Содержание к диссертации
Введение
1. Гетероструктуры на основе полупроводников AmBv для приборных применений 15
1.1. Основные свойства соединений АШВУ и их твердых растворов 15
1.2. Гетероструктуры для лазерных диодов 26
1.3. Гетероструктуры для суперлюминесцентных диодов 51
1.4. Гетероструктуры для фотоприемников с квантовыми ямами 57
1.5. Гетероструктуры для полупроводниковых фотокатодов 78
2. Методика и техника эксперимента 93
2.1 Оборудование МОС-гидридной эпитаксии 93
2.2 Измерительная и аналитическая техника 102
3. Разработка технологии получения гетероструктур для лазерных диодов ... 105
3.1 Гетероструктуры в системе AlGaAs/GaAs (1=750-850нм) 106
3.1.1 Получение эпитаксиальных слоев GaAs 106
3.1.1.1 Общие закономерности эпитаксиального роста 106
3.1.1.2 Легирование GaAs 115
3.1.1.3 Дельта-легирование 131
3.1.2 Получение эпитаксиальных слоев AlGaAs 139
3.1.3 Проблема получения резких гетеропереходов и квантовых ям 155
3.1.4 Получение приборных гетероструктур 164
3.1.4.1 Оптимизация легирования гетероструктур для лазерных диодов 164
3.1.4.2 Лазерные диоды спектрального диапазона 740-770 нм 172
3.1.4.3 Лазерные диоды спектрального диапазона 770-860 нм 175
3.1.4.4 Линейки лазерных диодов спектрального диапазона 770-860нм 184
3.2 Гетероструктуры в системе InGaAs/AlGaAs (Х.=870-1 ЮОнм) 186
3.2.1 Проблема получения напряженных квантовых ям 186
3.2.1.1 Критическая толщина и особенности дефектообразования 189
3.2.1.2 Оптимизация условий получения напряженных квантовых ям... 194
3.2.2 Сегрегация атомов индия и формирование резких гетерограниц 196
3.2.2.1 Особенности распределения In в квантоворазмерных ГС 199
3.2.2.2 Разработка практических подходов к повышению резкости гетерограниц квантовых ям 205
3.2.2.3 Модель сегрегации в квазижидком приближении 209
3.2.3 Получение приборных гетероструктур 237
3.2.3.1 Влияние сегрегации In на получение одномодовых лазерных диодов на основе гетероструктур InGaAs/(Al)GaAs 237
3.2.3.2 Получение лазерных диодов с малой расходимостью 239
3.2.3.3 Лазерные диоды спектрального диапазона 860-920 нм 252
3.2.3.4 Лазерные диоды спектрального диапазона 920-1000 нм 257
3.2.3.5 Лазерные диоды спектрального диапазона 1000-1100 нм 258
3.3 Гетероструктуры в системе GalnAsP/InP (А=1300-1800нм) 263
3.3.1 Получение эпитаксиальных слоев InP 263
3.3.2 Получение эпитаксиальных слоев InGaAs 266
3.3.3 Получение эпитаксиальных слоев GalnAsP 268
3.3.4 Получение гетероструктур GalnAsP/GalnAsP с квантовыми ямами .279
3.3.5 Получение приборных гетероструктур 282
3.3.5.1 Лазерные диоды спектрального диапазона 1300-1550 нм 282
3.3.5.2 Лазерные диоды спектрального диапазона 1600-2000 нм 282
3.4 Гетероструктуры в системе AlGalnAs/InP (А=1300-1800нм) 286
3.4.1 Получение эпитаксиальных слоев AlGalnAs 286
3.4.2 Оптимизация получения гетероструктур (Al)GaInAs/AlGaInAs с квантовыми ямами 295
3.4.3 Получение приборных гетероструктур 296
4. Гетероструктуры для суперлюминесцентных диодов 306
4.1 Гетероструктуры AlGaAs/GaAs (/1=750-850нм) 306
4.2 Гетероструктуры InGaAs/AlGaAs (?і=870-1080нм) 315
4.3 Гетероструктуры GalnAsP/InP и AlGalnAs/InP ().=1300-1800нм) 322
5. Разработка технологии получения гетероструктур с квантовыми ямами для ИК-фотоприемников спектрального диапазона 3-5 и 8-12 мкм 326
5.1 Гетероструктуры GaAs/AlGaAs с квантовыми ямами (8-12 мкм) 327
5.2 Гетероструктуры InGaAs/AlGaAs с квантовыми ямами (3-5 мкм) 338
5.3 Двухспектральные гетероструктуры InGaAs/GaAs/AlGaAs с квантовыми ямами (3-5 и8-12мкм) 347
6. Разработка технологии получения гетероструктур для фотокатодов 350
6.1 Гетероструктуры AlGaAs/GaAs 351
6.2 Гетероструктуры GalnP/AlGalnP/GaAs 358
6.3 Гетероструктуры GaAsP/AlGaAsP/GaAs 360
6.4 Гетероструктуры InGaAs/AlGalnAs/GaAs 363
Основные результаты и выводы 370
Список литературы 373
Приложения 420
- Гетероструктуры для фотоприемников с квантовыми ямами
- Оптимизация легирования гетероструктур для лазерных диодов
- Разработка практических подходов к повышению резкости гетерограниц квантовых ям
- Гетероструктуры InGaAs/AlGaAs с квантовыми ямами (3-5 мкм)
Введение к работе
Последние успехи и достижения современной электронной техники во многом обязаны прогрессу в создании полупроводниковых приборов и устройств на их основе. Уникальные характеристики полупроводниковых оптоэлектронных приборов последнего поколения во многом определяются прогрессом в технологии формирования эпитаксиальных гетероструктур (ГС) на основе полупроводников A1 Bv, в первую очередь квантоворазмерных [1]. Многокомпонентные твердые растворы соединений A Bv обеспечивают широкие возможности управления фундаментальными физическими параметрами, что значительно расширяет спектр их возможных применений [2]. Именно на стадии получения ГС формируются основные параметры приборов, поэтому разработка такой современной отечественной технологии является важнейшей задачей.
