Создание и исследование инфракрасных источников света на основе гетероструктур твердых растворов арсенида индия тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

РГ Б ид

1 з ФГ:В

/¿V , и ^ ~¿'/¿-с-.

Российская Академия Наук ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. А.Ф.И0ФФ2

На правах рукописи

МОИСЕЕВ КОНСТАНТИН ДМИТРИЕВИЧ

УДК 621.315.594

"Создание' и исследование инфракрасных источников света на основа гетероструктур твердых растворов арсенида индия"

(01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков) •

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математичэскшнаук

Санкт-Петербург 1994

т.

Робота выполнена в Ордена Ленина физико-техническом институте им.А.Ф.Иоффе РАН.

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук,

ведущий научный .сотрудник М.П.Михайлова. Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук А.Н.Пихтин,

кандидат физико-математических наук Б.В.Пушный.

Ведущая организация:

Санкт-Петербургский технический университет

Зэщгга состоится " 199 $~г. в часов

ка заседании специализированного совета К 003.23101 Физико-технического института им.А.Ф.Иоффе РАН 194021, Санкт-Петербург, К-21, ул.Политехническая,26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим высылать по указанному адресу на имя ученого секретаря специализированного совета.

Автореферат разослан Ученый секретарь

специализированного совета К 003.23.01

кандидат физико-математических наук Г.С.Куликов

• .

-3-

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Твердые растворы узкозонннх соединений А В на основе арсенида индия интересны тем, что на их основе могут бить созданы как источники, так и приемники излучения в средней- янфракрясноЗ области спектра (2-5 мкм). Это спектралышй диапазон актуален для задач лазерной диодной спектроскопии газов и молекул, слотом лазерной дальнометрии, инфракрасных волоконных лхгшй связи, а также медицинских применений и задач экологического мониторинга. В диапазоне длин волн 2-5 мкм находятся линии поглощения влаги *л целого ряда промышленных и природных газов (например: угл-з кислого газа, сероводорода, метана, формальдегида и др.). Эти и другие возможные ' применения оптоэлектронных приборов, работающих в интервале длин волн 2-5 мкм, остро ставят задачу создания элементной базы для данного спектрального диапазона.

Для указанных выше задач требуется высокоэффективные лазер1.; и светодиода, поэтому весьма актуальным является получение и исследование свойств твердых растворов на основе арсенида индия. В литературе большое внимание уделяется созданию оптоэлектрошшх приборов на основе твердых растворов Са1пАз5Ъ и ХпАсйЪР и в меньшей мере исследованию электрофизических свойств данных твердых растворов, изопэриодных с подложкой 1пАб. Кроме того, изучение гетероструктур на основе твердых растворов СаГлАеБЬ и 1пАзЗЬР представляет значительный научный интерес для изучения процессов рекомбинации носителей на гетерогранице и физики интерфейса.

В последние годы большое внимание уделяется созданию лазеров для спектрального диапазона 3-5 мкм. Необходимость в созданий лазеров среднего ИК-диапазона, работающих при температурах, близких к комнатной, стимулировало ряд новых нетрадиционных подходов к конструкта! лазерных ■ структур, поиск новых полупроводниковых материалов на основе соединений А3В5 арсенида индия, а также новых физических механизмов генерации излучения. Для создания таких лазеров на основе 1пЛз и его твердых растворов важно иметь хорояее электронное и оптическое ограничение, что может быть достигнуто при использовании слоев четвертых твердых растворов ТпЛзЗЬР с большим содержанием 1пР, а такаэ твердых растворов АПпл^ЗЬ. Однако, проблема получения таких слоев с предельным оод^рзкпттпм

1пР в литературе практически не исследовалась.

Бсльаое внимание в литературе было уделено получению и исследованию гетеропереходов Са1пАеЗЬ, изопериодннх с подложкой СаБЬ. Было установлено, что ' такие гетеропереходы являются гетеропереходами II типа и могут, в зависимости от состава,-образовывать как ступенчатые, так и разъединенные гетероструктуры. Фундаментальным свойством гетероперехода II типа является пространственное разделение электронов и дарок и их локализация в' самосогласованных квантовых ямах по обе стороны гегерсграницы. Это в значительной.степени определяет фотоэлектрические, оптические и транспортные свойства таких гетероструктур и оптоэлектронных приборов на их основе. В таких структурах была получена и изучена иглучательная рекомбинация, связанная с туннельными оптическими переходам! через гетерограницу II типа. Практически, ранее не исследовались гетероструктуры Са1пАзЗЪ/1пАз, которые также должны быть гетеропереходами II типа. Изучение таких структур весьма важно длл понимания физических процессов, протекающих ьблизи гетерограшщы, и создания структур с совершенной гетерограницей. Мх электролтминесцентные свойства также ранее не исследовались.

В рамках данной работы были впервые проведены комплексные исследования фотоэлектрических, гальваномагнитных и люминесцентных свойств твердых растворов Са1пАзБЬ и 1пАз8ЪР, изопериодных с подложкой 1пАг>, и их гетероструктур, а тают рассмотрены новые подходы к созданию лазерных структур на осноез данных твердых растворов.

