2
Оглавление ...............................................................2
Введение..................................................................5
Глава 1. Методы формирования излучателей на основе полупроводниковых
гетероструктур..................................................12
§ 1.1. Полупроводниковые соединения А111 ВУ 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 АШВУ ................................................20
§ 1.3.2. Постростовая обработка полупроводниковых структур А1ПВ .....23
§ 1.3.2.1. Травление как метод формирования полупроводниковых
чипов....................................................24
§ 1.3.3. Метод фотолитографии........................................2В
§ 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
Выводы к главе 1.....................................................44
Глава II. Разработка технологии создания оптоэлектронных мезаструктур. ...46
§ 2.1. Технология получения полупроводниковых структур АШВУ..........46
§ 2.2. Разработка методов травления и создание травителей для
постростовой обработки многослойных гетероструктур на основе
АШВУ.............................................................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
Выводы к главе II.................................................61
з
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 ОаїпАзЗЬ, выращенных из
РЬ-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
ОаІпАзБЬ/СаЗЬ и исследование их свойств...........................107
§ 3.5.1. Лазеры полоскового типа......................................107
§ 3.5.2. Лазеры зарощенного типа......................................112
Выводы к главе III....................................................117
Глава IV. Разработка, создание и исследование светодиодов и лазеров на основе узкозонных соединений АШВУ для спектрального
диапазона 3^5мкм...............................................120
§ 4.1. Формирование оптоэлектронных структур из изопериодных іпАб четырехкомпонентных твердых растворов методом
химического травления..............................................121
§ 4.2. Создание и исследование светодиодов на основе твердых
растворов іпАз/іпАбБЬР, 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
5
Введение
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 АШВУ (1пА$, ваБЬ). 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 АПВУ|, А1УВУ1, АШВУ. Наиболее перспективными являются соединения АШВУ, т.к. обладают рядом
6
преимуществ, а именно: наиболее высокой эффективностью излучательной рекомбинации, большой теплопроводностью и механической прочностью. Однако узкозонные материалы АП,ВУ 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 (АЮаА$8Ь, 1пА$8ЬР) до узкозонных (Оа1пА$8Ь, 1пАв8Ь). Постростовая обработка таких систем представляет особую сложность. Химическое травление многослойных структур, состоящих из разнородных по свойствам материалов, имеет существенные ограничения. Поэтому возникает острая необходимость разработки новых методов химического травления, которые позволили бы формировать ровные склоны меза-структур, а также создавать чипы различной конфигурации.
Цель работы. Создание оптоэлектронных источников спонтанного и когерентного излучения для средней ИК-области спектра (2-5мкм) на основе многослойных гетероструктур соединений АШВУ и их твердых растворов.
Для достижения намеченной цели решались следующие задачи:
1. Разработка и оптимизация технологии постростовой обработки гетероструктур на основе многослойных соединений АШВУ и создание светодиодных и лазерных чипов для высокоэффективных оптоэлектронных приборов (светодиодов и лазеров) средней ИК-области спектра (2-5 мкм).
2. Создание светодиодных чипов различной геометрии.
7
Исследования влияния геометрических размеров и формы меза-структур на электролюминесцентные свойства светодиодов.
3. Исследование возможности создания методики неселективного травления слоев многослойной системы 1пА58ЬРЛЗа1пА55Ь/1пА$ 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 2й мкм.
Нау чная новизна работы состоит в следующем:
1. Впервые на основе узкозонных материалов АШВУ 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 АПВУ 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 ваБЬ 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.
