Исследование электролюминесценции гетеропереходов InGaAsSb/AlGaAsSb тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ОРДЕН1 ЛЕНИНА ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им.А.Ф.ИОФФЕ

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ ГЕТЕРОПЕРЕХОДОВ 1п6аАзЗЬ /АЮаАэЗЬ

(01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

На правах рукописи

АНДАСЛАЕВА Айкуль Абкапаровна

УДК 621.3113.592

Санкт-Петербург 1991

Работа выполнена в Ордена Ленина физико-техническом институте мм.А.Ф.Иоффе АН СССР.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

А.Н.ШЕШШВ.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

профессор В.Ф.МАСТЕРОВ, кандидат физико-математических наук И.С.ТАРАСОВ.

Ведущая организация - ЛЭТИ, кафедра диэлектриков и полупроводников.

Зенита ооотоится " /С " ¿ре^ртфи*} 1992 г. в; /С

чаоов

на заседании специализированного совета К.003.23.01. Физико-технического инотитута ям.А.Ф.Иоффе АН СССР, 194021 Санкт-Петербург, К-21, ул.Полвтишическая, 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Отзывы об автореферате в двух экземплярах, заверенные печатью, просим выслать по указанному адресу ученому секретарю специализированного совета.

Ученый секретарь специализированного совета, канд.физ.-мат.наук

Г.С.Куликов

-3-

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность томи. Б последние годы большой интерес исследователей привлекают многокомпонентные твердые раствори АаВ^ в системе СаЗЪ - inAs • В этой системе с изменением состава твердых растворов изменяется ширина запрещенное зоны так, что перекрывается диапазон длин волн 1,8+5 мкм.Интерес к этому диапазону связан,во-первых, о перспективой разработки волоконно-оптических линий связи на основе (олюоридных стекол в среднем ИК-диапазоне, в котором ожидаются на порядок более низкие потери (0,025 дБ/км), чем в существующих кварцевых волоконных световодах на длинах волн 1,3-1,55 мкм [I] . Во-вторых,спектральный диапазон 1,8-2,5 мкм интересен также и для задач экологии и охраны окружающей среды,поскольку в этом диапазоне лежат полосы поглощения воды и многих вредных промышленных газов (СО, COg, Hjj, sO^, СН^ и др.). В-третьих, элементная база (светодиоды, лазеры, йотоприемники) для спектрального диапазона 1,8+2,5 мкм находит практическое применение во влагометрии, в датчиках температуры, в системах тепловидения, контроля технологических параметров промышленной и сельскохозяйственной продукции, в медицине [2] .

Исследование многокомпонентных твердых растворов А^В^ в системе GuSb - ioAo и гетерострукгур на их основе ва.ъно и с научной стороны, так как они позволяют комбинировать гетеропереходы I, 11, Ш типов для получения высокоэффективной элоктро-дтаинесценции.

Меэду том, исследованию электролюминесценции гетеропереходов InGaAoSb /AliiaAcSb посвящено до настоящего времени мало работ. Не исследованы механизмы излучателыюй и безызлучатоль-ной рекомбинации в спонтанном режиме и рекомбинационные процессы, определяющие пороговые характеристики лазеров.

Твердые растворы, излучающие п диапазоне длин волн 1,8+ +2,5 мкм, являются болео узкоэоншади по сравнению с , основным материалом полупроводниковой оптоэлектроники. В твердом растворе 1т5пА:-.сь величина спин-орбитального отщепления

д , как прапило, очазываотся сравнимой о шириной запрещенной зоны Ев . Поэтому этот материал не обладает близким к ЮС;':' внутренним квантопш пиходом лиишесценции, как это имеет нес-

-4- '

то в СаАз . Это связано о фундаментальным безызлучательным процессом - межзонной оже-рекомбинацией, скорость которой быстро возрастает при уменьшении ширины запрещенной?" зоны.

Отличия твердого раствора 1пваАсЗЬ приводят к целому ряду особенностей различных процессов излучателъной и безызлучатель-ной рекомбинации: Межзонного, комбинированного, примесного, в самосогласованных квантовых ямах, которые необходимо исследовать и учитывать при разработке новых оптоэлектронных приборов.