[¡эль работы. Целью настоящей работы являлись поиск и исследование перспективных материалов и гетероструктур на основе твердых растворов арсенала индия для спектрального диапазона 2,5-4,0 мкм, а такие разработка ■оптоэлектроннных приборов (лазеров и светодиодов) на основе этих полупроводниковых материалов.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:

- разработка методики получения четверных твердых растворов 1«Ае8ЬР предельного состава (с максимальным содержанием 1пР в твердой фазе), изоперкодных с подложкой 1пАз;

- разработка II получение нового полупроводникового материала 1пл1/\/-.ЗЪ методом ЖФЭ;

«

. -5- получение изопериодных с 1пАз широкозошшх твердых растворов БаТпАзЗЬ;

исследование гальваномагнитнных, фотоэлектрических и люминесцентных свойств полученных слоев ■ и гетероструктур, установление зонных диаграмм гетеропереходов;

- создание длинноволновых лазерных структур для среднего ИК-диапазона с улучшенным электронным и оптическим ограничением на основе разработанных твердых растворов;

Научная новизна.

1. Экспериментально исследованы' диаграммы плавкости тройной системы 1п-ЗЬ-Р в широкой области концентраций при температурах Т=773-923 К и диаграммы плавкости четверной ' системы Хп-Ай-БЬ-Р (изопериодный разрез к 1пАз) по всей области составов при температурах Т=773-923 К.

2. Получены твердые растворы 1пА1хАзБЬу, изопериоднке с ХпАз, в интервале составов 0<х<0,1 в диапазоне температур Т=823-Э23 К методом ЖФЭ.

3. Созданы гетероструктуры на основе твердого раствора 1п0 1^СаАз0 исследованы их электрические и фотоэлектрические свойства' и построена зонная энергетическая диаграмма созданного гетероперехода.

4. Изучены гальваномагнитные свойства твердого раствора Са1п0 ^АЗд и установлено существование электронного какала с высокой подвижностью электронов (и=65000 см^/В*с при Т=77 К) в двумерном канале в одиночной гетероструктуре Р-1п0

р-1пАз на основе слаболегированных слоев твердого раствора.

5. В гетеропереходе Р-1пд 17СаДа0 925о/Р~1пА5 обнаружена й исследована интерфейсная электролюминесценция в спектральном диапазоне 3-4 мкм, обусловленная рекомбинацией электронов и дырок, локализованных по разные стороны гетерограницы.

6. Предложена и создана лазерная структура на основе разъединенного гетероперехода II типа Р-1п0 ^йаАЭд Р-Ш0 одСаАЗд 808Ь с улучшенным электронным ограничением и слабой температурной зависимостью порогового тока.

а) определены границы области несмешиваемости для твердых растворов 1пАзЗЬР и получены слои предельного состава (о

ма:ссималькым содержанием 1пР в твердой фазе), перспективные для создания излучательных структур с улучшенным . электронным ограхшчением;

б) разработана методика получения нового полупроводникового материала 1пА1АзБЬ на подпояске 1пАз методом ЖФЭ;

в) созданы светодиоды для спектрального диапазона 2,5-3,0 мкм, работающие при комнатной температуре на основе твердых растворов 1пАзБЬР предельного состава, изопериодных с 1пАз, с внешней квантовой эффективностью 0,02-0,03% и с полушириной полосы излучения ДЬу=70 мэВ;

т) создан лазер на основе одиночного разъединенного гетероперехода II ' типа Р-1п0 1ТБаАз0 223^Р~1по 80^ на

длину волны Х=3,26 шш с пороговой плотностью тока 3^=2 кА/см2 при 1=77 К, работающий в импульсном режиме в интервале температур 1^77-112 К. Получено высокое значение характеристической температуры То=60 К в интервале Т=77-100 К.

На защиту быносятся следующие научные положения:

1. Интервал существования твердых растворов 1пА51_х_у5ЬуРх ограничивается областью спинодального распада и областью ограничения по условию молекулярности, а предельный состав находится на пересечении границ этих областей и составляет х=0,39, при этом оптимальная температура выракдаания Т=813 К.

2. Гетеропереход ва0 зз1п0 17Аз0 2231)о 78/*пАз является разъединенном гетеропереходом II типа, в котором потолок валентной зоны широкозонного материала находится выше дна зоны проводимости узкозонного полупроводника на величину ДЕ=60 мэВ»

3. Электролюминесценция в изотипных разъединенных гетерсструктурах II типа Р-Са1п0 ^^о ^Р51 0<3Ра,1Н0М смещении (отрицательный потенциал на узкозонном полупроводнике) обусловлена туннельной излучательной рекомбинацией электронов и дырок, локализованных по разные стороны гетерограницы.

4. Создана лазерная структура, содержащая в качестве активного элемента одиночный разъединенный гетеропереход II типа Р-Са1п0 1ТАв0 225ь/Р"Са1по 83Аб0 80ЗЬ' а в качестве оптического ограничения 'твердые растворы 1пАлБЬуРх предельного состава (х=0,31), излучающая на длине волны Л.=3,26 мкм при Т=77 К, при этом пороговый ток экспоненциально зависел от температуры

Iíh~exp(T/TQ) с характеристической температурой TQ=60 К в интервале температур 77-100 К.

Апробация ряПотн. Результаты работа докладываюсь на Всесоюзных и Международных конференциях: Республиканская конференция по физико-химическим основам получения и исследования полупроводниковых материалов в твердом и жидком состояниях (Куляб,1989); III Всесоюзная конференция моделирования и роста кристаллов (Рига, 1990); Республиканская конференция "Перспект/.ьшо материалы твёрдотельной.электроники. Твердотельные преобразователи в автоматике и робототехнике" (Минск1,1990); Fall Ketting Material Reseach Society (Boston,1990); The Intematlnal Congress Of Optical Science And Engineering (H3gue,1991); 3 Europlan Conference On Cristal Growth (Budapest,1991); Hanostructures Physics And Technology (St.Peterburg,1994); 7th International Conference on Superlattice Mlcrostructures and Microdevices (Canada,1994).

