Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы 9
1.1. Теоретические основы концепции метаморфного выращивания 9
1.2. Прикладные основы концепции метаморфного выращивания 20
2. Эксперимент 35
2.1. Метод молекулярно-пучковоп эпитакспи 35
2.2, Методы исследования эпнтаксиальных структур 43
3. Выращивание метаморфных структур InxAlYGa|.x-YAs/GaAs 66
3.1. Различный дизайн переходного буферного слоя 67
3.2. Переходный буферный слой с постоянным профилем состава 68
3.3. Переходный буферный слой со ступенчато-градиентным изменением состава. 78
3.4. Переходный буферный слой с линейпо-градпентным изменением состава 80
3.5. Выводы 84
4. Оптические и электрические свойства метаморфных структур 86
4.1, Оптические свойства метаморфных гетсроструктур 86
4.2, Электрические свойства метаморфных слоев In(Ga)(AI)As 93
4.3, Выводы 95
5. Метаморфные структуры для приборных применений 96
5.1. Разработка и создание модулировапио-легироваппых гетсроструктур с высокой подвижностью 96
5.2. Применение метаморфного подхода для создания лазерного диода с длиной волны излучения диапазона 1.3 мкм. 106
5.3. Выводы 115
Заключение 117
Список цитируемой литературы 122
- Прикладные основы концепции метаморфного выращивания
- Переходный буферный слой со ступенчато-градиентным изменением состава.
- Электрические свойства метаморфных слоев In(Ga)(AI)As
- Применение метаморфного подхода для создания лазерного диода с длиной волны излучения диапазона 1.3 мкм.
Введение к работе
Актуальность работы.
Быстрые темпы развития сетей передачи информации предъявляют новые требования к характеристикам приборов опто- н микроэлектроники, используемым для передачи, приема и обработки сигналов. К таким приборам относятся длинноволновые (1.3-1.55 мкм) инжекшюнные лазеры и быстродействующие малошумящие транзисторы.
Модулирование легированные гетероструктуры (МЛГС) InGaAs/InAIAs, эпитаксиалыго -выращиваемые "на подложках ІпР, широко применяются _..в микроэлектронике для создания малошумящнх быстродействующих транзисторов [1]. Преимуществом данной системы материалов по сравнению с InGaAs/AlGaAs на подложках GaAs является возможность применения слоев с более высоким содержанием индия (типично около 50% против приблизительно 20% в случае структур с напряженным каналом на GaAs) и, как следствие, больший разрыв зоны проводимости на гетерогранице канал-барьер, а также большая подвижность электронов. В односторонне-легированной МЛГС это позволяет получать более высокую плотность (~2х1012 см"2 против ~1х1012 см'2) н большую подвижность (-10000 см2/Вс против -6000 см2/Вс) электронов в двумерном газе, образующемся вблизи гстерограницы.
Однако, подложки ІпР по сравнению с GaAs обладают существенными недостатками, такими как меньший размер коммерчески доступных пластин, высокая хрупкость и высокая цена, что затрудняет производство приборов на их основе. В связи с этим возрос интерес к так называемым метаморфным структурам па подложках GaAs. Использование специфических технологических режимов выращивания буферного слоя In(Ga)(Al)As может позволить перейти от постоянной решетки GaAs к постоянной решетки ІпР [2,3,4]. В то же время, возможность создания метаморфных структур на GaAs, чьи транспортные и структурные характеристики не уступали бы характеристикам МЛГС на ІпР, затруднена не полным подавлением прорастания дислокаций в активные слои структуры, а также возникновением микрорельефа поверхности [3].
В последние годы значительное внимание уделялось разработке гетеро структур на подложках GaAs, излучающих в спектральном диапазоне 1.3-1.6 мкм, с целью замены инжекиионных лазеров на основе InP и волоконно-оптических линиях связи средней дальности. Переход к подложкам GaAs может позволить реализовать нсохлаждаемые полосковые лазеры с распределённой обратной связью, а также вертикально-излучающие лазеры со стандартными GaAs-AlAs Брэгговскимн зеркалами. Ранее были продемонстрированы лазеры полосковои конструкции [5,6,7], а также вертикально излучающие лазеры [8], работающие в спектральном диапазоне около 1.3 мкм. В качестве активной области в них были использованы массивы самоорганизующихся квантовых точек In(Ga)As. Так же в качестве активной области использовались напряженные квантовые ямы InGaAsN [9,10].
