Инфракрасная полупроводниковая оптоэлектроника с использованием гетероструктур из арсенида индия и твердых растворов на его основе тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

На правах рукописи

Матвеев Борис Анатольевич

Инфракрасная полупроводниковая оптоэлектроника с использованием гетероструктур из арсенида индия и твердых растворов на его основе

Специальность

01.04.10 - физика полупроводников

АВТОРЕФЕРАТ Диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

-2 ЛЕН 2010

Санкт-Петербург 2010

004614906

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе РАН

Официальные оппоненты

Доктор физико- математических наук, профессор Воробьев Леонид Евгеньевич СПБГПУ, СПБ

Доктор физико- математических наук, ведущий научный сотрудник Мынбаев Карим Джафарович

Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, СПБ

Доктор технических наук, профессор Тришенков Михаил Алексеевич НПО «ОРИОН», Москва

Ведущая организация: Санкт-Петербургский Государственный Электротехнический Университет («ЛЭТИ» им. В.И.Ульянова/Ленина/)

Защита состоится 16 декабря 2010 года в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д.002.205.02 при Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе РАН по адресу: 194021, Санкт-Петербург, ул.Политехническая, д.26

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН

Автореферат разослан 16 ноября 2010 года.

Отзывы об автореферате в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба высылать по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета

Ученый секретарь диссертационного совета Доктор физико- математических наук

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В последнее десятилетие исследования полупроводниковых структур заняли прочное положение среди наиболее быстро развивающихся направлений физики. Источники и приемники на основе гетероструктур, работающие в диапазоне длин волн 3-5 мкм, могут быть использованы в системах контроля химического состава газообразных и жидких сред, оптической связи и в тепловидении. До недавнего времени основными материалами для изготовления оптоэлектронных приборов в вышеуказанном спектральном диапазоне были соли свинца (PbS, PbSe и др.), а также твердые растворы KPT (HgCdTe); на сегодняшний день эти материалы все более оттесняются на второй план ввиду их металлургической нестабильности, восприимчивости к влаге и плохой теплопроводности, а также из-за успехов в создании квантово-каскадных лазеров на диапазон 5-14 мкм на основе полупроводников А3В5 и сопутствующей этому разработке методов фотолитографии и сборки приборов.

При проведении разработок лазеров, свето- и фотодиодов важным обстоятельством является кристаллическое совершенство, как исходных материалов (подложек), так и самих структур, поскольку упругие напряжения, дислокации несоответствия и наклонные дислокации могут существенно снизить квантовый выход и увеличить токи утечек. Однако, исследования дефектообразования в узкозонных гетероструктурах А'В5 носили фрагментарный характер без выявления фундаментальных закономерностей, а во многих случаях, например, в двойных гетероструктурах (ДГС), и вовсе отсутствовали. То же относится и к механическим свойствам узкозонных полупроводников А3В5, таких как InAsSb, InAsSbP и InGaAsSb, учет которых важен при проведении анализа релаксации упругих напряжений в гетероструктурах.

В разработке светодиодов (СД) на основе арсенида индия и близких к нему узкозонных твердых растворов основные успехи были обусловлены, главным образом, улучшениями, связанными с обеспечением электронного ограничения и с геттерированием дефектов и остаточных примесей. Вместе с тем, ряд вопросов оставался недостаточно освещенным. К ним относится, прежде всего, вопрос о предельно возможном значении внутреннего квантового выхода (или коэффициента преобразования), определяемого собственными свойствами полупроводника. Очевидно, что адекватное исследование этого фундаментального параметра возможно лишь в «бездефектных» образцах, где рекомбинация Шокли-Рида несущественна и отсутствует затеняющий контакт. Сгущение линий тока под непрозрачным контактом и искажения ватт-амперной (L-I) характеристики, вызванные затенением выходящего излучения, как правило, игнорировались. На начало описываемых в работе исследований структур с

незатеняющим контактом получено не было, и в литературе можно найти немало противоречивых данных об эффективности излучательной рекомбинации в узкозонных СД; анализ этих противоречий можно найти в [А76].

При создании инжекционных лазеров на основе узкозонных полупроводников А3В5 был использован широкий арсенал средств повышения эффективности за счет увеличения высоты барьеров в ДГС и подавления Оже-рекомбинации при создании гетероперехода второго типа с непрямыми излучательными переходами, впервые предложенного в [1], туннельно-инжекционных лазеров на основе изотипных и неизотипных гетеропереходов С}а1пА.ч$Ь/1пЛ$, СЫпАзЗЬ/ЬгСаАхЗЬ, а также «\У»- образной конфигурации активной области. Вместе с тем, практически нет работ, где в качестве материала активной области использован твердый раствор 1пОаЛх5Ь, близкий по составу к 1пАв, который по оценкам имеет требуемый для подавления Оже-рекомбинации дисбаланс энергий ширины запрещенной зоны и спин-орбитально отцепленной зоны. Кроме этого, в наиболее интересной для практических приложений спектральной области (3-3.3 мкм) не проводились исследования по созданию «вертикально излучающих» лазеров с электрической накачкой, а также лазеров с большим интервалом токовой перестройки длины волны, важных для спектроскопии высокого разрешения.

Одним из новых физических явлений, имеющих ряд важных практических приложений в фотометрии в среднем ИК-диапазоне спектра, является отрицательная люминесценция (ОЛ). На начало работы имелись лишь единичные публикации по наблюдению ОЛ в полупроводниковых р-п структурах, проведенные в Великобритании и США, причем «критическая температура», т.е. температура, при которой коэффициент преобразования ОЛ превышает таковую при прямом смещении диода, была определена лишь в одной из работ в образцах на основе сверхрешеток ¡пАз/ЫЛяБЬ (Х=43 мкм) (Т-310 К). Исследования ОЛ при температурах выше 310 К, равно как и данные о значительном превышении эффективности ОЛ над эффективностью «положительной» люминесценции, в литературе отсутствовали. Для фотодиодов и светодиодов с активной областью из 1пАх , работающих при комнатной температуре, молчаливо полагалось, что создание освещаемых через подложку структур с согласованными периодами решеток слоев и подложки затруднено, в связи с чем, данные об «иммерсионных» свето- и фотодиодах на основе [пАв и близких к нему твердых растворов для диапазона 3-5 мкм отсутствовали. Целью диссертационной работы является комплексное исследование оптических, электрических и механических свойств, а также дефектообразования в полупроводниковых твердых растворах и гетероструктурах с составами, близкими к [пАв, и создание эффективно излучающих и принимающих излучение приборов в средней

инфракрасной области спектра ( 3-5 мкм), пригодных для решения задач газового анализа и энергосберегающего (минимально потребляющего) приборостроения. Для осуществления поставленной пели решались следующие задачи:

В части технологии получения полупроводниковых структур:

- разработка методов определения степени упругой деформации в градиентных структурах и исследование упруго-пластического состояния градиентных и двойных гетерострутур.

- разработка методов изготовления градиентных и двойных диодных гетроструктур ШАвЗЬРЛпАэ, 1пОаЛ58Ь/1пЛ5 с низкой плотностью дислокаций и низкой концентрацией остаточных примесей в активной области.

В части исследования физических процессов, обеспечивающих повышение эффективности диодных структур:

- исследования отрицательной люминесценции в диодных структурах в широком диапазоне температур.

- исследования спонтанного и стимулированного излучения в структурах ГпАвЗЬРЛпАв, 1пОа/\55Ь/'1пЛ5 со встроенными резонаторами.

В части оптимизации конструкции свето- и фотодиодов:

исследование факторов, обеспечивающих получение максимального коэффициента преобразования и обнаружительной способности в узкозонных диодах А3В5 (разработка отражающих омических контактов к 1пАз8ЬР и 1пАя и конструкций меза-диодов со встроенными микрорефлеторами и повышенными коэффициентом вывода/ввода излучения, тепловой проводимостью и минимальными шумами).

В части создания лазеров, свето- и фотодиодов и исследования возможности их использования для спектроскопии в серднем ИК-диапазоне:

- исследование возможности использования диодных лазеров на основе [пАзЗЬРЛпОаАяЗЬ для спектроскопии высокого разрешения.

исследование возможности использования свето- и фотодиодов среднего ИК-

диапазона спектра для создания малогабаритных высокоточных оптических и

оптико-акустических измерительных систем.

Диссертационная работа представляет совокупность актуальных исследований, имеющих отношение ко всем перечисленным задачам.

Научная новизна работы определяется тем, что в ней развито новое научное направление в изучении полупроводниковых гетероструктур, полученных в условиях высокой пластичности подложки, основанное на представлениях о пониженной пластичности четверных твердых растворов и о формировании «инверсного»

распределения плотности дислокаций в процессе роста, и приборных структурах, совмещающих в себе функциональные возможности работы в качестве источников отрицательной люминесценции, свето- и фотодиодов и лазеров в средней ИК-области спектра (3-5 мкм). Данное научное направление является оригинальным, и возникло в результате деятельности автора диссертации. Развита методология количественной характеризации особенностей вышеуказанных гетероструктур, включая лазерные гетероструктуры, на основе оптических, металлографических и рентгенодифракционных методов. Исследованы процессы релаксации упругих напряжений и выявлена взаимосвязь электрических и оптических свойств слоев, гетероструктур и приборных структур с особенностями методов их получения. Обнаружены подавление безызлучательной Оже-рекомбинации при повышенных температурах в узкозонных диодных структурах при обратном смещении и модуляция равновесного теплового излучения встроенным резонатором Фабри-Перо.

Практическая ценность работы заключается в фундаментальном характере исследованных явлений и установленных закономерностей. Научные выводы носят общий характер и не ограничиваются объектами, непосредственно исследованными в работе. Новые методы количественного определения величины остаточной упругой деформации в структурах с профилированной подложкой, коэффициента оптического отражения, основанного на анализе ИК изображений, в сочетании с традиционными методами изучения полупроводниковых слоев и гетероструктур являются основой для разработки методов диагностики сложных структур, изучение которых традиционными методами затруднено. Установленные в результате проведенных исследований механизмы релаксации упругих напряжений могут быть использованы также и в других, далеких от полупроводниковой электроники областях, например, в рентгеновской технике при создании фокусирующих кристалл-монохроматоров с высоким фактором заполнения и комбинированных устройств, работающих в оптическом и рентгеновском диапазонах спектра. Результаты, полученные в диссертации, существенно углубляют понимание взаимосвязи электрических и оптических свойств полупроводниковых слоев, гетероструктур и приборных структур, что, с одной стороны, позволяет совмещать в одном устройстве функции нескольких приборов, например, таких как свето-, фотодиод и прибор отрицательной люминесценции, а с другой стороны, расширяет возможности диагностики, например, с использованием понятия предельно возможного коэффициента преобразования (ЫРЬ/ 1ш1) , где ЖР- мощность отрицательной люминесценции, а /„,-значение тока насыщения. Продемонстрированное подавление Оже-рекомбинации в режиме ОЛ будет полезно для проведения оптических измерений в устройствах,

работающих в условиях повышенных температур, когда обычные («положительные») фотонные источники неэффективны. Разработанные подходы создания источников излучения с «тонкой» структурой спектра (резонансы Фабри-Перо) будут востребованы для спектроскопии высокого разрешения. Ряд полученных результатов, например подавление потерь, вызванных полным внутренним отражением, с помощью техники иммерсии, был использован при создании эффективных свето- и фотодиодов, уже нашедших практическое применение, например, в устройствах для определения концентрации углеводородов на трассе [2] и паров этанола в выдыхаемом воздухе. Основные положения, выносимые на защиту:

Положение 1. Релаксация упругих напряжений, происходящая в процессе эпитаксиапьной кристаллизации градиентных слоев твердых растворов А3В5 (¡пАзБЬР) в области температур пластичности подложки из соединения А3В5(/иЛл.), сопровождается введением в неё дислокаций преимущественно одного знака вследствие её повышенной пластичности по сравнению с твердым раствором А3В5. В процессе роста двойных гетероструктур 1пА$5ЬР/1пОаА$5Ь/1пА53ЬР релаксация упругих напряжений происходит при преимущественном образовании сеток дислокаций несоответствия на границе с подложкой.

Положение 2. В градиентных структурах /лЛ.г£А/У/нЛ.9, 1пОаА$5Ь/1пА$, полученных эпитаксиапьной кристаллизацией в области температур пластичности /иЛя (680-720°С), слой твердого раствора деформирован в основном, упруго, а подложка - пластически. При этом градиентный эпитаксиальный слой без подложки сферически искривлен с радиусом кривизны /?»=а /£гас/ а , где а - период решетки твердого раствора. Положение 3. Излучение, сформированное в гетероэпитаксиальной структуре с неоднородной толщиной подложки, линейно поляризовано, что связано с перераспределением остаточных упругих деформаций при профилировании подложки. Величина и спектральная зависимость степени линейной поляризации зависят от величины остаточных напряжений и характера профиля толщины подложки. Положение 4. Вероятность поглощения и излучательной рекомбинации в слое 1пАэ или твердого раствора на его основе, интегрированных внутри резонатора Фабри-Перо, в длинноволновой части спектра имеют резонансные максимумы и минимумы, соответствующие указанному резонатору.

Положение 5. Эффективность источника отрицательной люминесценции на основе узкозонных твердых растворов /«/4^56 увеличивается с ростом обратного тока вследствие уменьшения или полного подавления процессов безызлучательной Оже-рекомбинации при экстракции носителей заряда из областей, примыкающих к р-п переходу. При этом эффект подавления Оже-рекомбинации усиливается с повышением температуры, и при превышении пороговой температуры мощность отрицательной люминесценции превышает мощность «положительной» люминесценции.

Положение 6. В лазерах на основе двойных гетероструктур ¡пАьЯЬР/ЪгСаАъЗЬ длина волны излучения уменьшается при увеличении тока сверх порогового значения

вследствие возрастания концентрации инжектированных носителей заряда, при этом скорость токовой перестройки длины волны увеличивается с уменьшением длины резонатора.

Положение 7. Предложены и реализованы новые типы высокоэффективных флип-чип оптоэлектронных приборов для средней ИК-области спектра на основе гетероструктур InAs/InAsSbP, InGaAsSb/InAsSbP. InAsSbJInAsSbP с внутренними концентраторами, отражающими контактами и «антиоражающей» световыводящей поверхностью, совмещающие в себе функциональные возможности свето- и фотодиодов, а также приборов отрицательной люминесценции. Указанные приборы перспективны для практического применения в абсорбционных анализаторах, оптико-акустических сенсорах газов и миниатюрных спектрометрах.

Апробация результатов работы. Материалы диссертации представлялись для обсуждения Российскому и международному научным сообществам на конференциях по Физике и технологии GaAs и других полупроводников III-V (Conf. on Physics and Technology of GaAs and other III-V Semiconductors (1986, 2006 Томск), симпозиумах Materials Research Society (MRS, 1990 (v.216), Boston, USA, 2005 Boston, USA), 3-ей международной советской конференции по волоконной оптике (International Soviet Fiber Optics Conference(ISFOC-93)(1993 СПБ), конференциях общества оптических инженеров SPIE (1993 Boston, USA (v,2069), 1995 Munich, Germany (v.2506), 1996 Uzhgorod, Ukraine (v.3182), 2000 Kyiv, Ukraine (v.4355), 2001 San Jose, USA (v.4285, v.4278), 2002 San Jose, USA (v.4650), 2005 Warsaw, Poland (v.5957), 2007 Prague, Czech rep.(v.6585), 2009 San Jose, USA (v. 7223), 2010 San Francisco, USA (v. 7597, v.7609, v.7607)), European Conference on Optical Chemical Sensors and Biosensors (EUROPTRODE)(1994 Firenze, Italy, 2000 Lyon, France), International Symposium on Monitoring of Gaseous Pollutants by Tunable Diode Lasers (1994, 1998 Freiburg, Germany), CLEO/Europe'96 (1996 Hamburg, Germany), International Conference on Mid-infrared Optoelectronics.Materials and Devices (MIOMD) (1996 Lancaster, UK, 1998 Prague , Czech Rep., 2002 Annapolis, USA, 2004 СПБ, 2005 Lancaster, UK, 2007 Bad Ischl, Austria., 2008 Freiburg, Germany), Optics Day'97 (1997, Tampere, Finland), 2nd International Conference on Tunable Diode Laser Spectroscopy (1998, Moscow, Russia), International conference on Ecology of cities (1998, Rhodes, Greece), International Conference "Physics at the turn of the 21st century" (1998, СПБ), Российской конференции по физике полупроводников (1999 Новосибирск, 2003 СПБ, 2007 Екатеринбург), Международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения (2002, 2004, 2008, 2010 Москва), Международной конференция Оптика, Оптоэлектроника и Технологии (2001, Ульяновск), 15-th UK National Quantum Electronics and Photonics Conference (QEP-15, Mid-Infrared Workshop) (2001 Glasgow,

Великобритания), Всероссийской научной конференции «Физика полупроводников и полуметаллов (2002 СПБ), Nothern Optics (2003 Espoo, Finland), lllh international Conference on Narrow Band Semiconductors (2003 Buffalo, USA), Международном семинаре по оптоэлектронике (2003, 2008 СПБ), конференции «Лазеры для медицины, биологии и экологии», (2005 СПБ), Wave Electronics and Its Applications in Information and Telecommunication Systems, (2005 СПБ), IEEE SENSORS (2008, Italy) и Международном Форуме по нанотехнологиям (2008, 2009 Москва), а также неоднократно докладывались на Большом Ученом Совете, Ученом Совете Центра Физики Наногетероструктур и семинарах Лаборатории инфракрасной оптоэлектроники ФТИ им.А.Ф.Иоффе РАН. Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 84 работах. Библиографический список публикаций приведен в конце диссертации. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, содержащего основные результаты, списка основных работ автора по теме диссертации и списка цитируемой литературы. Общий объем 257 страниц, включая 175 рисунков и 16 таблиц. Список литературы содержит 372 наименования. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи работы, её научная новизна и практическая значимость. Сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

Глава 1. Содержит краткий анализ фактов, являющихся предпосылками для развития новых представлений о свойствах полупроводниковых гетероструктур и приборных структур для средней ИК-области спектра. В первой части главы приводятся данные о свойствах структур и слоев из арсенида индия и твердого раствора InAs]_xSbx, являющихся основными материалами для получения светодиодов (СД) в диапазоне 3-5 мкм, и отмечается основное препятствие для получения высокой эффективности преобразования - безызлучательная Оже-рекомбинация. Однако, даже при ее отсутствии (условия малых токах ( j < 10 А/см )) коэффициент преобразования оказывается невысоким -максимальное опубликованное значение квантовой эффективности в объеме, полученное при детальном анализе зависимости квантовой эффективности от уровня легирования активной области, составляло 24% для p-InAs, p = 5xlo" см~}[3], что существенно ниже, чем в СД на основе широкозонных материалов таких, как GaAs. Рассмотрены способы уменьшения скорости Оже-рекомбинации, основанные чаще всех других на использовании пространственно непрямых переходов между уровнями, образованными в сверхрешетках второго типа InAs/In(Asi.x Sbx) [4], с обеих сторон гетероперехода второго рода в "W"- образных квантовых ямах [5] или в одиночном гетеропереходе [6]. Отмечается, что вопреки теоретическим предпосылкам, показывающим существенное снижение величины матричного элемента для Оже процесса, квантовый выход при температуре жидкого азота составлял всего -30%; при 300 К он уменьшался в ~10 раз до значения г]м =2.5% [6]. При этом в более поздних работах диодные структуры с гетеропереходами второго рода критиковались за высокую скорость Оже-рекомбинации, связанную с высокой концентрацией носителей (1018 см"3), локализованных в узком слое толщиной порядка 100 нм [7]. Обращено внимание на отсутствие в литературе анализа влияния растекания тока на вольт-амперные (I-V) и ватт-амперные (L-I) характеристики

СД с контактами ограниченной площади, что приводило к некорректной интерпретации L-I характеристик и завышению значений фактора идеальности I-V характеристик и коэффициентов Оже-рекомбинации.

В этой же главе систематизированы сведения об инжекционных лазерах для спектрального диапазона 3-5 мкм, для которых твердый раствор InAsSbP создает с InAs гетеропереход второго типа, а также лазерах на основе изотипных и неизотипных гетеропереходов GalnAsSb/InAs, GalnAsSb/InGaAsSb. Указывается на возможность создавать туннельно-инжекционные лазеры (GalnAsSb/InAs, GalnAsSb/InGaAsSb), и лазеры InAsSbP/lnAs с энергетическими разрывами ДЯу=-52 мэВ, Д£(=15 мэВ [8], соотношение энергий которых (&Et/AEc »3.4) оптимально для подавления интерфейсной оже-рекомбинации [9]. Делается вывод о том, что вопрос об эффективности интерфейсного канала рекомбинации остается открытым, поскольку расчетные значения пороговых токов для рекомбинации в объеме оказались. почти на порядок ниже экспериментально наблюдаемых значений, а значения максимальной рабочей температуры (Ттах=203 К ) оказалась ниже, чем в образцах с гетеропереходом первого типа.