Цели и задачи работы. Целью данной работы является исследование спонтанной и когерентной электролюминесценции гетеро-структур на основе многокомпонентных твердых растворов 1пазАзЗЪ» изопериодных с йаБЪ и А1йаАзЗЪ , и разработка светсГ-.юдов для области спектра 1,8+2,5 мкм на базе этих структур.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные зада ад:

-.изучение спонтанной электролюминесценции гетероструктур с комбинированными гетеропереходами I и II типа п- оаЗЪ п- 1пОаАеБЬ -р- АЮаАзЗЪ ;

- изучение когерентной электролюминесценции гетероструктур при различной конструкции лазеров;

- изучение механизмов излучателъной и безызлучательной рекомбинации в различных участках структуры: в узкозонном слое, на гетерограницах и вблизи от них;

- изучение влияния различных факторов, таких, как величина потенциального скачка на гетерограницах, концентрация свободных носителей зарядов в слоях, толщина активного слоя, на указанные выше механизмы рекомбинации;

- создание высокоэффективных быстродействующих светодиодов на основе гетероструктур -п- еаБЪ -п-1пОаАзЗЬ -р-А1&яАвЗЪ

для спектрального диапазона 1,8+2,5 мкм.

Научная новизна

- Впервые получена более эффективная, чем в-р- 1поаАзЗЪ »излу-чательная рекомбинация на -п-п-гетерограьице п- саБЪ -

-П- 1г.ЗаАг,ЗЪ ■ .

- Обнаружена безызлучательная рекомбинация в квантово-рьлмер-ных лотети'.алышх ямах и г-ыяапено! основные факторы, влияюше на нее.

■ - Впервые выявлены и сопоставлены о теорией механизмы рекомбинации, влияющие на пороговые характеристики лазеров на основе 1п(тяАзЗЬ .

Практическая значимость

- На основе выполненных исследований впервые созданы быстродействующие высокоэффективные оветодиоды с самосогласованными квантовыми ямами для спектрального диапазона 1,8+2,5 мкм.

- Разработанные оветодиоды использованы в макетах оптических влагометров [2] и метанометров.

- Обоснованы пороговые характеристики лазеров на длинах волн 1,9+2,5 мкм.

'Научные положения, представляемые к защите

Положение I. В светодиодных гетероструктурах на длинах волн 2,0+2,4 мкм с активной областью из п-1пазАзЗЬ достигйется более высокий квантовый выход излучения ( 2-6$) и большее быстродействие (^=7-12 но) при величине разрыва зоны проводимости Д'Е0 = (0,15-0,3) эВ на п-п-гатерогранице п-саэь _п-1пааАвЗЪ , чем в гетероструктурах с активной, областью из р- 1г.ЗаАа5Ъ ( = = 1,5%; т = 100 но). Большая ширина спектра излучения (л'М = = 50-80 мэВ), малое время жизни неравновеоных носителей'заряда ( т => 7-12 но), более высокая концентрация носителей заряда в области рекомбинации (> 2 10^ см-3), чем в толще "п-1пеаА53ь ( < Ю1 см-3), наличие падения напряжения на п-п-переходе п_ йаЭЬ _п„ ГпОаАзБЪ свидетельствуют о появлении нового участка-рекомбинации, включающего в себя слой электронов в самосогласованной квантово-размерной потенциальной яме п-п-перехода и слой притягивающихся к нему неосновных дырок в п- 1п0аАзЗЪ .

Большой внешний квантовый выход излучения ( = 2-6$) свидетельствует о высокой эффективности излучательной рекомбинации на этом участке вблизи п-п-перехода.

Положение 2. Доля интерфейсной рекомбинации вблизи л-п-гра-ницн по отноиешш к доле объемной рекомбинации тем больше, чем больше величина электронного заряда и меньше толщина ^'озонного слоя п- ^иС^еЭЪ > так кпк время жизни неосновных дырок уменьшается с увеличением л Е ■ уменьшением толщины узкозонног-го слоя. Однако, с увеличением д Е„ уменьшается лзлуттельпая

зу^ективность интерфейсной рекомбинации за очет более быстрого ускорения безызлучательного оке-процесса, чем излучательного. Интерфейсное излучательное время яизни дырок увеличивается с ростом температуры, а безызлучательное уменьшается. Поэтому квантовый вчход излучения уменьшается с ростом температуры.

Положение 3. Интерфейсная рекомбинация преобладает в гете-роструктурах о ДЕ0 ? 0,2 эВ при плотностях токов I < Ю3 А/см2, о в гетероструктурах с дЕс = (0,1+0,2) эВ - на порядок меньших токах и дополняется излучением'двухзарядного акцептора в п- 1п^АсЗЬ .При более высоких плотностях тока уменьшается интерфейсный заряд из-за падения напряжения на п-п-переходо и преобладает мс,"зонная рекомбинация в п-1пааАзЗЪ независимо от величины л Е„. Пси плотностях тока I > 10^ А/см2 появаяется полоса,

О ""

обусловленная диагональным туннелированием, так как напряжение на п-п-переходе становится настолько велико, что дырки локализуются в потенциальной яме широкозонного материала, образуя спектральную полосу с энергией максимума, приближающейся с увеличением тока к ширине запрещенной зоны этого материала.

