WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 3 Фотолюминесцентные и электролюминесцентные свойства спонтанно формирующихся периодических InGaAsP-структур © Л.С. Вавилова, В.А. Капитонов, Д.А. Лившиц, А.В. Лютецкий, А.В. Мурашова, Н.А. Пихтин, Г.В. Скрынников, И.С. Тарасов¶ Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 16 сентября 1999 г. Принята к печати 22 сентября 1999 г.) Методами фото- и электролюминесценции исследованы спонтанно формирующиеся периодические InGaAsP-структуры, представляющие собой чередующиеся домены двух твердых растворов с различным составом и разными постоянными решеток. Экспериментально установлено, что объем доменов узкозонного твердого раствора меньше объема доменов широкозонного материала. В структурах присутствуют неупругие деформации, вызванные сильным рассогласованием решеток двух соседних доменов (2 3%). В лазерных диодах, изготовленных с использованием спонтанно формирующихся периодических InGaAsP-структур в активной области, получена лазерная генерация в длинноволновой полосе электролюминесцентного спектра, соответствующей излучательной рекомбинации в доменах узкозонного твердого раствора. В лучших образцах генерация наблюдалась при пороговых плотностях токов 70 А/см2 при 77 K и 700 А/см2 при 300 K.

1. Введение ные диоды скалыванием по 4 плоскостям (4-сколотые лазерные диоды). Люминесцентные свойства образцов В наших предыдущих работах [1,2] был предложен исследовались с использованием стандартных методик метод получения спонтанно формирующихся периодиизмерения фото- и электролюминесценции.

ческих InGaAsP-структур. Метод основан на использовании спинодального распада многокомпонентных твер3. Экспериментальные результаты дых растворов полупроводников AIIIBV [3–14]. Проведенные теоретические и экспериментальные иссле3.1. Фотолюминесценция спонтанно дования [15,16] спонтанно формирующихся InGaAsPформирующихся периодических структур, возникающих вследствие спинодального расInGaAsP-структур пада твердых растворов, показали, что они представляют собой периодически повторяющиеся в направлениях наиХарактерные спектры фотолюминесценци спонтанно легчайшего сжатия кристалла [100] и [010] домены разформирующихся периодических InGaAsP-структур при личного состава с разными ширинами запрещенных зон азотной и комнатной температурах имеют коротковол(Eg1 и Eg2). Исследования таких структур при помощи новую (1) и длинноволновую (2) полосы, соответпросвечивающего электронного микроскопа позволяют ствующие излучательной рекомбинации в доменах с определять размеры доменов, которые находятся в диаразличным составом твердой фазы и с ширинами запрепазоне 200 600 для различных структур [2,15].

щенных зон Eg1 и Eg2 [1,15]. Это видно из рис. 2, a, b, В настоящей работе проведено исследование на которых изображены фотолюминесцентные спектры фотолюминесцентных и электролюминесцентных одного из исследуемых образцов. В этой статье мы свойств спонтанно формирующихся периодических представляем экспериментальный материал для образInGaAsP-структур.

цов, которые были выращены в абсолютно идентичных условиях и у которых максимумы полос при температуре 2. Исследуемые образцы Для исследования фотолюминесцентных и электролюминесцентных свойств спонтанно формирующихся периодических InGaAsP-структур способом жидкостной эпитаксии на подложках GaAs (001) были выращены изотипные и анизотипные двойные гетероструктуры с такими слоями в качестве активной области. Толщины активных областей составляли 0.2 0.3 мкм. Исследуемые образцы схематически показаны на рис. 1.

Для исследования электролюминесцентных свойств из анизотипных гетероструктур изготавливались лазер¶ Fax: (812) E-mail: tarasov@hpld.ioffe.rssi.ru Рис. 1. Схематическое изображение исследуемого образца.

326 Л.С. Вавилова, В.А. Капитонов, Д.А. Лившиц, А.В. Лютецкий, А.В. Мурашова, Н.А. Пихтин...

