Люминесцентные, электрические и фотоэлектрические свойства неидеальных гетероструктур InGaAsP/InP тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Р Г 3 - 5

ОД

ДПР 1933 РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ РАДИОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ

На правах рукописи

Страхов Валерий Александрович

ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ, ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НЕИДЕАЛЬНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР 1пВаА5РЛпР

01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1993 г.

Работа выполнена в Московском ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательском Институте радиотехники и электроники Российской Академии наук.

Научный руководитель:

Оффициальные оппоненты:

кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Н.Г.Яременко

доктор физико-математических наук, профессор А.С.Бугаев,

кандидат физико-математических наук В. А. Чапнин

Ведущая организация:

НИИ "Полюс", г.Москва

Защита диссертации состоится " 22*.* впрЛАЯ-2993 г>

в — часов на заседании Специализированного совета К 002.74.01 по защите диссертаций при ИРЭ РАН по адресу: 14П20, Московская обл. г.Фрязино, пл. акад. Введенского, д.I.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИРЭ РАН.

Автореферат разослан " " М0р.т0_ 1993 г.

Отзывы на автореферат просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря Специализированного совета.

секретарь Специализированного совета

с*

Ученый

кандидат физико-математических наук

И. И. Чусов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. Прогресс в современной оптоэлектронике тесно связан с созданием новых полупроводниковых материалов и, в частности, гетероструктур (ГС) на основе четверных твердых растворов полупроводников. Одним из главных критериев, определяющих возможность использования полупроводниковых гетероструктур в приборах, является их структурное совершенство, которое определяется многими факторами, и в первую очередь, степенью согласования параметров решеток на гететерогра-нице.

Интерес к системам InJ-,Ga11flsyPj.y/InP связан с возможностью в широких пределах управлять шириной зоны (е = 0,75*1,35 зВ) твердого раствора путем целенаправленного изменения его атомного состава, сохраняя при этом изопериодичность с подложкой шр. Гетероструктуры m^Ga^ р /1ПР признаны наиболее перспективным материалом для создания высокоэффективных источников и приемников излучения в диапазоне длин волн х = 1,0 - 1,7 мкм, где имеются "окна" с минимальным по глощением и минимальной дисперсией в кварцевом волокне, используемом в современных линиях волоконно-оптической связи. К началу данной работы (начало 80-х годов) были достигнуты большие успехи в освоении твердых растворов in^Ga^ßs^p^ с составом на длины волн короче 1,2 мкм и начаты работы по продвижению в более длинноволновый диапазон. Несмотря на теоретическую возможность получения слоев inGaAsP, идеаль но согласованных с подложкой inP, реализовать эту возможность на прак тике не всегда удается. Существует множество технологических факторов приводящих к рассогласованию параметров решеток. Несоответствие параметров решеток приводит к появлению заряженных поверхностных состояний (ПС) на гетерогранице, которые могут существенно влиять на физические характеристики ГС, выступая в роли центров рекомбинации и иэме няя вид зонной диаграммы. Исследование люминесцентных, электрических и фотоэлектрических свойств неидеальных гетероструктур с большой плот ностью состояний, с одной стороны, представляют интерес для изучения природы дефектов в слоях и на границах раздела и их влияния на процес сы токопрохождения и излучательной рекомбинации; с другой стороны, эти исследования необходимы для выработки критериев применимости гетероструктур. Проведение этих исследований отчасти стимулировано теоретическими работами /1-3/, где роль ПС в формировании электрических характеристик рассмотрена в новом аспекте: учтено влияние перерапре-

деления приложенного напряжения между слоями обеднения вследствие перезарядки ПС. Из теории следовало, что понятие "идеальности" гетероперехода весьма относительно и определяется приборным назначением, режимом работы, приложенным напряжением, исходной зонной диаграммой и другими факторами.

Цель работы. Перечисленные предпосылки послужили основой для выбора в качестве объекта исследования гетероструктуры 1пБаА5Р/1пр с составом на длины волн 1,2 и 1,55 мкм и постановку следующих задач, направленных на изучение свойств этого материала и повышение эффектив ности приборов, изготовленных на его основе:

1. Изучение влияния несоответствия параметров решеток эпитакси-альных слоев на совершенство гетероструктур 1пБаАвР/1пР с составом твердого раствора на длины волн л = 1,2 - 1,55 мкм методами фото-, электро- и катодолюминесценции.

