Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Методы формирования излучателей на основе полупроводниковых гетероструктур 12
1.1. Полупроводниковые соединения A111 Bv и особенности их строения... 14
1.2. Основные физико-химические свойства полупроводниковых материалов для инфракрасного диапазона излучения 19
1.3. Технология создания светодиодов и лазеров 20
1.3.1. Методы синтеза гетероструктур на основе полупроводниковых соединений AinBv 20
1.3.2. Постростовая обработка полупроводниковых структур А' В 23
1.3.2.1. Травление как метод формирования полупроводниковых чипов 24
1.3.3. Метод фотолитографии 28
1.3.4. Создание омических контактов к гетероструктурам 29
1.4. Светодиоды для ИК-диапазона длин волн 33
1.5 Лазеры для инфракрасной области спектра 30
Глава II. Разработка технологии создания оптоэлектронных мезаструктур 46
2.1. Технология получения полупроводниковых структур АШВ 46
2.2. Разработка методов травления и создание травителей для постростовой обработки многослойных гетероструктур на основе AmBv 51
2.3. Создание омических контактов к структурам методом термического вакуумного напыления 56
2.3.1. Методика изготовления омических контактов 57
2.3.2. Методика измерения сопротивления многослойных омических контактов 59
Глава III. Разработка, создание и исследование светодиодов и лазеров на основе узкозонных соединений АШВУ для спектрального диапазонаї .6-2.5 мкм 62
3.1. Создание светодиодов для спектрального диапазона 1.6-2.5 мкм 62
3.2. Создание светодиодов для ИК-диапазона (2.3 мкм и 2.44 мкм) на основе твердых растворов GalnAsSb, выращенных из Pb-содержащих растворов-расплавов 70
3.3. Формирование светодиодных чипов различной геометрии и методы увеличения внешнего квантового выхода излучения 81
3.3.1. Исследование влияния геометрической формы меза-структуры на спектральные характеристики и диаграммы направленности излучения 85
3.4. Исследование влияния размера и формы омических контактов на электролюминесцентные характеристики светодиодов 94
3.5. Создание лазеров для ИК-диапазона (1.8-2.5) мкм на основе GalnAsSb/GaSb и исследование их свойств 107
3.5.1. Лазеры полоскового типа 107
3.5.2. Лазеры зарощенного типа 112
Глава IV. Разработка, создание и исследование светодиодов и лазеров на основе узкозонных соединений AmBv для спектрального диапазона 3.5мкм 120
4.1. Формирование оптоэлектронных структур из изопериодных InAs четырехкомпонентных твердых растворов методом химического травления 121
4.2. Создание и исследование светодиодов на основе твердых растворов InAs/InAsSbP, выращенных методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений (МОГФЭ) 122
4.3. Создание и исследование лазеров на основе твердых растворов InAsSb/InAsSbP, выращенных методом жидкофазной эпитаксии 128
4.4. Создание и исследование лазеров на основе твердых растворов InGaAsSb/AlGaSbAs, выращенных методом жидкофазной эпитаксии 134
4.5. Создание и исследование инжекционного ИК лазера (Я = 2.775 мкм) на основе двойной гибридной гетероструктуры AlGaAsSb/InAs/CdMgSe, выращенной методом молекулярно-пучковой эпитаксии 140
Выводы к главе IV 147
Заключение 149
Список основных публикаций по теме диссертации 151
Список использованной литературы 155
- Основные физико-химические свойства полупроводниковых материалов для инфракрасного диапазона излучения
- Разработка методов травления и создание травителей для постростовой обработки многослойных гетероструктур на основе AmBv
- Создание светодиодов для ИК-диапазона (2.3 мкм и 2.44 мкм) на основе твердых растворов GalnAsSb, выращенных из Pb-содержащих растворов-расплавов
- Создание лазеров для ИК-диапазона (1.8-2.5) мкм на основе GalnAsSb/GaSb и исследование их свойств
Введение к работе
Электроника на гетероструктурах широко используется во многих
областях человеческой деятельности - это телекоммуникационные системы,
основанные на лазерах с двойной гетероструктурой (ДГС), системы
спутникового телевидения с диодами Гана, солнечные элементы на
гетероструктурах, а также приборы для экологического мониторинга,
медицины и контроля различных технологических процессов, включающие в
себя светодиоды, диодные лазеры и фотодиоды. Большой интерес для
практического применения представляют оптоэлектронные приборы,
работающие в средней инфракрасной (ИК) области спектра (2-5 мкм).
Этот спектральный диапазон актуален для задач лазерной диодной
спектроскопии газов и молекул. Освоение этой области инфракрасного спектра
исключительно важно для решения задач экологического мониторинга и
медицинской диагностики. В связи с этим возникает необходимость создания
оптоэлектронных приборов, перекрывающих диапазон ИК-области спектра.
Для создания таких оптоэлектронных приборов перспективными являются
многослойные гетероструктуры на основе соединений AmBv (InAs, GaSb).
