Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние проблемы получения гетероструктур ЫР / InGaAsP для элементов ВОЛС 10
1.1 Краткая характеристика фотопрёмников для ВОЛС 10
1.2 Проблемы технологии гетероструктур для фотоприемников 20
1.2.1. Управление составом многокомпонентных ТР в процессе ЖФЭ.. 21
1.2.2. Проблема согласования параметров решеток 27
1.2.3. Проблема получения чистого материала 31
1.2.4. Проблема легирования и локализации р-п-перехода в гетероструктурах 34
1.2.5. Проблема защиты поверхности 35
1.3. Параметры фотоприемников 38
1.4. Технические требования, предъявляемые к гетероструктурам для излучателей 40
1.4.1. Электрофизические характеристики эпитаксиальных слоев на основе InGaAsP 42
1.4.2. Оптические свойства гетероструктур на основе твердых растворов InGaAsP 46
1.4.3. Основные конструкции светодиодов, используемые в ВОЛС...54
1.5. Заключение 56
Глава 2. Исследование процессов роста многослойных гетероструктур InGaAsP/InP для p-i-n-фотодиодов систем ВОЛС 59
2.1 p-i-n-фотодиоды на основе двойных гетероструктур (ДГС).. 59
2.2 Основные конструкции и требования к параметрам твердых растворов InGaAsP для p-i-n-диодов 62
2.3 Элементы технологии получения гетеросруктур на основе InGaAs(P) с низкой фоновой концентрацией примеси 64
2.4 Исследование основных характеристик гетероструктур для p-i-n-фотодиодов 76
Глава 3. Исследование процесса выращивания двойных гетероструктур для быстродействующих излучателей систем ВОЛС 81
3.1. Технологические условия формирования двойных гетероструктур InGaAsP/InP 81
3.2. Электрофизические и оптические исследования ДГС типап-п-р 86
3.3. Электрофизические и оптические исследования ДГС типап-р-р+ 92
3.4 Испытание гетероструктур в макетах излучателей систем ВОЛС 95
Глава 4. Разработка промышленной технологии выращивания гетероструктур InP/InGaAsP 96
4.1 Полный технологический цикл получения гетероструктур для элементов ВОЛС 96
4.2 Основные техническо - экономические показатели технологии получения структур ЭСФАГИ 99
Выводы 102
Литература 103
- Проблемы технологии гетероструктур для фотоприемников
- Основные конструкции и требования к параметрам твердых растворов InGaAsP для p-i-n-диодов
- Электрофизические и оптические исследования ДГС типап-п-р
- Основные техническо - экономические показатели технологии получения структур ЭСФАГИ
Введение к работе
В связи с успехами в технологии кварцевого стекловолокна в последние годы было установлено, что минимальные потери и близкая к нулю дисперсия в нём приходится на спектральный диапазон 1.1-f-1.6 мкм [1]. Поэтому возникла необходимость создания в данном спектральном диапазоне излучающих и фотоприёмных приборов для обеспечения элементной базы волокно-оптических линий связи (ВОЛС).Элементная база излучателей ( лазеров, свеодиодов и фотоприёмников ( ФП ) ) на основе изопериодических гетероструктур IпР/ InGaAsP в настоящее время недостаточно хорошо развита [2 - 8] . Это обусловлено, по-видимому тем что к ним предъявляется комплекс достаточно жёстких требований [6 , 7] : высокая квантовая эффективность; высокое быстродействие и минимальный шум. Общие требования к материалу ФП для ВОЛС сформулированы в работе [ 7 ] Предпочтительным оказывается материал имеющий :
прямую структуру энергетических зон для обеспечения высокого коэффициента поглощения падающих фотонов ;
высокую чистоту для того ,чтобы иметь минимальные темповые токи , и достаточную для поглощения падающих фотонов ширину слоя объёмного заряда;
высокое структурное совершенство с минимальной плотностью дефектов для уменьшения темповых токов .
