Получение и исследование гетероструктур и приборов на основе твердых растворов InGaAsP Ахмедов Давронали

Содержание к диссертации

Введение

Глава I - Четверные твердые растворы InGd/IsP

1,1.1. Многокомпонентные твердые растворы на основе соединений А3В5

1,1.2. Физико-химические свойства твердых растворов In&aftsP 13

1.2. Методы получения твердых растворов

1.2.1. Метод жидкостной эпитаксии 22

1.2.2. Метод газовой и молекулярной эпитаксш 26

1.3. Приборы на основе гетероструктур твердых растворов InGcLflsP 2.7

1.3,1. Излучательные приборы на основе твердых растворов InGaftsP ^7

а) Гетеролазеры в системе

б) Гетеролазеры в системе и InfafisP-faAsP 33

в) Свегодиоды в системе ІЛ&& AsP —In Р и ІЛЄ&АЇР -faAsP 35

1.3.2. Фотоприемники на основе твердых растворов IriG-cuAsP 37

Глава II - Получение и исследование эпитаксиальных твердых растворов In&cuAsP , ІлРаР и LnG-aPs 40

2.1. Установка для выращивания эпитаксиальных слоев твердых растворов ZnecLflsP; Irt

2.2. Методика выращивания твердых растворов InfaHP, Іґ)аР и Іл&ьЛз

2.3. Электронно-зондовый метод контроля парамет ров полупроводниковых гетероструктур 79

2.4. Особенности выращивания эпитаксиальных слоев InGatisP и TnS-aP на подложках Ga*As. $7

2.5. Особенности выращивания эпитаксиальных слоев InG-aAs и ZnfafeP на подложках InP 63

2.6. Получение многослойных гетероструктур на ос нове твердых растворов Irta./)sP на под ложках ttuP '%

Глава III- Исследование мнесцентных свойств эпитак сиальных слоев твердых растворов іґіво-fisp и приборов на их основе 33

3.1. Методика регистрации и исследования спект ральных характеристик излучения эпитаксиаль ных твердых растворов In 6-а As Ру Irifot^P и Хп&лН S3

3.2. Влияние величины несоответствия постоянных решетки и коэффициентов термического расширения на люминесцентные свойства гегеро струкгур TnG-O'P ~ &CLAS S6

3.3. Влияние внутренних деформаций на поляризацию излучения в гетеролазерных структурах tn&a.AsP-ZnP 94

3.4. Показатель преломления твердых растворов ІҐІЄ-CLASP 97

3.5. Гегеролазеры в системе IrlfoL/fsP - ІґіР W

3.6. Гегеролазеры InGcuAsP - InP с гофрированным волноводом ///

3.7. Гетерофотогранзисторы в системе Z^i^-afisP » . И А

Заключение и8

Литература

• Физико-химические свойства твердых растворов In&aftsP
• Метод газовой и молекулярной эпитаксш
• Методика выращивания твердых растворов InfaHP, Іґ)аР и Іл&ьЛз
• Влияние внутренних деформаций на поляризацию излучения в гетеролазерных структурах tn&a.AsP-ZnP

Введение к работе

В современной технике постоянно возрастает значение инжек-ционных источишьов излучения - светоизлучающих диодов, лазеров и фотоприемников. С помощью этих приборов решаются многочисленные задачи передачи, обработки и воспроизведения информации в различных системах связи и управления. Полупроводниковые инжек-ционные источники излучения и фотоприемники на гетероструктурах находятся на пути массового практического внедрения, благодаря разработке волоконно-оптических линий связи (ВОЛС). Быстро растущий интерес к оптическим системам передачи, приема и обработки информации обусловлен большими преимуществами, которые они имеют по сравнению с обычными электрическими системами. Низкие потери, широкая полоса частот, нечувствительность к внешним электромагнитным полям, отсутствие перекрестных помех, высокая плотность каналов на I сиг сечения кабеля [бо] , отсутствие заземлений и угрозы электрических пробоев [i] , высокая надежность, малые размеры и вес, высокая скорость передачи информации (более I Гбит/сек) [6I,62J - все это предопределяет необходимость в замене существующих систем на ВОЛС.