Положение 4. В ДГС лазерных структурах с толстой активной областью ( 11 = 2 мкм) температурная зависимость порогового тока определяется мекзонной излучательной рекомбинацией и безызлуча-тельными о:;се-процессами СН№> и СНСС. В интервале температур (77+200Ж преобладает излучательная рекомбинация, и поэтому ' •тс:1с"°Т3//2. При температурах (200+300Ж преобладает СННЗ -процесс, из-за которого крутизна зависимости .т.ь11 от Т дополнительно увеличивается. При температурах вблизи комнатной Т . на:: долгно быть при преобладании СИНЬ -процесса. Дальнейшее поручение температуры приводит к повышению крутизны из-за СНСС-процосс а.

Ъ ДГС структурах с. тонкой активной областью ( ¿<1 мкм) пороговая плотность тока в интервале темпефатур (20О+ЗЮЖ больше теоретик-покой для объемной межзонной рекомбинации из-за вклада бсзкзлуччтелыю.Ч охе-реномбпгаци:: вблизи гетероперехода, в том, что один электрон, находящийся в продолах ,-;•;-:•<••-чегой длины от гетероперехода, переходит без измононк,. ш-г.улюз з валентную ьону и отдает свою энергию посредство:.! куло-новского взаимодействия зтогему олоктрсну, туннелпруьгему в пи-

рокозонный материал с повышением энергии и приобретением импульса в процессе.гуннелирования.

Приоритет результатов. Представляемые к защите результаты, по которым сформулированы научные положения, получены впервые.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались, на I Всесоюзной конференции по физическим основам твердотельной электроники (Ленинград, 1989 г.), на У Всесоюзной конференции по физическим процессам в полупроводниковых гетероструктурах (Калуга, 1990 г.), на Международной конференции по длинноволновым'полупроводниковым приборам и процессам в них (США, Бостон, 1990 г.), на I Республиканской межвузовской конференции, .оекции"Физика"(Алма-Ата, 1991 г.).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 9 работ, список.которых приведен в конце автореферата.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения,четырех глав и заключения. Она содержит 120 стр. текста, 52 рисунка, 7 таблиц и список литературы из 136 работ.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследования электролюминесценции гетеропереходов GaSb -InGaAsSb ulnGnAsSb-AlGaAcSb, изложены основные результаты работы и представляемые к защите научные положения.

Первая главд посвящена обзору литературных данных по чотц-о'исдгнш твердым растворам InGaAsSb t AlGaAcSb и свойствам бинарных соединений, образующих эти твердые растворы, а также лазерам и оветодиодам на их основе.

В первом параграфе проанализированы электрические и оптические свойства твердых растворов InGaAsSb и AlGaAsSb . Сделан вывод о целесообразность использования слоев этих твердых растворов в светодиодных и лазерных структурах на длинах волн 1,8+2,5 мкм.

Во втором параграфе анализируются литературные данные по описанию зависимости ширины запрещенной зоны Eg твердого рас-TBopalr^Ga^^SySb-^y от X. Установлена применимость вычисления Eg по величине X, основанная на термодинамической решеточной модели твердого раствора изопалентного замещения [з] .

В третьем параграфе дои обзор литературных данных по оо;да-

¡шю и исследованию светодиодов и лазеров на основе 1п0аАзЗЪ Сделан вывод о тактическом отсутствии данных по созданию светодиодов для длин волн Л > 2,14 мкм и исследованию светодиодов в диапазоне 1,8+2,5 мкм, а также по исследованию механизмов реком-бшищии в лазерах и светодиодах на указанные длины волн.

Четвертый параграф посвящен обзору литературы по гетеропереходам I и II типа на основа соединений Представленные результаты в этом параграфе ясно показывают на образование потен-, цкалышх ям на гетерогранице ХпОаАзБЬ / ОаБЪ в структурах, изготовленных методом ЖФЭ.

Пятый и шестой параграфы поовящены обзору литературных данных по исследованию мекзоиной излучательной и безызлучатель-ной рекомбинации в полупроводниках А

Отмечается, что излучательное время яизни с ростом температуры должно увеличиваться, а безызлучательное - уменьшаться, но безызлучательное время в различных теориях по-разному, и это можно использовать для определения механизма рекомбинации.

