Люминесцентные, электрические и фотоэлектрические свойства неидеальных гетероструктур InGaAsP/InP Страхов, Валерий Александрович

Введение к работе

Актуальность темы. Прогресс в современной оптоэлектронике тесно связан с созданием новых полупроводниковых материалов и, в частности, гетероструктур (ГС) на основе четверных твердых растворов полупроводников. Одним из главных критериев, определяющих возможность использования полупроводниковых гетероструктур в приборах, является их структурное совершенство, которое определяется многими факторами, и в первую очередь, степенью согласования параметров решеток на гететерогра-нице.

Интерес к системам m^sa^s^^/inP связан с возможностью в широких пределах управлять ширино/эоны (E_g= 0,75-1,35 эВ) твердого раствора путем целенаправленного изменения его атомного состава, сохраняя при этом изопериодичность с подложкой inP. Гетероструктуры ш еа Ав р /inp признаны наиболее перспективным материалом для создания высокоэффективных источников и приемников излучения в диапазоне длин волн X = 1,0 - 1,7 мкм, где имеются "окна" с минимальным по глощением и минимальной дисперсией в кварцевом волокне, используемом в современных линиях волоконно-оптической связи. К началу данной работы (начало 80-х годов) были достигнуты большие успехи в освоении твердых растворов ^j.,*³³^5 ^p_t_ с составом на длины волн короче 1,2 мкм и начаты работы по продвижению в более длинноволновый диапазон. Несмотря на теоретическую возможность получения слоев inGaAsP идеаль но согласованных с подложкой *^пР, реализовать эту возможность на прак тике не всегда удается. Существует множество технологических факторов приводящих к рассогласованию параметров решеток. Несоответствие параметров решеток приводит к появлению заряженных поверхностных состояний (ПС) на гетерогранице, которые могут существенно влиять на физические характеристики ГС, выст^ая в роли центров рекомбинации и иэме няя вид зонной диаграммы. Исследование люминесцентных, электрических и фотоэлектрических свойств неидеальных гетероструктур с большой плот ностью состояний, с одной стороны, представляют интерес .ДЛя H^VUfSHUfl природы дефектов в слоях и на таницах раздела и их влияния ня гтпоирс сы токопрохождения и излучательной рекомбинации; с другой стороны эти исследования необходимы для выработки критериев применимости ге-тероструктур. Проведение этих исследований отчасти стимулировано ретическими работами /1-3/ где роль ПС в йюрмировании электтгарлких характеристик рассмотрена в новом аспекте: учтено влияние перерапре-

деления приложенного напряжения между слоями обеднения вследствие перезарядки ПС. Из теории следовало, что понятие "идеальности" гетероперехода весьма относительно и определяется приборным назначением, режимом работы, приложенным напряжением, исходной эонной диаграммой и другими факторами.

Цель работы. Перечисленные предпосылки послужили основой для выбора в качестве объекта исследования гетероструктуры inSaAsP/inp с составом на длины волн 1,2 и 1,55 икм и постановку следующих задач, направленных на изучение свойств этого материала и повышение эффектив ности приборов, изготовленных на его основе:

1. Изучение влияния несоответствия параметров решеток эпнтакси-альных слоев на совершенство гетероструктур inSaAsP/inP с составом твердого раствора на длины волн л = 1,2 - 1,55 мкм методами фото-, электро- и катодолюминесценции.

2. Исследование электрических и фотоэлектрических свойств структур inGaAsP/inP с различным несоотввтствием параметров решеток и анализ характеристик неидеальных структур в рамках теоретической модели, учитывающей перезарядку поверхностных состояний на гетерогранице.

3. Разработка методики, позволяющей определить вклад каждого гетероперехода (анизотипного, иэотипного и других неконтролируемых переходов) в формирование электрических характеристик многослойных структур, и применение этой методики для анализа вольт-амперных (ВАХ) и вольт-емкостных (ВЕХ) характеристик неидеальных двойных гетерострук

тур InGaAsP/InP.

Научная новизна.

В широком интервале несоответствий параметров решеток (НПР) Аа =(-20 - +10) Ю^-3 ^ исследовано олияние еПР на дедектную структуру эпитаксиальных слоев и люминесцентные свойства ГС i"i_x6a^As_yP_i^/inP с составом на диапазон длин волн 1,2 - 1,55 мкм. Обнаружено сильное влияние "докритических" несоответствий на эффективность электролюминесценции. Показано, что наибольшей эффективностью и наименьшей полушириной спектра люминесценции обладают гетероструктуры, иэорешеточные при температуре эпитаксии.

Обнаружено влияние эффекта перезарядки поверхностных состояний на электрические и фотоэлектрические характеристики неидеальных гетеропереходов в структурах Іп_і__жБа_іА5_уР_іуЛпР с Да > Ю""і.

Установлено, что НПР, на порядок снижающие эффективность элект-

ролгаминесценции гетероструктур in^Ga^s^p^/inP, гораздо слабее сказываются на их фоточувствительности: квантовый выход фототока пада ет не более чем в два раза, а в некоторых случаях даже растет. Характер влияния НПР на фотоэлектрические характеристики определяется исходной зонной диаграммой, типом основной легирующей примеси, знаком и концентрацией заряженных поверхностных состояний (ПС), возникающих на гетерогранице.

