CC BY
31
УДК 621.378.35
ЭПИТАКСИАЛЬНЫЕ СЛОИ ZnSe И ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ ZnCdSe/ZnSe, ВЫРАЩЕННЫЕ ИЗ ЭЛЕМЕНТООРГАНИЧЕСКИХ
СОЕДИНЕНИЙ, ДЛЯ ЛАЗЕРОВ С НАКАЧКОЙ ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМ
В. И. Козловский, А. Б. Крыса, П. И. Кузнецов, А. С. Насибов, А. Н. Печенов, Ю. М. Попов, В. Г. Тихонов, Г. Г. Якушева
Исследована катодолюминесценция эпитаксиаль-
ных слоев ЕпБе и ZnCd.Se, двойных гетерострук-тур ZnSe/ZnCdSe/ZnSe и периодических структур ZnCdSe/ZnSe с числом ZnCdSe ям до 100, выращенных из элементоорганических соединений на подложке СаАв с ориентацией (100). Из слоя ZnSe и периодических структур созданы лазеры с продольной накачкой сканирующим электронным пучком и исследованы их характеристики.
Одним из перспективных использований полупроводниковых лазеров с накачкой электронным пучком является создание на их основе лазерных электронно-лучевых трубок (ЛЭЛТ) и полноцветного лазерного телевизионного проектора высокой четкости [1]. Активные элементы - лазерные экраны ЛЭЛТ изготавливались до сих пор из объемных кристаллов соединений II-VI групп периодической системы. Эта технология имеет ряд недостатков, которые сдерживают ее промышленное освоение. Лазерные экраны из объемных кристаллов имеют слишком высокие пороги генерации, а также недостаточно большой срок службы при комнатной температуре. Последнее связано с деградацией клеевого слоя, входящего в устройство лазерного экрана. Существенное уменьшение порога генерации может быть достигнуто путем использования кванто-воразмерных структур, выращенных с помощью низкотемпературной эпитаксии [2].
Технология, необходимая для выращивания таких структур, в принципе аналогична технологии, успешно используемой в настоящее время для изготовления сине-зеленых лазерных диодов [3-5], хотя имеется и ряд различий. Структуры для лазерных экранов ЛЭЛТ должны быть типа поверхностно излучающих лазеров с вертикальным резонатором (так называемых VCSEL) и иметь достаточную толщину для получения мощности генерации порядка 1 Вт с одного элемента разложения. Ростовая подло ж ка в перспективе должна быть прозрачной для генерируемого излучения. Кроме того, проблема однородности этих структур является одной из наиболее серьезных.
Первая реализация лазера на квайтоворазмерной структуре из соединений II-VI групп с продольной накачкой электронным пучком была реализована на сверхрешетке ZnCdSe/ZnSe, выращенной методом молекулярно-лучевой эпитаксии [б]. В данном сообщении описаны лазерные экраны из эпитаксиальных слоев ZnSe и периодических структур ZnCdSe/ZnSe, выращенных методом эпитаксии из элементоорганических соединений. Несмотря на перспективность данного метода для промышленного освоения, успехи, достигнутые с его помощью, до сих пор ограничиваются получением генерации на эпитаксиальном ZnSe при 80 К [7].
Исследовались эпитаксиальные слои ZnSe и ZnCdSe, двойные гетероструктуры ZnSe/ZnCdSe/ZnSe и периодические структуры ZnCdSe/ZnSe с числом периодов до 100, выращенные при 300 - 500°С на подложках GaAs с ориентацией (100) и диаметром 40 мм с использованием диэтилцинка, диметилселенида и диметилкадмия в качестве исходных материалов и водорода в качестве несущего газа. Был использован новый горизонтальный реактор атмосферного давления со специальным устройством, обеспечивающим вращательное и возвратно-поступательное движение ростовой подложки для улучшения -однородности толщины эпитаксиальных слоев.
Из эпитаксиальных слоев ZnSe и периодических структур с полной толщиной 5 15 мкм были изготовлены лазерные экраны. Сначала на ростовую поверхность было нанесено вакуумным распылением 12-слойное зеркальное покрытие из чередующихся четвертьволновых слоев Si02 и Zr02 (коэффициент отражения R ~ 0,95), затем этой поверхностью структура приклеивалась к сапфировому оптически прозрачному диску, и после удаления подложки GaAs в селективном травителе NН40Н — Н2О2 — NаОН—Н20 и частично (0,5 - 1,5 мкм) буферного слоя ZnSe в полирующем травителе СгОз HCl наносили аналогичным способом 16-слойное зеркальное покрытие Si02/Zr02 (R — 0,98).
