Разработка и исследование гетероструктур InGaAsP/InР легированных различными примесями для высокоэффективных излучателей тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ ЬйаАэР/ЕпР ДЛЯ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ. С.

ДЛИНОЙ ВОЛНЫ ИЗЛУЧЕНИЯ 1,3 МКМ (ОБЗОР)

1.1. Твердые растворы МаМР, изопериодические с 1пР.

1.1.1. Краткая характеристика системы ГпСаАзР - 1пР

1.1.2. Данные по фазовой диаграмме 1пбаА&Р - 1пР.М

1.1.3. Особенности получения слоев ГпбаАвР жидкофазной эпитаксией.^

1.1.4. Легирование и получение нелегированных: эпитаксиальных слоев.

1.1.5. Свойства эпитаксиальных слоев.

1.2. Гетероструктуры ЬйаАбРДпР для излучателей

1.2.1. Особенности получения гетероструктур

1.2.2. Свойства и параметры излучателей на основе гетероструктур

1.3. Выводы.

ГЛАВА 2. МЕТОДИКИ ПОЛУЧЕНИЯ И ЛЕГИРОВАНИЯ ГЕТЕРОСТРУКТУР

1пбаАвР/1пР. МЕТОдаКИ ИЗМЕРЕНИЙ.ш££т

2.1. Установка для жидкофазной эпитаксии.

2.2. Методика получения эпитаксиальных слоев 1пР, 1пСаА&Р и гетероструктур на их основе для излучателей

2.3. Методика легирования различными примесями.

2.4. Методика изготовления излучателей.

2.4.1. Методика изготовления лазеров.

2.4.2. Методика изготовления светодиодов.

2.5. Методики измерений.

2.5.1. Методики определения концентрации носителей заряда, состава, толщин слоев, положения р-п-перехода.и. несоответствия параметров решетки . ^

2.5.2. Методики исследования фото- и электролюминесценции и внешнего квантового выхода излучения. . ^

2.6. Выводы.&Q

ГЛАВА 3. ОСОБЕННОСТИ ЛЕГИРОВАНИЯ ГЕТЕРОСТРУКТУР InGaAsP/InP

РАЗЛИЧНЫМИ ПРИМЕСЯМИ И ИХ ЛКЖНЕСЦЕНТШЕ СВОЙСТВА . M

3.1. Особенности легирования эпитаксиальных слоев различными примесями и их люминесцентные свойства. . №

3.1.1. Нелегированные эпитаксиальные слои.

3.1.2. Эпитаксиальные слои, легированные редкоземельными. . элементами и изотипные ДГС на их основе.

З.Т.З. Эпитаксиальные слои, легированные Sn и Se. и. изотипные ДГС на их основе.

3.1.4. Эпитаксиальные слои, легированные Zn, Cet и М^ и изотипные ДГС на их основе.^

3.2. Сравнительное исследование квантового выхода ани-зотипных InGaAsP/InP гетероструктур с промежуточным слоем при оптическом и токовом возбуждении.

3.3. Исследование влияния термообработки на квантовый выход излучения изотшшых и анизотипных гетероструктур.°

3.4. Выводы.¿

- 4 - Стр.

ГЛАВА 4. СВОЙСТВА И ПАРАМЕТРЫ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ

НА ОСНОВЕ ГЕТЕРОСТРУКТУР МаАзР/ЫР {Я-1,3 МКМ) . ||

4.1. Лшинесцентные свойства спонтанных излучателей.

4.1.1. Спектральный состав излучения.

4.1.2. Светодиоды плоской конструкции . . . . /-?

4.1.3. Светодиоды мезаконструкции. ■гзг

4.1.4. Торцевые светодиоды . /з?

4.2. Люминесцентные свойства когерентных излучателей

4.2.1. Лазеры с широким контактом.

