Полупроводниковые гетероструктуры с квантовыми точками : Получение, свойства, лазеры

• Автор: Устинов, Виктор Михайлович
• Шифр специальности: 01.04.10
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 1998
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 39 с.; 20х15 см

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. В настоящее время интерес к структурам с пониженной размерностью в физике и технике полупроводников обусловлен как возможностью изучения новых физических эффектов, так и необходимостью улучшения свойств существующих и создания новых поколений полупроводниковых приборов. Принципиальная возможность создания низкоразмерных структур в полупроводниках появилась после получения совершенных гетеропереходов [1*], а техническая - с развитием современных технологий, в частности молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ), технологического метода, позволяющего контролировать толщину выращиваемых структур с точностью до одного монослоя [2*].
Когда движение носителей заряда ограничено областью с характерными размерами порядка длины волны де-Бройля, энергетический спектр и основные характеристики системы начинают зависеть от ее размеров. В этом состоит проявление квантоворазмерного эффекта, и структуры, свойства которых определяются этим эффектом, называются низко-размерными.
Приборы, принцип действия которых основан на эффектах размерного квантования, широко вошли в повседневную практику, значительно продвинув технику вперед. Это полупроводниковые лазеры в системах оптических коммуникаций и проигрывателях компакт-дисков, это транзисторы с высокой подвижностью электронов в системах спутниковой связи и многие другие. В этих приборах эффект размерного квантования проявляется в одном направлении, направлении роста структуры, при этом движение носителей в плоскости слоя остается свободным. Новый качественный скачок в характеристиках приборных структур, а также появление приборов,использующих новые фундаментальные физические эффекты, связывается со структурами, в которых квантоворазмерный эффект проявляется во всех трех измерениях. Такие структуры получили название квантовые точки [3*].
Привлекательность подобных структур обусловлена, в первую очередь спектром лектронных состояний, который представляет собой набор дискретных уровней. В этом тучае принципиально исключено тепловое уширение спектра, спектральное положение .гний контролируется с предельно-допустимой точностью, и все носители заряда в лет еме квантовых точек обладают одинаковой энергией в случае точек одинакового .замера. Было предсказано [3 ], что в полупроводниковых лазерах эти свойства должны
приводить к резкому увеличению усиления, снижению пороговой плотности тока и отсутствию ее температурной зависимости, возрастанию рабочих частот и сверхузкому спектру генерации.
Чтобы продемонстрировать на практике свои принципиальные преимущества, должны быть синтезированы квантовые точки, отвечающие следующим основным требованиям [4*]. Минимальный размер точки определяется наличием хотя бы одного электронного состояния, максимальная величина ограничена условием отсутствия теплового заполнения соседних энергетических уровней в точке. Кроме того, для приборных применений не должно быть дефектов и дислокаций, а также существенной скорости интерфейсной рекомбинации. Синтезированный массив квантовых точек должен быть плотным, чтобы обеспечить необходимое усиление, и однородным, так как сильные флуктуации размеров приведут к уширению спектра. Важным условием является также возможность матрицы обеспечить протекание тока и сбор носителей в квантовые точки.
Ко времени начала работы квантовые точки создавались путем травления структур с квантовыми ямами, роста на профилированных подложках или в стеклянных матрицах. Все эти методы приводили к созданию квантовых точек, которые не удовлетворяли перечисленным требованиям, что полностью исключало приборное применение. Задача получения структур с квантовыми точками совместимых с современной технологией полупроводниковых приборов обусловила необходимость синтеза структур с трехмерным ограничением носителей заряда непосредственно в процессе эпитаксиального роста, оптимизации технологических режимов их выращивания, исследования энергетического спектра, структурных и физических свойств.
Таким образом, данная диссертационная работа, впервые посвященная решению всего комплекса перечисленных проблем, является актуальной как с научной, так и с практической точки зрения.
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ. Цель работы состояла в создании научных основ и разработке воспроизводимой технологии получения структур с квантовыми точками непосредственно в процессе эпитаксиального выращивания полупроводниковых материалов с рассогласованием параметров решетки для научных исследований и применений в полупроводниковых инжекционных лазерах.
Для достижения указанной цели решался следующий комплекс задач:

