Содержание к диссертации
страница
ВВЕДЕНИЕ. _ 5
ГЛАВА I. ИСТОЧНИКИ СПОНТАННОГО И КОГЕРЕНТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, ДЛЯ СПЕКТРАЛЬНОГО
ДИАПАЗОНА 3*5мкм(ОБЗОР) 12
Предварительные замечанния 12
1.1. Области применения источников излучения с длиной волны
в диапазоне 3*5 мкм 12
1.2. Полупроводниковые материалы для изготовления излучателей 15
1.3. Светодиоды 18
1.4. Лазеры 31
Общие замечания о лазерах для спектрального диапазона 3*5 мкм 31
-
Лазеры на основе соединений А4Вб 32
-
Лазеры на основе соединений А2В6 35
-
Лазеры на основе соединений А3В5 36
-
Лазеры на основе соединений А3В6/А2В6, А3В5/А4В6 55
1.5. Методики получения полупроводниковых структур А3В5
(обзор технологии роста кристаллов) 55
1.5.1. Жидкофазная эпитаксия 55
1.5.2.Хлоридно-гидриднаяэпитаксия 56
-
Молекулярно-лучевая эпитаксия 57
-
Газофазная эпитаксия из металлоорганических соединений 57
-
Газофазная эпитаксия из металлоорганических
соединений применительно к системе In-As-Sb-P 65
Выводы 74
Постановка задачи 76
ГЛАВАП. ВЫРАЩИВАНИЕ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ
НА ОСНОВЕ АРСЕНИДА ИНДИЯ МЕТОДОМ ГАЗОФАЗНОЙ
/ ЭПИТАКСИИ ИЗ МЕТАЛЛООРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ 77
Предварительные замечания 77
2.1. Технологическое оборудование и материалы для выращивания структур методом газофазной эпитаксии из металлоорганических
соединений. 78
2.2. Выращивание слоев арсенида индия ; 87
2.2.1. Выращивание слоев арсенида индия
в реакторе планетарного типа 87
2.2.1. Выращивание слоев арсенида индия в
изготовленном реакторе горизонтального типа 94
2.3. Выращивание слоев InAsSb 96
2.4. Выращивание слоев InAsSbP 113
2.5. Исследование резкости гетерограниц в многослойных структурах. 120
Выводы. 124
ГЛАВА III. ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ И ГАЛЬВАНОМАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ НА ОСНОВЕ
АРСЕНИДА ИНДИЯ 126
Предварительные замечания 126
3.1. Фотолюминесцентные и гальваномагнитные свойства
преднамеренно нелегированных структур 127
3.1.1. Исследование преднамеренно нелегированных
слоев арсенида индия 127
3.1.2. Фотолюминесцентные свойства преднамеренно
нелегированных слоев InAsSb 134
3.1.3. Фотолюминесцентные и гальваномагнитные свойства
преднамеренно нелегированных слоев InAsSbP 140
3.2. Фотолюминесцентные и гальваномагнитные свойства
структур, легированных цинком и магнием 141
>
Введение к работе
Актуальность темы.
В настоящей диссертации изложены результаты разработки технологии получения методом газофазной эпитаксии из метаплоорганических соединений (МОГФЭ) гетероструктур InAsSMnAsSbP, методы создания светодиодов на их основе и исследования фотолюминесцентных, электрических свойств выращенных структур, а также электролюминесцентные характеристики светодиодов.
Одно из возможных применений содержащих сурьму узкозонных твердых растворов и гетероструктур на их основе - источники спонтанного и когерентного излучения для диапазона длин волн 3 + 5 мкм. Освоение этой области инфракрасного спектра исключительно важно для решения задач экологического мониторинга и медицинской диагностики. В настоящее время для создания источников спонтанного и когерентного излучения в средней инфракрасной области спектра используются как соединения типа А3В5, так и соединения на основе солей свинца (А4В6), и узкозонных твердых растворов HgCdTe (А2В6). Однако, соединения А2В6 и А4В6 обладают низкой теплопроводностью, что делает крайне трудным изготовление светодиодов и лазеров с высокими значениями оптической мощности излучения. Кроме того, по сравнению с соединениями А3В5, материалы А2В6 и А4В6 обладают низкой механической прочностью. Вдобавок, в настоящее время для полупроводников А3В5 существуют подложки высокого качества. По указанным причинам соединения типа А3В5 предпочтительны для производства инфракрасных излучателей.
Для создания светодиодных структур, излучающих в диапазоне длин волн 3+5 мкм, главным образом, используются гетероструктуры InAsSbftnAsSbP [1-3]. Существование обширной области спинодального распада твердых растворов InAsSbP и ограничение по условию молекулярности для состава жидкой фазы в системе In-As-Sb-P [4] затрудняет достижение эффективного ограничения для носителей заряда в активной области -6-излучающих структур, создаваемых методом жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ). Методом МОГФЭ возможно получение слоев InAsSbP как в области существования твердых растворов, так и в области составов, недоступной при кристаллизации методом ЖФЭ, что позволяет увеличить высоту барьеров для носителей заряда в гетероструктуре InAsSbflnAsSbP.