• Публикации, Материалы диссертационной работы отражены е 10 печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.

Структура таслертаттта. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Она содержит Sé страниц текста,уу рисунка, таблицы и список литературы из работ.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность исследований, проведенных в данной работе, сформулирована ее цель, изложены основные результаты работы и представляемые к защите.научные положения.

Первая глава носит обзорный характер и посвящена литературном данным по четырехкомпонентнымтвердым растворам InGaAsSb и InAsSbP, выращенным на подложке InAs, а также источникам света, созданным на их основе. Показано, что твердые растворы GaInxAs Sb и InAsSbyPx позволяют получать гетероструктуры, изопериоднне с подложками GaSb и InAs, которые могут быть использованы для создания оптоэлектронных приборов, работающих в спектральном диапазоне 2,5-5,0 мкм.

Отмечено, что наиболее подробно в литературе изучены твердые растворы GaInxASy.Sb, изопериоднне с подложкой GaSb, в интервале составов 0<х<0,.83 СП, а также изопериоднне с подложкой 1пАз для

интервада составов 0,90<х<0,97 С21. На основе модели регулярных растворов для четверной системы Са-Хп-АБ-ЭЬ были получены данные о существовании области несмешиваемости е примерном интервале составов 0,3<х<0,7, а также рассмотрена область существования твердых, растворов в системе 1п-А5-БЬ-Р, изопериодных с подложкой 1гЛз, и оценено максимальное содержание 1пР в твердой фазе (х=0,45) [3]. Ранее было установлено, что твердые растворы СаТп^АБуЗЬ, изопериодные с подложкой СаБЬ, могут образовывать гетеропереходы второго типа как ступенчатые, так и разъединенные, в зависимости от состава твердой фаза [13.

Люминесцентные и фотоэлектрические свойства гетероструктур Са1пхА£у5Ь/ЕаЗЬ были подробно изучены. До начала настоящей работы в литературе имелось очень мало данных по созданию и исследованию электрофизических свойств эпитаксиальных слоев и гетероструктур на основе твердых растворов 1пАвБЬуРх и Са^АЗуБЬ, обогащенных ваБЬ, выращенных на подложке 1пАб. Хотя большое внимание уделялось разработке оптоэлектронных приборов на основе упомянутых выше твердых растворов. Так, на основе гетероструктур СатАвЗЬАЗаЗЬ были созданы лазеры и светодиоды, работающие в спектральном диапазоне 1,8-2,4 мкм при комнатной температуре [4]; на основе гетероструктур 1пАеЗЬР/1пАБ созданы светодиоды, работающие в спектральном диапазоне 3,0-4,3 мкм при комнатной температуре С6]; на основе твердых растворов 1пАзЗЪуРх были получены ДГС-лазерные структуры с узкозонными активными слоями на основе 1пАз.|_уЗЬу, работающие в интервале температур 77-140 К в непрерывном режиме с характеристической температурой То=30 К С5].

Вторая глава является методической и содерлсит описание» технологии получения слоев твердых растворов 1пАвЗЬР и 1пА1АзЗЬ, изопериодных с подложкой 1пАв, также описание экспериментальных установок. В качестве подложек использовались монокристаллические пластины зрсенида индия, ориентированные в кристаллографической плоскости (100) и (111).

Для получения твердых растворов Са1пхАзуЗЬ и 1пАзЗЬуРх методом ЖФЭ необходимо знать диаграммы плавкости четырехкомпонентных систем Са-1п-Ав-Б1э и 1п-Аз-ЬЬ-Р, а .также области существования данных твердых растворов. Наиболее распространенны?/ методом расчета диаграмм фазового равновесия

данных четверных систем является метод регулярных растворов, который не дает удовлетворительного согласия мевду расчетными данными и экспериментальными результатами. Для построения диаграмм плавкости и исследования криЕых кристаллизации для чвтырехкомпонентшх систем 1п-Аз-ЗЬ-Р и А1-1п- Аз-БЬ была использована методика расчета фазовых равновесий, разработанная ранее в [71. Экспериментально были получены .диаграммы плавкости для бинарной и тройных подсистем: 1п-Р, 1п-Аз-Р и 1п-БЪ-Р. С помощью предложенной модели термодинамического расчета фазовых равновесий была подробно исследована четырехкомпонентная система 1п-Ав-БЬ-Р. Нам удалось с достаточно большой точностью рассчитать фазовые диаграммы равновесия расплав-твердое тело для четверной системы Гп-Аэ-ЗЬ-Р. На основании расчетных данных были построены кривые кристаллизации, которые хорошо согласуются с нашили экспериментальными данными.

Было показано, что при гетероэпитаксиальном наращивании достаточно толстых слоев твердого раствора 1пАаЗЬуРх (порядка 1 мкм и более) происходит значительное изменение состава твердой фазы вдоль составляющей направления роста, нормально ориентированной к подложке. Наш были рассчитаны зависимости состава твердого раствора от толщины эпитаксиального слоя для системы. 1п-Аз~БЬ-Р, а также зависимость толщины эпитаксиального слоя от интервала охлавдения данной системы, которые хорошо согласуются с экспериментальными данными, полученными методом ЖФЭ. Таким образом, мы можем с высокой точностью прогнозировать получение эпитаксиальных слоев с заранее заданными свойствами.