Использование для конструирования ФП " идеальных " гетероструктур вместо р - п -гомопереходов имеет ряд существенных преимуществ [ 9 ] . В частности, в ФП на основе гетероструктур возможно совмещать область генерации фотоносителей и их разделения благодаря тому , что излучение вводится через широкозонное «окно» . Это обстоятельство позволяет получать в таких ФП квантовую эффективность, близкую к 100% в
прямозонных материалах даже с высокой скоростью поверхностной рекомбинации и малыми дифузионными длинами носителей заряда, так как она в данном случае определяется только коэффициентом разделения электронно- дырочных пар. Эффект «окна» позволяет обеспечить как селективность ФП, так и расширение их области постоянной спектральной чувствительности , которая определяется только шириной запрещённых зон узкозонного материала и широкозонного «окна» . Наконец ,использование гетероструктуры даёт возможность повысить быстродействие и снизить обратные темповые токи по сравнению с ФП на основе гомоструктур.
Основная задача, решаемая излучающим диодом в ВОЛС - введение необходимой оптической мощности в волокно и обеспечение широкополосной модуляции сигнала.
В качестве излучателей систем ВОЛС находят применение лазерные диоды, работающие в непрерывном режиме при комнатной температуре, и диодные источники спонтанного излучения ( излучающие диоды ) . Лазеры обеспечивают наибольшее быстродействие ВОЛС , однако преимущество излучающих диодов перед лазерами является стабильность спектрального состава излучения, простота изготовления, долговечность и меньшая стоимость.
На основе четверных ТР, используя принцип изопереодического замещения [ 10,11 ] , возможно независимо изменять ширину запрещённой зоны и параметр решётки. Так, в четверной системе AlGaAsSb , применяя подложку GaSb , возможно получать изопериодические ТР , перекрывающие спектральный диапазон 0.75-5-1.9 мкм (рис. 1).По этой причине , названным двум четверным системам ТР и In 0.53 Ga 0Л1 As , изопериодическому cin Р , и уделено в литературе основное внимание исследователей для разработки элементной базы ВОЛС .
Наиболее развитым методом получения гетероструктур на основе ТР
a, A
О) Ш
GaAs
подложка InP
GaSb
6.2
Рис.1. Зависимость Eg постоянной решетки (a) для четверных твердых растворов InGaAsP и AIGaAsSb.
InGaAsP является метод жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) . Однако промышленное применение существующих методик эпитаксиального выращивания из растворов -расплавов ограничивается как сложностью получения в гетероструктурах слаболегированной активной области для фотоприёмников, так и получения быстродействующих гетероструктур для излучателей,
Поэтому целью настоящей работы является разработка гетероструктур InP/InGaAsP как материала для приборов элементной базы ВОЛС методом ЖФЭ и промышленной технологии их производства.
Научная новизна работы»
Разработаны и обоснованы технологические режимы процесса ЖФЭ гетероструктур InP/InGaAsP для излучателей и фотоприёмников (ФП) систем ВОЛС.
Обоснованна возможность получения ростовых растворов-расплавов на основе индия с использованием термообработки и введением редкоземельных элементов (РЗЭ).
Установлены закономерности и проведён сравнительный анализ по легированию активных областей излучателей и ФП различными типами примесей.
Впервые показана возможность получения гетероструктуры для ФП с концентрацией легирующей примеси в i-области меньше 1015см _3.
Предложено использование гетероструктур с тонкой активной областью (Ь<1мкм) и высоким уровнем легирования для изготовления излучателей , что даёт возможность повысить быстродействие за счёт уменьшения эффективного времени жизни носителей и уменьшить ширину спектральной полосы излучения.
Практическая значимость и реализация результатов работы .
Разработаны и внедрены в производство технологические процессы ЖФЭ гетероструктур InPAnGaAsP для излучателей Яе 0.032.076ТУ и Яе0.032.123ТУ.
Разработан и внедрён в производство технологический процесс получения p-i-n-фотодиодов для ВОЛС -ЯеО.032.115ТУ.