Среди возможных методов получения эпитаксиальных ГС на передний план выдвигается МОС-гидридная эпитаксия (МОСГЭ). Она объединяет в себе как достоинства высокопрецизионного метода формирования эпитаксиальных слоев (ЭС), включая квантоворазмерные, так и преимущества высокой производительности и низкой себестоимости, что незаменимо для создания технологий промышленного получения ГС [3].
Современные ГС отличают высокие требования к соблюдению геометрии, энергетической диаграммы, профиля легирования и наличие одной или более квантовых ям (КЯ) с заданными параметрами. Изготовление многих приборов оптоэлектроники и ИК-техники последнего поколения, среди которых, в первую очередь, лазерные диоды (ЛД), суперлюминесцентные диоды (СЛД) и ИК-фотоприемники (ИК-ФП) с КЯ, невозможно без использования многослойных многокомпонентных квантоворазмерных ГС. Приборные характеристики во многом определяются конструкцией и качеством ГС, что требует высокого уровня технологии формирования указанных ГС. Следовательно, реализация потенциальных преимуществ МОСГЭ возможна только в случае использования хорошо отработанных технологий получения многослойных многокомпонентных ГС.
Задача разработки технологии МОСГЭ осложняется необходимостью учета множества параметров, влияющих на процесс осаждения ЭС и требующих оптимизации. Это обуславливает необходимость проведения комплексных исследовании закономерностей роста соединении А В и твердых растворов на их основе в условиях МОСГЭ, изучения особенностей формирования квантоворазмерных слоев и оптимизации процесса роста для получения многослойных ГС с высокой однородностью параметров и воспроизводимостью.
Среди квантоворазмерных ГС помимо КЯ в последнее время значительный интерес к себе привлекают ГС с квантовыми проволоками (КП) и квантовыми точками (КТ). Понижение размерности от двумерной (КЯ) к одномерной (КП) и нульмерной (КТ) позволяет изменить энергетический спектр носителей заряда и реализовать ряд интересных эффектов [1]. Однако работы по ГС с КП и КТ до сих пор носят исследовательский характер и их промышленная реализация все еще впереди. Изучение ГС с КЯ началось ранее, что сделало их сейчас основой многих промышленно освоенных приборов. Поэтому в данной работе основной упор сделан на разработку промышленно ориентированной технологии получения именно ГС с КЯ.
К середине 90-х годов прошлого столетия метод МОСГЭ завоевал признание как один из перспективных для промышленного получения приборных ГС на основе соединений АШВУ и твердых растворов на их основе. К этому моменту достаточно подробно был изучен процесс получения одиночных ЭС GaAs, InP и твердых растворов на их основе [4, 5]. Однако в литературе не обнаружилось исчерпывающей информации, достаточной для организации выпуска приборных ГС, состоящих из множества ЭС, зачастую отличающихся оптимальными режимами осаждения. Недостаточно полно изучены вопросы взаимосвязи между условиями осаждения ЭС и их параметрами. Слабо освещены вопросы оптимизации конструкции квантоворазмерных ГС и условий их формирования для улучшения приборных характеристик.
В связи с этим актуальность разработки технологии формирования квантоворазмерных ГС на основе соединений А В для приборных применений методом МОСГЭ является очевидной.
Цель работы состояла в создании технологии формирования методом МОСГЭ квантоворазмерных ГС на основе соединений AniBv И твердых растворов на их основе для приборов оптоэлектроники и РЖ-техники.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Установить взаимосвязь между параметрами процесса роста и характеристиками ЭС и определить закономерности формирования твердых растворов на основе GaAs и InP заданного состава и/или с требуемым профилем изменения состава или ширины запрещенной зоны.
2. Установить закономерности легирования ЭС GaAs, InP и твердых растворов на их основе примесями п- и р-типа проводимости в условиях МОСГЭ и разработать технологические приемы повышения резкости создаваемых р-п переходов.
3. Исследовать особенности формирования в условиях МОСГЭ напряженных ГС с ЭС нанометрового диапазона толщин, изучить закономерности их дефектообразования и распределения компонентов и на этой основе разработать процессы получения квантоворазмерных ГС с требуемыми характеристиками.
4. На основе проведенных исследований разработать технологические режимы формирования ГС на основе соединений АШВУ для лазерных диодов (ЛД) и суперлюминесцентных диодов (СЛД) на диапазон 0.75-1.80 мкм; ИК-фотоприемников (ИК-ФП) с КЯ на спектральный диапазон 3-5 и 8-12 мкм, в т.ч. двухспектральных с одновременной чувствительностью в указанных диапазонах; полупроводниковых фотокатодов (ФК) чувствительных в спектральном диапазоне 350-1100 нм.
Научная новизна
Проведено комплексное исследование процесса получения ЭС трех- и четырехкомпонентных твердых растворов на основе GaAs и InP и установлены закономерности влияния технологических факторов процесса МОСГЭ при пониженном давлении на их скорость роста, электрофизические и структурные свойства. Исследованы и определены режимы подачи исходных газообразных реагентов для получения ЭС с заданным характером изменения их свойств, изучена взаимосвязь состава газовой фазы с составом твердой фазы и скоростью роста ЭС.