Используя метод расчета, предложенный в СТ], мы рассчиталй область несмешиваемости для системы 1п~Аэ-ЗЬ-Р. Известно, что есть ограничение на существование твердых растворов, связанное с их диффузионной неустойчивостью (область спинодального распада). Оно вытекает из условий фазового равновесия твердое тело - твердое тело. Область этого ограничения расширяется с падением температуры эпитаксии.Тем не менее, существует еще одно ограничение, независимое от упомянутого выше, - ограничение по условию молекулярности, вытекающее из условий фазового равновесия расплав-твердое тело. Это связано с тем, что 1гри всех температурах вито температуры плавлетм самого легкоплавкого соединения, обрпзупцего

твердый раствор, существует область составов твердой фазы, -в равновесии с которой не находится ни одна зждкая фаза. Эта область расзкряется с увеличением температуры эпитаксии.

Пересечение этих двух областей ограничения существования твердых растворов InAs5byPx позволяет определить температуру, при которой можзт быть выращен наиболее широкий по составам непрерывный ряд твердых растворов. Области двух ограничений пересекаются примерно при температуре Т=813 К и соответствующем количестве фосфэра в твердой фазе, равном 38-39 мол.%. С ростом температуры эпитаксии максимально доступная концентрация InP в твердом растворе ■ уменьшается. Так, при температуре Т=843 К она составляет х=0,31; при Т=8?3 К - х=0,26; при Т=923 К - х=0,19. Экспериментально полученные эпитаксиальные слои твердого раствора JnA£3byPx предельного состава содержали в твердой фазе х=0,35 при температуре эпитаксии Т=823 К.

В рамках настоящей работы нами была разработана методика получения нового твердого раствора AlInAsSb. В литературе ранее отсутствовали прямые, экспериментальные данные по диаграммам плавкости четырехкомпонентной системы In-Al-As-Sb, а также ее трехкгалпонентннх подсистем Al-As-Sb,Al-In-Sb и бинарной подсистемы Al-As. Это связано с трудностями ее получения, обусловленными' высокими коэффициентами сегрегации As и особенно Al, в то ке время для систеш 1п-А1 происходит расслаивание жидкой фазы уже , в расплазе. Сложность получения эпитаксиальных. слоев четверной системы In-Al-As-Sb на подлокке InAs определила оригинальность проведения процесса выращивания. С помощью оригинальной методики эпитаксяальнсго наращивания нам впервые удалось синтезировать методом КФЭ слои твердая растворов AlxInAsSby, изоперисдныэ с подложкой InAs в интервале составов 0<х<0.1 при температурах Т=873-973 К. Значения ширины запрещенной зоны для составов твердых растворов е интервале 0,02<х<0,10, установленные нами при исследовании фотолюминесценции, хорошо согласуются с расчетными данными. Ширина запрещенной зоны твердого раствора Al0 06InAsSb0 05 составила 5^510 мэВ при Т=4,2 К. Полуширина спектра была 20 мзВ. Оценка количественного состава слоя твердого раствора производилась на рентгеноструктурном микроанализаторе САМЕБАХ.

. -11-

состоит из двух частей. Первая часть посвящена

исследованию электрических и фотоэлектрических свойств получоп;шх нами твердых растворов 1а^£ЗЬуРх, изопериодных с подлоаасо^ 1пЛс.

Отмечено, что в первом приближении ширину запрещенной зош! тзердого раствора 1пАзБЬуРх можно оценить с помощью полуэмпирической: формулы (1), в которой Е., Судет представлять собой сумму ширин запрещенных зон тройных систем 1пЛзР,ХпАсЗЬ и ТпБЬР, составляющих ее:

где С- параметр прогиба тройного соединения.

Для тройного соединения 1пЗЬ? значение параметра прогиба неизвестно. В литературе для расчета зависимости Е^ четверного твердого раствора от состава величины С1п5ьр выбирались авторами из существующих экспериментальных данных. В нашем случае ширина запрещенной зоны полученных эпитаксиалышх слоев 1пАз5ЬуРх экспериментально оценивалась из данных, по фотолюминесценции и по полуспаду длинноволнового края при исследовании спектров собственной фотопроводимости. Подставляя в (1) полученные экспериментальные данные ширины запрещенной зоны ГпАзЗЬР, определенной из исследований фотолюминесценции и фотопроводимости, и количественного анализа слоев твердого раствора 1пАеЗЬ.,Р , изопериодных с подложкой 1пАа, была определена величина параметра прогиба равной 2,2 эВ с точность» +0,2 эВ, а также

построэна расчетная зависимость Е„, от состава, которая удовлетворительно согласуется с экспериментальными дапшми. Для изопериодных эпитаксиалышх слоев твердого раствора 1пАзВЬ„Рх такие было установлено соотношение между величинами 1пР и 1пЗЬ в твердой фазе. Оценка изопериодности равна х=2,08*у..

Известно, что зона проводимости в узкозонных полупроводниках типа 1пАз и 1пйЬ изотропна и непараболична, что проявляется в изменении величины эффективной массы электронов при увеличении степени легирования и должно сказываться на свойствах материала. Нами впервые был исследован энергетический спектр зоны проводимости в твердых растворах 1г.Аз5Ь Р , легированных То, с

л (Т «У* сЛ 1

концентрацией электронов .от Ю до 10 см и выявлен закон дисперсии электронов.