Реализован способ подготовки раствора-расплава для жидкофазной эпитаксии твердых растворов (ТР) А3 В^ (А.с.СССР №1732705).
Положения выносимые на защиту.
Использование дополнительных растворов-расплавов в процессе эпитаксии позволяет создать противодавление легколетучих компонентов твердых растворов и стабилизировать состав растущего эпитаксиального слоя.
Использование значений упругости паров легколетучих компонентов в модели кристаллизации эпитаксиальных слоев твердых растворов InGaAsP позволяет более достоверно прогнозировать состав растущей пленки.
Учет кинетических явлений при ЖФЭ позволяет повысить прецезионность управления свойствами эпитаксиалных слоев на основе твердых растворов InGaAsP.
Введение редкоземельных элементов в раствор-расплав при ЖФЭ позволяет уменьщить содержание примесей - кислорода и углерода.
5. Промышленная технология получения гетероструктур InP/InGaAsP с
заданной концентрацией состава и легирующих компонентов для
излучателей и ФП систем ВОЛС.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Всесоюзной научной конференции « Фотоэлектрические явления в полупроводниках » ( г.Тащкент, 1989г), на 5-ой Всесоюзной конференции
по физическим процессам в полупроводниковых гетероструктурах (г.Калуга, 1990г). По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 1 изобретение .
Диссертация состоит из введения, 4 глав и выводов . Работа содержит 113 страниц печатного текста , 7 таблиц, 33 рисунка , 122 наименования цитируемой литературы .
Проблемы технологии гетероструктур для фотоприемников
Из приведённого краткого анализа наиболее распространённых типов ФП на основе гетероструктур очевидно , что для успешной реализации оптимальных конструкций при изготовлении ФП необходимо решать следующие технологические проблемы: 1) прецезионное управление составом многокомпонентных ТР в процессе ЖФЭ ; 2) согласование параметров решётки контактирующих материалов; 3) получение чистого материала (п 1015 см _3 ); 4) локализация р-п- перехода в гетероструктуре ; 5) получение сильнолегированных контактных слоев; 6) защита поверхности. Остановимся на каждой из проблем в отдельности . Прежде чем перейти к проблеме прецезионного управления составом многокомпонентных ТР InGaAsP и AlGaAsSb , кратко рассмотрим зависимости ширины запрещённой зоны от состав твёрдой фазы и условия изопериодического замещения. Обычно для предсказания Eg и постоянной решётки четверных ТР используются и метод интерполяции по данным , известным для бинарных соединений и тройных ТР на их основе [11,37]. В работе [11] интерполяционные зависимости Её от состава описывались полиномом третьей степени . Однако такая интерполяция не даёт хорошего согласия с экспериментальными результатами для системы In Ga As Р . Это обусловлено тем , что кубическая зависимость не учитывает эффектов смешения , свойственных четырёхкомпонентным системам. Для учета эффектов смешения предложено [37] использовать интерполяционную зависимость, описываемую полиномом четвертой степени. Для ТР InGaAsP зависимости Eg от состава описывается следующим выражением :х(0.23-..02х--х(1)х)(0.42+0.282у)+0.912х(1-х)у(1-у). (1.1) которое хорошо согласуется с экспериментальными данными (рис. 6 сплошная кривая ) для составов ТР Ini.x Gax Asi_y Ру, изопериодических с In Р.Для ТР А1у Gaby Asi.x Sbx зависимость Eg от состава твёрдой фазы описывается полиномом третьей степени [38]и в литературе нет сопоставления этой зависимости с экспериментом . Экспериментальные данные для тройных ТР А1х Gai.x Sb по зависимости Eg от состава обобщены в работе [39].