Среди задач, стоящих перед исследователями, важнейшими являются
повышение эффективности вывода излучения из кристалла, увеличение
мощности излучения и повышение рабочих температур выше комнатной. Все
это требует создания светодиодных и лазерных структур новых типов и на их
основе - чипов новой конструкции.
Анализ литературы, имеющейся к началу диссертационной работы показал следующее.
Светодиоды и лазеры для среднего инфракрасного (ИК) диапазона находят широкое практическое применение. Однако их излучательная эффективность при комнатной температуре невысока и они зачастую требуют криогенного охлаждения. Для создания светоизлучающих приборов в средней ИК области спектра могут быть использованы материалы AMBVI, AivBvi, АшВ . Наиболее перспективными являются соединения АШВУ, т.к. обладают рядом
преимуществ, а именно: наиболее высокой эффективностью излучательной рекомбинации, большой теплопроводностью и механической прочностью. Однако узкозонные материалы AniBv практически не использовались для создания оптоэлектронных приборов. Для синтеза этих материалов применяются методы ЖФЭ, МОГФЭ и МЛЭ. Постростовая обработка полупроводниковых структур достаточно хорошо разработана для создания приборов в ближней ИК-области спектра (0.8-1.5 мкм). Технология создания оптоэлектронных приборов для средней ИК-области спектра совершенно не развита и требует значительных усилий исследователей по совершенствованию постростовой обработки гетероструктур. Формирование светодиодных и лазерных чипов на основе четверных твердых растворов мало изучено, особенно для средней ИК-области спектра, когда может быть использована широкая гамма полупроводниковых материалов различного состава: от широкозонных (AlGaAsSb, InAsSbP) до узкозонных (GalnAsSb, InAsSb). Постростовая обработка таких систем представляет особую сложность. Химическое травление многослойных структур, состоящих из разнородных по свойствам материалов, имеет существенные ограничения. Поэтому возникает острая необходимость разработки новых методов химического травления, которые позволили бы формировать ровные склоны меза-структур, а также создавать чипы различной конфигурации.
Цель работы. Создание оптоэлектронных источников спонтанного и когерентного излучения для средней ИК-области спектра (2-5мкм) на основе многослойных гетероструктур соединений AmBv и их твердых растворов. Для достижения намеченной цели решались следующие задачи:
1. Разработка и оптимизация технологии постростовой обработки
гетероструктур на основе многослойных соединений АШВУ и создание
светодиодных и лазерных чипов для высокоэффективных оптоэлектронных
приборов (светодиодов и лазеров) средней ИК-области спектра (2-5 мкм).
2. Создание светодиодных чипов различной геометрии.
7 Исследования влияния геометрических размеров и формы меза-структур на
электролюминесцентные свойства светодиодов.
3. Исследование возможности создания методики неселективного травления
слоев многослойной системы InAsSbP/GalnAsSb/InAs с целью получения
ровного профиля мезаструктуры и гладкой полированной поверхности мез.
4. Разработка методики создания омических контактов различной формы.
Исследования влияния формы омических контактов на
электролюминесцентные характеристики светодиодов.
5. Разработка методики электрохимического травления для создания
принципиально новых конструкций лазеров для средней ИК-области спектра.
6. Создание и исследование лазеров на основе гетероструктур для
спектрального диапазона 2-г4 мкм.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Впервые на основе узкозонных материалов AHIBV созданы светоизлучающие
гетероструктуры для инфракрасной области спектра (2-5мкм) методами
жидкостной эпитаксии и газотранспортной эпитаксии из
металлоорганических соединений.
2. Предложены и разработаны методики постростовой обработки
многослойных гетероструктур соединений AmBv для создания
светодиодных и лазерных чипов.
3. Впервые созданы светодиодные чипы для высокоэффективных источников спонтанного излучения в диапазоне 2-5мкм, работающих при комнатной температуре:
впервые для увеличения квантового выхода излучения светодиодов на основе GaSb был создан светодиодный чип, имеющий форму ступенчатой пирамиды со сглаженными ступенями;
предложена и разработана технология создания омических контактов нового типа, а именно, сетчатых, обуславливающих значительное улучшение рабочих характеристик прибора.
4. Впервые созданы лазерные чипы для высокоэффективных источников
когерентного излучения для диапазона 1.8-2.4мкм, работающих в непрерывном режиме при комнатной температуре:
созданы лазерные чипы полосковой геометрии на основе гетероструктур GalnAsSb/GaAlAsSb. В лазерах, созданных на этих чипах, получено рекордно низкое значение порогового тока в широком интервале температур (77-300К);
созданы лазерные чипы канального зарощенного типа с серповидной активной областью и изготовлены лазеры, работающие в непрерывном режиме при комнатной температуре Т= 300К на длине волны Х=2.0 мкм;
впервые созданы лазерные чипы полосковой геометрии для высокоэффективных источников когерентного излучения для спектрального диапазона 3.0-3.1 мкм, работающие в импульсном режиме в интервале температур 77-180К;
на основе гетероструктур InAs/InAsSbP созданы полосковые лазеры с рекордной мощностью излучения (Р=2-5 кВт) на длине волны 3.3 мкм при криогенной температуре (77-110К);
на основе двойной гибридной гетероструктуры (Al,Ga)SbAs/InAs/(Cd,Mg)Se с гетеровалентным интерфейсом AmBv/AnBVI впервые продемонстрирована возможность лазерной генерации в среднем ИК диапазоне (Х= 2.775 мкм при Т=77 К) при инжекционной накачке.
