Исследование излучательных характеристик гетероструктур InGaAsP/IпР и лазеров на их основе тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

ВВВДЕШЕ.

ГЛАВА I. ШСМИНЕСЦЕНТНЫЕ СВОЙСТВА ЛАЗЕРОВ НА ОСНОВЕ

ГЕТЕРОСТРУКТУР InGaAsP/lnP (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ) . . . н

1.1. Краткая характеристика системы твердых растворов InGaAsP изопериодических с InP.U

1.2. Методы получения гетероструктур InGaAsP/lnP

1.3. Легирование твердых растворов InGaAsP и InP . . . . )$

1.4. Деформации в гетероструктурах InGaAsP/lnP.

1.5. Люминесцентные свойства гетеролазеров в системе InGaAsP/lnP.г

1.5.1. Лазеры с широким контактом .2.

1.5.1.1. Спектральный состав излучения, ближнее поле, дифференциальная квантовая эффективность и поляризация излучения.

1.5.1.2. Пороговая плотность тока

1.5.1.3. Распределение интенсивности излучения в дальней зоне

1.5.2. Полосковые гетеролазеры в системе InGaAsP/lnP

1.5.2.1. Спектральный состав излучения

1.5.2.2. Пороговые токи

1.5.2.3. Ватт-амперные характеристики и дифференциальная квантовая эффективность

1.5.2.4. Распределение интенсивности излучения в ближней и дальней зоне.

1.6. Температурная зависимость пороговой плотности тока

1.7. Срок службы полосковых гетеролазеров .ЦО

1.8. Выводы.

ГЛАВА 2. МЕТОДИКИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ

СВОЙСТВ ГЕГЕРОЛАЗЕРОВ.

2.1. Методики изготовления гетероструктур

2.2. Методики изготовления гетеролазеров

2.2.1. Методика изготовления гетеролазеров с широким контактом.

2.2.2. Методика изготовления полосковых гетеролазеров с использованием имплантационной техники

2.2.3. Методика изготовления полосковых гетеролазеров с использованием гибридной технологии

2.2.4. Методика изготовления мезаполосковых гетеролазеров 5&

2.3. Методика исследования спектров люминесценции

2.4. Методика определения спектральных зависимостей степени линейной поляризации

2.5. Методики определения внешнего квантового выхода

2.6. Методика исследования ватт-амперных характеристик гетеролазеров

2.7. Методики исследования распределения интенсивности излучения в дальней и ближней зоне

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ОПТИЧЕСКОГО МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ

НЕСООТВЕТСТВИЯ ПАРАМЕТРОВ РЕШЕТКИ* ДЕФОРМАЦИЙ И УПРУГИХ НАПРЯЖЕНИЙ В ИЗЛУЧАЮЩИХ ГЕТЕРОСТРУКТУРАХ InGaAs Р/1пР.

3.1. Поляризация люминесценции как метод исследования НИР, деформаций и упругих напряжений в гетерострук-турахг InCaAsP/InP.7/

3.1.1. Поляризация люминесценции обусловленная деформацией 7/

3.1.2. Расчет спектральной зависимости степени линейной поляризации люминесценции в материале п~ типа проводимости

3.1.2. Аналитическая связь между НИР, деформациями, упругими напряжениями и энергетическим расщеплением зон.

3.1.4. Определение констант деформационного потенциала в фосфиде индия п- и р- типа проводимости .ДО

3.2. Экспериментальное определение ДО. , & и & в гетероструктурах InGaAsP/IriP по СЗСЛП фото- и электролюминесценции .&

3.3. Температурная зависимость А.£ и ^ в ДГС InGaAsP/InP.

