Светодиоды и фотоприемники для средней ИК-области спектра на основе изопериодных гетероструктур II типа в системе GaSb-InAs тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. А.Ф. Иоффе

На правах рукописи

СТОЯНОВ Николай Деев

СВЕТОДИОДЫ И ФОТОПРИЕМНИКИ ДЛЯ СРЕДНЕЙ ИК-ОБЛАСТИ СПЕКТРА НА ОСНОВЕ ИЗОПЕРИОДНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР II ТИПА В СИСТЕМЕ GaSb-InAs специальность 01.04.10 - физика полупроводников

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

г. Санкт-Петербург 2004 г.

Работа выполнена в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе Российской Академии наук.

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук М.П. Михайлова. Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук А.Н. Титков,

доктор технических наук МА Тришенков.

Ведущая организация:

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет.

Защита состоится г. в часов на

заседании диссертационного совета К 002.205.02 Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН, 194021, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН.

Автореферат разослан $ 2 9> 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета К 002.205.02

Г.С. Куликов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Известно, что характеристические полосы поглощения целого ряда важных химических соединений лежат в средней ИК области спектра. Среди них вода и ее пары (1.94 мкм, 2.75-2.85 мкм), метан (1.65 мкм, 2.3 мкм, 3.3 мкм), двуокись углерода (2.65 мкм, 4.27 мкм), окись углерода (2.34 мкм, 4.67 мкм), ацетон (3.4 мкм), аммоний (2.25 мкм, 2.94 мкм), окислы азота (4.08-4.44 мкм) и многие другие неорганические и органические вещества. Сенсоры природного газа (метана), двуокиси углерода, окиси углерода и других загрязнителей необходимы для охраны окружающей среды и здоровья человека. Новым перспективным направлением использования оптических сенсоров является создание приборов неинвазивной (бесконтактной) медицинской диагностики.

Разработка достаточно эффективных светодиодов, перекрывающих диапазон 1.6-5.0 мкм дает ряд бесспорных преимуществ при создании оптических газоанализаторов. Светодиоды обладают на три порядка более высоким быстродействием по сравнению с тепловыми источниками ИК излучения, миниатюрными размерами, низкой потребляемой электрической мощностью, простотой конструкции.

Последние две десятилетия в ФТИ им. А.Ф. Иоффе и ряде других научных групп в Англии, Франции, США, Японии активно исследуют четверные твердые растворы в системе GaSb-InAs, выращиваемые на подложках GaSb или InAs, с целью создания излучателей и приемников ИК излучения для спектрального диапазона 1.6-5.0 мкм. Но разработанные до сих пор светодиоды данного диапазона обладают низкой квантовой эффективностью, что затрудняет их использование в системах газоанализа и медицинской диагностики.

Цель и задачи работы

Целью данной диссертационной работы являлось исследование люминесцентных свойств гетероструктур П типа в системе GaInAsSb/GaSb и создание на их основе светодиодов с улучшенными мощностными и спектральными характеристиками и высокоэффективных фотодиодов, работающих при комнатной температуре в спектральном диапазоне 1.6-4.8 мкм.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: - создание и исследование широкого класса высокоэффективных светодиодных гетероструктур II типа для спектрального диапазона 1.6-5-24 мкм с четверным твердым раствором GaInAsSb ф^^^^) в активной области;

разработка светодиодных тиристорных гетероструктур для спектрального диапазона 1.6-5-24 мкм с целью преодоления утечки дырок через гетеропереход II типа;

- применение нового подхода к созданию длинноволновых (3-4 мкм) светодиодных гетероструктур, выращенных на подложке GaSb, с использованием узкозонных четверных твердых растворов InGaAsSb (^>70%) в качестве активной области и широкозонных твердых растворов AlGaAsSb для ограничения носителей заряда.

- исследование электрических и фотоэлектрических свойств разъединенных гетероструктур GaSb/InGaAsSb/GaSb и создание на их основе фотодиодов с диапазоном чувствительности 2.0-4.8 мкм, работающих при комнатной температуре.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Исследованы электролюминесцентные характеристики, а так же их температурные зависимости (-20°С<Т<80°С) для светодиодных гетероструктур II типа с четверным твердым раствором GaInAsSb (0 XIn<0.28) в активной области, перекрывающим спектральный диапазон 1.6-2.4 мкм. Определены факторы, ограничивающие квантовый выход.

2. Созданы и исследованы светодиодные тиристорные гетероструктуры n-GaSb/p-GaSb/n-InGaAsSb/P-AlGaAsSb, в которых достигнуто увеличение квантового выхода за счет эффективного удержания дырок в области гетерограницы II типа p-GaSb/n-GaInAsSb.

3. Созданы длинноволновые (3.6-4.4 мкм) многослойные светодиодные гетероструктуры GaSb/AlGaAsSb/InGaAsSb/AlGaAsSb nNnP и pPnN типа, в которых узкозонный активный слой зажат между двумя широкозонными слоями AlGaAsSb, а так же структуры GaSb/AlGaAsSb/GaSb/ InGaAsSb/GaSb/AlGaAsSb nNnnpP и pPpnnN типа, с разъединенными гетеропереходами GaSb/InGaAsSb с двух сторон активной области. Обнаружены и исследованы два канала излучательной рекомбинации в этих структурах при Т=300 К с энергиями переходов 0.295 эВ (межзонный) и 0.331 эВ (интерфейсный).

4. Созданы длинноволновые фотодиодные гетероструктуры на основе разъединенных гетеропереходов II типа GaSb/InGaAsSb (0.03<Х&<0.12) с диапазоном чувствительности при комнатной температуре 2.0-4.8 мкм. Исследованы их электрические и фотоэлектрические характеристики. На основе анализа полученных результатов выбрана оптимальная фотодиодная конструкция P-GaSb/ p-InGaAsSb/n-InGaAsSb/P-GaInAsSb, обеспечивающая высокую фоточувствительность при комнатной температуре.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. В источниках спонтанного излучения на основе изопериодных гетероструктур с четверным твердым раствором GalnAsSb (0<XIn<0.20) в активной области и двухсторонним AlGaAsSb (XAl=0.64) широкозонным ограничением носителей заряда в квазинепрерывном режиме получены значения внутреннего квантового выхода в диапазоне 40-60% за счет эффективного удержания носителей при высоких уровнях инжекции. В импульсном режиме достигнуто значение пиковой оптической мощности 180 мВт. Главным фактором, ограничивающим квантовый выход, является утечка дырок через гетеропереход II типа.

2. Светодиодная гетероструктура тиристорного типа n-GaSb/p-GaSb/ n-GaInAsSb/p-AlGaAsSb обеспечивает эффективную локализацию дырок и электронов с двух сторон гетерограницы П типа p-GaSb/n-GaInAsSb, что создает оптимальные условия для излучательной рекомбинации и увеличивает предельно достижимую оптическую мощность почти в два раза по сравнению с аналогичной гетероструктурой диодного типа.

3. В длинноволновых светодиодах на основе симметричных изопериодных гетероструктур GaSb/AlGaAsSb/InGaAsSb/AlGaAsSb (nNnP и pPnN типа проводимости) с содержанием галлия в активной области 0.03<XGa<0.15 при низких уровнях инжекции наблюдаются межзонные излучательные рекомбинационные переходы с энергией фотонов hv=0.295 эВ (1=4.2 мкм), а при увеличении уровня инжекции часть инжектированных дырок локализуется вблизи потенциальной ямы для электронов на гетерогранице N-AlGaAsSb/n-InGaAsSb и излучательно рекомбинирует с энергией Иу=0.331ЭВ, (Х=3.75 мкм), соответствующей переходу электронов с уровня Ферми в потенциальной яме на потолок валентной зоны.

4. На основе разъединенных гетероструктур II типа P-GaSb/ p-InGa009AsSb/n-InGa009AsSb/P-GaSb созданы фотодиоды, работающие при комнатной температуре, с широким диапазоном чувствительности 2.04.8 мкм. В этих фотодиодах р-n переход в активной области обеспечивает эффективное разделение генерированных носителей, а разъединенный гетеропереход n-InGaAsSb/P-GaSb выполняет роль омического контакта между активной областью и широкозонным окном.