Следует отмстить, что продвижение в область больших длин воли (до 1.5-1.6 мкм) с помощью указанных типов активной областп затруднено вследствие фазовой сепарации материала и пластической релаксации напряжения. В то же время мстаморфные структуры могут значительно расширить диапазон длин волн путем увеличения содержания индия в структуре. Однако, возможность создания длинноволновых лазеров на основе гетероструктур на подложках GaAs, использующих метаморфный режим роста, насколько нам известно, не обсуждалась' в литературе.
Объектом неелсдопаннн настоящей работы являются толстые мстаморфные слон In(Ga)(Al)As/GaAs, а так же гетероструктуры на их основе. Цель настоящей работы:
Разработка эпитаксиальноп технологии синтеза толстых, свободных от дислокаций, планарных слоев InxAlyGat.x.yAs на подложках арсснида галлия с использованием концепции метаморфного роста
Разработка эпитаксиальноп технологии синтеза оптически и структурно совершенных гетероструктур в системе материалов InAlGaAs на мстаморфных буферных слоях (мстаморфных гетероструктур)
Исследование возможности применения подобных мстаморфных гетероструктур в приборах микроэлектроники (транзисторы с высокой подвижностью электронов) и оптоэлсктроники (длинноволновые лазеры).
В соответствии с поставленной целью был определен круг основных залам:
Разработка дизайна переходного буферного слоя InxAlyGai_,<.yAs па подложках GaAs с плотностью прорастающих дислокации менее 106 см'2.
Исследование спектров фотолюминесценции, структурных характеристик, морфологии поверхности, электрических свойств толстых мстаморфпых слоев в зависимости от мольной доли InAs, температуры осаждения и давления потока мышьяка.
Разработка дизайна и оптимизация условий эпитаксиалыюго выращивания напряженных квантовых ям в мстаморфпой матрице излучающей в диапазоне 1.3 мкм. ,
Исследование подвижности электронов в метаморфпых МЛГС осажденных на мстаморфпых буферных слоях различного дизайна.
Разработка дизайна, оптимизация условий выращивания и исследование характеристик метаморфной лазерной структуры.
Основные положения, выносимые на защиту:
Использование низких (менее 400С) температур выращивания метаморфпых эпитаксиальных слоев твердых растворов InxAlYGa[_x-YAs приводит к снижению плотности прорастающих дислокаций до уровня ниже 106 см-2.
Использование двухтемпературиых режимов осаждения (400 С/500 С) и пониженного давления мышьяка (V/III~1) позволяет получать гладкую морфологию поверхности метаморфпых слоев InxAlYGa]_x-YAs.
Режимы выращивания п профиль состава и легирования метаморфной гстероструктуры для создания модулироваино-легированной гстероструктуры с высокой подвижностью электронов на подложке GaAs.
Режимы выращивания и дизайн лазерного диода на основе метаморфной гстероструктуры для получения лазерной генерации в диапазоне 1.3 микрона на квантовых ямах в структурах на подложке GaAs.
Научная нопіпна работы:
Впервые комплексно исследованы структурные, электронные н оптические свойства метаморфных слоев и взаимосвязь этих характеристик с конструкцией и режимами эпитакспалыюго роста
Показана возможность влиять на преобладание того или иного механизма релаксации упругого напряжения в метаморфных слоях InGaAlAs/GaAs с помощью изменения условий выращивания.
Продемонстрирована возможность управления длиной волны излучения и расширения спектрального диапазона, достижимого в структурах с квантовыми ямами InGaAs на подложках.GaAs,. с помощью применения концепции метаморфного роста
Впервые разработана конструкция метаморфного лазера, продемонстрирована возможность получения лазерной генерации в мстаморфнон лазерной гетероструктуре
Практическая значимость работы состоит в том, что в ней:
Найдены условия выращивания метаморфных слоев, при которых плотность прорастающих дислокаций составляет менее 106см*2. продемонстрирована возможность использования метаморфного подхода для МЛГС, достигнуты на GaAs параметры, сопоставимые с InP продемонстрирована возможность достижения длины волны І.Змкм в структурах с квантовыми ямами InGaAs на подложках GaAs, с помощью применения концепции метаморфного роста продемонстрирована возможность использования метаморфного подхода для создания длинноволновых лазерных структур на подложках GaAs, достигнута длина волны лазерной генерации 1.3 мкм и указаны способы продвижения в область больших длин волн.