Условие изопериодического замещения для ТР Ini.x Gax AsNy Ру по отношению к In Р для 300 К имеет вид [40]а для ТР А1х Gai.x Asy Sbi.y по отношению к Ga Sb [41]
В настоящее время основным методом получения ФП-гетероструктур на основе многокомпонентных ТР А В является ЖФЭ в различных её модификациях , которые были развиты для системы Al Ga As -Ga As : метод принудительного охлаждения насыщенного раствора-расплава и его разновидности , метод наращивания из двухфазного раствора-расплава , а также метод изотермического наращивания из пересыщенного раствора-расплава . Основным недостатком первых трех модификаций ЖФЭ является то, что они не позволяют получать слои ТР толщиной 1-2 мкм с постоянным составом по толщине. Метод изотермического наращивания лишен этого недостатка, и поэтому он получил наибольшее распространение.
Необходимость прецезионного управления составом многокомпонентных ТР в процессе ЖФЭ предопределяет знание фазовых диаграмм. Поэтому анализу фазовых равновесий многокомпонентных ТР в литературе уделено большое внимание. Анализ фазовых равновесий в рамках теории простых растворов для тройных систем А3 В5 обобщен в работе [42] . Использовав единый набор термодинамических параметров, авторы получили удовлетворительное согласие расчета с большей частью имеющихся экспериментальных данных для широкого круга материалов. Однако попытка применить этот комплекс параметров для описания фазовых равновесий в четырехкомпонентных системах, в частности в системе InGaAsP , оказалась не столь успешной [43]. Это привело к значительному расхождению экспериментальных и расчетных результатов в области низких температур (600-650СП т.е. температутэ типичных для проведения эпитаксиального проіієсса в системе InGaAsP
В работе [44] получено хорошее согласие расчета и эксперимента. Однако для этого ее авторы не только необоснованно изменили термодинамические параметры работы [42], но и ввели зависимость параметров взаимодействия в твердой фазе от состава, что противоречит теории простых растворов. Предложенные термодинамические параметры применимы только в узком температурном диапазоне для составов ТР, изопериодических с InP , и не описывают характера фазовых равновесий за пределами изопериодического разреза.
Удовлетворительное согласие экспериментальных данных и расчета по фазовым равновесиям в системе InGaAsP в широком интервале температур по всему полю диаграммы составов достигнуто в работе [40]. Для расчета было использовано квазирегулярное приближение простых растворов для жидкой и твердой фаз, т.е. параметры взаимодействия рассматривались линейно зависящими от температуры. На основе анализа большого числа экспериментальных данных по ликвидусу и солидусу тройных систем и путем их обработки по уравнениям теории простых растворов найдены значения термодинамических функций. На рис. 7 представлены в наиболее удобном для исследователей виде экспериментальные данные и результаты расчета фазовых равновесий в системе InGaAsP для изопериодического с InP разреза [40], совмещенные с экспериментальными данными и расчетом зависимости Eg от состава жидкой фазы с учетом эффектов смешения [37].
Однако следует заметить , что даже точное знание фазовой диаграммы не решает проблему получения слоев заданного состава. В реальных условиях эпитаксиального наращивания неизбежное переохлаждение жидкой фазы уводит систему от состояния термодинамического равновесия. Положение усугубляется термодинамической нестабильностью бинарной подложки в контакте с многокомпонентной жидкой фазой. Отсутствие равновесия при ЖФЭ вызывает массоперенос через межфазную границу, что сопровождается растворением подложки или осаждением новой фазы [45]. В результате этого система может перейти в квазировновесное состояние после образования на поверхности подложки переходного слоя , равновесного по отношению к исходной жидкой фазе. Существование переходного слоя экспериментально установлено как в тройных [45 46] так и в четверных системах [47]. Теоретически показано [ 45 48] что образование переходного слоя может быть описано в рамках модели диффузионного массопереноса в обеих фазах. Для четверных ТР InGaAsP кинетический анализ процесса роста слоев в изотермических условиях из ттрг)ег)хла ясгтенньтх раствог)он г)асплавов проделан в работах [48 49] гдепПКЯЧЯНо ТТО ТТТТ5Г ТОЧНОГО ОТТр1ТТкТТРТТ1 Т5Т соОТЯТ Я VTCTTTTTCOW ГПа ЗТ Т НРООХОTTWIVfогодля осаждения слоев заданного состава в выбранном режиме следует пользоваться эффективными коэффициентами распределения, а не их
При создании гетероструктур InGaAs /InP часто возникает необходимость выращивания ЖФЭ на тройном ТР InGaAs слоя InP . Следует заметить , что
Основные конструкции и требования к параметрам твердых растворов InGaAsP для p-i-n-диодов
При изготовлении p-i-п-диодов на основе гетероструктур используются , как правило, два типа конструкций кристаллов - планарная (см.рис.2а) и меза-конструкция (см.рис.2б).