2. Исследование электрических и фотоэлектрических свойств структур 1пБаА5Р/1пР с различным несоответствием параметров решеток и анализ характеристик неидеальных структур в рамках теоретической модели, учитывающей перезарядку поверхностных состояний на гетерогранице.

3. Разработка методики, позволяющей определить вклад каждого гетероперехода (анизотипного, иэотипного и других неконтролируемых переходов) в формирование электрических характеристик многослойных структур, и применение этой методики для анализа вольт-амперных (ВАХ) и вольт-емкостных (ВЕХ) характеристик неидеальных двойных гетерострук

Тур 1гШаА5Р/1пР.

Научная новизна.

- В широком интервале несоответствий параметров решеток (НПР) Аа =( -20 +10) • Ю-3 А исследовано влияние НПР на дефектную структуру эпитаксиальных слоев и люминесцентные свойства ГС 1п1.хВа,А5ур1_у/1пР с составом на диапазон длин волн 1,2 - 1,55 мкм. Обнаружено сильное влияние "докритических" несоответствий на эффективность электролюминесценции. Показано, что наибольшей эффективностью и наименьшей полушириной спектра люминесценции обладают гетероструктуры, изорешеточные при температуре эпитаксии.

- Обнаружено влияние эффекта перезарядки поверхностных состояний на электрические и фотоэлектрические характеристики неидеальных гетеропереходов в структурах 1п1_жБа1А55ур1_уЛпР с Да > Ю~2А.

- Установлено, что НПР, на порядок снижающие эффективность элект-

ролюминесценции гетероструктур 1п1_жБажА5ур1_у/1г,р> гораздо слабее сказываются на их фоточувствительности: квантовый выход фототока палд ет не более чем в два раза, а в некоторых случаях даже растет. Характер влияния НПР на фотоэлектрические характеристики определяется исходной зонной диаграммой, типом основной легирующей примеси, знаком и концентрацией заряженных поверхностных состояний (ПС), возникающих на гетерогранице.

- Обнаружены особенности ВАХ сильно неидеальных ГС 1пВаАвР/1пР; аномально слабая зависимость тока от напряжения и уменьшение наклона ВАХ с понижением температуры. Наблюдаемые особенности интерпретированы в рамках модели туннельно-рекомбинационных .токов в условиях перезарядки ПС.

- Предложена методика построения энергетической зонной диаграммы неидеальных гетеропереходов с большой плотностью ПС по зависимостям тока и фототока от напряжения.

- Разработан и применен метод раздельного определения электрических параметров гетеропереходов в двойной гетероструктуре, основанный на измерении комплексной проводимости ГС в зависимости от частоты. По казано, что в формирование ВАХ неидеальных гетероструктур возможен вклад изотипного гетероперехода, что необходимо учитывать при интерпретации экспериментальных результатов.

Практическая ценность.

Анализ полученных результатов позволил выработать критерии применимости известных электрических и фотоэлектрических методов для определения параметров неидеальных гетероструктур (диффузионного потенциала, длины диффузии, скорости поверхностной рекомбинации, коэффициента поглощения).

В результате проведенных исследований даны рекомендации по выбору оптимальных технологических условий для достижения высокого внутреннего квантового выхода (=* 80+90Я) гетероструктур 1пБаАвР/1пР. Созданы эффективные светодиоды планарной и торцевой конструкции на длины волн 1,3 мкм и 1,55 мкм для волоконно-оптических линий связи.

Положения, выносимые на защиту.

I. Показано, что несоответствие параметров решеток гетероструктур 1пВайЕРЛпР даже в рамках "докритических" значений существенно влияет на эффективность электролюминесценции. Наибольшей эффективностью и наименьшей полушириной спектра обладают гетероструктуры, изоре

шеточные при температуре эпитаксии. При комнатной температуре в таких гетероотруктурах имеется отрицательное несоответствие решеток активно го слоя и прилегающих эмиттеров, обусловленное различием в коэффициен тах термического расширения слоев, (-4 * -8) • 1(Г3 к.

2. Изменение фоточувствительности под действием напряжений несоответствия в неидеальных гетероотруктурах 1пБаАзР/1пР обусловлено дву мя процессами: появляются дополнительные каналы рекомбинации, уменьшающие длину диффузии, что приводит к ухудшению эффективности собирания носителей; на гетерогранице возникают заряженные поверхностные состояния, которые, изменяя зонный профиль гетероперехода, могут уменьшить или увеличить эффективность разделения фотоносителей. Обнаружено увеличение фоточувствительности в длинноволновой части спектра в неидеальных гетероотруктурах, которое объясняется возрастанием эффективности разделения носителей под действием поверхностных состояний донорного типа. Это доказывает возможность применения неидеальных структур 1пВаА5Р/1пР для создания эффективных фотоприемников.