Актуальность темы. В настоящее время в системе ВОЛС используется спектральный диапазон 0,8-0,9 мкм. Это обусловлено тем, что для данного интервала длин волн имеются хорошие источники спонтанного и когерентного излучения на основе твердых растворов B&ftEAs и приемники излучения на основе кремния. Оптические потери в кварцевых волокнах в этом спектральном диапазоне составляют 2-Л- /км [2] . Однако минимальные оптические потери соответствуют спектральному диапазону 1,5-1,6 мкм ( 0,2 /км) [179] .

В связи с этим особый интерес представляет задача создания излучателей и приемников в этой спектральной области. Такие приборы могут быть созданы на основе прямозонных полупроводников с шириной запрещенной зоны меньшей 1,0 эВ. Среди полупроводников, удовлетворяющих этим требованиям, представляют интерес в первую очередь многокомпонентные твердые растворы на основе соединений А В и особенно четверные твердые растворы в системе Ъп-&(Х-Д$ -Р , имеющие параметр решетки одинаковый с ХпР и Gafls (изопериодические твердые растворы). Ширина запрещенной зоны твердых растворов In&txflsP, из опери одических с In Р, изменяется от 0,73 до 1,35 эВ (Л = 0,924-1,70 мкм) при комнатной температуре. На этот же спектральный диапазон приходится минимум потерь в световолокне. Именно поэтому четверные твердые растворы InGa.foPt изопериодические с Іґ/Р, являются весьма перспективными для изготовления излучающих и фотоприемных приборов для систем ВОЛС

Ширина запрещенной зоны твердых растворов Ina#sp изо-периодических с (rcc/Is, изменяется от 1,43 до 1,90 эВ ( X = 0,65-5-0,86 мкм). Эти твердые растворы используются для создания эффективных -источников излучения в видимой области спектра, которые могут быть использованы в цветном телевидении, намного повысить информативность световых табло и индикаторов, значительно расширить возможность оптических методов передачи и обработки информации как обычными, так и гол©графическими методами.

Целью работы является изучение особенностей процессов кристаллизации четверных твердых растворов InG-a-flsP и разработка технологии получения многослойных гетероструктур на их основе для создания эффективных излучающих и фотоприемных приборов систем ВОЛС в спектральном диапазоне 1,54-1,6 мкм.

Научная новизна работы заключается в проведенном экспери - 7 ментальном исследовании влияния подготовки подложки, буферного слоя, несоответствия постоянных решетки и коэффициентов терми-ческого расширения подложки и эпитаксиальных слоев твердых растворов ln(ra.#sP на их кристаллическое совершенство и люминесцентные свойства, влияния внутренних напряжений, обусловленных несоответствием постоянных решетки подложки и эпитаксиально-го слоя на поляризацию когерентного излучения, в получении низкопороговых ( IKA/CNT) инжекционных гетеролазеров и фототран-зисторов с коэффициентом усиления 1Сг в спектральном диапазоне 1,54-1,6 мкм.

Практическая ценность работы заключается в разработке технологии получения жидкостной эпитаксией твердых растворов ln$af\sP, из опери одических с ГпР и Ьо Дъ Установлено влияние подготовки подложки, толщины буферного слоя, несоответствия постоянной решетки и коэффициентов термического расширения подложки и эпитаксиальных твердых растворов 1п9 хЯ$Р на их кристаллическое совершенство и люминесцентные свойства. Определен показатель прелоглления твердых растворов 1пВ(ХЙ$Р на из опери одическом сечении с InP .На основании проведенных исследований получены низкопороговые ( Ш/см2) инжекционные гетеролазеры в системе InBa/IsP-InP в спектральном диапазоне 1,5-5-1,6 мкм, гетеролазеры с гофрированным волноводным слоем с распределенной обратной связью (РОС), фототранзисторы с коэффициентом усиления " 10° и спектральной областью чувствительности от 0,9 до 1,6 мкм. Эти приборы могут быть использованы в системе ВСШС.

Совокупность представленных в диссертации результатов иссле-ваний позволяет сформулировать следующие научные положения, которые выносятся на защиту:

I. Для улучшения люминесцентных свойств и получения совер - 8 шенных гетероструктур в системе Itffa/IsР - ЛпР необходимо удалять перед энитаксией с поверхности подложки слой, толщиной не менее 80 мкм.

2. Дефекты подложки ZnP "залечиваются" в эпитакспальном буферном слое толщиной не менее 15 мкм.