8
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 Са1пАз8Ь/СаА1А$8Ь. В лазерах, созданных на этих чипах, получено рекордно низкое значение порогового тока в широком интервале температур (77-300К);
- созданы лазерные чипы канального зарощенного типа с серповидной активной областью и изготовлены лазеры, работающие в непрерывном режиме при комнатной температуре Т= 300К на длине волны Х=2.0 мкм;
- впервые созданы лазерные чипы полосковой геометрии для высокоэффективных источников когерентного излучения для спектрального диапазона 3.0-3.1 мкм, работающие в импульсном режиме в интервале температур 77-180К;
- на основе гетероструктур ^АзЛпАбБЬР созданы полосковые лазеры с рекордной мощностью излучения (Р=2-5 кВт) на длине волны 3.3 мкм при криогенной температуре (77-110К);
- на основе двойной гибридной гетероструктуры (А1,Са)8ЬА$/1пА5/(Сс1,М§)8е с гетеровалентным интерфейсом А В /А‘ВУ1 впервые продемонстрирована возможность лазерной генерации в среднем ИК диапазоне (А= 2.775 мкм при Т=77 К) при инжекционной накачке.
Научная и практическая значимость работы.
1. Созданы светодиоды для спектрального диапазона А=2*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.
9
2. Разработаны лазерные чипы и созданы источники когерентного излучения для средней ИК- области спектра 2-ймкм:
- создан лазер (Х=2.5 мкм при Т=300К) на основе твердых растворов Оа1пА$5Ь вблизи границы несмешиваемости, работающий в импульсном режиме;
- разработан канальный зарощенный длинноволновый лазер с серповидной активной областью, работающий в непрерывном режиме при комнатной температуре (Т= 300К, Х=2 мкм);
- на основе гетероструктуры 1пА$/1пА$8ЬР созданы лазеры, работающие на длине волны X = З.Оч-З.б мкм при Т=77К в импульсном режиме;
- созданы лазеры на основе двойной гибридной гетероструктуры (АЮа)8ЬА$/1пА$/Сс1\%8е с гетеровалентным интерфейсом А|МВУ/АПВУ|, работающие при криогенной температуре (Т=77-110 К), Х=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.
1. В светодиодном кристалле на основе р-п-гетероструктуры Оа1пА58Ь/Са8Ь 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.
2. В светодиодном кристалле на основе р-п-гетероструктуры Са1пАз8Ь/Са8Ь с сильноразвитой криволинейной световыводящей поверхностью, имеющим первоначальное двухполосное излучение, одна из полос которого обусловлена переходами электронов из зоны проводимости на уровень
10
двухзарядного акцептора, а другая, более коротковолновая - на уровень однозарядного акцептора, трансформируется в излучение, спектр которого имеет только одну длинноволновую полосу.
3. Внешний квантовый выход излучения светодиодов при Т=300К на основе гетероструктур Оа1пА$8Ь/Оа8Ь и 1пА58Ь/1пАз8ЬР, 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 безызлучателыюй Оже-рекомбинации.
4. В светодиодных кристаллах на основе р-п-гетероструктуры Са1пА58Ь/Са8Ь 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.
5. 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-
11
MIOMD-V (Maryland USA, 2002); Международная конференция по физике полупроводников (1CFS-2002); Международная конференция по вопросам, связанным с методом молекулярно-пучковой эпитаксии- МВБ (Сан-Франциско, сентябрь 2002).
Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в ]4 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.
12
Глава 1. Методы формирования излучателей на основе
полупроводниковых гетероструктур
Современное состояние исследований методов формирования излучателей на основе гетероструктур соединений АШВУ для спектрального диапазона 2-5мкм (Обзор)
Предварительные замечания. Оптоэлектронные приборы, работающие в средней инфракрасной (ИК) области спектра, представляют большой интерес для практического применения. Этот спектральный диапазон актуален для задач лазерной диодной спектроскопии газов и молекул. Известно, что молекулы углеводородных СтНп соединений и множество других промышленных и природных газов (СО, СО2, Н^, 802, N0, Ы02) обладают способностью поглощать ИК излучение в диапазоне длин волн (2-5) мкм [1]. В таблице 1. представлены сведения о полосах поглощения излучения некоторыми соединениями. На основе ИК излучателей возможно также создание систем контроля различных технологических процессов лазерной дальнометрии [2, 3], ИК-волоконных линий связи [4], а также медицинских применений [5] и задач экологического мониторинга. Эти и другие возможные применения оптоэлектронных приборов, работающих в интервале длин волн 2-5 мкм, остро ставят задачу создания элементной базы для данного спектрального диапазона.