Научная и практическая значимость работы.
1. Созданы светодиоды для спектрального диапазона А,=2ч-5мкм на основе изопериодных к антимониду галлия и арсениду индия твердых растворов, полученных методами жидкофазной эпитаксии и газотранспортной эпитаксии из металлоорганических соединений, работающие при комнатной температуре. Для создания светодиодных чипов была предложена и разработана технология постростовой обработки многослойных гетероструктур.
2. Разработаны лазерные чипы и созданы источники когерентного излучения
для средней ИК- области спектра 2-г4мкм:
- создан лазер (к=2.5 мкм при Т=300К) на основе твердых растворов
GalnAsSb вблизи границы несмешиваемости, работающий в импульсном
режиме;
- разработан канальный зарощенный длинноволновый лазер с серповидной
активной областью, работающий в непрерывном режиме при комнатной
температуре (Т= 300К, Х=2 мкм);
- на основе гетероструктуры InAs/InAsSbP созданы лазеры, работающие на
длине волны X = З.О-гЗ.6 мкм при Т=77К в импульсном режиме;
- созданы лазеры на основе двойной гибридной гетероструктуры
(AlGa)SbAs/InAs/CdMgSe с гетеровалентным интерфейсом AinBv/A"Bvl,
работающие при криогенной температуре (Т=77-110 К), А,=2.775 мкм.
3. Методом многоэтапной фотолитографии с электрохимическим травлением
созданы светодиодные кристаллы различной формы, в том числе с сильно
развитой световыводящей поверхностью.
Разработана технология изготовления омических контактов разной конфигурации. Показано, что сетчатые омические контакты имеют преимущество перед точечными (круглыми). Научные положения, выносимые на защиту.
В светодиодном кристалле на основе p-n-гетероструктуры GalnAsSb/GaSb наличие сильноразвитой криволинейной световыводящей поверхности обуславливает увеличение внешнего квантового выхода за счет многократного отражения от такой поверхности и попадания излучения на поверхность под углом, меньшим угла полного внутреннего отражения за счет изменения направления светового потока в кристалле.
В светодиодном кристалле на основе p-n-гетероструктуры GalnAsSb/GaSb с сильноразвитой криволинейной световыводящей поверхностью, имеющим первоначальное двухполосное излучение, одна из полос которого обусловлена переходами электронов из зоны проводимости на уровень
двухзарядного акцептора, а другая, более коротковолновая - на уровень
однозарядного акцептора, трансформируется в излучение, спектр которого имеет только одну длинноволновую полосу.
Внешний квантовый выход излучения светодиодов при Т=300К на основе гетероструктур GalnAsSb/GaSb и InAsSb/InAsSbP, работающих в диапазоне длин волн от 1.8 до 4.6 мкм уменьшается почти на 2 порядка при возрастании длины волны излучения светодиодов за счет усиления роли безызлучательной Оже-рекомбинации.
В светодиодных кристаллах на основе p-n-гетероструктуры GalnAsSb/GaSb плотность тока под омическими контактами сетчатой формы в ~20 раз меньше, чем под круглыми. Это значительно уменьшает вклад безызлучательной Оже-рекомбинации и позволяет получать большую мощность излучения.
В лазерах полосковой геометрии наименьшие значения порогового тока достигаются у канально-зарощенных лазеров с серповидной активной областью, имеющих двухстороннее оптическое ограничение, по сравнению с лазерами мезаполосковой геометрии, имеющими одностороннее оптическое ограничение.
Личный вклад автора. Все новые результаты, сформулированные в диссертации, получены лично диссертантом. Вклад диссертанта состоит в том, что им была предложена и разработана технология постростовой обработки полупроводниковых кристаллов. Диссертантом были проведены экспериментальные исследования, интерпретация их результатов и формулировка выводов.
Достоверность результатов, полученных в диссертационной работе подтверждается удовлетворительным согласием расчетных и экспериментальных данных.
Апробация результатов. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Международная конференция по оптоэлектронным приборам для средней ИК-области спектра-
MIOMD-V (Maryland USA, 2002); Международная конференция по физике полупроводников (ICPS-2002); Международная конференция по вопросам, связанным с методом молекулярно-пучковой эпитаксии- МВЕ (Сан-Франциско, сентябрь 2002).
Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 14 печатных работах, список которых приведен в конце диссертации. Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем диссертации составляет 164 страницы, включая 36 рисунков и 6 таблиц. Список цитируемой литературы включает в себя 103 наименования.