4.2.2. Полосковые лазеры

4.3. Выводы

Основные успехи в разработке приборов на основе гетерострук-тур связаны с освоением гетеропереходов в системе Мвакэ/Ъакэ, имеющих малое различие параметров решетки 0,14$). На основе таких гетероструктур бил впервые реализован непрерывный режим генерации полупроводниковых лазеров при комнатной температуре [70А1], созданы с вето диоды с внутренним квантовым выходом излучательной рекомбинации, близким к 100$ [ 75А1 ], создан ряд новых и усовершенствованы ранее известные приборы, которые создавались на основе р-п-гомопереходов Г77А1 ]. Стремление создать гетероструктуры с полностью совпадающими параметрами решетки, а также расширить спектральный диапазон работы полупроводниковых приборов обусловило поиск новых материалов, пригодных для создания "идеальных" гетеропереходов.

В 1970 году Ж.И.Алферовым и др.[711А1]бшг предложен принцип изопериодического замещения в многокомпонентных твердых растворах и, в частности, в системе ЬгёаАэР, позволяющий получать полное совпадение параметров решетки контактирующих материалов в гетеро-структурах при различной ширине их запрещенной зоны;1 Ширина запрещенной зоны таких твердых растворов, изопериодических с 1пР, изменяется от 0,73 эВ до 1,35 эВ цри 300 К, На этот же спектральный диапазон /1 = 0,92 - 1,7 мкм приходится минимум потерь и нулевая дисперсия в современном кварцевом стекловолокне [ 75Р1, 79М1], что делает твердые растворы 1пСаА$Р, изопериодические с 1пР, весьма перспективными для изготовления излучающих и фотоприемных приборов для систем волоконно-оптических линий связи (ВОЛЮ). Низкие потери сигнала, широкая полоса частот, нечувствительность к внешним электромагнитным полям и другие преимущества оптических систем передачи, приема и обработки информации предопределяют необходамость замены существующих электрических систем на ВОЛЮ.

В связи с этим, большой практический и научный интерес представляет задача создания высокоэффективных излучающих гетерострук-тур ЬйаАзРДпР для ВОЛС.

К началу выполнения данной работы (1980 год) в литературе практически отсутствовала информация об особенностях легирования слоев 1пР и МаЛвР в процессе кидкофазной эпитаксии (ЖФЭ). Это в большей степени относится к акцепторным примесям, так как наибольшую трудность при создании гетероструктур представляет легирование именно этими примесями. Информации о легировании редкоземельными элементами (РЗЭ) в процессе ЖФЭ в литературе вообще не было? Также практически не было информации о том какими должны быть оптимальные параметры гетероструктур 1пбаАзР/1пР для высокоэффективных излучателей. Поэтому настоящая работа, посвященная разработке и исследованию гетероструктур 1пбаАзР/1пР, легированных различными примесями, для высокоэффективных спонтанных и когерентных излучателей представляется актуальной как с научной, так и с практических точек зрения.

Основной целью данной работы было следующее.

Разработка технологии изготовления и исследование свойств гетероструктур легированных различными примесями с целью оптимизации параметров высокоэффективных светодиодов и лазеров излучающих на длине волны 1,3 мкм. Достижение поставленной цели распадалось на решение следующих основных задач:

1. Исследование технологических особенностей легирования слоев 1пР и 1пбаАзР в процессе ЖФЭ донорными С$п, Ье), акцепторными (£п, СМ^) и редкоземельными примесями.

2. Оптимизация параметров гетероструктур 1пСаА5Р/1пР, легированных различными примесями, для высокоэффективных излучателей.

3. Разработка и создание высокоэффективных светодиодов и лазеров на основе гетероструктур ЬйаАэРДпР с длиной волны излучения 1,3 дом.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения.

Основные результаты данной работы сводятся к следующему.

1. Впервые показано, что легирование IriP и InSaAsP в процессе ЖФЭ редкоземельными элементами, такими, как Gel, YS » ^d

S/77 позволяют уменьшить фоновую концентрацию донорных центров на несколько порядков.