(1)

С этой целью проводилось комплексное исследование гальваномагнитных и фотоэлектрических свойств эпитаксиальных слоев твердых растворов: исследовались эффект Шубникова-де Гааза в интерзале температур 4.2-16К и эффект Холла в интервале температур 77-300K, измерялась электропроводность, исследовались спектры собственной фотопроводимости. Отсюда определялась эффективная масса электронов в зависимости от степени легирования, что и давало картину энергетической структуры зоны проводимости данного твердого раствора. Отмечено, что атомы олова и теллура являются донорными примесями для твердых растворов InAsSbyPx. Однако, в малых количествах вводимой примеси олово проявляет себя как амфотерная примесь, что может быть связано с близостью ковалентного радиуса олова к ковалентным радиусам индия и сурьмы. Для твердого раствора InAsSby.Px были определены коэффициенты сегрегации теллура и олова равными СТе=0,6-0,9 и CSn=0,01.

Ьторзя часть третьей главы посвящена созданию и детальному исследованию гетеропереходов InQ 17GaAsQ g^Sb/InAs, изучению их вольтамперных, вольтемкостных и фотоэлектрических характеристик, установлению зонной энергетической диаграммы. Рассмотрены особенности изотишого разъединенного гетероперехода II типа Р-InGaAsSb/p-InAs на основе слаболегированных слоев твердого раствора. Установлено существование электронного канала с высокой подвижностью в изстшпюй P-JnGaAsSb/p-InAs гетероструктуре. Обнаружена и исследована интерфейсная электролюминесценция в таких гетероструктурах, в которых электроны и дырки пространственно разделены по обе стороны гетерограницы. Цто фундаментальное свойство гетеропереходов II тша в значительной степени определяет их люминесцентные, фотоэлектрические и гальваномагнитные свойства.

Впервые были получены -изопериодные слои широкозонного твердого раствора GaQ gglflg 17^0 22St>0 78 на п°Д-ложке InAs И°°) методом ЖФЭ. Рассогласовашз постоянной решетки слоев относительно .¿годложи не превышало ¿a/a<-j;4*l(r4, как было установлено с помощью измерений рентгеноструктурной дифрактометрии. Ширина запрещенной зоны полученного твердого раствора была определена из спектров •фотолюминесценции и составила 650 мэВ (Т=-4,2 К) и 630 мэВ (1=77 К),, соответственно. Полуширина спектра фотолюминесценции составила Ле=9-!5 мэВ при Т=4,2 К, что свидетельствовало о хорошем качестве

выращиваемых слоев.

На основе таких слоев наш были созданы и изучены четыре типа гетероструктур Са1п0 1ТАз0 22БЬ/1пАз: И-п, Р-р, Р-п и И-р переходы (заглавные буквы относятся к твердому раствору). Измерения . вольт-амперных (ВАХ) и вольт-емкостных (ВЕХ) характеристик были выполнены при температурах 77 К и 300 К. Для Я-п, Р-р и К-р струкутр ВАХ были выпрямляющими, а ВЕХ для них в области малых . напряжений удовлетворительно описывались зависимостью вида СГ2~£(\0, характерной для резких переходов. ВАХ Р-п структуры носила омический характер в широком диапазоне токов (вплоть до 30 мА) в интервале температур Т=77-300 К. Такое же омическое' поведение гетероперехода наблюдалось ранее на примере гетероструктуры Р-СаЗВ-п-Са1п0 89Аз0 83ЗЬ [8]. Это позволило сделать вывод о том, что такой гетеропереход II типа является разъединенным. По отсечкам прямых ветвей ВАХ и ВЕХ гетероструктур Са1п0 17Аз0 2г$Ъ/ 1пАз были определены значения контактных разностей потенциала V , которые составили: 0,6 В для Ы-п, 0,42 В для Р-р и 1,0 В для Л-р, соответственно. Эти данные позволили установить, что в пределах ошибки эксперимента (с точностью до положения уровня Ферми в материале) такую структуру можно считать близкой к разъединенной с величиной зазора Д~50-60 мэВ между валентной зоной твердого раствора и зоной проводимости 1пАв.

Из спектров фотоответа исследуемых гетероструктур была также оценена температурная зависимость изменения ширины запрещенной _зоны твердого раствора Са1п0 17Аз0 которая составила ДЕ£/ДТ=

-3,2*10~4эВ/К. Плотность поверхностных состояний на гетерогранице была оценена по соотношению Л33= 8Да/а3 и составила

Ыо_=4,3*1011см~2 при Да/а=2*10~4 и а=6,0584 А , что также

о О

свидетельствовало о хорошем качестве получаемых структур.

Рассмотрены особенности зонной диаграммы разъединенных гетероструктур II типа. В таком гетеропереходе, как показано в работе [9] на примере системы СаЗЬ-1пАз, электроны могут перетекать из валентной зоны широкозонного полупроводника в зону проводимости узкозонного. Большинство .из них скапливается на состояниях вблизи дна зоны проводимости узкозонного полупроводника у гетерограшщы. Оставшиеся в широкозонном материале дырки притягивают электроны к поверхности раздела, что приводит п

возникновению внутреннего электрического поля на гетерогранице и, следовательно, к изгибу зон. При этом в такой гетероструктуре вблизи гетерограницы образуются двумерные каналы как для электронов,- так и для дырок. Приложение внешнего электрического поля к таким гетеропереходам позволяет управлять изгибами зон на гетерогранице и. их относительным расположением, что приводит к изменению заселенности квантовых ям. При этом легко создать как большую плотность электронов в двумерном канале, так и обеспечить сильное перекрытие волновых функций электронов и дырок. При определенных условиях это должно привести к возможности наблюдения излучательной рекомбинации пространственно-разделенных носителей заряда в разъединенных гетеропереходах II типа при приложении внешнего электрического поля.