Вторая глава является методической и содержит описание исследовавшихся структур, технологии их изготовления и описание экспериментальных установок для исследования инфракрасной электролюминесценции.

Первый параграф посвящен технологии создания многослойных структур на основе твердого раствора 1пааАзБЪ , изопериодного с подложкой методике фотолитографического процесса из-

готовления светоизлучающих приборов.

Бо втором параграфе дано краткое описание экспериментальной установки для наблюдения электролюминесценции (от 77 К до 320 К) лазеров и светодиодов, включая схему термостатирования и импульсного питания исследуемых приборов.

Б третьем параграфе приводится описание электрической охе-мг: прибора для измерения внешнего квантового выхода излучения длинноволновых светодиодов ( Л = 1,5+3,5 мкм)-, в которой сиг-кал с готосолротизяения, облучаемого светодиодом, делится на сигнал, пропорциональный току через светодиод.

I! четзагтом параграфе приводится описание установки для измерения бь'СФрод-зйствия светодис^в (от 77 до 320 К). Быстро--.зейс^вие установки (не ху.г.е I не) обеспечивается фотодиодом из

inGaAsSt и усилителем с малым входным сопротивлением.

В пятом параграфе дано описание импульсного характериогра-фа для инфракрасных полупроводниковых лазеров и свэтодиодов. Данный характериограф позволяет записывать на двухкоординатном самописце вольт-амперные и люко-амперные характеристики светодио-дов и лазеров, излучающих на длинах волн 1,5-5-3,5 мкм, при токах до 2,5 Айв интервале температур 77+300 К. Б качестве фотопри-емнкка используется фотодиод из 1пАз находящийся при такой же температуре, как и излучающий диод. Какдый из них размещен в одном из фокусов оптического эллипсоида.

В шестом параграфе кратно описана установка для измерения диаграммы направленности светодиодов и лазеров в двух плоскостях.

Третья глава посвящена исследованию спонтанной электролюминесценции структур на основе твердых растворов InGaAsSb для спектрального диапазона 1,8+2,5 мкм.

В главе представлены результаты оригинальных экспериментальных исследований электролюминесцешгных свойств гзтерострук-тур GsSb - InGaAsSb _ AiGaAsSb t направленные на выявление и исследование различных механизмов излучательной и безызлучатель-ной рекомбинации: межзонного; в самосогласованных квантовых ямах; примесного.

Объекты исследования. Светодиодные структуры состояли из подложки п-GaSb и выращенных на ней ШЭ узкозонного (n-inGaAsSb) и широкозонного р-AiGaAsSb слоев, изопериодных с подложкой. В узкозонном активном слое варьировалис ширина запрещенной зоны от 0,51 до 0,68 эВ, концентрация электронов от 10 до и

его толщина от 0,4 до 8 мкм. В широкозонном слое ширина запрошенной зоны составляла. 1,27 аВ, концентрация дырок 5-1018см~3 и его толщина 2 мкм. Подлохжа в структурах на длины волн 1,8 + + 2,3 мкм ориентирована по плоскости [ICO] , а на длины волн

2,4+2,5 мкм [ill]В. Концентрация электронов в подложо составля-Т7 —Я

ла I+2'IO см Из таких структур были изготовлены метасветоди-оды диаметром 300 мкм оо сплошным напиленным омическим контянтом к п- Ga3b Ци + Ъ% Те) и точечных' (диаметром 50 мки) наиылшшш омическим контактом Ци + 5,. Go ) к р- uGoAaSfc •

Первый параграф посвящен исследованию высокоэффективных

светодиодоь с с амос огла с о ванными квантовыми ямами на основе 1пАаАзЗЪ ( Д ^2,2 МКМ, »} = Т = 300 К).

В характеристиках ток-напряжение выявлено кроме падения напряжения на р-п-переходе и на последовательном сопротивлении структуры,еще и падение напряжения на п-п-переходе.

В светодиодных гегероструктурах на длине волны 2,2 мкм с активной областью из п- 1пйаАаЗЬ достигается более высокий квантовый выход излучения /7 = 4$ и большее быстродействие (т<^10 не), чем- в структурах с активной областью из р- ХгЛаАзЗЬ (= = 1,5$, Т = 100 не).

Большая полуширина спектра излучения дМ сх 70 мэВ, малое время жизни неравновесных носителей заряда т = 10 не, более

наличие падения напряжения на п-п-переходе ваБЪ - 1пйаАвЗЪ указывают на наличие нового участка рекомбинации, а именно слоя электронов в самосогласованной квангово-размерной яме п-п-перехо-да, притягивающего неравновесные дырки (рио.1.)

