автореферат диссертации по электронике, 05.27.03, диссертация на тему:Квантоворазмерные эффекты в двумерных гетероструктурах на основе ZnO, полученных методом импульсного лазерного напыления

Лотни Андрей Анатольевич

КВАНТОВОРАЗМЕРНЫЕ ЭФФЕКТЫ В ДВУМЕРНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУРАХ НА ОСНОВЕ ХпО, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ ИМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРНОГО НАПЫЛЕНИЯ

Специальность: 05.27.03 - «Квантовая электроника»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Шатура-2011

2 4 [им? 2и(7

4841080

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте проблем лазерных и информационных технологий РАН

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук, с.и.с.

Новодворский Олег Алексеевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Глова Александр Федорович кандидат физико-математических наук, с.н.с.

Большаков Андрей Петрович

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН

Защита диссертации состоится « 14 » апреля 2011 г. в /5"часов на заседании диссертационного совета Д 002.126.01 в Институте проблем лазерных и информационных технологий РАН по адресу: 140700, МО г. Шатура, ул. Святоозерская, д. 1, Круглый зал.

С текстом автореферата можно ознакомиться па сайте ИПЛИТ РАН по адресу: http://www.laser.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИПЛИТ РАН.

Автореферат разослан « /¿7» марта 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.ф.-м.н., с.н.с.

Дубров В.Д.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертационная работа посвящена созданию пленок тройных растворов и структур пониженной размерности на основе оксида цинка методом импульсного лазерного напыления, исследованию их структурных, оптических и электрических свойств, а также разработке светоизлучающих диодов на основе двойной гетероструктуры для элементной базы и устройств квантовой электроники.

Актуальность работы. Разработка методов создания новых структур пониженной размерности - квантовых ям (КЯ), нитей и квантовых точек и исследование их свойств диктуется потребностями быстро прогрессирующих современных нанотехнологий. Изучение наноструктур пониженной размерности имеет фундаментальное значение для понимания поведения вещества наноразмерных масштабов и представляет большой интерес для практического применения.

В квантовых ямах, вследствие ограничения носителей тока в узкозонном слое, проявляется эффект размерного квантования, обуславливающий новые свойства двумерных носителей тока. С помощью современных технологий осаждения пленок удается получать многослойные структуры с контролируемым составом и толщиной слоев, что позволяет конструировать параметры зонной структуры и энергетический спектр носителей тока. Достойное место среди методов эпитаксии полупроводниковых пленок и гетероструктур занимает метод импульсного лазерного напыления благодаря своей простоте и гибкости.

В последнее время наблюдается повышенный интерес исследователей к широкозонным полупроводникам, поскольку оптоэлектронные приборы на их основе способны работать в видимой и УФ спектральной областях. В качестве материалов для создания низкоразмерных структур широко используются такие полупроводники, как нитрид галлия, карбид кремния, селенид цинка и др. Среди них особое место занимает оксид цинка, поскольку он обладает рекордной среди полупроводников энергией связи экситонов (60 мэВ), температурной и радиационной стойкостью. Ожидается, что оптоэлектронные устройства на его основе будут способны работать в УФ диапазоне при температурах значительно превышающих комнатную. Применение квантоворазмерных систем на базе ХпО в качестве активной области в оптоэлектронных устройствах позволит увеличить их квантовую эффективность и снизить пороговую плотность тока.

По этой причине получение низкоразмерных структур на основе оксида цинка, в частности квантовых ям, и исследование квантоворазмерных эффектов в них представляется весьма перспективным как с фундаментальной, так и с практической точки зрения.

Целью работы является получение методом импульсного лазерного напыления эпитаксиальных пленок тройных растворов Гу^х2п1_х0 и С(1у7п1_уО, исследование квантоворазмерных эффектов в двумерных гетероструктурах на их основе, обуславливающих возможность управления энергией связи экситона и квантовой эффективностью люминесценции в квантовых ямах.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:

1. Разработка и создание экспериментальной установки для импульсного лазерного напыления тонких пленок тройных растворов, множественных квантовых ям (МКЯ) и светоизлучающих гетероструктур на основе оксида цинка.

2. Исследование пределов растворимости магния и кадмия в пленках тройных растворов и Сё^п^О с кристаллической структурой вюрцита и определение оптимальных условий эпитаксиального роста пленок.

3. Создание методом импульсного лазерного напыления множественных квантовых ям MgxZnl.xO/ZnO, исследование их структурных и оптических свойств и определение соотношения разрывов в зоне проводимости и в валентной зоне (АЕс/АЕу).

4. Исследование эффектов размерного квантования в двумерных гетероструктурах MgxZni.nO/ZnO.

5. Исследование эффекта стимулированного излучения во множественных квантовых ямах М§^п1_х0/2п0 при оптической импульсной накачке.

6. Создание светоизлучающих диодов на основе двойной гетероструктуры MgxZni.xOZCdyZni.yO/p-GaN и исследование их электрооптических свойств.

Научная новизна результатов диссертационной работы, состоит в следующем:

1. Показано, что эпитаксиальные пленки MgxZnl.xO и Сс^п^уО, полученные методом импульсного лазерного напыления, сохраняют кристаллическую структуру вюрцита при концентрациях магния и кадмия до 35 ат.% и 30 ат.% соответственно.

2. Установлено, что рассогласование параметров кристаллической решетки полученных пленок MgxZnl.xO и Сс^п^уО в плоскости роста не превышает 1% в диапазоне концентраций магния 0<х<0,35 и кадмия 0<у<0,2, а разрыв ширины запрещенных зон достигает рекордного значения 1,3 эВ при х=0,35 ку=0,2.

3. Показано, что энергия связи экситона в двумерных гетероструктурах Mgo.27Zno.73O/ZnO с шириной ямы ¿„,=1,5 нм более чем в 2 раза превышает энергию связи экситона в объемном кристалле оксида цинка.

4. Установлено, что интенсивность фотолюминесценции множественных квантовых ям Mgo.27Zno.73O/ZnO немонотонно изменяется с уменьшением ширины ямы ¿„, достигая максимального значения при ¿„,=2,6 нм.

5. Впервые обнаружен эффект стимулированного излучения во множественных квантовых ямах MgxZnl_xO/ZnO в ближнем УФ диапазоне при накачке эксимерным КгР лазером. Порог возбуждения стимулированного излучения зависит от ширины квантовой ямы Ь„, его минимальное значение составило 210 кВт/см2 при ¿„,=5,2 нм.

6. Впервые получена электролюминесценция диодов на основе двойной гетероструктуры п^г\ОИ-ТпО/р-СаЫ и я-М§о^По,80//-Сс1о^По180/р-ОаМ.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Метод импульсного лазерного напыления позволяет выращивать пленки MgxZnl.xO и СЛуЪп\.уО со структурой вюрцита, разница ширины

запрещенных зон которых достигает величины 1,3 эВ при рассогласовании параметров кристаллической решетки в плоскости роста (Аа/а) менее 1%.

2. Соотношение разрывов в зоне проводимости и в валентной зоне (АЕс/АЕу) в гетероструктурах MgxZni.xO/ZnO составляет 0,65/0,35 и не зависит от содержания магния в исследованном диапазоне растворимости.

3. Интенсивность фотолюминесценции, характеристическая температура Эйнштейна и энергия связи экситона в двумерных гетероструктурах MgxZni_xO/ZnO зависят от ширины ямы немонотонно, проходя через максимум.

4. При оптической накачке квантовых ям MgxZni.xO/ZnO, выращенных на плоскопараллельных сапфировых подложках, наблюдается стимулированное излучение в ближнем УФ диапазоне, порог возбуждения которого зависит от ширины квантовой ямы.

Практическая значимость работы заключается в создании методом импульсного лазерного напыления двумерных гетероструктур на основе оксида цинка, которые могут быть применены в качестве активного элемента в устройствах квантовой электроники. Внедрение метода импульсного лазерного напыления в технологию производства элементной базы и устройств квантовой электроники может привести к снижению их стоимости. ::

Апробация результатов работы. Материалы диссертационной работы докладывались на всероссийских и международных научных конференциях:

1. I и III Международный форум по нанотехнологиям, г. Москва (2008,2010);

2. 16th, 17th and 18th International Conference on Advanced Laser Technologies, Siofok, Hungary (2008); Antalya, Turkey (2009); Egmond aan Zee, Netherlands (2010);

3. The International Conference on Coherent and Nonlinear Optics and the .Laser, Applications, and Technologies Conference (ICONO/LAT 2010), Kazan, Russia, (2010);

4. X International Conference "Laser and Laser-Information Technologies: Fundamental Problems and Applications" (ILLA'2009), Smolyan, Bulgaria, (2009);

5. X International conference "Fundamentals of Laser Assisted Micro- & Nanotechnologies (FLAMN'10), St. Petersburg-Pushkin, Russia (2010);

6. Четырнадцатая всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых, г. Уфа (2008);

7. IX, X и XI Межвузовская научная школа молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине» ИИИЯФ МГУ, г. Москва (2008,2009, 2010);

8. Всероссийская научная школа для молодежи «Концентрированные потоки энергии в индустрии наносистем, материалов и живых систем» МИЭМ, г. Москва (2009);

9. 2-ая международная конференция/молодежная школа-семинар «Современные нанотехнологии и нанофотоника для науки и производства», г. Владимир (2009);

а также на научных семинарах ИПЛИТ РАН под руководством академика В.Я. Панченко и профессора B.C. Голубева, г. Шатура, 2008-2010.

Работа поддерживалась грантами РФФИ: проекты 09-02-01298_а, 09-02-00366_а, 09-07-00208_а, 09-08-00291_а, 09-02-12108_офи_м; проект МНТЦ 3294, Государственный контракт Федерального агентства по науке и инновациям № 02.513.11.3169.

Достоверность. Получение образцов и исследования их физических свойств проводились на современном оборудовании. Результаты диссертационной работы неоднократно докладывались и подробно обсуждались на международных конференциях. Общее согласование с результатами других исследователей также подтверждает достоверность результатов работы.

Личный вклад автора. Автор является непосредственным разработчиком экспериментальной установки для импульсного лазерного напыления квантовых ям. Результаты по исследованию особенностей роста пленок выполнены совместно с соавторами опубликованных работ. Образцы и результаты исследований характеристик тонких пленок тройных растворов и многослойных структур, изложенные в диссертационной работе, являются оригинальными, они получены лично автором. Постановка задач исследований, определение методов их решения и интерпретация результатов выполнены под руководством к.ф.-м.н. Новодворской) O.A.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 13 научных работах, в числе которых 7 статей в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов диссертации, и в 2 патентах РФ на полезную модель.

Структура и объем. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы из 138 наименований и одного приложения. Основная часть работы изложена на 149 страницах, содержит 82 рисунка и 8 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбора темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи, обсуждается новизна и практическая значимость работы, приведены основные положения, выносимые на защиту, и дано краткое содержание работы по главам.

В главе 1 представлен обзор литературы по теме диссертационной работы. Глава состоит из шести разделов и выводов. Проведен анализ литературы по гетероструктурам и их классификации, обсуждаются основные достоинства гетероструктур и принцип построения зонных диаграмм. Рассмотрены методы и механизмы эпитаксиального роста тонких пленок и многослойных гетероструктур, а также приведено обоснование выбора метода импульсного лазерного напыления для роста исследуемых пленок и многослойных гетероструктур. Описаны основные физические свойства оксида цинка, кристаллическая структура и параметры решетки, зонная структура и проанализирована литература по исследованию экситонов, наблюдаемых в

оксиде цинка. Приведен краткий обзор по созданию гетероструктур на основе оксида цинка и перспективы их приборного применения в настоящее время.