На зависимость фототока от напряжения неидеальных гетероструктур 1пБаАвР/1пР оказывает влияние эффект перезарядки ПС на гетерогранице.

3. Исследования ВАХ сильно неидеальных ГС хпБзАбрлпр показали, что при малых напряжениях (и < 0,5-0,6 В) имеют место два канала то-копрохождения, конкурирующие с инжекцией: омические токи утечки и туннельно-рекомбинационные токи. Первый канал обусловлен объемными дефектами типа "включений" инородной фазы, шунтирующими гетеропереход, второй - наличием ПС донорного типа на гетерогранице. Туннельно-рекомбинационные токи в сильно неидеальных ГС имеют ряд особенностей (аномально слабую зависимость тока от напряжения и уменьшение наклона ВАХ с понижением температуры), объяснение которых требует привлечения модели, учитывающей перезарядку ПС. Анализ ВАХ в рамках этой модели позволил получить основные характеристики ПС (их энергети тическое положение, концентрацию и степень заполнения в зависимости от напряжения и температуры) и построить зонные диаграммы неидеальных гетеропереходов.

4. В интерпретации ВАХ неидеальной двойной ГС 1пБаАвР/1пР необходимо учитывать возможное влияние изотипного гетероперехода. Разработан метод линейных диаграмм для раздельного определения параметров гетеропереходов в многослойной гетероструктуре, основанный на измерении комплексной проводимости гетероструктуры в зависимости от частоты

С помощью этого метода показано, что в структурах 1пБаА5Р/1пР на подложках р-типа изотипный гетеропереход с большой плотностью состояний вносит существенный вклад в формирование ВАХ всей гетероструктуры.

Аппробаиия работы. Результаты работы докладывались на Международной конференции по полупроводниковым лазерам (г.Брайтон, Великобритания, 1960), Всесоюзной конференции ВОЛС-3 (Москва, 1981), ш Всесоюзной конференции по физическим процессам в полупроводниковых гетероструктурах, г.Одесса, 1982), 9-м советско-японском симпозиуме, С г.Москва, 1982), на Всесоюзных симпозиумах РЗМ-84 и РЭН-86 (г.Звенигород, 1984, 1986), X Всесоюзной конференции по физике полупроводников (г.Минск, 1985), опубликованы в научной печати.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано восемнадцать работ, перечисленных в конце автореферата.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из Введения, 4 глав и Заключения. Полный объем диссертации 165 стр., включая 51 , рисунок, 3 таблицы и список литературы из 97 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы работы, сформулирована цель и определены задачи исследования, кратко изложены научная новизна, практическая значимость и основные положения, выносимые на защиту, дано распределение материала по главам диссертации.

В первой главе приводится обзор опубликованных работ по экспериментальному исследованию-неидеальных ГС, т.е. структур с большим содержанием дефектов на гетерогранйце и в объеме слоев. Основным источником дефектов являются напряжения, связанные с несоответствием параметров решеток (НПР), введенным в процессе зпитаксии, и НПР, возникшим при охлаждении структуры до комнатной температуры за счет различия в коэффициентах термического расширения слоев. В обзоре рассматри ваются различные аспекты влияния НПР на дефектообразование и физические свойства гетероструктур. Показано, что влияние напряжений, связан ных с КТР, в различных гетеросистемах проявляется по-разному.

К началу нашей работы сведения о влиянии НПР на структурное совершенство и физические свойства гетероструктур мзаАБРЛпР были весь ма ограничены, противоречивы и касались, в основном, составов на х ^ 1,2 мкм, отсутствовали данные о роли термических напряжений, о величи не "критического" несоответствия, приводящего к появлению сетки дисло

каций несоответствия, о влиянии "докритических" несоответствий на люминесцентные характеристики структур с составом твердого раствора на х = 1,2 + 1,55 мкм. Большинство работ было проведено на модельных образцах с нелегированными слоями в отсутствии р-п гетероперехода. Пере несение результатов на реальную многослойную структуру не всегда справедливо.

