Из-за различия в ширине запрещенных зон контактирующих материалов гетеропереходы в отличие от гомопереходов обладают рядом уникальных свойств, в частности — односторонняя инжекция, сверх-инжекция, эффект «широкозонного окна», что способствует их применению в различного рода оптоэлектронных приборахИзвестно, что эффективная работа гетероперехода требует низкую плотность состояний на гетерогранице, что в свою очередь требует согласования постоянных решеток между контактирующими материалами на гетерогранице • Применение «идеальных» гетеропереходов Ай ба-ц^^АЗпозволило резко снизить пороговые токи и реализовать непрерывный режим генерации полупроводникового лазера при комнатной температуре [68А1, 70А1] • Однако" за исключением гетероструктур ва^А^^ -0-аАз при выращивании тройных твердых растворов на основе сое дине-вий А3В5 на соответствующих бинарны, подшш* возникают серьезные проблемы, связанные с несовпадением постоянных решеток слоя и подложки, Требование создания «идеальных» гетероструктур для новых, практически любых длин волн, стимулировало поиск новых материалов. Использование принципа изопериодического замещения, предложенного в [71А1], показало направление решения указанной задачи. Добавление четвертого компонента в твердый раствор позволяет изменять, в частности, ширину его запрещенной зоны, сохраняя неизменной постоянную решетки, которая обычно равна постоянной решетки бинарной подложки, на которой выращивают эти твердые растворы. Среди множества известных и исследуемых в настоящее время многокомпонентных твердых растворов значительное внимание уделяется изопериоди-ческим гетероструктурам поскольку светоизлучающие и фотоприемные приборы на их основе с успехом могут быть применимы в системах волоконных оптических линиях связи. Первые сообщения, посвященные созданию на этих гетероструктурах фотоприемников и лазеров, относятся к 1973;1974 г. г. [74Б1]. С этого времени число публикаций, касающихся технологии получения и исследования свойств твердых растворов ахАь хуРу и приборов на их основе, стало лавинообразно возрастать.
Основной метод получения эффективных излучателей на гетероструктурах в настоящее время — жидкофазовая эпитаксия. Этим объясняется интерес к исследованию фазовых равновесий системы 1п-(«а-Аз-Р. Однако в литературе существует значительное расхождение экспериментальных и расчетных данных по фазовым равновесиям в области низких температур — 600−650°С — типичных для проведения эпитакси-ального процесса. Отсутствует или имеется крайне ограниченная информация о зависимости различия коэффициентов термического расширения твердых растворов ^^Фа^^уРу и 1пР-подложки от состава в широком температурном диапазоне, о влиянии технологии получения на люминесцентные свойства гетероструктур — 1пР, в частности — на величину внутреннего квантового выхода люминесценции в материале активной области гетероструктур, о связи внутреннего квантового выхода с пороговыми токами гетеролазеров. Стремление улучшить параметры гетеролазеров приводит к усложнению процесса их получения. В ряде случаев требуется проведение двух процессов жидкофазовой эпитаксии в сочетании с фотолитографическим процессом между ними, В литературе практически отсутствуют сведения о высокопроизводительной гибридной технологии — сочетании разных методов получения гетероструктур для изготовления низкопороговых полупроводниковых лазеров. Поэтому решение этих и ряда других задач, полученных в данной работе, позволяет считать её актуальной как с научной, так и с пратической точек зрения.
Основной целью работы являлась разработка и исследование свойств гетероструктур Зл^в^Аз-^уРуДпР для получения низкопороговых лазеров с широким контактом и лазеров полосковых конструкций непрерывного действия при комнатной температуре, излучающих на длине волны 1,3 мкм и пригодных для использования в системах волоконно-оптической связи.
Достижение поставленной цели распадалось на решение следующих основных задач:
1. Исследование фазовой диаграммы системы 1п-0а-А2-Р, отработка технологии получения твердых растворов Зл^^ба^ 1уРу"изо-периодических с 1пР, и гетероструктур на их основе;
2. Исследование свойств твердых растворов Хп-^ба^-^уРу и излучательных характеристик гетеролазеров;
3. Разработка методики получения полосковых гетеролазеров сочетанием жидкофазовой и газофазовой эпитаксий.
Диссертационная работа состоит из пяти глав.
В первой главе приведен литературный обзор методов получения твердых растворов 1п-^Оа^-Аз 1уРу и гетеролазеров на их основе. Рассмотрены особенности расчета фазовых диаграмм в многокомпонентных системах. Приводятся данные по электрофизическим свойствам твердых растворов и характеристикам излучающих приборов.
