WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 5 Новый материал для активной области приборов сине-зеленого спектрального диапазона — BeCdSe © О.В. Некруткина¶,, С.В. Сорокин,+, В.А. Кайгородов,-, А.А. Ситникова, Т.В. Шубина, А.А. Торопов, С.В. Иванов,+, П.С. Копьев, Г. Рёшер+, В. Вагнер+, Дж. Гоерц+, А. Вааг#, Г. Ландвер+ Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия + Институт физики Университета г. Вюрцбурга, D-97074 Вюрцбург, Германия # Лаборатория физики полупроводников Университета г. Ульма, 89081 Ульм, Германия Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет, 197376 Санкт-Петербург, Россия (Получена 11 октября 2000 г. Принята к печати 23 октября 2000 г.) С использованием метода субмонослойной циклической эпитаксии впервые получен объемный слой твердого раствора BeCdSe толщиной 100 нм с концентрацией бериллия, близкой к 46%, что соответствует составу, согласованному по параметру решетки с подложкой GaAs. Также впервые получена низкотемпературная лазерная генерация на длине волны 460 нм с пороговой плотностью мощности около 40 кВт/см3 в структуре с множественными квантовыми ямами ZnSe/BeCdSe. Величина параметра прогиба зон в твердых растворах BeCdSe оценена в 4.5 эВ.

Введение GaAs), обусловленной существенной разницей в постоянных решетки образующих бинарных соединений Несмотря на широкое развитие исследований в обла- (aCdSe = 6.077, aBeSe = 5.139 ), возможно выращивасти разработки оптоэлектронных приборов на основе ние слоев твердого раствора BeCdSe, изопериодичных к материалов AIIIN, широкозонные соединения AIIBVI по- подложке GaAs (x 0.46). В данной работе представлепрежнему остаются наиболее подходящими материалами ны результаты оптических и структурных исследований для создания полупроводниковых лазеров в сине-зеленой впервые выращенного методом молекулярно-пучковой области спектра, поскольку эта область пока недости- эпитаксии (МПЭ) объемного слоя BeCdSe толщиной жима для приборов на основе соединений нитридов 100 нм с концентрацией бериллия, близкой к x 0.46, а III группы [1]. Основной проблемой, препятствующей также структуры с множественными квантовыми ямами промышленному использованию соединений AIIBVI, на ZnSe/BeCdSe, для которой впервые была продемонстриданный момент является относительно небольшое время рована низкотемпературная лазерная генерация.

жизни инжекционных лазеров (менее 400 ч) [2]. Традиционно в качестве активной области приборов исЭксперимент пользуется относительно мягкий по прочности решетки ZnCdSe, характеризующийся большим рассогласованием Исследуемые структуры были выращены методом параметра решетки с подложкой GaAs, что приводит к МПЭ при температуре Ts = 300C на подложках образованию и диффузии точечных дефектов в процессе GaAs (001). При выращивании BeCdSe использовалработы лазера. Таким образом, существенный интерес ся метод субмонослойной цифровой эпитаксии (СЦЭ).

для исследователей представляет получение новых шиВ этом режиме выращивание слоя твердого раствора рокозонных материалов AIIBVI, излучающих в синеосуществляется путем последовательного циклического зеленой спектральной области, обладающих повышеносаждения субмонослоев CdSe и BeSe толщиной менее ной прочностью кристаллической решетки и изоперио0.3 монослоя (МС), а результирующий состав определядичных к GaAs.