Практическая значимость результатов работы:

1. Созданы высокоэффективные светодиодные гетероструктуры, излучающие на восьми разных длинах волн в спектральном диапазоне 1.6-2.4 мкм. Достигнуты значения средней оптической мощности до 3.5 мВт и пиковой оптической мощности до 180 мВт.

2. Впервые созданы светодиоды, излучающие на длинах волн 3.75 мкм и 4.2 мкм на основе изопериодных к подложке GaSb твердых растворов InGaAsSb (XIn>80%). Пиковая оптическая мощность светодиодов с максимумом излучения в районе 3.75 мкм достигала 2.8 мВт.

3. Созданы фотодиоды для спектрального диапазона 15-5-4.8 мкм, работающие при комнатной температуре, на основе разъединенных гетеропереходов II типа GaSb/InGaAsSb. Обнаружительная способность при Т=77К достигала D3.8*=4.4*1010cm.Hz-1/2/W, а при Т=300К D47*=4.1*108cm.Hz-1/2/W. Данное значение увеличивается до D45*=2*109cm.Hz-1/2/W, при использовании термоэлектрического охлаждения (Т=250 К).

4. Разработана конструкция светодиодов и фотодиодов с встроенным миниатюрным термохолодильником и термосенсором, которая позволяет улучшить и стабилизировать параметры приборов, что очень важно с учетом их применении в системах экологического мониторинга и медицинской диагностики. Созданы светодиодные многоцветные матрицы, позволяющие сканировать определенный спектральный диапазон.

Апробация работы

Результаты работы докладывались на следующих международных конференциях и семинарах: Наноструктуры: Физика и технология (Санкт-Петербург, Россия, 1996); Международный симпозиум по полупроводниковым приборам ISDRS (Шарлоттесвил, США, 1997); Международная конференция по тонким слоям и поверхности ICSFS DC (Копенгаген, Дания, 1998); Материалы и приборы для средней ИК оптоэлектроники MIOMD III (Аахен, Германия, 1999); XVI Международная научно-техническая конференция по фотоэлектронике и приборам ночного видения (Москва, Россия, 2000); Материалы и приборы для средней ИК оптоэлектроники MIOMD V (Монпелье, Франция, 2001); Международная выставка-семинар LED Expo (Сеул, Корея, 2003); Материалы и приборы для средней ИК оптоэлектроники MIOMD VI (Санкт-Петербург, Россия, 2004); Международная выставка-семинар LED Expo (Сеул, Корея, 2004).

Образцы созданных светодиодов и фотодиодов для средней ИК области представлялись на международных выставках "Российский

Промышленник" и "Высокие технологии", Санкт-Петербург с 1998 по 2004 гг. Данные экспозиции были награждены шестью дипломами и золотой медалью ("Высокие технологии-2002").

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 работ, список которых приведен в конце автореферата. Работа "Высокоэффективные светодиоды на 3.4-4.4 мкм на основе p-AlGaAsSb/ n-InGaAsSb/n-AlGaAsSb, работающие при комнатной температуре" получила премию МАИК "Наука/интерпериодика" за 2001 год как лучшая публикация в журналах издательства в области физики и математики.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, приложения, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 172 страниц, включая 110 рисунков и 9 таблиц. Список цитируемой литературы включает 117 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проведенных в данной работе исследований, сформулирована основная цель работы, показаны научная новизна и практическая значимость полученных результатов, приведены выносимые на защиту научные положения и краткое содержание диссертации по главам.

Первая глава посвящена обзору литературы по исследованию гетеропереходов II типа на основе соединений GaSb-InAs и созданию светодиодов и фотодиодов для спектрального диапазона 1.6-4.8 мкм. В разделе 1.1. обсуждаются основные особенности гетеропереходов II типа. Фундаментальным свойством таких гетеропереходов является пространственное разделение электронов и дырок и их локализация в самосогласованных квантовых ямах на интерфейсе. Четверной твердый раствор InGaAsSb, образует согласованные по периоду решетки пары для целого ряда составов с подложками InAs и GaSb. Этот материал перекрывает спектральный диапазон 1.7-4.8 мкм и является прямозонным полупроводником для всей области составов [1]. Есть две области существования изопериодных к GaSb твердых растворов с содержанием индия 0<х<0.28 и х>0.7, которые сильно отличаются по условиям выращивания и по физическим свойствам гетероструктур. Установлено, что гетеропереход GaSb/GaInAsSb будет ступенчатым для составов близких к GaSb и разъединённым для составов близких к InAs. В разделе 1.2 рассмотрены основные механизмы протекания тока (диффузионный, генерационно-рекомбинационный и туннельный) и их особенности в гетеропереходах II типа. Раздел 1.3. посвящен люминесцентным свойствам гетероструктур, содержащих гетеропереходы II типа. Важная особенность гетеропереходов II типа - возможность подавления Оже-рекомбинации на

гетерогранице - была теоретически предсказана [2] и экспериментально продемонстрирована в работе [3].

В разделе 1.4. представлены данные литературы по созданию светодиодов и фотодиодов для спектрального диапазона 1.6-5.0 мкм [4-8]. Описанные светодиоды для диапазона 1.6-2.4 мкм уступают существенно светодиодам на основе 1пР, излучающим в диапазоне до 1,6 мкм как по мощности, так и по надежности и стабильности. Для длинноволновых (3.64.6 мкм) светодиодов определенные успехи были достигнуты на базе гетероструктур 1пА88Ь/1пАз8ЬР, выращенных методом ЬРЕ на подложках 1пАб. Однако эти структуры обладали рядом недостатков, таких как большое рассогласование по периоду кристаллической решетки с подложкой 1пАб, недостаточная высота барьера для эффективного удержания неравновесных носителей заряда в активной области, большое поглощение и сильная Оже рекомбинация из-за влияния спин-орбитально отщепленной зоны. К настоящему времени созданы длинноволновые фотодиодные гетероструктуры, на основе толстого варизонного слоя 1паб8ьр выращенного на подложке 1пАб. К принципиальным недостаткам этих структур относятся узкий спектр фоточувствительности, низкое сопротивление при нулевом смещении. В конце главы обоснован выбор темы и поставлены задачи исследования.

Вторая глава является методической и посвящена обоснованию выбора гетероструктур для создания светодиодов и фотодиодов для средней ИК области и конструкции приборов. Представлена оригинальная методика определения спектральной плотности мощности , имеющей определенную размерность (нВт/нм) и интегральной оптической мощности светодиодов на основе спектральных измерений. Необходимость разработки данной методики связана с тем, что в настоящее время точность измерений мощности светоизлучающих приборов в среднем ИК диапазоне спектра нельзя назвать удовлетворительной, а так же с существенным искажением спектра при прямых измерениях из-за спектральных зависимостей оптического пропускания монохроматора и чувствительности измерительного фотоприемника. Использование светодиодов с известным спектральным распределением плотности мощности в качестве источников ИК излучения дает возможность исследовать характеристики фотодиодов в динамическом режиме, не прибегая к использованию инерционных тепловых ИК источников излучения.

В третьей главе представлены результаты по созданию и исследованию мощных светодиодов для спектрального диапазона 1.6-2.4 мкм. Для анализа факторов, влияющих на эффективность светодиодных структур, в данной работе была разработана модель, позволяющая связать

параметры структуры (состав слоев, уровень легирования, толщины слоев) с характеристиками диодов. Основные детали модели расчета зонных диаграмм гетероструктур представлены в параграфе 3.2 В данной модели использовалась статистика Ферми-Дирака в общем виде. Расчет зонных диаграмм производился на компьютере с помощью численных методов. Изгиб энергетических зон определялся путем решения уравнения Пуассона. Модель учитывает все подзоны в зоне проводимости и валентной зоны, а так же распределение глубоких уровней в запрещенной зоне. Программы написаны на языке Visual Basic.