16. D.Bimberg, N.N.Ledentsov, M.Grundmann, N.Kirstaedter, O.Schmidt, M.H.Mao, V.M.Ustinov, A.Yu.Egorov, A.E.Zhukov, P.S.Kop’ev, Zh.I.Aiferov, S.S.Ruvimov, U.GoseJe, J.Heydenreich, “InAs-GaAs quantum pyramid lasers: in situ growth, radiative lifetimes, and polarization properties”, Jpn. J. Appl. Phys., Part 1, 1996, v. 35, No. 2B, pp. 1311-1319.
17. M.Grundmann, R.Heitz, N.Ledentsov, O.Stier, D.Bimberg, V.M.Ustinov, P.S.Kop’ev, Zh.I.Aiferov, S.S.Ruvimov, P.Wemer, U.Gosele, J.Heydenreich, “Electronic structure and energy relaxation in strained InAs/GaAs quantum pyramids”, Superlatt. Microstr., 1996, v.19, No.2, pp. 81-95.
18. M.Grundmann, N.N,Ledentsov, R.Heitz, L.Eckey, J.Christen, J.Bohrer, D.Bimberg, S.S.Ruvimov, P.Wemer, U.Richter, J.Heydenreich, V.M.Ustinov, A.Yu.Egorov, A.E.Zhukov, P.S.Kop'ev, Zh.I.Aiferov, “InAs/GaAs quantum dots radiative recombinations from zero-dimensional states”, Phys.Stat.Sol.(b), 1995, v.188, pp. 249-258.
19. M.Grundmann, N.N.Ledentsov, O.Stier, D.Bimberg, V.M.Ustinov, P.S.Kop’ev, Zh.I.Aiferov, “Excited states in self-organized InAs/GaAs quantum dots: theory and experiment”, Appl. Phys. Lett., 1996, v. 68, No.7, pp. 979-981.
20. M.Grundmann, N.N.Ledentsov, O.Stier, J.Bohrer, D.Bimberg, V.M.Ustinov, P.S.Kop’ev, Zh.I.Alferov, “Nature of optical transitions in self-organized InAs/GaAs quantum dots”, Phys. Rev. B, 1996, v.53, No. 16, pp. R10509-R10511.
21. N.N.Ledentsov, M.V.Maximov, P.S.Kop'ev, V.M.Ustinov, M.V.Belousov, B.Ya.Meltser, S.V.Ivanov, V.A.Schukin, Zh.I.Aiferov, M.Grundmann, D.Bimberg, S.S.Ruvimov, U.Richter, P.Wemer, U.Gosele, J.Heydenreich, P.D.Wang, C.M. Sotomayor Torres, “Optical spectroscopy of self-organized nanoscale heterostructures involving high-index surfaces”, Microelectronics Journal, 1995, v.26,No.8, pp. 871-879:
22. M.Grundnmann, J. Christen, N.N.Ledentsov, J.Bohrer, D.Bimberg, S.S.Ruvimov, U.Richter, P.Wemer, U.Gosele, J.Heydenreich, V.M.Ustinov, A.Yu.Egorov, A.E.Zhukov, P.S.Kop'ev, Zh.I.Alferov, “Ultranarrow luminescence lines from single quantum dots”, Phys. Rev. Lett., 1995, v.74, pp.4043-4046.
23. R.Heitz, M.Grundmann, N.N.Ledentsov, L.Eckey, M.Veit, D.Bimberg, V.M.Ustinov, A.Yu.Egorov, A.E.Zhukov, P.S.Kop'ev, Zh.I.Aiferov, “Multiphonon-relaxation processes in self-organized quantum dots”, Appl. Phys. Lett., 1996, v.68, No.3, 361-363.
24. R.Heitz, M.Grundmann, N.N.Ledentsov, L.Eckey, M.Veit, D.Bimberg, V.M.Ustinov,
A.Yu.Egorov, A.E.Zhukov, P.S.Kop'ev, Zh.I.Aiferov, “Exciton relaxation in self-organized InAs/GaAs quantum dots”, Surf. Sci., 1996, v.361/362, pp. 770-773.