Основные физико-химические свойства полупроводниковых материалов для инфракрасного диапазона излучения
Для изготовления светодиодов и лазеров используются полупроводниковые соединения типа A1VBVI, AnBvl. Соединения на основе солей свинца A1VBVI [9], а также узкозонных твердых растворов HgCdTe (AnBvl) [10] обладают низкой теплопроводностью, что затрудняет изготовление светодиодов и лазеров с высокими значениями оптической мощности излучения. Низкая механическая прочность делает их в сравнении с твердыми растворами на основе AmBv менее привлекательными материалами для изготовления инфракрасных излучателей. Таким образом, соединения АШВУ являются более перспективными для создания полупроводниковых соединений для ИК-области спектра. Рассмотрим основные физические свойства полупроводниковых материалов A,nBv. На рис. 2. изображена диаграмма, отражающая возможности различных материалов группы АШВУ для изготовления светодиодов и лазеров в диапазоне 2-5 мкм. твердых растворов. Трехкомпонентные твердые растворы во всем диапазоне концентраций имеют лишь один состав, при котором параметры решетки и слоя совпадают. Использование четырехкомпонентных систем позволяет существенно изменять ширину запрещенной зоны (Eg) твердых растворов, путем варьирования концентрации компонентов, сохраняя при этом изопериодичность к подложке, а также обеспечивает высокое совершенство гетерограницы с подложкой. Это позволяет создавать лазеры, способные перекрывать ИК спектральный диапазон. Предварительные замечания. Технология создания светодиодов и лазеров состоит из нескольких этапов. На первом этапе методом эпитаксии выращивается многослойная гетероструктура, которая благодаря составам твердых растворов, хорошему качеству гетерограниц обладает определенными заданными характеристиками, необходимыми для изготовления оптоэлектронного прибора с нужными параметрами.
На этом же этапе необходим контроль эпитаксиальных пленок, а именно: определение периода решетки и химического состава эпитаксиальных слоев твердых растворов. На втором этапе проводится постростовая обработка с целью создания мезаструктур. Для этого применяется метод фотолитографии и травление. На этом же этапе создаются омические контакты. На заключительном этапе изготовления оптоэлектронных приборов проводится сборка и измерение их рабочих характеристик. Для получения четверных твердых растворов используются методы жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) [12], молекулярно-лучевой (МЛЭ) и газофазной (ГФЭ) эпитаксии. Метод жидкофазной эпитаксии. Метод жидкофазной эпитаксии заключается в кристаллизации материала из переохлажденного расплава на подложку. Состав эпитаксиального слоя, формирующегося на подложке, определяется фазовой диаграммой и в меньшей степени зависит от ориентации подложки. На рост этим методом оказывают влияние три основных параметрахостав охлаждаемого расплава, температура роста и продолжительность роста. ЖФЭ позволяет получать объемные эпитаксиальные слои высокого качества и относительная простота и дешевизна оборудования, высокие скорости осаждения делают ее до сих пор привлекательной для создания оптоэлектронных приборов. Однако, из-за больших скоростей роста и растворения, а также учитывая, что ЖФЭ - процесс обратимый, то есть возможен обратный переход в жидкую фазу уже синтезированного кристалла, трудно получить данным методом квантово-размерные структуры. Молекулярно-лучевая эпитаксия. При молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) кристаллизация происходит на поверхности нагретой подложки в результате взаимодействий между пучками атомов и молекул источников полупроводниковых элементов. Выращивание происходит в условиях высокого вакуума. В [13] сообщается о выращивании монокристаллических слоев GaAs в 1968 году. Метод МЛЭ позволяет очень точно контролировать толщину эпитаксиальных слоев, получать структуры с нужным профилем легирования на подложках большой площади (диаметр более 8 см.). К недостаткам этого метода можно отнести дороговизну оборудования, а также трудности при выращивании материалов с элементами, имеющими высокое давление паров (фосфор, цинк и т.п.).
Метод газофазной эпитаксии. (Хлоридно-гидридная эпитаксия). Метод газофазной эпитаксии был впервые применен для системы GaAsP [14]. В отличие от ЖФЭ, этот метод позволяет осуществить селективный рост (часть подложки закрывается покрытием из SiC или Біз и рост происходит только на открытой части подложки). Рост кристаллов происходит в кварцевом реакторе, состоящем из двух зон, находящихся при разных температурах. В качестве газа-носителя чаще всего применяют водород. Арсин (AsH3) и фосфин (РНз) являются источниками мышьяка и фосфора, соответственно. Металлы галлий и индий могут использоваться в качестве источников элементов III группы. Из первой зоны, температура в которой 750-800С, источники переносятся посредством реакций: Во второй зоне, где поддерживается температура 650 - 750С, происходит кристаллический рост, который можно выразить реакцией К недостаткам метода можно отнести обратимость процесса кристаллизации, что делает невозможным получение квантово-размерных структур. Метод газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений. Металлоорганическими соединениями (МОС) называют широкий класс веществ, содержащих металл-углеродные связи и координационные соединения металлов с органическими молекулами. В [15] была показана возможность осаждения многих полупроводниковых материалов из МОС и введено понятие газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений (МОГФЭ), в англоязычной литературе MOCVD или MOVPE.
