CC BY
23
УДК 535.37;631.378.35
ЛАЗЕР С ПРОДОЛЬНОЙ НАКАЧКОЙ ЭЛЕКТРОННЫМ
ПУЧКОМ НА ГЕТЕРОСТРУКТУРЕ Сс188е/Сс18,
ВЫРАЩЕННОЙ ПАРОФАЗНОЙ ЭПИТАКСИЕЙ ИЗ МЕТАЛЛООРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
В. И. Козловский, В. Ю. Бондарев, Д. А. Санников, П. И. Кузнецов1, Г. Г. Якущева1
Квантово-размерная структура с 40 квантовыми ямами СдЗЗе/СдБ была выращена методом парофазной эпи-таксии из металлоорганических соединений на гексагональной подложке С ¿Б, разориентированной на 12° относительно плоскости (0001) к направлению (П00). На основе этой структуры был изготовлен резонатор и получено спонтанное излучение на длине волны 614 нм и генерация на длине волны 570 нм при продольной накачке электронным пучком с энергией электронов 40 кэВ и при Т = 80К. Относительно высокий порог лазера и коротковолновый сдвиг линии генерации относительно максимума линии спонтанного излучения были объяснены особенностями зонной диаграммы использованной структуры.
Несмотря на значительные успехи, достигнутые в последнее время в области со здания инжекционных лазеров на основе нитридных и фосфор-содержащих соединений Л3Я5, излучающих в синей и красной областях спектра соответственно, большая часть видимого спектра остается неосвоенной. В этой связи развитие технологии получения
Институт радиотехники и электроники РАН.
квантово-размерных структур из широкозонных соединений и разработка прибо-
ров на их основе по-прежнему остаются актуальными. Новым направлением развития технологии А2Ве является получение квантово-размерных структур с гексагональной кристаллической структурой. Предполагается, что это позволит решить проблему срока службы инжекционных лазеров, с которой пришлось столкнуться в лазерах на основе ZnSe с кубической кристаллической решеткой [1, 2].
Устойчивая гексагональная модификация реализуется в монокристаллах CdS, CdSe и их твердых растворов. Эти монокристаллы успешно используются в лазерных электронно-лучевых трубках [3]. Однако при эпитаксиальном росте пленок этих соединений существует определенная проблема, связанная с увеличением стабильности кубической модификации при низких температурах роста. Первые зеркальные гексагональные пленки CdS, ZnCdS и квантово-размерные структуры ZnCdS высокого структурного качества были получены путем использования гексагональных подложек CdS и ZnCdS [4, 5]. В данной работе представлены результаты дальнейшего улучшения технологии выращивания гомоэпитаксиальных пленок CdS и квантово-размерных структур CdSSe/CdS с использованием разориентированных подложек CdS и создание на основе этих структур первого лазера с продольной накачкой электронным пучком.
Ростовые подложки для эпитаксии изготавливались из пластин, вырезанных из монокристаллов CdS диаметром 50 мм. Монокристаллы были получены из паровой фазы методом свободного роста [6]. Плотность малоугловых границ составляла 10 — 15 см-1, а плотность дислокаций вне этих границ не превышала 104 см~2. Пластины были разори ентированы от базисной плоскости (0001) на угол 12 градусов к одному из направлены! (П00) (поворот вокруг оси (П20)). После шлифовки пластины полировались механп чески с постепенным уменьшением диаметра алмазного порошка, а затем травились в полирующем растворе СгОз/HCl/Н2О. Эпитаксиальный рост проводился в горизонтальном кварцевом реакторе методом парофазной эпитаксии из металлоорганических соединений (ПФЭМОС) при атмосферном давлении. Использовались металлоорганичс ские соединения: диметилкадмия (DmeCd), диэтилсульфида (DetS) и диметилселенида (DmeSe), и водород в качестве газа-носителя. Рост проводился при температуре подложки 370°С.
