WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 12 Люминесцентные свойства ZnO-микрорезонаторов цилиндрической формы © А.Н. Грузинцев¶, В.Т. Волков, С.В. Дубонос, М.А. Князев, Е.Е. Якимов Институт проблем технологии микроэлектроники Российской академии наук, 142432 Черноголовка, Россия (Получена 21 апреля 2004 г. Принята к печати 28 апреля 2004 г.) Исследованы люминесцентные свойства тонкопленочных ZnO-микрорезонаторов цилиндрической формы диаметром 1.8 мкм, полученных методом электронно-лучевой литографии и реактивного ионного травления.

Обнаружены узкие пики свечения в экситонной и зеленой областях спектра оксида цинка, обусловленные размерным квантованием фотонных волновых функций. Установлено возникновение стимулированной ультрафиолетовой люминесценции на связанных фотонных модах микрорезонаторов при увеличении мощности оптической накачки.

1. Введение Однако существует другой технологический путь изготовления резонаторов высокой добротности для полупроводниковых лазеров, использованный в данной рабоВ последние годы широкозонный полупроводник ZnO те. Дело в том, что ввиду малого времени жизни (10 пс) (ширина запрещенной зоны Eg = 3.37 эВ) интенсивно возбужденных экситонных состояний полупроводникоисследуется в связи с перспективой создания на его вой среды многопроходный режим лазерной генерации в основе коротковолновых полупроводниковых лазерных имульсном режиме может развиться лишь в резонаторах диодов. Благодаря большой энергии связи экситона (60 микрометрового размера. Авторами [6,7] предложено мэВ) в оксиде цинка удалось получить стимулированную использовать связанные или слабо связанные квантолюминесценцию на объемных монокристаллах [1,2] и вые моды трехмерных фотонных точек для лазерной эпитаксиальных пленках [3,4] не только при криогенных, генерации полупроводниковых лазеров. В этом случае но и при комнатной температуре. В зависимости от кристаллической структуры и состава дефектов в плен- полупроводник в форме параллелепипеда, цилиндра или шара с размером порядка световой длины волны, поках оксида цинка может возникать рекомбинационное мещенный в прозрачную среду с меньшим показателем излучение экситонов с энергией фотона 3.28 эВ (при температуре T = 300 K) или обусловленная собственны- преломления, имеет несколько связанных состояний — ми дефектами (вакансиями кислорода) зеленая люминес- мод для излучаемого им света. Время жизни моды ценция с максимумом при 2.3 эВ. Высокое кристалличе- определяет добротность микрорезонатора и порог оптической накачки для стимулированного излучения.

ское качество эпитаксиальных пленок ZnO приводит к наличию в спектре свечения только экситонного пика В данной работе мы рассмотрим влияние пространвплоть до температур 550 K [3]. ственного квантования фотонных волновых функций в микрорезонаторах ZnO цилиндрической формы диаметЛазерное излучение с длиной волны 397 нм было пором 1.8 мкм на спектральную форму линий экситонного лучено нами [5] на поликристаллических неэпитаксиальи зеленого свечения, а также на возникновение стиных пленках ZnO, нанесенных методом магнетронного мулированного излучения при оптическом импульсном напыления на окисленные подложки кремния. Стимувозбуждении.

лированная люминесценция наблюдалась при комнатной температуре в области рекомбинации электроннодырочной плазмы при оптическом возбуждении им2. Эксперимент пульсным азотным лазером. При этом пороговая мощность накачки была довольно высока и составляла В работе использовались пленки оксида цинка тол6МВт/см2. Столь большая величина обусловлена не щиной 0.25 мкм, нанесенные методом магнетронного только поликристаллическим характером пленки, но и напыления на подложки из окисленного кремния. Толотсутствием обратной связи вдоль пленки для стимущина термического окисла составляла 0.27 мкм. Сразу лированных квантов света. Имеется резонатор Фабри– после магнетронного напыления пленки оксида цинка Перо с полным внутренним отражением на верхней имели аморфную структуру и не обладали какой-либо и нижней гранях пленки и однопроходной лазерной люминесценцией. Однако после отжига в атмосфере генерацией в горизонтальной плоскости. Для понижения кислорода при 700C в течение нескольких минут порога лазерной генерации желательно изготовить резопроисходила их кристаллизация с образованием кринаторы с зеркалами на боковых гранях структуры, что сталлических зерен средних размеров 0.3-0.5мкм.