Апробации работы. Результаты, вошедшие в диссертационную работу, докладывались и обсуждались на Всероссийских и международных конференциях и симпозиумах: 10" Международный симпозиум "На і гостру ктуры: Физика и
Технология (Россия, Санкт-Петербург, 2003), Тенденции нанотехнолопш (Испания, Сапаманка, 2003), VI Российская конференция по физике полупроводников (Россия, Санкт-Петербург, 2003), 4ая Международная конференция современные оптические материалы и приборы (Эстония, Тарту, 2004), Тенденции нанотехнолопш (Испания, Сеговия, 2004),
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 12 печатных работах (в том числе 7 в научных журналах и 5 в материалах конференций). Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.
Прикладные основы концепции метаморфного выращивания
Значительное различие постоянных решетки InP и GaAs (-3.5%) приводит к невозможности прямого эпитаксиального выращивания на подложках GaAs сравнительно толстых, структурно совершенных слоев, постоянная решетки которых совпадала бы с InP, так как в этом случае релаксация упругих напряжений сопровождается формированием дислокаций, прорастающих на всю толщину эпитаксиального слоя. В связи с этим возрос интерес к так называемым металюрфным структурам на подложках GaAs.
Применяют разные системы материалов для создания такого буферного слоя: InGaAs [36,37,38], -InAIAs [46,39,40], InGaP [41], InP [42,43] AlInGaAs [44], AlGaAsSb [45,46], как с градиентным изменением профиля состава так и постоянным профилем состава. На рисунке 2 представлена микрофотография скола буферного слоя InAlAs толщиной 1.5 мкм, полученная методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) (из работы [39]). Видно, что большую часть дислокаций удается удержать в буфере, таким образом, плотность прорастающих дислокаций в рабочей структуре не превышает 10 см" [39].
В соответствии с существующими представлениями о релаксации напряжения в метаморфпом буферном слое [47,48,49] условно его можно разделить па две части: первая, близкая к подложке, полностью отрелаксировавшая за счет образования дислокаций и -имеющая высокую плотность дислокации, и верхняя часть, безднелокационная [50], за исключением тонкой верхней области, в случае градиентного изменения профиля состава, в которой присутствует остаточное напряжение [47]. Использование оптимизированных технологических режимов выращивания буферного слоя позволяет перейти от постоянной решетки GaAs к постоянной решетки InP таким образом, что большинство дислокаций не будет распространяться в направлении роста, а будут локализованы лишь внутри переходного слоя [51,52,53,3,4] (рис. 3).
Релаксация напряженій происходит благодаря нескольким механизмам: возникновения прорастающих и интерфейсных дислокации, образования шероховатостей поверхности, а так же изгиба структуры. [54]. Меняя режимы выращивания и дизайн переходного буферного слоя можно регулировать какой из механизмов будет преобладать. Необходимо найти такие условия, при которых основным механизмом релаксации напряжения является образование интерфейсных дислокашш, чтобы предотвратить проникновение дислокаций в рабочие слои гетероструктуры, также необходимо обеспечить гладкие интерфейсы.
Для " определения значения параметра кристаллической решетки метаморфного слоя и определения, таким образом, степени релаксации напряжения, удобно использовать карты обратного пространства, полученные с помощью рентгеновской дифракции [55]. А для изучения распределения и плотности дислокаций просвечивающую электронную микроскопию, ПЭМ, (например [39]).