Рассмотрены наиболее часто упоминаемые подходы при изготовлении лазеров среднего ИК-диапазона, а именно, создание квантово-каскадных лазеров, работающих преимущественно в импульсном режиме, а также «W»- образной конфигурации активной области, использованной в работах исследователей из Университета в Монпелье (Франция) и Naval Research Lab.(США). Типичным представителем последнего является лазер, в котором в две квантовых ямы/колодца (QW) для электронов в InAs «вставлена» яма для дырок из Ga(In)Sb. Все ямы в свою очередь окружены барьерами из Al(Ga)Sb или AlGaAsSb (GalnAsSb). Невысокая эффективная масса электронов позволяет им осуществлять перекрытие с дырочным ямой из Ga(In)Sb, в то время как высота барьеров достаточна для формирования двумерного квантования состояний. Согласно теоретическому рассмотрению свойств InAs-лазеров на основе набора квантовых ям и структур с "W" профилем зон в активной области традиционные лазеры на основе квантовых ям InAsSb/InAs [10] вряд ли будут работать при комнатной температуре. Наилучшая по ожидаемым характеристикам структура типа "W" содержала 10 периодов квантовых ям InAsSb/InAsP/lnAsSb/InAsPSb, волноводы InAsSbP, и барьерные слои AlAsSb. Для значений коэффициента оптических потерь а = 25 см"1 и коэффициента Оже-рекомбинации С-5*10 -21 см6/с ожидаемая плотность порогового тока при комнатной температуре в такой структуре составила Jti, = 6.6 kA/см2. Однако, работа таких лазеров при комнатной температуре пока не продемонстрирована. Это же относится и к дисковым лазерам на модах полного внутреннего отражения - WGM («whispering gallery mode»), работающим лишь до 125 К, для которых предполагается поднять добротность резонатора до 106 [11].

В этой же главе обращено внимание на близость требований, предъявляемых к фотодиодам и приборам отрицательной люминесценции (OJI), систематизированы литературные данные о разработках таких приборов [А73] и рассмотрены основные свойства OJI на примере магнитоконцентрационного эффекта [12, 13], работ Эллиота и его сотрудников по изучению экстракции носителей из примыкающей к обратно-смещенному р-n переходу области [14], а также классических расчетов, выполненных Пипой и Липтугой [15]. Проанализированы способы оценки эффективности OJI и эффективного понижения радиационной температуры (At [К]) и области применения OJ1, из которых главными являются калибровка чувствительности и создание холодных экранов для фотоприемных матриц. В диодах HgCdTe отмечена немонотонность I-V характеристики, состоящая в резком падении обратного тока с появлением участка отрицательного дифференциального сопротивлении (ОДС), связанная с истощением активной области. Обращено внимание на то, что данный эффект не наблюдался в диодах на основе полупроводников А3В5, для которых зависимость мощности OJ1 от тока во всех

исследованиях являлась прямо-пропорциональной: с увеличением обратного тока росло истощение активного слоя носителями заряда и, соответственно, увеличивалась мощность ОЛ. Это свойство ОЛ было использовано нами для расчета коэффициента преобразования «идеального» фотонного излучателя.

Далее в главе рассмотрены вопросы, относящиеся к разработке фотодиодов, при этом отмечены металлургическая стабильность и невосприимчивость к влаге полупроводников А3В5, делающие последние конкурентоспособной альтернативой фотодетекторам из CdHgTe и PbSe(PbS), используемым в системах оптической локации и противовоздушной обороне [16]. Отмечены возможность создания конструкций типа «back-side illuminated» (InAsSb/GaSb), создание области пространственного заряда в широкозонном слое, обеспечивающее снижение темновых токов, например, в структуре п-InAsSb/AIAsSb/p-GaSb, использование широкозонного «окна» на поверхности InAs, расширяющего спектральную кривую в область коротких длин волн и позволяющего снизить поверхностную рекомбинацию. Рассмотрены геттерирование примесей и дефектов в процессе роста при добавлении в расплав небольших количеств Ga или Gd и пассивация поверхности с помощью (HN^S*, при которых внутренняя квантовая эффективность и обнаружительная способность достигали, соответственно, 100% и D\ =8-109 см Гц "2 Вт"' [17], что близко к теоретическим оценкам в работе [18]: D\ = 5.4109 см Гц 1/2 Вт "' (300 К) при Х=2.9 мкм.

Отмечается большой интерес к исследованиям по созданию сверхрешеток на основе гетеропереходов второго типа InAs/GalnSb и InAs/GaSb, в которых масса электрона больше, чем в CdHgTe и InAsSb, и ожидаемое значение туннельного тока невелико, и обсуждаются возможные причины противоречивости некоторых экспериментальных результатов. Так, в работе [19] для разделения фотогенерированных носителей и получения высоких значений обнаружительной способности (D\ = 5- 109 см Гц " 2 Вт ', 4 мкм, 300 К), использовался изотипный гетеропереход второго типа п-InAsSb/n-GaSb. В других же работах аналогичный гетеропереход использовался в ином качестве - для получения низкого контактного сопротивления к GaSb (Те, п= 5 • 1017 см"3) [20,21].

На основе сопоставительного анализа параметров опубликованных структур и фотодиодов, имеющих различающиеся постоянные решетки, сделан вывод о существенном влиянии дислокаций на характеристики ФД. Количественно это влияние было продемонстрировано в структурах n- InAso.ssSbo.isPoj /n-InAso.ssSbo.ii /р-InAso.ssSbo.isIW Р -InAs0.94Sb0.06 / р -InAs, в которых толщина буферного слоя р -InAso.94Sbo.06 варьировалась в пределах 1-9 мкм, [22]. С увеличением толщины буферного слоя в вышеуказанных пределах плотность наклонных дислокаций уменьшалась с N=3 •107 см"2 до N=4 104 см"2, что сопровождалось двукратным увеличением значений Rn Л, 2.7-кратным увеличением чувствительности и 4-кратным возрастанием обнаружительной способности. Проведенный анализ привел к формулировке необходимости разработки флип-чип фотодиодных структур, обладающих одновременно высоким кристаллическим совершенством и прозрачностью подложки в изопериодных и неизопериодных с подложкой гетероструктурах.

Глава 2 основывается на результатах работ [Al, АЗ-А5, А8, А15 -А 19, А22, А24-А27, АЗЗ, А42, А71] и в ней представлены экспериментальные результаты изучения структурных, электрических и оптических свойств слоев арсенида индия и твердых растворов на его основе, и проведен анализ этих данных в рамках концепции радиальной симметрии элементарной ячейки градиентного кристалла с линейным по координате изменением периода решетки, оценок распределения упругих деформаций в структурах во время роста, и измерений механических свойств эпитаксиальных слоев (ЭС) твердых растворов. В начале главы приведен краткий анализ существующих воззрений на дефектообразование в полупроводниковых структурах и способов снижения плотности

дислокаций в неизопериодных композициях. Экспериментальные результаты [А4, А5, А8, А18] получены для градиентных ЭС InAsSbP толщиной 30-50 мкм с увеличивающимся в направлении роста периодом решетки ( grad а = (2-^5) 10"8, несоответствие периодов решеток на границе раздела (ГР) (Да/а) ^(-0.5 %) ■¥ (+0.5 %)), и для двойных гетероструктур InAsSbP/hiAs/lnAsSbP/InAs, InAsSbP/lnGaAsSb/lnAsSbP/InAs с общей толщиной слоев -10 мкм, полученных методом ЖФЭ в установке открытого типа в режиме принудительного охлаждения насыщенного раствора- расплава при температурах 680-730° С на подложках InAs{\ 11)п-типа проводимости с концентрацией носителей заряда (3-5) 1016 см"3 и плотностью дислокаций на уровне 104 см"3. ЭС специально не легировались и имели n-тип проводимости с концентрацией электронов п~1017 см"3. Ряд

Рис. 3 Электронно-микроскопические изображения дислокационных сеток в ДГС на первой от подложки ГР.

Суп«)-.........*■

InAs substrate thickness Рис. 2 Плотность наклонных дислокаций в подложках InAs и градиентных ЭС InAsSbP в зависимости от исходной толщины InAs.

образцов был приготовлен в виде клиновидных пластин.

Металлографические исследования показали однородное распределение плотности дислокаций по поверхности градиентного слоя (N=104-105 см"2) и существенное большее значение и неоднородное распределение плотности дислокаций в подложке (N=105-107 см"2), коррелирующее с ее локальной толщиной. Из анализа данных рентгенодифракционных измерений профиля дублета СиКа - линии на отражении (333) и (111) при засветке вогнутой поверхности подложки в образцах с однородной толщиной расходящимися пучками и измерения пространственного распределения интенсивности отраженного коллимированного пучка диаметром ~ 1мм в зависимости от расстояния между кристаллом и приемником был сделан вывод об изгибе отражающих плоскостей за счет равномерного введения в

Рис. 1 Модель элементарной ячейки градиентного кристалла (а), кристаллической решетки, содержащей дислокации одного знака (Ь), пластически изогнутой подложки (с, I) и релаксированного градиентного ЭС без ДН (с, 2)

кристалл дислокаций преимущественно одного типа (знака) аналогично тому, как это имеет место в пластически изогнутом кристалле (см. Рис. 1, с) [АЗ]. Совокупность данных о пониженной пластичности (повышенной твёрдости) многокомпонентных твёрдых растворов по сравнению с бинарными соединениями А3В5 [А25], данных рентгенодифракционного и металлографического анализа [А8, А18] позволили сформулировать концепцию оригинального способа получения кристаллически совершенных градиентных слоев твердых растворов, основанную на получении упруго деформированных слоев, сопряженных с пластически деформированной и изогнутой подложкой, как это представлено на Рис. 1 . В основе концепции - предложенная модель,

описывающая плотность краевых дислокации в кристалле как: 'у гДе ^ ~

a a R

период решетки, R - радиус кривизны изопериодных плоскостей, и представление о преимущественной релаксации напряжений в подложке - «инверсном дефектообразовании», обусловленном особенностями перераспределения упругих напряжений при пониженной пластичности растущего градиентного слоя. Согласие с концепцией было получено при исследовании дефектообразования во всех исследованных градиентных системах (InGaAsSb/InAs, GaAsSbP/GaAs, InAsSbP/InAs), для которых наименьшая плотность дислокаций достигалась при максимальном изгибе систем (R—>a/grad а), обеспечиваемом выращиванием на наиболее тонких подложках в условиях пластичности последних (см. Рис. 2) [А 19]. Описанным способом были также получены образцы InAsSbх в области «несмешиваемости» (х~0.54) с резким краем оптического поглощения (е~7 мэВ, ао=644 см"1 при hv=Egmin), позволяющим рассматривать полученные слои, как монокристаллы [А23]. Применительно к образцам на основе двойных гетероструктур InAsSbP/InGaAsSb/InAsSbP/InAs с относительно тонкими слоями (3-4 мкм) упомянутая «инверсия», согласно проведенному комплексному исследованию с использованием рентгенодифракционных, электронно-микроскопических методов, проявлялась в том, что в образцах с регулярными сетками дислокаций несоответствия (Д11), в которых (Ad/d)± > 2 ■ 10~3, в процессе роста третьего от подложки слоя со значительным несоответствием ((Ad / d)± - 4 • 10"3) напряжения сжатия релаксировали с образованием дополнительной сетки ДН на границе раздела (ГР) с InAs при одновременном «расширении» всех трех слоев в направлении, параллельном ГР (см. Рис.3) [А22, А26, АЗЗ]. Описанная «инверсия» важна при создании полупроводниковых приборов, например, инжекционных лазеров, в которых сформированные дислокации расположены вне рабочей зоны приборов и поэтому не оказывают влияния на их работу.

Рис. 4 Спектральная зависимость степени

линейной поляризации

(p(ftv), точки и кривая 1) и интенсивности фотолюминесценции (кривая 2) ЭС градиентной структуры InAsSbP I InAs с профилированной в виде швеллера подложкой при 77 К.

т

«да hv,uíS

Измерения остаточных упругих деформаций, проведенные с использованием оптических методов, подтвердили одно из основных положений вышеприведенной концепции, а именно, положение о повышенной прочности (твёрдости) четверного твердого раствора по сравнению с тройным твердым раствором и бинарной подложкой А3В5. При измерениях остаточной упругой деформации были использованы образцы, в которых был формирован профиль толщины подложки в виде «швеллера» и в которых, согласно проведенным рентгенодифракционным измерениям брэгговского ассиметричного отражения (531) на СиКа- излучении, имелась квазиодноосная деформация, вызванная перераспределением напряжений при формировании профиля толщины. Расчеты, выполненные по Виру и Пикусу [23] (A£g = (Еa + a)(Spe"' -Sps"°),

где Etl, а-константы деформационного потенциала, с"" - тензор деформации

непрофилированной структуры, е"' - тензор деформации профилированной структуры в области с измененной толщиной подложки, для которой

s";(z) = -ve"°(z) + (\ + v)-e'4z), сг; =—— (е +е Л, где v=0.39, а ось X направлена

1-v

вдоль направления [l 12], Y-[llo], Z-[lll] (см. вставку к Рис.4) [А 15, А16, А24], а также вычисления по предложенному формализму, связывающему спектральную зависимость степени линейной поляризации (СЗСЛПИ) фотолюминесценции и величину деформации в центральной области «швеллера» [А27], показали, что четверные твердые растворы InAsSbP, InGaAsSb обладают значениями остаточной деформации (еГ~0.2%), существенно большими, чем в тройных сплавах InAsSb, близких по составу к InAs (ет <0.08 %).

В конце главы уделено внимание изучению оптических и электрических свойств четверного твердого раствора InGaAsSb, обогащенного InAs и образующего вместе с InAsSbP в силу вышеперечисленных особенностей дефектообразования, а также из-за его более высокой по сравнению с InAs эффективности излучательной рекомбинации привлекательную для создания лазеров и светодиодов гетеропару. Установлено [А42], что легирование раствора-расплава гадолинием до концентраций Х'ал = 0.004 0.005 ат.% приводит к снижению концентрации электронов в эпитаксиальных слоях InGaAsSb до пп ~ 1016 см-3 и увеличению их подвижности до U ~ 6 ■ 104 см2/В с. При этом снижение концентрации остаточных примесей происходит за счет уменьшения концентрации как доноров, так и акцепторов. С увеличением содержания Gd в жидкой фазе от 0.005 до 0.010 ат.% происходит дальнейшее снижение концентрации электронов до rm = (7 + 8) • 1015 см 3 за счет возрастания концентрации акцепторов и перекомпенсации примесей, при этом подвижность носителей уменьшается до U = (3 4) ■ 104 см2/(В с). При легировании Gd в интервале концентраций Х'ал = 0.004-^0.005 ат% наблюдается увеличение интенсивности ФЛ в (4 10) раз и уменьшение полуширины спектров ФЛ в (1.3-И.8) раз по сравнению с нелегированными образцами. Слои InGaAsSb, легированные оловом с концентрацией до 4-Ю18 см"3 и подвижностью электронов 2 103 см2В "'с ', были прозрачны для излучения в диапазоне 3-3.3 мкм (эффект Мосса-Бурштейна) [А71], благодаря чему было возможно их использование в качестве буферных слоев в свето- и фотодиодах на длины волн от 3 до 5 мкм; слои InGaAsSb(Gd) были также использованы в качестве активных сред лазеров, описанных в последующих главах.

Глава 3 базируется на результатах работ [А43, А47, А48, А50, А55-57, А61, А62, А64 -А71, А75] и в ней представлены экспериментальные результаты изучения люминесценции, включая отрицательную люминесценцию (ОЛ), возникающую при приложении обратного напряжения к р-n переходу в диодных структурах на основе арсенида индия и близких к нему по составу ЭС твердых растворов InAsSbP, InAsSb. В градиентных образцах, имевших «инверсное» распределение плотности дислокаций,

эффективная оптическая толщина варизонного слоя ¡в =£/vc Е=ЕщЖ, где е-

характеристическая энергия экспоненциального спада оптической плотности (D— la(T/T„)), V - градиент ширины запрещенной зоны вблизи узкозонной поверхности lnAsSbx, была существенно меньше физической толщины ЭС, и вывод излучения осуществлялся через широкозонные слои InAsSbP. Численные расчеты, а также изучение пространственного распределения люминесценции «в ближнем поле» с помощью инфракрасных камер, чувствительных в диапазоне 3-5 мкм, выявили неравномерность распределения излучения, обусловленную сгущением линий тока вблизи точечного контакта при больших токах и известную в англоязычной литературе как "current crowding" [24]. Показано, что в противоположность этому, в обратно смещенном р-п переходе имела место однородность распределения интенсивности OJ1 и неизменность плотности тока по поверхности СД, что объяснено истощением областей р-n перехода и преобладанием их сопротивления над сопротивлением других частей диода, включая контактное сопротивление и объемное сопротивление слоев. При этом величина эффективного радиационного охлаждения, оцененная для диапазона 3-5 мкм, увеличивалась с ростом обратного тока, достигая значений ДТа= -9 К (СД InAsSbn^, t=60°C); значение эффективности ОЛ с учётом потерь на отражение на границе полупроводник/воздух (30%) составило t)nl= 54 %. (InAsSbP/7/j/í.sS6«./2, t=60°C). Установлено, что спектральные зависимости ЭЛ и ОЛ имели приблизительно одинаковую форму и полуширину (FWHM) = 1.8 кТ (см. Рис.5), при этом для СД с максимумом спектров ЭЛ вблизи 4.3 мкм имелись «инструментальные» искажения формы спектров, связанные с поглощением ЭЛ в оптическом тракте «холодным» газом в области фундаментальной полосы 4.3 мкм, и экранированием ОЛ «горячим» по отношению к ней углекислым газом. На основе простой феноменологической модели, учитывающей расчетную зависимость мощности ОЛ от температуры и опубликованные данные о температурном «гашении» ЭЛ, определены ожидаемые значения «критической» температуры tíT, т.е. температуры, начиная с которой, коэффициент преобразования (КП) ОЛ имеет значения, большие, чем для положительной люминесценции (т.е. ЭЛ) в светодиодах с длинами волн: 3.3 мкм (tcl =180°С), 4.3 мкм (td = 100-ь120°С) и 6 мкм (tíT =60 °С) [А48]. Определенные в эксперименте значения tcr [А43, А50, А55, А56, Д64] были близки к расчетным для всех указанных типов диодов. Было показано увеличение коэффициента преобразования в длинноволновых флип-чип диодах на основе InAsSbo.i и InAsSb(lm при возрастании тока в режиме ОЛ в противоположность ЭЛ; для последней увеличение концентрации инжектированных носителей и последующее усиление безызлучательных Оже-процессов снижало КП и приводило к сублинейной ватт-амперной характеристике СД (см. Рис.6.). Максимально достигнутое подавление безызлучательных Оже-процессов было получено при температуре 180"С в диодах на основе InAsSb„m со сверхлинейной ватт-амперной характеристикой в режиме ОЛ; отношение эффективности ОЛ и ПЛ в области обычных значений рабочих токов (1=200 мА) составляло 2.6 [А70]. Ток насыщения (IJ, определенный как ток, при котором коэффициент преобразования (КП) ОЛ имел максимальное значение, изменялся с температурой (Т) в соответствии с теорией Шокли [30]. В эксперименте наблюдался экспоненциальный рост дифференциального сопротивления в нуле смещения R0 с увеличением 1/Т (например, Ro=230 Ом, 230 К, R0=4 Ом, 300 К в СД InAsSboJ), что свидетельствовало о несущественности токов утечки и о диффузионном механизме протекания тока в InAsSb р-п переходе. Такие диоды имели высокий уровень чувствительности в фотодиодном режиме (50 В/Вт, 230 К и 3.5 В/Вт, 300 К, Х=5.5 мкм) и высокую эффективность ОЛ (r|NL= 0.9, 20°С) [А56].

На основе анализа распределения равновесного и неравновесного (т.е. отраженного от внешнего источника) ИК-излучения в несмонтированных образцах и в диодах,

собранных по методу флип-чнп, изготовленных из одиночных или двойных гетероструктур Ini-xGaxAsi-ySby/InAsSbP (х,у > 0), были определены коэффициенты отражения от металла (Ме) со стороны «внутренних» границ раздела (Ме)/полупроводник (Me/p-InAsSbP, Me/n+-InAs) [А75, А80, А81]. С использованием этих данных были разработаны конструкции светодиодов с повышенной эффективностью за счет перенаправления части излучения при отражении от широких анодов из Cr (~100Á), Au (5%, Zn, -ЮООА), Ni (-500 A), Au (-1000 А) с коэффициентом отражения R~0.6.