Глава 2 посвящена описанию экспериментальной установки, предназначенной для выращивания тонких полупроводниковых пленок и многослойных гетероструктур, методам исследования их структурных, оптических, электрических свойств, а также морфологии и химического состава.

В первом разделе подробно описана экспериментальная

установка. Для роста тонких пленок и многослойных структур был применен метод импульсного лазерного напыления и разработана

экспериментальная установка на базе вакуумного универсального поста ВУП-5 и эксимерного KrF лазера LC7020 (Я=248 нм, £=400 мДж). Схема установки приведена на рис.1. Вакуум в рабочей камере достигался с помощью турбомолекулярного насоса (ВВ-150) и криогенного насоса CTI Cryogenics, а в качестве форвакуумного насоса использовался спиральный насос Scroll Meister. Использование системы откачки в такой конфигурации позволяет достигать остаточный вакуум не хуже 10"7 Topp с относительно низким содержанием водорода и углерода.

Проблема капель, образующихся на поверхности пленок в процессе роста, была решена с помощью применения запатентованного скоростного сепаратора. Таким образом, разработана экспериментальная установка, позволяющая выращивать эпитаксиальные тонкие пленки и многослойные гетероструктуры на основе оксида цинка для приборного применения.

Глава 3 посвящена созданию тонких пленок тройных растворов MgxZni_ хО и CdyZni.yO, а также двумерных гетероструктур на их основе и исследованию их структурных, оптических, электрических свойств, морфологии и химического состава.

Управление шириной запрещенной зоны Eg полупроводников является одной из важнейших задач при конструировании различных гетероструктур и создании различных оптоэлектронных устройств на их основе. Изменение Eg в полупроводниках A"Bw (или AmBv) может быть достигнуто посредством частичного замещения элементов А (либо В) элементами той же группы периодической системы химических элементов. Для вариации ширины запрещенной зоны оксида цинка в настоящее время широко применяют такие бинарные соединения, как MgO и CdO. Поскольку оксид цинка обладает гексагональной кристаллической структурой вюрцита, а оксиды магния и

Рис.1. Схема экспериментальной установки: 1 - эксимерный КгР лазер, 2 - поворотное зеркало, расположенное на сканаторе, 3 -собирающая линза, 4 - вакуумная камера, 5 - мишень, 6 - барабан смены мишеней, 7 - подложка, 8 - нагреватель подложки, 9 -сепаратор частиц, 10 - система вакуумных насосов, 11 - система синхронизации сепаратора с лазером, 12 - персональный компьютер, 13 - система газонапуска.

кадмия кубической, то рост тройных растворов Г^х2п1.х0 и Сс1у7П|.уО со структурой вюрцита во всем диапазоне значений х и у не представляется возможным. Поэтому одной из ключевых задач стало определение пределов растворимости и Сс1 в ТпО с кристаллической структурой вюрцита.

Были получены и исследованы серии образцов пленок Сс1^п].уО и К^^ги. хО толщиной 300 нм с концентрацией кадмия _у=0-Ю,35 и магния ,х=0^0,45 соответственно. Структурные характеристики пленок М§х2п1_хО и Сё^п^уО определялись методом рентгеновской дифракции. Показано, что пленки М£хгпи хО и Сё^п^уО сохраняют кристаллическую структуру вюрцита с ориентацией вдоль оси с (00.1) в диапазоне значений х=(0-Ю,35) и у=(0-Ю,3). Пленка М§о,45^^0,55^ имела ориентацию (10.1), определить значение параметра а для данного образца не удалось. Сигнал отражения в 20-спектре пленки Cdo.35Zno.65O отсутствовал, что указывает на аморфный характер роста пленки. При этом сигнал отражения от кубической фазы М§0 и СсЮ не наблюдался ни в одном из исследуемых образцов. Таким образом, предел растворимости магния в тройном растворе 1^х7пихО составил 35 ат.%, а кадмия в Сс^п^О - 30 ат.%. Зависимости параметра кристаллической решетки а и с от концентрации С<1 и в пленках приведены на рис.2.

Методом атомной силовой микроскопии было показано, что шероховатость поверхностей пленок тройных растворов М§хгп1_хО и СйуЪп\. уО лежит в пределах Я ¿=0,8-^2 нм для значений х в диапазоне 0-0,27 и значений >=0-0,15.

Для определения ширины запрещенной зоны Е^ пленок МсхХп1.хО и СйуХп^О были измерены их спектры пропускания. На рис.За приведены спектры пропускания пленок М§хгп1.хО и Сс1у7П|.уО, содержащих магний в диапазоне х=0-Ю,45 и кадмий в диапазоне у=(Н0,3. Значения ширины запрещенной зоны определялись по спектрам пропускания. Как видно из рис.За, увеличение содержания магния в пленках MgxZnl.xO приводит к монотонному

а, А з.з

с, А

Ф V.....

■ ф.ф сагпо м^по . . . . . '

30 10 10 О 10 20 30 40

Содержание Сс1иМ§, ат.%

Рис.2. Зависимости параметров кристаллической решетки а (а) и с (б) пленок Сс^ПьуО и М§х2п1.хО от концентрации в них С<1 и М". Цветом выделена область согласования параметра решетки а (Аа/а<1%)_

сдвигу края фундаментальной полосы поглощения пленок в синюю область, при этом Ек возрастает от 3,3 эВ до 5,72 эВ. Край фундаментальной полосы поглощения пленок Сс^п^О при увеличении у, напротив, сдвигался в красную область спектра, и, ширина запрещенной зоны Ее при этом достигала значения 2,51 эВ при концентрации кадмия 30 ат.%. Пленки М§хгп1_хО и Сс1у7п1.у0 имеют резкий край фундаментальной полосы поглощения вплоть до значения х=0,35 и у=0,3. В спектре пропускания пленки Сс^^По^О наблюдался монотонный спад Т(Х) во всем исследуемом диапазоне длин волн (1100^-200 нм).

Рис.3. Зависимость спектров пропускания Т(Х) (а) и ширины запрещенной зоны Ег (б) пленок Сйу1п\.уО и от концентрации в них Сс1 и Цветом выделена область

согласования параметра решетки а (Дд/а<1%).

Таким образом, метод импульсного лазерного напыления позволяет выращивать ненапряженные (До/я<1%) гетероструктуры Сс^п^О/Ту^^п^О с разрывом запрещенной зоны до 1,3 эВ.

Была выращена серия множественных квантовых ям 1У^о,272по,7зО/2пО с различной шириной ямы Толщина Ъ отдельных барьерных слоев

Г^о,272по,7зО и суммарная толщина т*Ь„ слоев выдерживалась постоянной для всех МКЯ (6=6 нм и т*Ь„=50 нм, т - количество периодов). На рис.4я приведено изображение поперечного сечения десяти КЯ с шириной 20 нм, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа. На рис.4б представлены кривые зеркального отражения для двух структур квантовых ям Mgo.27Zno.73O/ZnO, которые были получены вычитанием распределения диффузного рассеяния из экспериментальной 20 кривой. Наличие эффекта резонансного диффузного рассеяния указывает на корреляцию в морфологии интерфейсов во всей структуре, т.е. шероховатость верхних слоев наследуется от нижних и не превышает 1 нм.

, опт. со.

ь.пун'уан-пч I I 20, град.

Рис.4. СЭМ-изображение поперечного сечения десяти квантовых ям Mgo.27Zno.73O/ZnO, выращенных на сапфировой подложке (00.1) с буферным слоем Mgo.27Zno.73O (а), и кривые зеркального отражения для МКЯ Mgo.27Zno.73O/ZnO с шириной ямы ¿„=5,2 нм и 2,6 нм (б).

На рис.5а представлены спектры фотолюминесценции и поглощения МКЯ Mgo.27Zno.73O/ZnO, в которых ширина ямы ¿„, изменялась от 2,6 нм до 10 нм. На этом же рисунке для сравнения приведены спектры ФЛ и поглощения пленки

7пО толщиной 70 нм, выращенной на буферном слое Mgo.27Zno.73O. Монотонный нелинейный синий сдвиг положения УФ пика излучения и пика поглощения, обусловленного электрон-дырочным переходом, при уменьшении ширины квантовой ямы характеризует квантоворазмерый эффект в двумерных структурах Mgo.27Zno.73O/ZnO.

Решение уравнения Шредингера для прямоугольной потенциальной ямы конечной глубины с проницаемыми барьерами при условии симметрии и непрерывности волновой функции в валентной зоне и в зоне проводимости приводит к трансцендентным уравнениям для собственных значений энергии электрона и дырки в потенциальной яме [1]:

tg

"Im Е(еМ

m

(ДЕ^-ЕГ'Ы

m.

h

(1)

где h - постоянная Планка, Е'я и En - собственные значения энергии в потенциальных ямах для электрона и дырки соответственно, п=1,2,3... - целое число, ДЕс и АЕУ - разрывы в зоне проводимости и в валентной зоне. Значения эффективных масс электрона и дырки mie =0,28/я0 и т\и =0,78т0 для активного слоя ZnO и т2е =0,4/по и m2h =1та для барьерных слоев Mgo^Zno^jO были взяты из литературы [2,3]. Результирующее значение энергии электрон-дырочного перехода в квантовой яме между уровнями основных состояний («=!) будет определяться выражением:

E2D {Lw ) = Е {ZnO) + EKLJ + е; (Lw ) (2)

/pl, отн. ed.

а, опт. eö.

EPh, зй

Рис.5, (а) - Низкотемпературные (8К) спектры фотолюминесценции ¡р^Ери) и поглощения а(£>л) МКЯ Mgo.27Zno.73O/ZnO с различной шириной ямы (б) - Энергетическая диаграмма, поясняющая увеличение энергии связи экситона с уменьшением ширины ямы

Ограничение движения носителей заряда по одной из координат приводит к увеличению энергии связи Е основного состояния двумерного экситона (2Э) по сравнению с трехмерным (30). Известно, что энергия экситона [4]:

-ЕЬг= 3,82 эВ

8 Ею

2и эксперимент * Еех

— Ет ур--е{2)

— Е™ ур.-е (4)

О 5 1и

Рис.6. Зависимость энергетического

г~Ю

положения экситонного пика ¿„ и энергии Ею электрон-дырочного \e-\h

перехода МКЯ MgoI27Zno,7зO/ZnO от ширины квантовой ямы ¿„. Еьг -запрещенная зона барьерного слоя.

Е:х°=Ее-Е'ю+Ек, (3)

где Е1, - ширина запрещенной зоны полупроводника, Е'3[) - энергия связи экситона, Ек - кинетическая энергия экситона. Соответственно, энергия двумерного экситона Е™ будет определяться как: : Е™ =Е20-Е;о+АЕ1 (4)

» Значения энергии 1е-1Л перехода (Ею) и энергии экситона Е]" были определены нами экспериментально из спектров поглощения а(Ерь) и спектров фотолюминесценции 1Р1(ЕРъ).

Результаты приведены на рис.6. Путем

аппроксимации экспериментальных зависимостей энергии ЕщЦ-у/) и Ег" уравнениями (1,2,4) было получено, что. соотношение разрывов в зоне проводимости и в валентной зоне (АЕс/АЕу) составляет 0,65/0,35. Результаты численных расчетов приведены на рис.6 непрерывными кривыми.