В параграфе 3.3. коротко рассмотрены особенности основных типов излучательных и безызлучательных переходов, которые имеют место в исследуемых гетероструктурах. В параграфе 3.4. представлены результаты исследования спектральных (рис.1) и мощностных характеристик светодиодов для диапазона 2.0-2.4 мкм. Были созданы и исследованы четыре гетерострукгуры GaSb/Gaj Jiy^sSb/Al^Ga^AsSb (0.12<х<0.22), с максимумами излучения при Х;=2.05 мкм (структура Е-339), Х=2.15 мкм (Е-336), Х=2.25 мкм (Е-730) и Я=2.35 мкм (Е-318). Во всех случаях излучение выводилось через прозрачную для этих длин волн подложку GaSb, при этом обеспечивался хороший теплоотвод от активной области, находящейся всего в двух микрометрах от корпуса светодиода. При прямом включении светодиодной структуры, происходит инжекция дырок из P-AlGaAsSb в n-GaInAsSb. В то же время поток электронов останавливается высоким барьером на границе AlGaAsSb/GalnAsSb. В активной области создается сильно неравновесная концентрация неосновных носителей. Особенно благоприятные условия для рекомбинации существуют на самой гетерогранице со стороны активной области, где концентрация дырок максимальна. Энергии максимумов спектров немного превышают значения ширин запрещенных зон активных областей четырех структур и соответствуют максимумам распределения свободных электронов и дырок по энергиям в зоне проводимости и валентной зоне при соответствующих положениях квазиуровней Ферми для электронов и дырок. Были исследованы температурные зависимости энергии фотонов в максимуме и оптической мощности. Сдвиг энергии фотонов в максимуме соответствует температурному изменению ширины запрещенной зоны материалов активной области. С увеличением температуры оптическая мощность уменьшалась пропорционально 1Д. Были получены значения интегральной оптической мощности при комнатной температуре в квазинепрерывном режиме соответственно Р=1.24 мВт для структуры Е-339, Р=1.39 мВт для Е-336, Р=1.55 мВт для Е-730 и Р=0.91 мВт для Е-318. Внутренний квантовый выход при этом составил соответственно 50%, 53%, 60% и 35%.

В параграфе 3.5. представлены результаты исследования указанных выше гетероструктур с содержанием индия менее 10% в активной области для спектрального диапазона 1.6-2.0 мкм В данных структурах были получены более низкие значения внутреннего квантового выхода (27%-38%). Это связано с тремя основными причинами:

- Важным фактором, ограничивающим квантовый выход всех светодиодных структур для спектрального диапазона 1.6-2.4 мкм, является утечка дырок через гетеропереход II типа. Гетеропереход АЮау^Ь/СаЬъ^Ь обеспечивают хорошее ограничение для электронов (ДЕс=0.4-0.6 эВ), при слабом ограничении для дырок (ДЕу=0.1-0.2эВ).

- Глубокие уровни двухзарядного структурного дефекта кристаллической решетки имеют место в твердых растворах выращенных из расплавов с большим содержанием антимонида галлия. Эти уровни играют роль "центров прилипания" для инжектированных дырок в активной области п-типа, что приводит к уменьшению квантового выхода.

- Поглощение фотонов в подложке ва8Ь является существенным фактором для снижения квантового выхода светодиодных структур, излучающих на длинах волн Х<2.0 мкм.

В параграфе 3.6. описана гетероструктура Оа8Ь/Оа0 9451п0055Лз8Ь/ Л10 34Оа0 66Лз8Ь выращенная с использованием свинца в качестве нейтрального растворителя с целю уменьшения влияния глубоких акцепторных уровней. В такой структуре, излучающей на длине волны 1.85 мкм, достигнуто увеличение квантового выхода на 40% и оптической мощности более чем в два раза, до 1.65 мВт.

В параграфе 3.7. для преодоления утечки дырок предложена светодиодная гетероструктура тиристорного типа п-Оа8Ь/р-ва8Ь/ п-Оа1пЛ58Ь/р-ЛЮаЛз8Ь. С двух сторон гетерограницы II типа р-Оа8Ь/п-ва1пЛз8Ь обеспечивается эффективная локализация дырок и электронов, что создает оптимальные условия для излучательной рекомбинации и увеличивает предельно достижимую оптическую мощность в квазинепрерывном режиме почти в два раза, по сравнению с аналогичной гетероструктурой диодного типа, до 2.5 мВт.

В параграфе 3.8. приведены характеристики высокоэффективных светодиодных структур п-ЛЮаЛз8Ь/п-(Л1)0а(Лз)8Ь/р-Л10аЛз8Ь для спектрального диапазона 1.65-1.75 мкм. Толстый (150 мкм) структурно совершенный слой п-ЛЮаДзБЬ выращивался на подложке р-ва8Ь. После эпитаксии гетероструктуры подложка ва8Ь удалялась. Излучение выводилось через широкозонный слой. Для исследуемых структур в квазинепрерывном режиме достигнут внутренний квантовый выход 60% и оптическая мощность 3 мВт. В режиме коротких импульсов была достигнута пиковая мощность 180 мВт и стопроцентный внутренний квантовый выход.

Рис.1. Спектральное распределение плотности мощности восьми светодиодных гетероструктур для диапазона 1.6-2.4 мкм

В четвертой главе представлен новый подход к созданию длинноволновых светодиодов (3.4-4.4 мкм). Если раньше для данного спектрального диапазона использовались InAsSb/InAsSbP гетероструктуры, выращенные на подложках Ип^ [5-7], то в данной работе впервые были предложены светодиодные структуры, изопериодные к подложке GaSb (рис.2). Были созданы и исследованы четыре основных вида структур: GaSb/AЮaAsSbДnGaAsSb/AЮaAsSb nNnP и pPnN типа описанные в параграфе 4.2. а структуры с разъединенными гетеропереходами GaSb/ InGaAsSb с двух сторон активной области - в параграфе 4.5.

Рис.2. Схематические энергетические диаграммы гетероструктуры InAs/InAsSbP/InAsSb/InAsSbP [5-7] и новой гетероструктуры GaSb/ AlGaAsSb/GaInAsSb/AlGaAsSb ^-9604) для диапазона 3.4-4.4 мкм

Данные структуры отвечали трем важным условиям для получения эффективной излучательной рекомбинации:

- все четыре структуры были полностью изопериодны;

- в структурах обеспечивался высокий барьер для электронов ДЕс=0.9 эВ;

- скорость Оже рекомбинации в активной области ¡пва^Ь меньше, чем в твердом растворе 1пЛз8Ь за счет ухода от "резонанса зон" [10].

В параграфе 4.3. представлены результаты исследования токовой зависимости максимума спектров излучения, а в параграфе 4.4. проведен анализ экспериментальных характеристик. Для всех четырех типов структур при комнатной температуре наблюдалась бистабильность электролюминесценции. При небольших уровнях инжекции наблюдалось спонтанное излучение в районе 1=4.2 мкм (Ьу=0.295 эВ) и полушириной спектра АЬу=80-90 мэВ, связанное с межзонной рекомбинацией в объеме активной области п-1п1-хОахЛ58Ь, х=0.06 (Е^=0.29 эВ). На гетерогранице К-ЛЮа^Ь/п-ИпОа^Ь со стороны узкозонного слоя существует глубокая потенциальная яма для электронов. При увеличении внешнего электрического смещения выше определенного порогового значения часть инжектированных дырок локализуется вблизи потенциальной ямы для электронов на К-п гетерогранице и излучательно рекомбинирует с электронами в потенциальной яме. Определяющим становится связанный с интерфейсом рекомбинационный канал между энергетическими состояниями около уровня Ферми в потенциальной яме для электронов и потолком валентной зоны узкозонного материала. Максимум спектра смещался от 1=4.2 мкм до 1=3.75 мкм (Ьу=0.331) и его интенсивность существенно возрастала. При этом ширина спектра на половине от максимума резко уменьшалась до =33 мэВ. При уменьшении тока наблюдался четко выраженный токовый гистерезис переключения спектральных характеристик. Ватт-амперные характеристики светодиодов имеют ярко выраженный суперлинейный характер вплоть до больших токов (до 4 А). В импульсном режиме было достигнуто значение пиковой оптической мощности Р=2.8 мВт.

В пятой главе приведены результаты создания и исследования неохлаждаемых фотодиодов для спектрального диапазона 15-5-48 мкм на основе разъединеных гетеропереходов II типа в системе 1пваЛ58Ь/Оа8Ь. В параграфе 5.2. представлены конструктивные особенности трех основных типов гетероструктур, которые исследовались с целю создания фотодиодов с широким диапазоном чувствительности (1=1.5-4.8 мкм), работающих при комнатной температуре:

Тип Л: р-Оа8Ь/п-1пОаЛз8Ь/р-1пОаЛз8Ь/р-Оа1пЛз8Ь

Состав узкозонного слоя 1пвахЛ58Ьу, изопериодного к подложке ва8Ь варьировался от 3% до 12% галлия в твердой фазе. Гомопереход

формировался в процессе роста. В качестве широкозонного окна выращивался дополнительный слой на основе четверного твердого раствора близкого по составу к ва8Ь (содержание индия в твердой фазе 17%, Е=0.64еУ).