Energy (meV)

300 250 200

¿"o-

W

с

O 0.( >

-0.1

20 °С fN 65 °С 29'(,l"

" 1=30 mA / ' V \ 1=200 m А

PLj / V-. <> »

NL -Л \ Ьг

\ / InAsSb diode

.......... - /úl duty cycle 50%

1.0

0.5

0.0

■1.0

4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5

Wavelength (цгп)

20

■5 Ю ё g

LU

С 8 О

в ? s È 6

10 100 Diode current (mA)

1000

Рис. 5. Спектры излучения диода из

о.8 о.2 ПрИ прямом и обратном смещениях при температурах 20 и 65°С [А56].

Рис.6. Зависимость коэффициента преобразования ЭЛ и ОЛ в диоде на основе InAsuliSbll2OT тока при температурах 20-85°С. Эффективность ОЛ: 0.9 (20°С) и 0.4 (65"С) [А56].

Продемонстрирована возможность эффективного ввода/вывода излучения в СД и ФД с длиной волны 3-4 мкм через сильнолегированную подложку n+-InAs(Sn) [А55, А57] и/или узкозонный буферный слой п' -InGaAsSbom(Te) («+= (3^-6)-1018 см"3) [А71], в которых поглощение на свободных носителях несущественно, а край поглощения сдвинут в коротковолновую область вследствие эффекта Мосса-Бурштейна, и модуляция спектров «положительной» и отрицательной люминесценции «вертикальным» резонатором, сформированным широким отражающим анодным контактом и границей полупроводник/воздух с характерным межмодовым расстоянием AA=A~/2nL (п=3.52, L-длина резонатора) (см. Рис.7) [А66, А65, А68]. Обсуждена идентичность значений межмодового расстояния ЛЯ для «положительной» и отрицательной люминесценции в широком диапазоне температур до 480 К, сужение диаграммы направленности излучения в дальнем поле и увеличение эффективности вывода излучения в «вертикальном» направлении как в спонтанном режиме (1=3.4 мкм, 300 К), так и при стимулированной рекомбинации (>.~3 мкм, 77 К), возникающей на одной из мод «вертикального» резонатора. Увеличение длины прозрачного резонатора (L) приводило к увеличению добротности (Q), значения которой для образцов с толщинами 7.5, 13 и 45 мкм, оцененные по полуширине мод, соответственно составляли 24, 32 и 80. Стимулированная рекомбинация начиналась при достижении токов /,¿,=300-600 A/cm2 на длинноволновом плече спектра спонтанной эмиссии, при характерной для лазеров из арсенида индия энергии квантов 410 мэВ (77 К) [А68]. При достижении порогового режима излучение спонтанной эмиссии насыщалось, отражая истощение активной области за счет генерации. Одновременно с этим ватт-амперная характеристика испытывала излом, при этом дифференциальная квантовая эффективность в стимулированном режиме достигала

10%, а выходная мощность - 60 mW. Показано, что при комнатной температуре повышение контраста пиков Фабри-Перо при увеличении тока (Рис. 7) связано со сгущением линий тока вблизи контакта, зависящим как от геометрии, так и от соотношения сопротивлений слоев, составляющих гетероструктуру, и сопротивлений контактов [А66].

Экспериментально показано, что обратная ветвь вольт-амперных характеристик узкозонных р-n структур с ростом температуры приближается к характеристике «идеального» диода, отражая несущественность поверхностных утечек на фоне больших значений диффузионного тока; при этом температурный сдвиг контура, огибающего полосу излучения, соответствует измерению ширины запрещенной зоны In As: dEg/dT—2.8 10~4 eV/K. [А55].

2.8 3.5

Wavelength (цт)

Temperature {K)

275 300 325 350 375 400 425 450 475

25 50 75 100 125 150 175 200 Temperature (°C)

Рис.7 Нормированные спектры электролюминесценции СД толщиной 7.5 мкм при токах накачки 50, 150, 250 и 500 мА.

Рис. 8 Температурная зависимость тока насыщения (А), мощности ОЛ (V), коэффициента преобразования при токе 10 мА (О) и I А (•) в диоде на основе 1п(Оа)Аз. Линии - расчетные значения.

InAs LEDs Dm=240 цт

Рис. 9 Фотография поверхности СД с глубокой мезой, обработанного в ' о юоо 2000 зооо 4000 5000 селективном травителе. Размер кадра 100x70 Diode Current (mA)

мкм.

Рис. 10 (справа) Ватт-амперные характеристики в трех светодиодах на основе InAs с диаметром мезы 240 мкм при комнатной температуре: в СД с мелкой мезой и плоской световыводящей поверхностью (Sh.M.), в СД с глубокой мезой и плоской поверхностью (D.M.) и в СД с глубокой мезой и текстурированной поверхностью (D.M. with structured surface). Сплошные линии соответствуют импульсному режиму питания, точки -непрерывному.

Т =1250 К

а

24 °С

-1=10 us, T=500 HS

- — CW

(М22) axijier healsink -1-1-1-L-,-

D.M. with

surface

Sh.M.

Предложен универсальный параметр NLP/Isa, - частное от деления мощности OJ1 (в английской транскрипции - NLP) на величину тока насыщения (Isai) - описывающий зависимость мощности излучения СД от температуры (см. Рис.8) и представляющий собой предельное значение КП для диодного излучателя.

Продемонстрировано увеличение КП при снижении величины обратного тока, например, в диоде с активным слоем n-InAsSb (Eg=300 мэВ) толщиной ~8 мкм при создании электрического ограничения носителей за счет введения дополнительного широкозонного слоя p-InAsSbP (Eg = 375 мэВ) толщиной ~5 мкм и изотопного интерфейса n+-lnAs/n-InAsSb на границе с подложкой, создающего барьер для дырок. Для комнатной температуры обратный ток (Isat= 0.4 A/cm2) был в 5 раз меньше, чем в аналогичных диодах (D=300 мкм, Х= 4.3 цш, Isat=2 A/cm2) с гомо-р-п переходом [А63].

Установлено возрастание на 30-40% внешнего квантового выхода в светодиодах с глубокой (30-50 мкм) мезой травления, связанное с отражением от стенок мезы и перенаправлением части сформированного вблизи от р-n перехода излучения в сторону к световыводящей поверхности с углами падения, меньшими угла полного внутреннего отражения (асги.). Дополнительное повышение эффективности СД на 20-30% было достигнуто текстурированием («чернением») световыводящей поверхности при химическом травлении, создающим рельеф в виде остроконечных пирамид, показанный на Рис. 9. Свойства указанной текстурированной поверхностями обеспечивали снижение коэффициента отражения для нормальных лучей (R—>0), а также эффективное увеличение ctcrii, что следовало из наблюдаемого возрастания излучающей площади (над анодом), полученного из измерений распределения интенсивности ЭЛ в ближнем поле.

Мощность излучения в СД из InAs (при токе 1 А) возрастала в соответствии с увеличением коэффициента вывода излучения из полупроводникового кристалла в пропорции (1):(1.38):(1.95) при переходе от диода с мелкой мезой и плоской поверхностью к диоду с глубокой мезой и плоской поверхностью и далее к диоду с глубокой мезой и текстурированной поверхностью (см. Рис.10) [А67]. Аналогичные данные были получены нами для всех типов СД, а также были частично повторены в более поздних работах других авторов [25]. При токе I = 4.6 А мощность лучших диодов из InAs (3.4 мкм) достигала 0.76 mW, что соответствовало Та =1250 К - рекордно высокому значению эффективной «радиационной» температуры, полученной с помощью фотонных излучателей.

Рис.11. Схема мезаполоскового лазера на основе ДГС InGaAsSb/InAsSbP, излучающего при >.=3.2-3.3 мкм (77 К). Цифрами обозначены: 1 - активная часть структуры, 2 - подложка n-InAs, 3-слой диэлектрика (SijN4), 4 -анодный контакт на основе Аи, 5-катодный контакт на основе Аи, 6 -индиевые контакты, 7- медный теплоотвод, 8 - направление вывода излучения (направление

наблюдения, [110]). Для «широких» лазеров (W>200 мкм) меза не вытравливалась.

Глава 4 представляет результаты работ [А7, All, А12, А14, А19-А21, А30, А32, А35, A3 8, А40, А41, А45, А52, А54], и в ней обобщены экспериментальные результаты изучения стимулированного излучения в диодных лазерах, изготовленных из двойных гетероструктур (ДГС), состоявших из нелегированной подложки n-InAs (Ш)А (п=1-210,6см"3) и трех эпитаксиальных слоев: широкозонного ограничивающего слоя n-InAsi.x.

ySbxPy , активного слоя n-Ini.vGavAsi-zSbz(Gd) (0.01 < v < 0.07, 0.065 < z < 0.07) и широкозонного эмиттера p-InAsi-x-ySbxPy(Zn) (0.05 < х < 0.09, 0.09 < у < 0.18) с толщинами активного слоя 1.5-3 и широкозонных слоев 4-6 мкм соответственно. В начале главы кратко представлены данные и исследования, приведшие к созданию четырехсколотых ДГС-лазеров с гранями (110) [А20, А21, А30] с рекордно низкими значениями порогового тока J,h=39 А/см2 (имп.режим) и J,i,=60 А/см (непр.режим, 77К, Х=3.23 мкм). Затем рассмотрены меза-полосковые лазеры с шириной полоска W=10, 20 или 200 мкм (см. Рнс.11),

Показано, что для «узких» лазеров с толщиной активной области d=l-2 мкм и шириной полоска 10 и 20 мкм в плоскости, перпендикулярной плоскости р-n перехода, наблюдалась продольная мода излучения m=0, A0j~3O°-35°, интенсивность которой описывалась угловой зависимостью I(0i)/I(O)=y4/(y2+ko2sin20i)2, где уЦп22-П|2)кос1/2, п2 и ni-показатели преломления активной области и ограничивающего слоя соответственно, ко=2л/Х, Х-длина волны излучения в вакууме, d-толщина активной области, а значение разности П2-П1-0.065. При d=2.5-4 мкм наблюдалась поперечная мода ш=1 с A0j~5Oo-6Oo. В плоскости, параллельной плоскости р-n перехода, диаграмма направленности зависела от ширины полоска w. При w=10 мкм наблюдалась продольная мода (ш=0) с расходимостью Д0ц~15°, при w=20 мкм чаще реализовывалась поперечная мода ш=1 с Д0ц~4О°-45°.

Установлено, что при генерации в продольной пространственной моде дифференциальная квантовая эффективность rj^if была в ~4 раза выше, чем при генерации в моде с гп=1 (3% и 0.8% соответственно, 1=1.11,и), что соответствовало уменьшению оптического ограничения с ростом порядка моды [26 ].

Уменьшение дифференциальной

квантовой эффективности r|d с увеличением

тока связывалось нами с увеличением

внутренних потерь cij'.

а = Г(а + а +к xN) + (\-T)a , / 0 гс 0 с

где схо - "собственные" потери (потери в активной области в отсутствии инжекции), <xfc - поглощение на свободных носителях (aFC~l-=-2 см"1 [27]), ко - коэффициент внутризонного поглощения, N концентрация инжектированных носителей, Г -параметр оптического ограничения (Г=0.6), ас - поглощение в ограничивающих слоях (ac~ao). С ростом тока за порогом генерации одновременно с уменьшением qj наблюдалось увеличение интенсивности спонтанного излучения Psp; зависимость Psp от тока свидетельствовала о существенном вкладе внутризонного поглощения (ВП) и была использована для оценки коэффициента ВП ко=5.6х10"16 см2 с применением формализма, изложенного в Рнс.12. Зависимость плотности порогового работе [28]. Величина собственных потерь тока от обратной длины резонатора (а) и (ао=5 см"1) определялась из зависимости спектрально-пороговая характеристика (Ь) плотности порогового тока jth от обратной (Т=77 К), длины резонатора 1/L (Рис.12) [26]:

^ 3000 -

200 300 400 500 600 700 S00 J., A/cm"

т,к

Таблица 1.

L, мкм 100 200 300 500

j,h. А/см2 750 360 235 172

l,i„ мА 15 14 14 17

N,i„ см"' 5x10" 2.4x10" 1.6x10" 1.1x10"

ГкоНь см-1 169 81 54 37

о,*, см"1 174 86 59 42

Id 0.3 0.31 0.3 0.27

Да,'""' > см'1 45 23 15 9

Wavcnumbcr, cm" за ю 3050 зюо

Рис.13. Температурные зависимости дифференциальной квантовой эффективности лазеров с длинами резонаторов L=125, 200, 300 мкм.

Экспериментально установлено, что с уменьшением длины резонатора увеличение пороговой концентрации носителей, вызванное увеличением потерь на выход, приводит к росту ВП и более резкой зависимости jth=f(L"'). В таблице 1 для лазеров с длиной резонатора L=100, 200, 300 и 500 мкм приведены пороговые токи Ith G'ih ) (Т-77 К), пороговые концентрации носителей Nih=jiht/ed (х-10 s с), внутренние потери на пороге генерации TkoNth, вызванные ВП; внутренние потери на пороге генерации а"; дифференциальные квантовые эффективности, рассчитанные в соответствии с аЛ и приращение внутренних потерь за порогом генерации при превышении порогового тока на Д1=10 мА. Как видно из таблицы, с увеличением концентрации носителей увеличивается величина ВП, которая в случае L=100 мкм становится сравнимой с величиной усиления, достижимой в полупроводниковых лазерах. Это объясняет близость значений rij в лазерах с разными L, когда с уменьшением длины резонатора увеличение потерь из-за ВП превосходит увеличение потерь на выход. Вероятно, при Т=120+130 К энергия кванта hv близка к энергии спин-орбитального отщепления А и ВП максимально, при Т>130 К энергия кванта hv становится меньше А, ВП насыщается и появляется точка перегиба (Рис.13).

С ростом тока от 85 до 150 мА наблюдалось увеличение усиления в максимуме от 110 до 210 см"', что с учетом а,~40 см"', дает увеличение а, от 70 до 170 см"1. Рост ai с увеличением тока и, соответственно, концентрации неосновных носителей линеен (см. вставку к Рис.14), что согласуется с выводом о том, что за увеличение внутренних потерь ответственно внутризонное поглощение.

Режим одномодовости сохранялся, как правило, при превышении порогового тока Ith на Д1«2+3 1ц, «30+100 мА, при этом отношение мощности доминирующей моды к полной мощности излучения достигало ~96 %. При больших токах, вне

т 13

, —»—14

\ -«—15

ЗООО 3050 3100 Wavcnumbcr, cm"1

Рис.14. Спектры спонтанного излучения (а) и спектры усиления (Ь) при токах: Пн-15, 74, 80, 88, 104 и 146 мА; на вставке: токовая зависимость полных потерь (80 К).

зависимости от величины Ith, чаще наблюдались многомодовые спектры с расстоянием между продольными модами 20+90 Ä в соответствии с ДА = Л2/2лХ (й- показатель преломления активной области). Уменьшение длины резонатора приводило к тому, что в контур усиления попадала только одна резонансная частота, поэтому в лазерах с L<200 мкм нам чаще всего удавалось достичь одномодовой генерации в диапазоне токов AI» 100 мА; при L<75 мкм, увеличение внутренних потерь из-за роста пороговой концентрации делало невозможным достижение лазерной генерации.

Установлено, что зависимость Psp(I), также как и токовая перестройка длины волны из-за изменения п имела перегиб вблизи порога 1=1,:, , при этом с уменьшением наклона Psp(I) уменьшалась скорость токовой перестройки моды. Произведенные оценки, дали значение <3?/¿N —Ю"18-*—10'" см3 , что соответствовало величине токовой перестройки dv/dl, составляющей сотни см"'/А (в эксперименте - dv/dl»80 см"'/А) , при этом согласно оценке влияния разогрева активной области (йГ/с? »\02КА~1), последний имеет незначительный вклад в «температурную» перестройку длины волны. В лазерах с короткими резонаторами (L<150 мкм) наблюдалось увеличение скорости токовой перестройки по сравнению с «длинными» лазерами (L=300 мкм), что связывалось с возрастанием пороговой концентрации неосновных носителей при уменьшении длины резонатора.

Полосковые лазеры w=200 мкм и меза-полосковые лазеры w-20 мкм имели близкие значения плотности порогового тока и дифференциальной квантовой эффективности t)d, так, например, для лазеров с длиной резонатора 640 и 140 мкм т)о составляла 50 и 70%, соответственно; значение внутреннего квантового выхода, определенное из зависимости = /(£"'), г|,=74%, значение внутренних потерь aj=5 см"1.

з.о

f 2.5

(О

|2.0 V 1.5

I

о. 1.0 •

■I 0.5 -О

0.0»

Т = 78 К, т= 150 ns, f = 300 Hz

1.2

1.1

> 1.0

0.9

о

о ПЯ

>

(л 0./

ш 0.6

0.5

• CW •■■!»' » 1 1 ' «Л

: Т = 78К

5 10 15 20 25 30 35 Current (A)

0.2 0.4 0.6 0.8 Injection current (A)

80 70 60 50 40 30 20 10

1.0°

Рис. 15. Зависимость мощности лазера

InGaAsSb/InAsSbP шириной W-200 мкм, Рис- ,6- Вольт-амперная характеристика и

выходящей с одной грани, от тока в зависимость мощности, выходящей с одной

импульсном режиме (150 не, 500 Гц, 78 К). П»™, от тока в непрерывном режиме

В экспериментах с использованием коротких импульсов с длительностью 150 не [А54] показано, что скорость температурного изменения положения максимума огибающей спектра (FWHM^O.Ol мкм) составляла dhv/dT~0.1 мэВ/К, что почти в три раза меньше, чем соответствующее ожидаемое изменение ширины запрещенной зоны ближайшего аналога - арсенида индия - (dEg/dT»0.28 мэВ/К). Указанное различие объяснено подъемом уровня Ферми при повышении уровня инжекции (порогового тока); аналогичная тенденция имела место при измерениях спектров спонтанной эмиссии светодиодов на основе ДГС. Максимальная полная мощность с двух граней полоскового лазера w=200 мкм достигала значения 6 Вт (Рис.18), что соответствовало лучшим значениям, опубликованным для квантово-каскадных лазеров. При этом можно отметить линейный

характер ватт-амперной (L-I) характеристики (Рис.15, 16), указывающей на незначительность разогрева лазера при прохождении тока из-за его низкого последовательного сопротивления (0.25 П).

Глава 5 посвящена свойствам пар фотодиод-светодиод [А29, А36, А39, А43, А50, А57, А60, А63, А72, А81] и диодных лазеров на основе InAs, InAsSb, InGaAsSb применительно к спектроскопии газов в диапазоне 3-5 мкм, включая абсорбционную диодно-лазерную [А46], недисперсионную (NDIR) [А79, А84] и оптико-акустическую спектроскопию [А77, А83]. В начале главы в первом параграфе рассматриваются поверхностно облучаемые фотодиоды из InAs, для которых на основе проведенного анализа расчетных значений произведения динамического сопротивления в нуле смещения R„ на площадь диода А в диодах с резким р-n переходом был определен тип структур, представляющий наибольший интерес для исследований, а именно, несимметрично легированные р4-п структуры с активной областью n-InAs, для которых ожидаемые значения Н,А и обнаружительной способности при 300 К имеют наибольшие значения [А29]. Измерения барьерной емкости на частоте 1 МГц в диодах, состоящих из согласованных с InAs по постоянной решетке слоев р-InAsSbP (р=1018 см"5, толщина 3 мкм, ширина запрещенной зоны 0.43 эВ при Т=300 К), выращенных на поверхности (111)В монокристаллических пластин n-lnAs («=(2-5-3)-1016 см"3) и выполнявших функцию широкозонного «окна», обеспечивавшего как расширение спектральной чувствительности в коротковолновую область, так и снижение уровня поверхностных утечек, показали, что экспериментальные зависимости хорошо спрямлялись в координатах C2-U. Величина диффузионного потенциала составляла 0.2+0.01 В для Т=290 К и 0.27+0.01 В для Т=221 К, концентрация носителей на краю слоя объемного заряда при Т=290 К изменялась в пределах п=(4+6)-1016 см"3, а толщина области пространственного заряда составляла i 1-0.08н 0.1 мкм [А60]. Проведенный анализ вольт-амперных характеристик и механизмов токопрохождения показал, что наилучшее совпадение расчетных и экспериментальных данных имело место при следующих параметрах: N=610"' см"\ //,,-150 см:/В с, г,,=80 не, г„=32 не, а основным являлся диффузионный ток. Вывод о диффузионном характере токопрохождения получен также и из исследований ОЛ и температурных зависимостей Ro A в диапазоне t=20....185°C [А43, А50]. Установлено, что Mf шум преобладал в частотном диапазоне 1-5-150 Гц; при /> 200 Гц шум не зависел от частоты, а его величина составляла ~ 10"9 В Гц"1'2. При этом, для диода с динамическим сопротивлением R0 = 1.38103 Ом величина измеренного шума составляла Uш =4-10"9 В -Гц""2, что соответствовало величине теплового шума Um = (4£7У?)"2=4.7-10"' В Гц""2, обнаружительная способность 3.3 мкм, 800 Гц, 1 Гц) изменялась в пределах 2.5+3.0x10' Вт"1 см Гц"2 при Т=290 К [А60]. Показано, что при уменьшении концентрации носителей в активном слое n-InAs в образцах с эпитаксиальным слоем, легированном гадолинием (п ~51015 см"3), значение D,' возрастало до 4+6x109 Вт""2 см Гц"2 при Т=290 К. В температурном диапазоне -40++ 50°С было получено слабое изменение токовой чувствительности фотодиода, что облегчает разработку схемотехники, например в дистанционном измерителе низких концентраций углеводородов на трассе [2].