Исследованы и определены условия легирования ЭС GaAs, InP и твердых растворов на их основе. Предложен способ получения дельта-легированных слоев п- и р-типа проводимости в условиях МОСГЭ. Разработана модель формирования профиля легирования атомами Zn с учетом диффузии последнего в условиях движущейся границы роста. Установлено, что профильное легирование ГС для ЛД позволяет снизить оптические потери и повысить внутренний квантовый выход.
Определены условия проведения процесса МОСГЭ для получения высококачественных напряженных КЯ и сверхрешеток. Установлено наличие пороговой величины эффективного напряжения в ГС с напряженными КЯ InGaAs, превышение которой приводит к активному дефектообразованию в них.
Изучена сегрегация In в условиях МОСГЭ квантоворазмерных ГС InGaAs/GaAs/AlGaAs и предложена модель, описывающая влияние параметров роста на профиль распределения In в КЯ. Определено, что наиболее эффективным и технологичным способом управления формой КЯ InGaAs является прерывание роста на ее гетерограницах.
В результате комплексного исследования взаимосвязи рабочих характеристик приборов оптоэлектроники и ИК-техники с технологическими условиями формирования ГС на основе GaAs и InP и их твердых растворов установлены закономерности, позволившие оптимизировать технологию их получения для достижения улучшенных приборных характеристик, в том числе для ГС с квантоворазмерной активной областью, пригодных для создания ЛД повышенной мощности, СЛД с расширенным спектром излучения и ИК-ФП, работающих на внутризонных переходах.
На защиту выносятся:
Закономерности влияния технологических параметров процесса МОСГЭ на характеристики ЭС GaAs, InP и твердых растворов на их основе. Зависимость скорости роста ЭС от потоков исходных компонентов и технологических режимов.
Результаты изучения процесса формирования твердых растворов в условиях МОСГЭ. Закономерности изменения расходов исходных компонентов для получения твердых растворов с заданным профилем изменения состава или ширины запрещенной зоны.
Условия легирования ЭС GaAs, InP и твердых растворов на их основе донорными и акцепторными примесями. Режимы формирования резких р-п переходов при легировании ЭС GaAs и AlGaAs углеродом. Способ формирования дельта-легированных слоев п- и р-типа проводимости. Методика получения заданного концентрационного профиля в ГС, легированных цинком, с учетом движущейся границы роста.
Закономерности формирования резких гетеропереходов, КЯ и сверхрешеток в условиях МОСГЭ. Оптимизация процесса получения напряженных КЯ и особенности дефектообразования в них.
Модель сегрегации атомов индия при формирования КЯ InGaAs/(Al)GaAs методом МОСГЭ. Способы уменьшения размытия концентрационных профилей атомов индия.
Технология получения ГС на основе GaAs, InP и их твердых растворов для излучающих и фотоприемных приборов оптоэлектроники и ИК-техники.
Практическая значимость
Разработана технология выращивания ЭС бинарных соединений, трех- и четырехкомпонентных твердых растворов на основе GaAs и InP и их управляемого легирования примесями п- и р-типа проводимости. Разработана технология формирования ГС с резкими границами областей р-типа путем легирования ЭС GaAs и AlGaAs углеродом. Предложены способы формирования дельта-легированных слоев п- и р-типа проводимости, обеспечивающие возможность прецизионного создания тонких слоев с заданным типом проводимости.
Разработана технология получения резких гетеропереходов, КЯ и сверхрешеток в условиях МОСГЭ при пониженном давлении. Предложены методы подавления сегрегации In, повышения резкости гетерограниц и идентичности КЯ в напряженных квантоворазмерных слоях InGaAs/(Al)GaAs.
Разработана базовая технология получения эпитаксиальных ГС соединений AIIIBV методом МОСГЭ для современных приборов оптоэлектроники и ИК-техники. При этом:
широкое разнообразие освоенных систем материалов ((Al)GaAs/AlGaAs/GaAs, InGaAs/AlGaAs/GaAs, InGaAs(P)/InGaAsP/InP и AlGalnAs/AlInAs/InP) позволило создать на их основе и освоить в промышленном производстве целый ряд надежных многомодовых и одномодовых ЛД непрерывного и импульсного режима работы с длинами волн 0,75-1,1 мкм и 1,3-1,8 мкм;
совершенствование геометрии квантоворазмерной активной области в ГС на основе указанных систем материалов позволило создать широкополосные СЛД и модули на их основе и организовать их промышленный выпуск;
исследование условий формирования ГС с множественными КЯ различного состава позволили разработать технологию получения фотоприемных ГС (In)GaAs/AlGaAs на спектральный диапазон 3-5 и 8-12 мкм, в т.ч. двухспектральных структур с одновременной чувствительностью в указанных диапазонах. Разработанные ГС перспективны для сверхвысокооднородных матричных фотоприемников с минимальным разбросом характеристик между отдельными элементами матрицы; разработка процесса формирования фотокатодных ГС GaAs/AlGaAs с высокой однородностью параметров на подложках большой площади и использование наноразмерных ЭС позволило создать полупроводниковые фотокатоды с расширенным в УФ область диапазоном 0,35-0,9 мкм (GaAs/AlGaAs/GaAs), с чувствительностью в зеленой области спектра 0,5-0,65 мкм (InGaP/AlInGaP/GaAs, GaAsP/GaAs) и со сдвинутым в длинноволновую область краем чувствительности 0,55-1,1 мкм (InGaAs/AlGalnAs/GaAs). На их основе может быть организован промышленный выпуск электронно-оптических преобразователей (ЭОП) 3-го поколения с новыми свойствами для производства приборов ночного видения.
