2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.
ГЛАВА 1. Фотолюминесцентные исследования излучательной
рекомбинации квантово-размерных АЮаАз/СаАэ-гетсроструктур,
полученных методом молекулярно-лучевой эпитаксии________________15
§ 1. Описание технологии выращивания. Спектры фотолюминесценции 17
1.1 Описание технологии выращивания и энергетические зонные диаграммы
исследуемых структур_______________________________________________17
1.2. Спектры фотолюминесценции образцов____________________________19
§2. Методика измерения квантового выхода в квантово-размерных
фотолюминесцентных гетероструктурах_____________________________21
2.1. Измерение квантового выхода структур со стравленной подложкой и калибровка абсолютной величины квантового выхода_________________21
2.2. Результаты измерений квантового выхода в структурах с подложкой в зависимости от уровня возбуждения________________________________26
§3. Температурные исследования квантового выхода излучательной рекомбинации и спектров ФЛ. Особенности для образца с 50 А -
квантовой ямой_________________________________________________ 28
§4. Оптическая накачка АЮаАз/ваАз ФЛ гетероструктур. Электролюминесцентные характеристики лазерных гетероструктур с р-п -
переходом__________________________________________________________31
Выводы к главе 1___________________________________________________36
ГЛАВА 2. МЛЭ рост лазерных АЮаАБ/ОаАз КЯ РО ДГС структур. Оценка кристаллического совершенства методом высокоразрешающей
рентгеновской дифрактометрии_______________________________________37
§1. Технология выращивания АЮаАя/ОаАз лазерных КЯ РО ДГС и основные характеристики изготовленных лазерных диодов______________39
3
1.1. Описание технологии лазерных КЯ РО ДГС с двумя вариантами выращивания волноводных слоев, проблема стыковки режимов выращивания_______________________________________________________39
1.2. Исследование электролюминесцентных характеристик лазерных диодов____________________________________________________________42
§2. Высокоразрешающая рентгеновская дифрактометрия лазерных
гетероструктур___________________________________________________44
2.1. Краткое описание метода________________________________________44
2.2. Трехступенчатый анализ с численным моделированием. Кривые дифракционного отражения и статический фактор Дебая-Валлера_______45
§3. Влияние несовершенства кристаллической структуры эпитаксиальных слоев на срок службы лазерных диодов______________________________49
3.1. Обсуждение выбранной методики деградационных испытаний и полученных результатов по деградации лазерных диодов______________49
3.2. Обсуждение связи результатов деградационных испытаний с фактором Дебая-Валлера. Возможность прогнозирования времени наработки на отказ по фактору Дебая-Валлера____________________________________50
3.3. Ограничения, накладываемые на предложенную методику____________55
Выводы к главе 2____________________________________________________56
ГЛАВА 3. Получение однородных массивов КТ с высокой плотностью и
использование их в активной области лазерных гетероструктур_______57
§ 1. МЛЭ-выращивание по методу Странского-Крастанова однородных массивов поверхностных 1пА$-КТ на подложках (001)ОаАБ разориентированных в направлении [010]____________________________61
1.1.Технология формирования ступеней________________________________61
1.2.Выращивание 1пАз-квантовых точек для исследований методами атомносиловой микроскопии_____________________________________________ 62
4
§2. Исследования методами атомно-силовой микроскопии выращенных
образцов_________________________________________________________63
§3. Модельные представления выращивания массивов КТ на вицинальных поверхностях_____________________________________________________72
3.1. Расчет формирования вицинальной поверхности____________________72
3.2. Модельные представления выращивания КТ на вицинальных поверхностях_____________________________________________________76
§4. Особенности выращивания и исследование пороговой плотности тока
лазерных гетероструктур с одним слоем ГпАв-КТ в активной области 79
Выводы к главе 3____________________________________________________87
ЗАКЛЮЧЕНИЕ_________________________________________________________89
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ___________________________________________________94
5
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время проводится большое число исследований, связанных с созданием полупроводниковых приборов, в конструкции которых используются элементы пониженной размерности. К ним в первую очередь относятся полупроводниковые лазеры на основе гетероструктур с пониженной размерностью активной области.
Создание и исследование низкоразмерных гетероструктур является актуальной задачей, как с точки зрения изучения фундаментальных свойств систем с пониженной размерностью, так и их возможных приборных применений [1]. За последнее время вышло множество публикаций, связанных с улучшениями пороговых характеристик и увеличением предельных излучательных мощностей лазерных диодов, изготовленных из выращенных методами молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) и газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений (МО ГФЭ) двойных гетероструктур с раздельным ограничением (РО ДГС) с пониженной размерностью активной области [2-5].
Множество исследований важнейших характеристик РО ДГС с одиночной квантовой ямой (КЯ) в активной области было инициировано двумя публикациями '/хугу е/ а/. [6,7]. Начиная с фундаментальных исследований, выполненных Т8ап§ [8] и Негеее а1 а\.[9], объяснение экспериментальных пороговых характеристик КЯ РО ДГС - лазеров было первоначально основано на качественной модели, которая все специфические особенности этих лазеров связывала со ступенчатым распределением плотности состояний.