Из изучения фотодиодов на основе градиентных структур InAsSbxP (х=0.04-0.14) с резким р-n переходом (данные фольт-фарадных измерений), расположенном в слое состава InAso ss Sbo.12, красной границей фотоответа X.cut-0if=4.92 мкм (77 К), XCUi-on=5.1 мкм (300 К) [А36] делаются выводы о том, что в области Т=77-120 К растет вклад туннельного тока, а при Т>120 К имеется преобладание генерационно-рекомбинационной составляющей тока и наблюдается резкое падение R„. Тем не менее в области температур 180+200 К значение R0 ещё достаточно велико (Ro=5+8102 Ом), что позволяет использовать такие фотодиоды при термоэлектрическом охлаждении без большой потери чувствительности. В таблице 2 приведены полученные расчетным путем [28] значения

тепловых (и!) и Г-Р шумов (ио-к), а также экспериментальные величины шумов, измеренные при 77 К на частоте 1 кГц в полосе ДГ = 100 Гц. Как видно из таблицы 2, при Я0~ 104 Ом тепловой шум немного превосходит Г-Р шум, при Л0~ 105 Ом становится заметным преобладание Г-Р шумов, а при Л„~ 106 Ом этот вид шума уже на порядок превышает величину теплового шума. Экспериментальные значения шумов, измеренные при 77 К, были близки к величине Г-Р шума. В области неглубокого охлаждения величина 0'5Шк- = 5108-г109 см Гц"2/Вт, а обнаружительная способность в максимуме спектра =3.5-ь7- Ю9 см Гц'/2/Вт, что показывает перспективность использования таких фотоприемников при термоэлектрическом охлаждении.

Таблица 2.

Ro, Ом 1е4 1е5 1е6

Ug-r, В 4.5е-8 4.5е-7 4.5е-6

ит,в 6.5е-8 2е-7 2.1е-7

uexpcrim.» В зе-8 5е-7 6.3е-7

В лучших структурах были получены значения обнаружительной способности Од =(3-5)-1 о' см Гц'/2/Вт ( Т-200 К) и D>310" см Гц1/2/Вт( 77 К), что согласно [29] близко к теоретическому пределу.

Во втором параграфе уделено внимание изучению неохлаждаемых фотодиодов, облучаемых через подложку (флип-чип диодов), для которых характерным признаком являлось наличие сильнолегированной подложки n-IriAs(Sn) (111) (л+=(0.1-г6)10|8см3) с вырождением электронов в зоне проводимости, активного слоя n-InAsSbo.os или ii-InAs и широкозанного слоя p-lnAsSbP (Eg - 375 мэВ) толщиной 3-5 мкм с нанесенным на него отражающим анодом из Cr-Au(Zn)-Ni-Au. Спектры чувствительности в таких ФД были ограничены с коротковолновой стороны оптическим пропусканием подложки и зависели от её толщины [А57, А81].

3.0

2.5

£ 2.0

го О

1.5

1.0

InAsSb PDs -

- \ 031Э4 300 К

Í33188 -

- □9186 -

- Ü3081 -

□КЙ8.

СЦ77 "

" • OÍ77 '

■ ......1 i i i i i i 111 i .....

(U

W

Рис.17. Зависимость "квантовой

эффективности" и чувствительности ФД на основе InAsSb при комнатной

температуре от

отношения площади мезы к квадрату ее полной глубины [А81].

1 10 100 Area*(mesa depth)"2

На основе измерений распределения излучения в ближнем поле в режимах ЭЛ и ОЛ показано увеличение площади сбора излучения (Doppl.68 Dm) в диодах на основе п-InAsSbtum с глубокой мезой травления, эквивалентного увеличению эффективной токовой чувствительности. Зависимости чувствительности и «эффективной» квантовой эффективности от соотношения площади р-n перехода (мезы) и высоты стенок мезы, варьировавшихся с помощью многостадийного химического травления, представлены на Рис.17. Использование отражательных контактов в сочетании с глубоким травлением

позволило достичь рекордных значений обнаружительной способности Г)\л М1Ш = 2.8-109 см Гц|/2Вт"'.

В проекции на возможные применения полупроводниковых излучателей и фотоприемников в спектроскопии газов, в частности, в спектрометрах, измеряющих пропускание среды на выделенных дифракционной решеткой длинах волн в области 3.7 мкм, в начале третьего параграфа продемонстрирован высокий контраст ИК изображений (К> 100,1=4 мА), определяемый как отношение интенсивности излучения над мезами и в промежутке между ними, в монолитных светодиодных линейках типа «флип-чип», содержащих один ряд из 4-х элементов размером 130x130 или 70x70 мкм с индивидуальной адресацией, состоящих из широкозонного контактного слоя p-InAsSbP (~2 мкм, Eg(300 К)~ 420 мэВ) с нанесенным на него анодом размером 100x100 или 50x50 мкм и активной области из n-lnGaAsSb (~5 мкм), полученных на подложке n'-InAs (п+~ Ю18 см"3) [А80, А78]. Показана возможность создания ИК изображения типа «шахматная доска», когда часть элементов имитирует «холодные» (Та<Т(,Кр., режим ОЛ), а часть -«горячие» (Та>Токр., режим ЭЛ) по отношению к окружающей среде (Т„кр) области [А78]. Установлено, что переход от экспоненциального (фактор неидеальности у=1.1, ток насыщения - Isa,= 39 мкА (jsai=230 мА/см2)) к линейному участку I-V характеристики соответствует переходной области от линейного (S2L/52l=0) к сублинейному (52L/S2I<0) участку ватт-амперной (L-I) характеристики. Одной из основных причин вышеуказанного соответствия указывается наблюдаемое в эксперименте сужение области протекания тока над анодом ("current crowding"), приводящее к быстрому увеличению плотности тока и росту вероятности безызлучательной Оже-рекомбинации в локальных областях структуры над анодом с уменьшением КП с 0.133 мВт/А (I« 1 А) до 0.035 мВт/А (1 ~ 1 А). С учетом отражения от границы полупроводник/воздух (R=0.3) предельно возможный КП для малых токов составил NPL/jsa, = 0.23 mW/A (NLP=0.054 мВт/см2), что на 40% больше экспериментально наблюдаемого значения; при этом достигнутая эффективная температура вблизи от максимума излучения светодиода ).= 3.7 мкм, составляла Та =835 К (1= 1А, j=10 кА/см2)), что выше, чем в импульсных нагревательных источниках.

В этом же параграфе экспериментально показаны увеличение обнаружительной способности [А72], сужение угла зрения [А63], а также спектральная фильтрация вводимого излучения [А57], обусловленные применением иммерсионных линз. Линзы имели эффективный диаметр 3.2 мм, и были близки по форме к «гиперполусфере» (сфера Вейрштрасса, для которой расстояние от центра кривизны линзы до её плоской части ( до места установки ФД/СД) составляло RIn, где R - радиус кривизны сферической поверхности линзы, an- показатель преломления [31]). Фотодиоды типа «флип-чип» на основе InAs, InAsSb, InAsSbP, были состыкованы с линзами с помощью иммерсионного слоя на основе халькогенидного стекла с высоким показателем преломления (п=2.4). Установлено расширение спектральной характеристики чувствительности для ФД с толстым градиентным слоем n-InAsSbP (PD46, PD55), связанное с диффузией к р-п переходу фотовозбужденных на поверхности n-InAsSbP носителей с диффузионной длиной, имеющей • характерные значения Lp=10-15 мкм. Из линейного характера зависимости R„ от площади диода сделано предположение о доминировании диффузионного токопрохождения над токами утечек при 300 К [А63], при этом с изменением температуры или состава активной области (т.е. с изменением Eg) изменение RoAp-n совпадало с ходом зависимости exp(Eg/kT), что также соответствовало диффузионному механизму токопрохождения. Установлено, что изменения спектров чувствительности с температурой связаны как с изменением ширины запрещенной зоны активной области, так и со снятием вырождения электронов в сильнолегированном «окне» из n+-InAs и уменьшением его оптического пропускания в коротковолновой области спектра [А57]. В силу некоторого несовершенства использованных методов сборки и трудностей при контроле геометрического расположения составляющих иммерсионных фотодиодов, последние имели несколько меньшие по сравнению с «плоскими» аналогами

значения квантовой эффективности и токовой чувствительности, как показано на Рис. 18 (слева). Однако, наиболее важный параметр ФД (обнаружительная способность О) в результате иммерсии был увеличен примерно на порядок до значений, являющихся рекордными для диапазона 3-5 мкм во всех типах ФД (см Рис. 18 (справа)).

С учетом особенностей спектральных характеристик и параметров источников и приемников излучения, а также характеристик поглощения исследуемого газа определено «нормированное» отношение сигнал/шум (^Р = РЕ/(Р01ЧЕР) = Ф/(Р(Н0, [чНгЛУ] ), определяющее вышеуказанное отношение за единицу времени при единичном энергопотреблении и соответствующий «нормализованный» нижний порог обнаружения газа, и установлено, что для диодных пар, состоящих из иммерсионных свето- и фотодиодов на основе ГпАв и [пАзЭЬ, указанный порог (например, 0.510"3 (ррш см)/(мВтд/с) для углекислого газа, Х-4.3 мкм) существенно ниже, чем для всех других известных комбинаций спонтанных источников и приемников излучения [А79, А84].

Рис. 18. Чувствительность, квантовая эффективность (слева) и обнаружительная способность (справа) флип-чип фотодиодов на основе [пАя, ЫАввЬ, [пАхЭЬР без линзы (заполненные символы) и с иммерсионными линзами (незаполненные символы) при 300 К

В конце параграфа дана оценка пределов обнаружения метана (СН4), двуокиси углерода (СО2), пропана (СзНк) и диоксида серы (SO2) оптико-акустической ячейкой длиной - 42.0 мм, в которой чувствительным элементом был кремниевый кантилевер толщиной 10 мкм и размерами 3.0 х 1.5 мм с контролем положения с помощью интерферометра Майкельсона с примерно одинаковой длиной плечей при использовании лазерного луча с длиной волны 670 нм и ортогональной матрицы фотодиодов [А77]. При полезном использовании не более 35% световой мощности иммерсионных СД, питаемых импульсным током амплитудой 200 мА (скважность 1:1, частота 80 Гц), при нормальной атмосфере (1 атм.) пределы обнаружения СО2 (СД 4.2 мкм, 300 К) и CjH8 (СД 3.4 мкм, 300 К) при времени измерений 1 с составили 11 и 6 частей на миллион (11 и 6 ррш) соответственно. В заключении продемонстрированы синхронность фазы колебаний кантилевера и полярности напряжения на узкозонном диоде из InAsSb, вызывающим оптико-акустические колебания газа, и показан «отрицательный оптико-акустический эффект» на длине волны 5.3 мкм в режиме отрицательной люминесценции, состоящий в колебаниях давления газа, соответствующих его радиационному охлаждению при воздействии на него потоков OJI [А83].

3.5 4.0 4.5 5.0 5.5

Peak Wavelength, цт

0.0 Q

.....................■■

3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 Peak Wavelength, цт

[А72].

В четвертом параграфе приведен пример использования ДГС лазеров InAsSbP/InGaAsSb глубокой мезаполосковой конструкции с шириной полоска w=20 мкм и длиной резонатора L=70+150 мкм в диодной лазерной спектроскопии метана [А46]. Показано, что увеличение мощности происходило вплоть до значений тока более 301ц, (Ц =9 мА (320 А/см2) при 77 К (CW)), с максимальным значением мощности 0.42 мВт. В лазере с длиной резонатора 70 мкм было получено наибольшее значение скорости токовой перестройки dv/dl=2\0 см"'/А и наибольший интервал токовой перестройки одной моды -10 см"1 (Д1=40 мА). При токах 1-3+6Ц соотношение интенсивностей основной и наиболее сильной неосновной мод составляло не менее 100:1 и определялось шумами регистрирующей схемы.

На Рис. 19 приводятся временные развертки пилообразного импульса тока накачки одномодового (L= 120 мкм, dv/dl= 70 см"'/А) лазера (левая шкала) и сигналы фотоприемника, регистрирующего излучение, прошедшее через эталон Фабри-Перо и газовую кювету, наполненную смесью 1% СН4 в N2 при атмосферном давлении (правая шкала). Измерения проводились при температуре лазера Т=98 К, когда был получен наиболее глубокий минимум сигнала, отвечающий поглощению метана. Соответствующие спектры пропускания для смеси, содержащей 1% СН4 в N2 при давлении 10, 50 и 150 гПа, приведены на Рис. 20. Спектры симметричны, имеют форму, близкую к кривой Гаусса; уменьшение ширины линии пропускания согласуется с уменьшением давления паров метана. На рисунке показаны также линия пропускания смеси 1% СН4 в N2 при давлении 10 ГПа в области v=3028.8 см"1 и серия линий пропускания 7=2950+3150 см"1 (Я.а3.4+3.15 мкм) по данным атласа HITRAN (длина оптического пути 10 см).

-100 -50 0

Time [|js]

Рис. 19. (слева) Осциллограммы импульса тока накачки (штриховая линия, левая шкала) и сигналов с фотоприемника после пропускания излучения через эталон Фабри-Перо и газовую кювету, заполненную смесью 1% СН4 в N2 при атмосферном давлении (сплошные линии, правая шкала).

2950

1.0

Е 0.8 -

, I -1-Г"—1-1

If ПО hPas

HITRAN-data \ JI 50 hPas

(10 hPas) '

_1_1___1_ у 150 hPas

3028.6 3028.7 3028.8 3028.9 Wavenumber [cm"']

Рис. 20. (справа) а) Спектры пропускания смеси 1% СН4 и N2 при давлении 50 гПа и длине оптического пути 10 см (HITRAN-Database). б) Экспериментальные спектры пропускания смеси 1% СН4 и N2 при давлениях 10, 50 и 150 гПа и спектр пропускания (H1TRAN) при давлении 10 гПа.

В заключении подведены итоги работы и приведен перечень основных результатов:

1. Развиты новые представления о дефектообразовании в полупроводниковых структурах А3В5, содержащих четверные твердые растворы. Релаксация упругих

напряжений, вызванных градиентом периода решетки (§гас!(а)), в процессе роста четверного твердого раствора в условиях пластичности подложки сопровождается изгибом структуры, при этом знак изгиба соответствует знаку £гас1(а), а плотность дислокаций в слое уменьшается, а в подложке - увеличивается, с уменьшением се исходной толщины. При этом градиентный эпитаксиальный слой без подложки сферически искривлен с радиусом кривизны Яо-а /§гас! а , где а - период решетки твердого раствора. Предложена модель, качественно описывающая совокупность полученных данных, представляющая плотность краевых дислокации в градиентном кристалле как: 'ъ где Я- радиус изгиба кристалла. Показано увеличение

а а Л

остаточных деформаций в эпитаксиальном слое ст до 0.002, т.е. упрочнение материала, при «изовалентном легировании» твердых растворов - переходе от тройного ¡пАяБЬ к четверному твердому раствору //гОаЛлй, подтвержденное прямыми измерениями микротвердости.

Таким образом, проведенные исследования позволили сформулировать условия и методы получения градиентных структур с низкой плотностью дислокаций (Ы< 5ЕЗ см'2), в частности, структур на основе 1пА$БЬх в области «несмешиваемости» (х~0.54) с резким краем оптического поглощения (е~7 мэВ, «ц-644 см"1 при Ьу^Еет|п), позволяющим рассматривать полученные слои, как монокристаллы, а также двойных гетероструктур (ДГС) без сеток ДН в активном слое. В последнем случае в процессе роста третьего от подложки слоя, могущим иметь даже значительное несоответствие периода решетки с подложкой ((Ас/ / ¿/)± = 4 ■ 10~3), напряжения сжатия релаксируют с образованием дополнительной сетки ДН на ГР с 1пА$ при одновременном «расширении» всех трех слоев в направлении, параллельном ГР. Это позволяет локализовать дефекты структуры вне рабочей области, т.е. вне второго от подложки слоя ДГС [пСаАхБЬЛпАзЗЬР.

2. Разработан метод определения величины и знака остаточных упругих деформаций в полупроводниковых гетероструктурах, основанный на измерении спектральной зависимости степени линейно поляризации излучения (СЗСЛПИ), выходящего с поверхности структур с профилированной подложкой, например, типа «швеллер».

3. Установлено, что легирование раствора-расплава гадолинием до концентраций Х'сл = 0.004 + 0.005 ат% приводит к снижению концентрации электронов в эпитаксиальных слоях 1пОаА53Ь, полученных методом ЖФЭ на подложке ГпАв, до пп ~ 1016 см-3 и увеличению их подвижности до V ~ 6 • 104 см2/В с. При этом снижение концентрации остаточных примесей происходит за счет уменьшения концентрации как доноров, так и акцепторов. С увеличением содержания Ос) в жидкой фазе от 0.005 до 0.010 ат% происходит дальнейшее снижение концентрации электронов до п77 = (7 + 8) ■ 10'5 см 3 за счет возрастания концентрации акцепторов и перекомпенсации примесей, при этом подвижность носителей уменьшается до и = (3 + 4) ■ 104 см2/(В • с). При легировании 0(1 в интервале концентраций Х'ы = 0.004+0.005 ат.% наблюдается увеличение интенсивности фотолюминесценции в (4 + 10) раз и уменьшение полуширины спектров ФЛ в (1.3+1.8) раз по сравнению с нелегированными образцами. Легирование Ос1 было успешно применено для снижения пороговых токов в инжекционных лазерах и обратных токов в фотодиодах на основе [пСаАвБЬ и 1пА5.

4. Получены обогащенные 1пАв узкозонные слои п+-1пОаА88Ь(8п) с концентрацией до 41018 см"3 и подвижностью электронов 2 103 см2В "'с1, прозрачные для излучения в диапазоне 3-3.3 мкм за счет вырождения электронов в зоне проводимости (эффект Мосса-Бурштейна). Указанные слои использованы в качестве буферных слоев п+-1пОаА55Ь(Зп), пропускающих рабочее излучение во флип-чип СД.

5. Фотометрическими и опто-акустическими методами экспериментально подтвержден принцип выведения фотонной системы излучателя из состояния равновесия с окружающей средой с уменьшением излучательной способности за счет изменения

концентрации излучающих осцилляторов в диодах на основе арсенида индия и близких к нему твердых растворов.

6. Сформулировано положение о предельно возможном коэффициенте преобразования для спонтанных источников, определяемом как отношение мощности излучения отрицательной люминесценции к темновому току диода (НЬР/15а|), адекватно описывающем экспериментальные данные, например, температурные вариации мощности излучения светодиода.

7. Разработаны методы получения отражательных контактов к узкозонным полупроводникам на основе ГпАв. Обнаружена модуляция теплового излучения полупроводника в присутствии резонатора Фабри-Перо, сформированным отражательным анодом и границей раздела полупроводник/воздух, на примере отрицательной люминесценции в диодных структурах, для которой пики в спектральном распределении отстоят на расстоянии ДА.=^.2/2пЬ (п=3.52), где Ь - расстояние между анодом и световыводящей поверхностью.

8. Получено «вертикальное», перпендикулярное р-п переходу, когерентное излучение (Х=3 мкм) и получено увеличение эффективности в спонтанном режиме за счет взаимодействия фотонов со строенным резонатором, сформированным отражательным анодом и границей раздела полупроводник/воздух, в диодах на основе 1пА5 при электрической инжекции неравновесных носителей.

9. Экспериментально продемонстрировано влияние безызлучательных процессов (Оже-рекомбинации), на эффективность преобразования в узкозонных диодах на основе 1пАя в широком диапазоне температур, включая повышенные (до 180°С). Показано, что при повышенных температурах и обратном смещении имеет место эффективная экстракция носителей, при которой происходит заметное подавление Оже-рекомбинации. В результате при достижении «критической» температуры эффективность преобразования для обратного смещенного диода (режим ОЛ) превосходит коэффициент преобразования для диода, смещенного в прямом направлении (режим электролюминесценции). Экспериментально установлены значения «критических» температур, составившие 80, 110 и 140"С для диодов с шириной запрещенной зоны в активной области 234, 317 и 344 мэВ (300К) соответственно. Максимальный достигнутый фактор превосходства коэффициента преобразования ОЛ над ЭЛ составил ~2.6 для диодов из [пОаАяХЬ (Ев ~317 мэВ).