3. Показатель преломления твердых растворов IrifaAsP, из опери одических с ZnP, меняется с изменением состава от Тг?Р до Ihlrafls в пределах от 3,35 до 3,48.

4. Управляя величиной и знаком рассогласования параметров решетки подложки и эпитаксиального слоя, можно получать различные типы поляризации С ТВ или ТИ ) излучения, возбуждаемого в гетеролазерных структурах.

5. Для получения низкопороговых гетеролазеров в системе InBdflsP необходимо управлять положением р-п-перехода относительно металлургической границы между эмиттером и активной областью за счет изменения толщины второго нелегированного эмиттера и уровня легирования контактного слоя,

6. В гетеролазерах на основе твердых растворов ln$afi-sP с гофрированным волноводным слоем с P0G наблюдается разная температурная зависимость для разных линий генераций и с возбуждением генерации низших мод температурный сдвиг линий генерации увеличивается.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на У республиканской конференции молодых ученых-физиков (г.Баку, май 1980 г.) и на УІ Международной конференции по росту кристаллов (г.Москва, сентябрь 1980 г.)

Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 9 печатных работах.

Диссертация состоит из трех глав, заключения с основными выводами и списка цитируемой литературы.

В первой главе дан обзор литературы по четверным твердым растворам Irifoi#sP , их физико-химические свойства и методам получения. Рассматриваются различные виды излучающих и фотоприемных приборов на основе этих материалов.

Вторая глава посвящена технологии получения жидкостной эпитаксией четверных твердых растворов ZneaAsP изоперио-дических с ТлР и (kt/ts .. Описано влияние подготовки подложки перед пэитаксией на качество гетероструктур; разработан способ предотвращения термической эррозии поверхности I/iP , выяснены особенности получения однослойных и многослойных гетероструктур и проведены электронно-зондовые исследования таких структур.

В третьей главе описывается влияние несоответствия постоянных решетки, КТР подложки и эпитаксиальных слоев твердых растворов Irt&aflsP на их кристаллическое совершенство, люминесцентные свойства и поляризацию излучения. Приводятся результаты исследования инжекционных гетеролазеров InfotrfsP-IsiP в спектральном диапазоне 1,5-1,6 мкм, лазеров с гофрированным волноводным слоем с РОС и фототранзисторов с высоким коэффициентом усиления в спектральной области от 0,9 до 1,6 мкм.

Работа выполнена в лаборатории контактных явлений в полупроводниках ФТИ им.А.Ф.Иоффе АН СССР и лаборатории квантовой электроники ФТИ им.С.У.Умарова АН Таджикской ССР.  

Физико-химические свойства твердых растворов In&aftsP

Одной из наиболее перспективных с практической точки зрения, является система четверных твердых растворов Znf-dAsP # На основе этих материалов удается сохраняя "прямую" зонную структуру перекрыть энергетический интервал 0,35 эВ до 2,23 эВ, который соответствует спектральному диапазону от 0,55 мкм до 3,54 мкм. Твердые растворы Infra-AsP из опери одические с &-CLAS И ТпР имеют "прямую"зонную структуру. "Непрямую" зонную структуру имеют лишь твердые растворы близкие по составу к &CLP . Ширина запрещенной зоны твердых растворов In&frAsP , изопериодических с faAs и IrtP изменяется от 1,43 эВ ( fyt-fts ) до 1,90 эВ ( Xn0t$ O-0iif9P ) и от 1,35 эВ ( Г/7Р ) до 0,73 эВ ( Тґ)0 36-л0(/7/9з ) соответственно, что соответствуют спектральным диапазонам от 0,65 мкм до 0,86 мкм и от 0,92 мкм до 1,70 мкм. Именно последний спектральный диапазон представляет значительный практический интерес, гак как на этот диапазон приходится минимум потерь в современных свеговолокнах. На рис.1.2. пред- . ставлена спектральная характеристика кварцевого стекла легированного Р- и использующегося при изготовлении волоконных световодов. Из рисунка видно, что область 0,8-5-1,8 мкм является наиболее эффективной при использовании таких световодов в качестве передающей среды в ВОЛС. При этом минимальные потери соответствуют диапазону длин волн 1,5 1,6 мкм ( г. 0,2. дб/км ) /T79J .