Излучательные свойства слоев и структур исследовались с помощью катодолюми-
несценции (КЛ) при Т — 40 и 300 К, энергии электронов Ее = 10 кэВ, диаметре электронного пятна на образце с1е = 1 — 3 мм н токе /е = 1 мкА. Для достижения лазерной генерации при Т — 80 и 300 К использовался более интенсивный сканирующий электронный пучок с параметрами Ее = 30 — 75 кэВ, 1е = 0 — 2 мА, ¿Е = 15 — 50 мкм и скоростью сканирования у$с = 2 • 105 см/с.
439 443 447 451 453 450 460 470 480 490 500 500 540 580 620 660 700
Длина волны, нм Длина волны, нм Длина волны, нм
Рис. 1. Спектры КЛ эпитаксиального ZnSe (кривая 1) и объемного 7п5е, выращенного из паровой фазы [8] (кривая 2) в экситонной (а) и длинноволновой областях спектра (б, в).
На рис. 1 представлен спектр КЛ эпитаксиальной пленки Zn.Se толщиной 10 мкм. при Т = 40 К (1) в сравнении с типичным спектром объемного монокристалла 2пБе (2), выращенного из паровой фазы при высокой температуре (1150 °С) [8]. В отличие от объемного кристалла, у эпитаксиального ZnSe в экситонной области спектра (рис. 1а) отсутствуют линии /1 и излучения экситонов, связанных соответственно с нейтральными мелким и глубоким акцепторами, а линия /2 излучения экситона, связанного с нейтральным донором, имеет существенно меньшую интенсивность по сравнению с линией ЕХ излучения свободного экситона и его ЬО-фононной репликой. В длинноволновой области (рис. 16, в) у пленки ZnSe присутствуют линии излучения, соответствующие переходам зона - акцептор (е - А) и донор - акцептор (Б - Л), однако они значительно уже и имеют существенно меньшую интенсивность по сравнению со втором ЬО-фононной репликой, чем у объемного кристалла. Здесь видны также линия У и по лоса 5, обусловленные структурными дефектами, медная зеленая полоса (Си) и полоса
красного самоактивированного излучения (I), У2П). Однако в целом интенсивность длинноволнового излучения значительно меньше, чем в объемном кристалле. Описанный выше спектр К Л свидетельствует о высоком качестве эпитаксиальной пленки Zn.Se.
Таблица 1 Параметры эпитаксиалъных слоев ZnCd.Se и двойных гетер о структур ZnSe/ZnCdSe/ZnSe и характеристики их КЛ при Т = 40 К. N - номер образца; Иь, /г, Лс - соответственно толщины буферного слоя ZnSe, слоя ZnCdSe, верхнего слоя ZnSe, критическая толщина, х - атомная доля Cd; Ат, Д, I - соответственно длина волны максимума, ширина на полувысоте и интегральная по спектру интенсивность линии излучения
N Нь, пт /г, пт /¿г, пт /гс, пт Ат, пт X А, гпеУ I, отн.
