ZnSe-pohjaisten yhdistepuolijohteiden MBE-kasvatus sinivihreitä valolähteitä varten

Abstract

II-Vl-yhdisteiden merkitys puolijohteiden tutkimuksessa on kasvanut valmistusmenetelmien kehittymisen myötä. Erityisesti ZnSe-pohjaisia yhdistepuolijohteita on tutkittu paljon, koska niiden avulla voidaan valmistaa näkyvää valoa lähettäviä optoelektroniikan komponentteja. Vuonna 1991 julkistettiin ensimmäinen sinivihreää valoa lähettävä puolijohdelaserdiodi,joka oli valmistettu ZnSe-yhdisteistä. Tämä läpimurto on vauhdittanut ZnSe-yhdisteiden tutkimusta. Muutamassa vuodessa on syntynyt lukuisia uusia ZnSe-tutkimusryhmiä ympäri maailmaa. Tämä tutkimus on jatkoa vuonna 1986 TTKK:n fysiikanlaitoksella aloitetulle ZnSe-tutkimukselle. Tässä työssä tutkittiin ZnSe-pohjaisten yhdistepuolijohteiden kasvatusta molekyylisuihkuepitaksialla (MBE). Tarkoituksena oli valmistaa sinistä valoa lähettäviä epitaksiaalisia kerrosrakenteita. Aluksi etsittiin optimaaliset kasvatusolosuhteet rakenteissa tarvittaville yhdisteille ZnSe, Cd(x)Zn(1-x)Se, ZnS(x)Se(1-x), Mn(x)Zn(1-x)S(y)Se(1-y) ja Mg(x)Zn(1-x)S(y)Se(1-y). Ohutkalvojen ominaisuuksia tutkittiin pääasiassa röntgendiffraktiolla (DCXRD) ja fotoluminesenssi-mittauksilla(PL). ZnSe-yhdisteiden seostuksessa käytettiin typpeä(p-tyyppinen) ja klooria (n-tyyppinen). Kloori saatiin höyrystämällä sinkkikloridia. Donoriseostus onnistui kaikilla tutkituilla yhdisteillä hyvin. ZnSe:n maksimielektronikonsentraatioksi saatiin 5xlOexp18 cm(-3). Typpiseostuksessa käytettiin Oxford Applied Research'nrf-plasmalähdettä, jonka avulla ZnSe:n akseptorikonsentraatioksi saatiin maksimissaan 5x10exp17cm(-3). Nämä seostustasot ovat riittäviä diodirakenteiden valmistusta varten. Seostettujen kalvojen karakterisoinnissa käytettiin Hall-mittausta ja sähkökemiallistakapasitanssi-jännite-profilointia (ECV). Tutkimuksessa kasvatettiin valoa lähettäviä ZnSSe/CdZnSe-kvanttikaivorakenteita, joiden ominaisuuksia tutkittiin DCXRD- ja PL-mittauksilla. Kvanttikaivorakenteet olivat lähes poikkeuksetta hyvälaatuisia ja luminoivat sinivihreää valoa huoneenlämpötilassa. Luminointitehokkuus kasvoi entisestään, kun ZnSSe/CdZnSe -kerrosten ympärille kasvatettiin MgZnSSe-heijastuskerrokset. Osa rakenteista seostettiin diodirakenteiksi, jotka lähettivät sinivihreää valoa huoneenlämpötilassa. Diodirakenteiden kynnysjännite oli yleensä suuri (n. 20 V), koska aukkojen injektio p-GaAs:sta p-ZnSe:iin oli vaikeaa. MnZnSSe tutkittiin mahdollisena MgZnSSe:n korvaajana laserrakenteissa. Sitä ei kuitenkaan kyetä seostamaan voimakkaasti p-tyyppiseksi, joten sitä ei voitu käyttää diodirakenteissa. Sen sijaan MnZnSSe:ä käytettiin tiettävästi maailman ensimmäisessä ZnSe-pohjaisessa Braggin peilirakenteessa, jonka maksimiheijastukseksi mitattiin 83 %. /Kir10