10. Разработаны и созданы диоды на основе 1пЛяЗЬ, в которых получена отрицательная люминесценция с эффективностью до 90% и эффективное понижение радиационной температуры 8-10 К (для диапазона длин волн 3-5 мкм).

11. Разработаны конструкции светодиодов и приборов отрицательной люминесценции, обеспечивающие увеличение эффективности за счет организации отражения излучения от наклонных стенок мезы и анода, а также за счет микротекстурирования световыводящей поверхности и приближении к условиям увеличенного эффективного угла полного внутреннего отражения и й± =0. Получена максимальная яркость излучения спонтанного диодного источника в диапазоне 3-5 мкм, соответствующая эффективной температуре 1250К.

12. Созданы лазеры среднего ИК диапазона на основе ДГС п-1пАз|.х-у8ЬхРу/п-1п|-^аДв^Ь^а) (0.01 < V < 0.07, 0.065 <г< 0.07)/р-(2п)-1пАз,.х.у8ЬхРу (0.05 < х < 0.09, 0.09 < у < 0.18) с рекордно низкими пороговыми токами (40 А/см2), показано, что уменьшение длины резонатора приводит к возрастанию пороговой концентрации неосновных носителей и соответственно росту внутризонного поглощения, получено увеличение скорости токовой перестройки в «коротких» лазерах (Ь~70 мкм,агг/<://=-210 см"'/А). Получены рекордные значения мощности лазеров (6Вт) (ширина полоска Ш=200 мкм, Ь=600 мкм) в области 3 мкм и продемонстрирована спектроскопия высокого разрешения газа метана при токовой перестройке длины волны в одномодовых лазерах с шириной полоска 20 мкм.

13. Созданы эффективные линейки и «иммерсионные» фото- и светодиоды, создающие положительный и отрицательный контраст в спектральном диапазоне 3-5 мкм. С использованием разработанных флип-чип диодов продемонстрированы отрицательный оптико-акустический эффект и детектирование ряда газов в малогабаритных кюветах (длина оптического пути менее 5 см) с пределом обнаружения на уровне нескольких частей на миллион.

Публикации по теме диссертации:

AI Матвеев Б.А., Рогачев A.A., Стусь U.M., Тапалакин Г.Н.„ «Кристаллы с виртуальной решеткой, обладающей радиальной симметрией», Письма в ЖТФ, б , 204-207(1980)

А2 Есина Н.П.,Зотова Н.В., Матвеев Б.А., Стусь Н.М., Талалакин Г.Н., Абишев Т.Д., «Длинноволновые неохлаждаемые светодиоды на основе твердых растворов InAsSbP», Письма в ЖТФ, 9, 391-395 (1983) A3 Аверкиев Н.С., Зотова Н.В., Матвеев Б.А., Стусь Н.М., Талалакин Г.Н., «Поляризация люминесценции эпитаксиальных слоев твердых растворов InAsi-x-ySbxPy» , ФТП, 18, 1795 (1984) A4 Бакун A.A., Матвеев Б.А., Попов И.Н., Рогачев A.A., Стусь Н.М., Талалакин Г.Н., «Дифракция рентгеновских лучей на пластических деформированных эпитаксиальных гетероструктурах», Письма в ЖТФ, 10, 1297-1301 (1984) А5 Бакун A.A., Матвеев Б.А., Смирницкий В.Б., Стусь Н.М., Талалакин Г.Н., «Вогнутые дифракционные решетки на поверхности монокристаллов», Письма в ЖТФ, 11, 1172 -1175 (1985) А6 Есина Н.П..Зотова Н.В., Марков И.И., Матвеев Б.А., Рогачев A.A., Стусь Н.М., Талалакин Г.Н., "Газоанализатор на основе полупроводниковых элементов", Журнал прикладной спектроскопии , 42, 691-694 (1985) А7 Зотова Н.В., Карандашев С.А., Матвеев Б.А., Стусь U.M., Талалакин Г.Н., «Когерентное излучение 3.9 мкм в р-n структурах на основе InAsSbP», Письма в ЖТФ, 12, 1444-1447(1986) А8 Конников С.Г., Матвеев Б.А., Попова Т.Б., Стусь Н.М., Талалакин Г.Н., Уманский В.Е., «Распределение дислокаций в изогнутых структурах InAsSbP/InAs».OTT, 28 , 789 - 792 (1986)

А9 Матвеев Б.А., Петров В.И.., Стусь Н.М., Талалакин Г.Н., Шабалин A.B. «Плотность дислокаций в искривленных градиентных кристаллах GaAsSbP» , Поверхность. Физика, химия, механика - .41-44 (1986) А10 Матвеев Б.А., Петров В.И.., Стусь Н.М., Талалакин Г.Н., Шабалин A.B., «Дислокации несоответствия в пластически деформированных структурах GaAsSbP/GaAs», Изв.АН СССР, сер."Физическая", 50,455-458 (1986) All Айдаралиев М., Зотова Н.В., Карандашев С.А., Матвеев Б.А., Стусь Н.М., Талалакин Г.Н., «Инжекционное когерентное излучение в ДГС InAsSbP/InAs/lnAsSbP», Письма в ЖТФ ,13, 563-565 (1987) А12 Айдаралиев М., Зотова Н.В., Карандашев С.А., Матвеев Б.А., Стусь Н.М., Талалакин Г.Н., «Температурная зависимость параметров стимулированного излучения в р-n структурах на основе InAsSb», Письма в ЖТФ, 13,329-331 (1987) А13 Матвеев Б.А., Новикова Л.Г., Стусь Н.М., Талалакин Г.Н., Чернов М.А., «Проявления краевых искажений на рентгеновских топограммах изогнутых стуктур GaAsSbP/GaAs», ЖТФ, 57, 2000- 2004 ( 1987) А14 Айдаралиев М., Зотова Н.В., Карандашев С.А., Матвеев Б.А., Стусь Н.М., Талалакин Г.Н., «Стимулированное излучение (3-3.3 мкм, 77К) при инжекции тока в пластически деформированных ДГС InAsSbP/InAs», Письма в ЖТФ, 14, 1617- 1621 (1988)

А15 Кушкимбаева Б.Ш., Матвеев Б.А., Стусь Н.М., Талалакин Г.Н., Филипленко A.C.

Чайкина Е.И., «Перераспределение остаточных напряжений при профилировании подложек в структурах InGaSbAs/GaSb», Письма в ЖТФ, 14,247-250 (1988) А16 Кушкимбаева Б.Ш., Матвеев Б.А., Стусь Н.М., Талалакин Г.Н., Чайкина Е.И.,«Профиль деформации в градиентных структурах InAsi.x.ySbx Ру /InAs ( х+у< 0.3)», Письма в ЖТФ, 14, 2044 - 2048 (1988) А17 Матвеев Б.А., Петров В.И.., Стусь Н.М., Талалакин Г.Н., Шабалин А.В., «Катодолюминесценция градиентных эпитаксиальных структур InAsSbP/InAs», ФТП, 22, 1244- 1247(1988) А18 Матвеев Б. А., Стусь Н.М., Талалакин Г.Н., «Явление инверсного дефектообразования при выращивании эпитаксиальных структур InAsSbP/InAs», Кристаллография, 32,216- 221 (1988) А19 Aidaraliev М„ Zotova N.V., Karandashov S.A., Matveev В.A., Stus' N.M. , Talalakin G.N., «Spontaneons and stimulated Emission from InAsSbP/InAs Heterostuctures».-phys. stat.sol. (a), 115, K117-K120 (1989) A20 Айдаралиев M., Зотова H.B., Карандашев C.A., Матвеев Б.А., Стусь Н.М., Талалакин Г.Н., «Низкопроговые лазеры 3-3.5 мкм на основе ДГС InAsSbP/InGaAsSb», Письма в ЖТФ, 15,49-52 (1989) А21 Aidaraliev М., Argunova T.S., Zotova N.V., Karandashev S.A., Kutt R.N., Matveev B.A., Ruvimov S.S., Sorokin L.M., Stus N.M., Talalakin G.N., "LPE growth and characterization of InAsSbP/Ini_xGaxAsi.ySby (x > 0 ,y > 0) heterostructures.for long wavelength (K> 3 pm) LEDs and lasers", MRS Proc., 216, Long - wavelength Semiconductor Devices, Materials and Processes (1990) A22 Аргунова T.C., Кютт P.H., Матвеев Б.А., Рувимов С.С., Стусь Н.М., Талалакин Г.Н., «Структурное совершенство двойных гетероструктур InAsi_x_ySbxPy - InAs», ФТТ, 32, 3355-3361 (1990) А23 Зотова Н.В., Лосев А.В., Матвеев Б.А., Стусь Н.М., Талалакин Г.Н., Филипленко А.С., «Край поглощения варизонных эпитаксиальных слоев InAsi-xSbx (х<0.54)», Письма ЖТФ, 16,76-80 (1990) А24 Кушкимбаева Б.Ш., Матвеев Б.А., Стусь Н.М., Талалакин Г.Н., Филипленко А.С., Чайкина Е.И., «Остаточная деформация в эпитаксиальных слоях InGaAsSb, InAsSbP - и InAsSb на подложке InAs», Кристаллография, 35, 1307-1308 (1990) А25 Матвеев Б.А., Стусь Н.М., Талалакин Г.Н., Чернева Т.В., Фадин Ю.А., «Микротвердость полупроводниковых сплавов InGaAs, InGaAsSb, InAsSbP, обогащенных арсенидом индия», Неорганические материалы", 26, 639-640 (1990) А26 Argunova T.S., Kyutt R.N., Matveev В.А., Ruvimov S.S., Stus' N.M., Talalakin G.N., "Distribution of defects in InAsi_x.ySbxPy- InAs DHs", Solid State Phenomena , 19*20, 581-586(1991)

All Аверкиев H.C., Кушкимбаева Б.Ш., Кютт P.H., Матвеев Б.А., Стусь Н.М., Талалакин Г.Н., Чайкина Е.И., «Поляризация фотолюминесценции с поверхности гетероструктуры А3В5 с профилированной подложкой», ФТП, 25, 12-16 (1991) А28 Айдаралиев М-, Зотова Н.В., Карандашев С.А., Матвеев Б.А., Стусь Н.М., Талалакин Г.Н., «Светодиоды на основе InAsSbP для анализа окислов углерода», Письма в ЖТФ , 17, 75-79 (1991) А29 Zotova N.V, Karandashev S.A., Matveev В.А., Pentsov A.V., Slobodchikov S.V., Smirnova N.N., Stus' N.M., Talalakin G.N., Markov 1.1., "Optoelectronic sensors based on narrow band A3B5 alloys", SPIE Proc., 1587, 334-345 (1992) A30 Aidaraliev M„ Zotova N.V., Karandashov S.A., Matveev B.A., Stus' N.M., Talalakin G.N., "Low-threshold long-wave lasers (X=3.0-3.6 pm) based on III-V alloys" Semicond.Sci.Technol., 8, 1575-1580 (1993) A31 Malinen J., Hannula Т., Zotova N.V., Karandashov S.A., Markov I.I., Matveev B.A., Stus' N.M. , Talalakin G.N., "Nondispersive and multichannel analyzers based on mid-IR LEDs and arrays", SPIE Proc., 2069,.95-101 (1993)

А32 Айдаралиев М., Зотова Н.В., Карандашев С.А., Матвеев Б.А., Стусь Н.М., Талалакин Г.Н., «Длинноволновые низкопороговые лазеры на основе соединений А3В5», ФТП, 27,21-29 (1993) АЗЗ Аргунова Т.С., Кютт Р.Н., Матвеев Б.А., Рувимов С.С., Стусь Н.М., Талалакин Г.Н., "Распределение деформации в двойных гетероструктурах InAsSbP/InGaAsSb", ФТТ, 36, 3071-3078(1994) А34 Aidaraliev М„ Zotova N.V., Karandashov S.A., Matveev В.А., Stus' N.M. , Talalakin G.N., "Midwave (3-4 цгп) InAsSbP/InGaAsSb infrared diode lasers as a source for gas sensors ", Infrared Physics & Technology, 37, 83-86(1996) A35 Zotova N.V, Karandashev S.A., Matveev B.A., N.N., Stus' N.M., Talalakin G.N., Remennyi M.A.,"Tunable mid-IR Diode Lasers based on InGaAsSb/InAsSbP DH", Spectrochimica Acta Part A, 52, 857-862 (1996) A36 Михайлова М.П., Стусь H.M., Слободчиков C.B., Зотова Н.В., Матвеев Б.А., Талалакин Г.Н., "Фотодиоды на основе твердых растворов InAsSb для спектрального диапазона 3-5 мкм", ФТП, 30, 1613-1620(1996) А37 Matveev В.А.„ Gavrilov G.A., Evstropov V.V., Zotova N.V., Karandashov S.A., Sotnikova G.Yu., Stus' N.M., Talalakin G.N., Malinen J.,"Mid-infrared (3-5 цш) LEDs as sources for gas and liquid sensors", Sensors and Actuators B, 38-39, 339-343 (1997) A38 Зотова H.B., Карандашев C.A., Матвеев Б.А., Ременный М.А.,Стусь Н.М., Талалакин Т.Н., "Мезаполосковые лазеры на основе ДГС InAsSbP/InGaAsSb, легированных гадолинием, диапазона 3-3.6 мкм", Письма ЖТФ, 23,72-76 (1997) А39 Matveev В., Aidaraliev М., Gavrilov G., Zotova N, Karandashov S., Sotnikova G., Stus' N., Talalakin G., Il'inskaya N., Aleksandrov S., "Room temperature InAs photodiode-lnGaAs LED pairs for methane detection in the mid-IR", Sensors & Actuators, 51, 233-237 (1998) A40 Айдаралиев M., Зотова II.В., Карандашев С.А., Матвеев Б.А., Ременный М.А., Стусь 11.М., Талалакин Г.Н., «Излучательные характреристики мезаполосковых лазеров на основе двойных гетероструктур InGaAsSb/InAsSbP», Письма в ЖТФ, 24,40-45 (1998)

А41 Айдаралиев М., Зотова Н.В., Карандашев С.А., Матвеев Б.А., Ременный М.А., Стусь Н.М., Талалакин Г.Н., «Коэффициент усиления и внутренние потери в лазерах на основе двойных гетероструктур InGaAsSb/InAsSbP», ФТП, 33, 759-763 (1999)

А42 Зотова Н.В., Карандашев С.А., Матвеев Б.А., Ременный М.А.,Стусь Н.М., Талалакин Г.Н., "Твердые растворы InGaAsSb на основе InAs, легированные гадолинием, для светодиодов в спектральной области 3-5 мкм", ФТП, 33, 1010-1014(1999)

А43 A'daraliev М., Zotova N.V., Karandashev S.A., Matveev В.А., Remenniy M.A., Stus' N.M., Talalakin G.N., Malyutenko V.K., Malyutenko O. Yu., "4 цш negative luminescence from p-InAsSbP/n-InAs diodes in the temperature range of 20-180°C", SPIE Proc., 4355, 161-167 (2000) A44 Айдаралиев M., Зотова H.B. Карандашев C.A., Матвеев Б.А., Ременный M.A., Стусь Н.М., Талалакин Г.Н., "Электролюминесценция светодиодов X =3.3-4.3 мкм на основе твердых растворов InGaAs и InAsSbP в интервале температур 20-180°С", ФТП, 34, 102-105 (2000) А45 Айдаралиев М., Зотова Н.В. Карандашев С.А., Матвеев Б.А., Ременный М.А., Стусь Н.М., Талалакин Г.Н., Beyer Т., Brunner R., «Спектральные характеристики лазеров на основе двойных гетероструктур InGaAsSb/InAsSbP (1=3.0-3.6 мкм), ФТП, 34, 504-508 (2000) А46 Айдаралиев М., Зотова Н.В. Карандашев С.А., Матвеев Б.А., Ременный М.А., Стусь Н.М., Талалакин Г.Н., Beyer Т., «Лазеры Х-3.0-3.3 мкм на основе ДГС InGaAsSb(Gd)/InAsSbP для диодно-лазерной спектроскопии», ФТП, 34, 124-128

(2000)

А47 Malyutenko V. К., Malyutenko O.Yu., Podoltsev A. D., Kucheryavaya I.N., Matveev B. A., Remennyy M. A., Stus' N. M., "Current crowding in InAsSb LED structures", Appl. Phys. Lett., 79,4228-4230 (2001) A48 Matveev B.A., A'daraliev M., Zotova N.V, Karandashev S.A., Remenniy M.A., Stus' N.M. , Talalakin G.N., Malyutenko V.K., Malyutenko O.Yu., "Negative luminescence from InAsSbP-based diodes in the 4.0-4.3 pm range", SPIE Proc., 4285, 109-117 (2001) A49 Matveev B.A., Zotova N.V, Karandashev S.A., Remenniy M.A., Stus' N.M., Talalakin

G.N., "III-V optically pumped mid-IR LEDs", Proc. SPIE, 4278, 189-196 (2001) A50 Айдаралиев M., Зотова H.B. Карандашев C.A., Матвеев Б.А., Ременный M.A., Стусь Н.М., Талалакин Г.Н., «Отрицательная люминесценция в диодах на основе p-InAsSbP/n-InAs, ФТП, 35,335-338 (2001) А51 Айдаралиев М., Зотова Н.В. Карандашев С.А., Матвеев Б.А., Ременный М.А., Стусь Н.М., Талалакин Т.Н., «Электролюминесценция светодиодов на основе твердых растворов InGaAs и InAsSbP (Х=3.3-4.3 мкм) в интервале температур 20-180°С (продолжение)», ФТП, 35, 619-625 (2001) А52 Айдаралиев М., Зотова Н.В. Карандашев С.А., Матвеев Б.А., Ременный М.А., Стусь Н.М., Талалакин Т.Н.,"Мощные лазеры (А,=3.3 мкм) на основе двойных гетероструктур InGaAsSb(Gd)/InAsSbP", ФТП, 35, 1261-1265 (2001) А53 Зотова Н.В., Карандашев С.А., Матвеев Б.А., Ременный М.А., Стусь Н.М., Талалакин Г.Н., Шустов В.В., «Инфракрасные светодиоды с оптическим возбуждением на основе InGaAs(Sb)», ФТП, 35, 371-374 (2001) А54 Aydaraliev М„ Zotova N.V., Karandashov S.A., Matveev В.А., Stus' N.M. , Talalakin G.N., Bewley W. W., Lindle J. R., Meyer J. R., "6 W InGaAsSb(Gd)/InAsSbP double-heterostructure diode lasers emitting at X =3.3 pm), Appl. Phys. Lett., 81, 1166-1167 (2002)

A55 Matveev B.A., Zotova N.V, Il'inskaya N ,D., Karandashev S.A., Remenniy M.A., Stus' N.M. , Talalakin G.N. /'Towards efficient mid-IR LED operation: optical pumping, extraction or injection of carriers? ", J.Mod.Optics, 49, 743-756 (2002) A56 Matveev B.A., Zotova N.V, Karandashev S.A., Remenniy M.A., Stus' N.M. , Talalakin G.N. "Towards longwave (5-6 pm) LED operation at 80°C : injection or extraction of carriers?", IEE Proc., 149 ,33-35 (2002) A57 Matveev B.A., Zotova N.V, Karandashev S.A., Remenniy M.A., Stus' N.M., Talalakin G.N., "Backside illuminated In(Ga)As/InAsSbP DH photodiodes for methane sensing at 3.3 pm", Proc. SPIE, 4650,173-178 (2002) A58 Айдаралиев M., Зотова Н.В. Карандашев C.A., Матвеев Б.А., Ременный M.A., Стусь Н.М., Талалакин Г.Н.", « Иммерсионные» инфракрасные светодиоды с оптическим возбуждением на основе узкозонных полупроводников А В " ,ФТП, 36, 881-884(2002)

А59 Матвеев Б.А. «Полупроводниковый диод для инфракрасного диапазона спектра»,

патент РФ № 2286618 по заявке № 2002119616 от 16.07.2002. А60 Сукач А.В., Тетеркин В.В., Зотова Н.В. Карандашев С.А., Матвеев Б.А., Ременный М.А., Стусь Н.М., Талалакин Г.Н., "Неохлаждаемые фотодиоды p+-InAsSbP/n-InAs для использования в оптоэлектронных сенсорах метана", Оптоэлектроника и полупроводниковая техника, вып.37, 215-219 (2002) А61 Aidaraliev М„ Zotova N.V., Il'inskaya N.D., Karandashev S.A., Matveev B.A., Remennyi M.A., Stus' N.M. , Talalakin G.N., "InAs and InAsSb LEDs with built-in cavities", Semicond. Sci. Technol. 18,269-272 (2003) A62 Matveev B.A., Aydaraliev M., Zotova N.V, Karandashov S.A., Il'inskaya N. D., Remenniy M.A., Stus' N.M. , Talalakin G.N. «Flip-chip bonded InAsSbP and InGaAs LEDs and detectors for the 3 pm Spectral Region", IEE Proc.-Optoelectronics, 150, 356-359 (2003)