Во второй главе описываются разработанные экспериментально методики получения эпитаксиалъных слоев 1пР и твердых растворов яВДкофазовой и газофазовой эпитаксией. Рассматривается сочетание обоих типов эпитаксий для получения гетеролазеров полосковой конструкции. Описываются методики измерений ряда свойств и параметров твердых растворов 1п2×0-ахАз 1у? у и гетеролазеров на их основе.
В третьей главе приведены расчетные и экспериментальные данные по фазовым равновесиям в системе 1п-?а-Аг-Р на основе теории простых растворов в квазирегулярном приближении для жидкой и твердой фаз. Экспериментально определено различие коэффициентов термического расширения слоя и подложки в исследуемых гетероструктурах. Описаны особенности процесса заращивания мезаполосковой гетеро-структуры, используя эпитаксию из газовой фазы.
В четвертой главе рассматриваются люминесцентные свойства ге-теролазерных структур. Исследовано влияние расположения р-п-пере-хода и гетерограницы, а также влияние безызлучательной рекомбинации на люминесцентные свойства и характерстики лазерных диодов.
В пятой главе описаны основные характеристики полученных ге-теролазеров — как с широким контактом, так и полосковой геометрии.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. На основе термодинамического анализа фазовых равновесий в системе In-Ga-As-P показано, что удовлетворительное согласие расчета и эксперимента получается при использовании теории простых растворов в квазирегулярном приближении для жидкой и твердой фаз. Установлены составы жидкой фазы, которым соответствуют твердые растворы In-^Ga^s 1-у^у' изопеРи°Дические с 1пР, во всем диапазоне составов. Использование уточненных параметров взаимодействия в жидкой и твердой фазах позволило получить удовлетворительное согласие между расчетом и экспериментом.
2. Учет кинетических явлений при жидкофазовой эпитаксии, основанный на представлении о диффузионном массопереносе в жидкой и твердой фазах, дает лучшее согласие расчета и эксперимента по сравнению с расчетом, основанном только на представлениях равновесной термодинамики.
3. Различие КТР твердых растворов InjxG a^s iyPy и подложки InP (Act) в диапазоне температур 300 — 920 К описывается квадратичной функцией состава АсС= (1,346у — 0,2673т2) град" *.
4. Для устранения в лазерных двойных гетероструктурах (ДГС) 1П|х (>ахА5|уРу/111Р переходных слоев, которые оказывают существенное влияние на люминесцентные свойства получаемых лазеров, необходимо использовать кассеты поршневого типа, вместо кассет сдвигового типа.
5″ Величина внутреннего квантового выхода излучательной рекомбинации в материале активной области лазерных ДГС 1^х0ахАз 1уРу/ 1пР оказывает определяющее влияние на пороговую плотность тока лазеров при комнатной температуре. Показано влияние технологии изготовления ДГС на процессы излучательной и безызлучательной рекомбинации.
6. Разработана гибридная технология изготовления зарощенных полосковых лазеров непрерывного действия при комнатной температуре, включающая формирование гетеролазерной структуры методом жид-кофазовой эпитаксии (ЖФЭ), вытравливание мезаполосок и планарное заращивание вскрытых участков подложки слоем 1пР методом газофазовой эпитаксии (ГФЭ).
7. Показана принципиальная возможность получения зарощенных полосковых гетероструктур 1п ^ба^-Ав2уРу/1пР гибридной технологией с шириной полоска I мкм и менее.
8. Для достижения непрерывного режима генерации при комнатной температуре разработаны полосковые лазеры с К =1,3 мкм различных конструкций: — имплантационные лазеры с пороговыми токами 60−100 мА и дифференциальной квантовой эффективностью ^ до 60 $ через обе резонаторные грани- - лазеры, полученные гибридной технологией: а) ЖФЭ + ГФЭ (хлорид-гидридный метод) 1ПОр=150 мА, = 14 $, б) ЖФЭ + ГФЭ (хлоридный метод) 1пор= 100−120 мА, 18 $, в) ЖФЭ + ГФЭ (из металлоорганических соединений) 1ПОр=30 мА, ^(?=24 $.
Наблюдалась линейность ватт-амперной характеристики и одно-модовый режим генерации до токов I = 3*1ПОр.
Работа выполнена в лаборатории контактных явлений в полупроводниках Ордена Ленина Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе АН СССР.
