Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Гетеропереходы II типа в системе GaSb-InAs. Светодиоды и фотодиоды для среднего ИК диапазона на их основе 11
Глава 2. Методика эксперимента 49
2.1. Предварительные замечания 49
2.2. Выбор гетероструктур для создания светодиодов и фотоприемников в средней ИК области 50
2.3. Выбор конструкции светодиодов и фотодиодов для средней ИК области 54
Глава 3. Мощные светодиоды для спектрального диапазона 1.6-2.4 мкм на основе гетеропереходов II типа в системе GaSb/GalnAsSb (Xi„<28%) 66
Глава 4. Новый подход к созданию высокоэффективных светодиодов для спектрального диапазона 3.4-4.4 мкм на основе твердых растворов InGaAsSb (Xi„>80%), изопериодных к подложке GaSb 108
Глава 5. Создание и исследование фотодиодов для спектрального диапазона 1.5-4.8 мкм, на основе разъединенных гетеропереходов в системе GaSbflnGaAsSb, работающих при комнатной температуре 133
Приложение. Применение светодиодов и фотодиодов спектрального диапазона 1.6-4.8 мкм для газоанализа и медицинской диагностики
Заключение 158
Список литературы 164
- Гетеропереходы II типа в системе GaSb-InAs. Светодиоды и фотодиоды для среднего ИК диапазона на их основе
- Выбор гетероструктур для создания светодиодов и фотоприемников в средней ИК области
- Мощные светодиоды для спектрального диапазона 1.6-2.4 мкм на основе гетеропереходов II типа в системе GaSb/GalnAsSb (Xi„<28%)
- Новый подход к созданию высокоэффективных светодиодов для спектрального диапазона 3.4-4.4 мкм на основе твердых растворов InGaAsSb (Xi„>80%), изопериодных к подложке GaSb
Введение к работе
Актуальность создания высокоэффективных светодиодов и фотодиодов для
спектрального диапазона 1.6-5.0 мкм
Известно, что характеристические полосы поглощения целого ряда важных химических соединений лежат в средней ИК области спектра. Среди них вода и ее пары (1.94 мкм, 2.75-2.85 мкм), метан (1.65 мкм, 2.3 мкм, 3.3 мкм), двуокись углерода (2.65 мкм, 4.27 мкм), окись углерода (2.34 мкм, 4.67 мкм), ацетон (3.4 мкм), аммоний (2.25 мкм, 2.94 мкм), окислы азота (4.08-4.44 мкм) и многие другие неорганические и органические вещества. Сенсоры природного газа (метана), концентрации двуокиси углерода, окиси углерода и других загрязнителей нужны практически в каждом доме, каждом помещении.
Новым перспективным направлением использования оптических сенсоров является создание приборов неинвазивной (бесконтактной) медицинской диагностики. В них, как правило, используется линейка источников, излучающих на разных длинах волн в инфракрасной области.
На данный момент существует быстроразвивающийся рынок оптических газоанализаторов, в которых используются тепловые источники инфракрасного излучения. Из широкого спектра излучения черного тела с помощью оптических фильтров вырезается нужный спектральный диапазон. Несмотря на определенный прогресс в развитии химических и адсорбционных газовых сенсоров, оптические сенсоры обладают бесспорными преимуществами, такими как высокая селективность, устойчивость к агрессивной внешней среде, высоким быстродействием.
Создание достаточно эффективных светодиодов, перекрывающих диапазон 1.6-5.0 мкм дает ряд бесспорных преимуществ создателям оптических газоанализаторов. Светодиоды обладают на три порядка более высоким быстродействием, миниатюрными размерами, низкой потребляемой электрической мощностью, простотой конструкции (не нужны фильтры и вакуум вокруг проволочки), обладают существенно большим временем жизни, при массовом производстве их себестоимость ниже.
Последние десятилетия в ФТИ им. А.Ф. Иоффе активно исследовались четверные твердые растворы в системе GaSb-InAs, выращиваемые на подложках GaSb или InAs, с целью создания излучателей и приемников ИК излучения для диапазона 1.6-5.0 мкм. Подобные исследования проводятся так же в Ланкастерском Университете, Англия, Университете в Монпелье, Франция, центральной исследовательской лаборатории фирмы Хамаматсу, Япония и в ряде других научных групп. Но разработанные до сих пор
-6-светодиоды данного спектрального диапазона обладали рядом недостатков, затрудняющих их использование в системах газоанализа и медицинской диагностики.