В прямозонных полупроводниках " кинетическая энергия экситона Ек в уравнении (3), равна нулю, поэтому энергия связи экситона Е в квантовой яме будет определяться как разность ^ объемнып2пО между энергией электрон-дырочного

* перехода Его, определяемого из спектра поглощения и положением экситонного

Е'.эВ

— теория

¡ех, отн. ед.

пика ФЛ:

определяемого из спектра

12

16

г**

Рис.7. Зависимость энергии связи экситона Е (а) и интенсивности экситонного пика /„ в спектрах ФЛ (б) МКЯ и&лЪпа.-пОКпО от ширины ямы.

Е =Е2й-Е™. (5)

Экспериментальная зависимость энергии связи экситона Е МКЯ от ширины квантовой ямы приведена на рис.7д. Для сравнения на этом же рисунке приведена теоретическая зависимость Е для таких

двумерных структур, полученная в работе [2]. На малых расстояниях, когда

радиус экситона соизмерим с шириной квантовой ямы аех > в основном состоянии, благодаря неоднородности диэлектрической проницаемости периодической структуры и ограничению движения носителей заряда, взаимодействие между ними существенно отличается от кулоновского [5]. Это приводит к росту энергии связи двумерного экситона. Полученное нами максимальное значение энергии связи экситона в двумерных структурах Mgo.27Zno.73O/ZnO (при ¿„=2,6 нм) превышала значение для объемного полупроводника ZnO более чем в два раза.

При уменьшении ширины квантовой ямы ¿„ в спектрах ФЛ наблюдался нелинейный рост интенсивности экситонного пика 1ех (рис.76), который можно объяснить увеличением квантовой эффективности. Максимальное значение интенсивности фотолюминесценции наблюдалось в МКЯ при ширине ямы ¿„=2,6 нм, при дальнейшем уменьшении ¿№ интенсивность ФЛ резко спадала.

Была исследована температурная зависимость спектров ФЛ, по положению УФ пиков которых определялось значение энергии экситона Е]? (Т). Температурную зависимость энергии экситона Е™ (Т) можно описать с помощью уравнения, полученного авторами работы [6] на основе статистического распределения Бозе-Эйнштейна:

ЕЛТ) = Е0--(6)

ехрф-1

где Е0 - энергия экситона при Т=0К, а.£ — постоянная, соответствующая экситон-фононному взаимодействию, а &е - характеристическая температура Эйнштейна. В приближении этой модели все атомы в кристаллической решетке твердого тела колеблются с одинаковой частотой /¡г=к&Е1к. Для того чтобы определить характер зависимости температуры Эйнштейна 0Е от ширины квантовой ямы, были проведены исследования температурной зависимости спектров фотолюминесценции МКЯ Mgo.27Zno.73O/ZnO. На рис.8а представлены спектры ФЛ МКЯ (¿„=4,2 нм) в диапазоне температур 8=325 К, а на рис.8б приведена полученная из этих спектров зависимость энергии экситона Еех от температуры. Здесь же приведена теоретическая зависимость (6), полученная с помощью подгонки параметров аК и в е.

/ех. отя. со.

о ЕИИ, >В

Рис.8. Изменение спектров ФЛ (а) и зависимость энергии экситона (б) от температуры в диапазоне 8-К325 К квантовых ям Mgo.27Zno.73O/ZnO (6 нм/2,6 нм).

Е, шВ

Путем аппроксимации ги

зависимостей

Рис.9. Зависимость температуры Эйнштейна 0е МКЯ Mgo.27Zno.73O/ZnO от ширины квантовой ямы ¿„.

аналогичном экспериментальных

'(7) уравнением (6) характеристическая температура

Эйнштейна &е определялась для всех образцов МКЯ с различными На рис.9 представлена зависимость характеристической температуры

Эйнштейна &е от ширины квантовой ямы £„,. Видно, что &е возрастает с уменьшением ширины квантовой ямы Ьу, вплоть до 1400 К (-120 мэВ) при ¿„=2,6 нм, что связано с уменьшением экситон-фононного взаимодействия. Резкий спад интенсивности экситонного пика 1ех (рис.76) и уменьшение характеристической температуры Эйнштейна &е для значений < 2,6 нм можно объяснить тем, что ширина квантовой ямы Ь» становится соизмеримой с величиной шероховатости интерфейсов, и, экситоны испытывают рассеяние на этих неровностях, что приводит к тушению ФЛ. Другой причиной резкого спада интенсивности экситонного излучения в области малых значений ширины ямы < аех, где аех - радиус экситона) является отток носителей заряда в барьерные

СЛОИ Mgo.27Zno.73О•

Результаты проведенных нами исследований показывают на возможность существования двумерных экситонов в квантовых ямах при значительно более высоких температурах, чем экситонов в объемном оксиде цинка, что делает этот материал привлекательным для оптоэлектроники. Благодаря этому экситоны могут играть важную роль в процессе стимулированного излучения в МКЯ на основе оксида цинка при оптической накачке.

!е1.оп,,е*. _<5 Для изучения явления

стимулированного излучения в МКЯ были исследованы спектры фотолюминесценции в

/ Р, МВт см-

Рис.10. (а) - Спектры люминесценции МКЯ М&^гподзО/гпО (¿»=5,2 нм) при накачке Р в диапазоне от 0 до 400 кВт/см . (б) - Зависимости интенсивности люминесценции линий ¡\ и /2 МКЯ Mgo.27Zno.73O/ZnO от Р. Рц,\ и Рм - пороги стимулированного излучения для линий /) и 1%.

зависимости мощности излучения эксимерным рис.Юа измеренные температуре фотолюминесценции Mgo.27Zno.73O/ZnO с

от плотности возбуждающего при накачке ЮТ лазером. На представлены при комнатной спектры МКЯ шириной

ямы ¿„=5,2 нм, в диапазоне интенсивности накачки Р от 0 до 400 кВт/см2.

При плотности накачки ниже Лы 5 210 кВт/см в спектрах наблюдался широкий пик, соответствующий спонтанному излучению экситонов (рис.Юа). При дальнейшем увеличении плотности накачки появлялась узкая линия 1\ вблизи 395,2 нм, смещенная в красную область спектра, интенсивность которой резко возрастала с увеличением накачки (рис.Юб). При интенсивности накачки Р/ъ2> 350 кВт/см2 появлялась вторая узкая линия /2 вблизи 383,1 нм.

Низкотемпературные измерения спектров стимулированного излучения показали, что интенсивности этих линий слабо зависят от температуры, а их спектральное положение не зависит от температуры.

На рис. 11а приведена зависимость ширины пика АЕ люминесценции МКЯ Mgo.27Zno.73O/ZnO, определенной по полувысоте, из которой видно, что АЕ резко сужается при плотности оптической накачки Р,н > 210 кВт/см2. Исследование распределения интенсивности люминесценции квантовых ям по углу 1(<р) показало, что стимулированное излучение является направленным, и, его интенсивность резко спадает при отклонении от нормали к двумерной периодической структуре в отличие от спонтанного излучения (рис.116). Это позволяет сделать вывод о том, что грани тыльной стороны сапфировой подложки и внешней границы двумерной периодической структуры образуют плоскопараллельный резонатор.

Д£. мэВ

сношнстное

о отн. ед.

I

си «/лгу щ юутноо

0,2 0,3 0,4

Рыс, МВт/см2

0,0

- ф - стиммирмхмное

' о ■ сноннктное

•О.

О - - «О» - чО*~ • О»----Юч

¡0 100 <р, град.

Рис.11. Полуширина АЕ (линия /,) (а) и распределение интенсивности спонтанного и стимулированного излучения по углу (б) МКЯ Mgo.27Zno.73O/ZnO.

Необходимо отметить, что стимулированное излучение наблюдалось только в квантовых ямах в диапазоне значений £н=1,5^6,8 нм. В этом же диапазоне ширины ямы наблюдалось значительное увеличение квантовой эффективности (рис.76). Другими словами, усиление в квантовых ямах Mgo.27Zno.73O/ZnO начинает преобладать над потерями, и, среда становится усиливающей, что в конечном итоге дает возможность наблюдать стимулированное излучение при комнатной температуре.

Глава 4 посвящена созданию светоизлучающих гетероструктур на основе оксида цинка, исследованию их электрооптических характеристик, а также омических контактов к широкозонным полупроводникам и^пО и р-СаМ

Предварительно на сапфировой подложке с-ориентации методом МОСУЭ был выращен буферный слой СаЫ толщиной ~3 мкм для компенсации дислокаций, вызванных рассогласованием параметров решетки сапфира и нитрида галлия. Затем на буферном слое была выращена пленка />-ОаК толщиной -500 нм, легированная М§ (0,1 ат.%). С помощью Холловских измерений в пленке />-СаЫ была определена концентрация дырок /7=8,8* 1017см~3, подвижность //=14,3 см2/Вхс и удельное сопротивление р=0,86 Омхсм. Омические контакты к /?-СаМ пленке были получены путем нанесения платины (Р0 (вставка рис.126). Исследования температурной зависимости сопротивлений контактов р1/р-СаЫ и Аи/№//7-7п0 показали, что Яс в обоих случаях изменяется не более чем на 5% в диапазоне температур от 10 К до 300 К, что свидетельствует о туннельном механизме протекания тока через контакты [7]. Затем на пленке />-ОаЫ методом импульсного лазерного напыления были выращены две мезаструктуры и-2п0(400нм)//-гп0(50нм) и и-7п0(400нм)/и-1у^о,22по,80(200нм)//-Сс1о,22по,80(200нм) (рис. 12а) размерами 400x400 мкм. Мезаструктуры формировались с помощью кремниевых масок, изготовленных методом плазменного травления.

Вольт амперные характеристики диодных гетероструктур п-ЪпОИ-ЪпО/р-GaN и представлены на рис.126.

.41/XI

>1-2нО <400 н.\»

I - ЬЮ 1200 НМ>

»-Мхаю/хюим'

р-ОаХоООнмI

<(тфир

/

буферный сюП 0<1\' мкю

I, м.4 1,5

1,0

0

1. .ч 4 4 • К" / / ¡/у

X// 5 10

2 +-Аи№М-2пО — РУр-ОиН

4

я-гпсуя^гяо/и^гю.'/са.ч

3

-10

о

;о Г, В

Рис.12, (а) - схема светодиодной структуры. (б) - ВАХ светодиодов п-ТпО! i-2.nO!р-СгН и п-2пО/л-К^0_22пг,8О/(-Сс1()27п0,цО//7-ОаМ. На вставке - ВАХ контактов АиМ/п-гпО, Аи/КЧ/р-ОаЫ и Р^р-СаМ.

Увеличение количества границ раздела, а, соответственно, и барьеров для носителей заряда, а также достаточно большое несоответствие параметров кристаллической решетки а между пленками /-Сёо^По^О и p-GaN приводит к увеличению прямого порогового напряжения У11р диода на основе двойной гетероструктуры по сравнению р-1-п диодом. Эти же обстоятельства являются причиной запирания противоположных по знаку носителей заряда, что выражается в увеличении обратного напряжения.

На рис.13 приведена фотография светоизлучающей гетероструктуры п-2пО/«-М§о 22по,80//-Сёо,22по,80/р-СаЫ при плотности тока 30 А/см2.

Au/Ni

сид

1 мм

Pt

1 <-1 l__I

Были проведены исследования зависимости интенсивности

электролюминесценции /о, от плотности тока J. Результаты исследований приведены на рис.146. Показано, что интенсивность п^пО/^пО/р-ОаЫ

светодиода (на длине волны 1=382 нм) линейно возрастала вплоть до ~8 А/см2, после чего наблюдалось снижение наклона. Минимальная плотность тока, при которой была зарегистрирована ЭЛ диода, составила Jt^г2 А/см2. Несмотря на высокое прямое напряжение светодиода на двойной гетероструктуре, его пороговый ток, при котором наблюдалась электролюминесценция, оказался У,¿=0,48 А/см2. Снижение порогового тока обусловлено увеличением квантовой эффективности светодиода на двойной гетероструктуре по сравнению с рч-п диодом.

