Содержание к диссертации
Стр.
ВВЕДЕНИЕ &
ГЛАВА I. ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ InSaAsP/InP ДЛЯ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ.С. . .
ДЛИНОЙ ВОЛНЫ ИЗЛУЧЕНИЯ 1,3 МКМ (ОБЗОР) ..... 9
1.1. Твердые растворы InGaAsP, изопериодические с ІнР. . 3
Краткая характеристика системы InGaAsP - InP . . . ^
Данные по фазовой диаграмме InGaAsP - InP М
Особенности получения слоев InGaAsP жидкофазной эпитаксией ^
Легирование и получение нелегированных эпитакси-альных слоев 27
Свойства эпитаксиальных слоев 37
1.2. Гетероструктуры InGaAsP/InP для излучателей .... 3$
Особенности получения гетероструктур 32
Свойства и параметры излучателей на основе гетероструктур Уэ
1.3. Выводы &3
ГЛАВА 2. МЕТОДИКИ ПОЛУЧЕНИЯ И ЛЕГИРОВАНИЯ ГЕТЕРОСТРУКТУР .
InGaAsP/InP. МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЙ ^У
Установка для жидкофазной эпитаксии tt
Методика получения эпитаксиальных слоев InP, InGaAsP и гетероструктур на их основе для излуча- . телей 3~7
Методика легирования различными примесями ..... б7
Методика изготовления излучателей 7Q
Методика изготовления лазеров 7<?
Методика изготовления светодиодов 73
Стр.
.2,5, Методики измерений . . 76
2.5.1. Методики определения концентрации носителей заряда,
состава, толщин слоев, положения р-п-перехода.и. .
. несоответствия параметров решетки 7(^
2.5.2, Методики исследования фото- и электролюминесценции .
и внешнего квантового выхода излучения , , ^
2.6. Выводы SO
ГЛАВА 3. ОСОБЕННОСТИ ЛЕГИРОВАНИЯ ГЕТЕРОСТРУКТУР InGaAsP/InP
РАЗЛИЧНЫМИ ПРИМЕСЯМИ И ИХ ЛКМИНЕСЦЕНТНЫЕ СВОЙСТВА . М 3,1, Особенности легирования эпитаксиальных слоев различными примесями и их люминесцентные свойства. - --- - &
.. .
3.1.1. Нелегированные эпитаксиальные слои &?
Эпитаксиальные слои, легированные редкоземельными. . элементами и изотипные ДТС на их основе ^3
Эпитаксиальные слои, легированные Sn и Se и изотипные ДГС на их основе $6
3.1.4. Эпитаксиальные слои, легированные Zn, GcL и Ma
и изотипные ДТС на их основе 400
Сравнительное исследование квантового выхода ани-зотипных InGaAsP/InP гетероструктур с промежуточным слоем при оптическом и токовом возбуждении ..... 445
Исследование влияния термообработки на квантовый выход излучения изотшшых и анизотипных гетеро-
структур
3.4. Выводы 423
_ tf -
Стр. ГЛАВА 4. СВОЙСТВА И ПАРАМЕТРЫ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ .
НА ОСНОВЕ ГЕТЕРОСТРУКТУР InGaAsP/InP (Л-1,3 МКМ) . /S
4.1. Лшинесцентные свойства спонтанных излучателей...... &&
Спектральный состав излучения . ^5
Светодиоды плоской конструкции . . ........ . . ^7
Светодиоды мезаконструкции ^^
4.1;4. Торцевые светодиоды j2"
4.2. Люминесцентные свойства когерентных излучателей . . W&
Лазеры с широким контактом ^^*
Полосковые лазеры ^^
4.3. Выводы W
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ^
ЛИТЕРАТУРА *&
s -
Введение к работе
Основные успехи в разработке приборов на основе гетерострук-тур связаны с освоением гетеропереходов в системе A^GaAs/GaAs, имеющих малое различие параметров решетки (~0Д4#). На основе таких гетероструктур был впервые реализован непрерывный режим генерации полупроводниковых лазеров при комнатной температуре[70А1], созданы светодиоды с внутренним квантовым выходом излучательной рекомбинации, близким к 100$ [ 75АІJ, создан ряд новых и усовершенствованы ранее известные приборы, которые создавались на основе р-п-гомопереходовГ77А1]. Стремление создать гетероструктуры с полностью совпадающими параметрами решетки, а также расширить спектральный диапазон работы полупроводниковых приборов обусловило поиск новых материалов, пригодных для создания "идеальных" гетеропереходов.
В 1970 году Ж.ЩАлферовым и др.[711А1]был предложен принцип изопериодического замещения в многокомпонентных твердых растворах и, в частности, в системе InGaAsP, позволяющий получать полное совпадение параметров решетки контактирующих материалов в гетеро-структурах при различной ширине их запрещенной зоны;1 Ширина запрещенной зоны таких твердых растворов, изопериодических с 1пР, изменяется от 0,73 эВ до 1,35 эВ при 300 К, На этот же спектральный диапазон J\ = 0,92 - 1,7 мкм приходится минимум потерь и нулевая дисперсия в современном кварцевом стекловолокне [ 75PI, 79MIJ, что делает твердые растворы InGaAsP, изопериодические с 1пР, весьма перспективными для изготовления излучающих и фотоприемных приборов для систем волоконно-оптических линий связи (B0JQD). Низкие потери сигнала, широкая полоса частот, нечувствительность к внешним электромагнитным полям и другие преимущества оптических систем передачи, приема и обработки информации предопределяют необходи-
мость замены существующих электрических систем на ВОЛЮ.