Целью данной диссертационной работы Целью данной диссертационной работы являлось исследование люминесцентных свойств гетероструктур П типа в4 системе GalnAsSb/GaSb и создание на их основе светодиодов с улучшенными мощностными и спектральными характеристиками и высокоэффективных фотодиодов, работающих при комнатной температуре в спектральном диапазоне 1.6+4.8 мкм.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- создание и исследование широкого класса высокоэффективных светодиодных
гетероструктур П типа для спектрального диапазона 1.6+2.4 мкм с четверным твердым
раствором GalnAsSb (0<Хы<0.28) в активной области;
разработка светодиодных тиристорных гетероструктур для спектрального диапазона 1.6+2.4 мкм с целью преодоления утечки дырок через гетеропереход II типа;
- применение нового подхода к созданию длинноволновых (3+4 мкм) светодиодных
гетероструктур, выращенных на подложке GaSb, с использованием узкозонных четверных
твердых растворов InGaAsSb (Хы>70%) в качестве активной области и широкозонных
твердых растворов AlGaAsSb для ограничения носителей заряда.
- исследование электрических и фотоэлектрических свойств разъединенных
гетероструктур GaSb/InGaAsSb/GaSb и создание на их основе фотодиодов с диапазоном
чувствительности 2.0+4.8 мкм, работающих при комнатной температуре.
Научная новизна:
Исследованы электролюминесцентные характеристики, а так же их температурные зависимости (-20С<Т<80С) для светодиодных гетероструктур П типа с четверным твердым раствором GabiAsSb (0
Созданы и исследованы светодиодные тиристорные гетероструктуры n-GaSb/ P-GaSb/n-InGaAsSb/P-AlGaAsSb, в которых достигнуто увеличение квантового выхода за счет эффективного удержания дырок в области гетерограницы П типа p-GaSb/n-GalnAsSb.
3) Созданы длинноволновые (3.6+4.4 мкм) многослойные светодиодные гетероструктуры GaSb/AlGaAsSb/InGaAsSb/AlGaAsSb nNnP и pPnN типа, в которых узкозонный активный слой зажат между двумя широкозонными слоями AlGaAsSb, а так же структуры GaSb/AlGaAsSb/GaSb/InGaAsSb/GaSb/AlGaAsSb nNnnpP и pPpnnN типа, с разъединенными гетеропереходами GaSb/InGaAsSb с двух сторон активной области.
-7-Обнаружены и исследованы два канала излучательной рекомбинации в этих структурах при Т=300 К с энергиями переходов 0.295 эВ (межзонный) и 0.331 эВ (интерфейсный).
4) Предложен новый подход к созданию длинноволновых фотодиодных гетероструктур на основе разъединенных гетеропереходов П типа GaSb/InGaAsSb (0.03<Хса<0.12) с диапазоном чувствительности при комнатной температуре 2.0^-4.8 мкм. Исследованы их электрические и фотоэлектрические характеристики. На основе анализа результатов выбрана оптимальная фотодиодная конструкция P-GaSb/p-InGaAsSb/ n-InGaAsSb/P-GaSb.
Практическая ценность работы:
1) Созданы высокоэффективные светодиодные гетероструктуры, излучающие на
восьми разных длинах волн в спектральном диапазоне 1.6-5-2.4 мкм. Достигнуты значения
средней оптической мощности до 3.5 мВт и пиковой оптической мощности до 180 мВт.
Впервые созданы светодиоды, излучающих на длинах волн 3.75 мкм и 4.2 мкм на основе изопериодных к подложке GaSb твердых растворов InGaAsSb (Хь,>80%). Пиковая оптическая мощность светодиодов с максимумом излучения в районе 3.75 мкм достигала 2.8 мВт.
Созданы фотодиоды для спектрального диапазона 1.5-^-4.8 мкм, работающие при комнатной температуре, на основе разъединенных гетеропереходов П типа GaSb/InGaAsSb. Обнаружительная способность при Т=77К достигала D3.8*=4.4*1010cm.Hz'1/2/W, а при Т=300 К D4.7*=4.1*108cm.Hz-1/2/W. Данное значение увеличивается до D4.5*=2*109cm.Hz'1/2/W, при использовании термоэлектрического охлаждения.
Разработана конструкция светодиодов и фотодиодов с встроенным миниатюрным термохолодильником и термосенсором, которая позволяет улучшить существенно параметры приборов, за счет охлаждения структуры, а так же стабилизировать параметры при неглубоком охлаждении, что очень важно с учетом применений светодиодов и фотодиодов в приборах экологического мониторинга и медицинской диагностики. Были так же созданы светодиодные многоцветные матрицы, позволяющие сканировать определенный спектральный диапазон.
На защиту выносятся следующие научные положения: 1. В источниках спонтанного излучения на основе изопериодных гетероструктур с четверным твердым раствором GabiAsSb (0<Хьі<0.20) в активной области и двухсторонним AlGaAsSb (Хді=0.64) широкозонным ограничением носителей заряда в квази-непрерывном режиме получены значения внутреннего квантового выхода в диапазоне 40-60% за счет
-8-эффективного удержания носителей при высоких уровнях инжекции. В импульсном режиме достигнуто значение пиковой оптической мощности 180 мВт. Главным фактором, ограничивающим квантовый выход, является утечка дырок через гетеропереход П типа.