Введение нелегированного слоя ¡-ЪпО между п- и р-слоями позволяет снизить барьер для дырок и инжектировать электроны и дырки в промежуточный 1-ЪпО слой, где и происходит их рекомбинация. В результате в спектре электролюминесценции п-ЪпОН-ЪлО/р-ОМ светодиода наблюдается относительно узкий пик (382 нм), обусловленный межзонной рекомбинацией носителей заряда (рис.14а).

Рис.13. Фотография светоизлучающей гетероструктуры

/-Cdo.2Zno.8O/0-GaN при плотности тока 30 А/см .

/el. ед.

/el опт. ед.

-*-- 1 2

Я. Н.М 3. СМ'

Рис.14. Спектры электролюминесценции /ы.(А) (я) и зависимости интенсивности электролюминесценции /и, от плотности тока 3 (б) светодиодов: 1 - и-7п0//-2п0/р-0аЫ, 2 -

В случае и-ZnO/я-Mg0,2Zn0,8O//-Cd0.2Zn0,8O/p-GaN светодиода слой п-Mgo.2Zno.8O создает дополнительный барьер для электронов, препятствуя их преждевременному оттоку в />-Оа]М, а наличие узкозонного слоя /-Cdo.2Zno.8O позволяет снизить барьер для дырок. Таким образом, носители заряда обоих знаков оказываются локализованными в слое /-Cd0.2Zn0.sO, который в данном случае играет роль активного. Совпадение спектров электролюминесценции диода и фотолюминесценции пленки Cd0.2Zn0.sO подтверждает, что рекомбинация носителей происходит в узкозонном слое.

Основные результаты диссертационной работы:

1. Разработана и создана экспериментальная установка для импульсного лазерного напыления тонких пленок тройных растворов, множественных квантовых ям и светоизлучающих гетероструктур на основе оксида цинка для элементной базы и устройств квантовой электроники.

2. Выращены пленки тройных растворов и С(1у7п,_уО. Показано, что оптимальная температура роста эпитаксиальных пленок Mg>íZn¡.xO и Сс^ПьуО на сапфировых подложках с высоким кристаллическим совершенством лежит в диапазоне 400-450 °С. Пределы растворимости магния и кадмия в оксиде цинка с кристаллической структурой вюрцита составили 35 ат.% и 30 ат.%. Рассогласование параметра решетки (Да/а) пленок Mgo.35Zno.65O и Сс10^п08О не превышало 1%, разница ширины запрещенной зоны пленок достигала рекордного значения 1,3 эВ.

3. Исследованы структурные и оптические свойства множественных квантовых ям Ы%112,п\.х017х1.0, выращенных методом импульсного лазерного напыления. Путем аппроксимации экспериментальных зависимостей энергии основного электрон-дырочного перехода в квантовых ямах \^хгп|.х0/2п0 было установлено, что соотношение разрывов в зоне проводимости и в валентной зоне (ДЕс/АЕу) составляет 0,65/0,35 и не зависит от содержания магния в исследованном диапазоне растворимости.

4. Продемонстрировано, что энергия связи экситона в двумерных гетероструктурах Mgo.27Zno.73O/ZnO с шириной ямы Ьп= 1,5 нм превышает энергию связи экситона в объемном оксиде цинка более чем в 2 раза. Показано, что интенсивность фотолюминесценции множественных квантовых ям Mgo.27Zno.73O/ZnO зависит от ширины ямы немонотонно, проходя через максимум. Проведены исследования температурной зависимости энергии экситона Еех(Т) в МКЯ Mgo.27Zno.73O/ZnO, в результате которых было впервые показано, что характеристическая температура Эйнштейна &е возрастает с уменьшением ширины квантовой ямы вплоть до 1400 К (-120 мэВ) при ¿„=2,6 нм.

5. Впервые обнаружен эффект стимулированного излучения во множественных квантовых ямах MgxZni.nO/ZnO в ближнем УФ диапазоне при накачке эксимерным КгР лазером. Порог возбуждения стимулированного излучения зависит от ширины квантовой ямы /,„, его минимальное значение составило 210 кВт/см2 при £»,=5,2 нм.

6. Методом импульсного лазерного напыления впервые получены светоизлучающие диоды на основе двойной гетероструктуры п-ЪпО//-гпО/р-ОаИ и n-ZnO/л-Mgo.2Zno,80//-Cdo,2Zno,80/^J-GaN с пиками излучения на длине волны 382 нм и 460 нм. Минимальные значения плотности тока, при которых регистрировалась электролюминесценция, составляли 1,35 А/см2 и 0,48 А/см2 соответственно. Изменение концентрации кадмия в узкозонном активном слое <-Сс1^П1.уО позволяет создавать источники излучения в спектральном диапазоне от 380 нм до 460 нм.

Основные публикации по теме диссертации:

1. Characterization ofZnO:Ga and ZnO:N films prepared by PLD / Gorbatenko L.S., Novodvorsky O.A., Panchenko V.Ya., Khramova O.D., Cherebilo Ye.A., Lotin A .A., Wenzel C., Trumpaicka N., Bartha J.W. // Las. Phys. 2009. Vol. 19, P. 11521158.

2. Эпитаксиальный рост и свойства пленок MgxZni_xO, получаемых методом лазерно-плазменного осаждения / Лотин А.А., Новодворский О.А., Хайдуков Е.В, Рочева В.В., Храмова О.Д., Панченко ВЛ, Венцель К., Трумпайска Н., Щербачев К.Д. // ФТП. 2010. Т. 44, вып. 2, С. 260-264.

3. Электролюминесценция полупроводниковых гетероструктур на основе оксида цинка / Новодворский О.А., Лотин А.А., Панченко В .Я., Паршина Л.С., Хайдуков Е.В., Зуев Д.А., Храмова О.Д. // Квантовая Электроника. 2011. Т. 41, вып. 1, С. 4-7.

4. Тройные сплавы CdyZn,.yO и MgxZni_xO - материалы для оптоэлектроники / Лотин А.А., Новодворский О.А., Панченко В.Я., Паршина Л.С., Хайдуков Е.В., Зуев Д.А., Рочева В.В., Храмова О.Д., Щербачев К.Д. // ФТТ. 2011. Т. 53, вып. 3, С. 438-442.

5. The quantum confinement effect observed in the multiple quantum wells Mg0 27Zn073O/ZnO / Lotin A.A., Novodvorsky O.A., Parshina L.S., Khaydukov E.V., Khramova O.D., Panchenco V.Ya. // Las. Phys, 2011, Vol. 21, Is. 3, P. 582587.

6. Зондовые исследования лазерного эрозионного факела при абляции кремния в вакууме / Хайдуков Е.В, Новодворский О.А, Лотин А.А., Рочева В.В, Храмова О.Д, Панченко В Л. // ЖТФ. 2010. Т. 80, вып. 4, С. 59-63.

7. Управление энергетическим спектром ионов в модифицированном методе импульсного лазерного напыления на пересекающихся факелах / Хайдуков Е.В, Новодворский О.А, Рочева В.В, Лотин А.А, Зуев Д.А, Храмова О.Д. // Письма в ЖТФ. 2011. Т. 37, вып. 2, С. 39-45.

8. The optical and structural properties of quantum wells Mgo.27Zno.73O/ZnO produced by pulsed laser deposition / Lotin A.A, Novodvorsky O.A, Parshina L.S, Khaydukov E.V, Khramova O.D, Panchenko V.Ya. // Fizika. 2010. Vol. 16, P. 41-45.

9. The optical properties of rod structures and multiple quantum wells based on ZnO / Lotin A.A, Novodvorsky O.A, Parshina L.S, Khaydukov E.V, Khramova O.D. // in: Proceedings of X International Conference "Laser and Laser-Information Technologies: Fundamental Problems and Applications" (ILLA'2009, Smolyan, Bulgaria, 2009). Plovdiv, Bulgaria, 2010, p. 94-98 (ISSN 1314-068X).

10.Создание и исследование оптических свойств квантовых ям MgxZni.xO/ZnO для УФ излучающих структур / Лотин А.А, Новодворский О.А, Хайдуков Е.В, Панченко В.Я, Храмова О.Д, Рочева В.В, Паршина Л.С, Черебыло Е.А. // В сб. тез. Международного Форума по Нанотехнологиям, Москва, 2008. С. 169-171.

11.Optical properties of nitrogen and phosphorus doped ZnO thin films fabricated by PLD method / Parshina L.S, Novodvorsky O.A, Panchenko V.Ya, Khramova O.D, Cherebilo Ye.A, Lotin A.A, Wenzel C, Trumpaicka N, Bartha J.W. // in:

Proceedings of X International Conference "Laser and Laser-Information Technologies: Fundamental Problems and Applications" (ILLA'2009, Smolyan, Bulgaria, 2009). Plovdiv, Bulgaria, 2010, P. 109-115 (ISSN 1314-068X).

12.Нелинейное оптическое усиление в столбчатых наноструктурах ZnO и квантовых ямах O/ZnО / Лотин А.А., Новодворский О.А., Хайдуков Е.В., Паршина Л.С., Панченко В.Я. // Труды 2-ой Всероссийской научной школы для молодежи «Концентрированные потоки энергии в индустрии наносистем, материалов и живых систем», Москва, МИЭМ, 2009. С. 236-242.

13.The erosive laser plume ions component researches at the silicon ablation in vacuum / Khaydukov E.V., Lotin A.A., Rocheva V.V., Novodvorsky O.A., Panchenko V.Ya. // Fizika. 2010. Vol. 16, P. 29-32.

14.Пат. 89906 Российская Федерация, МПК51 Н 01 L 21/00, С 23 С 14/46. Устройство для лазерно-плазменного напыления / Новодворский О.А., Лотин А.А., Хайдуков Е.В. ; заявитель и патентообладатель Учреждение Рос. акад. наук Ин-т проблем лазерных и информационных технологий. № 2009125756/22; заявл. 06.07.2009; опубл. 20.12.2009, Бюл. № 35.

15.Пат. 93583 Российская Федерация, МПК51 Н 01 L 21/00, С 23 С 14/46. Устройство для лазерно-плазменного напыления / Новодворский О.А., Хайдуков Е.В., Лотин А.А.; заявитель и патентообладатель Учреждение Рос. акад. наук Ин-т проблем лазерных и информационных технологий. № 2009142969/22; заявл. 20.11.2009; опубл. 27.04.2010, Бюл. № 12.

Список цитируемой литературы:

1. Современная физика / Типлер П.А., Ллуэллин Р.А.: Т.1. М.:Мир, 2007, 337с.

2. Coli G. and Bajaj К.К. / Excitonic transitions in ZnO/MgZnO quantum well heterostructures // Appl. Phys. Let. 2001. Vol.78, P.2861-2863.

3. Carrier concentration induced band-gap shift in Al-doped Zni_xMgxO thin films / Lu J.G., Fujita S., Kawaharamura Т., Nishinaka H., Kamada Y., and Ohshima T. //Appl. Phys. Lett. 2006. Vol. 89, P. 262107-1-262107-3.

4. Основы физики полупроводников / Ю П., Кардона М., М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002, 560 с.

5. Квазичастицы в физике конденсированного состояния / Брандт Н.Б., Кульбачинский В.А. М.:ФИЗМАТЛИТ, 2007,632 с.