требует наличия ровных сколов оптического качества.

Поверхность пленки оставалась при этом оптически ¶ гладкой со средней шероховатостью 10 нм. В спектре E-mail: gran@ipmt-hpm.ac.ru Fax: (095) 9628047 люминесценции отожженных пленок при комнатной 5 1474 А.Н. Грузинцев, В.Т. Волков, С.В. Дубонос, М.А. Князев, Е.Е. Якимов цилиндрических фотонных точек диаметром 1.8 мкм.

На рис. 1 и 2 представлены изображения одиночного микрорезонатора (вид сбоку, диаметр 1.8 мкм) и их цепочки из 11 штук (вид сверху), полученные с помощью электронно-лучевого микроскопа. Массив в виде цепочек одинаковых микрорезонаторов формировался для увеличения интенсивности сигнала люминесценции при оптических измерениях.

Спектры люминесценции измерялись при возбуждении импульсным азотным лазером ИЛГИ-505 с длиной волны излучения 337.1 нм, длительностью импульса 9 нс и пиковой мощностью 1.5 кВт. Лазерный луч фокусировался в пятно диаметром 0.5 мм, что обеспечивало плотность оптического возбуждения I0 = 0.4МВт/см2.

Спектры фотолюминесценции (ФЛ) микрорезонаторов различного диаметра исследовались при комнатной температуре для различных мощностей накачки: I = 0.1I0, 0.15I0, 0.5I0, 0.75I0 и 1I0. Для этого между образцом Рис. 1. Изображение цилиндрического ZnO-микрорезонатора диаметром 1.8 мкм, снятое в электронно-лучевом микроскопе и лазером помещался поглотитель света с заданным под углом 45.

коэффициентом пропускания. Возбуждающий свет лазера падал на микрорезонатор перпендикулярно его поверхности, а люминесценция регистрировалась под углом 45, что уменьшало вклад отраженного лазерного света. Люминесценция регистрировалась с помощью монохроматора МДР-23, фотоумножителя ФЭУ-106 и усилителя переменных сигналов „Unipan-237“, соединенного с компьютером. Спектральное разрешение во всех экспериментах было не хуже 0.2 нм.

Рис. 2. Изображение линейного ряда ZnO-микрорезонаторов 3. Экспериментальные результаты диаметром 1.8 мкм, снятое сверху в электронно-лучевом мии их обсуждение кроскопе.

На рис. 3 приведены спектры фотолюминесценции цилиндрических микрорезонаторов ZnO диаметра 1.8 мкм (кривая 1) и островковой пленки (кривая 2) для минитемпературе преобладал экситонный пик с максимумом при 3.28 эВ и возникала лазерная генерация при пороговой мощности накачки излучением импульсного азотного лазера 6 МВт/см2 [5].

Тонкопленочные ZnO-микрорезонаторы цилиндрической формы диаметром 1.8 мкм были получены методом электронно-лучевой литографии и реактивного ионного травления в плазме аргона предварительно отожженных структур Si–SiO2–ZnO. Алюминиевая маска, использованная в процессе ионного травления, убиралась впоследствии с помощью слабого раствора щелочи.

Ионное травление позволяло получать вертикальные стенки цилиндрических микрорезонаторов, из которых формировалась цепочка с расстоянием между соседними цилиндрами 10 мкм (рис. 1 и 2). Часть пленки размером 4мм2 оставалась специально не литографированной в виде островка и подвергалась той же процедуре обработки, что и цилиндрические микрореРис. 3. Спектры фотолюминесценции при возбуждении иззонаторы. Это делалось для того, чтобы определить лучением азотного лазера с плотностью мощности I = 0.1Iвлияние на спектры свечения размерных эффектов, а не линейного ряда микрорезонаторов диаметром 1.8 мкм (1) изменений, вызванных плазменной или электрохимичеи пленки ZnO (2), выращенных на окисленном кремнии.

