Введение к работе
Актуальность темы. о
Твердые растворы узкозонннх соединений АВ на основе арсенида индия интересны тем, что на их основе могут сеть созданы как источники, так и приемники излучения в средней- инфракрасной области спектра (2-5 мкм). Это спектральный диапазон актуален для задач лазерной диодной спектроскопии газов и молекул, систем лазерной дальнометрии, инфракрасных волоконных линий связи, а также медицинсісих применений и задач экологического мониторинга. В диапазоне длин волн 2-5 мкм находятся линии поглощения влаги и целого ряда промышленных и природных газов (например: угл-з кислого газа, сероводорода, метана, формальдегида и др.). Эти и другие возможные ' применения оптоэлектронных приборов, работающие в интервале длин волн 2-5 мкм, остро ставят задачу создания элементной базы для данного спектрального диапазона.
Для указанных выше задач требуется высокоэффективные лазер1.; и светодиода, поэтому весьма актуальным является получение и исследование свойств твердых растворов на основе арсенида индия. 3 литературе большое внимание уделяется созданию оптоэлектрошшх приборов на осноеє твердых растворов GalnAsSb и InAcSbP л в меньшей мере исследованию электрофизических свойств данных твердих растворов, изопэриодных с подложкой InAs. Кроме того, изучение гетероструктур на основе твердых растворов GalnAsSb и InAsSbP представляет значительный научный іштерес для изучения процессов рекомбинации носителей на гетерогранице и физики интерфейса.
В последние года больное внішаїше уделяется созданию лазеров для спектрального диапазона 3-5 мкм. Необходимость в созданий лазеров среднего ИК-диапазона, работающих при температурах, близких к комнатной, стимулировало ряд новых нетрадиционных подходов к конструкции лазерных структур, поиск новых полупроводниковых материалов на основе соединений А"В арсенида индия, а также новых физических механизмов генерации излучения. Для создания таких лазеров на основе InAs и его твердых растворов ваш-то иметь хорошее электронное и оптическое ограничение, что может быть достигнуто при использовании слоев четверных твердых растворов InAsSbP с большим содержанием InP, а также твердых растворов AlTnAaSb. Однако, проблема получения таких слоев с предельным содержанием
-4-InP в литературе практически не исследовалась.
Бсльаое внимание б литературе было уделено получению и исследованию гетеропереходов GalnAsSb, изопериодных с подложкой GaSb. Было установлено, что ' такие гетеропереходы являются гетеропереходам;: II типа и могут, в зависимости от состзез,-образовывать как ступенчатые, так и разъединенные гетероструктуры. Фундаментальным свойством гетероперехода II типа является пространственное разделешіе электронов и дырок и их локализация в' самосогласованных квантовых ямах по обе стороны гегерсграницы. Это в значительной.степени определяет фотоэлектрические, оптические и транспортные свойства таких гетероструктур и оптоэлектронных приборов на их основе. В таких структурах была получена и изучена иглучйтельная рекомбинация, связанная с туннельными оптическими переходамі через гетерограницу II типа. Практически, ранее не исследовались гетероструктуры GalnAsSb/InAs, которые также должны быть гетеропереходами II типа. Изучение таких структур взсьма важно длл понимания физических процессов, протекающих ьблкзи гетерограницы, и создания структур с совершенной гетерограшщей. Их электролшннесцектше свойства также ранее не исследовались.
В рамках данной работы были впервые проведены комплексные исследования фотоэлектрических, гальваномагнитных и люминесцентных свойств твердых растворов GalnAsSb и InAsSbP, изопериодных с подложкой InAs, и их гетероструктур, а также рассмотрены новые подходы к созданию лазерных структур на осноеє даішнх твердых растворов.
Цель работы. Целью настоящей работы являлись поиск и исследование перспективных материалов и гетероструктур на основе твердых растворов арсенала индия для спектрального диапазона 2,5-4,0 ї.тол, а такие разработка -оптоэлектроннных приборов (лазеров и светодиодов) на основе этих полупроводниковых материалов.
Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:
разработка методики получения четверных твердых растворов InAsSbP предельного состава (с максимальным содержанием ІпР в твердей фазе), изопериодных с подложкой InAs;
разработка и получение нового полупроводникового материала Iru\lA,--.Sb методом ЖФЭ;
.-5-
- получение изогориодных с InAs широкозошстх твердых
растворов GalnAsSb;
исследование гальваномагнитнных, фотоэлектрических и люминесцентных свойств полученных слоев и гетероструктур, установление зонных диаграмм гетеропереходов;
- создание длинноволновых лазерных структур для среднего ИК-
диапазона с улучшенным электронным и оптическим ограничением на
основе разработанных твердых растворов;
Научная новизна.
-
Экспериментально исследованы' диаграммы плавкости тройной системы In-Sb-P в широкой области концентраций при температурах Т=773-923 К и диаграммы плавкости четверной ' системы In-As-Sb-P (изопериодный разрез к InAs) по всей области составов при температурах Т=773-923 К.
-
Получены твердые растворы InAlxAsSb„, изопериодные с InAs, в интервале составов 0<х<0,1 в диапазоне температур Т=823-Э23 К методом ЖФЭ.
