Введение к работе
Актуальность темы. Развитие информатики, вычислительной техники и гнсорики потребовало создания новых средств обработки, передачи и хранения азличных данных. Решение возникших проблем стало возможным с привлечением гггоэлектроники, интегральной оптики и волоконно-оптических линий связи (ВОЛС). пючевым звеном всех таких систем являются миниатюрные полупроводниковые чжекционные лазеры и спонтанные излучатели (светодиоды), способные длительное эемя работать даже при превышающих комнатную температурах. Возможность эредачи излучения на большие расстояния по кварцевому оптическому кабелю (в лапазоне 1,0-1,7 мкм) способствовало развитию комплекса работ по контролю фужающей среды с использованием излучателей, длины волн которых зответствовали интенсивным линиям поглощения молекул воды, метана, углекислого іза и т.п. Одним из важных направлений в этой области является создание ттического метанометра (интенсивная линия поглощения СН,-1,66 мкм), эзволяющего путем оценки степени поглощения излучения с данной длиной волны лстанционно контролировать содержание газа в шахте с использованием элоконного кабеля.
Основой для изготовления инжекционных излучателей с такими длинами волн »ляются многослойные гетероструктуры типа InP/GaJn-.xPyASi.„ (ІпР) В зависимости конструкции диода многослойной структуре может придаваться различный )офиль. Такие профилированные лазерные структуры формируют с привлечением ізличньїх методов эпитаксии (МОС-гидридной, молекулярно-лучевой и лдкофазной). Хотя в последние годы достигнуты высокие параметры на структура:;.
выращенных по МОС-гидридной технологии, однако простота и экологичность метод; жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) позволяет ему оставаться основным для изготовлени; структур типа In/GalnPAs/lnP.
Особенности низкотемпературной эпитаксии GalnPAs и InP из индиевого і других расплавов практически не изучены. При создании профилированных структуї требуется выяснение режимов химического травления, применяемых защитны: покрытий и особенностей роста на рельефных подложках. Кроме того, прі заращивании мезаполосков целесообразно использовать высокоомные слои фосфид, индия, технология получения которых из :кидкой фазы не отработана. Существую также проблемы жидкофазной эпитаксии гетероструктур InP/GalnPAs/lnP симметричными гетеробарьерами при малых концентрациях фосфора в твердої растворе (у диодов с X =1.55 и 7,66 мкм), что связано с существенно неравновесностью жидкой и твердой фаз в рассматриваемом случае.
Многокомпонентность рассматриваемой системы, а также большое числ факторов, влияющих на процесс формирования мезаполосковых зарощенны гетероструктур, требует выполнения большого числа достаточно дорогостоящи экспериментов. Одним из вариантов преодоления объема требуемых опытов являете идея вычислительного эксперимента, основанная на построении математически моделей процесса и их анализа.
Актуальность темы определяется тем, что к началу работы над диссертацией н были исследованы фазовые равновесия "расплав-кристалл" в системе Ga-ln-P-As (G* Іп-Р-Аз-Ме(растворитель)) при пониженных (<873К) температурах; услови устойчивости подложки фосфида индия против термических разрушений не был определены; разработанные приемы выращивания двойных гетероструктур (ДГС
InP/GalnPAs/lnP с малой концентрацией фосфора в активном слое не позволяли сформировать композиции с симметричными энергетическими барьерами; условия формирования профилированных (мезаполосковых) структур и их заращивания не были проработаны.
Цель работы. Исследование условий жидкофазной гетероэпитаксии профилированных структур InP/GalnPAs/lnP с симметричными барьерами для создания на их основе эффективных излучателей с длиной волны >1,5 мкм.