Тип В: р-Оа8Ь/р-1пОаЛ88Ь/п-ГпОаЛ88Ь/р-Оа1пЛ88Ь Отличается от структуры типа А очередностью выращивания слоев п и р типа в узкозонной области.

Тип С: р-Оа^/РАОаА^Ь/р-ГпОаА^Ь/п-ЬЮаАз^/К-АЮаА^Ь Данная структура включает широкозонные слои АЮа^Ь с содержанием алюминия 34% (Е8=1.1 еУ).

Детальные исследования вольт-фарадных и вольт-амперных характеристик фото диодных структур представлены в параграфе 5.3.

СаБЬ ЫЗаАзЗЬ 1 1,5 2 « з м 4 45 5 55

(9%Са) х,

Рис.3. Схематическая зонная диаграмма фотодиодной гетероструктуры типа В и спектр фотоответа, измеренный при комнатной температуре

Анализ спектральных характеристик трех типов структур проведенный в параграфе 5.4. показал, что оптимальной с точки зрения фоточувствительности является структура типа В (рис.3). Разъединенный гетеропереход п-1п1-хОахЛз8Ь/Р-Оа081п02А88Ь в интервале составов узкозонного твердого раствора х=0.03-0.12 ведет себя как омический контакт. На этой границе не происходит разделения носителей, поэтому в спектре мы наблюдаем практически полное отсутствие фоточувствительности при длинах волн меньших 2 мкм. Поглощение фотонов и разделение носителей в основном и достаточно эффективно происходит в узкозонном слое, в области гомоперехода р-МваАБ^/ п-1пОаА88Ь при этом максимум спектральной чувствительности лежит в длинноволновой области ( Х;=25-5-4.8 мкм). В структуре типа А сильное встроенное электрическое поле в широкозонном "окне" Оа081п02АБ8Ь

обуславливает чувствительность в области вблизи 2 мкм сравнимую или превышающую чувствительность в длинноволновой области.

В параграфе 5.5. представлены основные характеристики созданных фотодиодов. Сопротивление при нулевом смещении Д при комнатной температуре достигало 60-80 Ом. Пороговая чувствительность, или мощность эквивалентная шуму (МЕР) на длине волны А,=4.7 мкм была оценена [9] как МЕР=<1В>/К1=6.4*10'и Вт.Гц1/2., Удельная обнаружительная способность при комнатной температуре составила: 0Х,(4.7,1000,1)=АШ/ЖР=4.1*108 см.Гп ' УВт. При температуре Т=77К, сопротивление при нулевом смещении достигало 1.7 МОм, а обнаружительная способность составила:

см.Гц-1/2/Вт. При термоэлектрическом охлаждении (Т=250К), было достигнуто значение обнаружительной способности В*=2.10'см.Гц 1/2/Вт. Было оценено время жизни носителей при Т=300 К т=6 не.

В приложении продемонстрированы новые возможности, которые открывает использование созданных в рамках данной работе светодиодов и фотодиодов для газоанализа и медицинской диагностики. Представлена информация об областях применения портативных оптических сенсоров, преимущества светодиодов перед тепловыми источниками ИК излучения, которые используются широко в оптических газоанализаторах. Даны примеры схем измерения влажности, метана и углекислого газа на основе разработанных нами светодиодов и фотодиодов. Описаны созданные нами двухцветные светодиоды, в которых измерительный и опорный источники излучения смонтированы в одном корпусе, а так же 9-ти элементные светодиодные матрицы, позволяющие сканировать широкий спектральный диапазон.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы:

1. Созданы высокоэффективные светодиодные гетероструктуры П типа с четверным твердым раствором Оа]лА88Ь (0<Х1п<0.28) в активной области и широкозонным ограничением носителей заряда АЮаАз8Ь (ХА1=64%), ПОЛНОСТЬЮ перекрывающие спектральный диапазон 1.6-2.4 мкм. Исследованы спектральные и мощностные характеристики, а так же их температурные зависимости. В квази-непрерывном режиме были получены значения внутреннего квантового выхода в диапазоне 40-60%, за счет эффективного удержания носителей при высоких уровнях инжекции. Определены факторы, ограничивающие квантовый выход излучения.

2. Для уменьшения влияния глубоких акцепторных уровней была создана структура GaSb/Ga0 945In0055AsSb/A1034Ga0 66AsSb с буферным слоем, выращенным с использованием свинца в качестве нейтрального растворителя. В данной структуре было достигнуто увеличение квантового

выхода на 40% и оптической мощности более чем в два раза по сравнению со структурой излучающей на той же длине волны (Х=1.85 мкм) без буферного слоя.

3. Для преодоления утечки дырок в светодиодных структурах для спектрального диапазона 1.6-2.4 мкм была предложена гетероструктура тиристорного типа n-GaSb/p-GaSb/n-GaInAsSb/p-AlGaAsSb. Эффективная локализация дырок и электронов с двух сторон гетерограницы II типа p-GaSb/n-GaInAsSb, создает оптимальные условия для излучательной рекомбинации и увеличивает предельно достижимую оптическую мощность в два раза по сравнению с аналогичной гетероструктурой диодного типа, до Р=2.5 мВт.

4. Созданы и исследованы высокоэффективные светодиодные гетероструктуры для спектрального диапазона 3.6-4.4 мкм GaSb/AlGaAsSb/ InGaAsSb/AlGaAsSb пЫлР и рРлК типа, а так же структуры с разъединенными гетеропереходами GaSb/InGaAsSb с двух сторон активной области. В данных структурах проявляется бистабильность электролюминесценции. Излучение в районе Х:=4.2 мкм (Ьу=0.295 эВ) связано с межзонной рекомбинацией в объеме активной области n-In1_xGaxAsSb, х=0.06 ^=0.29 эВ). При достаточно высоком уровне инжекции определяющим становится связанный с интерфейсом рекомбинационный канал с энергией перехода Ьу=0.331 ( Х==3.75 мкм). Было достигнуто значение пиковой оптической мощности Р=2.8 мВт.

5. На основе разъединенных гетероструктур П типа P-GaSb/p-InGao.o9AsSb/ n-InGa0(BAsSb/P-GaSb созданы фотодиоды, работающие при комнатной температуре, с диапазоном чувствительности 1.5-4.8 мкм. Их обнаружительная способность при Т=77К достигала В38" =4.4*1010сш.Ш-1/2/^ при Т=300К Б4/=4.1*108 сш.Ш1/2^ а при использования термоэлектрического охлаждения (Т>250К) D45*=2*109cш.Hz-1/2/W. В этих фотодиодах р-и переход в активной области обеспечивает эффективное разделение генерированных носителей, а разъединенный гетеропереход n-InGaAsSb/P-GaSb выполняет роль омического контакта между активной областью и широкозонным окном.

6. Созданные в рамках данной работы эффективные светодиоды для спектрального диапазона 1.6-4.4 мкм и фотодиоды для диапазона 1.5-4.8 мкм дают ряд бесспорных преимуществ разработчикам оптических газоанализаторов. Светодиоды по сравнению с тепловыми источниками обладают на три порядка более высоким быстродействием, миниатюрными размерами, низкой потребляемой электрической мощностью, простотой конструкции, обладают существенно большим временем жизни и низкой себестоимостью при серийном производстве.

Основные результаты диссертации изложены в следующих

публикациях:

[1]. М.П. Михайлова, СВ. Слободчиков, Н.Д. Стоянов, Н.М. Стусь и Ю.П. Яковлев "Неохлаждаемые фотодиоды на основе InAsSbP/InAs для спектрального диапазона 3-5 мкм" // Письма в ЖТФ, 1996, том 22,стр. 63-66.

[2]. A.G. Gorbatyuk, M.P. Mikhailova, G.G. Zegrya, K.D. Moiseev, N.D. Stoyanov, O.V. Andreychuk and Yu.P. Yakovlev "Negative differential resistance and radiative recombination in type II broken-gap p-GaInAsSb/n-InAs single heterojunctions // Proc. Nanostructures: Physics and Technology, St. Petersburg, 1996, pp.62-65.