А63 Remenniy M.A., Zotova N.V., Karandashev S.A., Matveev B.A., Stus'N.M., Talalakin G. N., "Low voltage episide down bonded mid-IR diode optopairs for gas sensing in the 3.3-4.3 pm spectral range", Sensors & Actuators B: Chemical, 91,256-261 (2003) A64 Айдаралиев M., Зотова H.B., Карандашев C.A., Матвеев Б.А., Ременный М.А., Стусь Н.М., Талалакин Г.Н., "Отрицательная люминесценция на длине волны 3.9 мкм в диодах на основе InGaAsSb", ФТП, 37, 951-953 (2003) А65 Remenniy М.А., Matveev В.А., Zotova N.V., Karandashev S.A., Stus'N.M., Talalakin G. N.,"InGaAsSb negative luminescent devices with built-in cavities emitting at 3.9 pm", Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures, 20, 548-552 (2004) A66 Зотова H.B., Ильинская Н.Д., Карандашев C.A., Матвеев Б.А., Ременный М.А., Стусь Н.М., Шустов В.В., «Светодиоды на основе InAs с резонатором, сформированным анодным контактом и границей раздела полупроводник/воздух», ФТП, 38, 1270-1274(2004) А67 Matveev В., Zotova N., Il'inskaya N., Karandashev S., Remennyi M., Stus'N., Kovchavtsev A., Kuryshev G., Polovinkin V., Tarakanova N., "3.3 pm high brightness LEDs", MRS Proc., 891 , paper # 0891-EE01-04 (2005) A68 Matveev В., Zotova N., Il'inskaya N., Karandashev S., Remennyi M., Stus'N.,, "Spontaneous and stimulated emission in InAs LEDs with cavity formed by gold anode and semiconductor/Air interface", phys. stat. sol. (c) 2, 927-930 (2005) A69 Matveev B.A., "LED-Photodiode Opto-pairs" in Mid-infrared Semiconductor Optoelectronics, Springer Series in OPTICAL SCIENCE, ISSN 0342-4111, 395- 428 (2006)

A70 Зотова H.B., Ильинская Н.Д., Карандашев C.A., Матвеев Б.А., Ременный М.А., Стусь Н.М., «Светодиоды флип-чии на 4.2 мкм с глубокой мезой травления», ФТП, 40,717-723 (2006) А71 Зотова Н.В., Ильинская Н.Д., Карандашев С.А., Матвеев Б.А., Ременный М.А., Стусь Н.М., Шустов В.В., Тараканова Н.Г., «Флип-чип светодиоды на основе InAs с буферными слоями из InGaAsSb», ФТП, 40, 1004-1008 (2006) А72 Remenniy М.А., Matveev В.А., Zotova N.V., Karandashev S.A., Stus'N.M., Ilinskaya. N. D.,"InAs and InAs(Sb)(P) (3-5 pm) immersion lens photodiodes for portable optic sensors", SPIE Proc, 6585, 658504, DOI: 10.1117/12.722847 (2007) A73 Иванов-Омский В.И., Матвеев Б.А., «Отрицательная люминесценция и приборы

на ее основе» (обзор), ФТП, 41,257-268 (2007) А74 Карандашев С.А., Матвеев Б.А., Ременный М.А., Стусь Н.М., Лунин Л.С., Ратушный В.И., Корюк А.В., Кузнецов В.В., "Флип-чип фотодиоды на основе InAs, работающие при 20-100оС в интервале длин волн 2.7-3.7 мкм", Известия ВУЗов, Материалы электронной техники, №3, 36-38 (2007) А75 Закгейм А.Л., Зотова Н.В., Ильинская Н.Д., Карандашев С.А., Матвеев Б.А., Ременный М.А., Стусь Н.М., Усикова А.А., Черняков А.Е., «ИК изображения флип-чип диодов на основе InAsSbP в спектральной области 3 мкм», Прикладная Физика, N6, 143-148 (2008) А76 Зотова Н.В., Ильинская Н.Д., Карандашев С.А., Матвеев Б.А., Ременный М.А., Стусь II.М., «Источники спонтанного излучения на основе арсенида индия (обзор)», ФТП, 42, 641-657, (2008) А77 Kuusela Т., Peura J., Matveev В. A., Remennyy М. A., Stus' N. М., «Photoacoustic gas detection using a cantilever microphone and III-V mid-IR LEDs», Vibrational Spectroscopy, 51, 289-293 (2009) A78 Matveev B.A., Zadiranov Yu. M., Zakgeim A. L., Zotova N.V, Il'inskaya N..D., Karandashev S.A., Remenniy M.A., Stus' N.M., Usikova A. A., Usov O.A., Cherniakov A.E., "Midinfrared (X- 3.6 pm) LEDs and arrays based on InGaAsSb with photonic crystals", SPIE Proc, 7223, 7223IB-1-7 (2009) A79 Александров C.E., Гаврилов Г.А., Капралов A.A., Матвеев Б.А., Сотникова Г.Ю.,

Ременный М.А., «Моделирование характеристик оптических газовых сенсоров на основе диодных оптопар среднего ИК-диапазона спектра», ЖТФ, 79, 112-118 (2009)

А80 Закгейм A.JI., Зотова Н.В., Ильинская Н.Д., Карандашев С.А., Матвеев Б.А., Ременный М.А., Стусь Н.М., Усикова А.А., Черняков А.Е.,"Светоизлучающая диодная линейка (>.=3.7 мкм ) на основе InGaAsSb", ФТП, 43, 531-536 (2009) А81 Закгейм А.Л., Зотова Н.В., Ильинская Н.Д., Карандашев С.А., Матвеев Б.А., Ременный М.А., Стусь Н.М., Черняков А.Е., «Неохлаждаемые широкополосные флип-чип фотодиоды на основе InAsSb (Xcut off =4.5 мкм)», ФТП, 43, 412-417 (2009)

А82 Закгейм А.Л., Ильинская Н.Д., Карандашев С.А., Матвеев Б.А., Ременный М.А., Черняков А.Е., Шленский А.А., "Распределение излучения в светодиодах на основе GalnAsSb/GaSb", ФТП, 43, 689-694 (2009) А83 Kuusela Т., Peura J., Matveev В.А., Remennyy M.A., Stus' N.M., "Photoacoustic effect induced by negative luminescence device", J. Appl. Phys. 108, 014903, doi: 10.1063/1.3456499 (6 pages) (2010) A84 Sotnikova, G. Y., Gavrilov, G. A., Aleksandrov, S. E., Kapralov, A. A., Karandashev, S. A.; Matveev, B. A.; Remennyy, M. A., "Low Voltage CC^-Gas Sensor Based on III-V Mid-IR Immersion Lens Diode Optopairs: Where we Are and How Far we Can Go?", Sensors Journal, IEEE ,10, 225 - 234 (2010)

Список цитируемой литературы:

1 Kroemer H. and Griffiths С., "Staggered-Lineup Heterojunctions as Sources of Tunable Below-Gap Radiation: Operating Principle and Semiconductor Selection", IEEE Electron Dev. Lett., 4,20-22(1983).

2 Кузнецов A.A., Балашов О.Б., Васильев E.B., Логинов С.А., Луговской А.И., Черняк Е.Я., «Дистанционный инфракрасный детектор углеводородных газов», Приборы и системы. Управление контроль, диагностика, № 6, 55-59 (2003).

3 Kane M.J., Braithwaite G., Emeny М.Т., Lee D., Martin Т., Wright D.R., "Bulk and surface recombination in InAs/AlAso.i6Sbo.84 3.45 (.im light emitting diodes", Appl. Phys. Lett., 76,943-945 (2000).

4 Pullin M., Heber X. Li, J., Gevaux D., Phillips C., "Improved efficiency positive and negative luminescent light emitting devices for mid-infrared gas sensing applications", SPIE Proc., 3938,144 (2000).

5 Gevaux D. G., Green A. M., Philips С. C., Vurgaftman I., Bewley W.W., Felix C.L., Meyer J.R., Lee H., Martinelli R., "3.3 цш "W" quantum well light emitting diodes". IEE Proc. Optoelectron., 150,351- 355 (2003).

6 Krier A., Sherstnev V.V., "Powerful interface light emitting diodes for methane gas detection", J. Phys. D: Appl. Phys., 33, 101-106 (2000).

7 Krier A., Huang X.I., "Design considerations for uncooled InAs mid-infarred light emitting diodes grown by liquid phase epitaxy", J.Phys.D. Appl.Phys, 39,255-261 (2006).

8 Данилова Т.Н., Именков A.H., Шерстнев В.В., Яковлев Ю.П., «Лазеры на основе двойных гетероструктур InAsSb/InAsSbP , излучающие в спектральной области 3-4 мкм. Часть 1» , ФТП, 34, 1396- 1403 (2000).

9 Зегря Г.Г., Андреев А.Д., «Механизм подавления процессов Оже рекомбинации в гетероструктурах II типа», Письма в ЖЭТФ, 61, 749-755 (1995).

10 Christol P., Gazouli М.Е1., Bigenwald P., Joullie A., "Performance simulation of 3.3 цгп interband laser diodes grown on InAs substrate", Physica E, 14, 375-384 (2002).

11 Аверкиев H.C., Астахова А.П., Гребенщикова E.A., Ильинская Н.Д., Калинина К.В., Кижаев С.С., Кислякова А.О., Монахов A.M., Шерстнев В.В., Яковлев Ю.П., «Дисковые WGM - лазеры (Х=3.0 мкм) на основе InAsSbP - гетероструктур, работающих в непрерывном режиме», ФТП, 43, 124-127 (2009).

12 Иванов-Омский В.И., Коломиец Б.Т., Смирнов В.А., «Излучательная рекомбинация в InSb при магнитоконцентрационном эффекте», Доклады Академии наук СССР, 161, 1308-1309 (1965).

13 Malyutenko V., "Negative luminescence in semiconductors: A retrospective view", Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures, 20, 553-557 ( 2004).

14 Elliott C.T., "Negative luminescence and its applications", Phil. Trans. R. Soc. Lond. A, 359, 567 (2001).

15 Pipa V.I., Liptuga A.I., "Parameter analysis and optimization for the radiative cooling effect due to negative luminescence", J.Appl.Phys, 92,5053-5059 (2002).

16 Филачев A.M., И.И.Таубкин, М.А.Тришенков, «Соверменное состояние и магистральные направления развития твердотельной фотоэлектроники», Москва, Физматкнига, 128 с. (2010).

17 Gong X.Y., Yamaguchi Т., Kan Н., Makino Т., Iida Т., Kato Т., Aoyama М., Suzuki Y., Sanada N., Fukuda Y., Kumagawa M., "Influence of Sulphidation Treatment on the Performance of Mid-Infrared InAsPSb/InAs Detectors", Jap.J.Appl.Phys, 37, 55-58 (1998).

18 Lai R.K., Chakrabarti P., "An analytical model of P+-InAsSbP/n°-InAs/n+-InAs single heterojunction photodetector for 2.4-3.5 цт region", Optical and Quantum Electronics, 36, 935947 (2004).

19 Sharabani Y., Paltiel Y., Sher A., Raizman A., Zussman Z., "InAsSb/GaSb heterostructure based mid wavelength infrared detector for high temperature operation", MIOMD-VII Abstracts 8-th International Conference on Mid-Infrared Optoelectronics: Materials and Devices (MIOMD-VIII), Bad Ischl, Austria (2007).

20 Lauer C., Dier О., Amann M-C., "Low-resistive metal/n+ -InAsSb/n-GaSb contacts", Semicond. Sci. Technol., 21, 1274-1277 (2006).

21 Астахова А.П., Журтанов Б.Е., Именков А.П., Михайлова М.П., Сиповская М.А., Стоянов II.Д., Яковлев 10.П., «Длинноволновые фотодиоды на основе двойной г стсроструктуры 11-GaSb/ii-GalnAsSb/p-AIGaAsSb», Письма ЖТФ, 33,23-29 (2007).

22 Krier A. and Suleiman W., "Uncooled photodetectors for the 3-5 цт spectral range based on III-V heterojunctions", Appl. Phys.Lett., 89, 083512 (2006).

23 Бир Г.Л., Пикус Г.Е., Симметрия и деформационные эффекты в полупроводниках, М. 584 е., (1972).

24 Шуберт Ф., «Светодиоды», пер. с англ. под ред. А.Э.Юновича, с.496 (Москва, «ФИЗМАТЛИТ» ) (2008).

25 Головин А.С., Астахова А.П., Кижаев С.С., Ильинская Н.Д., О.Ю.Серебренникова, Яковлев Ю.П., «Светодиоды на основе гетероструктур InAs/InAsSb для спектроскопии С02 (>.=4.3 цш)», Письма ЖТФ, 36, 105-110 (2010).

26 Кейси X., Паниш М., «Лазеры на гетероструктурах», М.: Мир, 1981, т.1.

27 Dixon J. R., Ellis J. AI„ "Optical properties of n-type indium arsenide in the fundamental absomtion edge region", Phvs... Rev., 123, 1560-1566 (1961).

28 Joindot I. and Beylat J.-L., "Intervalence band absorption coefficient in quantum well 1.55 pm semiconductor lasers", Electron. Lett., 29, 604 (1993).

29 Джамисов Д.Э., Мак-Фи P.X., Пласс Дж.11., Ричарде Р.Дж.. «Физика и техника инфракрасного излучения» (Пер.с англ.), (Сов.Радио), с.386 (1965).

30 Зи С.М., "Физика полупроводниковы приборов". В 2-х томах. Том 1. - М.: Мир,.-465 с. (1981).

31 Johnes R.C., "Immersed radiation detectors", Appl.Opt., 1, 607-613 (1962).

Лицензия ЛР № 020593 от 07.08.97

Подписано в печать 08.11.2010. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 2,0. Уч.-изд. л. 2,0. Тираж 100. Заказ 6672Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в Цифровом типографском центре Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: (812)550-40-14 Тел./факс: (812) 297-57-76

Введение.

Общая характеристика работы.

Глава 1. Приборы отрицательной люминесценции, лазеры, свето- и 12 фотодиоды в средней ИК области спектра (обзор).

1.1 Источники спонтанного и стимулированного излучения на основе арсенида 12 индия.

1.1.1. Свето диоды.

1.1.2. Лазеры.

1.2 Фотодиоды и источники отрицательной люминесценции.

1.2.1. Магнитоконцентрационные источники OJI.

1.2.2. Отрицательная люминесценция в диодных структурах. 39 1.2.3 Фотодиоды.

Глава 2. Структурные, электрические и оптические свойства 52 эпитаксиальных структур и слоев из InAs и его твердых растворов.

2.1. Дислокации в градиентных структурах с конечной толщиной подложки.

2.2. Дислокации и остаточные напряжения в двойных гетероструктурах 67 InGaAsSb/InAsSbP, InAs/InAsSbP.

2.3 Люминесцентные свойства градиентных структур.

2.4 .Получение и свойства слоев InGaAsSb.

Глава 3. Положительная и отрицательная люминесценция в узкозонных 102 диодных структурах А3В5.

3.1 Диоды на основе структур с гомо р-n переходом в InAs(Sb)(P).

3.1.1 Предварительные замечания.

3.1.2 Экспериментальные результаты и их обсуждение.

3.1.2.1 Диоды с активным слоем из InAsSbo.n•

3.1.2.2 Диоды с активным слоем из InAsSbo.os

3.1.2.3 Диоды с активным слоем из InAsSbo 2•

3.1.2.4 Диоды с активным слоем из InAsSbP

3.2 Диоды с р-n переходом на гетерогранице с InAs и с InAsSb.

3.2.1. Предварительные замечания, образцы и методы исследования.

3.2.2. Диоды с мелкой мезой.

3.2.3. Диоды с глубокой мезой.

Глава 4. Стимулированное излучение в двойных гетероструктурах на основе

InGaAsSb.

4.1. Предварительные замечания.

4.2. Распределение излучения в дальнем поле.

4.3. Коэффициент усиления и внутренние потери.

4.4. Спектральные характеристики. 164 4.5 Мощные лазеры.

Глава 5. Оптоэлектронные диодные пары источник-приемник.

5.1 Поверхностно облучаемые фотодиоды.

5.1.1 Фотодиоды /Л-InAsSbP/n-InAs.

5.1.2 ФД на основе твердых растворов InAsSb.

5.2 ФД InAsSb , облучаемые через подложку.

5.3 Светодиоды и фотоприемники для детектирования газов и жидкостей.

5.3.1. Светоизлучающая диодная линейка (А,=3.7 мкм) на основе InGaAsSb.

5.3.2. Оптоэлектронные пары светодиод - фотодиод.

5.3.3. Применение СД в ИК оптико-акустической спектроскопии.

5.4 Диодная лазерная спектроскопия с помощью лазеров на основе 222 InGaAsSb.

Одним из главных элементарных процессов в твердом теле, на долгие годы определившим основное направление исследований в разделе физики, называемом оптоэлектроникой, является переход электрона с возбужденного, более высокого энергетического уровня, на более низкий пустой уровень с испусканием квантов света. Первые работы по излучательной рекомбинации в полупроводниках были сделаны

О.В.Лосевым [1, 2], однако бурный рост числа исследований этого процесса произошел лишь во второй половине XX века, когда появились способы получения «чистых» полупроводниковых материалов и гетероструктур и стало возможным создание эффективных источников и приемников излучения [3]. В Физико-техническом институте в Санкт-Петербурге исследования полупроводников и разработка полупроводниковых оптоэлектронных приборов были начаты при активной поддержке основателя института -А.Ф.Иоффе - и продолжаются по сегодняшний день. Изложенная ниже работа выполнялась в лаборатории электронных полупроводников названного института (зав.лаб.- Рогачев A.A.), а затем в лаборатории инфракрасной оптоэлектроники (зав.лаб. -Яковлев Ю.П.) с 1977 по 1995 г.г. и с 1995 по 20.10 г.г., соответственно, в рамках ряда программ, основные из которых перечислены ниже:

Программа Министерства Приборостроения, средств автоматизации и систем-управления «Исследование возможности создания газоанализатора на основе твердотельного источника-излучения» (1977-1980).

Программа. Минпромнауки 01.40.01.09.03 «Оптические и нелинейно-оптические свойства наноструктур», (проект 8А 159) Разработка и исследование оптических пар среднего ИК диапазона, используемых в системах контроля химического состава атмосферы: диодных структур на основе твердых растворов InAsSb, InGaAsSb, InAsSbP , туннельно-инжекционного лазера на основе гетероперехода II типа GalnAsSb/InGaAsSb, а также получение лабораторные образцов и сравнение характеристик генераторов излучения дальнего инфракрасного диапазона на базе систем InGaAs/AlGaAs и Si/SiGe», проект «Диодные оптоэлектронные пары отрицательного и положительного контраста в среднем ИК диапазоне спектра» (8А 290) (2002-2004).

Программа ОФН РАН «Оптика и лазерная физика», Название направления «Полупроводниковые лазеры». "Когерентное оптическое излучение полупроводниковых соединений и структур", проект: «Генерация когерентного излучения при комнатной температуре среднего ИК-диапазона (3-4) мкм в узкозонных полупроводниковых гетероструктурах II типа на основе InAs-GaSb-AlSb» (4.14).

Гранты АФГИР (CRDF) «Высокотемпературные оптоэлектронные диодные пары»

807, #I261( 1999- 2003 гг.), #1483 «Полупроводниковый точечный источник» ( 2005).

Проект МНТЦ 2044 П (2001) European office of Aerospace Research and development, Air Force Office of Scientific research, Air Force Lab. SPC 994016 ( # F61775-99-WE016) (1999).

Проект СПБ НЦ 2007, «Источники и приемники излучения 3-5 мкм на основе фотонных кристаллов АЗВ5».

Программа РАН поддержки инноваций 2007. Проект «Оптические газоанализаторы и пирометры на основе иммерсионных диодных оптопар».

Проект 7-ой рамочной программы ЕС #224625 (MINIGAS, «Miniaturised photoacoustic gas sensor based on patented interferometric readout and novel photonic integration technologies») (FP7-ICT-2007-2) (2008-2011 гг.). Общая характеристика работы Актуальность темы

К началу данной работы исследования полупроводниковых структур на основе i f материалов А В заняли прочное положение среди наиболее быстро развивающихся направлений, физики. Источники и приемники, работающие в диапазоне длин волн 3-5 мкм, могут быть использованы в системах контроля химического состава газообразных и жидких сред, оптической' связи или в тепловидении [198]. На сегодняшний день оптические анализаторы составляют около 25%,от всех анализаторов других типов, причем доля- первых постоянно растет, в том числе благодаря постоянному совершенствованию «длинноволновых» свето- и фотодиодов (3-5 мкм).