6. Interband critical points of GaAs and their temperature dependence / Lautenschlager P., Garriga M., Logothetidis S., and Cardona M. // Phys. Rev. B, 1987, Vol. 35, P. 9174-9189.

7. Бланк T.B., Гольдберг Ю.А. / Механизмы протекания тока в омических контактах металл-полупроводник// ФТП. 2007. Т. 41, вып. 11, С.1281-1308.

Подписано в печать:

05.03.2011

Заказ № 5090 Тираж -120 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

ВВЕДЕНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ

ГЛАВА 1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ И МЕТОДЫ ВЫРАЩИВАНИЯ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР).

1.1. Основные преимущества гетероструктур перед объемными полупроводниками.

1.1.1. Модель Андерсона для классификации гетероструктур.

1.1.2. Квантовая яма конечной глубины и с проницаемыми барьерами.

1.2. Методы и механизмы эпитаксиального роста тонких пленок и многослойных гетероструктур.

1.2.1. Методы молекулярно-лучевой и газо-фазовой эпитаксии гетероструктур.

1.2.2. Метод импульсного лазерного напыления.

1.2.3. Механизмы эпитаксиального роста тонких пленок.

1.3. Оксид цинка и его основные физические свойства.

1.4. Экситоны в полупроводниках.

1.4.1. Экситоны в оксиде цинка.

1.4.2. Температурное поведение экситонов.

1.5. Гетероструктуры на основе оксида цинка.

1.6. Приборное применение оксида цинка.

1.7. Выводы.

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ОБРАЗЦОВ.

2.1. Экспериментальная установка для импульсного лазерного напыления.

2.2. Подготовка подложек.

2.3. Методы исследования образцов.

2.3.1. Исследование электрофизических свойств.

2.3.2. Рентгеноструктурный анализ.

2.3.3. Атомно-силовая и электронная сканирующая микроскопии.

2.3.4. Оптическая спектроскопия.

2.3.5. Низкотемпературные исследования.

2.3.6. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия.

2.4. Выводы.

ГЛАВА 3. ТОНКИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПЛЕНКИ ЪпО, 1У^хгп1хО, Сс^ПьуО И ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ НА ИХ ОСНОВЕ.

3.1. Пленки оксида цинка и тройные растворы на его основе.

3.1.1. Тонкие эпитаксиальные пленки оксида цинка.

3.1.2. Столбчатые наноструктуры 2пО.

3.1.3. Нанокластеры ХпО.

3.1.4. Пленки тройных растворов ]М^х7п1хО и Сс^щ.уО.

3.2. Квантовые ямы 1^хгп1хО/7пО.

3.2.1. Структурные свойства квантовых ям

§х7п1хО/2пО, полученных методом импульсного лазерного напыления.95,

3.2.2. Численный расчет энергии \e-\h перехода в квантовых ямах

§х7п].х0^п0 с помощью трансцендентного уравнения.

3.2.3. Экспериментальное наблюдение квантоворазмерных эффектов в МКЯ Ы^х1щ.хО/ХпО.

3.2.4. Стимулированное излучение в МКЯ М&^п^хО/гпО при оптической накачке.

3.3. Выводы.

ГЛАВА 4. СВЕТОДИОДЫ НА ОСНОВЕ ОКСИДА ЦИНКА.

4.1. Механизмы протекания тока в омических контактах полупроводник п-ХпО и ^-ваМ.:. металл.

4.2. Исследование сопротивлений металлических контактов к пленкам р-ваКи л-гпО.

4.3. Светоизлучающие гетероструктуры на основе оксида цинка.

4.4. Выводы.

Диссертационная работа посвящена созданию пленок тройных растворов и структур пониженной размерности на основе оксида цинка методом импульсного лазерного напыления, исследованию их структурных, оптических и электрических свойств, а также разработке светоизлучающих диодов на основе двойной гетероструктуры для элементной базы и устройств квантовой электроники.

Актуальность работы. Разработка методов создания новых структур пониженной размерности - квантовых ям (КЯ), нитей и квантовых точек и исследование их свойств диктуется потребностями быстро прогрессирующих современных нанотехнологий. Изучение наноструктур пониженной размерности имеет фундаментальное значение для понимания поведения вещества наноразмерных масштабов и представляет большой интерес для практического применения.

В квантовых ямах, вследствие ограничения носителей тока в узкозонном слое, проявляется эффект размерного квантования, обуславливающий новые свойства двумерных носителей тока. С помощью современных технологий осаждения пленок удается получать многослойные структуры с контролируемым составом и толщиной слоев, что позволяет конструировать параметры зонной структуры и энергетический спектр носителей тока. Достойное место среди методов эпитаксии полупроводниковых пленок и гетероструктур занимает метод импульсного лазерного напыления благодаря своей простоте и гибкости.

В последнее время наблюдается повышенный интерес исследователей к широкозонным полупроводникам, поскольку оптоэлектронные приборы на их основе способны работать в видимой и УФ спектральной областях. В качестве материалов для создания низкоразмерных структур широко используются такие полупроводники, как нитрид галлия, карбид кремния, селенид цинка и др. Среди них особое место занимает оксид цинка, поскольку он обладает рекордной среди полупроводников энергией связи экситонов (60 мэВ), температурной и радиационной стойкостью. Ожидается, что оптоэлектронные устройства на его основе будут способны работать в УФ диапазоне при температурах значительно превышающих комнатную. Применение квантоворазмерных систем на базе ZnO в качестве активной области в оптоэлектронных устройствах позволит увеличить их квантовую эффективность и снизить пороговую плотность тока.

По этой причине получение низкоразмерных структур на основе оксида цинка, в частности квантовых ям, и исследование квантоворазмерных эффектов в них представляется весьма перспективным как с фундаментальной, так и с практической точки зрения.

Целью работы является получение методом импульсного лазерного напыления эпитаксиальных пленок тройных растворов М§^П1.хО и Сс^п^уО, исследование квантоворазмерных эффектов в двумерных гетероструктурах на их основе, обуславливающих возможность управления энергией связи экситона и квантовой эффективностью люминесценции в квантовых ямах.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:

1. Разработка и создание экспериментальной установки для вакуумного импульсного лазерного напыления тонких пленок тройных растворов, множественных квантовых ям (МКЯ) и светоизлучающих гетероструктур на основе оксида цинка.

2. Исследование пределов растворимости магния и кадмия в пленках тройных растворов М^^п^О и Сс1у7п1.уО с кристаллической структурой вюрцита и определение оптимальных условий эпитаксиального роста пленок тройных растворов.

3. Создание методом импульсного лазерного напыления множественных квантовых ям М£^П]хО/^пО, исследование их структурных и оптических свойств и определение соотношения разрывов в зоне проводимости и в валентной зоне (АЕс/АЕу).

4. Исследование эффектов размерного квантования в двумерных гетероструктурах М^^п ] .хО/2пО.

5. Исследование эффекта стимулированного излучения во множественных квантовых ямах MgxZnlxO/ZnO при оптической импульсной накачке.

6. Создание светоизлучающих диодов на основе двойной гетероструктуры М^^п 1 ,хО/Сс1у2п ] уО//?-ОаМ и исследование их электрооптических свойств.

Научная новизна результатов диссертационной работы, состоит в следующем:

1. Показано, что эпитаксиальные пленки М^^п^О и Сс1угп1.уО, полученные методом импульсного лазерного напыления, сохраняют кристаллическую структуру вюрцита при концентрациях магния и кадмия до 35 ат.% и 30 ат.% соответственно.

2. Установлено, что рассогласование параметров кристаллической решетки полученных пленок М^^п^О и С<ХуЪп\.уО в плоскости роста не превышает 1% в диапазоне концентраций магния 0<х<0,35 и кадмия 0<у<0,2, а разрыв ширины запрещенных зон достигает рекордного значения 1,3 эВ прих=0,35 иу=0,2.

3. Показано, что энергия связи экситона в двумерных гетероструктурах Мёо,27гпо,7зО/2пО с шириной ямы £и.=1,5 нм более чем в 2 раза превышает энергию связи экситона в объемном кристалле оксида цинка.

4. Установлено, что интенсивность фотолюминесценции множественных квантовых ям М£;х2п1.хО/2пО немонотонно изменяется с уменьшением ширины ямы Ьу,, достигая максимального значения при £и,=2,6 нм.

5. Впервые обнаружен эффект стимулированного излучения во множественных квантовых ямах ]^х2п1х0/2п0 в ближнем УФ диапазоне при оптической накачке эксимерным КгБ лазером. Порог стимулированного излучения зависит от ширины ямы минимальное значение составило 210 кВт/см при Д„=5,2 нм.

6. Впервые получена электролюминесценция диодов на основе двойной гетероструктуры п-ТпОН-ЪпО/р-ОоН и и-MgxZn1xO//-CdyZn1yO/íe>-GaN.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Метод импульсного лазерного напыления позволяет выращивать пленки тройных растворов М&^щ.хО и Сс1угп1уО со структурой вюрцита, разница ширины запрещенных зон которых достигает величины 1,3 эВ при рассогласовании параметров кристаллической решетки в плоскости роста (Аа/а) менее 1%.

2. Соотношение разрывов зон проводимости и валентной зоны {I\EclkEy) в гетероструктурах М^^п^О/^пО составляет 0,65/0,35 и не зависит от содержания магния в исследованном диапазоне растворимости.

3. Интенсивность фотолюминесценции, характеристическая температура Эйнштейна и энергия связи экситона в двумерных гетероструктурах М§х2п].х0^п0 зависят от ширины ямы немонотонно, проходя через максимум.

4. При оптической накачке квантовых ям М£^п1х0/£п0, выращенных на плоскопараллельных сапфировых подложках, наблюдается стимулированное излучение в ближнем УФ диапазоне, порог возбуждения которого зависит от ширины квантовой ямы.

Практическая значимость работы заключается в создании методом импульсного лазерного напыления двумерных гетероструктур на основе оксида цинка, которые могут быть применены в качестве активного элемента в устройствах квантовой электроники. Внедрение метода импульсного лазерного напыления в технологию производства элементной базы и устройств квантовой электроники может привести к снижению их стоимости.

Апробация результатов работы. Материалы диссертационной работы докладывались на всероссийских и международных научных конференциях: 1. I и III Международный форум по нанотехнологиям, г. Москва (2008, 2010);

2. 16th, 17th and 18th International Conference on Advanced Laser Technologies, Siofok, Hungary (2008); Antalya, Turkey (2009); Egmond aan Zee, Netherlands (2010);

3. The International Conference on Coherent and Nonlinear Optics and the Laser, Applications, and Technologies Conference (ICONO/LAT 2010), Kazan, Russia, (2010);

4. X International Conference "Laser and Laser-Information Technologies: Fundamental Problems and Applications" (ILLA'2009), Smolyan, Bulgaria, (2009);

5. X International conference "Fundamentals of Laser Assisted Micro- & Nanotechnologies (FLAMN'10), St. Petersburg-Pushkin, Russia (2010);

6. Четырнадцатая всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых, г. Уфа (2008);

7. IX, X и XI Межвузовская научная школа молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине» НИИЯФ МГУ, г. Москва (2008, 2009, 2010);

8. Всероссийская научная школа для молодежи «Концентрированные потоки энергии в индустрии наносистем, материалов и живых систем» МИЭМ, г. Москва (2009);

9. 2-ая международная конференция/молодежная школа-семинар «Современные нанотехнологии и нанофотоника для науки и производства», г. Владимир (2009); а также на научных семинарах ИПЛИТ РАН под руководством академика В .Я. Панченко и профессора B.C. Голубева, г. Шатура, 2008-2010.