2. Исследование низкотемпературной краевой люминесценции показало, что по мере увеличения в растворе-расплаве концентрации РЗЭ от 0,001 до 0,1 ат % получаемые слои модифицируются в следующем порядке: материал п-типа с улучшенными электрическими и оптическими свойствами, слабо компенсированный; высокоомный материал; чистый материал р-типа,

3. Показано, что при добавке РЗЭ в раствор-расплав в количестве 0,005 - 0,1 ат % концентрация электронов в IriP может быть снижена до 10^ - 10"^см~3, а их подвижность црй 77К достигает (20 - 50) 10® см^/В.с даже в графитовой кассете.

4. Установлено, что при легировании Zu в процессе ЖФЭ , в отличии от Сd и Мр- , всегда происходит его перенос через газовую фазу в соседние растворы-расплавы независшую от его месторасположения в кассете и диффузия в подложку перед началом процесса наращивания. Кроме того, в процессе роста всегда происходит смещение р-п перехода от металлургической границы за счет диффузии, в большей степе ни в случае и меньшей - в случае Сс/ и Му.,

5. Показано, что попадание акцепторных примесей в активную область излучающих гетероструктур InSaAsP/IriP сильно снижает их квантовую эффективность. Наиболее эффективными являются ДГС с нелегированной активной областью.

6. Установлено, что осаждение промежуточного нелегированного слоя перед наращиванием Р-эмиттера ДГС предотвращает попадание акцепторов в активную область и позволяет создать высокоэффективные излучатели.

7. Разработана гибридная технология изготовления излучателей, включающая создание изотипнои У -п-д/ ДГС 1пЗаА5Р/1пР Ж&Э и диффузию С с/ в атмосфере фосфора вУ - эмиттер. Достоинство этой технологии состоит в том, что термообработка при диффузии дополнительно увеличивает квантовую эффективность.

8. Созданы высокоэффективные светодиоды на основе ДГС 1п0аА5Р/1пР различных конструкций с длиной волны излучения 1,3 мкм и следующими параметрами при 300 К;

- мезаконструкции с размером излучающей области ~ 100 мкм и^- 40%,

- плоской конструкции с размером излучающей области — 100 мкм и

Ь * 16%,

- торцевые с матированным сколом и - 6%.

9. Созданы низкопороговые мезаполосковые лазеры, работающие на длине волны 1,3 мкм в непрерывном режиме при комнатной температуре с пороговым током 1ПОр = 15 мА и мощностью излучения 15 мВт в одну сторону в одномодовом режиме до I = 3 '1ППТ).

ОСНОВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ

РАБОТАХ

1. К.А.Гацоев, А.Т.Гореленок, А.Г.Дзигасов, В.Н.Мдивани, И.'СЛара-сов, А.С .Усиков. "Фотолюминесценция эпитаксиальных слоев 1пР и InSaAsP, легированных in, Ве, М^ и Sn". Труды 8-го координационного совещания "Полупроводниковые приборы и фотопреобразователи солнечной энергии", Ереван, изд. АН Арм.ССР, 1982 г., с. 20-29.

2. В.Г.Агафонов, Д;3;Гарбузов, К.А.Гацоев, А.Т.Гореленок, А.Г; Дзигасов, Н.Д.Ильинская, В.Н.Мдивани, И.С.Тарасов. "Светодиоды на основе InSaAsP/IriP у\ - 1,3 мкм с внешним квантовым выходом

- 40$ 300 К". Письма в ЖТФ, 1982 г., т.8, вып.5, с.262-266.

3. В.В.Агаев, Д.З.Гарбузов, К.А.Гацоев, А.Т.Гореленок, А.Г^Дзига-сов, М.К.Трукан, В.П.Чалый. "Эффективность излучательных переходов в ДГС InGaAsP/InP, легированных ¿?п". Письма в ЖТФ, 1982г., т.8, выш.5, с.267-271.

4. Ж.И.Алферов, Д.З.Гарбузов, К.А.Гацоев, А.Т;Гореленок, В.Г. Груздов, А.Г.Дзигасов, Н.Д.Ильинская, И.С.Тарасов, A.C.Усиков, В.Г.Агафонов. "Высокоэффективные светодиоды на основе InSaAsP/InP

Я = 1,3 и 1,55 мкм". Тезисы Ш Всесоюзной конференции по физическим процессам в полупроводниковых гетероструктурах". Одесса, 1982 г., т.2, с.38-40.