Поскольку пластическая релаксация твердых растворов соединений III-V происходит в основном благодаря образованию 60 дислокаций несоответствия, эволюция напряжения в таких структурах прямо зависит от поведения этих дислокации. Напряжение в кристаллографических направлениях [ПО] и [1Ї0] связано с дислокациями несоответствиями, лежащими вдоль направлений [1Т0] (а-дислокации) и [ПО] (Р-дислокации) [56]. Необходимо отмстить что а-дислокации, имеющие структуру ядра из атомов As [57], сильно зависят от давления потока мышьяка во время процесса выращивания. Возможно это происходит из-за взаимодействия атомов мышьяка па поверхности роста с движущимся ядром сегмента прорастающей дислокации [56]. Часто наблюдается небольшая разорнентация растущей пленки по сравнению с подложкой в направлении роста [001], из-за дисбаланса, возникающего за счет формирующихся дислокаций с краевыми компонентами вектора бургера в противоположных направлениях [001] и [001][58]. Как уже упоминалось выше, буферный слой можно условно разделить на две части: нижняя с высокой плотностью дислокаций, и верхняя, свободная от дислокации. Однако, необходимо отметить наличие анизотропии: в направлении [ПО] где находятся [І- дислокации, зона «свободная от дислокаций» меньше. Также наблюдается модуляция состава, которая в направлении [110] более ярко выражена по сравнению с [110] [56], это, возможно, связано со спниодальным распадом на поверхности роста, когда шероховатость поверхности достаточно велика [59].
Возникновение микрорельефа поверхности, как упоминалось выше, тоже один из механизмов релаксации упругого напряжения [54,60 ]. Даже слабо-рассогласованые слои, обладающие высоким структурным совершенством, имеют характерную морфологию поверхности «cross-hatched» [61,62,63]: пересекающиеся полосы вытянутые вдоль направлений [ПО] и [ПО]. Такая морфология характерна для различным систем материалов: GeSi/Si [64], AlGaAs/GaAs [65], InGaP/GaAs [4,66], InGaAsP/GaAsP [67], InGaAs/GaAs [68,69,70,71], GaAs/Si [72]. Существует много работ, посвященных исследованию «cross-hatched» морфологии поверхности. Было установлено, что, в основном, подобный микрорельеф связан с образованием интерфейсных дислокаций [73]. Кратко перечислю основные возможные идеи возникновения такой поверхности, описанные в литературе: (а) изменение скорости роста, связанное с локальным изменением напряжения вокруг дислокаций [4,69]; (б) скорость роста различна из-за концентрации примесей около дислокаций [3]; (в) повышенная скорость роста в области около дислокационных полу-пстель [74]; (г) ступени на поверхности или следы скольжения сегментов прорастающих дислокации песо ответствия [70,75]; (д) повышенная скорость роста вдоль следов скольжения [76]; модуляции состава в латеральном направлении [77].Переходный буферный слой с градиентным изменением профиля состава Использование переходного буферного слоя (осаждаемого па подложку GaAs) с градиентным изменением профиля состава для локализации в нем дислокации СВЯЗЗНЕІЬІХ с релаксацией напряжения было предложено несколькими исследовательскими группами (например InGaAs [78,79,80,81], InAlAs [SO,82], или InAlGaAs [40,83]). В работе [81] представлено исследование различных типов дизайна InGaAs переходного буферного слоя. Профиль состава буферного слоя InxGa].xAs изменялся по линейному, параболическому или корневому закоіг/. В зависимости от выбранного дизайна наблюдалось различное распределение дислокаций несоответствия, за счет которых происходит релаксация напряжения. Во всех трех случаях верхняя часть буферного слоя имеет значительно более низкую плотность дислокаций (на несколько порядков), однако в случае параболического закона изменения профиля состава она максимальна, а в случае линейного- минимальна. В случае линейного изменения профиля состава распределение дислокаций равномерно, а в случае корневого изменения профиля состава наблюдается тенденция сосредоточения дислокаций около интерфейса подложка- буферный слон. В работах [40,84,85,86,87,88] описан переходный буферный слой со ступенчато-градиентным изменением профиля состава. Использование буферного слоя InGaAlAs со ступенчато-градиетньш имением состава позволяет получать слон с содержанием In до 35-36% [40,88], при большей концентрации индия начинается трехмерный рост. Более гладкая морфология поверхности (среднеквадратичное отклонение шероховатости RMS 4 nm) достигается при и спользовании более низких температур (350-400С) осаждения метаморфного буферного слоя [40, 87]. В случае буферного слоя с линейным градиеіггом изменения состава обычно применяют так называемый «инверсный шаг», который заключается в том, что конечное содержание In в градиеігтном буфере на несколько процентов превышает его содержание в последующих слоях структуры. Это обусловлено тем, что в области близкой к поверхности сохраняется остаточное напряжение (то есть энергия не достаточна для образования дислокаций), в отличие от более глубоко лежащей области, в которой происходит образование дислокаций и, таким образом, происходит релаксация напряжения. В работе [47] приводится расчет величины необходимого «инверсного шага» для того чтобы последующие слои осаждать ненапряженными.