ется соотношением их толщин. Структура, предназначенВ работе [3] в качестве нового материала для активная для получения стимулированного излучения, состоной области оптоэлектронных приборов сине-зеленого яла из пяти квантовых ям BeCdSe толщиной 2 нм, раздедиапазона был предложен BeCdSe, поскольку хальколенных барьерами ZnSe толщиной 10 нм, а также верхгениды бериллия характеризуются наибольшей прочнонего и нижнего ограничивающих слоев Zn0.97Be0.03Se стью решетки среди всех соединений AIIBVI [4]. Теотолщиной 100 и 1000 нм соответственно. В структуре с ретически [3], а также экспериментально [5] было пообъемным слоем BeCdSe толщина верхнего и нижнего казано, что, несмотря на существование большой облаограничивающих слоев Zn0.97Be0.03Se составила 50 и сти нестабильности в этой системе твердых раство400 нм соответственно. Калибровка скорости роста BeSe ров (x = 0.03-0.38 при псевдоморфном росте на осуществлялась посредством регистрации осцилляций ¶ E-mail: olya.nekrutkina@pop.ioffe.rssi.ru дифракции быстрых электронов на отражение (ДБЭ) в 542 О.В. Некруткина, С.В. Сорокин, В.А. Кайгородов, А.А. Ситникова, Т.В. Шубина, А.А. Торопов...

процессе выращивания буферного слоя BeTe толщиной 5 МС. Толщина осажденного CdSe, выращиваемого как в МПЭ моде, так и в режиме эпитаксии с повышенной миграцией атомов, контролировалась оптическими и рентгено-дифракционными методами в соответствии с [6,7]. Для оценки состава слоев BeCdSe, выращиваемых в режиме МПЭ, было использовано отношение скоростей роста BeTe и BeCdSe, регистрируемых in situ методом ДБЭ.

Структурные исследования проводились методами двухкристальной рентгеновской дифрактометрии, просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), а также сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). Спектры фотолюминесценции (ФЛ) регистрировались при температуре 80 K, в качестве источника возбуждения использовался He–Cd-лазер с длиной волны излучения 325 нм. Лазерные характеристики исследовались в усло- Рис. 2. Спектры низкотемпературной фотолюминесценции квантовых ям с различным содержанием бериллия. На вставвиях импульсной оптической накачки (азотный лазер с ке — фотография структуры с квантовой ямой Be0.4Cd0.6Se, длительностью импульса 8 нс и длиной волны 337 нм).

полученная методом просвечивающей электронной микроскопии.

Результаты и обсуждение Теоретические расчеты, проведенные в приближении и спинодали (кривая 4) существенно изменяются. Зоны термодинамического равновесия с использованием моденестабильности и несмешиваемости уменьшаются, делая ли регулярного твердого раствора, позволили получить возможным получение твердых растворов с большим картину зон нестабильности и несмешиваемости в сисодержанием бериллия (> 38%) в квазиравновесных стеме BeSe–CdBe (рис. 1). Видно, что при темпераусловиях при псевдоморфном росте. При частичной туре эпитаксии зоны нестабильности и несмешиваеморелаксации упругих напряжений в слое (например, при сти, соответствующие областям, расположенным выше превышении критической толщины) зоны нестабильноточек пересечения бинодали (кривая 1) и спинодали сти и несмешиваемости расширяются в сторону боль(кривая 2) с изотермой 300C, охватывают практически ших концентраций бериллия. Таким образом, результаты весь диапазон составов. При учете упругих напряжений в расчетов показывают, что в системе BeCdSe возможно системе, возникающих из-за несоответствия параметров выращивание псевдоморфных изопериодичных к GaAs решетки слоя и подложки, формы бинодали (кривая 3) слоев (с концентрацией Be x 0.46).