Согласно литературным источникам, значительное количество проведенных исследований было посвящено разработке лазеров на основе структур различных типов, полученных методами МОГФЭ и молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). Применение квантовых ям и сверхрешеток, в сравнении с объемными структурами, позволило существенно улучшить характеристики источников когерентного излучения. Применение квантово-каскадных структур позволило сделать качественный рывок и получить генерацию когерентного излучения в области длин волн А, > 5 мкм [5] при комнатной температуре; однако, такие структуры не позволяют создавать лазеры эффективно работающие в спектральном диапазоне 3*5 мкм при комнатной температуре. Ведутся также работы по созданию лазеров на основе структур с квантовыми точками [6]. Для практических приложений необходима устойчивая работа источника излучения при комнатной температуре. Лазерные диоды в диапазоне длин волн 3*5 мкм работают устойчиво только при криогенных температурах (температуры жидких гелия и азота). По сравнению с лазерами светодиоды работают надежно вплоть до 180 С [7] и менее чувствительны к колебаниям температуры. Исследованию светодиодов уделялось внимание значительно меньше. Обнаружено незначительное количество работ, посвященных выращиванию методами МЛЭ светодиодных структур, излучающих в указанном диапазоне. Еще реже для этой цели применялся метод МОГФЭ [8]. Данная работа посвящена проблеме создания светодиодов на основе узкозонных гетероструктур InAsSWInAsSbP, выращенных методом МОГФЭ, для спектрального диапазона 3.3 *4.5 мкм.
Целью данной работы являлась разработка технологии эпитаксиального синтеза узкозонных полупроводниковых гетероструктур InAsSb/InAsSbP методом МОГФЭ и создание на их основе светодиодов, работающих в диапазоне длин волн 3.3 *4.5 мкм при комнатной температуре.
Для достижения намеченной цели решались следующие промежуточные задачи: создание технологического оборудования для выращивания гетероструктур InAsSb/InAsSbP из газовой фазы с использованием металлоорганических соединений триметилиндия, триметилстибина, диэтилцинка и бисциклопентадиенил магния и гидридных газов арсина и фосфина; разработка технологии выращивания бинарного соединения InAs, тройных (InAsSb), и четверных (InAsSbP) твердых растворов и исследование их свойств в зависимости от условий выращивания; - разработка методики легирования акцепторными примесями (цинком и магнием) слоев InAs, InAsSbP и создание р-п-перехода в эпитаксиальных структурах; исследование фотолюминесцентных и электрических свойств эпитаксиальных слоев InAs, InAsSb, InAsSbP и гетероструктур на их основе; - разработка постростовой технологии изготовления светодиодных и лазерных чипов (фотолитографический процесс, изготовление омических контактов); исследование электролюминесцентных свойсв и ватт-амперных характеристик светодиодов, изготовленных на основе гомоструктур и гетероструктур; исследование когерентной люминесценции в светодиодных гетероструктурах.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. На основе модели регулярных растворов проведены комплексные термодинамические расчеты элементного состава твердого раствора InAsi_xSbx в зависимости от соотношения компонентов в газовой фазе и температуры роста. Проведено сравнение расчетов с экспериментальными данными при температуре роста 600 С и при более низких температурах (в интервале 540 < Т < 600 С) в условиях неполного разложения арсина.
Методом МОГФЭ получены слои InAsi_x_ySbxPy как в области существования твердых растворов, так и в области составов, недоступной при кристаллизации в условиях, близких к равновесным. Разработана технология легирования слоев InAsi_x_ySbxPy акцепторными примесями (цинком и магнием). Измерены спектры фотолюминесценции преднамеренно нелегированных и легированных акцепторными примесями слоев InAsi_x_ySbxPy, и проведен их рентгено-структурный анализ.
Впервые исследовано легирование магнием слоев InAs и InAsSbP методом МОГФЭ и проведено комплексное исследование их гальваномагнитных свойств.
Разработана методика создания р-п-перехода методом МОГФЭ в узкозонных гетероструктурах InAsSbAnAsSbP.
Впервые на основе узкозонных гетероструктур InAsSb/InAsSbP с барьерными слоями InAsSbP, выращенными в области составов, недоступной для метода ЖФЭ, изготовлены светодиодные структуры, перекрывающие спектральный диапазон 3.3 *4.5 мкм.
Научная и практическая значимость работы заключается в следующем:
Разработана методика выращивания методом МОГФЭ гетероструктур InAsSbAnAsSbP, включая область составов, недоступную при кристаллизации в условиях, близких к равновесным.
Разработана технология легирования магнием методом МОГФЭ слоев InAs и InAsSbP и проведено комплексное исследование электрических свойств выращенных слоев.
Разработана постростовая технология изготовления светодиодных чипов, включающая в себя процесс стандартной фотолитографии, вакуумное напыление омических контактов, и сборку чипов на стандартном корпусе ТО -18.