В результате выполненных исследований и технологических разработок созданы и освоены в промышленном производстве ГС, предназначенные для изготовления на их основе свыше 50 моделей излучающих и приемных полупроводниковых приборов.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на International Forum on Advanced High-Power Lasers and Applications (Osaka, Japan, 1999), VIII European Conference on Applications of Surface and Interface Analysis (Sevilla, Spain, 1999), X, XI and XII International Conference on Laser Optics (St. Petersburg, Russia, 2000, 2003, 2006), III Международной научно-технической конференции по квантовой электронике (Минск, Белоруссия, 2000), 9th International Symposium «Nanostructures: Physics and Technology» (St Peterburg, Russia, 2001), XIII International Conference on Crystal Growth in Conjunction with XI International Conference on Vapor Growth and Epitaxy (Kyoto, Japan, 2001), European Material Research Society Spring Meeting (Strasbourg, France 2001), XII научно-технической конференции по СВЧ-электронике (Нижний Новгород, Россия, 2001), IV Белорусско-Российском Семинаре «Полупроводниковые лазеры и системы на их основе» (Минск, Беларусь, 2002), XXVI Workshop on Compound Semiconductor Devices and Integrated Circuits (Chernogolovka, Russia, 2002), XVII, XVIII и XIX Международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения (Москва, Россия, 2002, 2004, 2006), 11th International Conference on Metalogranic Vapor Phase Epitaxy (Berlin, Germany, 2002), VIII и IX Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (Дивноморское, Россия, 2002, 2004), I и II Всероссийской конференции «Физико-химические процессы в конденсированном состоянии и на межфазных границах» (Воронеж, Россия, 2002, 2004), X и XI Национальной конференции по росту кристаллов (Москва, Россия, 2002, 2004), X and XI European Conference on Metalorganic Vapor Phase Epitaxy (Lecce, Italy, 2003; Lausanne, Switzerland, 2005), European Material Research Society Fall Meeting (Warsaw, Poland, 2003), XIII и XIV Отраслевом координационном семинаре по СВЧ-технике (Нижний Новгород, Россия, 2003, 2005), Совещании по актуальным проблемам полупроводниковой фотоэлектроники (Новосибирск, Россия, 2003), Совещании «Нанофотоника» (Нижний Новгород, Россия, 2004), IV Международной научной конференции «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии» (Кисловодск, Россия, 2004), VI Международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (Сочи, Россия, 2004), Симпозиуме «Нанофизика и наноэлектроника» (Нижний Новгород, Россия, 2005, 2006), XVIII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Казань, Россия, 2005), VII Российской конференции по физике полупроводников «Полупроводники-2005» (Москва, Россия, 2005), Международной научной конференции «Тонкие пленки и наноструктуры» (Москва, Россия, 2005).
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 110 работ в отечественной и зарубежной научной печати.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа содержит 420 страниц текста, включая 181 рисунок, 11 таблиц и список литературы из 447 наименований.
В рамках данной работы изучены закономерности процесса получения эпитаксиальных слоев бинарных соединений и многокомпонентных твердых растворов на их основе, установлено влияние технологических факторов процесса МОСГЭ на их скорость роста, электрофизические и структурные свойства. Определены условия проведения процесса эпитаксии для получения высококачественных напряженных квантовых ям и сверхрешеток. Разработана базовая технология получения эпитаксиальных ГС соединений АШВУ для современных приборов оптоэлектроники и ИК-техники методом МОСГЭ.
Проведенный комплекс исследований позволил создать и освоить в промышленном производстве ряд ГС, предназначенных для изготовления на их основе свыше 50 моделей светоизлучающих и фотоприемных приборов.
Гетероструктуры для фотоприемников с квантовыми ямами
В [84] изучено влияние величины напряжения в КЯ на пороговую плотность тока ЛД на основе ГС InGaAs/GainAsP/InP. Установлено, что минимальное значение пороговой плотности тока (93 А/см ) достигается в ГС с одной напряженной КЯ (Аа/а=\.5%), тогда как для КЯ с другими напряжениями (Аа/а=-0.&5%, -1.5 %, 0.85 %) эта величина оказывается выше.
Авторы [85] проанализировали влияние уровня легирования гетерограницы р-эмиттерный слой/волновод на харакетристики ЛД на основе ГС GalnAsP/JnP. Показано, что среди изученных трех вариантов легирования (нелегированный, р=5х10 см" и р=1.5х10 см") лучшие результаты достигнуты для среднего варианта. В этом случае достигалась минимальная плотность порогового тока и максимальная дифференциальная квантовая эффективность, особенно при повышенных температурах.