Энергетический профиль ГС о большим несоответствием параметров решеток не описывается идеальной зонной диаграммой, предполагающей отсутствие поверхностных заряженных состояний. Существует ряд теорети ческих моделей, объясняющих физические свойства таких структур. Поверхностные состояния влияют на электрические свойства ГП двояким образом: во-первых, ПС являются центрами рекомбинации? во-вторых, заряд ПС изменяет вид зонной диаграммы, т.е. значения диффузионных потенциалов и их зависимость от напряжения. В большинстве случаев теоретические модели, привлекаемые для объяснения физических свойств в неидеальных гетеропереходах, учитывают только первый фактор: например, модель двойного Шоттки-диода или модель, учитывающая рекомбинацию на ПС введением феноменологического параметра в - скорости поверхностной ре комбинации. Наиболее последовательно оба аспекта влияния ПС на электрические и фотоэлектрические свойства неидеальных ГП рассмотрены в те оретических работах А. Я. Шика, в которых учитывается изменение зонной диаграммы под действием перезарядки поверхностных состояний на гетеро границе при протекании тока через гетеропереход /1-3/. В обзоре приво дятся основные соотношения для эффективности разделения фотоносителей и вольт-амперных характеристик неидеальных гетеропереходов, полученные в этой модели.

Поверхностные состояния, влияя на величину диффузионного потенци ала, могут как уменьшить, так и. увеличить величину "обратного!" барьера, определяющего эффективность разделения фотоносителей в гетеропереходе с "пичком". Этот вывод опровергает общепринятую точку зрения о невозможности практического использования неидеальных структур и стимулирует исследование их фотоэлектрических свойств.

При рассмотрении ВАХ гетеропереходов, содержащих высокую плотность рекомбинационных центров на гетерогранице, в /3/ сделан интерес ный вывод о возможности туннельного механизма в гетеропереходе, в котором одна из сторон слабо легирована и ширина области обеднения значительно превышает длину туннелирования. Рассмотренная модель переза-

рядки состояний была привлечена для объяснения экспериментальных результатов исследования электрических свойств неидеальных ГП в некоторых гетероструктурах, например, еаР-31 и БаА5-51. Экспериментальные исследования электрических свойств неидеальных зпбаАвРЛпР гетеро-структур отражены в малом числе работ, причем, результаты, приведенные разными авторами, отличаются как по характеру ВАХ, так и по их трактовке. Наиболее детальными являются исследования ВАХ 1пВаАвР/1пР структур в зависимости от наработки и температуры, проведенные сотруд никами ЛФТИ. Однако, основное внимание в этих работах уделено инжекци онным токам; анализ рекомбинационных токов в сильно неидеальных струк турах с учетом перезарядки ПС не проводился.

По результатам обзора сделано заключение и определены основные направления исследований.

Во второй главе приводятся результаты исследования влияния несовершенства гетероструктур 1пСаАср/1пР на их люминесцентные свойства. Основное внимание уделено изучению люминесцентных свойств гетерострук тур в зависимости от НПР. Измерения интенсивности электролюминесценции и полуширины спектра фотолюминесценции в широком интервале несоот ветствий (-20++10)•10"э А показали, что величина "критического" несоответствия, приводящая к генерации дислокаций несоответствия и пагубно влияющая на эффективность люминесценции, зависит от состава твердого раствора. В структурах с составом твердого раствора на х = 1,2 -1,3 мкм "критическое" несоответствие близко к теоретическому значению и составляет Аакр= 6-Ю~э А. В структурах с составом активного слоя на х - 1,55 мкм оно в несколько раз превышает расчетное значение. Дислокации несоответствия не обнаружены во всем исследованном диапазоне и параллельная составляющая несоответствия в пределах точности иэмере ний остается равной нулю, т.е. сохраняется чисто упругий характер деформации решеток.

Эффективность электролюминесценции существенно зависит от НПР: даже в рамках "докритичееких"- значений она меняется более чем на поря док. Наибольшей эффективностью и наименьшей полушириной спектра обладают структуры, изорешеточные при температуре эпитаксии. При комнатной температуре в таких гетероструктурах имеется отрицательное несоот ветствие решеток активного слоя и прилегающих эмиттеров, обусловленное различием в коэффициентах термического расширения слоев, (-4 * -8)-10~э А, что соответствует усредненным напряжениям растяжения в

активном слое =(0,5 + З^О-Ю4 Н/см2. Послойная микрокатодолюминес-центная (ШШ топография показала почти полное отсутствие дефектов в слоях этой структуры. Отклонение от оптимального рассогласования в любую сторону приводит к появлению рекомбинационно-активных дефектов и неоднородности эпитаксиальных слоев по составу. К последним, в част ности, относятся дефекты типа "включений" инородной фазы, которые при достаточно больших размерах выходят на поверхность структуры, шунтируя гетеропереход.