Достижение поставленной цели складывалось из решения следующих задач:
-прогнозирование положения фазовых границ "расплав-кристалл" в системах Ga-ln-P-As при пониженных температурах, Ga-ln-P-As-Sb, ln-P-Pb, Ga-ln-P-As-Zn и проверка расчетных данных экспериментальным путем;
-определение наиболее благоприятных условий (время продувки реактора, материал контейнера, подготовка подложек и сохранение их стабиьности в процессе предварительного прогрева) на выращивание слоев GalnPAs и ІпР с малым содержанием примесей;
-исследование условий термической стабильности подложек фосфида индия при рассматриваемых режимах эпитаксии;
-выявление уноса летучих компонентов из жидкой фазы перед процессом эпитаксии;
-исследование условий выращивания ДГС InP/GalnPAs/lnP (у-»0) с симметричными гетеробарьерами;
-разработка режимов формирования мезаполосковых структур и условий их заращивания;
-разработка условий жидкофазной эпитаксии высокоомных слоев фосфида индия;
-изготовление лазеров с длиной волны -1.6654 мкм для их использования в системе дистанционного контроля метана.
Методы исследования. В связи с этим в работе были использованы экспериментальные метод насыщения, метод визуального наблюдения, метод локального рентгеноспектрального микроанализа, металлографический и рентгеноструктурный анализ, метод потока, метод Оже-спектромии, термодинамический анализ, сканирующая электронная микроскопия, метод фотолюминесценции и расчетные (по модели регулярных растворов) методы.
Научная новизна. В итоге проведенных исследований получены следующие результаты:
-исследованы фазовые равновесия "расплав-кристалл" в системе Ga-ln-P-As при пониженных температурах;
-получены расчетные уравнения для оценки равновесных составов жидкой и твердой фаз в системах Ga-ln-P-As, Ga-ln-P-As-Sb, Іп-Р-РЬ, Ga-ln-As-Zn(npHMecb) и предложен алгоритм решения систем таких уравнений, обеспечивающий быстрое определение корней;
-расчетным и экспериментальным путем определены температуры ликвидуса и величины критического переохлаждения для расплавов систем Ga-ln-P-As, Ga-ln-P-As-Sb, In-P-Pb, Ga-ln-As-Zn;
-показано влияние упругих напряжений на состав эпитаксиального слоя твердого раствора, вызванное несоответствием периодов решеток (Аа), а также на характер изменения Аа от состава расплава и рекомендованы компоненты,
варьирование содержанием которых удобнее при подборе состава жидкой фазы, обеспечивающей получение изопериодных гетероструктур:
-установлены условия кристаллизации изопериодных гетероструктур InP/GalnPAs/lnP с Л>1.5 мкм симметричными резкими пленарными границами;
-разработан численный алгоритм, позволяющий рассчитывать
концентрационные профили в жидком расплаве и кристаллизующемся твердом растворе, а также толщину растущего слоя в любой момент времени протекания процесса жидксфазной эпитаксии з зависимости от различных парарметров (скорости зпитаксии, зремени эпитаксии. глубины расплава, температуры роста);
-установлены режимы заращивания мезаполосковых гетероструктур как аысокоомным слоем фосфида индия, так и встречным р-п переходом, позволяющие получать пригодную для фотолитографии планарнуга поверхность;
-разработан численный алгоритм, позволяющий рассчитывать толщины слоев, выросших на профилированных подложках, з приближении двумерной диффузии растворенного вещества в жидкой фазе.
Практическая значимость. Разработана технология получения зарощенных мезаполосковых гетероструктур с симметричными гетеробарьерами при Я>1,5 мкм. Проведено испытание созданного на основе полученной гетероструктуры лазера с л =1.5635 мкм а макете системы дис-знционнсго (2 км) контроля метана и показана возможность определять содержание СИі в газовой фазе в интервале от 0.2 до 100% независимо ат задымленное, присутствия паров воды и СО?.
Разработанная технология заращивания позволила повысить дифференциальную квантовую эффективность мезаполосковых зарощенных лазеров с длиной волны >1.5 мкм.
7"
Апробация работы. Результаты работы докладывались на межвузовской научно-технической конференции "Микроэлектроника и информатика-96"- Москва, апрель 1996г.
Публикации Основное содержание работы опубликовано в пяти научных статьях.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, документов, выводов и списка цитируемой литературы. Общий обьем работы составляет 185 страниц, в том числе: 117 страниц машинописного текста, 5 таблиц, 58 рисунков и список цитируемой литературы из 131 наименования.