ской обработкой. Были изготовлены линейные цепочки T = 300 K. I0 = 0.4 МВт/см2.

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Люминесцентные свойства ZnO-микрорезонаторов цилиндрической формы мальной мощности возбуждающего излучения I = 0.1I0.

Можно отметить лишь наличие в обоих спектрах зеленой полосы свечения с максимумом в районе 2.2 эВ, обусловленной вакансиями кислорода в оксиде цинка [8]. Экситонное свечение практически отсутствует при малой интенсивности накачки. Отметим, что интенсивность зеленой ФЛ микрорезонаторов (кривая 1) несколько выше, чем островковой пленки (кривая 2), и имеет явно выраженную тонкую структуру с двумя максимумами при 2.03 и 2.22 эВ, а также два плеча с коротковолновой стороны при энергиях 2.43 и 2.61 эВ.

С увеличением интенсивности возбуждающего излучения до I0 = 0.4МВт/см2 (рис. 4) в спектрах ФЛ начинает преобладать экситонное свечение с максимумом в фиолетовой области при 3.28 эВ. Форма и интенсивность зеленых полос при этом практически не Рис. 5. Зависимость интенсивности максимальной моды в меняется (рис. 5). В отличие от островковой пленки экситонной области микрорезонаторов диаметром 1.8 мкм (1) ZnO (рис. 4, кривая 2) спектры экситонной ФЛ микрои пленки ZnO (2), а также в зеленой области микроререзонаторов (кривая 1) существенно уже и обладают зонаторов (3) и пленки ZnO (4) от плотности мощности тонкой структурой, обусловленной наличием связанных возбуждающего излучения лазера. T = 300 K.

и слабо связанных мод трехмерных фотонных точек с положениями максимумов при 3.26, 3.31, 3.35 и 3.38 эВ.

Несвязанные моды являются по сути интерференцией резонатора диаметром 1.8 мкм (кривая 1) составляет выходящего света на боковых гранях микрорезонатора, в нашем случае 25 мэВ. Достаточно ли данной дов то время как связанные фотонные состояния должны бротности для возникновения лазерной генерации при быть полностью локализованы внутри него. Однако накачке импульсами азотного лазера из-за рассеяния на границах поликристаллов внутри На рис. 5 показана зависимость интенсивности максипленки даже связанные электромагнитные колебания мальной по яркости моды 3.31 эВ в экситонной области рано или поздно вываливаются наружу и тоже дают спектра микрорезонатора данного диаметра от плотновклад в сигнал фотолюминесценции. Из-за этого наши сти мощности возбуждающего излучения азотного лаземикрорезонаторы, как и любые лазерные резонаторы, ра. Отметим почти линейную зависимость для случая обладают конечной добротностью, определяющей шиостровковой пленки ZnO (кривая 2). Для микрорезорину линии излучения. Из рис. 4 видно, что ширина наторов диаметром 1.8 мкм (кривая 1) имеется явно на половине высоты линии, соответствующей одной, нелинейный рост интенсивности свечения, говорящий наиболее интенсивной, моде (с максимумом 3.31 эВ) о возникновении стимулированной люминесценции при плотности мощности лазерного возбуждения, большей 0.2 МВт/см2. Это согласуется с данными исследования зависимости интенсивности зеленых полос излучения микрорезонаторов и пленки ZnO от мощности накачки (рис. 5, кривые 3 и 4). Дело в том, что если интенсивность зеленой ФЛ пленки немного растет, то для резонаторов она даже слегка уменьшается с ростом мощности возбуждающего излучения. Это подтверждает возникновение лазерной генерации в экситонной области спектра микрорезонаторов. При этом происходит сужение экситонной линии по сравнению со спектром пленки, особенно заметное в длинноволновой области спектра, обусловленной фононными повторениями экситонной линии.