5. В.В.Агаев, К.А.Гацоев, А.Т.Гореленок, А.Г.Дзигасов, В.И.Колышкин, П.П.Москвин, В.С.Сорокин. "Исследование влияния термообработки ДГС InGaAsP/InP на квантовый выход люминесценции". Тезисы доклада Ш Всесоюзной конференции по физическим процессам в полупроводниковых гетероструктурах". Одесса, 1982 г., т.2, с.55-57.

6. Ж.И.Алферов, М.И.Беловолов, Д.З.Гарбузов, К.А.Гацоев, А.Т.Горе-ленок, А.Г.Дзигаоов, Н.Д.Ильинская, И.С.Тарасов. "Высокоэффективные светодиоды на основе 1пСаАзР/1пР у} =1,3 мкм для волоконно-оптических линий связи". Письма в ЖТФ, 1982 г., т.8, вып. 24, с.1473-1476.

7. Д.З.Гарбузов, К.А.Гацоев, А.Т;Гореленок, А.Г.Дзигаоов, Н.Д; Ильинская, В.Б.Халфин. "Торцевые спонтанные излучатели на основе ДГС 1п8аА5Р/1пР Л = 1,3 мкм с б$& при 300 К". ЖТФ, 1982г., т.53, вып.7, с.1408-1410.

8. К.А.Гацоев, А.Т.Гореленок, С.Л.Карпенко, В.В.Мамутин, Р.П.Сейсян, "Эффекты легирования редкоземельными элементами в низкотемпературной люминесценции 1пР". ФШ, 1983 г., т.17, вып.12, с.2140-2143.

9. Н.Т.Баграев, Л.С.Власенко, К.А.Гацоев, А.Т.Гореленок, А.В.Каманин, В.В.Мамутин, Б.В.Путный, В.К.Тибилов, Ю.П.Толпаров, А.Е. Шубин. "Влияние редкоземельных элементов на подвижность носителей в эпитаксиальных слоях 1пР МаАьР". ФШ, 1984 г., т.18, вып.1, с.83-85.

В заключении приношу глубокую благодарность академику Ж.И; Алферову за постоянное внимание и интерес к работе, моим научным руководителям А.Т.Гореленку и В.М.Андрееву за помощь и постоянное внимание к работе.

Я искренне благодарен своим коллегам А.Г.Дзигасову, И.С.Тарасову, Н.Д;Ильинской, Н.М.Шмидт, Д.З.Гарбузову, П.П.Москвину, Р.П. Сейсяну, В.В.Агаеву, Н.Т.Баграеву, Т.К.Аргуновой, Б.В.Пушному, В.Г. Груздову, А.С.Усикову, В.К.Тибилову, В.Н.Мдивани, В.ПЛалому, В.В. Мамутину, С.Г.Конникову, В.А.Евтихееву, М.К.Трукану, В.И.Ильиной за творческую атмосферу и плодотворные дискуссии, а также всему коллективу сотрудников лаборатории контактных явлений в полупроводниках, деловая атмосфера которого благотворно влияла на автора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Долгинов Л.М., Ибрахимов, Мильвидский М.Г., Рогулин В;Ю., Шевченко Е.Г. Высокоэффективная электролюминесценция в 6aj_InASjyPy. ФТП, 1975, т.9, В 7, с.1319-1323, 1976. 76А

2. Алферов Ж.И., Агафонов В.Г., Гарбузов Д.З., Давидш Н.Ю., Ларионов В.Р., Халфин В.Б, Многопроходные гетероструктуры. ФТП, 1976, т.Ю, 8, C.I497-I506.