Для указанных выше задач требуются высокоэффективные лазеры и светодиоды. Интерес к твердым растворам узкозонных соединений АШВУ на основе арсенида индия и антимонида галлия определяется тем, что на их базе могут быть созданы как источники, так и приемники излучения в средней инфракрасной области спектра.
Потребность в создании излучателей среднего ИК-диапазона, работающих при температурах близких к комнатной, стимулировала ряд новых, нетрадиционных подходов при создании лазерных и светодиодных структур, поиск новых полупроводниковых материалов на основе соединений АШВУ.
13
Таблица 1. Полосы поглощения ИК-излучения некоторыми соединениями
(по материалам [1]).
Соединение Химическая формула Поглощение излучения с длиной волны, мкм
Водяной пар Н20 1.84, 1.95,2.75-2.85,3.17
Метан СН4 1.65,2.35,2.42,3.31
Пропан с3н8 3.22, 3.38
Ацетон СН3СОСН3 3.4,5.7
Сероводород 1.94,2.59,2.63,3.72,3.83
Сернистый ангидрид Б02 3.9-4.0, 4.3, 5.3
Этилен с2н4 2.16, 2.21, 2.23, 2.31, 2.37, 3.17, 3.22, 3.34
Углекисл, газ С02 1.38-1.5, 1.52-1.67,2.64-2.87, 4.27
Оксид углерода СО 2.34,4.6-4.7
Оксид азота N0 3.9,4.5, 5.2
Диоксид азота Ы02 2.11,2.26,2.87,2.97,3.95,4.49
Закись азота Ы20 2.10, 2.19, 2.42-2.52, 2.78, 2.90, 3.09, 3.43,3.75,3.82
Формальдегид НСНО 3.6, 5.6
Ацетилен С2н2 3.01-3.03,4.42
Аммиак ЫНз 2.93,3.01
Эфир яоя 2.35,2.45,2.95,3.12,3.36,3.49
Озон Оз 3.3-3.4,4.75,9.6
Фтороводород НБ 2.28,2.45
Метиловый спирт СНзОН 3.34,3.39
Бензол с6н6 3.26-3.28
14
Создание оптоэлектронных приборов для такого широкого спектрального диапазона сопряжено с серьезными проблемами как в технологии их изготовления, так и при последующей эксплуатации. Если для коротковолнового поддиапазона (1.6-3Л мкм) полупроводники ещё сохраняют при комнатной температуре свои свойства, то для поддиапазона 3-5 мкм полупроводниковые свойства проявляются, в основном, при криогенном охлаждении.
§ 1.1. Полупроводниковые соединения А111 Ву и особенности их строения.
В основе собственных свойств полупроводников лежат химические свойства составляющих их веществ: положение элементов, входящих в состав полупроводников, в периодической системе Менделеева и, следовательно, характер электронного взаимодействия между ними и кристаллическое строение полупроводников. Химический состав и тип кристаллической структуры дают первое представление о ближнем порядке, играющем определяющую роль для электрических свойств твердого тела. В понятие ближнего порядка включаются характер химической связи между атомами, геометрия их расположения и абсолютное расстояние между ними.
В пределах одного и того же вида кристаллической структуры изменение типа химической связи зависит от природы атомов, прежде всего от атомного веса, с изменениехМ которого меняются периоды решетки - важная характеристика кристалла.
Благодаря широким исследованиям физических и химических свойств полупроводников были сформулированы критерии, согласно которым вещество будет обладать полупроводниковыми свойствами, если химическая связь в нем будет удовлетворять следующим требованиям: 1) носить ковалентный или ионно-ковалентный направленный характер; 2) 5- и р- подоболочки всех атомов в элементарных полупроводниках должны быть полностью заполнены; в случае полупроводниковых соединений необходимо только, чтобы у одного
- Київ+380960830922