Основные результаты диссертационной работы следующие:
1. Проведен термодинамический анализ фазовых равновесий системы 1п-&а-АБ-Р. Показано, что, используя систему взаимосогласованных термодинамических параметров и модель простых растворов в квазирегулярном приближении, можно добиться удовлетворительного согласия расчетных и экспериментальных данных при температурах роста 650 °C. Определены составы жидкой фазы, которым соответствует ТР 1п&аАзР, изопериодический с 1пР, во всем диапазоне составов.
2. Учет кинетических явлений при ЖФЭ дает лучшее согласие расчета и эксперимента по сравнению с расчетом, основанном только на представлениях равновесной термодинамики.
3. Определено различие КТР ТР 1пСаАзР и 1пР подложки во всем диапазоне составов в температурном интервале 77−920 К. Показано, что в интервале температур 300−920 К различие КТР описывается выражением ЛЖ=(1,346у — 0,267у^)"10~^град~*, где у — мольная доля мышьяка в ТР 1п6аА? Р.
4. Разработана методика изготовления лазерных ДГС 1п0аА&Р/1пР методом ЖФЭ с использованием кассет как сдвигового, так и поршневого типов. Показано, что кассеты поршневого типа позволяют избавиться от неконтролируемого перетаскивания расплавов и, как следствие, от возникновения переходных слоев, которые, как правило, присутствуют в гетероструктурах, полученных в кассетах сдвигового типа, и сильно влияют на пороговые токи лазеров.
5. Показано, что в зависимости от технологических условий выращивания уменьшение внешнего квантового выхода в ДГС 1пСаА&Р/1пР может быть обусловлено либо смещением р-п-перехода в один из 1пР-эмиттеров, либо безызлучательной рекомбинацией в их активной области.
6. Показано, что величина fyl в материале активной области ДГС InG-aAsP/InP, зависящая от технологических режимов выращивания гетероструктуры, оказывает определяющее влияние при 300 К на значения пороговых токов генерации.
7. Разработана гибридная технология получения зарощенных ме-заполосковых лазеров, включающая формирование гетеролазерной структуры методом ЖФЭ, вытравливание мезаполосок и планарное зара-щивание ГФЭ вскрытых участков подложки высокоомным слоем 1пР.
8. Показана принципиальная возможность получения зарощенных мезаполосковых гетероструктур InSaAsP/InP гибридной технологией с шириной полоска I мкм и менее.
9. Для достижения непрерывного режима генерации при комнатной температуре разработаны полосковые лазеры с Я = 1,3 мкм различных конструкций:
— имплантационные лазеры с 1ПОр = 60−100 мА и до 60 $ через обе резонаторные грани (впервые в СССР в таких лазерах получен непрерывный режим генерации при 300 К),.
— лазеры, полученные гибридной технологией: а) ЖФЭ + ГФЭ (хлорид-гидридный метод) 1ПОр = 150 мА, 14 $, б) ЖФЭ + ГФЭ (хлоридный метод) 1пор = 100−120 мА, ^ = 18 $, в) ЖФЭ + ГФЭ из металлоорганических соединений 1ПОр = 30 мА,.
24 $.
Наблюдалась линейность ватт-амперной характеристики и одно-модовый режим генерации до токов1=3*1ЦОр.
В заключение приношу, глубокую благодарность академику Ж. И. Алферову за постоянное внимание и интерес к работе, моим научным руководителям А. Т. Гореленку и В. И. Королькову за помощь и постоянное внимание к работе.
Я искренне благодарен своим коллегам П. П. Москвину, В. С. Сорокину, И. С. Тарасову, Д. З. Гарбузову, В. ПЛалому, М. К. Трукану, Н. А. Берту, С. Г. Конникову, В. Е. Уманскому, Н. Д. Ильинской, И. А. Мокиной, В. Н. Мдивани, И. Н. Цыпленкову, А. И. Иванютину, В. В. Мамутину, К. А. Гацоеву, В. Г. Груздову, А. Овчинникову, В. К. Тибилову, Б. В. Цушному за творческую атмосферу и плодотворные дискуссии, а также всему коллективу сотрудников лаборатории контактных явлений в полупроводниках, деловая атмосфера которого благотворно влияла на автора. Я благодарен также В. И. Ильиной и Р. В. Золотаревой за большую помощь, оказанную при оформлении результатов работы.
ОСНОВНЫЕ МАТЕРИМЫ ДИССЕРТАЩИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:
1. Ж. И. Алферов, А. Т. Гореленок, В. И. Колышкин, П. С. Копьев, И. С. Тарасов, В. Н. Мдивани, В. К. Тибилов, A.C.Усиков. «Инжекционные гетеролазеры в системе In? aAsP/InP с длиной волны излучения.