Переходный буферный слой со ступенчато-градиентным изменением состава.
Следующим этапом было исследование выращивания и свойств переходного буферного слоя InGa(Al)As со ступенчато-градиентным изменением состава. Подобные структуры предназначены для продвижения в область больших составов по In, и следовательно, больших длин волн. Для исследования подобного подхода была выращена серия струїсгур с буферным слоем InxGai_xAs, содержание индия в котором меняется ступенчато. Каждая ступень отличалась от предыдущей по содержанию индия на 7%, толщина ступени составляла 0.1 мкм (х=0.21, 0.28, 0.35, 0.42, 0.49). Структуры были выращены при температуре 300С для того чтобы максимально уменьшить количество прорастающих дислокаций.
Рентгсно- дифракционные исследования около ассимстрпчного рефлекса (115) GaAs подтвердили полную релаксацию напряжения в структуре (для всего диапазона исследуемых составов), то есть слои являются метаморфнымн.
В таких структурах удалось добиться подавления прорастающих дислокаций ( 10 см") вплоть до содержания индия 40-42% (в то время как для буфера с постоянным профилем состава только 23%), однако при увеличении мольной доли индия начинает преобладать другой механизм релаксации напряжения- появление шероховатости поверхности.
Вообще говоря, поверхность всех ступенчато-градиентных структур имеет характерную особенность -шероховатость вытянутую в направлении [110], поскольку миграция атомов на поверхности роста вдоль направления [110] лучше. Ширина протяженных и еод породи остей поверхности «валиков» увеличивается с увеличением содержания индия в структуре.
Для демонстрации изменения морфологии поверхности в зависимости от содержания шшпя на рисунке 25 представлены микрофотографии, сделанные с помощью ПЭМ.
Для получения слоев на подложке GaAs решеточно-согласованных к InP необходимо содержание In порядка 52-53%. Слои качества пригодного для приборного применения с таким большим содержанием индия пока не удалось получить с приемлемыми структурными свойствами, используя в качестве буферного слоя слой с постоянным составом, а также со ступенчато-градиентным изменением состава. Поэтому был исследован подход, заключающийся в том, что содержание индия в переходном слое изменяется линейно от толщины. В данной работе в качестве переходного слоя используется InAIAs толщиной порядка 0.9 мкм, содержание индия в котором линейно изменяется от 10 % до 58 %. Такие буферные слои разрабатывались нами для применений в транзисторных структурах, т.к. в них, в отличие от InGaAs, отсутствует шунтировка канала транзистора по проводящему буферу.
Также как и в предыдущем случае, когда состав сохранялся постоянным на протяжении всей толщины переходного слоя, высокие температуры выращивания буферного слоя ( 400С) приводят к увеличению количества прорастающих дислокаций.
Необходимо отметить, что морфология растущей поверхности в значительной степени зависит от температуры подложки при осаждении переходного буфера. Мы обнаружили, что при слишком низких температурах, порядка 300-350С, имеет место трехмерный характер роста, о чем свидетельствует точечная картина дифракции. При повышении температуры до 400С, картина значительно изменяется. Сразу после начала осаждения градиентного буферного слоя наблюдается реконструкция поверхности (1x1), однако тяжи имеют выраженные утолщения, что свидетельствует о проявлении трехмерного характера роста. По мере выращивания низкотемпературного InAIAs картина ДБЭ улучшалась, а именно утолщения постепенно исчезали, то есть преобладала двумерная мода роста.