В связи с этим, большой практический и научный интерес представляет задача создания высокоэффективных излучающих гетерострук-тур InSaAsP/InP для ВОЛС.
К началу выполнения данной работы (1980 год) в литературе практически отсутствовала информация об особенностях легирования слоев 1пР и InGaAsP в процессе жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ). Это в большей степени относится к акцепторным примесям, так как наибольшую трудность при создании гетероструктур представляет легирование именно этими примесями. Информации о легировании редкоземельными элементами (РЗЭ) в процессе ЖФЭ в литературе вообще не было? Также практически не было информации о том какими должны быть оптимальные параметры гетероструктур InGaAsP/IriP для высокоэффективных излучателей. Поэтому настоящая работа, посвященная разработке и исследованию гетероструктур InGaAsP/IriP, легированных различными примесями, для высокоэффективных спонтанных и когерентных излучателей представляется актуальной как с научной, так и с практических точек зрения»
Основной целью данной работы было следующее.
Разработка технологии изготовления и исследование свойств гетероструктур InSaAsP/InP, легированных различными примесями с целью оптимизации параметров высокоэффективных светодиодов и лазеров излучающих на длине волны 1,3 мкм. Достижение поставленной цели распадалось на решение следующих ошовных задач:
I. Исследование технологических особенностей легирования слоев 1пР и InGaAsP в процессе ЖФЭ донорными (.Sn, Se), акцепторными (п, Ccf, Ma) и редкоземельными примесями.
2* Оптимизация параметров гетероструктур InGaAsP/IriP, легированных различными примесями, для высокоэффективных излучателей.
3, Разработка и создание высокоэффективных светодиодов и лазеров на основе гетероструктур InGaAsP/InP с длиной волны излучения 1,3 мод.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения.
Первая глава посвящена обзору литературных данных по получению слоев InP, InGaAsP ЖФЭ и гетероструктур на их основе для излучателей cyi- 1,3 мкм. Приведена краткая характеристика системы InGaAsP, рассмотрены фазовые равновесия, особенности легирования, свойства эпитаксиальных слоев, а также особенности получения гетероструктур InGaA$P/InP и свойства и параметры излучателей на;лх основе.
Во второй главе описываются разработанные методики получения и легирования эпитаксиальных слоев и гетероструктур на их основе, методики изготовления излучателей, а также методики измерений.
Третья глава посвящена результатам оригинальных исследований технологических особенностей легирования слоев InP и InGaAsP в процессе ЖФЭ акцепторными (Яп, Сс/, МЪ), донорними (Sn, Se) и редкоземельными (Gdt УЗ tA/d f'DJtS/r?) примесями и исследованию их электрофизических свойств Приведены также результаты исследования по оптимизации параметров гетероструктур InGaAsP/InP для высокоэффективных излучателей.
В четвертой главе приводятся результаты исследования люминесцентных свойств и параметров светодиодов различных конструкций и лазеров с Я - 1,3 мкм, пригодных для систем ВОДЮ.
Основные положения, выносимые на защиту:
I. Редкоземельные элементы такие как QdtVB »/Vc/9%)YtSm позволяют уменьшить в слоях InP и InGaAsP при ЖФЭ фоновую концентрацию донорных центров на несколько порядков. При этомшо мере уве-
личения содержания РЗЭ от 0,005 до 0,1% ат. концентрация электронов в 1лР изменяется в пределах Ю10 - Ю15 см"3, а их подвижность при 77 К достигает (20 - 50) 10 скг/В.С даже в графитовой кассете,
Установлено, что при легировании п в процессе ЖФЭ, в отличии от Od и Му, всегда происходит его перенос через газовую фазу в соседние растворы-расплавы независимо от его месторасположения в кассете и диффузия в подложку перед началом процесса наращивания. Кроме того, в процессе роста всегда происходит смещение р-п-пере-хода от металлургической границы за счет диффузии, в большей степени в случае In и в меньшей в случае Сd и М^.
Попадание акцепторной примеси в активную область излучающих двойных гетероструктур (ДТС) InGaAsP/InP сильно снижает их квантовую эффективность. Наибольшей эффективностью обладают ДТС с нелегированной активной областью. Для предотвращения попадания акцепторов в активную область перед наращиванием Р- эмиттера необходимо осаждать нелегированный промежуточный слой.
Разработана технология изготовления высокоэффективных светодиодов различных конструкций излучающих при комнатной температуре на длине волны 1,3 мкм со следующими параметрами:
мезасветодиоды с ^е - 40%
светодиодн плоской конструкции с % - 16%
торцевые светодиодн с 1е - 6%.
5. Разработана технология изготовления низкопороговых меза-
полосковых лазеров работающих при комнатной температуре на длине
волны 1,3 мкм в непрерывном одномодовом режиме с пороговым током
15 мА и мощностью излучения в одну сторону 15 мВт.
Работа выполнена в лаборатории контактных явлений в полупроводниках ордена Ленина Физико-технического института им.А;Ф.Иоффе АН СССР.
- .9 -