В гетероструктурах для планарной конструкции p-i-n-диода слои изотипные, р-п-переход формируется диффузией Zn через широкозонное окно.
Достоинства планарной конструкции в том, что в ней при удачном выборедиэлектрика может быть решена проблема поверхностных утечек в одномтехнологическом цикле с созданием р-п-перехода. В качестве диэлектрических покрытий, главным образом, используются пленки ЗІОг, Si3N4, GaN, А12O3, полученные газофазным осаждением или ионно-плазменным напылением [4]. Известные данные о свойствах границы раздела диэлектриков и InP(InGaAs) противоречивы. Это связано с тем, что собственные окислы некоторых компонентов соединений А В являются проводящими. Свойства границы диэлектрик-полупроводник во многом зависят от предварительной обработки поверхности и режима формирования диэлектрического покрытия [30].
Гетероструктуры InGaAsP(InGaAs)/InP наиболее подходящие для планарной конструкции из-за того, что скорость поверхностной рекомбинации фосфида индия существенно ниже, чем у других соединений А3В5 И составляет величину 103см/с [97].
Следует, однако, отметить, что для изготовления планарной конструкции p-i-n-диода требуются гетероструктуры с высокой однородностью толщины широкозонного слоя - «окна» и отработанная технология диффузии Zn для реализации заданного, формируемого при диффузии, р-п-перехода в гетероструктуре.
В конструкции меза-планарного p-i-n-диода р-п-переход и его расположение относительно гетеропереходов реализуются непосредственно при эпитаксии гетероструктур. В процессе эпитаксии подбором легирующих примесей и их концентрации легче осуществляется и управление основными параметрами диода.
Основной задачей, требующей решения при изготовлении меза-планарного p-i-n-диода, является защита вскрытого р-п-перехода.
Обнадеживающие результаты дала пассивация поверхности полиамидным покрытием [102] после обработки меза-структуры в специальном травителе [103]. Однако, до настоящего времени не найдено эффективных методов защиты поверхности соединений и диэлектриков, обеспечивающих на границе раздела скорость поверхностной рекомбинации, эквивалентную таковой на границе раздела термическая двуокись кремния-кремний, котораяпозволяет получать значения темновых токов, определяемых только объемными свойствами материала.
В p-i-n-диодах меза-конструкции на основе Inc.53Gao.47As, полученных ЖФЭ, внешняя квантовая эффективность на А=1,55 мкм 83% при обратном смещении - 5В. Плотность темнового тока при смещении - 10В составляла 2,5-Ю"6 А/см2, а быстродействие таких диодов 30 пс [102]. Пассивация поверхности осуществлялась полиамидным покрытием.
В планарном варианте с использованием диэлектрической изоляции из Si02 аналогичные p-i-n-диоды имели токовую чувствительность 0,5 А/Вт при обратном смещении - 0,5В без просветляющих покрытий, плотность темнового тока 3,5-10"7 А/см при смещении - 1ВА и быстродействие менее 0,5нс [30].
Одной из проблем получения ДГС на основе многокомпонентных твердых растворов является последовательное наращивание эпитаксиальных слоев с согласованными при температурах роста параметрами решёток Несоответствие параметров решётки контактирующих материалов влияет на люминесцентные свойства гетероструктур [103], величину туннельного тока [104], что существенным образом сказывается на темповом токе фотоприёмных устройств .