Еще одной проблемой является образование дефектов упаковки в процессе выращивания буферного слоя (Рисунок. 26), обусловленные наличием большого числа дислокации на начальном этапе роста. Такие дефекты, в отличие от самих дислокации, не удерживаются внутри буферного слоя, они прорастают на всю толщину структуры, образуя на поверхности характерные морфологические особенности связанные с локальными перепадами толщины (Рисунок 26,6). Образование подобного рода дефектов может значительно влиять на транспортные свойства структуры, снижая подвижность носителей заряда за счет дополнительного рассеяния. Использование стандартных условии осаждения, когда поток As в 2-4 раза превышает суммарный поток элементов III группы, приводит к образованию корругировашюй поверхности и возникновению большого количества дефектов упаковки, как показано на рисунке 26,6. Однако, было обнаружено, что по мере снижения потока мышьяка происходит улучшение планарностн поверхности и снижение плотности дефектов упаковки. Наилучший результат был достигнут при минимальном возможном потоке мышьяка, когда поток мышьяка соответствовал суммарному потоку металлов (рисунок 27).
Исследования методом высокоразрешающей рентгеновской дифракции около ас си метр ич но го рефлекса (115) GaAs слоев In(Ga)(Al)As, осажденных на переходном буферном слое с линейно градиентным изменением профиля состава, свидетельствуют о полной релаксации напряжения в структуре, то есть можно говорить, что слои являются метаморфнымн.
Таким образом, использование оптимизированных условий выращивания позволяет, как подавить прорастание дислокаций, так и получать атомно-гладкис интерфейсы, необходимые для снижения рассеяния на шероховатостях гетеро границы, что способствует повышению подвижности носителей заряда двумерного электронного газа.
Электрические свойства метаморфных слоев In(Ga)(AI)As
Для исследования концентрации и подвижности свободных носителей заряда в объемных метаморфных слоях InGa(Al)As/GaAs р- и п- типа легирования, была выращена серия структур InxAlyGai_x.yAs легированных Si и Be. Содержание In в которых составляло х 20-30%, содержание А1 (у) варьировалось (Н80%, суммарная скорость роста AIAs и GaAs составляла 3 A/s. Легированный InGa(Al)As слой толщиной 0.6 мкм осаждался на нелегированный метаморфный буферный слой постоянным составом InGaAs или с градиентным изменением состава InGaAlAs толщиной 0.8 мкм. Температура выращивания буферного слоя и последующего легированного слоя составляла 400С и 500С соответственно. Было обнаружено, что проводимость метаморфных слоев InxAlyGa[.x.yAs п-тппа, имеющих сходную концентрацию легирующих атомов Si, в существенной степени определяется мольной долей алюминия. Так, например, метаморфные слон In0.2Al0.sAs п-тнпа не проводят (концентрация свободных электронов 1015см"3). В то же время, тестовые слон Ino.2Alo.3Gao.5As, легированные кремнием на уровне 2.5 10 ат/см , обладали при комнатной температуре концентрацией свободных электронов (2.4-2.5) 1018см 3. Подвижность составила 600-700 см2/(В с), что приблизительно на порядок превышает типичные значения в слоях A3osGao.2As п-типа, используемых в качестве эмиттеров в лазерных структурах диапазона 1.3 мкм на основе кваїгговьіх точек на подложках GaAs. Твердый раствор Ino.2Alo.3Gao.5As является прямозонным полупроводником в отличие, например, 0TAlxGai.xAs (х 40%) или In0.2Al0.sAs, что позволяет избежать заглубления донорного уровня и связанного с этим снижения концентрации свободных электронов. Метаморфные слон InGaAs и InAlAs (с содержанием индия 52-53 %) осажденные на метаморфном буферном слое на подложке GaAs, при оптимизированных условиях роста, демонстрируют электрические свойства, сравнимые с InGaAs/InP и InAlAs/InP (с аналогичным содержанием индия), подвижность 4500-5000 см2/(В с) при концентрации 8-9 1016см"3 и 850-900 см /(В с) при концентрации 1-2 1018 см"3, соответственно (при 300 К) При легировании примесью р-тппа (Вс) мстаморфпых слоев InAIGaAs (в независимости от содержания А1) концентрация свободных дырок оказывается сравнимой с концентрацией дырок в слоях GaAs и Alo.3Gao.7As с тем же уровнем легирования Be. 1) Метаморфные In G a As слон с содержанием индия до приблизительно 23% могут быть получены с высоким оптическим и структурным совершенством, будучи осажденными на буферный метаморфнып слои, выращенный в оптимизированных условиях.
