазоне температур от 200 до 480К.
4. В структурах с квантовыми точками 1пАз/А1 А$/1пА1 Аэ в матрице Са(А1)А$, благодаря высокой энергии локализации основного состояния относительно состояний матрицы, реализуется неравновесное распределение носителей в ансамбле квантовых точек в широком диапазоне температур, включая комнатную температуру.
5. Заращиванис квантовых точек 1пА$ тонкими слоями А1А&/1пхА1|.хА5 и 1пхА1|.хА$ различного состава позволяет целенаправленно изменять энергетическое расстояние между основным и первым возбужденными уровнями размерного квантования от 80 мэВ до 135 мэВ для квантовых точек в матрице СаАэ и от 38 мэВ до 48 мэВ для квантовых точек в метаморфной матрице 1пСаА$, соответственно.
9
Апробации работы.
Основные результаты диссертации докладывались на:
- 10 Международном симпозиуме «Наноструктуры: Физика и Технология» (Санкт Петербург, 2002г), 12 Международном симпозиуме «Наноструктуры: Физика и Технология» (Санкт Петербург, 2004г), 13 Международном симпозиуме «Наноструктуры: Физика и Технология» (Санкт Петербург, 2005г),
- VII Российской конференции по физике полупроводников (Звенигород, 2005г),
- на международной конференции "Trends in Nanotechnology", (Барселона, 2005),
а также на научных семинарах Физико-Технического Института им. А.Ф.Иоффе
РАН.
Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 11 печатных работах, в том числе 6 в научных статьях и 5 в материалах конференций.
10
Глава 1. Литературный обзор
1.1. Получение массивов квантовых точек
1.1.1. История создания квантовых точек и методы их формирования
В начале 80-х годов основным направлением физики полупроводников являлось изучение свойств квантовых ям и сверхрешеток. При оптимизации технологии выращивания 1п(Оа)А$ЛЗаА5 двухмерных объектов было обнаружено, что при некоторых ростовых условиях, например, в мышьяк-стабилизирошшых условиях [10] и/или при превышении определенного количества осажденного ТпАэ [11] происходит трансформация ростовой поверхности от гладкой к сильно шероховатой с образованием трехмерных островков 1п(Са)Аз. Данное явление считалось крайне нежелательным, поэтому усилия многих научных групп были направлены на изучение причин, приводящих к формированию трехмерных островков, чтобы в дальнейшем знать, как избежать их образования.
В ходе данных исследований были получены первые данные о свойствах трехмерных островков. В частности в работе Йен при изучении гстероструктур со свсрхрсшстками 1пА$/ОаАз, выращенными методом молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ), методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) был сделан вывод о том, что наблюдаемые на снимках ПЭМ области контраста соответствуют не структурным дефектам, а изменению напряжения в слоях [12]. Также было замечено, что происходит существенное изменение постоянной решетки и модуляция толщины слоев в области трехмерного островка.
Однако, долгое время никто не рассматривал трехмерные островки в качестве возможности получения трехмерной локализации носителей (квантовых точек), т.к. считалось, что в данных трехмерных объектах неизбежно формирование дислокаций. Важный шаг в этом направлении был сделан в работе Голдштейна [13], где в ходе экспериментальных исследований свсрхрешсток 1пАз (1-4 моиослоя)/ СзАб (200-300Л), полученных методом МПЭ, была показана возможность формирования свободных от дислокаций трехмерных островков (рис. 1.1).
11
40 пт
I 4
Рис.1.1. Изображение просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) скола структуры с островками 1пАб в ваАБ [ 13].
г
12
- Київ+380960830922