Обнаружены особенности ВАХ сильно неидеальных ГС inGaAsP/inP; аномально слабая зависимость тока от напряжения и уменьшение наклона ВАХ с понижением температуры. Наблюдаемые особенности интерпретированы в рамках модели туннельно-рекомбпнационных .токов в условиях перезарядки ПС.

Предложена методика построения энергетической зонной диаграммы неидеальных гетеропереходов с большой плотностью ПС по зависимостям тока и фототока от напряжения.

Разработан и применен метод раздельного определения электрических параметров гетеропереходов в двойной гетероструктуре, основанный на измерении комплексной проводимости ГС в зависимости от частоты. По казано, что в формирование ВАХ неидеальных гетероструктур возможен вклад иэотипного гетероперехода, что необходимо учитывать при интерпретации экспериментальных результатов.

Практическая ценность.

Анализ полученных результатов позволил выработать критерии применимости известных электрических и фотоэлектрических методов для определения параметров неидеальных гетероструктур (диффузионного потенциала, длины диффузии, скорости поверхностной рекомбинации, коэффициента поглощения).

В результате проведенных исследований даны рекомендации по выбору оптимальных технологических условий для достижения высокого внутреннего квантового выхода (=* 80-90») гетероструктур шваАвР/іпP. Созданы эффективные светодподы планарной и торцевой конструкции на длины волн 1,3 мкM и 1,55 мкм для волоконно-оптических линий связи.

Положения, выносимые на защиту.

I. Показано, что несоответствие параиетров решеток гетероструктур msaAsP/inP даже в рамкаx "докритических" значений существенно влияет на эффективность электролюминесценции. НаиболыпеЯ эффективностью и накменьшей полухифиной спектра обладают гетероструктуры, изоре

шеточные при температуре эпитаксии. При комнатной температуре в таких гетероструктурах имеется отрицательное несоответствие решеток активно го слоя и прилегающих эмиттеров, обусловленное различием в козффициен тах термического расширения слоев, (-4 * -8) Г³ ^А

2. Изменение фоточувствительности под действием напряжений несо
ответствия в неидеальных гетероструктурах іпБаАзр/іпр обусловлено дву
мя процессами; появляются дополнительные каналы рекомбинации, умень
шающие длину диффузии, что приводит к ухудшению эффективности собира
ния носителей; на гетерогранице возникают заряженные поверхностные
состояния, которые, изменяя зонный профиль гетероперехода, могут
уменьшить или увеличить эффективность разделения фотоносителей. Обна
ружено увеличение фоточувствительности в длинноволновой части спектра
в неидеальных гетероструктурах, которое объясняется возрастанием эф
фективности разделения носителей под действием поверхностных состоя
ний донорного типа. Это доказывает возможность применения неидеальных
структур inGaAsP/inP для соэдания эффективных фотоприемников.

На зависимость фототока от напряжения неидеальных гетероструктур inGaAsP/inP оказывает влияние эффект перезарядки ПС на гетерогранице.

3. Исследования ВАХ сильно неидеальных ГС іпВзАбр/inP показали, что при малых напряжениях (и < 0,5-0,6 В) имеют место два канала то-копрохождения, конкурирующие с инжекцией: омические токи утечки и туннельно-рекомбинационные токи. Первый канал обусловлен объемными дефектами типа "включений" инородной фазы, шунтирующими гетеропереход, второй - наличием ПС донорного типа на гетерогранице. Туннельно-рекомбинационные токи в сильно неидеальных ГС имеют ряд особенностей (аномально слабую зависимость тока от напряжения и уменьшение наклона ВАХ с понижением температуры), объяснение которых требует привлечения модели, учитывающей перезарядку ПС. Анализ ВАХ в рамках этой модели позволил получить основные характеристики ПС (их энергети тическое положение, концентрацию и степень заполнения в зависимости от напряжения и температуры) и построить зонные диаграммы неидеальных гетеропереходов.

4. В интерпретации ВАХ неидеальной двойной ГС inGaAsP/inP необходимо учитывать возможное влияние изотипного гетероперехода. Разработан метод линейных диаграмм для раздельного определения параметров гетеропереходов в многослойной гетероструктуре, основанный на измерении комплексной проводимости гетероструктуры в зависимости от частоты

С помощью этого метода показано, что в структурах inGaAsP/inP на подложках р-типа иэотипный гетеропереход с большой ПЛОТНОстью СОСТОЯНИЯ вносит существенный вклад в формирование ВАХ всей гетероструктуры.

Аппробация работы. Результаты работы докладывались на Международной конференции по полупроводниковым лазерам (г.Брайтон, Великобритания, 1980), Всесоюзной конференции ВОЛС-3 (Москва, I981), ш Всесоюзной конференции по физическим процессам в полупроводниковых гетероструктурах, г.Одесса, 1982), 9-м советско-японском симпозиуме, (г.Москва, 1982), на Всесоюзных симпозиумах РЗМ-64 и РЭН-86 (г.Звенигород, 1984, 1986), X Всесоюзной конференции по физике полупроводников (г.Минск, 1985), опубликованы в научной печати.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано восемнадцать работ, перечисленных в конце автореферата.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из Введения, 4 глав и Заключения. Полный объем диссертации 165 стр., включая 51 , рисунок, 3 таблицы и список литературы из 97 наименований.