Ширина запрещенной зоны таких слоев составляет около 1.1 эВ при зоок 2) Напряженная КЯ с содержанием In х=0.4 помещенная в метаморфную I%2Ga0.sAs матрицу позволяет получить сигнал ФЛ в диапазоне 1.3 мкм при комнатной температуре. Интенсивность ФЛ всего на порядок ниже rno.2Gao.3As квантовой ямы помещенной в матрицу GaAs, что свидетельствует о достаточно хорошем оптическом качестве материала. Использование переходного буферного слоя со ступенчато-градиентным изменением профиля состава для структур с КЯ позволяет получить длину волны ФЛ вплоть до 1.74 мкм (при 77 К) при содержании In в материале матрицы 42% без значительного ухудшения интенсивности ФЛ. 3) Выращивание при более высоких температурах (500С) обеспечивает лучшее оптическое качество материала. 4) Метаморфные слон Ino.2AbjGao.5As, легированные Si и Be обладают хорошими электрическими свойствами, которые дают возможность использовать их в качестве эмиттерных слоев лазеров. Ino.2Alo.3Gao.5As легированные кремнием на уровне 2.5 ат/см обладали при комнатной температуре концентрацией свободных носителей на уровне (2.4-2.5) 1018см"3, подвижность составила 600-700см2/(Вс). Концентрация дырок в метаморфных слоях In0.2(GaAI)o.sAs:Be сравнима с значениями концентрации GaAs:Bc не смотря на содержание алюминия. Метаморфные слон InxGaAs и InxAlAs (х 0.52-0.53) демонстрируют при комнатной температуре подвижность 4500-4700 см2/(В с) при концентрации 8.5 101бсм"3 и 850-900 см2/(В с) при концентрации 1.6-2 1018 соответственно.
Применение метаморфного подхода для создания лазерного диода с длиной волны излучения диапазона 1.3 мкм.
В основу лазерной структуры легли метаморфные слон с содержанием индия 20%, поскольку для таких слоев хорошо отработана технология выращивания, получены гладкие интерфейсы, плотность прорастающих дислокации не превышает 106см2. Помещение в такой слой напряженной квантовой ямы толщиной 80 А с содержанием индия на 20% больше чем в матрице дает возможность получать излучение около 1,3 мкм, а ширина квантовой ямы не превышает критическую толщину псевдоморфного (бездпелокашюнного) роста. Стоит также отметить хорошие электрические характеристики слоев In02Gao.5AlojAs легированных кремнием или бериллием, которые позволяют использовать их в качестве эмиттеров лазерной структуры.
Лазерная структура была выращена на подложках п+ GaAs(lOO). Легированный Si переходный буферным слой InGaAs толщиной около 0.5 мкм с содержанием индия около 20% осаждался непосредственно па поверхность GaAs. Температура осаждения буферного слоя (постоянного состава) составила 400С последующие слон осаждались при температуре 500С. В качестве лазерного волновода использовался нелегировашшй слой In0.2Gao.sAs толщиной около 0,4 мкм, ограниченный эмиттерными слоями Ino.2Alo.3Gao.5As толщиной 1,2 мкм п-и р-типа, легированными Si или Be, соответственно, с концентрацией 1018 см"3. В середину волноводиого слоя помещены две квантовые ямы Ino.4Gao.6As толщиной 8 им. Структура завершается контактным слоем In0,2Ga0,sAs толщиной около 0,4 мкм, легированным Be с концентрацией 1010см. Таким образом, конструкция метаморфной лазерной структуры близка к типичному дизайну лазера па основе квантовых ям на подложках GaAs. Однако, использование переходного буфера позволяет увеличить содержание индия во всех слоях лазерной структуры примерно на 20%. На рисунке 34 (а) схематически показана зонная диаграмма лазерной структуры наложенная на СЭМ микрофотографию, а также микрофотография волноводиого слоя с активной областью полученная с помощью ПЭМ (б).
Из выращенных структур были изготовлены лазеры в геометрии мелкой мезы с шириной полоска 100 мкм. На грани резонатора, полученные скалыванием, какие-либо покрытия не наносились. Контакты п- и р-тнпа формировались напылением и оплавлением (450С) металлических слоев AuGe/Ni/Au и AuZn/Ni/Au, соответственно.