Несоответствие параметров решеток является основным, но не единственным фактором, определяющим совершенство структуры. Привлечением методов локальной и микрокатодолюминесценции исследовано влияние качества подложки, толщины и состава слоев на дефектообразование в гете роструктурах 1п6а АзР/1пР.

Выявлены характерные дефекты в тонких слоях (¿0,1 мкм), получен ных быстрым перемещением раствора-расплава по поверхности подложки. Сравнение спектров КЛ тонких и толстых (= I мкм) слоев твердого раствора одинакового заданного состава показало, что спектры тонких слоев сдвинуты в коротковолновую область и имеют большую полуширину. Это связано с неравновесными процессами на границе подложка-расплав, приводящими к формированию переходных слоев с составом, отличающихся от расчетного. На морфологию слоев оказывают влияние дефекты, связанные с термическим разложением подложки. Разложение происходит неравномерно по поверхности, декорируя "полосы роста", характерные для монокристаллов с большим содержанием примеси. Обнаружена повышенная катодолю минесценция на ямках травления, что послужило основой для разработки методики выращивания гетероструктур на профилированных подложках.

В третьей главе приводятся результаты исследования влияния несоответствия параметров решеток на фотоэлектрические свойства гетероструктур 1пБаА5Р/1пР; спектральные характеристики фототока и зависимо сти фототока от напряжения смещения на гетеропереходе. Для интерпретации результатов привлекается модель /2/, учитывающая перезарядку по верхностных состояний.

Эффективность разделения фотоносителей определяется величиной "обратного" барьера для дырок, генерированных в уэкозонном слое, = -ДЕ^- где - разрыв в валентной зоне, диффузионный потенциал, приходящийся на узкозонную часть. В работе сравниваются характеристики двух типов структур, отличающихся легированием слоев,

а следовательно, и зонными диаграммами. В идеальных структурах I типа

0 и коэффициент разделения носителей т)0= I; в идеальных структурах и типа о и 1)0 * екр(-Уа1Лт). Увеличение НПР по-разному влияет на величину и спектральную зависимость квантового выхода фототока В структурах I типа увеличение НПР приводит к ослаблению фоточувствительности, практически не влияя на форму спектральной зависимости. В структурах и типа обнаружено увеличение фоточувствительности в длинноволновой части спектра с ростом неидеальности структуры. Различались также и зависимости фототока от напряжения: в структурах I типа приложенное напряжение и перезарядка состояний изменяют диффузионный потенциал в одну сторону, а в структурах п типа - компенсируют друг друга. Теоретическая модель перезарядки состояний использована для по строения зонной диаграммы неидеальных гетеропереходов по зависимостям фототока от напряжения. Анализ экспериментальных результатов в рамках этой модели позволил сделать вывод, что наблюдаемые в неидеальных структурах н типа увеличение фоточувствительности в длинноволновой части спектра объясняется следующим образом. Поверхностные состояния, влияя на величину диффузионного потенциала, а следовательно, и "обрат ного" барьера, увеличивают коэффициент разделения носителей по сравне нию с идеальным случаем.

В структурах первого типа, хотя ПС и уменьшают величину диффузионного потенциала, механизм разделения носителей принципиально не меняется и в рамках исследованных НПР остается равным I. Это позволи ло для анализа спектральной зависимости использовать обычные соотноше ния для фототока, учитывающие генерацию носителей в обедненной области и диффузию к краю этой области носителей, генерированных в объеме слоя, и методом моделирования спектров оценить основные параметры ело ев (диффузионную длину, коэффициент поглощения, скорость поверхностной рекомбинации). Квантовый выход фототока на длине волны 1,3 мкм для идеально согласованной структуры равен 0,7, длина диффузии ^2,5 мкм, скорость поверхностной рекомбинации менее 9-ТО3 см/с. В структуре с большим НПР (Да = -33-10'3 А) квантовый выход уменьшается пример но в 2 раза, длина диффузии в узкозонном слое падает в 5 раз, а скорость поверхностной рекомбинации увеличивается почти на порядок по сравнению с идеальной структурой.