Еще одним отличием ЛД с длиной волны 1.3-1.55 мкм является низкое значение характеристической температуры, которая отражает величину температурной зависимости порогового тока. Первоначально, основными причинами сильной температурной зависимости порогового тока, дифференциальной квантовой эффективности и ширины полосы модуляции лазеров с AF1.3-1.55 мкм, изготавливаемых на основе традиционной системы материалов InGaAsP/InP, считали Оже-безизлучательную рекомбинацию и межзонное поглощение носителей в валентной зоне [86]. Для устранения этих причин были созданы квантоворазмерные ГС на основе соединений InGaAsP/InP, с использованием напряженных КЯ. Рассогласование постоянных решеток приводит к образованию биаксиальных напряжений в КЯ и, как следствие, к изменению зонной диаграммы ГС. В результате искажения и расщепления подзон валентной зоны уменьшается эффективная масса дырок и, таким образом, снижается плотность состояний в валентной зоне. Вследствие этого уменьшается поглощение между подзонами валентной зоны и уменьшается вероятность Оже-рекомбинации [87]. Однако создание напряженных ГС с КЯ не привело к существенному улучшению температурных характеристик ЛД с AF1.3-1.55 мкм. Так, значение То в диапазоне температур 20-80С составляло всего 62К [87]. Этот факт позволил предположить, что основной причиной сильной температурной зависимости в ЛД на основе ГС InGaAsP/InP является утечка носителей из квантовых ям [88]. Система материалов InGaAsP/InP характеризуется небольшим энергетическим барьером для электронов на гетерогранице (разрывом в зоне проводимости) AEc-0AAEg [86]. Вследствии этого, при повышенных температурах происходит утечка электронов из КЯ. Очевидным путем преодоления указанной проблемы являлось либо использование промежуточных барьерных слоев, либо поиск альтернативной системы материалов с более благоприятным расположением краев зоны проводимости. Перспективным путем к повышению Т0 является переход к ГС на основе AlGalnAs/InP [86, 89, 90]. В данной системе материалов разрыв в зоне проводимости составляет большую величину AEc=0.72AEg [86]. Это позволило значительно улучшить высокотемпературные характеристики ЛД. Так, максимальная температура генерации в непрерывном режиме для ЛД на основе ГС AlGalnAs/InP составила 185С [91], а максимальное значение Т0 составило 120 К [92]. РО-ДГС с КЯ на спектральный диапазон 1.3-1.55 мкм, как правило, состоят из множественных КЯ толщиной 35-90 А разделенных барьерными слоями толщиной 80-200 А, волноводных слоев толщиной 300-1500 А и эмиттерных слоев толщиной 0.5-1.5 мкм, легированных примесями п- и р-типа проводимости до уровня 3-10x10 см". Следует отметить еще один возможный путь создания квантоворазмерных ГСур для изготовления на их основе неохлаждаемых лазеров с длиной волны излучения 1.3... 1.55 мкм - это использование КЯ в системе InGaAsN [93, 94, 95]. Для твердых растворов InGaAs(P)N характерна большая нелинейность зависимости ширины запрещенной зоны от содержания N (рис. 1.15). Это дает возможность достигнуть длин волн спектрального диапазона 1.3 и 1.55 мкм в системе материалов AlGaAs/GaAs, характеризующейся высокими значениями Т0. Основной трудностью ограничивающей развитие данного направления являлось низкое оптическое качество КЯ InGaAsN. Таким образом, для создания неохлаждаемых лазеров с длиной волны излучения 1.3-1.55 мкм для ВОЛС, наиболее целесообразным представляется использование ГС AlGalnAs/InP с КЯ.
Даже краткое рассмотрение конструкций ГС для ЛД позволяет сделать вывод об основных требованиях к технологии их формирования. Это, во-первых, возможность создания многослойных ГС на основе многокомпонентных твердых растворов с заданным уровнем легирования и профилем энергетической диаграммы. Во-вторых, ключевым моментом является контроль скорости роста и резкости гетерограниц, что обуславливает возможность получения высококачественных КЯ. Указанные моменты предопределяют выбор метода формирования современных лазерных ГС с КЯ.
ЖФЭ сыграла очень важную роль в развитии ЛД на основе РО-ДГС [39]. Принцип ЖФЭ состоит в осаждении ЭС из насыщенного или пересыщенного раствора-расплава на подложке. Существуют несколько вариантов реализации ЖФЭ отличающиеся по способу создания пересыщения. Для формирования многослойных ГС используются контейнеры пенального или цилиндрического типа, обеспечивающие возможность смены раствора-расплава контактирующего с подложкой. Преимуществами ЖФЭ являются простота аппаратурной реализации и невысокая себестоимость процесса роста. К недостаткам следует отнести наличие переходных слоев на гетерограницах, плохая морфология ЭС, сложности в выращивании КЯ, варизонных ЭС и ЭС с заданным профилем легирования. Подробнее о методе ЖФЭ можно узнать из следующих работ [96, 97, 98]. Последние модификации ЖФЭ позволяли формировать даже квантоворазмерные слои [99, 100].
Оптимизация легирования гетероструктур для лазерных диодов
Традиционно основным методом получения ГС с КЯ является МЛЭ. Практически во всех перечисленных работах ГС с КЯ получены методом МЛЭ. Это вполне закономерно, т.к. МЛЭ отличает высокая степень контроля и управления процессом роста, возможность получения сверхтонких слоев с атомно-резкими гетерограницами. МЛЭ является идеальным инструментом исследования процессов формирования таких сложных объектов как ГС с КЯ. С другой стороны, МЛЭ присущи и некоторые недостатки, а именно, низкая скорость роста, специфические ростовые дефекты (так называемы «овальные» дефекты, плотность которых может составлять 500 см", а размеры достигать 10 мкм [104]), небольшая площадь загрузки, высокая стоимость оборудования, что в конечном итоге приводит к малой производительности и высокой себестоимости ГС с КЯ. Поэтому, при переходе к полупромышленному и промышленному производству закономерной является попытка изготовления ГС с КЯ методом МОСГЭ при пониженном давлении (МОСГЭ). С помощью МОСГЭ возможно, при достаточно высоком структурном совершенстве и хорошей однородности, ускорить процесс роста и одновременно обрабатывать большое количество подложек значительной площади, что позволяет снизить себестоимость получаемых ГС с КЯ. Метод МОСГЭ дает возможность разработать технологию воспроизводимого наращивания сверходнородных многослойных ГС с прецизионным контролем толщины, состава и уровня легирования слоев с хорошей резкостью гетерограниц без необходимости создания сверхвысокого вакуума [198].