Светодиодная гетероструктура тиристорного типа n-GaSb/p-GaSb/ n-GalnAsSb/p-AlGaAsSb обеспечивает эффективную локализацию дырок и электронов с двух сторон гетерограницы П типа p-GaSb/n-GalnAsSb, что создает оптимальные условия для излучательной рекомбинации и увеличивает предельно достижимую оптическую мощность почти в два раза по сравнению с аналогичной гетероструктурой диодного типа.
В длинноволновых светодиодах на основе симметричных изопериодных гетероструктур GaSb/AlGaAsSb/InGaAsSb/AlGaAsSb (nNnP и pPnN типа проводимости) с содержанием галлия в активной области 0.03<Хоа<0.15 при низких уровнях инжекции наблюдаются межзонные излучательные рекомбинационные переходы с энергией фотонов hv=0.295 эВ (к=4.2 мкм), а при увеличении уровня инжекции часть инжектированных ^дырок локализуется вблизи потенциальной ямы для электронов на гетерогранице N-AlGaAsSb/n-InGaAsSb и излучательно рекомбинирует с энергией hv=0.331 эВ, (к=3.75 мкм), соответствующей переходу электронов с уровня Ферми в потенциальной яме на потолок валентной зоны.
На основе разъединенных гетероструктур П типа P-GaSb/ p-InGao.o9AsSb/n-InGao.o9AsSb/P-GaSb созданы фотодиоды, работающие при комнатной температуре, с широким диапазоном чувствительности 2.0-4.8 мкм. В этих фотодиодах р-п переход в активной области обеспечивает эффективное разделение генерированных носителей, а разъединенный гетеропереход n-InGaAsSb/P-GaSb выполняет роль омического контакта между активной областью и широкозонным окном.
Апробация работы: Результаты работы докладывались на следующих
международных конференциях и семинарах: Наноструктуры: Физика и технология (Санкт-Петербург, Россия, 1996); Международный симпозиум по полу-проводниковым приборам ISDRS (Шарлоттесвил, США, 1997); Международная конференция по тонким слоям и поверхности ICSFS IX (Копенгаген, Дания, 1998); Материалы и приборы для средней ИК оптоэлектроники MIOMD Ш (Аахен, Германия, 1999); XVI Международная научно-техническая конференция по фотоэлектронике и приборам ночного видения (Москва, Россия, 2000); Материалы и приборы для средней ИК оптоэлектроники MIOMD V (Монпелье, Франция, 2001 ^Международная выставка-семинар LED Expo (Сеул, Корея, 2003); Материалы и приборы для средней ИК оптоэлектроники MIOMD VI (Санкт-
-9-Петербург, Россия, 2004); Международная выставка-семинар LED Expo (Сеул, Корея, 2004).
Образцы созданных светодиодов и фотодиодов для средней ИК области представлялись на международных выставках "Российский Промышленник" и "Высокие технологии", Санкт-Петербург с 1998 по 2004 гг. Данные экспозиции были награждены шестью дипломами и золотой медалью ("Высокие технологии-2002").
Публикации: По материалам диссертации опубликовано 14 работ, список которых приведен в конце диссертации. Работа "Высокоэффективные свето диоды на 3.4-4.4 мкм на основе p-AlGaAsSb/n-InGaAsSb/n-AlGaAsSb, работающие при комнатной температуре" получила премию МАИК "Наука/интерпериодика" за 2001 год как лучшая публикация в журналах издательства в области физики и математики.
Структура диссертации: Диссертация состоит из введения, пяти глав, приложения и заключения. Она содержит 172 страниц текста, 110 рисунков, 9 таблиц и список литературы из 117 работ.
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цели, отмечены научная новизна и практическая ценность, изложены представляемые к защите научные положения.
Первая глава носит обзорный характер. Она посвящена литературным данным по гетеропереходам П типа в системе GaSb-InAs, особенностям их электрических и люминесцентных свойств, а так же светодиодам и фотодиодам для средней ИК области спектра.
Вторая глава является методической и содержит обоснование выбора гетероструктур для создания светодиодов и фотоприемников средней ИК области, а так же описание методики определения характеристик светодиодов и фотодиодов.
Третья глава посвящена созданию мощных светодиодов для спектрального диапазона 1.6-^-2.4 мкм на основе гетеропереходов II типа в системе GaSb/GalnAsSb (Xin<28%). Приведены исследования спектральных и мощностных характеристик светодиодных структур и их температурные зависимости. Определены факторы, ограничивающие квантовый выход. Представлены конструкции и характеристики новых светодиодных структур с повышенным квантовым выходом для диапазона 1.6-^-2.0 мкм.