3. Письма в ЖТФ, 1976, т.2, с.821-825. 76Б1, Богатов А.П., Долпшов Л.М., Елисеев П.Г,, Мильвидский М.Г,, Свердлов Б.Н., Шевченко Е.Г. Излучательные характеристики лазерных гетероструктур на основе InP/InGaAsP. ФТП, 1976, т,9, }Ь 10, 0.1956. 1977 77AI. Алферов Ж .И. Полупроводниковые гетероотруктуры. Ф Ш 1977, T.II, В II, с.2072-2083. 77А

4. Алферов Ж.И., Гореленок А.Т., Кольев П.С., Мдивани В.Н,, Тибилов В.К. Низкопороговые лазеры на основе гетероструктур в системе InSaAsP. Письма в ЖТФ, 1977, т.З, 2, с.1169 II7I. 77АЗ. Абдуллаев А., Агафонов В.Г., Андреев В.М,, Гарбузов Д.З., Ермакова А.Н., Пушный Б.В. Эффективность излучательной рекомбинации в твердых растворах Ata,. германием. ФТП, 1977, т.И, J 2, с.272-279. легированных 77А

5. Алферов Ж.И., Андреев В.М., Гарбузов Д.З., Давидюк Н.Ю., Пушный Б.В,, Чичуа Л;Т. Гетеросветодиоды с внешним квантовым выходом6. Письма в ЖТФ, 1977, т.З, с.657-661, 1978 78AI, Алферов Ж.И,, Гореленок.А.Т., К О Л Ы Ш Е Ш Н В.И,, Копьев П С Тарасов И.О., Мдивани В.Н., Тибилов В.К., Усиков А С Инфекционные гетеролазеры в системе InSaAsP с длиной волны излучения Я 1,3 1,5 мкм. Письма в ЖТФ, 1978, т.4., j 22, 0.1329-1333. a

7. Гореленок А.Т., Копьев П С Тарасов И.О., Тибилов В,К., Лтшнесцентнне свойства твердых растворов InSaAsP и гетероструктур на их основе. Материалы П Всесоюзной конференции по физическим процессам в. полупроводниковых гетероструктурах, 1978,, т,2, с Л П П З 78Г

8. Гарбузов Д.З,, Халфин В.Б., Чалый В.П, Тезисы доклада П Всесоюзной конференции по физическим, процессам в. полупроводниковых гетероструктурах, 1978, с.12, Ашхабад. 78Д1; Долгинов Л.М,, Ильин М.А., Мильвидский М.Г,,.Михайлова Н.Г., Раневская Е.П., Соловьева Е.В., Чупахина В.М, Электрические и оптические свойства твердых растворов InSaAsP, легированных теллуром, оловом и германием. ФТП, 1978, т. 12, 2, с.343-349. 78Д

9. Долгинов Л.М,, Дракин А.Е,,.Елисеев П.Г., Бердникова Т.В., Мильвидский М.Г., Орлов В.П,, Пантелев Ю.К., Свердлов Б.Н., Шевченко Е.Г. Высокоэффективные светодиоды на основе InSaAsP/InP* Квантовая электроника, 1978, т.5, II, с.2488. 1979. 79Г

10. Берт Н.А., Конников Г., Уманский В.Е,, Определение несоответствия параметров элементарной ячейки в полупроводниковых гетероструктурах методом широкорасходящегося пучка рентгеновских лучей, ФТП, 1980, т.14, .№.10, с.1899-1903. 80БЗ; Берт Н.А., Гарбузов Д.3., Гореленок, А.Т., Конников Г,, 1у!дивани В.Н,, Тибилов В.К,, Чалый В.П. Квантовый выход электролюминесценции в двойных ХпбаАзР-гетероструктурах. ФТП, 1980, T.I4, J 4, с.680-685. p 80Б

11. Баграев Н,Т., Власенко Л,С,, Лебедев А.А,, Юсупов П, Аномалии фотопроводимости в полупроводниках, легированных магнитными примесями. Письма ЖЭТФ, 1980, т.32, в.1, C.2I2-2I6, I98I. 8IAI. Агаев В.В., Гарбузов Д.З,, Гореленок А,Т., Мдивани В.Н., Чалый В.П. Двойные гетероструктуры InP-InSaAsP (s:I,3 мкм) с внешним квантовым выходом люминесценции 40 (ЗООК) ФТП, I98I, T.I5, Л II, .0.2285. 81Б