Большой внешний квантовый выход излучения ( 4 %) свидетельствует о высокой эффективности излучательной рекомбинации вблизи п-п-перехода. В зависимости от толщины узкозонного слоя эта интерфейсная рекомбинация играет большую или меньшую роль по сравнению с объемной.

Во втошм параграфе изучается влияние ширины запрещенной зоны активного слоя п- 1п2аАзЗЪ на электролюминесцентные свойства слетодиодных структур,на длинах волн мкн при комнат-нон температуре. Для перекрытия этого диапазона ширина запрещен- • но?! зоны II- 1п0аАсзъ варьировалась в различных структурах от 0,0-9 до 0,52 эВ. При этом изменялась величина разрыва зоны .ро-'.одимозти на п-п-гетэрогранкпе от 0,08 до 0,45 эВ, т.к.^Е0 =

I

Рис.1. Схема излучательной (волнистая кривая) и безыз-лучательной (штрихи) рекомбинации вблизи п-п-гетеропе-рехода.

Экспериментальные результаты сводятся к следующему. С увеличением д Е0 внешний квантовый выход излучения сначала увеличивается от >} ~ 1,5% при А Ес = 0,08 эВ до у = 4+6$ при Д Е0 = = 0,22 эВ, а затем уменьшается до у=*1,5% при ЛЕС = 0,45 эВ. Время жизни неравновесных дырок уменьшается о увеличением д Ес от 50 не при ДЕС = 0,08 эВ до 8 не при д Ес = 0,45 эВ, а полуширина спектра излучения практически не зависит от дЕл и составляет 50+80 мэВ.Увеличение ^ с ростом д Е0 < 0,2 эВ может быть объяснено увеличением доли интерфейсной рекомбинации при более высокой ее излучательной эффективности, чем объемной, а уменьшение ^ при дальнейшем росте Д Ес свидетельствует о падении излучательной эффективности интерфейсной рекомбинации из-за увеличения плотности основных носителей заряда в электронном слое п-п-перехода.

Третий параграф посвящен исследованию механизмов рекомбинации неравновесных носителей зарвда в гегеросветодиодах на основе 1п0аАззь для спектрального диапазона 1,8+2,4 мкм в интервале температур (77-300) К и в интервале токов (0,3-300) мА.

Но электролюминесцентным свойствам все диоды можно разбить на две группы: коротковолновые с длиной волны излучения Л< 2 мкм и длинноволновые с Л > 2 мкм.

В коротковолновых диодах при температурах, близких к 77 К, идентифицированы полосы излучения природного двухзарядного акцептора и межзонной рекомбинации. Последняя преобладает при Т > 200 К. Однако, в интервале температур (200+300) К время Ш1зни уменьшается с ростом температуры из-за безызлучательной СНСС ояе-рекомбинации и соответственно уменьшается квантовый выход излучения.

В длинноволновых диодах экспериментальное время жизни существенно меньше объемного времени жизни,что доказывает преобладание интерфейсной рекомбинации. Внешний квантовый выход излучения во леем интервале температур определяется конкуренцией излучательной и безызлучательной СНСС - оне-рекомбиязции на интерфейсных состояниях п-п-гетерограницы II типа п- саБЪ п— 1пОаАсЗЬ . щщ комнатной температуре преобладает безнзлуча-тельная ударная рекомбинация на п-п-границе. Соответствующее безызлучательное время хаз ни неравнозеснюс носителей заряда о1-

ратно пропорционально ввлич1ше разрыва зоны проводимости на п-п-границе а Ес,т.е. приблизительно обратно пропорционально квадрату поверхностной плотности интерфейсного заряда на п-п-границе. При 77 К преобладает излучательная рекомбинация. Излу-чательное время жизни неравновесных носителей заряда оказывается обратно пропорционально УдЕс, т.е. приблизительно обратно пропорционально поверхностной плотности интерфейсного заряда на п-п-границе.

Четвертый параграф посвящен исследованию природы спонтанной электролюминесценции гетеросветодиодов на длину волны ¡¿,5 мкм (Т = 300 К, АЕ0 = 0,46 эВ).

■ Исследовались диоды с одинаковым составом, в которых толщина активной области варьировалась в интервале (0,4+5) мкм.