К началу данной работы имелось небольшое количество работ, авторы которых использовали метод МОСГЭ для получения ГС с КЯ для ИК-ФП на спектральные диапазоны 3-5 и 8-12 мкм [193, 199, 200, 201, 202, 203, 204, 205], тогда как количество публикаций по ГС с КЯ, полученным методом МЛЭ составило несколько сотен. В [199] сообщается о получении ГС GaAs/AlGaAs с КЯ методом МОСГЭ при атмосферном давлении. Авторы [200] исследовали влияние температуры роста на фотоэлектрические характеристики ИК-ФП с КЯ в условиях МОСГЭ при пониженном давлении. Показано, что среди исследованных температур роста (625С, 650С, 650С, 700С) лучшие результаты достигнуты при температуре 700С. Эта же температура роста была выбрана авторами [203, 204, 205] при проведении процесса МОСГЭ при пониженном давлении. Очевидной причиной улучшения результатов при повышении температуры роста является повышение качества барьерных слоев AlGaAs с ростом температуры [115]. В [205] также отмечается, что помимо повышения температуры роста на люминесцентных характеристиках ГС GaAs/AlGaAs с КЯ положительно сказывается и увеличение отношения V/III. Этот факт соответствует закономерностям внедрения кислорода в ЭС AlGaAs, описанным в [118]. При этом в [205] отмечено, что значительное увеличение температуры роста и отношения V/III приводит к росту фоновой концентрации мелких примесей, что приводит к ухудшению параметров ИК-ФП с КЯ, в частности росту темнового тока. Здесь можно упомянуть и работу [206], в которой изучалось влияние примеси кислорода в ГС GaAs/AlGaAs с КЯ на их фотоэлектрические характеристики. Правда, указанные ГС были получены методом МЛЭ, однако эти результаты имеют общий характер и могут быть использованы нами. В результате проведенных исследований показано, что увеличение концентрации кислорода с З.бхЮ16 см"3 до 5.1x10і7 см 3 в ГС С КЯ уменьшило интенсивность пика фотолюминесценции на 2 порядка и снизило О 1/9 Я. 1/9 обнаружительную способность с 8.5x10 смГц /Вт до 1.3x10 смГц /Вт. Это указывает на значительную роль транспортных свойств материала барьера в выходных характеристиках ИК-ФП с КЯ и необходимость оптимизации режимов роста барьерных слоев и ГС с КЯ в целом. Для увеличения резкости гетерограниц в [200, 203, 204, 205] предлагается использовать пониженное давление 40-80 мм.рт.ст. и скорость роста менее 1 нм/с. В [205] изучена возможность замены газа-носителя водород в процессе МОСГЭ ГС с КЯ на азот. Установлено, что чистота азота играет первоочередную роль, только с использованием средств дополнительной очистки удалось получить ГС приемлемого качества. Однако их фотоэлектрические характеристики были на порядок хуже, чем характеристики ГС, полученных с использованием водорода в качестве газа-носителя. Несмотря на привлекательность азота как инертного невзрывоопасного газа, данный подход дальнейшего развития не получил, что обусловлено возможностью более глубокой очистки водорода [207]. Этот факт оказал решающее влияние на выбор газа-носителя для МОСГЭ высококачественных ГСсКЯ. Анализ показал, что геометрия ГС GaAs/AlGaAs с КЯ, обеспечивающих чувствительность в спектральном диапазоне 8-12 мкм, варьируется достаточно сильно. Так, ширина КЯ GaAs составляла величину 40-90 А, ширина барьерного слоя AlxGai_xAs варьировалась от 100 до 1000 А, а мольная доля AlAs от 0.24 до 0.34. КЯ легировали кремнием до уровня 3-10х1017 см"3. Количество периодов в ГС находилось в диапазоне от 30 до 100. Для ГС InGaAs/AlGaAs с КЯ, обеспечивающих чувствительность в спектральном диапазоне 3-5 мкм, предложено использовать КЯ InGaAs шириной 24-50 А с мольной долей InAs 0.25-0.35 и барьерные слои AlxGaj_xAs с шириной 300-350 А и мольной долей AlAs от 0.30-0.38. КЯ легировали кремнием до уровня 5-30x1017 см"3. Количество периодов КЯ InGaAs варьировалось от 10 до 20.
Публикации о получении ГС InGaAs/AlGaAs с КЯ для обеспечения чувствительности в области 3-5 мкм методом МОСГЭ не найдены.
Представленные работы указывают на принципиальную возможность использования метода МОСГЭ для формирования ГС GaAs/AlGaAs с КЯ для ИК-ФП. Указывается на необходимость получения высокачественных барьерных слоев AlGaAs и представлены основные направления оптимизации режимов роста. При этом нет исчерпывающего описания всех параметров процесса МОСГЭ, что обуславливает необходимость проведения собственного исследования.
Разработка практических подходов к повышению резкости гетерограниц квантовых ям
Альтернативным путем увеличения чувствительности в «зеленой» области спектра является использование материала активной области с большей шириной запрещенной зоны по сравнению с GaAs. Например, в [240] удалось достигнуть квантовой эффективности 40 % на длине волны 550 нм используя ГС GaAsP/AlGaAsP.