3.4. Влияние состава жидкой фазы, температуры роста и легирующей примеси на НПР и упругие напряжения

3.5. Исследование влияния HHP на пороговую плотность тока, дифференциальную квантовую эффективность, квантовый выход и на вольт-амперные характеристики лазеров

3.6. Выводы.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗЛУЧАТЕЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ГЕТЕРО

ЛАЗЕРОВ InGaAsP/InP.ЮЦ

4.1. Гетеролазеры с широким контактом.IQ^i

4.1.1. Пороговая плотность тока, дифференциальная квантовая эффективность и квантовый выход излучения в зависимости от положения р-п перехода в ДГС.ICW

4.1.2. Спектральный состав излучения и ватт-амперные характеристики .ill

4.1.3. Распределение интенсивности излучения в ближней и дальней зонах .ИЗ

4.1.4. Температурная зависимость пороговой плотности тока

4.2. Полосковые гетеролазеры . lift

4.2.1. Исследование влияния режимов имплантации на пороговые характеристики лазеров . 12Q

4.2.1.1. Зависимость порогового тока от ширины полоскового контакта.(

4.2.1.2. Спектральный состав излучения и ватт-амперные характеристики . |2&

4.2.1.3. Распределение интенсивности излучения в дальней и ближней зонах . 13D

4.2.2. Зарощенные мезаполосковые гетеролазеры (х = 1,3 и

1,55 мкм).

4.2.2.1. Спектральный состав излучения, ватт-амперные характеристики и дифференциальная квантовая эффективность зарощенных мезаполосковых гетеролазеров

4.2.2.2. Распределение интенсивности излучения в дальней и ближней зонах

4.2.3. Излучательные характеристики мезаполосковых гетеролазеров (X —1,3 и 1,55 мкм).

4.2.4. Температурная зависимость порогового тока лазеров полосковых конструкций . №

4.2.5. Применение полосковых имплантационных лазеров в макете волоконно-оптической линии связи

4.3. Выводы.

Основы полупроводниковой оптоэлектроники были заложены в начале 60-х годов созданием спонтанных [63Г1] , а затем когерентных источников [62X0 излучения. Следующим этапом в развитии полупроводниковой оптоэлектроники было применение р-п гетеропереходов, позволившее получить непрерывный режим генерации инжекционного гетеролазера при комнатной температуре [70AI] . Перспективность и преимущества использования р-п гетеропереходов перед гомоперехо-дами для получения излучателей и других полупроводниковых приборов было убедительно продемонстрировано Ж.И.Алферовым с сотрудниками на примере системы A6GaAs/CaAs в ФТИ им.А.Ф.Иоффе АН СССР. На основе таких гетероструктур был создан ряд новых приборов оптоэлектроники и усовершенствованы известные приборы, которые создавались на основе гомопереходов [77А2] . Полупроводниковый инжекционный лазер,созданный на основе р-п гетероперехода, работающий при комнатной температуре,является базовым элементом полупроводниковой оптоэлектроники и остается вне конкуренции в областях применений, требующих миниатюрности, экономичности, без-ннерционности и исключающих принудительное охлаждение активного элемента.

Широкое применение первые гетеролазеры на основе системы A£CaAs/CaAs нашли в системах волоконно-оптических линий связи (ВОЛС), действующих на длине волны А = 0,8 * 0,9 мкм. В последнее время успехи в технологии стекловолокна потребовали создания источников излучения для диапазона я = 1,1 * 1,7 мкм, на который приходятся минимальные оптические потери и нулевая дисперсия в стекловолокне [75PI, 79MI] . Излучатели для этого диапазона могут быть изготовлены на основе системы твердых растворов InGaAsP, совпадающих по параметру решетки с подложкой ItiP. Постоянство параметра решетки в твердых растворах InGaAsP достигается на основе принципа изопериодического замещения [7IAI] , позволяющего создавать гетероструктуры с полным совпадением параметров решеток.