В структурах с активной облястью ( г» 3 мкм) доминирует полоса, энергия максимума которой Мт больше ширины запрещенной зоны активной области Ег , определенной из экспериментального спектра 'фототока, на величину ~ кТ/2. Это доказывает межзонную природу излучения. С уменьшением толщины активной области в спектра излучения начиняет увеличиваться доля излучения на длинноволновом склоне спектра. При мкм преобладает интерфейсная рекомбинация. Поэтому Мт становится меньше Ее на 5-15 мэВ. Время жизни неосновных носителей заряда уменьшается почти на порядок от до ТО~^о, излучение становится слабо поляризованным (ТЕ поляризация, вектор 1Г электромагнитного поля излучения параллелен плоскости р-п-перехода) и внешний квантовый выход излучения увеличивается в пять раз.

Пятый параграф посвящен исследованию влияния глубины квантовых ям на п-п-гетерогранице на эффективность излучательной ре-комбиьации и повышению квантового выхода излучения длинноволновых гетеросветодиодов в интервале температур (77-300) К, а также исследованию люкс-амперных характеристик светодиодов при больших плотностях тока.

Исследовались три типа длинноволновых светодиодов на основе 11-ЯпхСа1_хАауЗЬ1_у(х1й'0,22+0,24).Первый тип (дЕо=0,46 эВ) состоит из узкозошюго слоя п-1п0аАс8Ь,расположенного мезду подложкой II- [100] И шнрокозонным эмиттером р-А1й."АсБЪ (Е = .

= 1,27 эВ). Второй и третий тип структуры отличался от первого т^'^^о^метр^п^ложкой ДаБЪ и узкозонным слоем п- 1п&аАяЗЪ , в котором*Х1п соста'влял<? X 'Лд (дЕ0 = 0,208 эВ) и 0,15 (ДЕ0 = 0,087 эВ) для второго и третьего типа, соответственно.

Сопоставление формы спектров излучения о теорией показывает, что интерфейсная рекомбинация преобладает в структурах первого типа при токах I < 100 мА, а в структурах второгои третьего типа она наблюдается при значительно меньших токах. При больших токах глубина потенциальной ямы уменьшается из-за падения напряжения на п-п-переходе и преобладает межзонная рекомбинация.

При больших плотноотях тока в интервале (77-300) К появляется полоса В, обусловленная диагональным тушелированпем в широкозонном материале на п-п-гетерогранице. Диагональному тун-нелированию с излучением фотона (полоса В) сопутствует значительный безызлучателышй процесс', уменьшающий суммарный квантовый выход излучения при токах 1> I А.

При токах от 10 мА до I А при комнатной температуре характер зависимости интенсивности излучения от тока соответствует конкуренции излучательной межзонной и ударной безызлучателъ-ной рекомбинации и интенсивность излучения й ^

Итогом этой главы явжось создание высокоэффективных светодиодов на длину волн 1,8+2,4 мкм, работающих в широком интервале температур - от температуры жвдкого гелия до + 40°С.

Промышленного производства инфракрасных светодиодов нет ни в СССР, ни за рубежом.

Технические характеристики:

Длина волны в максимуме излучения 1,8+2,4 мкм

Квантовая эффективность 1-Л %

Быстродействие 50+10 не

Полуширина спектра 0,1+0,2 мкм

А. Импульсный ре:-::им генерации:

Рабочий ток 0,03+3 А

Максимальная мощность излучения 20+60 мВт

Б. Непрерывный режим:

Рабочий ток Ю+50МА

Максимальная мощность излучения 0,5+1 мВт

Размеры рабочей площади светодиода 0,2+0,5 мм

Четвертая глава посвящена исследованию температурной завис имости пороговой плотности тока лазеров различной конструкции и различной толщины активной области на основе твердого раотвора 1пйаАвЗЪ и сравнению теории с экспериментом ДГО лазерах с толстой активной областью.

В первом параграфе рассмотрены температурные зависимости плотности порогового тока лазеров на двойном гетеропереходе и канально-зарощенных лазеров с самосогласованными квантовыми ямами. Отмечается, что в лазерах обоих типов генерировалась только продольная пространственная мода. В интервале !оков, превышающих пороговый ток на (10-50)%, генерация происходила практически в одномодовом режиме.

Исследованные лазеры имели активную область п~1по,1Са09А'3ор9 (п=5-10*7 см-3). В ДГС лазерах она располагалась между слоями ¿1- й р-А1СаАзБЪ (п- 5 ю17см~3, р-5 Ю18см"3), которые были, в свою очередь, ограничены слоями п- и р- йаВЪ. Толщина активного слоя составляла 2 мкм или 0,3 мкм. В качестве подложки использовался п- °аЗЬ'[1ор1 .