Было выращено несколько структур толщиной 3-4 мкм, содержащих 30 40 кван товых ям (КЯ) CdSSe/CdS, равномерно распределенных по толщине. Основываясь на опытах по росту толстых пленок CdSSe, предполагалось, что состав КЯ близок к CdSo.bSeo.e а ширина КЯ равна 3-4 нм. Структуры имели зеркальную поверхность
и высокую интенсивность излучения с максимумом вблизи 630 нм при накачке излучением азотного лазера при комнатной температуре и интенсивности накачки менее 105 Вт!см2 (А = 337 нм). Полуширина линии излучения составила 140 мэВ.
Рис. 1. Схема выращенной структуры CdSSe/CdS и лазерного элемента, изготовленного на ее основе.
На основе одной из структур с 40 КЯ был изготовлен резонатор для лазера с продольной накачкой электронным пучком. Схема выращенной структуры и резонатора представлены на рис. 1. Использовалась следующая технология изготовления резонатора. Сначала структура была приклеена оптической смолой на вспомогательную стеклянную подложку. Шлифовкой и механической полировкой ростовая подложка CdS была практически вся удалена за исключением 15 - 20 мкм вблизи нарощенной гетг роструктуры. Далее полированная поверхность оставшегося слоя ростовой подложки травилась в полирующем растворе Сг03 + HCl + Н20 для удаления 3-5 мкм нарушенного слоя. На обработанную поверхность напылением в вакууме наносилось первое 12-слойное диэлектрическое зеркальное покрытие из чередующихся четвертьволновых слоев SiÜ2 и Гг02 с максимумом отражения при А = 620 нм. Поверхность с зеркалом
100 пш СёБ - верхний слой
4 пш СаБ0 58е0 5 - 40 Кя 100 пш С(1Я - барьерных слоев
100 пш СМЯ - буферный слой
С<18 - подложка
Слой AI
Зеркало из 7 пар слоев 8102/Т1С>2 Квантовые ямы Область возбуждения
Буферный слой (CdS)
Подложка (Сс1Я) Зеркало из 6 пар слоев 8102/"ПС>2 /С-Оптический клей Сапфир
е~- beam
приклеивалась к полированной с двух сторон сапфировой подложке высокотемпературным оптическим клеем. Затем вспомогательная стеклянная подложка удалялась при нагреве получившейся сборки до температуры 100°С. Освободившаяся ростовая поверхность структуры очищалась от остатков оптической смолы, и на нее наносилось второе 14-слойное зеркальное покрытие из 5г02/Тг02 слоев и слой А1 толщиной 0.1 мкм.
Полученный резонатор помещался в разборную вакуумируемую электронно-лучевую установку и исследовался при продольной накачке сканирующим электронным пучком с энергией электронов Ее = 35 — 50 кэВ и током до I — 1.5 ж Л. Сканирование осуществлялось вдоль выбранной строки со скоростью 4 • 105 см/с и частотой повторения 50 Гц. Минимальный диаметр электронного пятна на образце составлял с1е = 25 мкм при минимальном токе, но с увеличением тока заметно увеличивался до 40 — 50 мкм при токе I = 1.5 мА. Исследования резонатора проводились при комнатной температуре и тем пературе жидкого азота (Г = 80 А'). Порог генерации фиксировался по возникновению ярких точек вдоль строки сканирования при наблюдении ближней зоны в микроскоп МБС-9. Появление генерации сопровождалось появлением направленности излучения в дальней зоне с полным углом расходимости примерно 15 градусов. Изображение строки излучения резонатора проектировалось на входную щель монохроматора МДР-4, а на выходной щели монохроматора помещалась линейка фотоприемников. Спектр излучения резонатора измерялся за один проход строки. Линейка фотоприемников была собрана в Институте спектроскопии РАН.