К моменту начала выполнения настоящей работы (1978 г.) в литературе были лишь отрывочные сведения о люминесцентных свойствах гетероструктур InGaAsP/InP. Отсутствовали такие важные сведения как влияние несоответствия параметров решетки (НИР) и локализации р-п перехода в гетероструктуре на излучательные характеристики лазеров. Не было методики исследования упругих деформаций и напряжений в готовых лазерах, которая очень важна для прогнозирования их срока службы. Не ясен был вопрос создания одночастотных лазеров непрерывного действия при комнатной температуре. Поэтому решение этих задач и ряда других, полученных в данной работе позволяют считать её актуальной как с научной, так и практической точек зрения.

Поэтому основной целью данной работы было следующее.

Исследование излучательных характеристик двойных гетероструктур (ДГС) InGaAsP/InP для разработки технологии изготовления низкопороговых лазеров с широким контактом и лазеров полосковых конструкций непрерывного действия на длинах волн 1,3 и 1,55 мкм при комнатной температуре, пригодных для использования в системах волоконно-оптических линий связи (ВОЛС). Достижение поставленной цели распадалось на решение следующих основных задач:

1. Разработка оптического метода определения несоответствия параметров решетки (НПР), упругих деформаций и напряжений по люминесценции гетероструктур InGaAsP/InP.

2. Исследование излучательных характеристик лазерных ДГС InGaAsP/IriP с Я - 1,3 и 1,55 мкм с целью оптимизации величины НПР и локализации р-п перехода по отношению к гетерогранице.

3. Исследование излучательных характеристик полосковых лазеров различных конструкций с целью разработки технологии изготовления одномодовых низкопороговых лазеров непрерывного действия при комнатной температуре, пригодных для систем ВОЛС.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения.

Основные результаты данной работы сводятся к следующему.

1. Предложен и реализован оптический метод определения НПР, упругих, деформаций и напряжений в гетероструктурах InGaAsP/InP по спектральным зависимостям степени линейной поляризации фото-и электролюминесценции.

2. Получено аналитическое выражение для спектральной зависимости степени линейной поляризации в п-материале. Определены константы деформационного потенциала в = -1,8 , d = -4,9 эВ и п—ХпР и V = -0,55 , d' = -1,45 эВ в р-1пР.

3. Исследованы поляризационные свойства рекомбинационного излучения гетероструктур InGaAsP/InP, деформированных из-за несоответствия параметров решеток контактирующих слоев.

4. Впервые получены экспериментальные зависимости пороговой плотности тока, дифференциальной квантовой эффективности и внешнего квантового выхода в лазерных ДГС InGaAsP/InP от НПР. При этом показано, что для получения низкопороговых гетероструктур с Я=г1,3 и 1,55 мкм с максимальной ^ необходимо выполнить условие совпадения НПР при температуре эпитаксии, тогда при комнатной температуре в таких ДГС за счет разницы в КТР InP и InGaAsP НПР составляет ~ 0,05$ для д 1,3 мкм и ^ 0,1$ для А - 1,55 мкм.

5. Показано, что локализация р-п перехода в лазерных ДГС InGaAsP/InP оказывает сильное влияние на ПОр и fyd . Минимальными <£/ПОр и максимальной /до обладают структуры, у которых р-п переход и гетерограница совпадают. Для совмещения р-п перехода и гетерограницы необходимо после узкозонной активной области наращивать промежуточный слой нелегированного широкозонного эмиттера п-типа, а затем слой р-типа.

6. Исследование излучательных характеристик ДГС InGaAsP/InP от технологических факторов позволило оптимизировать технологические условия для получения лазеров с VПОр = 1,0 - 1,5 кА/см , как для А~1,3 мкм, так и для я^ 1,55 мкм и впервые в СССР реализовать непрерывный режим генерации при комнатной температуре на длине волны Я -1,3 мкм.

7. Для достижения непрерывного режима генерации при комнатной температуре разработано несколько конструкций полосковых лазеров: имплантационные, зарощенные мезаполосковые и мезаполосковые. При разработке имплантационных полосковых лазеров установлено, что они обладают более высокой радиационной стойквстью, чем лазеры на основе AtCaAs/GaAs. Технологически наиболее простая конструкция полосковых лазеров - мезаполосковая.