[3]. M.P. Mikhailova, B.E. Zhurtanov, K.D. Moiseev, O.G. Ershov, T.I. Voronina, O.V. Andreychuk, N.D. Stoyanov and Yu.P. Yakovlev "Mid-infrared electroluminescence and lasing in AlGaAsSb/InGaAsSb double heterostructures with asymmetric band offset confinements" // Proceedings ISDRS, Charlottesville 1997, pp.563-566.

[4]. C.C. Кижаев, М.П. Михайлова, С.С. Молчанов, Н.Д. Стоянов и Ю.П. Яковлев "Выращивание InAs фотодиодных структур из металлорганических соединений" // Письма в ЖТФ, 1998, том 24, №7, стр. 1-7.

[5]. M.Maksjutenko, A.Maksyutenko, V.Tolstinskiy, M.Mikhailova, V.Sherstnev, A.Astakhova, N.Stoyanov and Yu.P.Yakovlev "Application of 3.23 fim LEDs in Portable Gas Analyser for CH4 detection" // Proceeding MIOMD III Aachen 1999

[6]. Б.Е. Журтанов, К.Д. Моисеев, М.П. Михайлова, Т.Н. Воронина, Н.Д. Стоянов и Ю.П. Яковлев "Бистабильность электролюминесценции в двойной гетероструктуре II типа AlGaAsSb/InGaAsSb" // Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып.З стр.357-361.

[7]. K.D. Moiseev, M.P. Mikhailova, B.E. Zhurtanov, T.I. Voronina, O.V. Andreychuk, N.D. Stoyanov and Yu.P. Yakovlev "Electroluminescence and lasing in type П Ga(Al)Sb/InGaAsSb heterostractures in the spectral range 3-5 Jim" //Applied Surface Science, 1999, Vol.142, pp.257-261.

[8]. Н.Д. Стоянов, М.П. Михайлова, К.Д. Моисеев, О.В. Андрейчук, И.А. Андреев, М.А. Афраилов и Ю.П. Яковлев "Неохлаждаемые фотодиоды для спектрального диапазона 1.5-4.8 мкм на основе гетеропереходов II типа в системе GaSb/GaInAsSb" // XVI Международная конференция по фотоэлектрике и приборам ночного видения, Москва, 2000, Тезисы докладов стр. 112-113.

[9]. В.В. Романов, Э.В. Иванов, А.Н. Именков, Н.М. Колчанова, К.Д. Моисеев, Н.Д. Стоянов и Ю.П. Яковлев "Светодиоды для диапазона

2.6-2.8 мкм на основе твердых растворов InAsSbP предельного состава" // Письма в ЖТФ, 2001, том 27, №14, стр. 80-87.

[10]. Б.Е. Журтанов, Э.В. Иванов, А.Н. Именков, Н.М. Колчанова, А.Е. Розов, Н.Д. Стоянов и Ю.П. Яковлев "Высокоэффективные светодиоды на 3.4-4.4 мкм на основе p-AlGaAsSb/n-InGaAsSb/n-AlGaAsSb, работающие при комнатной температуре" // Писма в ЖТФ, 2001, том 27, вып.5 стр. 1-7.

[11]. Н.Д. Стоянов, М.П. Михайлова, О.В. Андрейчук, К.Д. Моисеев, ИА Андреев, М.А. Афраилов и Ю.П. Яковлев "Фотодиоды на основе гетеропереходов II типа в системе GaSb/InGaAsSb для спектрального диапазона 1.5-4.8 мкм" // Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып.4 стр.467-473.

[12]. M.P.Mikhailova, N.D.Stoyanov, O.VAndreychuk, K.D.Moiseev, IAAndreev, Yu.P.Yakovlev and MAAfrailov "Type П GaSb based photodiodes operating in spectral range 1.5-4.8 fm at room temperature" // IEE Proc. -Optoelectron. 2002, Vol. 149, pp. 41-44.

[13]. Н.Д. Стоянов, Б.Е. Журтанов, А.П. Астахова, А.Н. Именков и Ю.П. Яковлев "Высокоэффективные светодиоды спектрального диапазона 1.6-2.4 мкм для медицинской диагностики и экологического мониторинга" // Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып.8 стр.996-1009.

[14]. А.П. Астахова, А.Н. Баранов, А. Висе, А.Н. Именков, Н.М. Колчанова, Н.Д. Стоянов, А. Черняев, Д.А. Яреха и Ю.П. Яковлев "Тепловая и токовая перестройка длины волны излучения квантово-размерных лазеров диапазона 2.0-2.4 мкм" // Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып.4 стр.502-507.

Работа выполнена в лаборатории инфракрасной оптоэлектроники

ФТИ им. Иоффе РАН.

Цитированная литература:

[1] Mikhailova M.P. and Titkov A.N. "Type II heterojunctions in the GalnAsSb/GaSb system" // Semicond.Sci.Technol. 1994, Vol.9, pp. 12791295

[2] Zegrya G.G. and Andreev AD. "Mechanism of suppression of Auger recombination processes in type-II heterostractures" // Appl.Phys.Lett. 1995, Vol.67(18), pp.2681-2683

[3] Зегря Г.Г., Михайлова М.П., Данилова Т.Н., Именков А.Н., Моисеев К.Д., Шерстнев В.В. и Яковлев Ю.П. "Подавление оже-рекомбинации в диодных лазерах на основе гетеропереходов II типа InAsSb/InAsSbP и InAs/GalnAsSb" // ФТП 1999, том 33, вып.3, стр.351-356

[4] Андаспаева А.А., Баранов А.Н., Гусейнов А.А., Именков А.Н., Колчанова М.А., Яковлев Ю.П. Природа спонтанной электролюминесценции в гетеропереходах на основе GalnAsSb для спектрального диапазона 1.8-2.4 мкм. ФТП 1990, том 24 вып. 10, стр.1708-1714

[5] Krier A., Gao H.H., Sherstnev V.V. and Yakovlev Yu.P. "High power 4.6 ЦШ light emitting diodes for CO detection" // J.Phys.D: Appl.Phys., 1999, Vol.32, pp.3117-3121

[6] Gong X.Y., Kan H., Makino Т., Iida Т., Watanabe K., Gao Y.Z., Aoyama M, Rowell N. and Yamaguchi T. "Room temperature mid-infrared light emitting diodes from liquid-phase epitaxial InAs/InAs0 89S011/InAs0 80P012Sb0 08 heterostructures" // Japan J.Appl.Phys., 2000, Vol.39, pp.5039-5043

[7] Зотова Н.В., Ильинская Н.Д., Карандашев С.А., Матвеев Б.А., Ременный М.А., Стусь Н.М. и Шустов В.В. "Светодиоды на основе InAs с резонатором, сформированным анодным контактом и границей раздела полупроводник/ воздух" // ФТП, 2004, том 38 вып.10, стр. 1270-1274

[8] Михайлова М.П., Стусь Н.М., Слободчиков СВ., Зотова Н.В., Матвеев Б.А. и Талалакин Г.Н. "Фотодиоды на основе твердых растворов InAs1-xSbx для спектрального диапазона 3-5 мкм" // ФТП, 1996,том 30,стр.1613-1620

[9] Тришенков М.А. "Фотоприемные устройства и ПЗС" // М.:"Радио и связь", 1992

[10] Дмитриев А.П., Михайлова М.П. и Яссиевич И.Н. "Ударная ионизация в полупроводниках А3В5 и твердых растворов на их основе" // В сборнике "Фотопреобразователи и фотоприемники", М.:"Наука", 1983, стр.76-104

Лицензия ЛР №020593 от 07.08.97.

Подписано в печать <7?. П. 2004 Объем в п.л.

Тираж <00. Заказ

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства СПбГПУ 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29.

Ш--726

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Гетеропереходы II типа в системе СаБЬ-ЕпАв. Светодиоды и фотодиоды для среднего ИК диапазона на их основе.

1.1. Гетеропереходы II типа в системе ОаБЬ-ЬгАэ.

1.1.1. Материалы, образующие гетеропереходы II типа.\ \

1.1.2. Свойства бинарных соединений ваБЬ и ЬхАэ.