Гетеропереходы с точным совпадением периодов решетки в системе InSaAsP можно создавать путем одновременного измене - 14 ния соотношений Q-сь/іп и Д$/Р в твердой фазе. Принцип изопериодического замещения, реализуемый в твердых растворах ІпЄтхАїР для сечений, в которых параметр решетки совпадает с &a.fls и п Р , подробно изложен в обзорах посвященных многокомпонентным полупроводниковым твердым растворам [3,15J . Суть этого принципа состоит в том, что изменения периода решетки твердых растворов при замещении атомов одного сорта на другой принимается пропорциональным различию ковалентних радиусов обоих сортов. Так, например, если в металлическую подрешетку JnP вместо части атомов J/7 ввести $-CL , го период решетки .твердого раствора уменьшится. Для того, чтобы компенсировать это изменение, в подрешетку элемента У группы вводят некоторое количество /?s .

Зависимость периода решетки четверного твердого раствора от состава определяется методом интерполяции по четырем значениям постоянных решетки бинарных соединений составляющих твердый раствор:

На рис.I.3 представлена пространственная диаграмма изменения ширины запрещенной зоны и периода решетки в системе In 6-а. As Р , ограниченная четырьмя тройными соединениями Tn6aAs ,л6-сиР, IrlAsP и (rcuAsP . Область "непрямых" составов схематически изображена на диаграмме плоскостью, а "прямых" составов твердых расгворов-искривленной поверхностью [63,64] .

На рис.1.4 приведены расчетные зависимости ширины запрещенной зоны твердых растворов In&iAsP вдоль изопериодических сечений с ZnP и (rctfis 15] . Из рисунка видно, что ширина запрещенной зоны In 6а As Р , изопериодических с ТпР , изменяется от 1,35 эВ ( ТпР ) до 0,73 эВ ( lnoS2t&a0t4i-Ab )» с aAs от 1,43 эВ {6а As) до 1,905 эВ ( 1п0,& о,чв Р )

Нелегированные слои твердых растворов Inбы As Р при эпигаксиальном выращивании всегда имеют п-тип проводимости. Материал р-типа получают перекомпенсацией. Эпигаксиальные слои твердых растворов In fa. As Р выращенные на подложках ZnP и легированные теллуром, оловом и германием имеют п-тип проводимости, а легированные цинком, магнием и кадмием р-тип проводимости [7,8,46,47,67,68,90] .

При исследовании электрических характеристик важное значение имеет определение зависимости концентрации примесей в твердой фазе от их содержании в растворе-расплаве. На рис.1.5а приведены зависимости концентрации легирующих примесей в твердых растворах Я/-х ахЛ у Р, -у состава х & QW, tf 0/ЗО от содержания Tt , Sn , 6-є и &п в растворе-расплаве [7,90J . Электрические измерения показали возможность получения однородного распределения примесей по толщине слоя.

Метод газовой и молекулярной эпитаксш

В последнее время при выращивании твердых растворов TJIB-AASP также успешно применяется метод газовой [ll,50,52,92-100] и молекулярной [12,101-104] эпигаксии. Эти методы позволяют получать планарные эпигаксиальные слои, плавно менять состав растущего слоя по заданному закону, управлять количеством и типом легирующих примесей, легко и точно контролировать толщины выращиваемых слоев.

Вместе с тем при выращивании твердых растворов IrteaAsP методом газовой эпитаксии, так же как и в жидкостной приходится . преодолевать значительные трудности, препятствующие получению качественных слоев. В первую очередь это обусловлено различными температурами распада арсина - AsHj и фосфина - РН$ и различными энергиями формирования сиР , InP , Trt S и ба-fl-s [94 J . Для точного управления составом растущего слоя приходится осуществлять прецизионное регулирование потоков газовых смесей с помощью электронных ротаметров, тщательно поддерживать температуру в зонах источников и области роста [92-94J .

Термодинамические расчеты проведенные для тройных твердых растворов J.n(r0-P и X л 6 а. As хорошо согласуются с экспериментальными данными jj52,95-97j . Такие же расчеты и исследования проведены для четверных твердых растворов ІЛ&лЯбР /92,99,I00j .

В последнее время твердые растворы InGo-P и ZnGaAsP были выращены \с использованием разложения металлоогранических соединений ["188,194] и получены низкопороговые гетеролазеры С/,,-- 4,2UД/см2) излучающие на длине волны 1,2 мкм l88j .