8. В мезаполосковых лазерах получен непрерывный режим генерации при комнатной температуре, при пороговых токах 1ПОр= 15 мА и мощностью излучения Р = 15 мВт в одномодовом режиме I = 3*1ДОр.

9. Разработан макет многоканальной дуплексной ВОЛС с использованием имплантационных полосковых лазеров с Л =1,3 мкм. Энергетический потенциал ВОЛС составлял 50 дБ. Это обеспечивало передачу информации на расстояние 10 км при потерях в волокне 2дБ/км.

ОСНОВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ.

1. Ж.И.Алферов, А.Т.Гореленок, В.И.Колышкин, П.С.Копьев, В.Н.Мдивани, И.С.Тарасов, В.К.Тибилов. "Гетеролазеры непрерывного действия в системе InSaAsP/lnP". Тезисы докладов IX Всесоюзной конференции по когерентной и нелинейной оптике, 1978 г., часть I, г.Ленинград.

2. Ж.И.Алферов, А.Т.Гореленок, В.И.Колышкин, П.С.Копьев, И.С.Тарасов, В.Н.Мдивани, В.К.Тибилов. "Инжекционные гетеролазеры в системе InGaAsP с длиной волны излучения 1,3 - 1,55 мкм". Письма в ЖТФ, 1978 г., т.4, в.22, стр.1329-1333.

3. А.Т.Гореленок, П.С.Копьев, И.С.Тарасов, В.К.Тибилов. "Люминесцентные свойства твердых растворов InGaAsP и гетероструктур на их основе". Материалы П Всесоюзной конференции "Физические процессы в полупроводниковых гетероструктурах". 1978 г., т.2, стр.Ш-ПЗ, г.Ашхабад.

4. Ж.И.Алферов, А.Т.Гореленок, В.И.Колышкин, П.С.Копьев, В.Н.Мдивани, И.С.Тарасов, В.К.Тибилов. "Гетеролазеры непрерывного действия в системе InGaAsP". Известия Ак.Наук СССР, серия физическая, 1979 г., т.43, № 7, стр.1448-1450.

5. М.И.Беловолов, А.Т.Гореленок, Е.М.Дианов, А.А.Кузнецов, И.С.Тарасов. "Макет волоконно-оптической линии: связи со спектральным уплотнением в области 1,3 мкм". Квантовая электроника, 1979 г., т.6, № II, стр.2487-2490.

6. А.Т.Гореленок, И.С.Тарасов, А.С.Усиков. "Обнаружение поляризации электролюминесценции Л = 1,3 мкм в гетероструктурах InGaAsPДпР, обусловленной внутренней деформацией". Письма в ЖТФ, 1981 г., т.7, в.8, стр.452-456.

7. Н.А.Берт, А.Т.Гореленок, А.Г.Дзигасов, С.Г.Конников, В.Н.Мдивани, И.С.Тарасов, А.С.Усиков. "Исследование упругих напряжений, деформаций и несоответствия параметров решетки в гетероструктурах InGaAsP/InP по поляризации люминесценции". Материалы Всесоюзной конференции по физике соединений 1981 г., стр. 68, г.Новосибирск.

8. Н.А.Берт, А.Т.Гореленок, А.Г.Дзигасов, С.Г.Конников, В.Н.Мдивани, И.С.Тарасов, А.С.Усиков. "Определение упругих напряжений и величин несоответствия параметров решеток в гетероструктурах InGaAsP по поляризации люминесценции". Физ. и техн. полупроводников, 1982 г., т.16, № I, стр.60-68.

9. Ж.И.Алферов, М.Г.Васильев, Е.В.Голикова, А.Т.Гореленок, В.П.Дураев, Л.А.Иванютин, Н.Д.Ильинская, Г.С.Синицына, И.С. Тарасов, А.С.Усиков, И.Н.Цыпленков, В.И.Швейкин. "Полосковые зарощенные гетеролазеры непрерывного действия на основе InGaAsP/IriP полученные комбинацией жидкофазной и газофазовой эпитаксией". Письма в ЖТФ, 1982 г., т.8, в.II, стр.680-684.