Электронный канал с высокой подвижностью был обнаружен нами при исследовании гальваномагнитных свойств эпитаксиальных слоев твердого раствора С!а1п0 1ТАз0 22ЗЬ, выращенных на подложке р-1пАз. Свойства такого канала менялись в. зависимости от уровня легирования твердого раствора Те или гп. Подвижность носителей в разъединенных изотшшых гетероструктурах Р-Са1п0 17Аз0 22ЗЪ/р-1пАз достигала ин= 60000-65000 см2/В*с при Т=77 К для ' структур с нелегированным слоем широкозонного твердого раствора. Такое высокое значение подвижности электронов близко к наблюдаемому ранее з двумерном канале в разъединенных гетероструктурах с квантовыми ямами СавЬЛпАз/СаБЬ, полученных методом МПЭ СЮ]. В нашем случав для лучших образцов подвижность в области низких температур (4,2-77 К) слабо менялась с температурой и падала всего в 1,5-2 раза, что характерно для подвижности в двумерном канале к. свидетельствует о том, что основным механизмом рассеяния при этих температурах является рассеяние на неоднородносгях интерфейса. Это говорит о хорошем качестве гетерограницы при выращивании твердого раствора Са1п0 1ТАз0 гг£Ъ на подложке 1пАа. Нужно отметить, что иослэдовашше ранее широкозонные твердые растворы СаТп/^БЬ, изопериодные с подлоккой СаБЬ, всегда имели р-тип проводимости при выращивании на р-подложках, при этом наиболее чистые из чих имели концентрацию дырок р=5*101Ьсм~э и подвижность и =3000 смг/В*с. Существование на гетерогранице слоя с электронной проводимостью было подтверждено при исследовании скола готероструктуры

Р-Са1п0 17Аз0 225Ь/р-1оАз с помощью сканирующего туннельного микроскопа при комнатной температуре. Ширина такого слоя по оценкам была порядка сотен ангстрем.

Впервые обнаружена электролюминесценция в одиночных изоткттных разъединенных гетеропереходах II типа Р-Са1п0 17Ав0 22ЗЬ/р-1пАг при приложении внешнего постоянного электрического поля, перпендикулярного гетерогранице. Элекролюминесценция наблюдалась в интервале температур Т=77-300 К и по интенсивности излучения била сопоставима с интенсивностью стандартной светодиодной р-п-гетероструктуры, излучающей в диапазоне 3,0-3,5 мкм. Когда к гетероструктуре Р-Са1п0 17Аэ0 22БЬ/р-1пАз . прикладывалось' напряжение в интервале 0,4-4,0 В таким образом, чтобы отрицательная полярность была на узкозонном материале ("обратное" смещение), в спектрах электролюминесценции при Т=77 К наблюдали три четко выраженные полосы излучения, лежащие в спектральном диапазоне 2-4 мкм. Из них два пика люминесценции были узкими и лежали при энергиях фотона 1ги =316 мэВ и 1т1^=373 мэВ. Их1 полуширины составляли 10 и 20 мэВ, соответственно. Спектральное положение и интенсивность этих пиков изменялись с изменением величины тока накачки, протекаю®,его через структуру.

Было установлено, что узкие полосы электролюминесценции обусловлены туннельной излучательной рекомбинацией пространственно разделеиных электронов и дырок, локализованных в глубоких квантовых ямах но разные стороны гетерограницы. Появление третьей, более широкой (полуширина - 60 мэВ) й слабой, полосы люминесценции с энергией фотона в максимуме излучения &1>3= 633 мэВ, близкой к ширине запрещенной зоны широкозокного материала (За1п0 17Аа0 22ЗЬ, связано с рекомбинацией оже-электронов, возникающих' в процессе рекомбинации на гетерогранице, с объемными дырками в области плоских зон широкозонного твердого раствора.

Из экспериментальных данных оценено также положение двух электронных уровней Е1=210 мэВ и Е2=2Т0 мэВ в квантовой яме со стороны р-1пАз. С повышением температура , вплоть до .комнатной, максимум полос электролюминесценции смещался в длиннозолнозую область, при этом в спектре при высоких температурах оставалась только одна полоса эмиссии }п>_. Температурное изменение энергии максимума этой полосы соответствовало коэффициенту температурного

изменения ширины запрещенной зоны 1пАз АЕд/АТ=-2,8*10"л эВ/град. При этом интенсивность электролюминесценции в температурном интервале 77-300 К падала примерно в 25 раз. Полученные результаты открывают возможность создания нового источника инфракрасного излучения, использующего в активной ' области изотипный разъединенный р-р-гетеропереход II типа.

Червертая глава диссертации посЕящена созданию инфракрасных источников света (лазеров и светодиодов) для спектрального диапазона 2,5-4,0 мкм на основе твердых растворов МаАаЗЪ и 1пАв8ЬР.