Четвертая глава диссертации посвящена созданию высокоэффективных светодиодов для спектрального диапазона 3.6-Ч-.4 мкм на основе твердых растворов InGaAsSb (Xin>80%), изопериодных к подложке GaSb. Исследована бистабильность токовой зависимости максимума спектров излучения в длинноволновых светодиодах.
Пятая глава посвящена созданию и исследованию фотодиодов для спектрального диапазона 1.5-4.8 мкм, на основе разъединенных гетеропереходов в системе GaSb/InGaAsSb, работающих при комнатной температуре.
В приложении представлены новые возможные применения светодиодов и фотодиодов, разработанных в рамках диссертации, для задач газового анализа и медицинской диагностики.
В заключении сформулированы наиболее важные результаты проведенных исследований.
Диссертационная работа выполнена в лаборатории инфракрасной оптоэлектроники Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе.
Гетеропереходы II типа в системе GaSb-InAs. Светодиоды и фотодиоды для среднего ИК диапазона на их основе
В настоящее время практически все оптоэлектронные приборы основаны на гетероструктурах. Применение гетеропереходов для формирования широкозонного окна в фотоприемниках, электронного и оптического ограничения в лазерах привело к принципиальному улучшению параметров этих приборов [1]. Создание в последние десятилетия на базе гетеропереходов сверхрешеток, квантовых ям и квантовых точек открывает новые возможности для дальнейшего снижения пороговых токов лазеров и увеличения их мощности, появления лазеров с вертикальным резонатором, а так же совершенно новых типов полупроводниковых приборов [1].
На протяжении последних двух десятилетий основное внимание концентрировалось на изучении гетероструктур 1-типа [2-5]. В этих гетеропереходах (Рис. 1а) валентная зона и зона проводимости узкозонного полупроводника "вставлены" в запрещенную зону широкозонного материала и разрывы зон на гетерограницах АЕс и ДЕу имеют противоположные знаки. Классическими представителями этого типа являются системы GaAs-AlGaAs и InP-InGaAs, которые широко применяются при изготовлении лазеров ближнего ИК диапазона. Скачки потенциала в гетеропереходах П типа направлены в одну сторону, так что AEg=AEc-AEy. При этом разрыв зон на гетерогранице может быть столь большим, что зона проводимости одного материала будет лежать ниже валентной зоны другого материала (Рис.ів), как это имеет место в системе GaSb-InAs [6-8].
Фундаментальным свойством гетеропереходов П типа является пространственное разделение электронов и дырок и их локализация в самосогласованных квантовых ямах на интерфейсе. В этих условиях матричный элемент оптических переходов уменьшается из-за уменьшения перекрытия волновых функций на гетерогранице, что приводит к увеличению излучательного времени жизни и более низкой энергии связи экситона. Из-за пространственного разделения носителей может происходить туннельная излучательная рекомбинация через гетерограницу П типа с энергией излучения меньше ширины запрещенной зоны узкозонного материала, как было впервые показано в [9,11]. Условия рекомбинации на гетерогранице П типа сильно зависят от интенсивности света и приложенного внешнего электрического поля [12]. Это приводит к необычным оптическим, электрическим и фотоэлектрическим свойствам по сравнению с гетероструктурами 1-типа. Эти уникальные свойства и новые потенциальные возможности объясняют повышенный интерес к согласованными по периоду решетки структурам [13-18], квантовым ямам и сверхрешеткам на основе гетеропереходов II типа [19-23]. Хотя, многие полупроводниковые материалы А3В5, А4В6 и А2Вб (AlInAs/InP, InAsSb/InSb, InAs/GaSb, GalnAsSb/GaSb, InGaAs/GaAsSb, Si/Ge, ZnTe/ZnSe и др.) могут формировать гетеропереходы II типа, необычные свойства этих гетероструктур ещё недостаточно изучены.
В таблице 1 приведены материалы, которые образуют гетеропереходы П типа. Особенно интересным для исследования гетеропереходов П типа является четверной твердый раствор InGaAsSb, который образует согласованные по периоду решетки пары для целого ряда составов с подложками InAs и GaSb.
Эти материалы являются прямозонными полупроводниками для всей области составов и позволяют создавать как ступенчатые, так и разъединенные гетеропереходы П типа в зависимости от состава. То есть, на базе четверных твердых растворов InGaAsSb мы имеем возможность рассматривать все основные свойства разных гетеропереходов П типа. Диапазон изменения ширины запрещенной зоны с изменением состава InGaAsSb соответствует диапазону длин волн 1.6- 4.7 мкм [27-29] и как раз этот спектральный диапазон представляет для нас интерес.