1.1.3. Зависимость основных параметров зонной структуры твердых растворов Оа1пАз8Ь и АЮаАзБЬ, изопериодных к подложке ваБЬ, от состава.

1.2. Электрические свойства гетероструктур. Механизмы протекания токов.^

1.2.1. Основные механизмы протекания тока в гетеропереходах.

1.2.2. Особенности электрических свойств разъединенных гетеропереходов II типа. 1.3. Люминесцентные свойства гетероструктур.

1.3.1. Фотолюминесценция изотипных ступенчатых р-ОаЬгАзЗЬ/Р-ОаБЬ гетероструктур II типа.

1.3.2. Фотолюминесценция п-Оа1пА88Ь/Ы-Оа8Ь гетероструктур.

1.3.3. Электролюминесценция М-п-Р и М-р-Р структур ОаБЬ/ СаГо^Ь/СаБЬ.

1.3.4. Подавление оже-рекомбинации на гетерограницах II типа.

1.4. Светодиоды и фотодиоды для спектрального диапазона 1.6-5.0 мкм.

1.4.1. Светодиоды для спектрального диапазона 1.6-2.4 мкм.

1.4.2. Светодиоды для спектрального диапазона 2.7-5.0 мкм.

1.4.3. Фотодиоды для спектрального диапазона 2.7-4.6 мкм.

1.5. Выводы к I главе.

ГЛАВА 2. Методика эксперимента.

2.1. Предварительные замечания.

2.2. Выбор гетероструктур для создания светодиодов и фотоприемников в средней ИК области.

2.3. Выбор конструкции светодиодов и фотодиодов для средней ИК области

-32.4. Установка для измерения спектральных характеристик светоизлучающих и фото чувствительных приборов.

2.5. Описание методики определения полной мощности на основе спектральных измерений.

2.6. Особенности измерения спектральной плотности мощности. Коррекция формы спектра.

2.7. Выводы к II главе.

ГЛАВА 3. Мощные светодиоды для спектрального диапазона 1.6-2.4 мкм на основе гетеропереходов II типа в системе GaSb/GalnAsSb (Xjn<28%).

3.1. Предварительные замечания. ^

3.2. Расчеты зонных диаграмм и параметров исследуемых гетероструктур GaSb/InGaAsSb/AlGaAsSb.

3.3. Излучательная и безызлучательная рекомбинация в гетероструктурах.

3.4. Спектральные и мощностные характеристики светодиодов для диапазона 2.0-2.4 мкм.

3.5. Спектральные и мощностные характеристики светодиодов для диапазона 1.6-2.0 мкм. gg

3.6. Увеличение квантового выхода 1.85 мкм светодиодов GaSb/ Gao.945lno.o55AsSb/Alo.34Gao.66AsSb за счет введения буферного слоя.

3.7. Применение светодиодных гетероструктур тиристорного типа n-GaSb/ p-GaSb/n-GalnAsSb/P-AlGaAsSb для увеличения квантового выхода 1.95 мкм светодиодов.

3.8. Высокоэффективные светодиодные структуры n-AlGaAsSb/ n-(Al)Ga(As)Sb/p-AlGaAsSb для спектрального диапазона 1.65-1.75 мкм.

3.9. Выводы к III главе.

ГЛАВА 4. Новый подход к созданию высокоэффективных светодиодов для спектрального диапазона 3.4-4.4 мкм на основе твердых растворов InGaAsSb (Xi„>80%) , изопериодных к подложке GaSb.

4.1. Предварительные замечания.

4.2. Спектральные и ватт-амперные характеристики светодиодных pPnN гетероструктур GaSb/AlGaAsSb/InGaAsSb/AlGaAsSb. Ill

4.3. Исследование токовой зависимости максимума спектров излучения в длинноволновых светодиодах 3-4 мкм на основе nNnP гетероструктур л GaSb/AlGaAsSb/InGaAsSb/AlGaAsSb.

-44.4. Анализ измеренных спектральных зависимостей.

4.5. Использование двойных гетероструктур с разъединенными гетеропереходами II типа GaSb/InGaAsSb. ^^

4.6. Выводы к IV главе.

ГЛАВА 5. Создание и исследование фотодиодов для спектрального диапазона 1.5-4.8 мкм, на основе разъединенных гетеропереходов в системе GaSMnGaAsSb, работающих при комнатной температуре.

5.1. Предварительные замечания.

5.2. Фотодиодные гетероструктуры на основе InGaAsSb.

5.3. Вольт-фарадные и вольт-амперные характеристики фотодиодов.

5.4. Исследование и анализ спектральных характеристик.

5.5. Основные характеристики фотодиодов для диапазона 1.5-^-4.8 мкм, работающих при комнатной температуре.

5.6. Выводы к V главе.

Актуальность создания высокоэффективных светодиодов и фотодиодов для спектрального диапазона 1.6-5.0 мкм

Известно, что характеристические полосы поглощения целого ряда важных химических соединений лежат в средней ИК области спектра. Среди них вода и ее пары (1.94 мкм, 2.75-2.85 мкм), метан (1.65 мкм, 2.3 мкм, 3.3 мкм), двуокись углерода (2.65 мкм, 4.27 мкм), окись углерода (2.34 мкм, 4.67 мкм), ацетон (3.4 мкм), аммоний (2.25 мкм, 2.94 мкм), окислы азота (4.08-4.44 мкм) и многие другие неорганические и органические вещества. Сенсоры природного газа (метана), концентрации двуокиси углерода, окиси углерода и других загрязнителей нужны практически в каждом доме, каждом помещении.

Новым перспективным направлением использования оптических сенсоров является создание приборов неинвазивной (бесконтактной) медицинской диагностики. В них, как правило, используется линейка источников, излучающих на разных длинах волн в инфракрасной области.

На данный момент существует быстроразвивающийся рынок оптических газоанализаторов, в которых используются тепловые источники инфракрасного излучения. Из широкого спектра излучения черного тела с помощью оптических фильтров вырезается нужный спектральный диапазон. Несмотря на определенный прогресс в развитии химических и адсорбционных газовых сенсоров, оптические сенсоры обладают бесспорными преимуществами, такими как высокая селективность, устойчивость к агрессивной внешней среде, высоким быстродействием.

Создание достаточно эффективных светодиодов, перекрывающих диапазон 1.6-5.0 мкм дает ряд бесспорных преимуществ создателям оптических газоанализаторов. Светодиоды обладают на три порядка более высоким быстродействием, миниатюрными размерами, низкой потребляемой электрической мощностью, простотой конструкции (не нужны фильтры и вакуум вокруг проволочки), обладают существенно большим временем жизни, при массовом производстве их себестоимость ниже.

Последние десятилетия в ФТИ им. А.Ф. Иоффе активно исследовались четверные твердые растворы в системе СаБЬ-ЬгАэ, выращиваемые на подложках ваБЬ или 1пАз, с целью создания излучателей и приемников ИК излучения для диапазона 1.6-5.0 мкм. Подобные исследования проводятся так же в Ланкастерском Университете, Англия, Университете в Монпелье, Франция, центральной исследовательской лаборатории фирмы Хамаматсу, Япония и в ряде других научных групп. Но разработанные до сих пор светодиоды данного спектрального диапазона обладали рядом недостатков, затрудняющих их использование в системах газоанализа и медицинской диагностики.

Целью данной диссертационной работы Целью данной диссертационной работы являлось исследование люминесцентных свойств гетероструктур П типа в4 системе СаЬгАзЗЬ/СаБЬ и создание на их основе светодиодов с улучшенными мощностными и спектральными характеристиками и высокоэффективных фотодиодов, работающих при комнатной температуре в спектральном диапазоне 1.6-5-4.8 мкм.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- создание и исследование широкого класса высокоэффективных светодиодных гетероструктур П типа для спектрального диапазона 1.6-5-2.4 мкм с четверным твердым раствором ОаЬгАзЗЬ (0<Хы<0.28) в активной области; разработка светодиодных тиристорных гетероструктур для спектрального диапазона 1.6-5-2.4 мкм с целью преодоления утечки дырок через гетеропереход П типа;

- применение нового подхода к созданию длинноволновых (3-5-4 мкм) светодиодных гетероструктур, выращенных на подложке ваБЬ, с использованием узкозонных четверных твердых растворов ЬЮаАзЗЬ (Хь!>70%) в качестве активной области и широкозонных твердых растворов АЮаАзЗЬ для ограничения носителей заряда.