25 900 10 120 210 448 0,02 7,4 4,5
31 900 40 120 137 449,3 0,03 6,1 98
30-2 900 60 120 38 458,5 0,09 12
26-1 900 120 120 28 463 0,115 8,1 100
27 900 90 120 21,5 468 0,15 17 43
33 900 20 120 21,5 468,4 0,15 17 30
30-1 900 60 120 18 472 0,17 13,9
21 2400 600 120 18 472 0,17 22 0,5
26-2 900 120 120 18 472,5 0,17 14 15
38 - - 16' 475,5 0,18 22
44 - 1100 - 11 478 0,215 65
40 - - 4,5 535 0,46 89
37 - 1800 4,3 539 0,48 82 1,3
28 900 300 120 3,6 557 0,58 96 0,5
Интенсивность излучения эпитаксиалъных пленок ZnCdSe оказалась значительно меньше, чем пленок ZnSe. Обратная ситуация имела место с двойными гетерострук турами ZnSe/ZnCdSe/ZnSe, хотя интенсивность их излучения существенно зависела от состава ямы ZnCdSe и ее толщины. Спектр КЛ большинства гетероструктур был представлен одной интенсивной линией излучения ямы ZnCdSe и слабым излучением обкладочных слоев ZnSe, хотя глубина возбуждения электронным пучком с
Ее = 10 кэВ (0,25 мкм) сравнима с толщиной верхнего защитного слоя. Это свидетельствует об эффективном сборе неравновесных носителей в яме как непосредственно за счет диффузии носителей, так и, возможно, за счет поглощения излучения слоев Zn.Se слоем ямы ZnCd.Se с последующим эффективным его переизлучением. В таблице 1 представлены основные геометрические параметры исследованных эпитаксиальных слоев ZnCdSe и двойных гетероструктур ZnSe|ZnCdSe|ZnSe•. толщины буферного слоя ZnSe, ямы ZnCdSe и верхнего защитного слоя ZnSe, и основные характеристи ки К Л при Т = 40 К: длина волны максимума линии излучения, ее интенсивность и ширина на полувысоте. Здесь также для каждого образца приведены значения критиче ской толщины при превышении которой рост слоя ZnCdSe на буферном слое ZnSe для гетероструктур, или на подложке ОаАв для эпитаксиальных слоев, происходит с образованием дислокаций несоответствия. Эти значения вычислялись по методике, описанной в [9], при этом рассогласование кристаллических решеток оценивалось по спектральному положению линии излучения. Анализ данных, представленных в таблице, показывает, что основным фактором, определяющим ширину линии излучения и ее интенсивность, является отношение толщины к слоя ZnCdSe к критической для данного состава твердого раствора. Это наглядно демонстрируется на рис. 2. При толщине слоя ZnCdSe больше критической наблюдается заметное уширение линии излучения и уменьшение ее интенсивности, что объясняется образованием дислокаций при к > Дс, компенсирующих внутренние упругие напряжения, связанные с рассогласова нием периодов кристаллических решеток буферного слоя ZnSe или подложки СаАз и слоя ZnCdSe. Относительно низкая интенсивность самой левой экспериментальной точки может быть объяснена слишком малым содержанием Cd в яме ZnCdSe, а следовательно, малоэффективным сбором неравновесных носителей и слабым поглощением излучения обкладочных слоев ZnSe.
Несмотря на то, что устройство перемещения ростовой подложки в процессе роста существенно улучшило однородность толщины эпитаксиальных слоев, однородность состава слоев твердого раствора ZnCdSe оказалась недостаточно высокой. Изменение длины волны максимума линии излучения при переходе от центральной области к периферийным областям пленки, выращенной на подложке диаметром 40 мм, составляло в ряде образцов несколько десятков иле, что соответствовало изменению концентрации С Л до 20%. Не удалось получить необходимую однородность состава твердого раствора и от слоя к слою в периодических структурах. На рис. 3 представлено сравнение спектров К Л при 40 К для трех образцов: с одной ямой ZnCdSe толщиной 20 и ж, двадцатью и
д, мэВ 100
I, отн. ед.
1000
-1.5 -0.5 0.5 1.5 2.5 1ое(И/Ю
ч и
I &
£
и о X со
к
0
1
к ¡-
X
1 А.
лч.
гпБе Дх 200 -1 Г' 1 1 ! V 1
440 450 460 470 480 490 500 Длина волны, им
Рис. 2. Зависимости ширины А и интенсивности I линии излучения (Т = 40 К) двойной ге-тероструктуры ZnSelZnCd.Se/ZnSe от логарифма толщины /г ямы ZnCdSe, приведенной к критическому для когерентного роста значению Ис.
Рис. 3. Спектры КЛ при Т = 40 К трех образцов: двойной гетероструктуры ZnSe/ZnCdSe/ZnSe с одной ямой ZnCdSe толщиной 20 нм (кривая 1) и периодически / структур ZnCdSe/ZnSe с двадцатью (кривая 2) и ста (кривая 3) ямами ZnCdSe толщиной 10 нм, разделенными барьерами ZnSe толщиной 30 нм. Стрелкой показано положение линии генерации при Т = 80 К.