Рассмотрим основные электрофизические и оптические свойства бинарных соединений и их твердых растворов в системе GaSb-InAs, которые могут быть использованы в качестве активной области светодиодов и фотодиодов для спектрального диапазона 1.6-4.6 мкм. Соединения А В являются алмазоподобными полупроводниками и ближайшими изоэлектронными аналогами кремния и германия. Интересующие нас GaSb и InAs кристаллизуются в решетке цинковой обманки кубического типа - тип сфалерита. Период решетки при Т=300К для GaSb - а=0.609593 nm, а для InAs - а=0.605840 шп [30].
Электрические, оптические и многие другие свойства полупроводника определяются его зонной структурой. Для всех соединений со структурой сфалерита валентная зона качественно одинакова. Две из подзон, стыкующихся при значении волнового вектора К=0, образуют зоны «тяжелых» и «легких» дырок. Третья, низколежащая подзона отщеплена от первых двух вследствие спин-орбитального взаимодействия. GaSb и InAs, также как почти все соединения индия и галлия, имеют абсолютный минимум зоны проводимости в центре зоны Бриллюэна и довольно большие значения подвижности электронов из-за их малой эффективной массы, связанной с резкой зависимостью энергии от волнового вектора. При повышенных температурах главным механизмом рассеяния в этих соединениях является полярное взаимодействие носителей заряда с оптическими колебаниями решетки [30]. Этот вид взаимодействия играет особую роль вследствие большого дипольного момента, возникающего при относительном движении двух неодинаковых атомов. В области низких температур подвижность носителей заряда, как правило, ограничивается рассеянием на ионизированных примесях.
Выбор гетероструктур для создания светодиодов и фотоприемников в средней ИК области
Как было отмечено в первой главе, четверной твердый раствор InGaAsSb, образует согласованные по периоду решетки пары для целого ряда составов с подложкой GaSb. Эти материалы являются прямозонными полупроводниками для всей области составов [30] и позволяют создавать как ступенчатые, так и разъединенные гетеропереходы П типа в зависимости от состава. Диапазон изменения ширины запрещенной зоны с изменением состава InGaAsSb соответствует диапазону длин волн 1.7 4.8 мкм [27-29] (Рис.23). В данной системе твердых растворов существует область несмешиваемости, которая зависит от состава и температуры выращивания слоев, но приблизительно находится в интервале содержания индия 0.28 х 0.7 [32-35] (Рис.4). Ширина запрещенной зоны Eg и значение спин-орбитального расщепления До четверных растворов изопериодных к GaSb были показаны на Рис.5 (а) как функции состава [23,27-28,40-43,49]. Зависимость Eg(x) очень резкая для составов х 0.28, но очень слабая в области х 0.70. Минимальное значение ширины запрещённой зоны Eg =0.26 eV при Т=300 К, меньше чем ширина запрещённой зоны Eg арсенида индия. Было так же установлено, что гетеропереход GaSb/GalnAsSb является ступенчатым для составов близких к GaSb [15,16] и разъединённым для составов близких к InAs (х 0.79) [43,45].
Для создания ряда высокоэффективных светодиодов, перекрывающих спектральный диапазон 1.6-2.4 мкм нами были изготовлены и подробно исследованы светодиодные структуры для восьми дискретных длин волн: 1.65, 1.75, 1.85, 1.95, 2.05, 2.15, 2.25 и 2.35 мкм. Шаг в этой сетке (0.1 мкм) был выбран, исходя из минимальной полуширины спектра светодиодов, которая составляла 0.12 мкм так, чтобы весь диапазон был полностью перекрыт. Светодиодные гетероструктуры были выращены к.ф-м.н. Журтановым Б.Е методом жидкофазной эпитаксии. В качестве активного слоя для светодиодов с длинами волн больше 1.8 мкм были использованы четверные твердые растворы GalnAsSb с содержанием индия от 5 до 22%. Для создания светодиодов с длиной волны 1.75 мкм в качестве активного слоя использовали бинарное соединение GaSb, а для 7.=1.65 мкм -четверной твердый раствор AlGaAsSb с 3% содержанием алюминия. Поскольку на 7.=1.65 мкм существует очень важная полоса поглощения метана (второй обертон), без этой длины волны для целей газоанализа наша сетка светодиодов бы оказалась неполной. В качестве ограничительных слоев использовались четверные твердые растворы AlGaAsSb с содержанием алюминия 34% (Eg=l.l эВ) и 64% (Eg=1.3 эВ). Были созданы структуры как с односторонним, так и с двухсторонним ограничением носителей заряда (рис.24).