К сожалению, при комнатной температуре не удалось наблюдать режим генерации. Генерация была получена при Т = 80 А'. Пороговый ток при Ее = 40 кэВ был равен Ад = 0.2 м А, что соответствовало плотности тока примерно = 80 А/см2. Спектр излучения резонатора при Ее = 40 кэВ, / = 1.5 м А и различных значениях ¿е представлен на рис. 2. По вертикальной шкале отложена спектральная плотность интенсивности излучения в относительных единицах. Ширина щелей монохроматора увеличивалась пр;: расфокусировке электронного пятна, что приводило к уменьшению спектрального разрешения для слабых сигналов. При большом электронном пятне (<4 = 1 мм) спектр излучения содержал одну линию спонтанного излучения с максимумом вблизи А = 614 нм. С уменьшением с?е, что соответствует увеличению интенсивности возбуждающего пучка, спектр уширяется с коротковолновой стороны до возникновения режима генерации Генерация при небольшом превышении над порогом достигалась на одной продольной моде вблизи 570 нм. Сдвиг линии генерации относительно максимума излучения при
низком уровне накачки составил величину, примерно равную 165 мэВ. При максимальном превышении над порогом генерация наблюдается на двух-трех продольных модах резонатора (не показано на рис. 2). Максимум огибающей спектра генерации изменяется в зависимости от положения электронного пучка на образце в пределах 570 — 580 нм. что связано с неоднородностью выращенной структуры.
1000
« 4>
| 8000 А
§ 6000
X я
2ч
х 4000
4) Н Я
S 2000 0
560 580 600 620 640 660 X, пш
.1_>_I_.1.1
CdSSe/CdS 40 QW VCSEL 80 K. 40 k e V , 1-5 mA
- del<de2<de3<de4<de5<de6
■ del
J de4
---- ----------, d-f LJ
Рис. 2. Спектры излучения резонатора при Е = 40 кэВ, I = 1.5 мА, Т = 80 А' и различны.! диаметрах электронного пучка де.
Возникновение генерации на коротковолновом крае спектра излучения КЯ, полу ченного при малых интенсивностях возбуждения, и относительно высокий порог гене рации мы связываем с особенностью зонной диаграммы использованной гетерострук-туры. Аналогичный сильный коротковолновый сдвиг линии излучения с увеличением интенсивности оптического возбуждения наблюдался ранее в многослойных структурах СдБе/СдБ с малым периодом (10 нм) [7, 8]. Полученные результаты были объяснены в предположении, что гетероструктура С ¿Бе/СдБ является гетероструктурой П-го типа, причем слои СдБе являются энергетическими ямами для дырок, а слои С дБ для электронов. Разрыв зоны проводимости был оценен величиной 230 мэВ. Следуя данным представлениям и предполагая линейное изменение разрывов зон с концентрацией 5'е в КЯ СйБЭе/СдБ, получаем, что разрыв зоны проводимости в использованной нами структуре с 50%-й концентрацией Бе ожидается равным примерно АЕС — 115 мэВ, в то время как разрыв валентной зоны АЕУ = 480 мэВ. При такой зонной диаграмме неравновесные носители, создаваемые электронным пучком, разделяются в пространстве
вдоль направления чередования слоев: электроны скапливаются в широких слоях Сс/5, а дырки - в узких слоях СйБве. Излучательная рекомбинация идет вблизи гетерогра-ницы при относительно малом перекрытии волновых функций электрона и дырки. В этих условиях высокая интенсивность излучения при малой плотности тока электрон ного пучка свидетельствует о высоком качестве полученной структуры, об отсутствии других каналов рекомбинации, связанных с возможными дефектами на гетерограницах Однако при непрямых в пространстве переходах коэффициент усиления мал и генерация на них не наблюдается.