Анализ литературных данных, приведенных в Главе 1; показывает, что в спектральном диапазоне 3-5 мкм имеется достаточно большое количество разработок источников излучения, при этом основная доля когерентных источников вблизи наиболее интересной для практики области поглощения углеводородов (3.3 мкм) выполнена на основе двойных гетероструктур. В силу фундаментальных обстоятельств, получение эффективных квантовокаскадных лазеров, а также лазеров на основе сверхрешеток, в этой области затруднено.

Основным материалом для активной области лазеров на основе двойных гетероструктур служил твердый раствор InAsSb, обладающий высокой вероятностью безызлучательных Оже-процессов и низкой квантовой эффективностью. Так, например, в работе [254] для состава InAso.97Sb о оз он составляет /;mt =3% при 77 К. При этом в [254], как и в литературе в целом, практически отсутствуют исследования упругой и пластической деформации в двойных гетероструктурах на основе InAs и InAsSb, и в узкозонных градиентных слоях InAsSbP, которые существенным образом могут влиять на параметры лазеров и светодиодов. Лишь, в одной из работ сообщается о понижении плотности наклонных дислокаций при увеличении толщины буферного слоя*в структурах ТпАзЗЬР/ГпАзБЬ/ЬгАзЗЬР; используемых для фотодиодов;[99]. Низкий квантовый выход, а также несовершенство лазерных, структур; не позволяли- достичь высоких значений* выходной мощности, необходимых для практики.

С другой стороны, в! литературе имеются указания на то, что безызлучатёльные Оже процессы можно снизить, используя дисбаланс энергий • спин-орбитально отщепленной и запрещенной зон, достигаемый в твердом растворе ¡пСаАяБЬ [ 302, 335 ]. Дополнительное преимущество твердого раствора ЬгОаАзБЬ перед ЫАзБЪ состоит в возможности согласования периодов^ решеток с ближайшей (по химическому составу) подложкой - 1пАз - однако попыток создания и исследования лазеров на основе двойных гетероструктур, содержащих в активной} области обогащенный. арсенидом индия твердый раствор /яСаЛ&Йг предпринято не было. ,

В разработке светодиодов на основе арсенида индия : и узкозонных твердых растворов-для;диапазона 3-5 мкм основные успехи были обусловлены,-главным образом, улучшениями, связанными с обеспечением электронного ограничениям и с геттерированием дефектов ^ остаточных примесей. Вместе с тем ряд вопросов оставался; недостаточно освещенным. К ним относится, прежде всего, вопрос о предельно-возможном значении; внутреннего квантового выхода (или; коэффициента преобразования), определяемого внутренними; свойствами: полупроводника при малых уровнях возбуждения (т.е. не Оже-рекомбинацией) при комнатной и более высоких температурах и позволяющего судить о перспективах полупроводниковых источников излучения в сравнении с другими, например, тепловыми источниками. Очевидно, что адекватное исследование этого фундаментального параметра возможно лишь в образцах, где отсутствует рекомбинация Шокли-Рида. На начало наших исследований таких структур получено не было; и на. сегодняшний день такие структуры ( с линейным участком ватт-амперной характеристики) описаны лишь в нескольких работах [57, 78].

Изучение влияния Оже-рекомбинации на квантовую эффективность велось в основном на качественном уровне - анализируемые сублинейные ватт-амперные характеристики при больших токах отражали скорее несовершенство приборных структур, приводящие к сгущению линий тока под контактом и Джоулеву разогреву, чем прямое влияние Оже-рекомбинации. При этом подавляющая часть исследований; была выполнена на образцах с высокими тепловыми и последовательными сопротивлениями [126]. Лишь в нескольких работах [92, 283] были сделаны попытки уменьшить Джоулев разогрев за счет минимизации расстояния между р-п переходом и теплоотводом. Не были изучены: характеристики омических контактов, существенно влияющие: как. на характер токопрохождения. (растекание тока), так и на процессы отражения и перераспределения потоков излучения в свето- и фотодиодах.

Отсутствие. исследований и описания вышеупомянутых: факторов делает трудной: задачу сопоставления реальной эффективности того или, иного подхода при= создании СД. Так, например, эффективность преобразования: и мощность излучения в; структурах,- в которых Оже-рекомбинация целенаправленно подавлялась. (например, в пятикомпонентных твердых растворах [97 ] или в образцах на основе сверхрешеток (0.02 мВт/А, 1= 400 мА, 4.3 мкм [102]), была существенно ниже, чем в обычных двойных гетероструктурах без специальных мер для ее снижения ( ~1 мВт/А, 1~1А [195, 364], 0.5 мВт/А [180]. В ряде случаев использование сверхрешеток для повышения квантового выхода [40] сопровождалось существенным возрастанием рабочих1 напряжений; (U=6 В), что негативно сказывается на эффективности таких источников.

Немаловажным: является также: вопрос о коэффициенте; вывода излучения« — параметра; напрямую влияющего на экспериментальное значение квантового выхода. В: большинстве работ, посвященных плоским структурам, он полагается равным 1/70; а в ряде работ его значение неоправданно завышено. Целенаправленные исследования, направленные на увеличение коэффициента вывода излучения имели место лишь при-создании, светодиодов: со .встроенным: резонатором (RG LEDs) [64],. однако в этих исследованиях: приводится лишь, упоминание; о двукратном повышении" эффективности без ссылки на абсолютное значение мощности, излучения; поэтому сделать, вывод о продуктивности использования предложенного авторами [64] подхода затруднительно.

В ряде работ сообщается о получении суперлюминесценции в диодах на основе InAsSb [195] и InAs [214] при комнатной температуре, однако на данный момент нам не известно ни одной работы, в которой бы внутренний квантовый выход в вышеуказанных материалах при больших рабочих токах превышал 7jint = 2.5 %. Невысокое значение т]ы делает суперлюминесценцию маловероятной; Кроме этого в работах, посвященных суперлюминесценции [195, 214] отсутствует ёё важный признак - сверхлинейная зависимость мощности от тока - , а само значение квантового выхода никак не обсуждалось. В этой связи вопрос о предельных значениях коэффициента преобразования, и вопрос о возможности получения суперлюминесценции при комнатной температуре в узкозонных полупроводниках АЗВ5 требует дополнительных исследований.

С другой стороны, возникновение суперлюминесценции и стимулированной рекомбинации весьма вероятно при низких температурах. По этой причине температурные зависимости мощности излучения (и соответственно, квантового выхода) требуют уточнения, поскольку при больших токах и низких температурах изменяется коэффициент вывода излучения. Работ по наблюдению «вертикальной» (перпендикулярно р-n переходу) суперлюминесценции и стимулированного излучения при электрической инжекции не было, возможность вклада этих процессов« в увеличение эффективности «светодиодных» образцов при низких температурах игнорировалась

Основная часть публикаций, посвященных оптоэлектронным приборам, работающим при нулевом или обратном смещении р-n перехода (приборы отрицательной люминесценции (OJI) и фотодиоды (ФД) соответственно) в спектральной области 3-5 мкм, рассматривала «классические», т.е. содержащие относительно толстые активные области образцы. Это обусловлено невысоким коэффициентом поглощения полупроводников вблизи энергии квантов, соизмеримой с шириной запрещенной зоны (се=103 -*-104 см"1) и необходимостью утилизации основной части падающего потока. В этой связи для получения« высокой квантовой эффективности-в ФД и приборах OJI требуется большое количество одинаковых потенциальных ям, что трудно реализовать на практике. Так, например, нет ни одного сообщения о ФД на область 3.3 мкм на основе структур с пониженной размерностью. На начало нашей работы! имелись лишь единичные работы по наблюдению ОЛ в полупроводниковых р-n структурах, проведенные в Великобритании [17, 182] и США [169] й большинство исследований ОЛ было проведено на структурах без р-n перехода [122* 124, 125, 129, 130, 345], представляющих по понятным причинам ограниченный интерес для практики. Кроме этого отсутствовали исследования узкозонных диодных структур Д3В5 при температурах выше комнатной - условиях часто встречающихся на практике [12]. Указанные исследования крайне актуальны для реализации важной особенности ОЛ, а именно, ее потенциально высокой мощности при повышенных температурах в противоположность мощности «положительной» люминесценции, быстро убывающей при увеличении температуры. Критическая температура, т.е. температура, при которой коэффициент преобразования ОЛ превышает таковую при прямом смещении диода, была определена лишь в одной из работ в образцах на основе сверхрешеток InAs/InÄsSb (Л=4.3 мкм) (Т=310 К) [182]. Однако исследования ОЛ при температурах выше 310 К, равно как и данные о значительном превышении эффективности ОЛ над эффективностью «положительной» люминесценции, в литературе отсутствуют. Приводимые данные показывают обычно быстрое насыщение мощности ОЛ при температуре выше 25 С, не достигающей при этом абсолютных значений мощности «положительной» люминесценции [14, 198]. Свойства ФД прн температурах, выше комнатной, также не изучались. 8

Очень часто описываемые в работах образцы для диапазона 3-4 мкм были неоптимальными как для исследования OJI, так и "для; применения их в качестве ФД. За j ' редким исключением [31, 34, 40, 194] в работах рассматривались только фотодиоды, освещаемые с поверхности. Характерной чертой таких ФД является негативное влияние поверхностной? рекомбинации, которое можно было бы устранить,, увеличив? толщину ограничивающего слоя? и, соответственно, расстояние до р-n перехода, и одновременно организовав доставку фотонов а активную область через толщу подложки, (буферных слоев), т.е. изготавливая. ФД типа «back-side illuminated PD». Такая, возможность, не рассматривалась для ФД, работающих при комнатной температуре даже в тех случаях, когда использованные для получения структур подложки прозрачны для излучения в рабочем диапазоне [63, 99, 106, 134, 135, 169, 182, 251, 369]. Для фотодиодов и светодиодов с активной областью из InAs молчаливо полагалось, что создание освещаемых через; подложку структур с согласованными периодами решеток- слоев: и подложки затруднено.

Пелыо работы является комплексное. исследование; оптических, электрических и: механических свойств^ а. также; дефектообразования. в полупроводниковых твердых растворах и гетероструктурах с составами, близкими к InAs, и создание эффективно излучающих и принимающих излучение приборов: в средней инфракрасной области-спектра ( 3-5 мкм), пригодных для решения задач газового анализа и энергосберегающего (минимально потребляющего) приборостроения.8

Объекты и? методы исследования. Объектами 5 исследовании служили ' i • . ■ ' 1 гетероэпитаксиальные структуры на основе InAs и его твердых растворов (InAsSbP,

InGaAsSb, InAsSb), полученные на подложке InAs в ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН. Выбор этих структур обусловлен высокой теплопроводностью материалов АЗВ5, их металлургической стабильностью и невосприимчивостью к влаге, потенциально обеспечивающие их преимущества по сравнению с материалами А2В6 и А4В6.

Исследования проводились с использованием' комплекса рентгенодифракционных методов, просвечивающей электронной микроскопии, микрокатодолюминесценции, фото-и электролюминесценции, включая измерения поляризации излучения и тепловидение, разработанных в ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН, Научно-технологическом центре микроэлектроники, и субмикронных гетероструктур при Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе, РАН МГУ им. М.В.Ломоносова, Институте физики полупроводников HAH Украины (г.Киев), в СКБ Средств аналитической техники (Украина, г.Ужгород), в Институте физики полупроводников РАН (г.Новосибирск), в НПО «Буревестник» (СПБ), в Naval Research Laboratory (Washington, USA), Fraunhofer-Institut für Angewandte

Festkörperphysik, (Freiburg, Germany), VTT Electronics (Oulu, Finland), VIGO systems (Poland). Department of Physics and Astronomy, University of Turku, (Turku, Finland).

Задачи работы.

В части технологии получения полупроводниковых структур:

- разработка методов определения степени упругой деформации в градиентных структурах и исследование упруго-пластического состояния градиентных и двойных гетероструктур.

- разработка методов изготовления градиентных и двойных диодных гетроструктур InAsSbP/InAs, InGaAsSb/InAs с низкой плотностью дислокаций и низкой концентрацией остаточных примесей в активной области.

В части исследования физических процессов, обеспечивающих повышение эффективности диодных структур:

- исследования отрицательной люминесценции в диодных структурах в широком диапазоне температур. х - исследования спонтанного и стимулированного излучения в структурах InAsSbP/InAs, InGaAsSb/InAs со встроенными резонаторами.

В части оптимизации конструкции свето- и фотодиодов: исследование факторов, обеспечивающих получение максимального-коэффициента преобразования и обнаружительной способности в узкозонных диодах А В (разработка' отражающих омических контактов к InAsSbP и InAs и конструкций меза-диодов со встроенными микрорефлекторами и повышенными коэффициентом вывода/ввода излучения, тепловой проводимостью и минимальными шумами).

В части создания лазеров, свето- и фотодиодов и исследования возможности их использования для спектроскопии в среднем ИК-диапазоне:

- исследование возможности использования диодных лазеров на основе InAsSbP/InGaAsSb для спектроскопии высокого разрешения. исследование возможности использования свето- и фотодиодов среднего ИКдиапазона спектра для создания высокоточных оптических и оптико-акустических измерительных систем.

Диссертационная работа представляет совокупность актуальных исследований, имеющих отношение ко всем перечисленным задачам.

Научная новизна работы определяется тем, что в ней развито новое научное направление в изучении полупроводниковых гетероструктур, полученных в условиях высокой пластичности подложки, основанное на представлениях о пониженной пластичности четверных твердых растворов и о формировании «инверсного» распределения плотности дислокаций в процессе роста, и приборных структурах, совмещающих в себе функциональные возможности работы в качестве источников отрицательной люминесценции, свето- и фотодиодов и лазеров в средней ИК области спектра (3-5 мкм). Данное научное направление является оригинальным, и возникло в результате деятельности автора диссертации. Развита методология количественной характеризации особенностей* вышеуказанных гетероструктур, включая лазерные гетероструктуры, на основе оптических, металлографических и рентгенодифракционных методов. Исследованы процессы релаксации упругих напряжений и выявлена взаимосвязь электрических и оптических свойств слоев, гетероструктур и приборных структур с особенностями методов их получения. Обнаружены подавление безызлучательной Оже-рекомбинации при повышенных температурах в узкозонных диодных структурах при обратном смещении и модуляция равновесного теплового излучения встроенным резонатором Фабри-Перо. Результаты, работы опубликованы в 84-х научных статьях, включая два обзора и раздел в монографии. Основные положения, выносимые на защиту:

Положение 1. Релаксация упругих напряжений, происходящая в процессе г 3 5 эпитаксиальной кристаллизации градиентных слоев твердых растворов А В (/пАзБЬР) в области температур пластичности подложки из соединения А В (¡пАя), сопровождается введением в неё дислокаций преимущественно одного знака вследствие её повышенной пластичности по сравнению с твердым раствором А3В5. В процессе роста двойных гетероструктур 1пА&,БЬР/1пСаА.ч5Ь/1пА.ч5ЬР релаксация упругих напряжений происходит при преимущественном образовании сеток дислокаций несоответствия на границе с подложкой.

Положение 2. В градиентных структурах 1пА$ЗЬР/1пАз, 1пСаАвЗЬ/1пАв, полученных эпитаксиальной кристаллизацией в области температур пластичности 1пАя (680-720°С), слой твердого раствора деформирован в основном, упруго, а подложка - пластически. При этом градиентный эпитаксиальный слой без подложки сферически искривлен с радиусом кривизны Яо=а гас1 а , где а — период решетки твердого раствора.

Положение 3. Излучение, сформированное в гетероэпитаксиальной структуре с неоднородной толщиной подложки, линейно поляризовано, что связано с перераспределением остаточных упругих деформаций при профилировании подложки. Величина и спектральная зависимость степени линейной поляризации зависят от величины остаточных напряжений и характера профиля толщины подложки. Положение 4. Вероятность поглощения и излучательной рекомбинации в слое ТпАя или твердого раствора на его основе, интегрированных внутри резонатора Фабри-Перо, в длинноволновой части спектра имеют резонансные максимумы и минимумы, соответствующие указанному резонатору.

Положение 5. Эффективность источника отрицательной люминесценции на основе узкозонных твердых растворов ЬгАзБЬ увеличивается с ростом обратного тока вследствие уменьшения или полного подавления процессов безызлучателыюй Оже-рекомбинации при экстракции носителей заряда из областей, примыкающих к р-п переходу. При этом эффект подавления Оже-рекомбинации усиливается с повышением температуры, и при превышении пороговой температуры мощность отрицательной люминесценции превышает мощность «положительной» люминесценции.

Положение 6. В лазерах на основе двойных гетероструктур ЫАзБЪР/Ьх СаЛхБЬ длина волны излучения уменьшается при увеличении тока сверх порогового значения вследствие возрастания концентрации инжектированных носителей заряда, при этом скорость токовой перестройки длины волны увеличивается с уменьшением длины резонатора.

Положение 7. Предложены и реализованы новые типы высокоэффективных флип-чип оптоэлектронных приборов для средней ИК-области спектра на основе гетероструктур 1пАз/1пАз8ЬР, ЫСаАзБЬДпАзБЬР. ЬгАяБЬ/ЫАяБЬР с внутренними концентраторами, отражающими контактами и «антиоражающей» световыводящей-поверхностью, совмещающие в себе функциональные возможности свето- и фотодиодов, а также приборов отрицательной люминесценции. Указанные приборы перспективны для г практического применения в абсорбционных анализаторах, оптико-акустических сенсорах газов и миниатюрных спектрометрах.

Заключение

Итоги работы состоят в том, что :

1. Развиты новые представления о дефектообразовании в полупроводниковых структурах А3В5, содержащих четверные твердые растворы. Релаксация упругих напряжений, вызванных градиентом периода решетки (^аё(а)), в процессе роста четверного твердого раствора в условиях пластичности подложки сопровождается изгибом структуры, при этом знак изгиба соответствует знаку ¿гас!(а), а плотность дислокаций в слое уменьшается, а в подложке - увеличивается, с уменьшением ее исходной толщины. При этом градиентный эпитаксиальный слой без подложки сферически искривлен с радиусом кривизны Ко=а /§гаё а , где а — период решетки твердого раствора. Предложена модель, качественно описывающая совокупность полученных данных, представляющая плотность краевых дислокации в градиентном кристалле как: дг = 1 1), где К- радиус изгиба кристалла. Показано увеличение а а Я остаточных деформаций в эпитаксиальном слое £т до 0.002, т.е. упрочнение материала, при «изовалентном легировании» твердых растворов - переходе от тройного ¡пАзБЬ к четверному твердому раствору ЬгСаАяБЬ, подтвержденное прямыми измерениями микротвердости.

Таким образом, проведенные исследования позволили сформулировать условия и методы получения градиентных структур с низкой плотностью дислокаций (Ж 5ЕЗ см" ), в частности, структур на основе 1пАз8Ъх в области «несмешиваемости» (х~0.54) с резким краем оптического поглощения (е~7 мэВ, а0=644 см"1 при Ьу=Еётш), позволяющим рассматривать полученные слои, как монокристаллы, а также двойных гетероструктур (ДГС) без сеток ДН в активном слое. В последнем случае в процессе роста третьего от подложки слоя, могущим иметь даже значительное несоответствие периода решетки с подложкой ((Дй?/й?)х =4-10~3), напряжения сжатия релаксируют с образованием дополнительной сетки ДН на ГР с 1пА$ при одновременном «расширении» всех трех слоев в направлении, параллельном ГР. Это позволяет локализовать дефекты структуры вне рабочей области, т.е. вне второго от подложки слоя ДГС ХпОаАзЗЬЛпАзБЬР.

2. Разработан метод определения величины и знака остаточных упругих деформаций в полупроводниковых гетероструктурах, основанный на измерении спектральной зависимости степени линейно поляризации излучения (СЗСЛПИ), выходящего с поверхности структур с профилированной подложкой, например, типа «швеллер».

3. Установлено, что легирование раствора-расплава гадолинием до концентраций ^Gd = 0.004 0.005 ат% приводит к снижению концентрации электронов^ в эпитаксиальных слоях InGaAsSb, полученных методом ЖФЭ на подложке InAs, до /277 ~ 1016 см"3 и увеличению их подвижности до U ~ 6 ■ 104 см2/В-с. При этом снижение концентрации остаточных примесей происходит за счет уменьшения концентрации как доноров, так и акцепторов. С увеличением содержания Gd в жидкой фазе от 0.005 до 0.010 je т ат% происходит дальнейшее снижение концентрации электронов до //77 = (7 -ь 8) • 10 см за счет возрастания концен грации акцепторов и перекомпенсации примесей, при этом подвижность носителей уменьшается до U = (3 + 4) • 104 см2/(В • с). При легировании Gd в интервале концентраций J^ca = 0.004-Ю.005 ат.% наблюдается увеличение интенсивности фотолюминесценции в (4 Ю) раз и уменьшение полуширины спектров ФЛ в (1.3-И.8) раз по сравнению с нелегированными образцами. Легирование Gd было успешно применено для снижения пороговых токов в инжекционных лазерах и обратных токов в фотодиодах на основе InGaAsSb и InAs.