Для получения изопериодических при температуре наращивания гетероструктур InGaAsP/InGaAs/InP требуется высокая точность фиксирования состава исходного раствора-расплава и поддержания постоянного температурного режима в процессе эпитаксии [105]. Согласно
значениям коэффициентов термического расщирения слоев InxGa,.xAS..yPyразличного состава, разности их периодов решеток при комнатнойтемпературе относительно периода In? будут соответствоватьотрицательным значениям, причем абсолютная величина разности будет являться функцией состава твердого раствора.
Важной и довольно трудной технологической проблемой является получение высокочистого материала с концентрацией носителей заряда 3-1015см-3 . Такой материал необходим для создания эффективных p-i-n фотодиодов с низкими значениями темпового тока, малой емкостью р-п перехода и большой шириной слоя объемного заряда. При ЖФЭ сложно избавиться от примесей-спутников, находящихся в исходных материалах, а также входящих в расплав из материала контейнера.
Наиболее чистые слои фосфида индия и bio Gao As были получены при длительном отжиге растворов-расплавов в потоке водорода [107], вакуумном высокотемпературном отжиге графитовых кассет и металла-растворителяиндия [108], использовании сапфировых кассет, либо комбинации этих способов [66].
Следует особо отметить способ получения высокочистых слоев InGaAs (Р) с использованием редкоземельных элементов (РЗЭ) в качестве легирующей примеси растворов-расплавов [67-69]. В табл.1 приведены параметры образцов в зависимости от условий наращивания. Как видно из таблицы, увеличение времени отжига раствора-расплава с введенным в него РЗЭ до 25 часов позволяет выращивать слои с концентрацией носителей заряда 10й см"3 и подвижностью 90004-16000 см /В-сек при 300 К. Добавление различных РЗЭ в раствор - расплав хотя и в различной степени , но всегда приводит к существенному снижению концентрации как доноров так и акцепторов по сравнению с концентрацией в образцах , выращенных при том же времени отжига раствора - расплава , но нелегированных РЗЭ.
Электрофизические и оптические исследования ДГС типап-п-р
Процессе работы проводился контроль структурного совершенства каждого эпитаксиального слоя гетероструктуры. Несоответствие параметра решетки слоя и подложки определялось из рентгенодифракционных измерений методом, основанным на использовании схемы обратного отражения широкорасходящегося пучка рентгеновских лучей и одновременного получения дифракционных линий от нескольких слоев гетероструктуры.
При составах жидких фаз (для активной области - As -5,93% ат, Ga - 1,85%ат, широкозонного эмиттера - As - 4,2% ат, Ga - 2,7% ат.) в разработанном температурно-временном режиме рассогласовывания параметров решеток при комнатной температуре составляло - 0,006 А, - 0,003 А соответственно, что указывает на их изопериодичность с фосфидом индия при температуре эпитаксии .
Для установления зависимостей изменения концентрации носителей заряда от количества и типа легирующей примеси слои наращивались на полуизолирующих подложках ФИП (100). Измерения концентрации проводились по методу Ван-дер-Пау.
На рис.28 приведена зависимость изменения концентрации электронов в активном слое ДГС от концентрации олова и теллура в жидкой фазе при их совместном введении. Как видно, совместное легирование значительно увеличивает концентрацию носителей по сравнению с концентрацией при легировании одним компонентом. Спектры фотолюминесценции показывали хорошую интенсивность до концентрации п 8-1018 см"3, в то время как при 1о 7легировании Одной примесью до концентрации п—Z W см интенсивностьбезизлучательных центров рекомбинации при увеличении введенных в кристалл атомов примеси.
При совместном легировании (олово — в катионной подрешетки, а теллур — в анионной подрешетке твердого раствора) упругие напряжения распределяются по двум подрешеткам и результирующее нарушение структурьі сущеілізспно ниже, чем при легириьешии донором однш о вИДа.