ГС для ФК получали различными методами: ЖФЭ [211, 213, 218, 220, 241], ХГЭ [212, 232, 242], комбинацией ЖФЭ и ХГЭ [209], МОСГЭ [243, 236, 244], МЛЭ [245]. К моменту начала данной работы лучшие результаты были достигнуты на ГС, изготовленных методом ЖФЭ. Так, в [213] сообщается о получении близкой к теоретическому пределу интегральной чувствительности ФК на основе GaAs, работающих в режиме «на отражение», равной 2600-3200 мкА/лм. Дальнейшее совершенствование ФК сдерживается недостатками ЖФЭ, а именно плохой морфологией поверхности ЭС, значительным разбросом параметров по площади пластины, трудностями с использованием подложек большого диаметра, сложностями формирования резких гетеропереходов и квантоворазмерных слоев. МОСГЭ лишена указанных недостатков и благодаря высокой производительности позволяет организовать выпуск ГС для ФК в промышленных масштабах [244].
К сожалению, информации о параметрах процесса МОСГЭ ГС для ФК практически нет. Отсутствие полноценных сведений о режимах роста ГС для ФК в условиях МОСГЭ требует самостоятельной разработки технологии формирования указанных ГС. Оптимальная технология МОСГЭ должна обеспечивать получение фотокатодных ГС со следующими характеристиками слоев.
Для стопорного слоя важным моментом является высокое кристаллическое совершенство, так как возникающие в нем дефекты будут наследоваться вышележащим активным слоем, и высокая планарность гетерограницы стопорный слой/активный слой. Помимо этого стопорный слой должен иметь минимально возможную толщину, что подразумевает высокую селективность травления по отношению к материалу подложки.
Активный слой также должен характеризоваться высоким кристаллическим совершенством для обеспечения большой диффузионной длины и высоким уровнем легирования примесью р-типа проводимости для повышения вероятности фотоэмиссии электронов.
Основная задача оконного слоя заключается в снижении скорости поверхностной рекомбинации электронов, за что ответственно качество гетерограницы с активным слоем. Оконный слой также должен быть более широкозонным по отношению к материалу активного слоя, так как это, во многих случаях, определяет коротковолновую границу чувствительности ФК.
Анализ научно-технической литературы показал, что перспективным методом формирования эпитаксиальных ГС для приборов оптоэлектроники и ИК-техники в промышленных масштабах является МОСГЭ. Вместе с тем, представленные режимы роста характеризуются значительным разбросом и избирательностью, что не позволяет воспроизвести описываемые ГС. Отсутствуют детальные сведения по режимам роста и последовательности операций при формировании квантоворазмерных слоев, что делает невозможным получение КЯ и СР с заданными свойствами. Оптимальные условия получения ЭС испытывают сильное влияние геометрии реактора, что является одной из причин наблюдаемого разброса параметров роста. Этот факт в совокупности с перечисленным выше требует тщательного изучения закономерностей формирования ЭС соединений АШВ и твердых растворов на их основе в конкретной установке с данной конструкцией реактора и, затем, на их основе разработку технологии получения сложных многослойных ГС приборного назначения.
Основываясь на вышесказанном цель работы состояла в создании технологии формирования методом МОСГЭ квантоворазмерных ГС на основе соединений А В и твердых растворов на их основе для приборов оптоэлектроники и ИК-техники.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи: 1. Установить взаимосвязь между параметрами процесса роста и характеристиками ЭС и определить закономерности формирования твердых растворов на основе GaAs и InP заданного состава и/или с требуемым профилем изменения состава или ширины запрещенной зоны. 2. Установить закономерности легирования ЭС GaAs, InP и твердых растворов на их основе примесями п- и р-типа проводимости в условиях МОСГЭ и разработать технологические приемы повышения резкости создаваемых р-п переходов. 3. Исследовать особенности формирования в условиях МОСГЭ напряженных ГС с ЭС нанометрового диапазона толщин, изучить закономерности их дефектообразования и распределения компонентов и на этой основе разработать процессы получения квантоворазмерных ГС с требуемыми характеристиками. 4. На основе проведенных исследований разработать технологические режимы формирования ГС на основе соединений AIHBV для ЛД и СЛД на диапазон 0.75-1.80 мкм; ИК-ФП с КЯ на спектральный диапазон 3-5 и 8-12 мкм, в т.ч. двухспектральных с одновременной чувствительностью в указанных диапазонах; полупроводниковых ФК чувствительных в спектральном диапазоне 350-1100 нм.
Блок-схема установки МОСГЭ, использованной в данной работе, представлена на рис. 2.1. Установка состояла из газораспределительной системы, горизонтального кварцевого реактора с системой нагрева, вакуумной системы и системы электронного управления. В газораспределительной системе осуществлялась подготовка потоков исходных компонентов, которые затем подавались в реактор, где при заданных температуре и давлении происходило осаждение ЭС. Вакуумная система обеспечивала прохождение ПГС через реактор и поддержание давления в реакторе на требуемом уровне, а система электронного управления была ответственна за контроль и программируемое изменение параметров исполнительных элементов установки МОСГЭ в целом.
Газораспределительная система представляла собой ряд параллельно соединенных веток с пневматическими клапанами для включения потоков МОС и гидридных газов в реактор или для направления части потоков компонентов мимо реактора (байпасная ветка) (рис. 2.2). Расходы потоков газа-носителя, потоков газа-носителя через контейнеры с МОС и потоков гидридов поддерживали с помощью прецизионных электронных регуляторов расхода газов (РРГ), а давление в ветках МОС поддерживалось при помощи электронных регуляторов давления (РД). Контейнеры-испарители с МОС барботажного типа выдерживали при постоянной температуре при помощи специальных термостатов на элементах Пельтье.