Работа была выполнена в соответствии с планами работ по программе фундаментальных исследований ОИТВС РАН «Организация вычислений с использованием новых физических принципов» N10002-251/ОИТВС-ОЭ/Ю2-112/180603-723, "Светоизлучающие полупроводниковые устройства для информационных систем (записи, хранения информации и т.п.)" проект «Разработка технологии и создание светоизлучающих полупроводниковых устройств синего и ближнего УФ диапазонов (лазеров и светодиодов) на базе оксида цинка», в рамках проекта «Формирование низкоразмерных структур полупроводников и металлов методом импульсного лазерного напыления для устройств наноэлектроники и спинтроники», программы фундаментальных исследований Отделения нанотехнологий и информационных технологий (ОНИТ) «Элементная база микроэлектроники, наноэлектроники и квантовых компьютеров, материалы для микро- и наноэлектроники, микросистемная техника, твердотельная электроника». Работа поддерживалась грантами РФФИ: проекты 09-02-01298а, 09-02-003 66а, 09-07-00208а, 09-08-00291а, 09-02-12108-офим; проект МНТЦ № 3294 «Создание излучающих в синей и ближней УФ области спектра пленочных структур на основе оксида цинка», Государственный контракт Федерального агентства по науке и инновациям № 02.513.11.3169 «Разработка методов создания полупроводниковых наноматериалов для высокоэффективных лазеров и светодиодов в спектральной области 0,38-1,54 мкм».

Достоверность. Получение образцов и исследования их физических свойств проводились на современном оборудовании. Результаты диссертационной работы неоднократно докладывались и подробно обсуждались на международных и всероссийских конференциях. Общее согласование с результатами других исследователей таюке подтверждает достоверность результатов работы.

Личный вклад автора. Автор является непосредственным разработчиком экспериментальной установки для импульсного лазерного напыления квантовых ям. Результаты по исследованию особенностей роста пленок выполнены совместно с соавторами опубликованных работ. Образцы и результаты исследований характеристик тонких пленок тройных растворов и многослойных структур, изложенные в диссертационной работе, являются оригинальными, они получены лично автором. Постановка задач исследований, определение методов их решения и интерпретация результатов выполнены под руководством к.ф.-м.н. Новодворского O.A.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 13 научных работах, в числе которых 8 статей в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов диссертации, и в 2 патентах РФ на полезную модель.

Структура и объем. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы из 138 наименований и одного приложения. Основная часть работы изложена на 149 страницах, содержит 82 рисунка и 8 таблиц.

Основные результаты и выводы работы можно сформулировать следующим образом:

1. Разработана и создана экспериментальная установка для импульсного лазерного напыления тонких пленок тройных растворов, множественных квантовых ям и светоизлучающих гетероструктур на основе оксида цинка для элементной базы и устройств квантовой электроники.

2. Выращены пленки тройных растворов М^^п^О и Сс1у7п[уО. Показано, что оптимальная температура роста эпитаксиальных пленок М£х2п,хО и Сс1у2п1уО с высоким кристаллическим совершенством лежит в диапазоне 400-450 °С. Пределы растворимости магния и кадмия в оксиде цинка с кристаллической структурой вюрцита составили 35 ат.% и 30 ат.%. Рассогласование параметра решетки (Аа/а) пленок ]У^0,з52п0,65О и Сёо^По^О не превышало 1%, а их разница ширины запрещенной зоны достигала рекордного значения 1,3 эВ.

3. Исследованы структурные и оптические свойства множественных квантовых ям М£^п1х0^п0, выращенных методом импульсного лазерного напыления. Путем аппроксимации экспериментальных значений энергии электрон-дырочного перехода основного состояния в квантовых ямах было установлено, что соотношение разрывов в зоне проводимости и в валентной зоне (АЕс/АЕу) составляет 0,65/0,35 и не зависит от содержания магния в исследованном диапазоне растворимости.

4. Продемонстрировано, что энергия связи экситона в двумерных гетероструктурах ]У^0,27£по,7з0^пО с шириной ямы £„,=1,5 нм превышает энергию связи экситона в объемном оксиде цинка более чем в 2 раза. Показано, что интенсивность фотолюминесценции множественных квантовых ям М£о,27£по,7зО/2пО зависит от ширины ямы немонотонно, проходя через максимум. Проведены исследования температурной зависимости энергии экситона Еех(Т) в МКЯ М%ог27'£щ,7зО№пО, в результате которых было впервые показано, что характеристическая температура Эйнштейна <9Е возрастает с уменьшением ширины квантовой ямы до 1400 К (—120 мэВ) при £„=2,6 нм.

5. Впервые обнаружен эффект стимулированного излучения во множественных квантовых ямах ]У^х2п1хО/2пО в ближнем УФ диапазоне при накачке эксимерным КгР лазером. Порог возбуждения стимулированного излучения зависит от ширины квантовой ямы его минимальное значение составило 210 кВт/см при 1^=5,2 нм.

6. Методом импульсного лазерного напыления впервые получены светоизлучающие диоды на основе двойной гетероструктуры п-ТпОИ-ЪпО/р-Ог^ и /7-ZnO/и-MgoдZnoJO/z-CdoдZno,80//?-GaN с пиками излучения на длине волны 382 нм и 460 нм. Минимальные значения плотности тока, при которых регистрировалась электролюминесценция составляли 1,35

О О

А/см и 0,48 А/см соответственно. Изменение концентрации кадмия в узкозонном активном слое ¿-Сс^щ.уО позволяет создавать источники излучения в спектральном диапазоне от 380 нм до 460 нм.

Автор выражает искреннюю благодарность всем, с кем ему пришлось работать, кто помогал советом, обсуждениями и личным участием в проведении данной работы.

Автор искренне признателен своему учителю, к.ф.-м.н. Олегу Алексеевичу Новодворскому, под руководством которого и была выполнена диссертационная работа.

Большую помощь в проведении экспериментов и обсуждении результатов мне оказали сотрудники лаборатории «Наноструктур и тонких пленок» ИПЛИТ РАН к.х.н. Храмова О.Д., Паршина Л.С., к.ф.-м.н. Хайдуков Е.В., Зуев Д.А. и Рочева В.В.

Автор признателен д.ф.-м.н., профессору Лебедеву Ф.В. за ценные советы и интерес к работе.

Приношу глубокую благодарность академику В.Я. Панченко за поддержку и внимание к работе.

Автор считает своим долгом поблагодарить своих первых учителей, преподавателей Волгоградского государственного университета д.ф.-м.н., профессора Аникеева Б.В. и к.ф.-м.н., доцента Храмова В.Н.

133

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

1. Келдыш JI.B. О влиянии ультразвука на электронный спектр кристалла // ФТТ, 1962, Т. 4, С. 2265-2267.

2. Kroemer H. A proposed class of heterojunction injection lasers, Proc. IEEE, 1963. Vol. 51, P. 1782-1783.

3. Алферов Ж.И. О возможности создания выпрямителя на сверхвысокие плотности тока на основе p-i-n (р-п-п), (я-/?-/?)-структуры с гетеропереходами // ФТП, 1967, Т. 1, С. 436-441.

4. Алферов Ж.И. Двойные гетероструктуры: концепция и применения в физике, электронике и технологии // УФН, 2002, Т.172, №9, С.1068-1086.

5. Coherent light emission from GaAs junctions / Hall R.N., Fenner G.E., Kingsley J.D., Soltys T.J., Carlson R.O. // Phys. Rev. Lett., 1962, Vol. 9, P. 366-368.

6. Stimulated emission of radiation from GaAs p-n junctions / Nathan M.I., Dumke W.P., Burns G., Dills F.H., Lasher G. // Appl. Phys. Lett., 1962, Vol.1, P. 62-64.

7. Holonyak N., Bevacqua S.F. Coherent (visible) light emission from Ga(As!.xPx) junctions // Appl. Phys. Lett., 1962, Vol.1, P. 82-84.

8. Светодиоды / Берг А., Дин П., Мир, Москва, 1979, 677 С.

9. Солнечные преобразователи на основе гетеропереходов p-A\xGa\.xAs-n~ GaAs / Алферов Ж.И., Ахмедов В.М., Каган М.Б., Протасов И.И., Трофим В .Г. // ФТП, 1970, Т. 4, С. 2378-2382.

10. Фототранзистор на основе гетеропереходов в системе GaAs-AlAs / Алферов Ж.И., Ахмедов В.М., Корольков В.И., Никитин В.Г. // ФТП, 1973, Т. 7, С. 1159-1164.

11. Chang L.L., Esaki L., and Tsu R. Resonant tunneling in semiconductor double barriers // Appl. Phys. Lett., 1974, Vol. 24, P. 593-595.

12. Electron mobilities in modulation-doped semiconductor heteroj unction superlattices / Dingle R., Stormer H.L., Gossard H.L., Wiegmann W. // Appl. Phys. Lett., 1978, Vol. 33, P. 665-667.

13. A new field-effect transistor with selectively doped GaAs/«-AlxGaixAs heterojunctions / Mimura Т., Hiyamizu S., Fuji Т., Nanbu K.A. // Jpn. J. Appl. Phys., 1980, Vol.19, P. L225-L227.

14. Юнович А.Э. Светодиоды на основе гетероструктур из нитрида галлия и его твердых растворов // Светотехника, 1996, Вып. 5/6, С. 2-7.

15. Introduction to nitride semiconductor blue lasers and light emitting diodes / Nakamura S, Shigefusa F. Chichibu // CRC Press, New York, 2000, P. 373.

16. Многослойные гетероструктуры AIN/AlGaN/GaN/AlGaN основа новой компонентной базы твердотельной СВЧ-электроники / Алексеев А., Красовицкий Д., Петров С., Чалый В. // Компоненты и технологии, 2008, Т. 2, С. 138-142.

17. Gobelli. G.W., Allen F.G. Work Function, Photoelectric Threshold, and Surface States of Atomically Clean Silicon // Phys. Rev., 1962, Vol. 127, Is. 1,P. 150-158.

18. Anderson R.L. / Experiments on Ge-GaAs heterojunctions // Solid-State Electron., 1962, Vol. 5, Is. 5, P. 341-351.

19. Физика полупроводниковых приборов / Лебедев А.И., М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008, 488 с.

20. Electron mobilities in modulation-doped semiconductor heterojunction superlattices / Dingle R., Stormer H.L., Gossard H.L., Wiegmann W. // Appl. Phys. Lett., 1978, Vol. 33, P. 665-668.

21. Chang L.L., Esaki L. / Electronic properties of InAs-GaSb superlattices // Surf. Sci., 1980, Vol. 98, P. 70-89.

22. Sai-Halasz G.A., Tsu R., Esaki L. / A new semiconductor superlattice // Appl. Phys. Lett., 1977, Vol. 30, P. 651-653.

23. Precise Determination of the Valence-Band Edge in X-Ray Photoemission Spectra: Application to Measurement of Semiconductor Interface Potentials / Kraut E.A., Grant R.W., Waldrop J.R., Kowalczyk S.P. // Phys. Rev. Lett., 1980, Vol. 44, P. 1620-1623.

24. Критический обзор теории гетеропереходов / Кремер Г., В сб.: Молекулярно-лучевая эпитаксия и гетероструктуры.: Пер. с англ. Под ред. Л. Ченга, К. Плога. М.: Мир, 1989, 584 с.