В канально-зарощенных лазерах дополнительно имелся слой р_ йаБЪ 1 образующий с активной областью гетеропереход П типа. Толщина активной области составляла 0,3 мкм, ширина канала составляла 8-10 мкм. Ограничение протекания тока за пределами канала достигалось за счет введения дополнительного барьерного слоя р- ваЗЪ . Оптическое ограничение выполнялось за счет широкозонных слоев из АЮсАзБЪ (Е = 1,27 эВ).

Коэффициент ограничения когерентного излучения Г во всех лазерах близок к единице.

Отмечается, что ДГС лазеры с тонкой активной областью имеют значительно более крутую температурную зависимость порогового тока, чем с толстой активной областью и чем канально-заро-щепные. Это'объясняется значительной рекомбинацией на гетеро-границах, которая является, по-видимому, безызлучательной, т.к. показатель степени и ( ¿Г^Т) ^ 'Т*" ) больше 3/2. Безызлуча-тельная рекомбинация на гегерограшще связывается с предложенной н 1991 году Харченко и Зегря [4} новым типом око-процесса -

комбшированным оже-пр'оцессом на гетерогранице. Этот процесо заключается в том, что электрон, находящийся на расстоянии менее дебаевской длины от гетерограницы,переходит п валентную зону о сохранением импульса и передает за счет кулоновского взаимодействия выделившуюся энергию электрону, туннелирующему в широкозонный материал о повышением энергии и приобретением импульса в процессе туннелирования. Оценки показывают, что скорость этого процесса равносильна скорости оже-рекомбинации в объеме толщиной мкм.

Таким образом, в ДГС лазерах о тонкой активной областью ( <1<1 мкм) пороговая плотность тока в интервале температур (200+310) К больше теоретической для объемной межзонной рекомбинации вблизи гетероперехода. В ДГО лазерах о толстой активной областью d>i мкм преобладает объемная рекомбинация.

В лазерных структурах с самосогласованными квантовыми ямами пороговая плотность тока отличаетоя от теоретической для объемной межзонной рекомбинации во всем интервале температур,. причем в большую сторону, с приблизительным подобием температурной зависимости. Это объясняется наличием излучательной и безыз-лучательной рекомбинации через квантово-размерное состояние на границах активной области.

Во втором параграфе рассчитана по теории, предложенной Гельмонтом и Зегря, и экспериментально изучена температурная зависимость пороговой плотности тока ДГС лазеров на основе XnGaAsSb о толстой активной областью ( d = 2 мкм).

Плотность тока Jth определяется суммой скоростей излучательной Gjjk и ударной рекомбинации и толщиной d активной облаоти

Ь* [СPh. (Г,п.) +Ga(Г, n)]/ed.

Воспользовавшись результатами работ [5, 6, 7] , получаем окончательное выражение для плотности тока вблизи порога генерации:

где

7 я» ч*

^СНСС~ зР Г }%[ т}%\ т) •

первое слагаемое обусловлено излучательной рекомбинацией, второе - СНН8 -процессом, третье - СНСС-процессом.

' Для расчета были приняты следующие параметры те рдого раствора при комнатной температуре: ап о 0,04т , ц^О.бп^ , Из0= 0,04то , Д = 0,74 эБ, Ец = 0,62 эВ, = 0,14, 13.

Показано, что в интервале температур (77-ЗЮЖ экспериментальная зависимость пороговой плотности тока от температуры состоит'из трех участков, ооответотвующих трем механизмам рекомбинации неравновесных носителей заряда в активной области. 3 интервале температур (77-200 К) Т ' и определяется из-

лучательной рекомбинацией. При высоких температурах (200-300) К "-4-11Т^ и определяется скоростью оже-рекомбинации СННз -процесса. При температурах выше комнатной пороговой ток растет о температурой по экспоненциальному закону, благодаря СНСС-про-цесоу.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Цели и задачи, поставленные в работе, в основном решены. Ооловные результаты диссертационной работы сводятся к следующему :

- На основе выполненных исследований впервые созданы быстродействующие высокоэффективные светодиоды о самосогласованными квантовыми ямами для спектрального диапазона 1,8+2,5 мкм. Разработанные светодиоды использованы в макетах оптических влаго-метров и меФанометров.

- Исследованы различные механизмы рекомбинации в гетеропереходах II типа. Обнаружена безызлучательная рекомбинация в кван-тово-размериых потенциальных шах и виявпенн основные Факторы, влияющие на ное.

-17- Впервые выявлены и сопоставлены о теорией механизмы рекомбинации, влияющие на пороговые характеристики лазеров на основе

InGaAsSb .

Основные материалы диссертации опубликованы в следующих работах: . .