ста ямами ZnCdSe толщиной 10 нм, разделенными барьерами Zn.Se толщиной 30 нм. Видно, что образец с одной ямой имеет достаточно узкую гладкую линию излучения. Поэтому сложный спектр КЛ образца с двадцатью ямами можно интерпретировать как совокупность линий излучения различных ям ZnCdSe, состав которых изменялся в процессе выращивания. У образца со 100 ямами спектр более узкий и не имеет заметной структуры. Однако наличие широкого пьедестала под основной линией свидетельств\-е : о том, что различие в составах ям не меньше, чем у образца с 20 ямами.
Лазерные экраны, изготовленные из эпитаксиальных слоев ZnSe, у которых оптическое качество ростовой поверхности сохранялось вплоть до толщин в 10 мкм, имел]! высокие параметры излучения при комнатной температуре. При толщинах активного
слоя ZnSe лазерного экрана 7-9 мкм была достигнута мощность генерации до 2 Вт на длине волны 470 нм с эффективностью преобразования энергии электронного пучка 2,5%. Порог генерации при Ее = 65 кэВ составил величину 2 • 106 Вт/см2. Следует отметить также высокую однородность параметров генерации по площади лазерного экрана в пределах до 2 см2 в режиме телевизионной развертки электронного пучка. При толщине активного слоя менее 4 мкм генерация наблюдается в одной продольной моде резонатора. Эти данные показывают возможность использования эпитаксиальных слоев Zn.Se в лазерных экранах ЛЭЛТ. Однако существенного улучшения характеристик по сравнению с объемными кристаллами [2] получено не было. Это говорит о том, что качество материала ZnSe, по-видимому, уже не определяет порог генерации.
К сожалению, из-за значительного различия состава от ямы к яме нам не удалось получить генерацию на излучательных переходах в ямах периодических структур ZnCd.Se/ZnSe. Интересно однако, что на лазерном экране из периодической структуры со 100 ямами генерация все же наблюдалась как при Т = 80 К на д^ине волны 455 нм (обозначена стрелкой на рис. 3), так и при 300 К на длине волны 471 нм. Положение линии генерации свидетельствует о том, что оптическое усиление достигается в барьерных слоях ZnSe, а ямы ZnCdSe просветляются. Порог генерации при этом был поч! и на порядок выше, чем в лазерах на основе чистого ZnSe.
Таким образом, в работе продемонстрирована перспективность использования метода эпитаксиального роста из элементоорганических соединений для изготовления лазерных экранов ЛЭЛТ, излучающих в синей области спектра. Однако его использование для создания более перспективных периодических гетероструктур, содержащих Брег говские зеркала, связано с решением проблемы однородности состава слоев твердого раствора.
Эта работа поддержана Российским фондом фундаментальных исследований (грант N0. 95-02-05646-А).
ЛИТЕРАТУРА
[1] N a s i b о v A. S., К о z 1 о v s к у V. I., Reznikov P. V., Skasyrsky Ya. К., Popov Yu. М. J. Cryst. Crowth, 117, 1040 (1992).
[2] К о z 1 о v s к у V. I., Nasibov A. S., Popov Yu. M., Reznikov P. V., Skasyrsky Ya. K. Full color L-CRT projector. IS&T/SPIE Symposium
on Electronic Imaging: Science &; Technology, Conf. 2407: Projection Displays, 5-10 February 1995, San Jose, CL, USA.
[3] D e P u у d t J. M., H a a s e M. A., G u h a S. et al. J. Cryst. Growth, 138, 667 (1994).
[4] I s h i b a s h i A., Mori Y. J. Cryst. Growth, 138, 677 (1994).
[5] P e t r u z z e 1 1 о J., Drenten R., and Gaines J. M. J. Cryst. Growth, 138, 685 (1994).
[6] Б а с о в H. Г., Дианов Е. М., Козловский В. И. и др. Квантовая электроника, 22, 756 (1995).
[7] Ж у р а в л е в JI. А., Кузнецов П. И., Насибов А. С. и др. Квантовая электроника, 9, 1887 (1982).
[8] К о г о s t е 1 i n Yu. V., Kozlovsky V. I., N a s i b о v A. S.,
S h a p k i n P. V. Vapour growth and characterization of bulk ZnSe single crystals, Scientific Program E-MRS Spring Meeting, May 22-26, 1995, D-l, Strasbourg, France, будет опубликовано в J. Cryst. Growth.
[9] Parbrook P. J., Henderson В., O'Donnell K. P., Wright P. J., Cockayne B. J. Cryst. Growth, 117, 492 (1992).
Поступила в редакцию 25 декабря 1995 г.