В данной работе был реализован новый подход к созданию светодиодов для спектрального диапазона 3.6-4.6 мкм на основе узкозонных четверных растворов Ini-xGaxAsSb с содержанием галлия х 15%. Ширина запрещенной зоны такого материала при комнатной температуре находится в интервале 0.26-0.29 эВ (0.03 х 0.15). В светодиодных структурах использовались ограничительные широкозонные слои Alo.34Gao.64AsSb (Eg=l.l эВ) и Alo.64Gao.34AsSb (Eg=1.3 эВ). Таким образом обеспечивается барьер для электронов в зоне проводимости порядка 0.9 эВ, что в три раза выше барьера в стандартной структуре InAsSb/InAs [80-87], которая применяется для того же спектрального диапазона. Были созданы гетероструктуры GaSb/AlGaAsSb/ InGaAsSb/AlGaAsSb nNnP и pPnN типа, в которых узкозонный активный слой зажат между двумя широкозонными слоями AlGaAsSb (рис. 25а и 256), а так же многослойные гетероструктуры GaSb/AlGaAsSb/GaSb/InGaAsSb/GaSb/AlGaAsSb nNnnpP и pPpnnN типа с разъединенными гетеропереходами GaSWlnGaAsSb с двух сторон активной области (рис. 25в и 25г).
Для выбора оптимальной фотодиодной структуры с диапазоном чувствительности до 4.8 мкм методом ЖФЭ были созданы и исследованы разные типы гетероструктур, содер жащие разъединенные гетеропереходы П типа. Как было показано в I главе, свойства гетеропереходов II типа позволяют варьировать длину волны фотоответа и параметры фотодиодной структуры путём изменения характера зонной диаграммы и условий на гетерогранице [23,49]. При этом система P-GaSb/n-InGaAsSb обладает фактически металлической проводимостью, т.е. ведёт себя как омический контакт [23]. Это свойство было использовано нами для снижения последовательного сопротивления структуры. Были созданы и исследованы три типа изопериодных фотодиодных гетероструктур: тип А (рис.26 a) p-GaSb/n-biGaAsSb/p-InGaAsSb/ p-GabiAsSb, тип В (рис.26 б) p-GaSb/p-InGaAsSb/n-InGaAsSb/p-GalnAsSb и тип С (рис.26 в) p-GaSb/P AlGaAsSb/p-InGaAsSb/n-InGaAsSb/ N-AlGaAsSb. Структура типа С содержит широкозонные слои AlGaAsSb с содержанием алюминия 34% (Eg=l.leV). С точки зрения чувствительности при комнатной температуре оптимальной оказалась гетероструктура типа В. На ее основе были созданы и исследованы фотодиоды, работающие при комнатной температуре с диапазоном чувствительности до 4.8 мкм.
Мощные светодиоды для спектрального диапазона 1.6-2.4 мкм на основе гетеропереходов II типа в системе GaSb/GalnAsSb (Xi„<28%)
Были пранализированы факторы, ограничивающие квантовый выход и на втором этапе с целью увеличения мощности были предложены и созданы гетероструктуры тиристорного типа, структуры с буферным слоем, двойным широкозонным ограничением и удаленной подложкой. Были исследованы спектральные характеристики светодиодов, измеренные при разных токах, в разных импульсных режимах и при разных температурах. С помощью разработанной оригинальной методики, описанной во второй главе, были скорректированы формы спектров, определены спектральные плотности мощности и интегральные мощности, а так же определены зависимости интегральной мощности от тока, скважности и температуры.
Для анализа факторов, влияющих на эффективность светодиодных структур, в данной работе была разработана модель, позволяющая связать параметры структуры (состав слоев, уровень легирования, толщины слоев) с характеристиками диодов. В области объемного заряда гетеропереходов второго типа (тем более разъединенных), условие правомерности использования статистики Максвелла-Больцмана (когда E-Ef)»kT) [51,104-105] для расчета концентраций носителей заряда очевидно не выполняется. Поэтому в данной модели для всех областей структуры использовалась только статистика Ферми-Дирака в общем виде. Расчет зонных диаграмм производился на компьютере с помощью численных методов. Изгиб энергетических зон определялся путем решения уравнения Пуассона. Модель позволяет нам учесть все подзоны в зонах проводимости и валентной зоны, а так же любое распределение глубоких уровней в запрещенной зоне. Программы были написаны на языке Visual Basic.
Перед тем как перейти к описанию результатов исследования светодиодов для диапазона 1.6-2.4 мкм, представим основные детали модели расчета зонных диаграмм гетероструктур GaSb/GalnAsSb/AlGaAsSb, а так же рассмотрим особенности разных механизмов рекомбинации, которые имеют место в этих структурах.