Металлоорганические соединения, представляющие интерес для выращивания полупроводниковых пленок, при комнатной температуре в большинстве своем являются жидкостями, только некоторые из них при этой и даже более высокой температуре остаются в твердой фазе. Эти вещества обычно имеют относительно высокое давление паров и легко могут быть доставлены в реактор путем пропускания газа-носителя - азота, водорода, аргона или гелия, через жидкость или над твердым телом, которые являются источниками. Используемые для роста полупроводниковых пленок гидриды при комнатной температуре являются газами и обычно применяются в качестве небольших добавок к Н2. В реакторе при атмосферном или несколько пониженном (около 150 мм.рт.ст.) давлении металлоорганические и гидридные компоненты смешиваются. В МОГФЭ-технологии кристаллизация на поверхности подложки осуществляется в результате термического разложения и взаимодействий компонентов в газовой фазе. Монокристаллическая подложка, как правило, размещается на нагреваемом держателе. Газовая смесь вблизи поверхности подложки нагревается до высоких температур, в то время как стенки реакционной камеры остаются относительно холодными, что приводит к осаждению полупроводниковой пленки на кристаллической подложке. Параметрами газовой смеси можно управлять с помощью электронной системы, контролирующей скорость потока от каждого из источников.
Разработка методов травления и создание травителей для постростовой обработки многослойных гетероструктур на основе AmBv
Для создания мезаструктур при изготовлении светоизлучающих приборов используется травление по маске, нанесенной на кристалл методом фотолитографии. Для проведения фотолитографии использовалась установка совмещения и экспонирования ЭМ-512А. На фотошаблонах имелись прозрачные и непрозрачные элементы, которые по специальным знакам совмещались со знаками на полупроводниковой пластине. Режим засветки подбирался экспериментально и составлял от 20 до 90 секунд, в зависимости от размеров элементов и толщины фоторезиста. В качестве источника экспонирования использовалась лампа ДРШ-250. Удаление засвеченных участков светочувствительного слоя проводили в 1% растворе КОН. Оставшийся на структуре фоторезист подвергался задубливанию - тепловой обработке в течение 60 минут при 90С. После задубливания образцы травили в специально подобранном по составу травителе. Для создания мезаструктур применялось два вида травления - жидкостное и электрохимическое. Для проведения жидкостного травления применялись фторопластовые ёмкости, так как в состав травителей, входит фтористоводородная кислота. Образец погружался в раствор в кассете и после определенного времени выдержки в травителе кассету с образцом вынимали таким образом, что над образцом оставался слой травителя. Это позволяло избежать прямого контакта поверхности полупроводникового кристалла с воздухом сразу после травления и препятствовало образованию на ней нежелательных оксидов. Перемешивание во время травления производили равномерным вращением кассеты с образцом через равные промежутки времени. После травления образец промывался дистиллированной водой. Для электрохимического травления применялся источник питания постоянного тока Б5-50. К образцу со стороны подложки припаивался контакт, который подключался к источнику постоянного тока. Образец погружался в раствор травителя таким образом, что его травимая поверхность лежала на мениске поверхности травителя. Задавались определенные величины напряжения и тока, время травления контролировалось.
Так например, экспериментально было установлено, что при формировании лазерной меза-структуры полосковой геометрии из симметричной гетероструктуры на основе GaSb при плотности тока 0.4 мА/мм канавки глубиной 4-5 мкм с ровной боковой поверхностью были получены при продолжительности травления 20 секунд. Увеличение времени травления приводило к возрастанию глубины канавок. Анализ экспериментальных данных по качеству электрохимического травления показал, что оптимальной температурой травителя является комнатная. Повышение температуры травителя не дает заметного улучшения обрабатываемой поверхности, а зачастую ее ухудшает. Как было отмечено в главе I, травители для жидкостного химического травления включают в себя растворитель, окислители, комплексообразователи. Вопросу изучения травления узкозонных материалов, как было показано в I главе, посвящено очень мало работ. В [18] описывается травитель для обработки InAs, состоящий из азотной кислоты, плавиковой и уксусной кислот. Недостатки данного травителя проявляются, во-первых, в невозможности обработки гетероструктур, содержащих InAs и четырехкомпонентные твердые растворы на его основе Gax Inj.x Asj.y Sby , где x 0,2; y 0,35; InAsi.x.ySbyPx , где x 0,32; y 0,15 в связи с разной скоростью окислительно-восстановительной реакции на поверхности слоев разного состава. Во-вторых, активное выделение окислов азота в процессе травления приводит к тому, что поверхность частично блокируется пузырьками газа и в этих местах образуются недотравленные островки. Все это приводит к неровности и шероховатости мезы. Наконец, невозможна обработка многослойных гетероструктур, содержащих разные по химическому составу слои, такие как InAs, InAsSb, InAsSbP. Использование наиболее близкого к предлагаемому по составу травителя, содержащего оксид хрома (VI), плавиковую кислоту и воду также приводит к неровности и шероховатости мезы из-за различной скорости травления слоев, содержащих InAs и четырехкомпонентные твердые растворы на его основе. Недостатки вышеописанных травителей привели к необходимости создания травителя нового состава. В связи с этим был разработан травитель, позволяющий формировать мезы на поверхности узкозонных твердых растворов на основе InAs, обеспечивающий неселективное травление как InAs, так и твердых растворов на его основе. В предложенном травителе окислителем служил водный раствор хромового ангидрида (СЮз), а в качестве комплексообразователя была выбрана плавиковая кислота (HF). Равенство скоростей травления слоев различного состава достигается при следующем составе травителя: СгОз/НР/НС1/Н20.