4. Получены обогащенные InAs узкозонные слои nb-InGaAsSb(Sn) с концентрацией до 4-Ю18 см"3 и подвижностью электронов 2 103 см2В "'с"1, прозрачные для излучения в диапазоне 3-3.3 мкм за счет вырождения электронов в зоне проводимости (эффект Мосса-Бурштейна). Указанные слои использованы в качестве буферных слоев n+-InGaAsSb(Sn), пропускающих рабочее излучение во флип-чип СД.

5. Фотометрическими и опто-акустическими методами экспериментально подтвержден принцип выведения фотонной системы излучателя из состояния равновесия с окружающей средой с уменьшением излучательной способности за счет изменения концентрации излучающих осцилляторов в диодах на основе арсенида индия и близких к нему твердых растворов.

6. Сформулировано положение о предельно возможном коэффициенте преобразования для спонтанных источников, определяемом как отношение мощности излучения отрицательной люминесценции к темновому току диода (NLP/ISat), адекватно описывающем экспериментальные данные, например, температурные вариации мощности излучения светодиода.

7. Разработаны методы получения отражательных контактов к узкозонным полупроводникам на основе InAs. Обнаружена модуляция теплового излучения полупроводника в присутствии резонатора Фабри-Перо, сформированным отражательным анодом и границей раздела полупрово дни к/воз дух, на примере отрицательной / 231 люминесценции в диодных структурах, для которой пики в спектральном распределении отстоят на расстоянии А^=Я,2/2пЬ (п=3.52), где Ь — расстояние между анодом и световыводящей поверхностью.

8. Получено «вертикальное», перпендикулярное р-п переходу, когерентное излучение (1=3 мкм) и получено увеличение эффективности в спонтанном режиме за счет взаимодействия фотонов со строенным резонатором, сформированным отражательным анодом и границей раздела полупроводник/воздух, в диодах на основе 1пАв- при электрической инжекции неравновесных носителей.

9. Экспериментально продемонстрировано влияние безызлучательных процессов (Оже-рекомбинации), на эффективность преобразования в узкозонных диодах на основе 1пАз в широком диапазоне температур, включая повышенные (до 180°С). Показано, что при повышенных температурах и обратном смещении имеет место эффективная экстракция носителей, при которой происходит заметное подавление Оже-рекомбинации. В результате при достижении «критической» температуры эффективность преобразования для обратного смещенного диода (режим ОЛ) превосходит коэффициент преобразования для диода, смещенного в прямом направлении (режим электролюминесценции). Экспериментально установлены значения-«критических» температур, составившие 80, 110 и 140°С для диодов с шириной запрещенной зоны в активной области 234, 317 и 344 мэВ-(ЗООК) соответственно. Максимальный достигнутый фактор превосходства коэффициента преобразования ОЛ над ЭЛ составил-2.6 для диодов из ЬгОаАвЗЬ (Её ~317 мэВ).

10. Разработаны и созданы, диоды на основе ЬоАзБЬ, в которых получена отрицательная люминесценция с эффективностью до 90% и эффективное понижение радиационной температуры 8-10 К (для диапазона длин волн 3-5 мкм).

11. Разработаны конструкции светодиодов и приборов отрицательной люминесценции, обеспечивающие увеличение эффективности за счет организации отражения излучения от наклонных стенок мезы и анода, а также за счет микротекстурирования световыводящей поверхности и приближении к условиям увеличенного эффективного угла полного внутреннего отражения и Я± =0. Получена максимальная яркость излучения спонтанного диодного источника в диапазоне 3-5 мкм, соответствующая эффективной температуре 1250К.

12. Созданы лазеры среднего ИК диапазона на основе ДГС п-ГпАз 1 х-у8ЬхРу/п-1п 1 уОауАв^Ь^Ос!) (0.01 < V < 0.07, 0.065 < ъ < 0.07)/р-(2п)-1пА5Кх.у8ЪхРу (0.05 < х < 0.09, 0.09 < у < 0.18) с рекордно низкими пороговыми токами (40 А/см2), показано, что уменьшение длины резонатора приводит к возрастанию пороговой концентрации неосновных носителей и соответственно росту внутризонного поглощения, получено увеличение скорости* токовой; перестройки* в «коротких» лазерах, (Ьг701 мкм, с1у/сИ=2\0 см"7А). Получены рекордные: значения мощности лазеров» (6Вт) (ширина полоска \У=200 мкм, Ь=600 мкм) в области 3 мкм и; продемонстрирована спектроскопия .высокого разрешения газа метана при; токовой;, перестройке длины волны в одном одовых лазерах с шириной* полоска 20. мкм. ,ч • . '

13. Созданы) эффективные линейки и «иммерсионные» фото- и светодиоды, создающие положительный и отрицательный контраст в спектральном диапазоне 3-5 мкм; С использованием разработанных флип-чип диодов продемонстрированы отрицательный оптико-акустический эффект и детектирование ряда газов в малогабаритных кюветах (длина оптического пути менее 5 см) с пределом обнаружения на уровне нескольких частей на миллион.

Практическая; ценность работы заключается в фундаментальном характере исследованных явлений и установленных закономерностей. Научные выводы носят общий характер и не ограничиваются объектами, непосредственно исследованными в, работе. Новые методы количественного определения,величины остаточной упругой деформации в структурах с профилированной подложкой, коэффициента оптического отражения; основанного на анализе ИК изображений;, в сочетании с традиционными; методами изучения полупроводниковых слоев и гетероструктур являются основой для разработки: методов; диагностики сложных структур, изучение которых традиционными методами: затруднено. Установленные в результате проведенных исследований:; механизмы релаксации упругих напряжений могут быть использованы, также и в других, далеких от полупроводниковой электроники областях, например, в рентгеновской технике при создании фокусирующих кристалл-монохроматоров с высоким фактором заполнения и комбинированных устройств, работающих в оптическом и рентгеновском диапазонах спектра. Результаты, полученные в диссертации, существенно углубляют понимание взаимосвязи электрических и оптических свойств полупроводниковых слоев, гетероструктур и приборных структур,, что, с одной стороны, позволяет совмещать в одном устройстве функции нескольких приборов, например, таких как свето-, фотодиод и прибор отрицательной люминесценции, а с другой стороны, расширяет возможности диагностики, например, с использованием понятия предельно возможного коэффициента преобразования. (ЫРЫ 15а!) , где ЫЬР- мощность отрицательной люминесценции, а 1ии— значение тока насыщения. Продемонстрированное подавление Оже-рекомбинации в режиме ОЛ будет полезно для проведения оптических измерений в устройствах, работающих в условиях повышенных температур, когда обычные («положительные») фотонные источники неэффективны. Разработанные подходы создания источников излучения с «тонкой» структурой спектра (резонансы Фабри-Перо) будут востребованы для спектроскопии высокого разрешения. Ряд полученных результатов, например подавление потерь, вызванных полным внутренним отражением, с помощью техники иммерсии, был использован при создании эффективных свето- и фотодиодов, уже нашедших практическое применение, например, в устройствах для определения концентрации углеводородов на трассе и паров этанола в выдыхаемом воздухе.

Материалы диссертации представлялись для обсуждения Российскому и международному научным сообществам на конференциях по Физике и технологии GaAs и других полупроводников III-V (Conf. on Physics and Technology of GaAs and other III-V Semiconductors (1986, 2006 Томск), симпозиумах Materials Research Society (MRS, 1990 (v.216), Boston, USA, 2005 Boston, USA), 3-ей международной советской конференции по волоконной оптике (International Soviet Fiber Optics Conference(ISFOC-93)(1993 СПБ), конференциях общества оптических инженеров SPIE (1993 Boston, USA (v,2069), 1995 Munich, Germany (v.2506), 1996 Uzhgorod, Ukraine (v.3182), 2000 Kyiv, Ukraine (v.4355), 2001 San Jose, USA (v.4285, v.4278), 2002 San Jose, USA (v.4650), 2005 Warsaw, Poland (v.5957), 2007 Prague, Czech rep.(v.6585), 2009 San Jose, USA (v. 7223), 2010 San Francisco, USA (v. 7597, v.7609, v.7607)), European Conference on Optical Chemical Sensors and Biosensors (EUROPTRODE)(1994 Firenze, Italy, 2000 Lyon, France), International Symposium" on Monitoring of Gaseous Pollutants by Tunable Diode Lasers (1994, 1998 Freiburg, Germany), CLEO/Europe'96 (1996 Hamburg, Germany), International Conference on Mid-infrared Optoelectronics.Materials and Devices (MIOMD) (1996 Lancaster, UK, 1998 Prague , Czech Rep., 2002 Annapolis, USA, 2004 СПБ, 2005 Lancaster, UK, 2007 Bad Ischl, Austria., 2008 Freiburg, Germany), Optics Day'97 (1997, Tampere, Finland), 2nd International Conference on Tunable Diode Laser Spectroscopy (1998, Moscow, Russia), International conference on Ecology of cities (1998, Rhodes, Greece), International Conference "Physics at the turn of the 21st century" (1998, СПБ), Российской конференции по физике полупроводников (1999 Новосибирск, 2003 СПБ, 2007 Екатеринбург), Международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения (2002, 2004, 2008, 2010 Москва), Международной конференция Оптика, Оптоэлектроника и Технологии (2001, Ульяновск), 15-th UK National Quantum Electronics and Photonics Conference (QEP-15, Mid-Infrared Workshop) (2001 Glasgow, Великобритания), Всероссийской научной конференции «Физика полупроводников и полуметаллов (2002 СПБ), Nothern Optics (2003 Espoo, Finland), 11th international Conference on Narrow Band Semiconductors (2003 Buffalo, USA), Международном семинаре по оптоэлектронике (2003, 2008 СПБ), конференции «Лазеры для медицины, биологии и экологии», (2005 СПБ), Wave Electronics and Its Applications in

Information, and Telecommunication Systems, (2005 СПБ), IEEE SENSORS-(2008, Italy) и Международном Форуме по нанотехнологням (2008, 2009 Москва), а также неоднократно докладывались на Большом Ученом Совете, Ученом Совете Центра Физики Наногетероструктур и семинарах Лаборатории инфракрасной оптоэлектроники ФТИ им.А.Ф;Иоффе РАН.

Публикация »основных результатов работы (всего - 84 публикации, включая два обзора и раздел в монографии) осуществлялась в журналах Физика и техника полупроводников, Физика твердого тела, Журнале Технической физики, Письмах в журнал Технической физики, Кристаллография, Журнале Прикладной спектроскопии, Известия АН СССР, серия Физическая, Неорганические материалы, Поверхность.Физика, химия, механика, phys.stat.sol., Solid State Phenomena, Semicond.Sci.Technol., Infrared Physics & Technology, Spectrochimica Acta, Sensors and Actuators B, IEE Proceedings ,Optoelectronics, SPIE Proceedings, MRS Proceedings, Applied Physics Letters, J.Mod.Optics, Оптоэлектроника и полупроводниковая техника, Physica Е: Low-dimensional Systems and Nanostructures, Материалы электронной техники, Прикладная Физика, Vibrational Spectroscopy, Sensors Journal, IEEE, Journal of Applied Physics и в монографии «Mid-infrared Semiconductor Optoelectronics, Springer Series in OPTICAL SCIENCE».

Отдельные этапы работы были отмечены премиями за лучшую работу ФТИ им.А.Ф.Иоффе РАН («Диодные пары источник-приемник отрицательного и положительного контраста для диапазона 3-6 мкм» (2001), «Высокоэффективные свето- и фотодиоды (3-5 мкм) для ИК газоанализаторов» (2009)), именной премией Я.И.Френкеля (ФТИ) («Обнаружение и исследование явления отрицательной люминесценции в полупроводниках, и создание приборов» (2007)), премией отделения (ЦФНГС) («Свето- и фотодиоды на основе узкозонных гетероструктур А3В5 для волоконно-оптических датчиков среднего инфракрасного диапазона 3-8 мкм» и премией Совета молодых специалистов ФТИ («Фокусирующие приборы дифракционной оптики на основе эпитаксиальных гетероструктур» (1986)).

В заключение автор благодарит своих коллег Н.С.Аверкиева, М.Айдаралиева, С.Е.Александрова, Т.С.Аргунову, А.А.Бакуна, Г.А.Гаврилова, Ю.М. Задиранова.

A.Л.Закгейма, Н.В.Зотову, В.В.Евстропова, В.И.Иванова-Омского, Н.Д. Ильинскую, А.А. Капралова, С.А.Карандашева, Л.А.Кулакову, Б.Ш.Кушкимбаеву, Р.Н.Кютта, С.Г.Конникова, И.И.Маркова, В.К.Малютенко, Л.Д.Неуймину, В.И.Петрова, В.Г. Половинкина, Т.В.Попову, И.Н.Попова, М.А.Ременного, С.С.Рувимова, Г.Ю.Сотникову, Л.М.Сорокина, Н.М.Стуся, В.Б.Смирницкого, Н.Н.Смирнову, Н.Г.Тараканову,

B.В.Тетёркина, А.А.Усикову, Ю.А.Фадина, Е.И.Чайкину, М.А.Чернова, А.Е. Чернякова,

А.А.Шленского, В.В.Шустова, Т. Beyer, T.Kuusela, J.Malinen, J.Meyer за неоценимую помощь при проведении исследований и работе над статьями, моих научных консультантов М.П.Михайлову и Ю.П.Яковлева и всех сотрудников лаборатории инфракрасной оптоэлектроники ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН за поддержку и доброжелательное отношение ко мне.

Борис Матвеев СПБ, 2 июня 2010 года.

1.В., "Действие контактных детекторов влияние температуры на генерируюший контакт», Телеграфия и телефония без проводов, 18, 45-62 (1923).

2. Лосев О.В., «Спектральное распределение вентильного фотоэффекта в кристаллах карборунда», ДАН СССР, 29, вып.5-6, 363-364 (1940).

3. Alferov Zh.I., "Nobel Lecture: The double heterostructure concept and its applications in physics, electronics, and technology", Rev. Mod. Phys., 73, 767-782 (2001).

4. Abrahams M.S., Weisberg L.R., Buiocchi C.J., Blank J., "Dislocation Morphology in graded heterojunctions: GaAsj.xPx", J.Mater.Sci., 4, 223-235 (1969).

5. М.Айдаралиев, Н.В.Зотова, С.А.Карандашев, Б.А.Матвеев, М.А.Ременный, Н.М.Стусь, Г.Н.Талалакин, "« Иммерсионные» инфракрасные светодиоды с оптическим возбуждением на основе узкозонных полупроводников АШВУ ",ФТП, 2002, 36, 881-884 (2002)

6. Aidaraliev М„ Zotova N.V., Il'inskaya N.D., Karandashev S.A., Matveev B.A., Remennyi M.A., Stus' N.M. , Talalakin G.N., "InAs and InAsSb LEDs with built-in cavities", Semicond. Sci. Technol., 18, 269-272 (2003).

7. Aidaraliev M„ Zotova N.V., Karandashov S.A., Matveev B.A., Stus' N.M., Talalakin G.N., «Spontaneons and stimulated Emission from InAsSbP/InAs Heterostuctures».-phys. stat.sol. (a), U5, K117-K120 (1989).

8. Aidaraliev M„ Zotova N.V., Karandashov S.A., Matveev B.A., Stus' N.M., Talalakin G.N., "Low-threshold long-wave lasers (X,=3.0-3.6 цт) based on III-V alloys" Semicond.Sci.Technol., 8, 1575-1580 (1993).

9. Aidaraliev M„ Zotova N.V., Karandashov S.A., Matveev B.A., Stus' N.M. , Talalakin G.N., "Midwave (3-4 цт) InAsSbP/InGaAsSb infrared diode lasers as a source for gas sensors ", Infrared Physics & Technology, 37, 83-86(1996).

10. B. Andrews. Abstracts of international conference on Mid-infrared Optoelectronics: Materials and Devices 27 June -2 July 2004, St Petersburg, Russia (MIOMD-VI), 90 (http://www.ioffe.rssi.ru/MIOMD-VI/miomd-abs.html)

11. Argunova T.S., Kyutt R.N., Matveev B.A., Ruvimov S.S., Stus' N.M. , Talalakin G.N., "Distribution of defects in InAsi.x.ySbxPy- InAs DHs", Solid State Phenomena, 19*20, 581-586 (1991).

12. T. Ashley, J. G. Crowder, V. P. Mannheim, S. D. Smith, "Infrared Light Emitting Diodes" PCT Patent Application WO 00/02263 (January 13, 2000).

13. T.Ashley, D.T. Dutton, С. T. Elliott, N. T. Gordon, T. J. Phillips, "Optical Concentrators for Light Emitting Diodes", Proc. SPIE, 3289, 43 -50 (1998).

14. T.Ashley, C.T.Eliott, N.T.Gordon, R.S.Hall, A.D.Johnson, G.J.Pryce, "Uncooled InSb/Ini.xAlxAs mid-infrared emitter", Appl.Phys.Lett., 64 2433-2435 (1994).

15. T.Ashley, C.T.Eliott, N.T.Gordon, R.S.Hall, A.DJohnson, G.J.Pryce "Negative luminescencc from Ini„xAlxSb and CdxHgi.xTe diodes", Infrared Physics

16. Technology, 36, 1037-1044 (1995).

17. T.Ashley, J.A. Beswick, J.G. Crowder, D.T. Dutton, C. T. Elliott, N. T. Gordon, A. D. Johnson, C.D. Maxey, G.J. Pryce, C. H. Wang, "4- to 10-pm positive and negative luminescent diodes" Proc. SPIE 3279, 104-112 (1998).

18. D.A.Baglee, D.K.Ferry, C.W.Wilmsen, H.H.Wieder, "Inversion layer transport and properties of oxides on InAs", J. Vac. Sci. Technol., 17, 1032-1036 (1980).

19. Ball C.A.B., Laird C. "A calculation of the energy of misfit dislocations and critical thickness in graded epitaxial layers", Thin Solid Films, 41, 307-314 (1977).

20. A.N.Baranov, A.N.Imenkov, V.V.Sherstnev, Yu.P.Yakovlev, "2.7-3.9 pm InAsSb(P)/InAsSbP low threshold diode lasers," Appl.Phys. Lett., 64, 2480-2482 (1994).

21. M.Beck, D.Hofsteller, T.Aellen et al "Continuous -wave operation of a mid-infrared semiconductor laser at room temperature", Science , 295, 301-305 (2002).

22. H. Benisty, H. De Neve, C. Weisbuch, "Impact of planar microcavity effects on light extraction—Part I: Basic concepts and analytical trends," IEEE J. Quantum Electron. 34, 1612-1631 (199.8).

23. Bewley, W. W. Vurgaftman, I. Felix, C. L. Meyer, J. R. Lin, C.-H. Zhang, D. Murry, S. J. Pei, S. S. Ram-Mohan, L. R., "Role of internal loss in limiting type-II mid-IR laser performance", J. Appl. Phys., 83, 2384 2391 (1998)

24. S. Blaser, D. A. Yarekha, L. Hvozdara, Y. Bonetti, A. Muller, M. Giovannini, and J. Faist, "Room temperature Continuous -wave single mode quantum cascadc lasers at X-5.4 pm", Appl. Phys. Lett. 86, 0411109-041111 (2005)

25. S.S. Bolgov, V.K. Malyutenko, V.I. Pipa, "Negative luminescence in semiconductors", Tech. Phys. Lett., 5, 23 (1979).

26. L.G. Bubulak, A.M. Andrews, E.R. Gertner and D.T. Longo, "Backside-illuminated InAsSb/GaSb broadband detectors", Appl.Phys.Lett., 36, 734-736 (1980).

27. W. H. Burkett, B. Lu, and M. Xiao, "Influence of injection-current noise on the spectral characteristics of semiconductor lasers", IEEE J. Quantum Electron, 33, 2111-2118(1997)

28. M Carras, C Renard, X Marcadet, J L Reverchon, B Vinter and V Berger , «Generation-recombination reduction in InAsSb photodiodes", Semicond. Sci. Technol., 21, 1720-1723, doi: 10.1088/0268-1242/21/12/037 (2006.)

29. D.T. Cheung, A.M. Andrews, E.R. Gertner, G.M.Williams, J.E.Clarke, J.G.Pasko,, J.T.Longo, "Backside-illuminated InAsi.xSbx -InAs narrow-band photodetectors",35