На основе узкозонных гетероструктур InAsSb/InAsSbP с барьерными слоями InAsSbP, выращенными в области составов, недоступной для метода ЖФЭ, изготовлены светодиодные структуры, перекрывающие спектральный диапазон 3.3*4.5 мкм. Были достигнуты следующие значения оптической мощности излучения светодиодов с плоской геометрией в импульсном режиме при токе 1.3 А: 1.2 мВт (Х,= 3.45 мкм), 0.6 мВт (А, = 3.95 мкм), 0.3 мВт (А, = 4.25 мкм), 0.1 мВт (X = 4.5 мкм).
На основе светодиодной гетероструктуры InAs#nAsSbP создан источник когерентного излучения с длиной волны Л,= 3.0ч-3.1 мкм при Т = 77 К, работающий в импульсном режиме.
Научные положения, выносимые на защиту.
I. Термодинамические расчеты, выполненные на основе модели регулярных растворов, позволяют предсказывать состав твердых растворов InAsi_xSbx, полученных методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений с использованием триметилиндия, арсина, триметилстибина при температурах роста, близких к 600 С. Расхождение между экспериментальными и расчетными значениями мольной доли сурьмы в твердых растворах InAsi.xSbx не превышает величину 0.02. С понижением температуры роста необходимо вводить поправки, учитывающие неполное разложение арсина на отдельные компоненты.
П. Слои InAs^x.ySbxPy кристаллизуются как в области существования твердых растворов (0<у<0.39), так и в области составов, недоступной при выращивании в условиях, близких к равновесным (0.39<у ^0.5), за счет неравновесного характера процессов кристаллизации методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений.
III. При слабом уровне легирования магнием (количество вводимого Mg ~ 0.068 мкмоль/мин) во время роста методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений кристаллизуются слои InAs п-типа проводимости с большей подвижностью за счет связывания нейтральных примесей магнием. При увеличении концентрации магния в газовом потоке (от 0.068 до 3.223 мкмоль/мин) кристаллизуются сильно компенсированные слои InAs (степень компенсации варьируется от 0.2 до 0.66) с предельной концентрацией дырок р ~ 2«1018 см"3 и с низкой подвижностью носителей заряда (д. ~ 50 см2/^ -с) при Т = 300 К).
IV. Квантовая эффективность излучательной рекомбинации в светодиодах с плоской геометрией, изготовленных на основе двойной гетероструктуры InAsSb/InAsSbP с эмиттерными слоями, выращенными в области составов, недоступной при кристаллизации в условиях, близких к равновесным (InAs0.27Sb0.23Po.5 - при комнатной температуре Eg = 640 мэВ), увеличивается в 2.5 раза по сравнению с диодами, содержащими предельный для жидкофазной эпитаксии элементный состав барьерных слоев (Eg = 565 мэВ).
Апробация работы.
Материалы диссертационной работы Кижаева С.С. были представлены как на отечественных, так и международных конференциях: 1-я Городская студенческая научная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой наноэлектронике (Санкт-Петербург, 1997); Mid-infrared Optoelectronics Materials and Devices Second International Conference (Prague, Czech Republic, 1998); II Городская научная конференция студентов и аспирантов по физике полупроводников и полупроводниковой наноэлектронике (Санкт-Петербург, 1998); Mid-infrared Optoelectronics Materials and Devices Fourth International Conference (Montpellier, France, 2001); 11th International Conference on Metalorganic Vapor Phase Epitaxy (Berlin, Germany, 2002), а также на научных семинарах лаборатории инфракрасной оптоэлектроники ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН.
Публикации.
Основное содержание диссертационной работы представлено в 16 печатных работах, из них 11 научных статей и 5 работ в материалах конференций, список которых приведен в конце данной работы.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем диссертации составляет 260 страниц, из них 150 страниц текста, 70 страниц с рисунками и П таблиц. Список цитируемой литературы включает в себя 228 наименований и занимает 29 страниц.
Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, обозначена ее цель, изложены основные результаты исследований, сформулированы представляемые к защите научные положения.
В первой главе приведен краткий обзор достижений в области создания источников спонтанного и когерентного излучения для диапазона длин волн 3-5-5 мкм, а также рассмотрены методы выращивания полупроводниковых кристаллов.
Вторая глава посвящена технологии получения слоев InAs, InAsSb, InAsSbP и гетероструктур на их основе методом МОГФЭ.
В третьей главе рассмотрены фотолюминесцентные и гальваномагнитные свойства твердых растворов на основе арсенида индия.
Четвертая глава посвящена источникам спонтанного излучения для спектрального диапазона 3.3*4.5 мкм, изготовленным на основе выращенных структур.
В заключении изложены основные результаты диссертационной работы.
Каждая глава начинается с предварительных замечаний и заканчивается выводами. Формулы, рисунки и таблицы имеют тройную нумерацию. Первая цифра (римская) указывает номер главы, вторая - номер параграфа, третья -номер формулы, рисунка или таблицы в данном параграфе. Ссылки на литературные источники приводятся в хронологическом порядке.
Диссертационная работа выполнена в лаборатории инфракрасной оптоэлектроники Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН.