Соляная кислота во всех ранее использовавшихся травителях создавала кислую среду. В обсуждаемом нами травителе соляная кислота участвует в реакции 2.2.2, в ходе которой образуется сильный окислитель (2СГ-»С12), что позволяет добиться высокой скорости окислительно-восстановительных реакций на поверхности полупроводника. имелось два сильных окислителя: Сг207" и С12 . На примере InAs проследим за окислением компонентов твердого раствора : Согласно химической теории [16], травление рассматривается как обычная гетерогенная реакция и, следовательно, весь процесс травления разделяют на пять этапов: (1) Диффузия реагента к поверхности; (2) адсорбция реагента; (3) поверхностная химическая реакция; (4) десорбция продуктов взаимодействия; (5) диффузия продуктов реакции от поверхности. Так как каждый из реагентов травителя должен пройти эту последовательность, то кинетика всего процесса может быть очень сложной. Суммарный процесс определяется наиболее медленной (контролирующей) стадией. При умеренных температурах травление контролируется стадией химического взаимодействия, реже процессом диффузии. При высоких температурах кинетика травления, как правило, определяется скоростью диффузии. Наличие мощного окислителя (активный окислитель СЬ в момент выделения радикала (С1), проводящего глубокое окисление компонентов, приводит к тому, что скорость травления лимитируется уже не окислительно-восстановительными, а диффузионными процессами, что приводит к равенству скоростей травления слоев, содержащих InAs и многокомпонентные твердые растворы на его основе Ini.xGaxSbyAsiy, где х 0,20 ,у 0,35; InAs i.x.y SbyPx ,гдех 0,32, у 0,15. Обычно при окислении образуются плохорастворимые окислы, которые необходимо перевести в раствор. Для этого используют комплексообразующие агенты [27,70]. В роли комплексообразователя в предложенном нами травителе выступает HF. На рис.5, представлена зависимость скорости травления бинарных соединений в травителе НС1/СЮз/НР/Н20 от содержания СгОз. Получение полированной поверхности рассматриваемых бинарных соединений, как видно из рисунка, возможно в том случае, когда скорости их травления близки и практически не меняются. Этому интервалу скоростей от 7 до Юмкм/мин. соответствует содержание в растворе оксида хрома от 1 до 2 объемных частей. Как видно из рисунка, диапазон концентраций, при которых
Создание светодиодов для ИК-диапазона (2.3 мкм и 2.44 мкм) на основе твердых растворов GalnAsSb, выращенных из Pb-содержащих растворов-расплавов
Светодиодные гетероструктуры GaSb/GalnAsSb/GaSb для данной ИК-области выращивались методом жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) на подложках GaSb (100) п- и / типа проводимости. В качестве широкозонного эмиттера использовался эпитаксиальный слой GaSb толщиной 2.5 мкм. Энергетическая схема светодиодных гетероструктур представлена на рис. 11 (а). Расчет равновесных значений мольных долей компонентов в жидкой и твердой фазах для системы Pb-InAs-InSb-GaAs-GaSb при заданных температуре (560С) и переохлаждении (АГ = ЗК) производился по методу ИФЛКП (избыточные функции - линейные комбинации химических потенциалов) [68,78]. Согласно данным рентгеновской дифрактометрии относительное рассогласование периодов кристаллических решеток слоя и подложки GaSb (Аа/а) не превышало 1.0-103. Светодиодные чипы создавались методом фотолитографии и представляли собой меза-структуры диаметром 300 мкм со сплошным контактом (рис.11,6) со стороны подложки GaSb и точечным контактом диаметром 100 мкм со стороны широкозонного слоя GaSb. Омические контакты к материалам и-и р-типа проводимости формировались с помощью вакуумного напыления, при этом использовались системы Cr/Au+Te/Au и Cr/Au+Ge/Au соответственно. Измерения проводились при температурах Т = 300 и 77 К при питании светодиодов импульсным током с разными длительностью и частотой следования импульсов. Для исследования температурных зависимостей электролюминесцентных характеристик светодиодные чипы монтировались на термохолодильник Пельтье, расположенный на корпусе ТО-5.