Первый этап расчета зонных диаграмм заключается в нахождении условия электрического равновесия для заданного материала. То есть, если задан состав и уровень легирования материала, мы должны найти положение уровня Ферми при равновесии и соответствующие ему концентрации свободных электронов и дырок, а так же ионизированных доноров и акцепторов. Расчет положения уровня Ферми производится на основания условия электрической нейтральности при отсутствии электрического поля: p-n + N+d-N-a=0 (18)
Как известно, для определения концентрации свободных носителей в зоне проводимости необходимо проинтегрировать произведение плотности состояний ЩЕ) на вероятность заполнения этих состояний (функцию Ферми-Дирака) f(E,T) от дна зоны проводимости Ес до ее потолка [104,105]. Учитывая резкую зависимость f(E, Т) от энергии, верхний предел можно положить равным бесконечности: n = 2[cN(E)f(E,T)dE (19)
Для того, чтобы определить концентрацию свободных носителей и ионизированных доноров и акцепторов из уравнений (27), (28), нам необходимо, прежде всего, определить при каком положении уровня Ферми выполняется условие электрической нейтральности (18). Для этого используем метод итерации. Сначала задаем уровень Ферми в середине запрещенной зоны и определяем концентрации положительных зарядов (р и Nd+ ) и отрицательных (п и Na"). Если общий положительный заряд преобладает над отрицательным, сдвигаем уровень Ферми ближе к зоне проводимости и повторяем расчет. Если общий положительный заряд опять преобладает над отрицательным, сдвигаем уровень Ферми еще ближе к зоне проводимости. Если этот раз преобладает отрицательный заряд, сдвигаем уровень Ферми вниз, в сторону валентной зоны. Данный цикл повторяется до тех пор, пока не достигается условие электрической нейтральности с заданной точностью. Таким образом, мы находим равновесное положение уровня Ферми и соответствующие ему концентрации свободных электронов, дырок, ионизированных доноров и акцепторов. На Рис. 35 представлен результат расчета для Gao.8lno.2AsSb р-типа. Концентрация легирующей примеси задана - 1-Ю17 см"3. Ширина запрещенной зоны этого материала бьша определена для состава Xin=0.2 как EG=0.542 эВ. Было получено равновесное значение уровня Ферми EF=4.674 эВ ОТ уровня вакуума или 0.09 эВ от потолка валентной зоны, концентрация свободных дырок р=9.26 1016 см"3.
Размер ширины области объемного заряда полностью зависит от свойств двух материалов, образующих гетеропереход - от зонной структуры и уровня легирования. В области гетероперехода диффузионный ток, вызванный градиентом концентрации подвижных носителей, уравновешивается дрейфовым током, вызванным электрическим полем противоположно заряженных областей с двух сторон гетерограницы. Точка гетероперехода, где напряженность электрического поля достигает максимального значения, заранее неизвестна, но она должна отвечать третьему граничному условию. В компьютерной модели сначала определяются равновесные положения уровня Ферми для двух материалов с заданными составами и уровнями легирования.
Новый подход к созданию высокоэффективных светодиодов для спектрального диапазона 3.4-4.4 мкм на основе твердых растворов InGaAsSb (Xi„>80%), изопериодных к подложке GaSb
В спектральном диапазоне 3.4+4.4 мкм находятся главные полосы поглощения двух очень важных для экологического мониторинга газов - метана (3.36 мкм) и двуокиси углерода (4.27 мкм). Значительный успех в регистрации этих газов, был достигнут благодаря разработкам светодиодных структур на основе тройных твердых растворов InAsSb, выращиваемых на подложках InAs [64-66,80-87]. В первой главе представлены основные результаты этих работ. Как было отмечено, в совместной работе сотрудников ФТИ и Ланкастерского университета [82] была получена оптическая мощность в импульсе, превышающая 1 мВт. Однако эти светодиоды имеют ряд недостатков, которые связаны с фундаментальными характеристиками материалов InAs, InAsSb и гетероструктуры InAs/InAsSb/InAsSbP: 1. Тройные твердые растворы InAsSb, которые применяются для получения светодиодов с длиной волны излучения более 3.4 мкм, неизопериодны к подложке InAs, при этом процент рассогласования Да/а увеличивается с увеличением концентрации сурьмы и составляет Аа/а=0.76% для светодиодов, излучающих на длине волны 4.5 мкм. 2. Недостаточная высота барьера ограничительного слоя InAsSbP с содержанием фосфора 25+30% для эффективного удержания неравновесных носителей заряда в активной области. 3. Сильное поглощение внутри валентной зоны и большая скорость Оже-рекомбинации в активной области при использовании составов InAsSb, в которых ширина запрещенной зоны близка к величине спин-орбитального расщепления валентной зоны, Eg А0.
Оже-рекомбинация является главным фактором, ответственным за уменьшение квантового выхода в длинноволновых светодиодах. Скорость Оже-рекомбинации максимальна, когда ширина запрещенной зоны близка к величине спин-орбитального расщепления валентной зоны, Eg А0 (резонанс зон) [107]. Было установлено [108], что уход от "резонанса" зон в твердых растворах InGaAs за счет небольших добавок GaAs к InAs подавлял канал безызлучательной рекомбинации и позволял существенно (в 20 раз) повысить квантовый выход светодиодов на основе InGaAs по сравнению с InAs.