Увеличение плотности тока приводит к увеличению концентрации электронов в слоях СЛУ и дырок в слоях СйББе. Соответственно увеличиваются и квазиуровни Ферми для электронов и дырок, если их отсчитывать от краев зон. При этом спектр излучения должен уширяться в коротковолновую сторону, поскольку коротковолновая граница спектра определяется рекомбинацией электрона и дырки с квазиуровней Ферми. Когда уровень Ферми для электронов приблизится к вершине энергетического барьера, вызванного разрывом зоны проводимости на гетерогранице, то становятся возможны прямые в пространстве переходы в слое СйББе. При этих плотностях тока создаются условия для достижения высокого коэффициента усиления и достижения генерации. Для объемного С ¿в с эффективной массой электрона те = 0.20-5то заполнение зоны проводимости до уровня АЕС соответствует концентрации электронов 1.6 • 1019с.и~3. Эта концентрация соответствует пороговому значению для плотности тока электронного пучка ]1Ь. = 80 А/см2 при разумном значении - 1 не - для времени жизни электронов [3]. При такой же объемной концентрации дырок их слоевая плотность будет равна 4 • 1013 см~2, если толщина слоя Св-Бве равна 4 нм, что в 25 раз меньше толщины слоя С ¿8. В этом случае уровень Ферми в С ¿Б Бе слое опустится до Еь,гн — 73мэВ относи тельно потолка валентной зоны в предположении, что эффективная масса дырок равна шд = 1.07то (расчет был сделан аналогично [9]). При этом первый уровень для дырок отстоит от края зоны на энергию Ем = 18 мэВ. Таким образом мы получаем, что прямые переходы в КЯ начинают давать усиление при энергетическом сдвиге относительно максимума линии спонтанного излучения Аки = ДЕс + — Е^) = ПОмэВ, что близко к экспериментально замеренной величине 165 мэВ.
Проведенный анализ показывает, что следует ожидать существенного уменьшения порога генерации при использовании гетероструктуры 1-го типа, обеспечиваю щей эффективную локализацию в КЯ как дырок, так и электронов. В рамках использованной технологии такими структурами могут быть структуры Сс18/ЕпСс1$ ит
CdSSe/ZnCdS.
Авторы благодарят Я. К. Скасырского и Ю.В. Коростелина за помощь в работе. Работа выполнена при поддержке программой Президиума РАН "Низкоразмерные квантовые структуры", федеральной программой "Физика твердотельных наноструктур" и РФФИ, гранты 01-02-16409 и 01-02-17364.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Т a m а г g о М. С., Z е п g L., L i n W,Guo S., and L u о Y. Y. Proc 2nd Int. Symp. Blue Laser & Light Emitting Diodes, Chiba, 1998 (Ohmsha, Tokyo, 1998), p. 703.
[2] J i a A., Furushima Т., Kobayashi M., et al. J. Crystal Growth, 214/215, 1085 (2000).
[3] Козловский В. И., Попов Ю. М. Квантовая электроника, 33, N 1, 48 (2003).
[4] Козловский В. И., Скасырский Я. К., Кузнецов П. И., и др. Краткие сообщения по физике ФИ АН, N 1, 29 (2002).
[5] К о z 1 о v s к у V. I., Martovitsky V. P., Sannikov D. A., et al. J. Crystal Growth, 248, 62 (2003).
[6] Д а в ы д о в А. А., Ермолов В. H., Н е у с т р о е в С. В., Павлова JI. П. Неорг. матер., 28, 42 (1992).
[7] Н а 1 s а 1 1 М. Р., N i с h о 1 1 s J. Е., D a v i е s J. J., et al. Surface Science, 228, 41 (1990).
[8] В r a d 1 e у I. V., С r e a s e у J. P., and 0' D о n n e 1 1 K. P. J. Crystal Growth, 184/185, 728 (1998).
[9] К о z 1 о v s к у V. I., К о г о s t e 1 i n Yu. V., P о p о v Yu. M., et al. Phys. Stat. Solidi (B), 229, 1033 (2002).
Поступила в редакцию 17 января 2003 г.