-
Созданы гетероструктуры на основе твердого раствора InQ ^GaAsQ 22st>/InAs' исследованы их электрические и фотоэлектрические свойства' и построена зонная энергетическая диаграмма созданного гетероперехода.
-
Изучены гальваномагнитные свойства твердого раствора GalriQ -|7Aso 22Sb и Установлено существование электронного какала с высокой подвижностью электронов (и=65000 сьг/В*с при Т=77 К) в двумерном канале в одиночной гетероструктуре P-InQ 1TGaAsQ 22st)/ p-InAs на основе слаболегированных слоев твердого раствора.
5. В гетеропереходе Р-ІПд jjGaASQ „Sb/p-InAs обнаружена и
исследована интерфейсная электролюминесценция в спектральном
диапазоне 3-4 мкм, обусловленная рекомбинацией электронов и дырок,
локализованных по разные стороны гетерогрзницы.
6. Предложена и создана лазерная структура на основе
разъединенного гетероперехода II типа P-InQ j 7GaAsQ 2/<-,Sb/
p-In0 ggGaAGQ 80Sb с улучшенным электронным ограничением и слабой
температурной зависимостью порогового тока.
Прадш^щс^ля^ЕШОс^ч^раОитл^
а) определены границы области несмешиваемости для тпердлх растворов ІпАзЗЬР и получены слои предельного состава (о
-6-максималькым содержанием ІпР в твердой фазе), перспективные для создания излучателышх структур с улучшенным . электронным ограгаїчением;
б) разработана методика получения нового полупроводникового
материала InAlAsSb на подлокке InAs методом ЖФЭ;
в) созданы светодаода для спектрального диапазона 2,5-3,0 мкм,
работающие при комнатной температуре на основе твердых растворов
InAsSbP предельного состава, изопериодных с InAs, с внешней
квантовой эффективностью 0,02-0,03% и с полушириной полосы
излучения Ahv=70 мэВ;
т) создан лазер на основе одиночного разъединенного гетероперехода II ' типа P-InQ .^GaAsQ 22S^P~Ino 83Ga^s0 80S^ на длину волны Х=3,26 мкм с пороговой плотностью тока 3^=^ кА/сиг при Т=77 К, работающий в импульсном режиме в интервале температур 1=77-112 К. Получено высокое значение характеристической температуры То=60 К в интервале Т=77-100 К.
На защиту быносятся следующие научные положения:
1. Интервал существования твердых растворов InAs1_x_ySbyPx
ограничивается областью спинодального распада и областью
ограничения по условию молекулярности, а предельный состав
находится на пересечении границ этих областей и составляет х=0,ЗЭ,
при этом оптимальная температура выращивания Т=813 К.
2. Гетеропереход GaQ 331 17^0 22Sl)0 78^11^ является
разъединенным гетеропереходом II типа, в котором потолок валентной
зоны широкозонного материала находится выше дна зоны проводимости
узкозонного полупроводника на величину ДЕ=60 мэВ»
3. Электролюминесценция в изотипных разъединенных
гетерсструктурах II типа P-Galn0 ^^о 22st,/P-In^s ^Р51 0<3Ра,1Н0М смещении (отрицательный потенциал на узкозонном полупроводнике) обусловлена туннельной излучательной рекомбинацией электронов и дырок, локализованных по разные стороны гетерограницы.
4. Создана лазерная структура, содержащая в качестве
активного элемента одиночный разъединенный гетеропереход II типа
P~GaInQ 17As0 22SD/P-Galn0 q^ASq 80St>' s в качестве оптического
ограничения 'твердые растворы InAsSb Рх предельного состава
(х=0,31), излучающая на длине волны А.=3,26 мкм при Т=77 К, при
этом пороговый ток экспоненциально зависел от температуры
*
_7-I^h~exp(T/TQ) с характеристической температурой TQ=60 К в интервале температур 77-100 К.
Апробация работы. Результаты работы докладываюсь ка Всесоюзных и Международных конференциях: Республиканская конференция по физико-химическим основам получения и исследования полупроводниковых материалов в твердом и кидком состояниях (Куляб,1989); III Всесоюзная конференция моделирования и роста кристаллов (Рига,1990); Республиканская конференция "Перспектньшо материалы твёрдотельной.электроники. Твердотелыше преобразователи в автоматике и робототехнике" (Минск', 1990); Fall Ketting Material Reseach Society (Boston,1990); The Intematlnal Congress Of Optical Science And Engineering (H3gue,1991); 3 Europian Conference On Crlstal Growth (Budapest,1991); Hanostructures Physics And Technology (St.Peterburg,1994); 7th International Conference on Superlattice Mlcrostructures and Microdevices (Canada,1994).
Публикации, Материалы диссертационной работы отражены е 10 печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.
Структура яиссертаттии. диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Она содержит 36 страниц текста, уу рисунка, таблицы и список литературы из работ.
Похожие диссертации на Создание и исследование инфракрасных источников света на основе гетероструктур твердых растворов арсенида индия