Метод молекулярной эпитаксии является перспективным методом получения тройных и четверных твердых растворов J_I2,I0I-I04J . Молекулярная эпитаксия позволяет контролировать начальные стадии роста, состав растущего слоя, получать сверхтонкие слои, необходимые при изготовлении гетеролазеров непрерывного действия.

При выращивании молекулярной эпитаксией бинарных соединений А В и твердых растворов на их основе поток элементов третьей группы ( їґі,(г&, fit ) всегда атомный, а поток элементов пятой группы может быть либо двухатомным, либо чегырехатомным ( Asz , flSif , z » 4 ) Ири температурах ниже температурной стабильности In As (в случае Zna.As ) или 1лР{ъ случае Ілл-Р ) свойства эпитаксиального слоя определяется десорбцией элементов пятой группы. С повышением температуры преобладает десорбция элементов третьей группы.

В настоящее время молекулярная эпитаксия несмотря на крайнее сложное аппаратурное оформление является вероятно одним из наиболее перспективных методов эпигаксиального выращивания сложных приборных структур. Кроме того этот метод может найти широкое применение и для выращивания новых полупроводниковых материалов таких, как А 6 & -/? Р , A{A.L/? As которые не удается или очень трудно получать жидкостной эпитаксией.

Бинарные соединения А В в зависимости от ширины запрещенной зоны позволяют изготавливать излучающие приборы, работающие в узких спектральных областях. С применением многокомпонентных твердых растворов для создания приборов такого типа стало возможным освоение более широких спектральных диапазонов, а использование гетеропереходов позволило значительно улучшить излучательные характеристики светодиодов и лазеров. В качестве примера на рис. 1.9 приведены спектральная зависимость порога генерации для различных твердых растворов на основе соединений fl [15] .

а. Гетеролазеры в системе InGa-fisP -ТлР.

Для эффективной работы приборов на основе ДТС структур величина скачка в ширине запрещенной зоны - л Eg между активной областью и эмиттером должна составлять не менее 4 кТ. Поэтому при комнатной температуре при использовании в качестве широкозонных эмиттеров InP , а активной области In zAsP можно рассчитывать на перекрытие диапазона длин волн от 1,0 до 1,7 мкм. Впервые гетероструктуры такого типа были реализованы в 1974 г. Эффект генерации в них наблюдался на длине волны 1,06 мкм при температуре 77 К [l6j . Позже была получена генерация в интервале 1,06-1,1 мкм и при комнатной температуре [р]

При изготовлении гетеролазеров InP - In G GLASP - In P излучающих на длине волны 1,5-1,6 мкм жидкостной эпитаксией, возникает трудность из-за растворения четверного твердого раствора In(r x.fl-sP даже насыщенным по фосфору расплавом индия, из которого выращивается второй широкозонный эмиттер. Для предотвращения этого второй эмиттер выполняется из твердого раствора, ширина запрещенной зоны которого больше ширины запрещенной зоны активной области, или между активной области и вторым эмиттером выращивается твердый раствор промежуточного состава. Подрастворение активной области также можно избежать, если проводить выращивание второго эмиттера при температурах ниже 600С

Методика выращивания твердых растворов InfaHP, Іґ)аР и Іл&ьЛз

В качестве подложек при эпитаксиальном выращивании твердых растворов InS-aftsP , їпбаР и In Bafts использовались монокристаллы 6afts и InP, полученные методом Чохральского. Пос ле ориентации слитки (rafts и InP разрезались алмазным дис ком на пластины толщиной 700-800 мкм, шлифовались на порошке М5-М7 и полировались алмазной пастой на замше. Конечная толщина пластин составляла 400-500 мкм. Перед эпитаксией пластины промы вались в кипящем толуоле, ацетоне и затем fra/ls травился в поли рующем травителе HzS0t, Hz0zlM20 (6:1:1) в течение 10-15 мин, a InP -в травителе Bf-CH3C0OH (27-&Z) химико-дина мически в течение 30 мин при скорости вращения 24 об/мин. Рент геновские исследования топографии поверхности подложек InP и dd/ІЗ показали, что для того чтобы полностью удалить следы нару шенного в процессе механической обработки слоя, с поверхности под ложки надо стравливать не менее для (100) - 80 мкм, для InP (III) - 60 мкм и для Gafts (100) 40 мкм материала.