Скачок содержания индия на границе вол но вод-квантовая яма выбран таким образом, чтобы при комнатной температуре достигалась длина волны излучения около 1,3 мкм, а ширина квантовой ямы не превысила критическую толщину псевдоморфного роста. На рисунке 34 (б) показана ПЭМ-микрофотография активной области лазерной структуры (волновод и квантовые ямы). Как видно, слои Ino.4Gao.6As толщиной 8 нм, помещенные в матрицу InojGao.gAs, обладают резкими интерфейсами (отсутствует переход к режиму островкового роста), а формирования дислокаций не наблюдается. Таким образом, активная область исследуемого метаморфиого лазера представляет собой упруго-напряженные квантовые ямы. Следует отметіггь, что не обнаружено также дислокаций, прорастающих из буферного слоя.
На рисунке 35 приведены записанные с поверхности спектры фотолюминесценции (ФЛ) при комнатной температуре от части лазерной структуры, подвергнутой травленню в растворе Н О ЩС О. Увеличение длительности травления позволяет последовательно наблюдать люминесценцию от контактного слоя Ina2Gao.sAs:Be (максимум линии при энергии 1,10 эВ), эмиттерного слоя Ino.2AIo.3Gao.5As:Be (1,54 эВ), квантовых ям In0.4Ga0.6As и волновода IrtojGao.sAs (0,96 11 1,12 эВ, соответственно).
В лазерах полосковой конструкции, в зависимости от длины резонатора (1,5, 1.0 или 0,75 мм), лазерная генерация при комнатной температуре достигается при пороговой плотности тока 3,3, 5.2 пли 6 кА/см2, соответственно, на длине волны 1294, 1286, или 1279 нм, как это представлено на рисунке 36 Спектральное положение линии свидетельствует о том, что во всем исследованном диапазоне длин резонатора генерация происходит на оптическом переходе основного состояния квантовой ямы Ino.4Ga0.6As/In0.2Ga0.sAs.
Спектры электролюминесценции, записанные при 290 К, приведены на рисунке 37. Пороговая плотность тока составила 5,2 кА/см2 (при длине полоска 1 мм), а длина волны генерации 1286 им при 290 К и 420 Л/см2 и 1209 им, соответственно, при 85 К. Температурные зависимости пороговой плотности тока и длины волны генерации, измеренные в лазере длиной 1 мм показаны на рисунке 38 Длинноволновый температурный сдвиг линии генерации составляет 0,4 нм/К, что близко к значению, типично наблюдаемому в лазерах диапазона 1,3 мкм на основе квантовых точек (0,45 нм/К). Температурная зависимость пороговой плотности тока описывается характеристической температурой Т у=\ 10 К в диапазоне 85-200 К и 70=65 К в диапазоне 200-290 К. Возможно излом температурной зависимости вблизи 200 К, обусловлен термическим заселением матрицы, что проявляется в спектрах ФЛ при комнатной температуре в виде дополнительного пика при энергии около 1,12 эВ (см. рисунок 35).
Слои In0.2Ga xSAs и Ino.2AlojGao,5As, использованные в качестве волновода и эмиттеров в исследованной лазерной структуре, имеют при комнатной температуре ширину запрещенной зоны приблизительно 1,1 и 1,55 эВ, соответственно. Их сочетание позволяет достигать разрыва ширины запрещенной зоны на границе волновод-эмиттер достаточно большого для предотвращения утечки инжектированных носителей в эмиттерные слои. Скачок показателя преломления в этой системе материалов близок к достигаемому в структурах Важно отметить превосходные электрические характеристики лазерной структуры. В частности, напряжение открывания лазерного диода составило 0.9 В, что близко к энергии оптического перехода в активной области и свидетельствует, таким образом, об отсутствии дополнительных встроенных потенциальных барьеров для протекания тока через лазерную структуры. Последовательное сопротивление составило 1.5 10 Ом-см , благодаря достигнутым превосходным электрическим характеристикам слоев, образующих лазерную структуру.
Похожие диссертации на Молекулярно-пучковая эпитаксия и оптимизация метаморфных гетероструктур In_x Al_y Ga_1-x-y As/GaAs для применений в приборах микро- и оптоэлектроники