Внешний квантовый выход излучения (r/ext) определялся из токовой зависимости оптической мощности излучения по формуле где Р — интегральная мощность излучения, / — ток, X — длина волны, е — заряд электрона, h — постоянная Планка, с — скорость света. Пространственное распределение интенсивности излучения светодиодов исследовалось при помощи установки, в которой образец вращался вокруг оси, лежащей в плоскости р—«-перехода. Диаграммы направленности снимались для двух направлений оси вращения: паралльно боковым противоположным граням чипа и под углом 45 к ним. Чипы монтировались на корпусах ТО-18 с плоским столиком. Измерения проводились при комнатной температуре при питании светодиода прямоугольными импульсами тока со скважностью Q = 2 и частотой следования/= 523 Гц. В качестве приемника использовалось неохлаждаемое PbSe-фотосопротивление с площадью фоточувствительной площадки 1 х 4 мм , расположенное на расстоянии 0.05 м от светодиода. слоя светодиодной структуры использовался твердый раствор Gao.79lno.2iAso.i6Sbo.84 (Eg = 0.534 эВ при Т = 300 К) толщиной 2 мкм. Наибольшая эффективность излучательной рекомбинации была получена для светодиодов, в которых активная область не легировалась и концентрация дырок, согласно данным, полученным по результатам измерений эффекта Холла, составляла/? = 3 1018 см"3 при Т = 300 К (р = 4.6 1016 см"3 при Т= 11 К). Эмиттерный слой GaSb легировался теллуром до концентрации электронов п = (1—4) 1018 см"3 при Т = 300 К. Вольт-амперные характеристики (ВАХ) светодиодов при Т= 300 К приведены на рис. 12, а. Напряжение отсечки для прямой ветви ВАХ составляет 0.4 В, а рассчитанное последовательное сопротивление 2.5 Ом. Спектральные характеристики при Т = 300 и 77 К, полученные при питании импульсным током со скважностью Q = 2 (меандр) и частотой/= 512 Гц, представлены на рис. 12, б. Как видно из рис. 12, б, при Г = 300 К спектры излучения состоят из одиночной полосы с длиной волны, соответствующей максимуму интенсивности, X = 2.29 мкм (энергия фотона hv = 0.541 эВ) при токе /= ЮОмА. С увеличением тока до / = 220 мА максимум спектра излучения смещается в длинноволновую область на ДА, - 0.02 мкм. Ширина полосы излучения на половине высоты (FWHM) при этом изменяется от 0.20 до 0.23 мкм. Эти данные говорят о незначительном влиянии разогрева структуры на электролюминесцентные характеристики при протекании питающего тока.
При охлаждении до Т = 11 К максимум спектра излучения смещается на АХ = 0.24 мкм в коротковолновую сторону и длина волны составляет X = 2.05 мкм (/zvO.605 эВ), что соответствует ширине запрещенной зоны активной области Eg(llK) = 0.608эВ. С увеличением тока от 50 до 200 мА положение максимума спектра не меняется. FWHM при токе 200 мА составляет 0.1 мкм. Температурный коэффициент изменения длины волны максимума спектра составляет АХ/AT=1.5 нм/К, что согласуется с температурным коэффициентом 110С в интервале температур 0-120С. Как видно из диаграммы направленности излучения свето диода (рис. 13,а), интенсивность имеет максимумы при углах отклонения от нормали к плоскости лицевой наружной грани 0=0пж = ±31. При средних углах отклонения в плоскости, параллельной боковым граням, интенсивность излучения в максимумах меньше, чем в плоскости, содержащей диагональ эпитаксиального слоя светодиодного чипа. При данной конструкции выход излучения из светодиода происходит как через лицевую грань, так и через боковые грани
Создание лазеров для ИК-диапазона (1.8-2.5) мкм на основе GalnAsSb/GaSb и исследование их свойств
Предварительные замечания. Создание лазеров на основе узкозонных соединений АШВУ , работающих в непрерывном режиме при комнатной температуре, сопряжено с рядом трудностей. Они обусловлены тем, что в таких соединениях существенную роль играет Оже-рекомбинация, имеет место поглощение света на свободных носителях заряда и слабая локализация световой волны из-за близости показателей преломления узкозонных соединений. Анализ литературных данных, проведенный в главе I, показал, что наиболее подходящими полупроводниками для изготовления лазеров, излучающих в диапазоне длин волн 2-5мкм, являются полупроводники А В , позволяющие перекрывать широкий спектральный диапазон (за счет создания твердых растворов) в средней ИК-области спектра. Кроме того, используя твердые растворы AmBv с небольшим рассогласованием относительно подложек, можно расширить рабочий спектральный диапазон оптоэлектронных приборов. Процесс создания лазерных структур рассмотрим на примере двойной гетероструктуры с двухканальным оптическим волноводом (ДГС 2 KB), каналы которого были выполнены из GaSb (толщиной 0,3-1,0 мкм, показатель преломления п=3,79), отделены друг от друга активной средой из GalnAsSb (1 мкм, п=3,76), и ограничены снаружи эмиттерными слоями из GaAlAsSb (толщиной 2.5-3.0 мкм, п=3,6) (рис.24). В двухканальном волноводе амплитуда электромагнитной волны может быть максимальной в каналах и монотонно спадать в разделяющем их активном слое по мере приближения к его середине. Если толщина активного слоя соизмерима или меньше длины волны света в кристалле, то спадание несущественно и амплитуда волны в активном слое будет практически не зависеть от координаты.