Детальный расчет зависимости коэффициента Оже-рекомбинации RA от состава твердого раствора (от разности Eg-A0) для InAsi_xSbx, bii_xGaxAs и GaSbi.xAsx при Т=300 К бьш проведен [109] для невырожденных полупроводников в модели Кейна с точными значениями интегралов перекрытия. Результаты расчета показаны на рис.66. Как видим, максимальная скорость Оже-рекомбинации имеет место именно в твердых растворах InAsi-xSbx. Можно ожидать ее существенное уменьшение, в случае использования четверных твердых растворов Ini.xGaxAsSb.
В данной работе был реализован новый подход к созданию эффективных светодиодов спектрального диапазона 3.4-4.4 мкм на основе гетероструктур в системе Ini.xGaxAsSb/GaSb. Как было показано в первой главе [34], [35], существует ряд составов твердых растворов Ini.xGaxAsSb, изопериодных к подложке GaSb, в которых ширина запрещенной зоны при комнатной температуре меняется от 0.72 эВ (х=1) до 0.26-0.29 эВ (0.03 х 0.15). Существует так же ряд широкозонных твердых растворов AlGaAsSb, изопериодных к подложке GaSb, которые способны обеспечить хорошее ограничение носителей в активной области (рис.23). Таким образом, в данной работе для создания длинноволновых (3.4-4.4 мкм) свето диодов были использованы только изопериодные гетероструктуры.
В светодиодных структурах использовались ограничительные широкозонные слои Alo.34Gao.64AsSb (Eg=l.l эВ) и Alo.64Gao.34AsSb (Eg=1.3 эВ). Бьш обеспечен высокий барьер для электронов в зоне проводимости порядка 0.9 эВ, что в три раза выше барьера в стандартной структуре InAsSWInAs (см. рис.67).
Были созданы и исследованы четыре основных вида длинноволновых светодиодных структур: гетероструктуры GaSb/AlGaAsSb/InGaAsSb/AlGaAsSb pPnN и nNnP типа, в которых узкозонный активный слой зажат между двумя широкозонными слоями AlGaAsSb (рис. 68 и 71), а так же структуры GaSb/AlGaAsSb/GaSbflnGaAsSb/ GaSb/AlGaAsSb nNnnpP и pPpnnN типа с разъединенными гетеропереходами GaSbflnGaAsSb с двух сторон активной области (рис. 80 а и б).
В следующих параграфах будут представлены экспериментальные спектральные зависимости разных длинноволновых светодиодных структур и анализ полученных результатов.
Гетероструктуры GaSb/AlGaAsSMnGaAsSb/AlGaAsSb nNnP и pPnN типа, в которых узкозонный активный слой зажат между двумя широкозонными слоями AlGaAsSb были выращены методом ЖФЭ к.ф-м.н Журтановым Б.Е. Для создания pPnN структур использовались подложки p-GaSb, специально не легированные, с концентрацией равновесных дырок (1-2).10 cm". Узкозонный активный слой также специально не легировался. Толщина активной области выбиралась в диапазоне 1.5-2.5 мкм. Толщины широкозонных слоев пир типа варьировались в очень широких пределах: от 1.5 мкм до 7 мкм. Для обеспечения низкого контактного сопротивления поверх широкозонного слоя AlGaAsSb выращивался контактный слой GaSb сильно легированный теллуром или германием (до 1.1019 см"3).
Спектральные и ватт-амперные характеристики созданных светодиодов измерялись в разных импульсных режимах при комнатной температуре. Были подробно исследованы структуры типа pPnN (пластина Е9602) и nNnP (пластины Е9604 и Е9606). На рис. 67 представлена зонная диаграмма структуры для пластины Е9602. Толщина активной области n-Ini-xGaxAsSb (х=0.06), Eg=0.29 эВ при Т=300К в данной структуре была 2 мкм, толщины широкозонных ограничительных слоев P-Alo.64GaAsSb и N-Alo.64GaAsSb - по 1.5 мкм.
На рис.68 представлены спектральные характеристики структуры Е-9602, измеренные в разных импульсных режимах. Частота повторения во всех случаях была 500 Гц. Спектральные характеристики, измеренные в квазинепрерывном режиме (длительность импульса 1 мс) и в импульсных режимах с длительностью импульсов 40 мкс, 2 мкс и 0.5 мкс имеют принципиально разный характер. В первом случае длина волны излучения в максимуме для токового интервала 100-500 мА была Х,=4.2 мкм (hv=0.295 эВ), а полуширина спектра Д =1.2 мкм (Ahv=90 мэВ). Резкий спад спектра в районе Л,=5.3 мкм связан с красной границей чувствительности приемника InSb, который был использован при данных измерениях.