1,3 — 1,5 мкм". Письма в ЖТФ, 1978 г., т.4, вып.22, стр. 1329 -1333.
2. А. Т. Гореленок, И. С. Тарасов, A.C.Усиков. «Обнаружение поляризации электролюминесценции JL = 1,3 мкм в гетероструктурах, InGaA-SP/InP, обусловленной внутренней деформацией». Письма в ЖТФ, 1981 г., т.7, вып.8, стр. 452 — 456.
3. Н. А. Берт, А. Т. Гореленок, С. Г .Конников, В. Е. Уманский,.
A.С.Усиков. «Экспериментальное определение различия коэффициентов термического расширения в гетероструктурах Inj^Ga^sjyPy jjjp».
ЖТФ, 1981 г., т. ZV, стр. 1018 — 1020.
4. Д. З. Гарбузов, А. Т. Гореленок, М. К. Трукан, А. С. Усиков,.
B.П.Чалый. «Эффективность и кинетика электролюминесценции двойных InGaAjsP — гетероструктур». ФТП, 1981 г., т.15, стр. 504 — 511.
5. Д. З. Гарбузов, А. Т. Гореленок, В. П. Чалый, А. С. Усиков. «Влияние безызлучательной рекомбинации на лазерные характеристики InGaAsP — гетероструктур». ФТП, 1981 г., т.15, стр. 902 — 906.
6. А. Т. Гореленок, В. Н. Мдивани, П. П. Москвин, В. С. Сорокин, А. С. Усиков. «Исследование фазовых равновесий в системе In-Ga-AS-P», ЖФХ, 1982 г., t.Z.W, вып. 10, стр. 2416 — 2421.
7. A.T.Gorelenok, V.U.Mdivani, P.P.Moskvin, V.S.Sorokon, A.S.Usikov «Phase equilibria in the In-Ga-As-P system», J.Cryst. Growth, 1982, v.60, p.355.
8. Н. А. Берт, А. Т. Гореленок, А. Г. Дзигасов, С. Г. Конников,.
Б.Н.Мдивани, И. С. Тарасов, А. С. Усиков. «Определение упругих напряжений и величин несоответствия параметров решеток в гетерострук-турах InGaAsP/InP по поляризации люминесценции». ФТП, 1982 г., т.16, вып.1, стр. 60 — 68.
9. Ж. И. Алферов, М. Г. Васильев, Е. В. Голикова, А. Т. Гореленок, Л. А. Иванютин, Н. Д. Ильинская, Г. А. Синицина, И. С. Тарасов, А. С. Усиков, И. Н. Цыпленков, В. И. Швейкин. «Полосковые зарощенные гетеролазеры непрерывного действия на основе InGaAsP/InP, полученные комбинацией жидкофазовой и газофазовой эпитаксий». Письма в ЖТФ, 1982 г., т.8, вып. II, стр. 680 — 684.
10. А. Т. Гореленок, П. П. Москвин, В, С. Сорокин, А. С. Усиков. «Особенности получения гетероструктур InGaAsP/InP с учетом кинетических эффектов». Тезисы докладов Ш Всесоюзной конференции по физическим процессам в полупроводниковых гетероструктурах, 1982 г., т. III, стр. 4−6, г. Одесса.
11. Ж. И. Алферов, М. Г. Васильев, А. Т. Гореленок, В. Г. Груздов, Л. А. Иванютин, Н. Д. Ильинская, И. С. Тарасов, А. С .Усиков, И. Н. Цыпленков, А. А. Шелякин. «Полосковые зарощенные гетеролазеры на основе InGaAsP/InP X = I, 3 — 1,5 мкм, полученные гибридной технологией». Тезисы докладов III Всесоюзной конференции по физическим процессам в полупроводниковых гетероструктурах", 1982 г., т. II, стр.
26 — 28.
12. М. Г. Васильев, А. А. Гвоздев, А. Т. Гореленок, Ю. В. Гуляев, В. Ф. Дворянкин, В. П. Дураев, П. Г. Елисеев, В. В. Кожин, Е. Т. Неделин, Г. А. Синицина, И. С. Тарасов, А. А. Телегин, А. С. Усиков, В. И. Швейкин, А. А. Шелякин. «Низкопороговые полосковые зарощенные гетеролазеры на основе InGaAsP/InP Я = 1,3 мкм, полученные гибридной технологией». ЖТФ, 1983 г., т.7, стр. 1431 — 1414.
— №.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
'.