25. Control of crystal polarity in a wurtzite crystal: ZnO films grown by plasmaassisted molecular-beam epitaxy on GaN / Hong S.K., Hanada Т., Ко H.J., Chen Y., Yao Т., Imai D., Araki K., Shinohara M. // Phys. Rev. B, 2002, Vol. 65,P. 115331-115341.

26. Bernardini F., Fiorentini V., Vanderbilt D. / Spontaneous polarization and piezoelectric constants of III-V nitrides // Phys. Rev. B, 1997 Vol. 56, P. R10024- R10027.

27. Квантовая механика / Мессиа A., T.l. M.: Наука, 1979, 480 с.

28. Современная физика / Типлер П.А., Ллуэллин Р.А. в 2-х т. T.l, М.: Мир, 2007, 337 с.

29. Молекулярно-лучевая эпитаксия и гетероструктуры. Пер. с англ./ Под ред. Л. Ченга, К. Плога. М.: Мир, 1989, 584 с.

30. Shinan J., Vardeny Z., Kapati Z. eds. / Optical and Electronic Properties of Fullerenes and Fullerene-Band Materials // N.Y.: Marcel Dekker, 1999.

31. Полупроводниковые сверхрешетки / Херман M., М.: Мир, 1989, 240 с.

32. Growth of thin films and heterostructures of III-V compounds by molecular beam epitaxy, in Growth and Characterization of Semiconductors / Foxon C.T., Joyce B.A., Bristol: Hilger, 1990, P. 35.

33. Nakamura S., Fasol G. The blue laser diode: GaN based light emitters lasers // Springer-Verlag, Berlin, 1997, P. 36-37.

34. Физико-химические основы жидкофазной эпитаксии / Уфимцев В.Б., Акчурин Р.Х., М.: Металлургия, 1983, 222 с.

35. Технология и оборудование вакуумного напыления / Никитин М.М. Москва: Металлургия, 1992. 361с.

36. Лазерный плазмотрон для бескамерного осаждения алмазных пленок / Большаков А.П., Востриков В.Г., Дубровский В.Ю., Конов В.И.,

37. Косырев Ф.К., Наумов В.Г., Ральченко В.Г. // Квантовая Электроника, 2005, Т. 35, вып. 4, С. 385 389.

38. Глова А.Ф., Лысиков А.Ю., Зверев М.М. / Особенности взаимодействия лазерного излучения с газопылевой средой // Квантовая Электроника, 2009, Т. 39, вып. 6, С. 537 540.

39. Pulsed laser deposition of thin films: Applications-LED growth of functional materials / Ed. by R. Eason. USA, Hoboken, New Jersey: Wiley-Interscience, 2007. 682 p.

40. Теория формирования эпитаксиальных наноструктур / Дубровский В.Г., М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009, 352 с.

41. Введение в физику поверхности / Оура К., Лифшиц В.Г., Саранин А.А., Зотов А.В., Катаяма М., М.:Наука, 2006, 490 с.

42. Введение в физику твердого тела / Киттель Ч., М.:ФИЗМАТЛИТ, 1978, 789 с.

43. Jaffe J.E. and Hess А.С. Hartree-Fock study of phase changes in ZnO at high pressure // Phys. Rev. B, 1993, Vol. 48, P. 7903-7909.

44. Kisi E. and Elcombe M.M. U parameters for the wurtzite structure of ZnS and ZnO using powder neutron diffraction // Cryst. Struct. Commun., 1989, Vol. C45, Part 12, P. 1867-1870.

45. Ivanov I. and Pollmann J. Electronic structure of ideal and relaxed surfaces of ZnO: A prototype ionic wurtzite semiconductor and its surface properties // Phys. Rev. B, 1981, Vol. 24, P. 7275-7296.

46. Schroer P., Kruger P., and Pollmann J. / Self-consistent electronic-structure calculations of the (1010) surfaces of the wurtzite compounds ZnO and CdS // Phys. Rev. B, 1994, Vol. 49, P. 17092-17101.

47. Angle-resolved photoemission from polar and nonpolar zinc oxide surfaces / Gopel W., Pollmann J., Ivanov I., and Reihl B. // Phys. Rev. B, 1982, Vol. 26, P. 3144-3150.

48. Vogel D., Kruger P., and Pollmann J. Ab initio electronic-structure calculations for II-VI semiconductors using self-interaction-corrected pseudopotentials //Phys. Rev. B, 1995, Vol. 52, P. R14316- R14319.

49. Vesely C.J., Hengehold R.L., and Langer D.W. Photoemission measurements of the upper d levels in the Bn-Avr compounds // Phys. Rev. B, 1972, Vol. 5, P. 2296-2301.

50. Powell R.A., Spicer W.E., and McMenamin J.C. Location of the Zn 3d States in ZnO // Phys. Rev. Lett., 1971, Vol. 27, P. 97-100.

51. Квазичастицы в физике конденсированного состояния / Брандт Н.Б., Кульбачинский В.А. М.:ФИЗМАТЛИТ, 2007, 632 с.

52. Основы физики полупроводников / Ю П., Кардона M., М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002, 560 с.

53. Thomas D.G. The exciton spectrum of zinc oxide // J. Phys. Chem. Solids, 1960, Vol. 15, P. 86-96.

54. Hopfield J.J. Fine structure in the optical absorption edge of anisotropic crystals // J. Phys. Chem. Solids, 1960, Vol. 15, P. 97-107.

55. Hopfield J.J. and Thomas D.G. Polariton absorption lines // Phys. Rev. Lett., 1965, Vol. 15, P. 22-25.

56. Exciton Spectrum of ZnO / Park Y.S., Litton C.W., Collins T.C., and Reynold D.C.//Phys. Rev., 1966, Vol. 143, P. 512-519.

57. Liang W.Y. and Yaffe A.D. Transmission Spectra of ZnO Single Crystals // Phys. Rev. Lett., 1968, Vol. 20, P. 59-62.

58. Filinski J. and Skettrup T. Ultraviolet emission spectrum of ZnO // Solid State Commun., 1968, Vol. 6, Is. 4, P. 233-237.

59. Arnold L. Allenic. Structural, electrical and optical properties of p-type ZnO epitaxial films // A dissertation submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy, The University of Michigan, 2008, P. 157.

60. Exciton binding energy in quantum wells / Bastard G., Mendez E.E., Chang L.L., and Esaki L. // Phys. Rev. B, 1982, Vol. 26, Is. 4, P. 1974-1979.

61. Coli G. and Bajaj K.K. Excitonic transitions in ZnO/MgZnO quantum well heterostructures //Appl. Phys. Let., 2001, Vol.78, P. 2861-2863.

62. Varshni Y.P. Temperature dependence of the energy gap in semiconductors // Physica, 1967, Vol. 34, P. 149-154.

63. Interband critical points of GaAs and their temperature dependence / Lautenschlager P., Garriga M., Logothetidis S., and Cardona M. // Phys. Rev. B, 1987, Vol. 35, P. 9174-9189.

64. Wu Y.-H., Arai K., and Yao T. / Temperature dependence of the photoluminescence of ZnSe/ZnS quantum-dot structures // Phys. Rev. B, 1996, Vol. 53, P. R10485-R10488.

65. Rudin S., Reinecke T.L. and Segall B. Temperature-dependent exciton linewidths in semiconductors // Phys. Rev. B, 1990, Vol. 42, P. 11218-11231.

66. Kim W.J., Leem J.H., Han M.S., Park I.-W., Ryu Y.R., and Lee T.S. // Appl. Phys. Lett., 2006, Vol. 99, P. 096104-096106.

67. Theoretical study of BexZnixO alloys / Ding S.F., Fan G.H., Li S.T., Chen K., and Xiao B. // Physica B, 2007, Vol. 394,Is.l, P. 127-131.

68. Упругие параметры моно- и поликристаллических вюрцитоподобных ВеО и ZnO: ab initio расчеты / Шейн И.Р., Кийко B.C., Макурин Ю.Н., Горбунова М.А., Ивановский А.Л. // ФТТ, 2007, Т. 49, вып. 6, С. 10151020.

69. Sarver J.F., Katnack F.L., and Hummel F.A. / Phase Equilibria and Manganese-Activated Fluorescence in the System Zn3(P04)2-Mg3(P04)2 // J. Electrochem. Soc., 1959, Vol. 106, Is. 11, P. 960-963.

70. MgxZn!xO as a II-VI widegap semiconductor alloy / Ohtomo A., Kawasaki M., Koida Т., Masubuchi K., Koinuma H., Sakurai Y., Yasuba Y., Yasuba T. and Segawa Y. // Appl. Phys. Lett., 1998, Vol. 72, P. 2466-2468.

71. Carrier concentration induced band-gap shift in Al-doped ZnixMgxO thin films / Lu J.G., Fujita S., Kawaharamura Т., Nishinaka H., Kamada Y., and Ohshima T. // Appl. Phys. Lett., 2006, Vol. 89, P. 262107-262109.

72. ZnO based oxide system with continuous bandgap modulation from 3.7 to 4.9 eV / Yang C., Li X.M., Gu Y.F., Yu W.D., Gao X.D., and Zhang Y.W. // Appl. Phys. Lett., 2008, Vol. 93, P. 112114-112116.

73. Band gap engineering based on MgxZnixO and CdyZniyO ternary alloy films / Makino Т., Segawa Y., Kawasaki M., Ohtomo A., Shiroki R., Tamura K., Yasuda T. and Koinuma H. // Appl. Phys. Lett., 2001, Vol. 78, P. 1237-1239.

74. Sequential pulsed laser deposition of CdxZnj.xO alloy thin films for engineering ZnO band gap / Misra P., Sahoo P.K., Tripthi P., Kulkarni V.N., Nandedkar R.V., Kurkeja L.M. // Appl. Phys. A, 2004, Vol. 78, P. 37-40.

75. Optical and morphological properties of MBE grown wurtzite CdxZn(.xO thin films / Mares J.W., Ruhge F.R., Thompson A.V., Kik P.G., Osinsky A., Hertog В., Dabiran A.M., Chow P.P., Schoenfeld W.V. // Opt. mat., 2007, Vol. 30, P. 346-350.

76. Многослойные гетероструктуры AIN/AlGaN/GaN/AlGaN основа новой компонентной базы твердотельной СВЧ-электроники / Алексеев А., Красовицкий Д., Петров С., Чалый В. // Комп. и техн., 2008, Т. 2, С. 138142.

77. Molecular beam epitaxial growth of Al-doped ZnMgO alloy films for modulation-doped ZnO/ZnMgO heterostructures / Koike K., Hama K., Nakashima I., Sasa S., Inoue M., and Yano M. // Japanes J. Appl. Phys., 2005, Vol. 44, Is. 6A, P. 3822-3827.

78. Physics of Semiconductor Devices / Sze S.M., John Wiley and Sons, 1981, 442 p.

79. Next generation of oxide photonic devices: ZnO-based ultraviolet light emitting diodes / Ryu Y.R., Lee T.-S., Lubguban J.A., White H.W., Kim B.-J.,

80. Park Y.S., and Youn C.J. // Appl. Phys. Lett., 2006, Vol.88, P. 241108241110.

81. Excitonic ultraviolet lasing in ZnO-based light emitting devices / Ryu Y.R., Lubguban J.A., Lee T.S., White H.W., Jeong T.S., Youn C.J., Kim B.J. // Appl. Phys. Lett., 2006, Vol. 90, P. 131115-31117.

82. Full-color electroluminescence from ZnO-based heterojunction diodes / A. Nakamura, T. Ohashi, K. Yamamoto, J. Ishihara, T. Aoki, J. Temmio and H. Gotoh // Appl. Phys. Lett., 2007, Vol.90, P. 093512-093514.