Четвертая глава посвящена изучению природы неинжекционных токов, ограничивающих эффективность электролюминесценции гетероструктур

1пБайвР/1пР. в диапазоне температур 77+300 К исследованы вольт-гм-перные характеристики образцов с несоответствием параметров решеток Да г ю-Ю"3 А, которые имели слабую люминесценцию или не излучали во обще. Экспериментальные кривые содержат два участка экспоненциальной зависимости тока от напряжения з = }0е*р еи/е. Характеристический параметр ех на первом участке (область малых напряжений) равен 2-3 кт, на втором участке величина примерно вдвое больше. Особенностью ВАХ на первом участке является аномальное поведение в зависимости от температуры: увеличение е1 с понижением температуры, которое не объяс няется известными механизмами токопрохождения. На втором участке вели чина слабо зависит от температуры, что характерно для туннельного механизма.Наблюдаемые характеристики объяснены в рамках модели тун-нельно-рекомбинационных токов, учитывающей перераспределение приложен ного напряжения между областями обеднения вследствие перезарядки поверхностных состояний донорного типа. Первый участок ВАХ определяется сопротивлением обедненного слоя со стороны слаболегированного полупро водника; второй участок объясняется туннельным преодолением барьеров л обеих сторон гетероперехода. Аномальное поведение е: с температурой связано с изменением степени заполнения ПС. Получены соотношения, свя эывающие экспериментальные параметры ВАХ с функцией заполнения ПС. Оценены основные характеристики ПС: их энергетическое положение, концентрация и степень заполнения в зависимости от напряжения и температуры.

В этой же главе приводятся результаты исследования влияния неиде ального изотипного гетероперехода на формирование ВАХ двойной гетеро-структуры 1пБайвР/1пР методом линейных диаграмм, основанным на иэмере нии комплексной проводимости структуры в зависимости от частоты при различных напряжениях смещения. Показано, что распределение напряжения между анизотипным и иэотипным гетеропереходами является функцией приложенного напряжения. Наблюдаемые аномалии ВАХ и ВЕХ неидеальных ГС 1пВай5Р/1пР объяснены влиянием ПС на иэотипной гетерогранице.

В заключении изложены основные выводы:

I. Исследовано влияние несоответствия параметров решеток (Ж1Р) в широком интервале значений Да =(-20 * + 30)■10~а А на дефектную структуру эпитаксиальных слоев и люминесцентные свойства гетерострук-тур ;пбаА5Р/1пР с составом твердого раствора на длины волн 1,2-1,55 мхм. НПР даже в ракшах "докритических" значений существенно влияет на

эффективность электролюминесценции. Наибольшей эффективностью и наименьшей полушириной спектра люминесценции обладают гетероструктуры, иэорешеточные при техшературе эпитаксии. При комнатной температуре в таких ГС имеется отрицательное несоответствие параметров решеток активного слоя и прилегающих эмиттеров на величину (-4 -8)-10~3 А.

2. Методом микрокатодояюминеецентной топографии и локальной като долюминесценции исследованы характерные дефекты эпитаксиальных слоев и их связь с различными технологическими факторами (составом твердого раствора, толщиной и последовательностью слоев, их легированием, качеством подложки и др.).

3. Исследованы фотоэлектрические свойства ГС InGaAsP/inP в зависимости от несоответствия параметров решеток и проведен анализ спектральной зависимости и зависимости фототока от напряжения в неидеальных ГС в рамках модели фототока, учитывающей перезарядку поверхностных состояний н£ гетерогранице. Показано, что характер влияния HEP на фотоэлектрические характеристики определяется исходной зонной диаграм мой, знаком и концентрацией заряженных состояний на гетерогранице, типом основной легирующей примеси.

4. Показано, что несоответствие параметров решеток, существенно снижающее эффективность электролюминесценции ГС InGaAsP/inP, гораздо слабее сказывается на величине фоточувсгвительности: квантовый выход фототока в неидеальных структурах падает не более чем в два раза, а в некоторых случаях даже растет. Обнаруженное увеличение фоточувствительности в длинноволновой части спектра в неидеальных ГС InGaAsP/inP объяснпно возрастанием эффективности разделения носителей под действием поверхностных состояний донорного типа. Это доказывает возможность применения неидеальных структур InGaAsP/inP для создания эффективных фотоприемников.

5. Предложен метод построения зонных диаграмм неидеальных гетеропереходов по зависимости фототока от напряжения.

6. Методом моделирования спектров фототока определены параметры четверных твердых растворов: коэффициент поглощения, длина диффузии и скорость поверхностной рекомбинации. В согласованных при температуре эпитаксии структурах длина диффузии составляет (2,5 ± 0,5) мкм, скорость поверхностной рекомбинации ■ 10" см/с, в неидеальных структурах с Да > ± I0-I0"3 А длина диффузии уменьшается в 3-5 раз, скорость поверхностной рекомбинации возрастает примерно на порядок.