12. Берт Н.А«,,Гореленок А.Т., Конников Г., Уманский В,Е., Усиков АС. Экспериментальное определение коэффициентов термического расширения в гетероструктурах InP. 81Б

13. Безотосныи.В.В., Дураев В.П., Елисеев П.Г., Неделин Е.Т., Свердлов Б.Н., Шепекина Г.В., Шишкин.И.М.,Ресурсные характеристики гетероструктур InSaAsP/InP. Квантовая электроника, I98I, T.8, 9, C.I985-I987. QTLJ_J_-

14. Агаев В.В., Гарбузов Д.З., Гацоев К.А., Гореленок А.Т., Дзигасов А.Г., Трукан М,К., Чалый В.П,, Эффективность излучательных переходов в ДГС InGaAsP/InP, легированных f п. Письма в ЖТФ, 1982, т.8, в.5, с.267-271.. 82АЗ. Алферов Ж.И., Беловолов М.Г., Гарбузов Д.З.,.Гацоев К.А,, Гореленок А.Т., Дзигасов А.Г., Ильинская Н.Д,, Тарасов И.С. Высокоэффективные светодиоды на основе 1пЗаАбР/1пР (Г,3 мкм) для волоконно-оптических линий связи. Письма в ЖТФ, 1982, т.8, В.24, с.1473-1476.

15. Берт Н.А., Гореленок А.Т., Дзигасов А.Г., Конников Г., Мдивани В.Н., Тарасов И.О., Усиков А.С. Определение упругих напряжений и величин несоответствия парагяетров решетки в гетероструктурах InSaAsP/InP по поляризации люминесценции, ФТП, 1982, т. 16, I, с.60-68. 82Б

16. Болховитянов Ю.Б. Контактные явления на границе,

17. Вельский А.А., Гореленок А.Т., Дзигасов А.Г,, Мамутин В.В., Некрасова Е.А, Получение нелегированнх слоев 1пР жидкостной эпитаксией. В кн. Полупроводниковые гетероструктуры и фотопреобразователи солнечной.энергии, с.6-9, 1982, Ереван. 82Г

18. Гореленок А.Т., Москвин П.П., Сорокин B.C., Усиков А.С, Особенности получения гетероструктур InSaAsP/InP с учетом кинетических эффектов. Тезисы докла,да Ш Всесоюзной конференции по физическим процессам в полупроводншсовых гетероструктурах, 1982, т.З, с.4-6, Одесса.

19. Сейсян Р.П. ФТП, 1983, T.I7, Ш 12, C.2I48-2I5I, 83Г

20. ГацоевК.А,, Гореленок А.Т,, Карпешсо С,Л,, Мамутин В.В,, и

21. Мастеров В.Ф., Романов В.В., Саморуков Б.Е., Штельма К.Ф, ЭПР и парамагнитная релаксация гадолиния в InP. ФТП, 1983, т.17, в.5, с.948-950. 83МЗ. Мастеров В.Ф., Романов В.В., Штельмах К.Ф. Парамагнитный резонанс и релаксация трехвалентного иттербия в фосфшде индия. ФТТ, 1983, Т.25, в.5, с.1435-1438.

22. Hsieh. Thickness and surface morphology of GaAs LPE layers grown by supercooling, step-cooling, equilibriumcooling and tv/o-phase soltition techniques. J.Crystal Growth, 1974, V.27, p.49-61. 1975 75P1 D.l.PeiTie, V/.A.Gambling. Zero material dispersion in optical fibers. Electron.Lett. 1975, v.11, p.176-178. 1976 7бА1 G.A.Antypas, J.Edgecumbe. Distribution coefficients of Ga, As, P during grov/th of InGaAsP layers by liquid-phase epitaxy. J. of Crystal Growth, 1976, v.34, 132-141.