- исследование электрических и фотоэлектрических свойств разъединенных гетероструктур СаЗЬЛпСаАзЗЬ/СаЗЬ и создание на их основе фотодиодов с диапазоном чувствительности 2.0-5-4.8 мкм, работающих при комнатной температуре.

Научная новизна:

1) Исследованы э л ектро люминесцентные характеристики, а так же их температурные зависимости (-20°С<Т<80°С) для светодиодных гетероструктур П типа с четверным твердым раствором Оа1пАз8Ь (0<Хы<0.28) в активной области, перекрывающим спектральный диапазон 1.6-2.4 мкм. Определены факторы, ограничивающие квантовый выход.

2) Созданы и исследованы светодиодные тиристорные гетероструктуры п-ваБЬ/ р-ОаЗЬ/п-ЬЮаАзЗЬ/Р-АЮаАзЗЬ, в которых достигнуто увеличение квантового выхода за счет эффективного удержания дырок в области гетерограницы П типа р-СаЗЬ/п-СаЬгАБЗЬ.

3) Созданы длинноволновые (3.6-5-4.4 мкм) многослойные светодиодные гетероструктуры ОаЗЬ/АЮаАзЗЬЛпСаАзЗЬ/АЮаАзБЬ пМпР и рРпЫ типа, в которых узкозонный активный слой зажат между двумя широкозонными слоями АЮаАзБЬ, а так же структуры СаЗЬ/АЮаАзЗЬ/СаЗМпСаАзЗЬ/ОаЗЬ/АЮаАзЗЬ аМгшрР и рРрппЫ типа, с разъединенными гетеропереходами СаЗМпОаАзБЬ с двух сторон активной области.

Обнаружены и исследованы два канала излучательной рекомбинации в этих структурах при Т=300 К с энергиями переходов 0.295 эВ (межзонный) и 0.331 эВ (интерфейсный).

4) Предложен новый подход к созданию длинноволновых фотодиодных гетероструктур на основе разъединенных гетеропереходов П типа GaSb/InGaAsSb (0.03<Хса<0.12) с диапазоном чувствительности при комнатной температуре 2.0-^4.8 мкм. Исследованы их электрические и фотоэлектрические характеристики. На основе анализа результатов выбрана оптимальная фотодиодная конструкция P-GaSb/p-InGaAsSb/ n-InGaAsSb/P-GaSb.

Практическая ценность работы:

1) Созданы высокоэффективные светодиодные гетероструктуры, излучающие на восьми разных длинах волн в спектральном диапазоне 1.6-5-2.4 мкм. Достигнуты значения средней оптической мощности до 3.5 мВт и пиковой оптической мощности до 180 мВт.

2) Впервые созданы светодиоды, излучающих на длинах волн 3.75 мкм и 4.2 мкм на основе изопериодных к подложке GaSb твердых растворов InGaAsSb (Хь,>80%). Пиковая оптическая мощность светодиодов с максимумом излучения в районе 3.75 мкм достигала 2.8 мВт.

3) Созданы фотодиоды для спектрального диапазона 1.5-^-4.8 мкм, работающие при комнатной температуре, на основе разъединенных гетеропереходов П типа GaSb/InGaAsSb. Обнаружительная способность при Т=77 К достигала D3-8*=4.4*1010 cm.Hz"1/2/W, а при Т=300К D4.7*=4.1*108 cm.Hz-1/2/W. Данное значение увеличивается до D4.5*=2*109cm.Hz"1/2/W, при использовании термоэлектрического охлаждения.

4) Разработана конструкция светодиодов и фотодиодов с встроенным миниатюрным термохолодильником и термосенсором, которая позволяет улучшить существенно параметры приборов, за счет охлаждения структуры, а так же стабилизировать параметры при неглубоком охлаждении, что очень важно с учетом применений светодиодов и фотодиодов в приборах экологического мониторинга и медицинской диагностики. Были так же созданы светодиодные многоцветные матрицы, позволяющие сканировать определенный спектральный диапазон.

На защиту выносятся следующие научные положения: 1. В источниках спонтанного излучения на основе изопериодных гетероструктур с четверным твердым раствором GalnAsSb (0<Хы<0.20) в активной области и двухсторонним AlGaAsSb (Xai=0.64) широкозонным ограничением носителей заряда в квази-непрерывном режиме получены значения внутреннего квантового выхода в диапазоне 40-60% за счет эффективного удержания носителей при высоких уровнях инжекции. В импульсном режиме достигнуто значение пиковой оптической мощности 180 мВт. Главным фактором, ограничивающим квантовый выход, является утечка дырок через гетеропереход П типа.

2. Светодиодная гетероструктура тиристорного типа n-GaSb/p-GaSb/ n-GalnAsSb/p-AlGaAsSb обеспечивает эффективную локализацию дырок и электронов с двух сторон гетерограницы П типа p-GaSb/n-GalnAsSb, что создает оптимальные условия для излучательной рекомбинации и увеличивает предельно достижимую оптическую мощность почти в два раза по сравнению с аналогичной гетероструктурой диодного типа.

3. В длинноволновых светодиодах на основе симметричных изопериодных гетероструктур GaSb/AlGaAsSb/InGaAsSb/AlGaAsSb (nNnP и pPnN типа проводимости) с содержанием галлия в активной области 0.03<Хоа<0.15 при низких уровнях инжекции наблюдаются межзонные излучательные рекомбинационные переходы с энергией фотонов hv=0.295 эВ (к=4.2 мкм), а при увеличении уровня инжекции часть инжектированных •»дырок локализуется вблизи потенциальной ямы для электронов на гетерогранице N-AlGaAsSb/n-InGaAsSb и излучательно рекомбинирует с энергией hv=0.331 эВ, (А.=3.75 мкм), соответствующей переходу электронов с уровня Ферми в потенциальной яме на потолок валентной зоны.

4. На основе разъединенных гетероструктур П типа P-GaSb/ p-InGao.o9AsSb/n-InGao.o9AsSb/P-GaSb созданы фотодиоды, работающие при комнатной температуре, с широким диапазоном чувствительности 2.0-4.8 мкм. В этих фотодиодах р-п переход в активной области обеспечивает эффективное разделение генерированных носителей, а разъединенный гетеропереход n-InGaAsSb/P-GaSb выполняет роль омического контакта между активной областью и широкозонным окном.

Апробация работы: Результаты работы докладывались на следующих международных конференциях и семинарах: Наноструктуры: Физика и технология (Санкт-Петербург, Россия, 1996); Международный симпозиум по полу-проводниковым приборам ISDRS (Шарлоттесвил, США, 1997); Международная конференция по тонким слоям и поверхности ICSFS IX (Копенгаген, Дания, 1998); Материалы и приборы для средней ИК оптоэлектроники MIOMD Ш (Аахен, Германия, 1999); XVI Международная научно-техническая конференция по фотоэлектронике и приборам ночного видения (Москва, Россия, 2000); Материалы и приборы для средней ИК оптоэлектроники MIOMD V (Монпелье, Франция, 2001);Международная выставка-семинар LED Expo (Сеул, Корея, 2003); Материалы и приборы для средней ИК оптоэлектроники MIOMD VI (Санкт

Петербург, Россия, 2004); Международная выставка-семинар LED Expo (Сеул, Корея, 2004).

Образцы созданных светодиодов и фотодиодов для средней ИК области представлялись на международных выставках "Российский Промышленник" и "Высокие технологии", Санкт-Петербург с 1998 по 2004 гг. Данные экспозиции были награждены шестью дипломами и золотой медалью ("Высокие технологии-2002").

Публикации: По материалам диссертации опубликовано 14 работ, список которых приведен в конце диссертации. Работа "Высокоэффективные светодиоды на 3.4-4.4 мкм на основе p-AlGaAsSb/n-InGaAsSb/n-AlGaAsSb, работающие при комнатной температуре" получила премию МАИК "Наука/интерпериодика" за 2001 год как лучшая публикация в журналах издательства в области физики и математики.

Структура диссертации: Диссертация состоит из введения, пяти глав, приложения и заключения. Она содержит 172 страниц текста, 110 рисунков, 9 таблиц и список литературы из 117 работ.