7. Исследованы электрические характеристики ГС InGaAsP/inP в за висимости от несоответствия параметров решеток. Показано, что в сильно неидеальных ГС в области малых напряжений имеют место два канала токопрохождения, конкурирующие с инжекцией: омические токи утечки и туннельно-рекомбинационные токи. Первый канал обусловлен объемными дефектами типа "включений" инородной фазы, шунтирующими гетеропереход, второй - наличием ПС донорного типа на гетерограниде.

8. Проведен анализ ВАХ неидельных ГС InGafisP/inP с учетом перезарядки ПС с изменением напряжения и температуры. Особенности ВАХ неидеальных ГП объяснены влиянием эффектов перезарядки ПС донорного типа туннельно-рекомбинационными токами. Получены соотношения, связывающие экспериментальные параметры ВАХ с функцией заполнения ПС. Оценены основные характеристики ПС: их энергетическое положение, концентра ция и степень заполнения в зависимости от напряжения и температуры.

9. Разработан метод линейных диаграмм для раздельного определения электрических параметров гетеропереходов в двойной гетерострукгу-ре, основанный на измерении комплексной проводимости ГС в зависимости от частоты и приложенного напряжения. С помощью этого метода получены раздельные характеристики анизотипного и изотипного гетеропереходов

в структурах InGafisP/inP и показано, что изотипный гетеропереход с большой плотностью состояний на гетерогранице может вносить существен ный вклад в формирование ВАХ всей гетероструктуры.

10. В результате проведенных исследований даны рекомендации по Ьыбору оптимальных технологических условий для достижения высокого внутреннего квантового выхода (^ЙО-^ЭОЯ) гетероструктур InGaAsP/inP. Изготовлены эффективные светодиоды пленарной и торцевой конструкций для волоконно-оптических линий связи.

Основные материалы диссертации изложены в работах:

1. Гуляев Ю. В., Мильвидский М. Г., Долгинов Л.М., Кузнецов Г. Ф., Страхов В.А., Чусов И.И., йэвченко Е.Г., Яременко Н.Г., Иванов В.Ю. "Влияние рассогласования периодов решеток эпитаксиальных слоев в ДГС InGaAsP/inP на электрические и люминесцентные характеристики свето-диодов на 1,3 мкм". Тезисы доклада на Всесоюзной конференции ВОЛС-3, г.Москва, 1981.

2. Гуляев Ю.В., Дворянкин В.Ф,, Страхов В.А., Телегин A.A., Фишер Л.Ф., Яременко Н.Г. "Получение и исследование двойной гетеро-

структуры inGaAsP/inP, излучающей свет на х=1,5 мкм". Тезисы доклада на Воесоюз.конф. ВОЛС-3, г.Москва, 1981.

3. Гуляев Ю.В., Дворянкин В.Ф., Кяргинская Л.Г., Страхов В.А., Телегин A.A., Фишер Л.Ф., Чусов И.И., Яременко Н.Г. "Люминесцентные

и фотоэлектрические свойства ДГС, излучающих на длине волны 1,5 мнм" №>, 1982, т. 52, в. 6, с.

4. Гуляев Ю. В., Страхов В. А., Чусов И. И., Яременко Н. Г. "Раздель ное определение электрических характеристик переходов в двойных гете-роструктурах InGaAsP/inP". Тезисы доклада на 111 Всесоюз.конф. по физическим процессам в п/п гетероструктурах, г.Одесса, 1982.

5. Гуляев Ю.В., Дворянкин В.Ф., Кяргинская Л.Г., Страхов В. А., Телегин А. А., Фишер Л. Ф., Чусов И. И., Яременко Н. Г. "Люминесцентные

И фотоэлектрические СВОЙСТВа ДГС InGaAsP/inP на длину волны 1,5 мкм" Тезисы доклада, там же.

6. Карачевцева М.В., Страхов В. А., Телегин A.A., Фишер Л.Ф., Яременко Н.Г. "Исследование спектров фотоздс двойных гетероструктур InGaAsP/inP". Тезисы доклада, там же.

7. Gulyaev Yu.V., Strachov V.A., Chusov I.I., Yaremenko N.U. "Determination of electrical characteristics of junctions in double heterostructures by linear diagram method". Proceedings of the 9th USSR-Japan Electronics Symposium an Properties of Compound Semiconductors and Their Applications to Devices, Moscow, 1902.