В качестве растворителя для формирования жидкой фазы, использовался индий марки In -000 . Для удаления окисной пленки и поверхностных загрязнений, индий травился в ИСв в течение 2-3 мин. Источником фосфора служил не легированный InP (n i04S-io 6cM 2), который перед эпитаксией обрабатывался в смеси НЛ103 ИСС (3:1) в течение 1 мин. Для получения необходимой концентрации мышьяка и галлия в жидкой фазе применялись In/Is и 9а As нелегированные (К "/О -40 см 3). Перед эпитаксией 6 xAs и In А 6 обрабатывались в травителях HzSOif Н20г HzO (3:1:1) 2-3 мин и НЩ :HF:CH3COOH (5:1:1) 20-30 сек соответственно.

При легировании эпигаксиальных слоев в качестве акцепторных примесей использовались Zn и Мд , в качестве донорных Те и Sn . При выращивании эпитаксиальных слоев тройных твердых растворов ІпбаР и 1п6аД$ необходимые составы жидкой фазы могут быть сформированы двумя различными способами. I. При использовании в качестве источника галлия хР для системы InSa-P и 6-aAs для InGafts вес соответствующего бинарного соединения находился по формуле D Pln Mfaptfafls) PtaPffoAs)- А1п-А/Ь (2Л) L -Ka- s) (2-2) где P(raP(6- xAs.) вес Я-Р шт fraAs , обеспечивающий кон центрацию галлия - А/$.а в жидкой фазе; /j - вес расгворителя -индия, Mfap - молекулярный вес BCLP , М}$.ад$ - молекулярный вес G-ctAs , h/$CL - концентрация Лг в жидкой фазе в атомных долях, Ах„ - атомный вес индия, NJn - концентрация In в жидкой фазе в аг.долях, Np - концентрация Р в жидкой фазе в аг.долях, А/ 3 - концентрация /Is в жидкой фазе в аг.долях. Вес InP или In/Is , необходимый для насыщения жидкой фазы по фосфору или мышьяку для систем In бар и In 9а/Is соответственно, определялся по формуле ItiP (In/is) - —L C2.3) "In NIn где Mjnp - молекулярный вес InP , Mir?As - молекулярный вес Infls . Использование этой формулы позволяло учесть количество Р и /Is поступивших в жидкую фазу при растворении 6 аР или bafts . 2. Если для формирования жидкой фазы необходимого состава использовался чистый галлий, то вес его определялся по формуле PlH-fitaf . (2Л) где Р$а - вес галлия, обеспечивающий концентрацию галлия -А/$л в жидкой фазе, Aga- атомный вес галлия.

Фосфор или мышьяк в количествах необходимых для насыщения жидких фаз поступали из бинарных соединений InP или In/Is , вес которых определялся по формуле

При выращивании эпитаксиальных слоев четверных твердых растворов 1п(гаЛ$Р} количество 6а , Л$ и Р, необходимые для формирования жидких фаз нужного состава,обеспечивалась при растворении 6 a/Is , In/Is и InP . Веса этих соединений могут быть найдены по формулам (2.1), (2.3) и (2.5).

Взвешивание компонентов жидкой фазы производились с точностью для баЛв + 0,05 мг, для InP ±0,02мъ , для Inrfsto,2M2 и для In 11мг .

Подложки и компоненты, формирующие жидкие фазы нужного состава, закладывались в графитовую кассету, зафиксированную на кварцевой трубке для термопары с помощью молибденовых штоков. После этого кассета вставляется в реактор, вся система откачивается до Ю"1 агм и затем заполняется водородом. Такая процедура "промывки" реактора водородом повторяется не менее трех раз. После этого реактор продувается чистым водородом в течение 30 мин и вдвигается в печь, предварительно нагретую до температуры.начал а_ эпитаксии.

Влияние внутренних деформаций на поляризацию излучения в гетеролазерных структурах tn&a.AsP-ZnP

На лазерных структурах проводились исследования температурной зависимости порогов генерации при инжекпионном и оптическом возбуждении неравновесных носителей. Одной из проблем выявившихся при создании гетеролазеров InSaflsP -InP [l6,35,I05j является сильная зависимость пороговой: плотности тока от температуры. Если выразить температурную зависимость пороговой плотности тока в форме и сравнить величины в в области Т ЗООК для ДТС -АІбаДь--лазеров и ДТС - Irt&aflsP - лазеров, то оказывается, что для последних типичные величины в в 2-3 раза меньше, чем для ДГС - fllfrcLfls - лазеров.