Основные результаты данной работы представлены в следующих публикациях:

1. М.П. Михайлова, С.В. Слободчиков, Н.Д. Стоянов, Н.М. Стусь и Ю.П. Яковлев "Неохлаждаемые фотодиоды на основе InAsSbP/InAs для спектрального диапазона 3-5 мкм" // Письма в ЖТФ, 1996, том 22, стр. 63-66.

2. A.G. Gorbatyuk, М.Р. Mikhailova, G.G. Zegrya, K.D. Moiseev, N.D. Stoyanov, O.V. Andreychuk and Yu.P. Yakovlev "Negative differential resistance and radiative recombination in type П broken-gap p-GalnAsSb/n-InAs single heterojunctions // Proc. Nanostructures: Physics and Technology, St. Petersburg, 1996, pp.62-65.

3. M.P. Mikhailova, B.E. Zhurtanov, K.D. Moiseev, O.G. Ershov, T.I. Voronina, O.V. Andreychuk, N.D. Stoyanov and Yu.P. Yakovlev "Mid-infrared electroluminescence and lasing in AlGaAsSb/InGaAsSb double heterostructures with asymmetric band offset confinements" // Proceedings ISDRS, Charlottesville 1997, pp.563-566.

4. C.C. Кижаев, М.П. Михайлова, C.C. Молчанов, Н.Д. Стоянов и Ю.П. Яковлев "Выращивание InAs фотодиодных структур из металлорганических соединений" // Письма в ЖТФ, 1998, том 24, №7, стр. 1-7.

5. M.Maksjutenko, A.Maksyutenko, V.Tolstinskiy, M.Mikhailova, V.Sherstnev, A.Astakhova, N.Stoyanov and Yu.P.Yakovlev "Application of 3.23 цш LEDs in Portable Gas Analyser for CH4 detection" // Proceeding MIOMD III Aachen 1999

6. Б.Е. Журтанов, К.Д. Моисеев, М.П. Михайлова, Т.Н. Воронина, Н.Д. Стоянов и Ю.П. Яковлев "Бистабильность электролюминесценции в двойной гетероструктуре П типа AlGaAsSb/InGaAsSb" // Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып.З стр.357-361.

7. K.D. Moiseev, М.Р. Mikhailova, B.E. Zhurtanov, T.I. Voronina, O.V. Andreychuk, N.D. Stoyanov and Yu.P. Yakovlev "Electroluminescence and lasing in type II Ga(Al)Sb/InGaAsSb heterostructures in the spectral range 3-5 цт" // Applied Surface Science, 1999, Vol.142, pp.257-261.

8. Н.Д. Стоянов, М.П. Михайлова, К.Д. Моисеев, О.В. Андрейчук, И.А. Андреев, М.А. Афраилов и Ю.П. Яковлев "Неохлаждаемые фотодиоды для спектрального диапазона 1.5-4.8 мкм на основе гетеропереходов П типа в системе GaSb/GalnAsSb" // XVI Международная конференция по фотоэлектрике и приборам ночного видения, Москва, 2000, Тезисы докладов стр. 112-113.

9. В.В. Романов, Э.В. Иванов, А.Н. Именков, Н.М. Колчанова, К.Д. Моисеев, Н.Д. Стоянов и Ю.П. Яковлев "Светодиоды для диапазона 2.6-2.8 мкм на основе твердых растворов InAsSbP предельного состава" // Письма в ЖТФ, 2001, том 27, №14, стр. 80-87.

10. Б.Е. Журтанов, Э.В. Иванов, А.Н. Именков, Н.М. Колчанова, А.Е. Розов, Н.Д. Стоянов и Ю.П. Яковлев "Высокоэффективные светодиоды на 3.4-4.4 мкм на основе p-AlGaAsSb/n-InGaAsSb/n-AlGaAsSb, работающие при комнатной температуре" // Писма в ЖТФ, 2001, том 27, вып.5 стр. 1-7.

11. Н.Д. Стоянов, М.П. Михайлова, О.В. Андрейчук, К.Д. Моисеев, И.А. Андреев, М.А. Афраилов и Ю.П. Яковлев "Фотодиоды на основе гетеропереходов П типа в системе GaSb/InGaAsSb для спектрального диапазона 1.5-4.8 мкм" // Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып.4 стр.467-473.

12. M.P.Mikhailova, N.D.Stoyanov, O.V.Andreychuk, K.D.Moiseev, LA.Andreev, Yu.P.Yakovlev and M.A.Afrailov "Type II GaSb based photodiodes operating in spectral range 1.5-4.8 jim at room temperature" // IEE Proc.-Optoelectron. 2002, Vol.149, pp. 4144.

13. Н.Д. Стоянов, Б.Е. Журтанов, А.П. Астахова, А.Н. Именков и Ю.П. Яковлев "Высокоэффективные светодиоды спектрального диапазона 1.6-2.4 мкм для медицинской диагностики и экологического мониторинга" // Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 8 стр.996-1009.

14. А.П. Астахова, А.Н. Баранов, А. Висе, А.Н. Именков, Н.М. Колчанова, Н.Д. Стоянов, А. Черняев, Д.А. Яреха и Ю.П. Яковлев "Тепловая и токовая перестройка длины волны излучения квантово-размерных лазеров диапазона 2.02.4 мкм" // Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып.4 стр.502-507.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. АлферовЖ.И. Физикам жизнь//Изд.2-е, М.; СПб.: Наука, 2001

2. Алферов Ж.И., Андреев В.М., Корольков В.И., Портной Е.Л., Третьяков Д.Н. Гетеропереходы AlxGai.xAs-GaAs // Физика электронно-дырочных переходов и полупроводниковых приборов, отв.ред. Рыбкин С.М., Шмарцев Ю.В., Л., 1969 стр.260-267

3. Milnes A. and Feucht D.L. "Heterojunctios and Metal-Semiconductor Junctions" // New York: Academic, 1972

4. Pearsall T.P. (ed) "GalnAsP Alloy Semiconductors" // New York: Willey, 1982

5. Haase M., Emanuel M.A, Smith S. C., Coleman J.J. and Stillman G.E. "Band discontinuities in GaAs/AltGai-xAs heteroj unction photodiodes" // 1987 Appl. Phys.Lett. vol.50, p.404

6. Esaki L. "A bird's-eye view on the evolution of semiconductor superlattices and quantum wells" //1986 IEEE J. Quantum.Electron. vol.22, p.1611-1624

7. Sai-Halasz C.A.H., Esaki L. and Harrison W. "InAs-GaSb superlattice energy structure and 1st semiconductor semimetal transition" // 1978 Phys.Rev. Vol.18 No6, p. 2812

8. Munekata H., Mendez E.E., lye Y. and Esaki L. "Densities and mobilities of coexistingelectrons and holes in GaSb/InAs/GaSb quantum wells" // Surf.Sci.,1986,Vol.l74, p.449

9. Kroemer H. and Griffiths G Electron Device Lett. // 1983, Vol.4 , p.20

10. Wilson В IEEE J.Quantum Electron. "Carrier dynamics and recombination mechanisms in staggered-alignment heterostructures" // 1988, Vol.24 p. 1763-1777

11. Melnikova Yu. S. Fiz.Tekh.Poluprovodn. // 1980, Vol.14, p.1763

12. Dohler G "Electron-hole subbands at the GaSb-InAs interface" // Surf.Sci. 1980, Vol.98. pp.108-116

13. Caine E.Y., Subbana H., Kroemer H., Metz Y.L. and Cho A.Y. "Staggered-lineup heterojunctions as sources of tunable below-gap radiation: Experimental verification" // Appl.Phys.Lett. 1984, Vol.45, p.l 123

14. Титков A.H., Чебан B.H., Баранов A.H., Гусейнов А.А. и Яковлев Ю.П. "Природа спонтанной электролюминесценции гетероструктур П типа GalnAsSb/GaSb" // ФТП, 1990, том 24, стр.1056-1061

15. Baranov A.N., hnenkov A.N., Mikhailova М.Р., Rogachev A.A., Titkov A.N. and Yakovlev Yu.P. "Staggered-lineup heteroj unction in the system of GaSb-InAs" // Superlatt. Microstruct. 1990, Vol.8 No4, p.37518.