8. Gulyaev Yu.V., Dvoryankin V.F., Michaleva L.F., Strachov V.A.

Telegin A.A., Yaremenko N.U. "Luminescence and Photoelectric Study

of the DH InP-In Ga As P at the. л ь 1.5 um". Там Же.

* î-x у 1-у r w

9. Гуляев Ю. В., Мильвидский М.Г., Долгинов Л. М., Кузнецов Г. Ф., Страхов В.А., Чусов И.И., Извченко Е.Г., Яременко Н.Г., Иванов В.Ю. "Влияние рассогласования периодов решеток зпитаксиальных слоев в ДГС InGaAsP/inP на электрические и люминесцентные характеристики светоди-одов на 1,3 мкм". Депонирована в ВИНИТИ, № 5010, 1983.

10. Гуляев Ю. В., Страхов В. А., Чусов И. И., Яременко Н.Г. "Исследование электрических характеристик двойных гетероструктур (ДГС) методом линейных диаграмм". Радиотехника и электроника, 1983, т.23,

в. 3, с. 569.

11. Петров В.И., Прохоров В.А., Страхов В.А., Яременко Н.Г. "Исследование инфракрасной котодолюминесценции в полупроводниковых соединениях л1ПвУ и в твердых растворах на их основе". Известия АН СССР,

серия фиэич., 1984, т. 48, в. 9, с.1739.

12. Петров В.И,, Прохоров В.А., Рнчкова О.В., Страхов В.А., Юно-вич А.Э., Яременко Н.Г. "Люминесценция эпитаксиальннх двойных гетеро-структур inP/inGaAsP в растровом электронном микроскопе". Тезисы доклада на Всесоюзном симпозиуме РЭМ-84, г.Звенигород, 1984.

13. Петров В.И., Прохоров В.А., Рычкова 0.В., Страхов В.А., Юно-вич А.3., Яременко Н.Г. "Исследование эпитакоиальных двойных гетеро-структур inGaAsP-inP методами катодолюминесценции в РЗМ и фотолюминесценции", Известия АН СССР, сер. фиэич., 1984, т.48, в.12, с.2404.

14. Страхов В. А., Яременко Н. Г., Телегин А. А., Оганджанян В. А., Карачевцева М.В., Михалева Л.Ф., Петров В.И., Прохоров В.А. "Исследование влияния несоответствия параметров решеток эпитаксиальннх слоев на люминесцентные свойства гетероструктур ineaAsP/inP, излучающих на длине волны 1,5 мкм". ФТП, 1985, т. 19, в. 4, с. 601.

15. Гуляев Ю. В., Карачевцева М.В., Страхов В. А., Чусов И. И., Яременко Н.Г. "Фотоэлектрические свойства неидеальных гетероструктур inP/inGaAsP". Тезисы доклада на X Всесоюзной конференции по физике полупроводников, г.Минск, 1985.

16. Карачевцева М.В., Петров В.И., Шабалин A.B., Страхов В.А., Телегин А.А., Дворянкин В.Ф., Яременко Н. Г. "Катодолюминесцентные ис следования слоев в гетероструктурах inßaAsP/inP на длины волн 1,2 и 1,5 мкм". Тезисы доклада на Всес. симпозиуме РЗМ-86, Звенигород, 1986

17. Петров В. И., Дворянкин В. Ф., Карачевцева М.В., Страхов В. А., Телегин А.А., Шабалин А.В., Яременко Н.Г. "Катодолюминесцентные иссле дования гетероструктур inGaAsP/inP", Известия АН СССР, сер. физ., 1987, т.51, № 3, с.447.

18. Карачевцева М.В., Страхов В. А., Яременко Н. Г. "Фотоэлектрические свойства неидеальных гетероструктур inGaAsP/inP", ФТП, 1988, т. 22, в. II, с. 1936.

Цитируемая литература

1. Шик А. Я. "Вольтамперная и вояьтфарадная характеристики реальных гетеропереходов". ФТП, 1980, т. 14, в.9, с.1728-1738.

2. Шик А.Я., Шмарцев Ю.В. "Фотоэлектрические свойства неидеальных гетеропереходов". ФТП, 1981, т.15, в.7, с.1385-1392.

3. Шик А.Я. "Туннельно-рекомбинационные токи в неидеальных гетеропереходах". ФТП, 1983, т. 17, в. 7, с. 1295-1298. /" / i _. __ i .-j,' ■. /

Подписано в печать 16.03.1993 г. Формат 60x84/16.

Объем 0,93 усл.п.л. Тираж 100 экз. Ротапринт ИРЭ РАН..сак.33.