Типичная полуширина спектров ч Л Z\J—J\J мэв при концентрацииto тэлектронов п (5-7)- 10 см и температуре азота. С ростом концентрацииэлектронов энергия максимума краевой полосы смещается ввысокоэнергетическуюобласть, рассогласование параметров решетки подложки и слоя растет. Для получения изопериодических слоев определенного состава и уровня легирования необходимо корректировать состав жидкой фазы и температуру начала роста.
Легирование широкозонного р -эмиттера осуществлялось магнием и концентрация носителей заряда в эмиттере была (7-5-20)- 1018 см"3.
На рис. 29 показан типичный спектр электролюминисценции ДГС с длиной волны излучателей 1,55 мкм (Eg = 0,8 эВ) при 300 К. Полуширина полосы излучения составила 60 мэВ при комнатной температуре. Попадание в активную область акцепторов, равно как и увеличение несоответствия параметра решетки в ту или другую сторону приводило к уширению краевой полосы люминесценции.
Толщина промежуточного нелегированного слоя между активной областью и широкозонным р эмиттером выбиралась экспериментально из сравнения внешнего квантового выхода от его толщины (рис. 30). При увеличении толщины промежуточного слоя на начальном этапе Г1в1„. растет, проходит через максимум и уменьшается.
Уменьшение квантовой эффективности ДГС объясняется ухудшением инжекционных свойств гетероструктуры из-за существенного смещения р-п-перехода от гетерограницы в широкозонный эмиттер. Максимальная квантовая эффективность соответствует положению р-п-перехода вблизи гетерограницы, но не на самой гетерогранице, разделяя области инжекции и рекомбинации носителей заряда. Положение р-п-перехода на гетерогранице с активным слоем существенно уменьшает гвн за счет генерации на гетерогранице дополнительных центров безизлучательной рекомбинации. Максимальная величина внешнего квантового выхода на ДГС п-п-р -типа при уровне легирования активной области 7-Ю18 см"3 и толщине 0,4мкм, составляла величину 2,0%.
В качестве легирующей акцепторной примеси активной области использовался цинк , Цинк вводился в шихту в виде сплава эвтектического состава с индием (1,8% вес Zn ).
На рис. 31 показана зависимость измерения концентрации дырок в твёрдой фазе от количества введённого цинка. Следует отметить , что легирование эвтектическим сплавом возможно провести количественно в диапазоне р = 3-1015 +2-Ю19 см-3. Получение высокой концентрации дырок при легирование «чистым» цинком было невозможно из-за его высокой летучести. В сплаве эвтектического состава цинк находится в связанном с индием состоянии, распределяется по объёму рабочего расплава равномерно, и поэтому парциальное давление его паров при температуре эпитаксии уменьшается на 2 - 3 порядка . Не наблюдалось существенного загрязнения цинком соседних расплавов. В ДГС перед активной р-областью наращивался нелегированный слой InGaAsP (Eg 1,2 эв) для разделения областей инжекции и рекомбинации носителей . Толщина этого слоя весьма критично сказывается на величине внешней квантовой эффективности . На рис. 32 показанна зависимость изменения гв„ от толщины промежуточного слоя, максимум которой соответствует оптимальному положению п-р- перехода вблизи гетерограницы с активной областью .