В ряде работ зарубежных авторов [ II5,I27,I80,I8lJ имеется по крайней мере четыре различных объяснения этого явления. Физические причины, предлагаемые для объяснения малых величин $ в ДТС - In&aftsP - лазерах следует разделить на две группы:

1. Причины связанные со свойствами материала активной области лазеров (Оже-рекомбинация [lI5,I82j , потери за счет поглощения неравновесных дырок (l27J , рекомбинация через глубокие уровни [180] ).

2. Причины, обусловленные особенностями ияжекционного токового возбуждения неравновесных носителей в гетероструктурах [l8l].

Для разделения этих двух групп причин предприняты исследования по сопоставлению температурной зависимости порогов генерации в ДТС - ЛґівчіА$Р-ІпР - лазерных структурах при инжекпионном и оптическом возбуждении их активной области. Значения пороговых плотностей токов при инжекпионном возбуждении были по лучены при измерениях в импульсном режиме лазерных диодов с длиной резонатора 300-500 мкм, имевших сплошные омические контакты. На части структуры, предназначенной для оптических исследований, контакт к подложке механически удалялся, а затем образец путем травления в НСІ утоныпался до 50 мкм. Из изготовленных таким образом образцов скалыванием получались лазеры с длиной резонатора 400-500 мкм и шириной 100-150 мкм. Для исключения возникновения замкнутых мод, поверхности боковых сколов в лазерных диодах делались непланарными.

Оптическое возбуждение активной области гетероструктур осу-ществлялось одномодовым ЛІАГ-Nd -лазером {\-1,ОЬмкм ), работавшим в одномодовом режиме за счет модулирования добротности резонатора акусто-оптическим затвором. Стабильность амплитуды импульсов и отсутствие наводок обеспечивались непрерывным режимом работы дуговой лампы накачки в Й\АГ Ыс1 - лазере. Аку-сго-оптический затвор обеспечивал получение импульсов излучения длительностью 100 не с частотой следования 2 кГц. С помощью оптической системы возбуждающее излучение фокусировалось в полосу размерами 250x1500 мкм. Проведенные контрольные измерения показали, что на площади, соответствующей площади исследованных лазерных диодов ( 150x500 мкм) неоднородность плотности возбуждающего светового поля не превышает 10%.

При оценках плотностей возбуждающего излучения коэффициент отражения от поверхности ІнР принимался равным 0,3. Коэффициент поглощения в активной области на длине волны 1,06 мкм, определенный экспериментально, равнялся 1,5.104 см"-1-. Наибольшие погрешности в определении скорости генерации электронно-дырочных пар в активной области при оптическом возбуждении гетероструктур связаны с неточностями в определении толщины активной области.

Для сопоставления с результатами, полученными при инжекционном возбуждении, плотности возбуждающего излучения переведены в эквивалентные плотности токов согласно соотношению где W - оптическая мощность, поглощенная в активной области.

На рис.3.10 приведены спектры излучения при оптическом (кривые I и Iі) и инжекционном (кривые 2 и 2) возбуждении для двух лазерных диодов изготовленных из структуры 7-234. Кривые I и 2 записаны при плотностях возбуждения в три раза меньше, чем порог генерации. Кривые I и 2 - соответствуют порогу генерации. При оптическом возбуждении спектр мод когерентного излучения был как правило уже, чем в инжекционном возбуждении. Появлению пика генерации при оптическом возбуждении не предшествовала деформация спектра, характерная для лазерных диодов (кривые. 2 и 2 на рис. 3.10). Возможно, что различия в характере спонтанных спектров и в их зависимостях от уровня возбуждения при оптической и токовой накачке обусловлены тем, что в первом случае вклад в спонтанный спектр дает и излучение, выходящее через верхнюю поверхность Іґі Р - подложки. Пороговые плотности возбуждения при оптической накачке считались равными тем плотностям, при которых пик генерации в спектрах составлял 5-10$ от общей площади спектра. При инжекционном возбуждении диодов пороговые плотности токов определялись как по спектрам генерации излучения, так и по отсечкам зависимостей мощности излучения от тока.