Как известно [10] пороговая плотность тока полупроводниковых лазеров на основе РО ДГС определяется выражением:
6
п, 7,Г Р
г 1 п
^+т,пт 0)
I л.
где 77, - внутренняя эффективность спонтанной издучательной рекомбинации в активной области;
Г - фактор оптического ограничения;
Ж, - ток, при котором линейно экстраполированное значение коэффициента усиления равно 0;
/3- постоянная усиления;
а - внутренние потери в структуре;
Ь - длина лазера;
Я - коэффициент отражения от обоих зеркал;
с1~ толщина активной области.
Из этой формулы следует, что пороговая плотность тока в полупроводниковом лазере тем ниже, чем выше внутренняя эффективность спонтанной издучательной рекомбинации в активной области и чем ниже внутренние потери в структуре а,. Приведенная зависимость для пороговой плотности тока достаточно универсальна и качественно применима в случае квантоворазмерной активной области. Таким образом, первой задачей при разработке конструкции и технологии выращивания лазерных гетероструктур является возможность достижения высокой внутренней эффективности спонтанной издучательной рекомбинации (/;,) в активной области. К началу нашей работы уже были получены РО ДГС лазеры с квантоворазмерной активной областью с более низкими пороговыми плотностями тока, чем в случае трехмерной активной области [8]. Однако не было данных, содержащих количественную оценку внутренней эффективности спонтанной издучательной рекомбинации в случае квантоворазмерной активной области. Не было ясно, чем определяются полученные пороговые плотности тока в гетеролазерах и какова
7
возможность дальнейшего их снижения. В нескольких исследованиях приводились качественные сравнительные оценки эффективности люминесценции квантоворазмерных гетероструктур в зависимости от технологических режимов выращивания [11-14], но оставалось неясным, как они соотносятся с абсолютными значениями. Для достижения высокой внутренней эффективности излучательной рекомбинации в случае квантоворазмерной активной области, в отличие от трехмермерных активных областей, больше внимания необходимо уделять безызлучательной рекомбинации на гетерогранице между активной областью и широкозонным барьерным слоем. В литературе были данные об очень сильном влиянии качества гетерограниц квантовой ямы на эффективность фотолюминесценции [15, 16] и это ставило под сомнение возможность достижения близкого к 100% внутреннего квантового выхода излучательной рекомбинации в случае квантовой ямы. В нашей лаборатории были проведены абсолютные измерения внутренней эффективности излучательных переходов (77,) для выращенных методом жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) ДГС 1пОаАвР/СаА8 и 1пСаАяР/1пР, у которых толщина активной области варьировалась в широком интервале — от 0.005 до 0.2 мкм [17], включающем квантово-размерный диапазон Ьг (Ь7<0.03 мкм). Основным результатом этих исследований явилось установление того факта, что внутренний квантовый выход излучательной рекомбинации превышал 70 % в диапазоне температур 77-г300 К. И, хотя была доказана принципиальная возможность выращивания методом ЖФЭ квантоворазмерных образцов [18, 19], однако, оставалась доля сомнений в связи со спецификой ЖФЭ в обоснованности сопоставления этих результатов с КЯ, выращенными другими методами.
Таким образом, были поставлены задачи - вырастить методом МЛЭ высокоэффективные РО ДГС с квантоворазмерной активной областью и
8
провести абсолютные измерения внутреннего квантового выхода излучательной рекомбинации в зависимости от толщины квантовой ямы для оценки влияния гетерограниц.
Безусловно, качество активной области в РО ДГС и, как следствие, эффективность излучагельных переходов в ней оказывает сильное влияние на характеристики лазерного диода в целом [20]. Однако, особенно в случае AlGa As/Ga As - РО ДГС с одиночной КЯ, наблюдается сильное влияние качества нижнего прилегающего к активной области AIGaAs - волноводного слоя на скорость безызлучательной рекомбинации на гетеро^анице между активной областью и волноводным слоем [15, I6J. Это связано с постепенным ухудшением качества [21] растущей поверхности AIGaAs при определенных условиях выращивания. Отдельной технологической проблемой является рост толстых слоев твердых растворов AIGaAs в широком диапазоне составов при использовании метода МЛЭ для роста кристаллически совершенных многослойных гетероструктур в системе AlGaAs/GaAs [22]. Из-за особенностей молекулярно-лучевой эпитаксии рост AIGaAs в диапазоне температур подложки 630-7 Ю°С сопровождается явлением поверхностной сегрегации Ga, что приводит к существенному ухудшению морфологических и оптических свойств гетероструктур [16, 22, 23]. Рост твердых растворов вне этого диапазона температу р также имеет свои особенности. Рост при температуре подложки ниже 630°С может сопровождаться интенсивным встраиванием примесей (встраиваемость которых зависит от температуры подложки), обуславливающих остаточную атмосферу МЛЭ камеры, которые образуют глубокие центры безызлучательной рекомбинации [24, 25]. Рост при температуре подложки выше 7 Ю°С хотя и позволяет получать слои AIGaAs высокого качества [26], но предъявляет дополнительные требования к оборудованию и стабильности молекулярных потоков [27] и хуже контролируется по методу осцилляций
- Київ+380960830922