1. Андаспаева A.A., Гусейнов A.A., Баранов А.Н., Именнов А.Н., Литвак A.M., Уиларетова Г.М., Яковлев Ю.П. Высоноэффзктивные светодиоды на основе InGaAsSb ( .д = 2,2 мкм, q = А.%,

Т = 300 К) // Письма в ЖТФ - 1988. - Т.14. - В.9. - С.845-849.

2. Андаспаева A.A., Баранов А.Н., Гусейнов A.A., Именнов А.Н., Колчанова Н.М., Сидоренкова Е.А., Яковлев Ю.П. Высокоэффективные, светодиоды на основе InGaAsSb для спектрального диапазона 1,8*2,4 мкм Т = 300 К // Пиоьма в ЕТФ. - 1989. - Т.15. - B.I8. -С.71 - 75

3. Андаспаева A.A., Баранов А.Н., Гусейнов A.A., Именнов А.Н., Яковлев Ю.П. Светодиоды для спектрального диапазона 1,8+2,5 мкм

// Материалы I Всесоюзной конференции - Ленинград, 1989. - Т.А.-C.I04 - 105.

4. Андаспаева A.A., Баранов А.Н., Гребенщикова Е.А., Гусейнов

A.A., Именков А.Н., Рогачев A.A., Филаретова Г.1.1., Яковлев Ю.П. Спонтанная электролюминесценция в гетеропереходах П типа на основе InGaAsSb (Л = 2,5 МКМ Т = 300 К) // 4ЯП-1989. - Т. 23-

B.8. - C.I373-I377.

5. Андаспаева A.A., Баранов А.Н., Гусейнов А.А.,Именнов А.Н., Колчанова Н.LI. .Яковлев Ю.П. Природа спонтанной электролюминесценции в гетеросветодиодах на основе InGaAsSb для спектрального диапазона 1,8+2,5 мкм // Ш1 - 1990. - Т.24. - В.Ю.-

C.I708-I7I5.

6. Андаспаева A.A., Гусейнов A.A., Именков А.Н., Колчанова Н.М., Яковлев Ю.П. Природа спонтанной электролюминесценции в гетеросветодиодах с квантовыми ямами на основе lr.G.-¿AsSb // Материалы конференции - Калуга, 1990. - T.I. - С.56-57.

7. Yastrabcv 3.G. .AnJaspaeva A.A. .Ineniícv A.N., Z<r¿-rya G.G., Gelnont 3.L.,Yakovlev Yu.P. Temperature <1 ер indent threshola current density for GalnAsSb double hetercjunction lasers //?all iaoetir-5 of Materials Research Society . USA.Boston.Wissach'is'isrs 1990 .

-188. Андаспаева A.A., Гельмонт Б.Л., Зегря Г.Г..Именков А.Н., Яковлев 10.Г1., Ястребов С.Г. Исследование температурной зависимости пороговой плотности тока ДГС лазеров на основа^иО^АзЗЪ // Материалы I Республиканской конференции молодых ученых и специалистов Казахстана - секция "газика" - Алма-Ата, 1991, -

0.14.

9. Андаслаева A.A., Баранов А.Н., Гельмонт Б.Л., Дкуртанов Б.Е., Зегря Г.Г., Именков А.Н., Яковлев Ю.П., Ястребов С.Г. Исследование , температурной зависимости пороговой плотности тока ДГС лазеров на основе InGaAsSb // i/ra-1991. - Т.25. - Б.3. - С.394--401.

Цитированная литература

1. Lucas J. // Infrared Physics . 1985. V.25. И.1-2 . P. 277 -201 .

2. Баранов A.II. .Яковлев Ю.П. .Михайлова M.II.,Именков А.Н. ,Кли-ментенок А.И.,Шутов B.JI. //Бумажная промышленность. 1989. !!■ 9, С.20-21.

3. Литиак А. 1/1., Чариков H.A. // ^П.1990.Т.24.й I2.C.2I06-2II0.

4. Зегря Г.Г., Харченко В.А. //ГЭТа:\1992.Т.100.В.1.С.432-447.

5. Гельмонт Б.Л., Зегря Г.Г. // OTI.I99I.T.25.B.II.

6. Гельмонт Б.Л.,Соколова З.И., Халфин В.Б. // ФТ1М984.ТЛ8. В.Ю. С.1803-1807.

7. Гельмонт Ъ.Л.,Соколова З.И. //ФП1Л982.Т.16.В.9.СЛ670-1672.

РГП ЛИЯФ, зак.11, тир.100, уч.-изд.лЛ; 23/ХП-1991 г.

Бесплатно