В работе [3] были описаны выращенные методом МПЭ тонкие (0.8 нм) квантовые ямы BeCdSe/ZnSe с концентрацией бериллия до нескольких процентов без признаков фазового распада. Для расширения диапазона составов внутри области нестабильности было предложено использовать сильно неравновесный метод субмонослойной цифровой эпитаксии, прежде применявшейся при росте соединений AIIIBV [8] и впервые использованныйнамидля роста пометодуМПЭAIIBVI. Применение этого метода позволило вырастить квантовые ямы (КЯ) с хорошим структурным качеством с концентрацией бериллия до x 0.15. На рис. 2 показано, что интенсивность люминесценции из КЯ Be0.14Cd0.86Se/ZnSe в 50 раз превышает интенсивность ФЛ из КЯ CdSe. Следует отметить, что для сходной структуры с КЯ CdSe (2.8 нм) нами ранее была получена лазерная генерация с рекордРис. 1. Зоны нестабильности и несмешиваемости системы но низкой пороговой плотностью накачки при комнатной BeSe–CdSe, рассчитанные в приближении модели твердого температуре [9]. Однако даже при использовании нерегулярного раствора: 1 — химическая бинодаль, 2 — химичеравновесного метода СЦЭ дальнейшее увеличение конская спинодаль, 3 — когерентная бинодаль, 4 — когерентная центрации бериллия приводит к появлению признаков спинодаль, 5 — спинодаль для слоя с частичной релаксацией упругих напряжений. фазового распада [3]. Тем не менее при дальнейшем Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. Новый материал для активной области приборов сине-зеленого спектрального диапазона — BeCdSe подложки и, соответственно, из-за релаксации упругих напряжений в слое, приводящей к возникновению структурных дефектов. Поведение основной линии люминесценции на рис. 3 подтверждает это предположение, в то время как появление дополнительного длинноволнового пика может быть интерпретировано как начало фазового распада. Поскольку зона нестабильности расширяется по мере релаксации упругих напряжений в слое (рис. 1), можно предположить наличие частичной релаксации напряжений в структуре, несмотря на то что нижняя граница содержания бериллия в слое лежит существенно выше спинодальной кривой для псевдоморфного слоя (38%).

Нами было выращено несколько структур с объемным слоем BeCdSe как методом обычной МПЭ, так и методом СЦЭ. Из этой серии хорошим структурным качеРис. 3. Спектры низкотемпературной фотолюминесценции ством обладали лишь слои, выращенные методом СЦЭ.

объемного слоя BeCdSe, измеренные в различных точках Можно предположить, что при выращивании методом образца вдоль направления градиента концентрации Be. На МПЭ релаксация упругих напряжений в слое происходит вставках: a — результаты расчета зависимости критической толщины слоя BeCdSe от концентрации бериллия в различных при превышении критической толщины, за счет, напримоделях, b — фотография поперечного сечения структуры, мер, флуктуации интенсивностей потоков молекулярных полученная методом сканирующей электронной микроскопии.

пучков. Метод же СЦЭ позволяет с большей точностью контролировать состав и толщину выращиваемого слоя и значительно меньше чувствителен к флуктуациям потоков. Зависимость критической толщины слоя BeCdSe увеличении концентрации Be и переходе границы зоны от концентрации бериллия была рассчитана с испольнестабильности (x 0.4) структуры с КЯ BeCdSe/ZnSe зованием равновесной механической модели Мэттьюза– cнова демонстрируют столь же яркую люминесценцию, Блэксли [10] в качестве нижней границы и модели что и в случае КЯ Be0.14Cd0.86Se/ZnSe (см. рис. 2).

энергетического баланса Пипла–Бина [11] в качестве Структурные исследования, в частности методом ПЭМ, верхней границы. Из этих оценок видно (см. вставку a на показывают хорошую морфологию исследуемых образрис. 3), что толщина 100 нм превышает критическую для цов и отсутствие структурных дефектов (см. вставку на слоя BeCdSe c концентрацией Ве меньше 38% (согласно рис. 2). Таким образом, применение метода СЦЭ дает модели Пипла–Бина) или даже 44% (согласно модели возможность получения КЯ BeCdSe/ZnSe с концентраМэттьюза–Блэксли). Таким образом, учитывая наличие цией бериллия в глубине области нестабильности систезаметного градиента концентрации Ве по площади струкмы. Следует отметить, что исследования двух структур, туры, можно ожидать существенного ухудшения морфосодержащих МКЯ BeCdSe/ZnSe с существенным градилогии слоя в области с малой концентрацией Ве. Тем не ентом содержания бериллия по площади подложки (от менее на фотографии поперечного сечения структуры, 40 до 48%), выращенных методом обычной МПЭ и СЦЭ, полученной методом сканирующей электронной микропоказали [5], что оптические характеристики для обеих скопии, наблюдается однородность морфологии слоя по структур, в частности интенсивность люминесценции, всему образцу (см. вставку b на рис. 3).