83. Новодворским O.A., Лотин A.A., Хайдуков E.B. Устройство для лазерно-плазменного напыления // Патент на полезную модель № 89906. Заявка № 2009125756. Приоритет от 06.07.09.

84. Crist B.V. Annotated Handbooks of Monochromatic XPS Spectra // PDF of Volumes 1 and 2, published by XPS International LLC, Mountain View, CA, USA (2005).

85. Grant J.T. and Briggs D. Surface Analysis by Auger and X-ray Photoelectron Spectroscopy // published by IM Publications, Chichester, UK (2003).

86. Кристаллография и кристаллохимия / Егоров-Тисменко Ю.К. М.:КДУ, 2005, 592 с.

87. Спектры фотолюминесценции гетероструктур «-ZnO/p-GaN(Er+Zn) и р-AlGaN(Er+Zn) / Мездрогина М.М., Криволапчук В.В., Феоктистов Н.А., Даниловский Э.Ю., Кузьмин Р.В., Разумов С.В., Кукушкин С.А., Осипов А.В. // ФТП, 2008, Т. 42, вып. 7, С. 782-787.

88. Single crystalline ZnO films grown on lattice-matched ScAlMg04 (0001) substrates / Ohtomo A., Tamura K., Saikusa K., Takahashi K., Makino Т.,

89. Segawa Y., Koinuma H., and Kawasaki M. // Appl. Phys. Lett., 1999, Vol. 75, P. 2635-2637.

90. Ko H.J., Yao T., Chen Y.F., Hong S.K. Investigation of ZnO epilayers grown under various Zn/O ratios by plasma-assisted molecular-beam epitaxy // J. Appl. Phys., 2002, Vol. 92, P. 4354-4356.

91. Structure and optical properties of ZnO/Mgo^Zno.sO superlattices / Ohtomo A., Kawasakim M., Ohkubo I., Koinuma H., Yasuda T., Segawa Y. // Appl. Phys. Lett., 1999, Vol. 75, P. 980-982.

92. Jeong S.-H., Kim B.-S., and Lee B.-T. Photoluminescence dependence of ZnO films grown on Si(100) by radio-frequency magnetron sputtering on the growth ambient. // Appl. Phys. Lett., 2003, Vol. 82, P. 2625-2627.

93. Photoluminescence and cathodoluminescence studies of stoichiometric and oxygen-deficient ZnO films / Wu X.L., Siu G.G., Fu C.L., and Ong H.C. // Appl. Phys. Lett., 2001, Vol. 78, P. 2285-2287.

94. Excitonic fine structure and recombination dynamics in single-crystalline ZnO / Teke A., Ozgur U., Dogan S., Gu X., Morkoc H., Nemeth B., Nause J., and Everitt H.O. // Phys. Rev. B, 2004, Vol. 70, P. 195207-195217.

95. Wang L. and Giles N.C. Temperature dependence of the free-exciton transition energy in zinc oxide by photoluminescence excitation spectroscopy //J. Appl. Phys., 2003, Vol. 94, P. 973-975.

96. Алферов Ж.И. История и будущее полупроводниковых гетероструктур / ФТП, 1998, Т. 32, вып. 1, С. 3-18.

97. Takahashi К., Yoshikawa A. and Sandhu A., Springer Berlin Heidelberg, 2007, P. 25.

98. High-temperature random lasing in ZnO nanoneedles / Yang H.Y., Lau S.P., Yu S.F., Abiyasa A.P., Tanemura M., Okita Т., and Hatano H. // Appl. Phys. Lett, 2006, Vol. 89, P. 011103-011105.

99. Room-temperature ultraviolet nanowire nanolasers / Huang M.H., Mac S., Feick H., Yan H., Wu Y., Kind H., Weber E., Russo R., Yang P. // Science, 2001, Vol. 292, P. 1897-1899.

100. Low-temperature growth of single-crystalline ZnO tubes on sapphire (0001) substrates / Zhang B.P., Binh N.T., Wakatsuki K., Usami N., Segawa Y. // Appl. Phys. A, 2004, Vol. 79, P. 1711-1713.

101. Lasing Mechanism of ZnO Nanowires/Nanobelts at Room Temperature / Zou В., Liu R., Wang F., Pan A., Cao L. and Zhong L. Wang // J. Phys. Chem. B, 2006, Vol. 110, P. 12865-12873.

102. A comprehensive review of ZnO materials and devices / U. Ozgur, Ya.I. Alivov, C. Liu, A. Teke, M. A. Reshchikov, S. Dogan, V. Avrutin, S.-J. Cho, H. Morkoc // J. Appl. Phys., 2005, Vol. 98, P. 041301-1-041301-103.

103. Нелинейное оптическое усиление в столбчатых наноструктурах ZnO и квантовых ямах Mg0 27Zn0.73O/ZnO / Лотин А.А., Новодворский О.А., Хайдуков Е.В., Паршина Л.С., Панченко В.Я. // Труды 2ой

104. Всероссийской научной школы для молодежи «Концентрированные потоки энергии в индустрии наносистем, материалов и живых систем», Москва, МИЭМ, 2009, С. 236-242.

105. Дубровский В.Д., Цырлин Г.Э., Устинов В.М. / Полупроводниковые нитевидные нанокристаллы: синтез, свойства, применение // ФТП, 2009, Т. 43, вып. 12, С. 1585-1627.

106. Тройные сплавы CdyZniyO и MgxZnixO материалы для оптоэлектроники / Лотин А.А., Новодворский О.А., Панченко В.Я., Паршина Л.С., Хайдуков Е.В., Зуев Д.А., Рочева В.В., Храмова О.Д., Щербачев К.Д. // ФТТ, 2011, Т. 53, вып. 3, С. 438-442.

107. Твердотельная электроника / Гуртов В.А., Москва, 2005, 492 с.

108. The optical and structural properties of quantum wells Mgo.27Zno.73O/ZnO produced by pulsed laser deposition / A.A. Lotin, O.A. Novodvorsky, L.S. Parshina, E.V. Khaydukov, O.D. Khramova, V.Ya. Panchenko // Fizika, 2010, Vol. 16, P.41-45.

109. Makino Т., Segava Y., Kawasaki M., Koinuma H. Optical properties of exitons in ZnO-based quantum well heterostuctures // Semicond. Sci. Technol. 2005, Vol. 20, P. S78-S91.

110. Quantum wells, wires and dots. Theoretical and computational physics of semiconductor nanostructures / Harrison P., JOHN WILEY&SONS, LTD, 2005, 482 p.

111. Лазаренкова О.Л., Пихтин А.Н. Энергетический спектр неидеальной квантовой ямы в электрическом поле // ФТП, 1998, Т. 32, вып. 9, С.1108-1113.

112. Светодиоды / Шуберт Ф., М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008, 496 с.

113. Recombination dynamics and lasing in ZnO/ZnMgO single quantum well structures / Shubina T.V., Toropov A.A., Lublinskaya O.G., Kop'ev P.S., Ivanov S.V., El-Shaer A., Al-Suleiman M., Bakin A., Waag A., Voinilovich

114. A., Lutsenko E.V., Yablonskii G.P., Bergman J.P., Pozina G., and Monemar

115. B. // Appl. Phys. Lett., 2007, Vol. 91, P. 201104-201106.

116. Bandgap renormalization of ZnO epitaxial thin films / Yamomoto A., Kido Т., Goto Т., Chen Y., and Yao T. // Solid State Commun. 2002, Vol.122, P.29-32.

117. Physics and chemistry of II-VI compounds // Aven M. and Prener J. North-holland publishing company, Amsterdam, 1970, 846 p.

118. Schottky W. Z. Phys. B, 1942, Vol. 118, Is. 9/10, P. 539-548.

119. Rectifying semiconductor contacts / Henish A.K., Claredon Press, Oxford, 1957,372 р.

120. Бланк T.B., Гольдберг Ю.А. Механизмы протекания тока в омических контактах металл-полупроводник // ФТП, 2007, Т. 41, вып. 11, С. 12811308.

121. Low-resistance Ti/Au ohmic contacts to Al-doped ZnO layers / Kim H.K., Han S.H., Song T.Y., Choi W.K. // Appl. Phys. Lett., 2000, Vol. 77, P. 16471649.

122. Ti/Au Ohmic Contacts to Al-Doped n-ZnO Grown by Pulsed Laser Deposition / Chen J.J., Anderson T.J., Jang S., Ren F., Li Y.J., Kim H.-S., Gila B.P., Norton D.P., Pearton S.J. // J. Electrochem. Soc., 2006, Vol. 153, Is. 5, P. G462 G465.

123. Contacts to ZnO / Ip K., Thaler G.T., Yang Hyucksoo, Youn Han Sang, Li Yuanjie, Norton D.P., Pearton S.J. Jang Soowhan, Ren F. // J. Cryst. Growth, 2006, Vol. 287, Is. 1, P. 149-156.

124. Окись цинка. Получение и оптические свойства / Кузьмина И.П., Никитенко В.А., Москва.:Наука, 1984, 166 с.

125. Characterization of homoepitaxial jo-type ZnO grown by molecular beam epitaxy / Look D.C., Reynolds D.C., Litton C.W., Jones R.L., Eason D.B., and Cantwell G. // Appl. Phys. Lett., 2002, Vol. 81, P. 1830-1832.

126. Панченко В.Я., Новодворский О.А., Голубев B.C. Технология лазерно-плазменного напыления пленок нанометровых толщин // Наука и технологии в промышленности, 2006, Т. 4, вып. 1, С. 39-51.

127. The temperature gradient technique (TGT) growth and optical properties of Yb-doped YA103 single crystal / Zhao G., Li H., Zhu J., Jie M., He X. and Xu J. //J. Crystal Growth, 2005, Vol. 280, P. 493-489.

128. Рогозин И.В. Структурные и люминесцентные свойства пленок ZnO:P, полученных отжигом подложек ZnP2 в атомарном кислороде // ФТП, 2008, Т. 43, вып. 1,С. 26-30.

129. Growth of phosphorus-doped p-type ZnO thin films by MOCVD / Ye Z., Wang J., Wu Ya., Zhou X., Chen F., Xu W., Miao Ya., Huang J., Lu J., Zhu L., Zhao B. //Front. Optoelectron. China, 2008, Vol. 1, Is. 1-2, P. 147-150.

130. Zhang J., Xue Sh., Shao L. P-type ZnO thin films prepared by in situ oxidation of DC sputtered Zn3N2:Ga // J. Semicond., 2010, Vol. 31, P.043001.

131. Ultraviolet and visible electroluminescence from «-ZnO/SiOV(/7,/?)-Si heterostructured light-emitting diodes / Tan S.T., Sun X.W., Zhao J.L., Iwan

132. S., Cen Z.H., Chen T.P., Ye J.D., Lo G.Q., Kwong D.L., and Teo K.L. // Appl. Phys. Lett., 2008, Vol. 93, P. 013506-013508.

133. Электролюминесценция полупроводниковых гетероструктур на основе оксида цинка / Новодворский О.А., Лотин А.А., Панченко В.Я., Паршина Л.С., Хайдуков Е.В., Зуев Д.А., Храмова О.Д. // Квантовая Электроника. 2011. Т. 41, вып. 1,С. 4-7.

134. Nakamura S. First laser diodes fabricated from III-V nitride based materials // Mat. Scien. and Engin. B, 1997, Vol. 43, Is. 1-3, P. 258-264.

135. Кайзер У., Грузинцев A.H., Ходос И.И., Рихтер В. Неорг. Матер., 2000, Т. 6, С. 458-462.