Поэтому двухканальный оптический волновод может обеспечить высокий коэффициент связи электромагнитной волны с активной средой. При этом предполагалось, что удовлетворительное ограничение носителей заряда в активной области будет обеспечено гетерограницами GalnAsSb/GaSb (рис. 24(6)). В качестве подложек использовались монокристаллические пластины антимонида галлия, ориентированные в кристаллографической плоскости (100) и (111) с точностью не хуже 10 . Применялись подложки из нелегированного GaSb р-типа с концентрацией дырок «2-Ю17 см 3, а также легированные германием или кремнием до концентрации 5-Ю17-5-Ю18 см"3. Подложки n-типа были легированы теллуром до концентрации 7-Ю - МО18 см 3. з "у Плотность дислокаций в подложках не превышала 5-10 см" . Контактный слой p-GaSb был легирован германием до концентрации (2-5) 1019 см"3. Р-п -переход располагался на гетерогранице волноводного слоя GaSb и активного слоя. В качестве омического контакта к р- и п- областям структуры использовались соответственно сплавы Au + 10%Ge и Аи+5%Те. Оптическое ограничение в обоих каналах осуществлялось за счет скачка показателя преломления на гетерограницах волноводного слоя GaSb с активным слоем структуры и широкозонным слоем на основе GaAlAsSb (рис. 24(e)). Из лазерных чипов были изготовлены лазеры с контактом размером 200x300 мкм. Плоские резонаторы изготавливались скалыванием по плоскостям (ПО). Исследование созданных таким образом лазеров показали, что минимальная пороговая плотность тока, наблюдаемая в этих структурах, близка к пороговой плотности тока GaAlAs/GaAs лазеров и впервые наблюдается для такой длины волны (\=2.06 мкм). Следует отметить, что лазер с двухканальным волноводом имеет необычайно низкую приведенную плотность тока для узкозонных материалов в активной области, для которых характерна более низкая плотность состояний вблизи краев зон и более высокий коэффициент поглощения света на свободных носителях заряда, чем в широкозонных материалах. Кроме того, пороговый ток резко уменьшается с понижением температуры, что не характерно для лазеров с толстой активной областью ( 1 мкм) в этом спектральном диапазоне (например, в работе [27] Т0=80К).
С уменьшением температуры пороговая . плотность тока уменьшается практически экспоненциально Ith exp(T/T0) с характеристической температурой То = ЗЗК. По-видимому, такая низкая пороговая плотность тока обусловлена локализацией равновесных и неравновесных носителей заряда в потенциальных ямах, образованных вблизи гетерограниц GalnAsSb/GaSb, с последующей их излучательной рекомбинацией. Лазерные чипы с шириной контакта менее 60 мкм Исходные пластины с эпитаксиальными слоями, выращенными как описано в 2.1., для изготовления лазеров полосковой геометрии обрабатывались следующим образом. 1. На поверхность пластины центрифугированием наносился фоторезист ФП 383 (1 слой, скорость вращения центрифуги 3000 оборотов/мин) - Методом фотолитографии в слое фоторезиста создавались полосы шириной бОмкм, шаг рисунка - 500мкм. - после этого фоторезист задубливался при 100С, для обеспечения высокой устойчивости к травителю. 2. через окна в фоторезисте гетероструктура протравливалась до подложки в травителе Cr03/HF/H20. В результате травления формировался набор лазерных резонаторов с шириной по верхнему уровню ЗОмкм. -После удаления с поверхности фоторезиста в моноэтаноламине, пластина тщательно обрабатывалась в дистиллированной воде - Методом анодного окисления на поверхности структуры формируется оксид для защиты /?-я-перехода в мезаплощадке и уменьшения поверхностных токов утечки. 3. На поверхности мез в слое оксида фотолитографически создаются полоски шириной Юмкм - На поверхность образца напыляется контактный слой Аи с добавлением легирующей примеси (Zn, Ge), толщиной «4000 А. Температура образца поддерживается равной 180-190С, что необходимо для хорошей адгезии металла к поверхности полупроводника. - 4. Образец с контактом помещается в печь, где при Т=400-425С в потоке водорода образуется эвтектическое соединение металла с полупроводником;