В данной главе описана предложенная и реализована нами новая лазерная структура, использущая в активной области разъединенный изотипный р-р--гетероперход II типа, на основе двух твердых растворов Са111АзЗЬ с разным содержанием 1п (широкозонного с Е£1= 630 мэВ и узкозонного с Е_2= 390 мэВ). Лазерная структура была также выращена на подложке 1пАз (100). Для улучшения электронного и оптического ограничения использовались слои твердых растворов 1пАзБЬуРх предельного состава. В такой структуре была получена генерация когерентного излучения на длине волны Л=3,26 мкм при Т=77 К в импульсном режиме при длительности; импульса г=100-300 не и частотой повторения 1=10 . Величина порогового тока составила 1^^=400 мА, которая экспоневдально зависела от температуры ехр(Т/Т0), где Т0- характеристическая температура). В такой лазерной структуре было достигнуто значение характеристической температуры, наиболее высокое среди известных для узкозонных твердых растворов, работающих в данном спектральном диапазоне: То=30-60 К в интервале температур 80-100К.

В рамках данной работы была также предложена и реализована светодиодная структура на основе твердых растворов 1пАзЗЬР, работающая в спектральном диапазоне 2,6-3,0 мкм при комнатной температуре. Создание светодиодов в данном спектральном диапазоне стало возможным только благодаря отработке методики получения эпитаксиальных слоев твердого раствора 1пАзБЬР предельного состава, описанной во второй главе. Светодиоды представляли собой двойную гетероструктуру из изопериодных к 1пАб твердых растворов 1пАвБЬуРх с разным содержанием 1пР в твердой фазе. Широкозонныё области создавались на основе предельных составов с максимальным

содернанием 1пР для данной температуры эпитаксии (х=0,30). Мощность излучения .при постоянном токе 1=50 мА составляла 6-10 мкВт, а импульсная мощность при токе 1=1 А - 100-150 мкВт.ч

В общем заключении к работе сформулированы наиболее важные результаты проведенных исследований.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. А.Н.Баранов, А.М.Литвак, К.Д.Моисеев, Н.А.Чарыков, В.В.Шерстшв, Ю.П.Яковлев. 0 построении кривых кристаллизации в четырехкомпонентных полупроводниках А3В5 в системах 1п-Са-Аз-БЬ и 1п-Ая-5Ь-Р // ЖПХ, т.63, в.5, с.976, 1990.

2. М.А.Андреев, М.А.Афраилов, А.Н.Баранов, . М.П.Михайлова,' К.Д.Моисеев, В.В.Шерстнев, Ю.П.Яковлев. Не.охлакдаемые фотоприемники на основе твердого раствора 1пАз/1пАзЗЬР с "широкозонным окном" // Письма в ЖТФ, т. 16, в.4, с.27, 1990..

3. А.Н.Баранов, А.М.Литвак, К.Д.Моисеев, Н.А.Чарыков, В.В.Шерстнев., Фазовые равновесия расплав-твердов тело в четырехкомпонентных системах Ш-Са-Аз-БЬ и Ш-Ав-БЬ-Р // ЖФХ, Т.64, в.6, с.1651, 1990.

4. А.М.Литвак, К.Д.Моисеев, Т.Б.Попова, Н.А.Чарыков, Ю.П.Яковлев. Получение твердых растворов 1пА1хАвБЬу/1пАв методом ЖФЭ // Письма в ЖТФ, т.16, в.13, с.41, 1990.

5. Т.И.Воронина, Т.С.Лагунова, К.Д.Моисеев, Н.А.Прокофьева, Т.Б.Попова, М^А.Сиповская, В.В.Шерстнев, Ю.П.Яковлев, Электрические и фотоэлектрические свойства твердых растворов 1пАз5ЬР // ФТП, т.25, в.9, с.1639, 1991.

6.И.А.Андреев, А.Н.Баранов, М.П.Михайлова, К.Д.Моисеев, А.В.Пенцов Ю.П.Сморчкова, В.В.Шерстнев, Ю.П.Яковлев. Неохлаждаемые фотодиоды на основе 1пАзБЬР и Са1пАвБЬ для спектрального диапазона 3-5 мкм // Письма в ЖТФ, т.18, в.17, с.50, 1992.

7. Т.И.Воронина, Т.С.Лагунова, К.Д.Моисеев, М.А.Сиповская, И.Н.Тимченко, Ю.П.Яковлев, Исследования структуры зоны проводимости твердых растворов 1пАз5ЬР // ФТП, т.27, в.11, с.1777, 199а

8. Т.Н.Данилова, А.Н.Именков, К.Д.Моисеев, И.Н.Тимченко, Ю.П.Яковлев. Светодиоды на основе ГпАзБЬР для спектрального диапазона 2,6-3,0 мкм (Т=300 К) // Письма в ЖТФ, т.20, в.10, с.20, 1994.

9. М.П.Михайлова, И.А.Андреев, Т.И.Воронина, Т.С.Лагунова, К.Д.Моисеев, Ю.П.Яковлев. Гетерепереходн II типа Са!пЛйЯЬ/1пАя // ФТП, 1994, в печати.

-1810. М.П.Михайлова, ,Г.Г.Зегря, К.Д.Моисеев, И.Н.Тимченко, Ю.П.Яковлев. Обнаружение электролюминесценции локализованных носителей в одиночных разъединенных гетеропереходах II типа P-GalnAsSb/p-InAs // ФТП, 1994, в печати.

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА 1« M.P.Mlkhallova, A.N.Tltkov. Type II Heterojunctlons in the GalnAsSb/GaSb System//Sem.Sei.Tech., 1994, v.9, p.1279.