сравнимы по порядку величины, в то время как структурНа рис. 4 представлена вся совокупность данных по ное качество КЯ, выращенных методом СЦЭ, несколько ФЛ BeCdSe, которыми мы располагаем на данный мовыше.

мент: данные для КЯ толщиной 0.8 [3], 2 нм [5], a также Для исследования свойств изопериодических составов для структур, описываемых в этой статье. Результат BeCdSe методом СЦЭ была выращена структура со сломоделирования зависимости ширины запрещенной зоны ем BeCdSe толщиной 100 нм. Отсутствие азимутального Eg от концентрации бериллия x согласно соотношению вращения подложки в процессе эпитаксии привело к заметному градиенту концентрации бериллия в BeCdSe.

Eg(BeCdSe) =(1 - x)Eg(CdSe)+xEg(BeSe) - x(1 - x)C, На рис. 3 представлены спектры ФЛ, измеренные в различных точкаx образца вдоль направления градиента где C — параметр прогиба зоны, представлен сплошной концентрации Ве. Поскольку рентгеновские исследова- кривой. Оценка, выполненная на основе данных по КЯ, ния показали, что максимальная концентрация Be в является достаточно грубым приближением, поскольку образце составляет 47%, что близко к твердому при таком подходе не учитываются влияние на полораствору, изопериодному с GaAs, можно ожидать, что жение линии ФЛ наличия упругих напряжений в слое при уменьшении содержания бериллия в слое интенсив- и ширины КЯ. Оценка, проведенная с учетом данных ность люминесценции будет также уменьшаться за счет по люминесценции объемного слоя BeCdSe, дает для C увеличения рассогласования параметра решетки слоя и значение 4.5 эВ. Столь большое значение параметра Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 544 О.В. Некруткина, С.В. Сорокин, В.А. Кайгородов, А.А. Ситникова, Т.В. Шубина, А.А. Торопов...

отсутствие Mg в ограничивающих слоях, приводящее к слабому оптическому ограничению, нам удалось получить стимулированное излучение при температуре 80 K в структуре, состоящей из пяти КЯ Be0.5Cd0.5Se/ZnSe. На рис. 5 представлены спектры спонтанного и стимулированного излучения, полученные при накачке импульсным азотным лазером. Поскольку концентрация бериллия в КЯ BeCdSe превышает 46% (изопериодный твердый раствор к подложке GaAs), напряжения в слое приводят к появлению дополнительных энергетических состояний, дающих в спектре излучения широкую линию, расположенную на длинноволновом краю и не принимающую участия в лазерной генерации, а стимулированное излучение возникает на ”голубом” краю спектра.

Отсутствие в литературе полного набора параметров не позволяет провести корректные расчеты и оценить величины разрывов зон и тип гетероперехода BeCdSe/ZnSe в зависимости от содержания бериллия. Поскольку, с одной стороны, упругие напряжения необходимо учитывать при составах, далеких от изопериодных к GaAs Рис. 4. Зависимость Eg(x) для BexCd1-xSe. Данные по (x 0.46), и, с другой стороны, наибольший интерес люминесценции структур, рассматриваемых в данной работе:

1 — для структуры с множественными квантовыми ямами представляет именно диапазон концентраций Ве вблизи BexCd1-xSe/ZnSe; 2 — для структуры с объемным слоем этого значения, мы провели оценку разрывов зон при BeCdSe (в точке с максимальным содержанием бериллия);

x 0.46 без учета фактора напряжений в слое.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.