Использование связанных мод микрорезонаторов малых размеров уменьшает пороговые мощности оптической накачки для получения лазерной генерации. ИменРис. 4. Спектры фотолюминесценции при возбуждении излуно использование цилиндров с диаметрами в диапазоне чением азотного лазера с плотностью мощности I = I0 линейот 1 до 3 мкм позволяет по использованной технологии ного ряда микрорезонаторов диаметром 1.8 мкм (1) и пленки получать ZnO-микрорезонаторы с максимальной добротZnO (2), выращенных на окисленном кремнии. T = 300 K.

ностью для генерации фиолетового излучения с максиI0 = 0.4 МВт/см2.

5 Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 1476 А.Н. Грузинцев, В.Т. Волков, С.В. Дубонос, М.А. Князев, Е.Е. Якимов мумом при 3.31 эВ (рис. 4, кривая 1). Можно отметить, Luminescent properties что исследованная нами ранее зависимость интенсивноof cylinder-shaped ZnO microresonators сти экситонного свечения просто пленок оксида цинка, A.N. Gruzintsev, V.T. Volkov, S.V. Dubonos, использованных для изготовления микрорезонаторов, M.A. Knyasev, E.E. Yakimov была линейной вплоть до мощностей 6 МВт/см2 [5].

Institute of Microelectronics Technology Problems, Russian Academy of Sciences, 4. Заключение 142432 Chernogolovka, Russia Таким образом, на структуре Si–SiO2–ZnO при малой

Abstract

Luminescent properties of ZnO thin film microreтолщине оксида цинка, 0.25 мкм, методами электронноsonators having a cylinder form with the diameter of 1.8 µm, лучевой литографии и ионного травления были изготовobtained by the electron-beam litography and by dry ion plasma лены микрорезонаторы оптического излучения цилинmethods, have been studied. Narrow peaks of the zinc oxide дрической формы диаметром 1.8 мкм. Экспериментально luminescence in the excitonic and green spectral range, related обнаружена модовая структура спектров фотолюминесto quantum confinement of the photon wave functions, have been ценции в экситонной и зеленой областях спектра излуdetected. The stimulated ultraviolet emission, related to the photon чения микроцилиндров ZnO.

binding modes of the microresonators, has been observed as a Исследования спектров фотолюминесценции микрореresult of increasing the optical pumped power.

зонаторов в зависимости от интенсивности оптической накачки показали наличие стимулированного лазерного излучения в экситонной области оксида цинка для плотности возбуждения более 0.2 МВт/см2. Отметим также, что для получения стимулированного излучения на самой пленке ZnO нам требовалась ранее [5] плотность возбуждения 6 МВт/см2.

Следовательно, использование трехмерных резонаторов с диаметром цилиндров 1.8 мкм позволяет понизить более чем на порядок пороги накачки по сравнению с одномерной резонаторной структурой Si–SiO2–ZnO типа Фабри–Перо.

Данная работа была выполнена при финансовой поддержке Программы РАН „Квантовые вычисления“, грантов РФФИ (проект № 04-02-16437) и ИНТАС (проект № 2002-0796).

Список литературы [1] J.M. Hvam. Phys. Rev. B, 4, 4459 (1971).

[2] C. Klingshirn. Adv. Mater. Opt. Electron., 3, 103 (1994).

[3] D.M. Bagnall, Y.F. Chen, M.Y. Shen, Z. Zhu, T. Goto. J. Cryst.

Growth, 184/185, 605 (1998).

[4] Z.K. Tang, G.K. Wong, P. Yu, M. Kawasaki, A. Ohotomo, H. Koinuma, Y. Segawa. Appl. Phys. Lett., 72, 3270 (1998).

[5] А.Н. Грузинчкв, В.Т. Волков, К. Бартхоу, П. Беналул. ФТП, 36 (6) 741 (2002) [A.N. Gruzintsev, V.T. Volkov, C. Barthou, P. Benalloul. Semiconductors, 36 (6) 741 (2002)].

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.