Максимальная величина внешнего квантового выхода при концентрацииакцепторов в активном слое 5-10 см и толщине 0,4 мкм составляла величину -1,в%.[122]
Основные техническо - экономические показатели технологии получения структур ЭСФАГИ
По результатам работы проведена опытная партия получения гетероструктур в количестве 65,2 см2 годного.Трудоемкость изготовления структур ЭСФАГИ - 123 составила 1044,86 н/час, в том числе трудоемкость контрольных операций - 191,9 н/ч. на 1000 см2. Результаты испытаний гетероструктур приведены в таблице 5, пооперационный выход годного - в таблице 6, протокол результатов статистической обработки параметров гетероструктур, полученных в рамках опытной партии - в таблице 7. Основным видом брака по результатам ОП является брак по качеству поверхности, связанный в основном с отклонением толщин подложек от оптимальной для создания нужного зазора (20 - 40) мкм между поверхностью структуры и графитовой пластиной. Разработанный материал имеет технологические запасы относительно норм ТУ по толщинам активного слоя и широкозонного эмиттера (нормы по ТУ: толщина слоя активной области - не более 1 мкм, толщина слоя верхнего р эмиттера - 3 ч- 5 мкм, величина внешнего квантового выхода (Лв„ 1,2%)? длине волны электролюминесценции (А.= 1 5 -г- 1 6 мкм). Виды брака по толщине активной области, по толщине широкозонного эмиттера, по длине волны электролюминесценции и внешнему квантовому выходу отсутствуют. Результаты статистической обработки структур ЭСФАГИ 123, полученных при проведении опытной партии по ОКР «Антарктида-1». 1. Разработана и обоснована промышленная технология жидкофазного получения гетероструктур InPflnGaAзР для быстродействующих светодиодов с внешним квантовым выходом на уровне 1.2%. 2. Разработан и внедрен в производство технологический процесс получения p-i-n-фотодиодов джля волоконно- оптических линий связи с квантовой эффективностью более 80%. 3. Предложена модель жидкофазного эпитаксиального роста полупроводниковых гетероструктур InP/InGaAsP, учитывающая влияние как термодинамических (переохлаждение на фронте кристаллизации,упругость паров легколетучих компонент и др.), так и кинетических ( скорость прокачки раствора-расплава) факторов. Модель позволяет прогнозировать условия прецезионного управления составом и уровнем легирования эпитаксиальных слоев. 4. Показано, что введение в раствор-расплав на основе индия редкоземельных элементов (Gd,Yb,Ce) с концентрацией до 0,005% ат и применение отжига расплава при температуре 670 - 680С и времени до 70 часов позволяет уменьшить содержание кислорода и углерода на один --два порядка. 5. Разработан способ оптимизации легирования р - эмиттерной области излучателей на основе ТР InGaAsP с использованием Mg и РЗЭ. 1. Д и а н о в Е.М. Перспективы использования диапазона длин волн 1-1,6 мкм для осуществления волоконно-оптической связи (обзор).-Квантовая электроника, 1980,T.7,N 3, с. 453-468 2. ВасильевМ.Г,Гв03девА.А.,Гореленок А.Т.191 Низкопороговые полосковые зарощенные гетеролазеры на основе InGaAsPAnP (А,«1,3 мкм), полученные гибридной технологией. -ЖТФД983, T.53,N 7, с. 1413-1414 3. Н iгао М.,ТSujj SS-JJOpttCommun.. ,9800 voll .1 N 11 p.10-- 4. 4. Алферов Ж.И.,ГореленокA.T.,ГpуздовВ.Г. Светодиоды на основе ДГС InGaAsPAnP (к « 1,55 мм) с внешним квантовым выходом Г « 30% (300 К). - Письма в ЖТФ, 1982, т. 8, N5, с. 257-262. 5. Агафонов В.Г., Г а р б у з о в Д.З., Гореленок А.Т. Светодиоды на основе InGaAsP/InP ( «1,3 мкм) с внешним квантовым выходом r 40% (300 К). - Письма в ЖТФ, 1982, т.8, N 5, с. 262-266. 6. Корольков В.И., Михайлова М.П. Лавинные фотодиоды на основе твердых растворов полупроводниковых соединений А В .-ФТП, 1983, T.17,N 4, с. 569-582. 7. St I11mап G.E., Cook L.W., Ви1man G.E. - IEEE Transact on Electron Devices, 1982, VED-29, N 9, h.1355-1371. 8. Kaneda Т., Kagama S., M i ka wa Т., TojamaY. - Appl. Phys.Lett, 1980, N 7, p.572-576. 9. K o r o 1 k o v V.I. Photodetectors based on heterostrures. - In: Semiconductor optoelectronics/ Ed. M.A. Herman. Warszawa: P.W.W., 1980, p. 387-415.