10. Ж.И.Алферов, М.Г.Васильев, А.Т.Гореленок, В.Г.Груздов, Л.А.Иванютин, Н.Д.Ильинская, И.С.Тарасов, А.С.Усиков, И.Н.Цыпленков, А.А.Шелякин. "Полосковые зарощенные гетеролазеры на основе InGaAsP/IriP л = 1,3 и 1,55 мкм полученные гибридной технологией".

РЙ

Материалы Ш Всесоюзной конференции по физическим процессам в полупроводниковых гетероструктурах, 1982 г., т.2, стр.26-28, г.Одесса.

11. М.Г.Васильев, А.А.Гвоздев, А.Т.Гореленок, Ю.В.Гуляев, В.Ф.Дворкин, В.П.Дураев, П.Г.Елисеев, В.В.Кожин, Е.Т.Неделин, Г.А.Синицын, И.С.Тарасов, Д.Н.Телегин, А.С.Усиков, В.И.Швейкин, А.А.Шелякин. "Низкопороговые полосковые зарощенные гетеролазеры на основе InGaAsP/IriP А = 1,3 мкм полученные гибридной технологлей". Журнал техн.физ., 1983 г., т.5$ стр.1413-1414.

12. А.Т.Гореленок, В.И.Колышкин, И.С.Тарасов. "Полосковые лазеры на основе ДГС в системе InGaAsP/InP полученные имплантацией ионов кислорода". Журнал техн.физ., 1983 г., т.53, стр.

I973-1978.

13. И.С.Аверкиев, А.Т.Гореленок, И.С.Тарасов. "Особенности поляризации и константа деформационного потенциала в 1пР п- и р-типа проводимости". ФТП, 1983 г., т.17, в.6, стр.997-1002.

14. Ж.И.Алферов, М.И.Беловолов, А.Н.Гурьянов, А.Т.Гореленок, Е.М.Дианов, А.А.Кузнецов, А.В.Кузнецов, А.М.Прохоров, И.С.Тарасов. "Многоканальная дуплексная волоконно-оптическая линия связи на длине волны Я =1,3 мкм". Квантовая электроника, 1982 г., т.9,

В 8, стр.1698-1700.

В заключении приношу глубокую благодарность академику Ж.И.Алферову за постоянное внимание и интерес к работе, моему научному руководителю А.Т.Гореленку за помощь и постоянное внимание к работе.

Я искренне благодарен своим коллегам Н.С.Аверкиеву, А.С. Усикову, В.Г.Груздову, Н.Д.Ильинской, К.А.Гацоеву, В.Н.Мдивани, В.К.Тибилову, М.И.Беловолову, Д.З.Гарбузову, В.И.Колышкину, А.Г.Дзигасову, Н.А.Берту, С.Г.Конникову, П.П.Москвину, В.Е. Евстропову, А.Б.Федорову, В.В.Мамутину и В.И.Ильиной за творческую атмосферу и плодотворные дисскусии, а также всему коллективу сотрудников лаборатории контактных явлений в полупроводниках, деловая атмосфера которого благотворно влияла на автора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. А.АПуткин, А.А.Рогачев, В.Е.Седов, Б.В.Царенков, Малоинерционные источники спонтанного излучения. ПТЭ, 1963, № 4, стр.187-188.69AI. Ж.И.Алферов, Д.З.Гарбузов, Е.П.Морозов, Е.Л.Портной.

2. GaAsP/InP laser growth in a vertical liquid phase epitaxial system. Appl.Phys.Lett., 1081, v.39 No.3, p.185-187.8IT2 A.Temkin, A.K.Chin, M.A.Digicappe, V.G.Keramidos. Light-current characteristics of InGaAsP light emitting diodes. Appl.