Гетероструктуры InGaAs/AlGaAs с квантовыми ямами (3-5 мкм)
Последние десятилетия ЛД привлекают к себе неослабевающее внимание. Блгодаря целому ряду характерных свойств, а именно, миниатюрности, малоинерционности, высокому полному КПД, спектральной согласованности с волоконными световодами, широкими возможностями по модулированию лазерного излучения и низкой себестоимости при массовом производстве, ЛД эффективно используются в современных системах управления и связи.
Разработанная в данной работе технология формирования полупроводниковых ГС методом МОСГЭ позволяет изготавливать на их основе ЛД всего ближнего ИК-диапазона, начиная с 0.75 мкм и до 1.8 мкм. Для создания высококачественных ЛД с параметрами на уровне мировых стандартов большое внимание уделено таким вопросам, как снижение пороговых токов, уменьшение оптических потерь в волноводных слоях, увеличение внутреннего и внешнего квантовых выходов, дополнительное увеличение надежности приборов. Для ряда применений проводились работы по уменьшению расходимости выходного излучения, оптимизации выходного пучка для ввода в волокно или сопряжения с коллимирующей оптикой.
Основным элементом современных ГС являются КЯ. Они обеспечивают достижение повышенных приборных характеристик, в ряде случаев уникальных. Практически все выпускаемые в настоящее время ЛД, а также СЛД имеют КЯ в составе активной области.
Теоретические и экспериментальные исследования процесса формирования КЯ, разработка методов улучшения их оптических характеристик, изучение их влияния на приборные параметры, позволили разработать в ходе данной работы специальные технологические приемы по получению резких гетерограниц и высококачественных КЯ в условиях МОСГЭ, что привело к повышению эксплуатационных характеристик полупроводниковых приборов, использующих КЯ в качестве активной области.
Основные технические решения, реализованные в конструкции ГС и технологии их формирования, выполнены на мировом уровне. Тщательный выбор условий получения КЯ позволил увеличить внутренний квантовый выход, а использование широких волноводов совместно с оптимизацией профиля легирования лазерных ГС позволило снизить внутренние оптические потери, что дало возможность увеличить длину резонатора без значительного снижения дифференциальной квантовой эффективности и увеличить выходную мощность ЛД. Это позволило создать на их основе мощные многомодовые и одномодовые ЛД непрерывного и импульсного режима работы. Освоен выпуск лазерных ГС в следующих системах материалов (Al)GaAs/AlGaAs/GaAs, InGaAs/AlGaAs/GaAs, InGaAs(P)/InGaAsP/InP и AlGalnAs/AlInAs/InP. Всестороннее изучение взаимосвязи рабочих характеристик ЛД с технологическими условиями формирования ГС методом МОСГЭ позволили оптимизировать технологию их получения для достижения улучшенных приборных характеристик. В ранних работах по исследованию процесса получения GaAs методом МОСГЭ при атмосферном давлении установлено, что в области средних температур (600-800С) рост осуществляется в диффузионной области [248, 249, 250, 251, 252, 253]. В этом случае закономерности роста хорошо описываются в рамках приближения пограничного слоя [254]. В настоящее время, подавляющее число исследовательских групп работают при пониженном давлении, что позволяет реализовать более резкие гетерограницы и КЯ. Однако понижение давления в реакторе приводит к увеличению толщины пограничного слоя вплоть до верхней стенки реактора в пределах первых сантиметров подложкодержателя. В этой ситуации корректно перейти от приближения пограничного слоя к решению трехмерных уравнений гидро-, тепло- и массопереноса в реакционной зоне [258]. Однако данный подход требует составления сложных математических моделей с реализацией численных методов решения дифференциальных уравнений в частных производных на неоднородной сетке, что приводит к большому объему вычислений. Это значительно снижает эффективность данного метода при решении задач оперативного управления процессом МОСГЭ в условиях реального промышленного производства. В этой связи значительно возрастает роль полуэмпирических подходов, позволяющих на основе упрощенных моделей быстро оценивать результаты роста и прогнозировать параметры эпитаксиальных слоев в рамках технологического допуска. В результате проведенных экспериментов в данной работе установлено, что при фиксированных температуре роста, давлении в реакторе и скорости парогазовой смеси в технологически приемлемом диапазоне изменения концентраций исходных реагентов закономерности роста могут быть описаны выражениями, формально аналогичным используемым в рамках приближения пограничного слоя. Подтвердим правомерность такого подхода, анализируя закономерности роста ЭС GaAs [255] и твердых растворов на его основе [256, 257]. Эксперименты по осаждению ЭС GaAs показали, что скорость роста незначительно увеличивается с ростом температуры (рис. 3.1). Кажущаяся энергия активации этого процесса составляет небольшую величину 14 кДж/моль, что близко к значениям, характерным для процессов протекающих в диффузионном режиме, и значительно меньше величин, характерных для процессов кинетического режима 80-100 кДж/моль [258]. Незначительное повышение скорости роста с увеличением температуры объясняется увеличением коэффициента диффузии галлийсодержащих компонентов к поверхности роста.
Похожие диссертации на Разработка процесса МОС-гидридной эпитаксии квантоворазмерных гетероструктур на основе полупроводников AIIIBV для приборов оптоэлектроники и ИК-техники