2. X.Gong, H.Kan, T.Yamaghuchl, T.Yamada, I.Suzuki et.al. Liquid Phase Epitaxial Growth of High-Quality GalnAaSb/InAs// Jpn.J.Appl. Phys., 1993, v.32, N.2, p.711.

3. J.L.Bechlmol, B.Sermage, J.Prlmot.// Int.Symp. GaAs and Related Compounds, Las Vegas, 1986.

4. А.Н.Баранов, Б.Е.Джуртанов, А.Н.Именков, А.А.Рогачев, Ю.М.Шерняков, Ю.П.Яковлев., Генерация когерентного излучения в квантово-размерной структуре на одном гетеропереходе // ФТП, 1986, т.20, в.12; с.2217..

5'.А.Н.Баранов, Т.Н.Данилова, О.Г.Ершов, А.Н.Именков, В.В.Шерстнев, Ю.П.Яковлев. Длинноволновые лазеры на основе InAsSbP/InAsSb для спектроскопии метана // Письма в ЖТФ, 1992, т.18, в.22, с.6..

6. Н.П.Есина, Н.В.Зотова, Б.А.Матвеов, Н.М.Стусь, Г.Н.Талалакш, Т.Д.Абишев.. Длинноволновые неохлавдаемые светодиоды на основе твердых растворов InAsSbxPy // Письма в ЖТФ, 1983, т.9, в.7, с.391.

7. А.М.Лигвак, Н.АЛарыков,. Новый термодинамический метод расчета фазовых равновесий расплав-твердое тело системы А3В5 // ЖФХ, 1990, т.64, в.9, с.2331.

8- М.А.Афраилов, А.Н.Баранов, А.П.Дмитриев, М.П.Михайлова,. Ю.П.Сморчкова, И.Н.Тимченко, В.В.Шерстнев, Ю.П.Яковлев, И.Н.Яссиэвич. Узкозонные гетероперехода II типа в системе твердых растворов GaSb-InAs // ФТП, 1990,'т.24, в.6, с.1397. 9. G.Sal-Halasz, L.Esakl, W.Harrison,InAs-GaSb Superlattice Energy Structure and Its Semiconductor Semimetal Transitions //Phys.Rev., 1978, v. 18, N.6, p.2812,,

ю.П.С.Копьев, С.В.Иванов, Н.Н.Леденцов, Б.Я.Мельцер, М.Ю.Надточий В.М.Устинов. Получение методом молекулярной пучковой эпитаксии гетеротсруктур GaSb/InAs/GaSb с высокой подвижностью двумерных электронов // ФТП, 1990, т.24, в.4, c.717,f

ОБЩЕЕ ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Экспериментально изучены диаграммы плавкости трехкомпонентной системы 1п-ЗЬ-Р и четырехкомпонентной системы 1п-Аб-БЬ-Р во всем диапазоне концентраций в температурном интервале 773-923 К.

2. Исследованы закономерности эпитаксиального выращивания изопе-риодных твердых растворов 1пАзБЬуРх (0<х<0.31). Экспериментально изучена зависимость ширины запрещенной зоны от состава для твердых растворов 1пА5БЬуРх при Т=77 К. Исследовано влияние примесей Бп и Те на электрофизические свойства эпитаксиальных слоев 1пА£БЬуРх.

3. Впервые получены твердые растворы А1х1пА8БЬу, изопериодные с 1пАб, в интевале составов 0<х<0.1 в диапазоне температур. 823-923К.

4. Созданы гетероструктуры на основе твердого раствора Са1по 17Аб0 22БЬ/1пАз, исследованы их электрические и фотоэлектрические свойства и построена зонная энергетическая диаграмма гетероперехода. Установлено, что гетеропереход Са1пАзБЬ/1пА8 является разъединенным гетеропереходом II типа, а валентная зона твердого' раствора расположена выше зоны проводимости 1пАз на Д~60 мэВ.

5. Изучены гальваномагнитные свойства твердых растворов Са1пА5БЬ ' с различным уровнем легирования примесями Те и йп. Установлено су-

^ УА-ии VIII Л Д—' '

тероструктуре на основе слаболегированных слоев твердого раствора.

6. Обнаружена и исследована интерфейсная электролюминесценция в * гетероструктуре Р-Са1п0 17Аз5Ь/р-1пАз в спектральном диапазоне 3-4 мкм, обусловленная непрямой излучательной рекомбинацией электронов" и дырок, локализованных по обе стороны гетерограницы.

7. Созданы светодиоды для спектрального диапазона 2,5-3,0 мкм, работающие при комнатной температуре, на основе твердых растворов 1пАБЗЬуРх предельного состава (0,26<х<0,31), изопериодных с 1пАя, с внешней квантовой ' эффективностью 0,02-0,03% и с полушириной полосы излучения Д1ту=70 мэВ.

8. Предложена и создана лазерная структура, содержащая в активной области одиночный разъединенный гетеропереход II типа Р-Са1п0 7АзЗЬ/р-Са1п0 азАзЗЬ, а в области оптического ограничения твердые растворы 1пАз5ЬуРх предельного состава (х=0,31), излучающая на длине волны А.=3,26 мкм при Т=77 К. При этом, пороговый ток экспоненциально зависит от темд^зэа&щ. 1^~1*ехр(Т/Т0) с характе-

ристической температурой Т0 Ученый секретарь совета К

{1$йт^рвале температур 77-11 ОК.

Г.С.Куликов

$