T = 77 K и малых уровнях возбуждения лежат вблизи значений длин волн 1 0.72 мкм (Eg1 1.72 эВ) и 2 0.85 мкм (Eg2 1.46 эВ). При температуре 300 K наблюдается небольшой сдвиг максимумов полос в длинноволновую область. На спектрах фотолюминесценции рис. 2, a, b не показана полоса, соответствующая InGaP.

Дополнительные пики вблизи длин волн = 0.816 мкм (при T = 77 K) и = 0.877 мкм (при T = 300 K) связаны с излучательной рекомбинацией в подложке GaAs.

Нами была исследована фотолюминесценция спонтанно формирующихся периодических InGaAsP-структур в зависимости от уровня возбуждения при азотной и комнатной температурах. Интенсивность возбуждения (P) при этом варьировалась в пределах от 60 Вт/смдо 8 кВт/см2.

При температуре 77 K с увеличением уровня возбуждения соотношение интенсивностей длинноволновой и коротковолновой полос не изменялось (рис. 2, a).

Наблюдалось уширение длинноволновой полосы, что может быть связано с разбросом состава твердого раствора в доменах, отвечающих за это излучение.

При температуре 300 K с увеличением уровня возбуждения было обнаружено насыщение интенсивности длинноволновой полосы (рис. 2, b). По нашему мнению, это связано с меньшим объемом доменов, отвечающих за длинноволновое излучение, по сравнению с объемом доменов, отвечающих за коротковолновое излучение.

Исследование температурной зависимости фотолюминесцентных спектров показало, что при увеличении температуры квантовая эффективность люминесценции длинноволновой полосы падает существеннее, чем коротковолновой (рис. 3). Самым простым объяснением этого явления может быть наличие дефектов вследствие неупругой деформации доменов при их сопряжении [15].

Неупругая деформация возникает из-за несоответствия параметров решеток двух различных твердых растворов, образующих домены. Действительно, теоретичеРис. 2. Фотолюминесцентные спектры спонтанно формиру- Рис. 3. Зависимость квантовой эффективности люминесценющейся периодической InGaAsP-структуры. a — T = 77 K; ции () коротковолновой (1) и длинноволновой (2) полос P, кВт/см2: 1 — 0.06, 2 — 0.14, 3 —3.7. b — T = 300 K; в фотолюминесцентных спектрах спонтанно формирующейся P, кВт/см2: 1 — 0.17, 2 —1.4, 3 —8.0. периодической InGaAsP-структуры от температуры.

Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. Фотолюминесцентные и электролюминесцентные свойства спонтанно формирующихся... ские оценки несоответствия параметров решеток доменов (a2 - a1)/a1 для изучаемых структур составляют 2 3% [8], что в случае объемных эпитаксиальных пленок полупроводниковых твердых растворов приводит к неупругим деформациям кристаллической решетки [17].

Мы привели экспериментальный материал для конкретной спонтанно формирующейся периодической InGaAsP-структуры. Однако при используемой температуре роста образцов (TG = 750C) существует целая область составов четверных твердых растворов InGaAsP, которые невозможно вырастить как однородные твердые растворы [8,15]. Эпитаксиальные слои таких твердых растворов также представляют собой спонтанно формирующиеся периодические InGaAsP-структуры, но с другими составами твердых фаз доменов и, следовательно, с другими максимумами в люминесцентных спектрах [1]. Поэтому следует отметить, что описанные фотолюминесцентные свойства присущи всем спонтанно формирующимся периодическим InGaAsP-структурам.

3.2. Электролюминесценция спонтанно формирующихся периодических InGaAsP-структур При азотной и комнатной температурах (рис. 4, a, b) в спектрах электролюминесценции 4-сколотых лазерных диодов с активной областью в виде спонтанно формирующейся периодической InGaAsP-структуры, наблюдались коротковолновая и длинноволновая полосы спонтанного излучения. На рис. 4 показаны спектры электролюминесценции лазерного диода при достаточно низких уровнях накачки, так что коротковолновая полоса спонтанного излучения отчетливо не различима. Это соответствует фотолюминесцентным спектрам изотипной гетероструктуры (рис. 2, a, b). С увеличением уровня накачки достигался порог генерации в длинноволновой полосе спектра электролюминесценции. Плотности пороговых токов для 4-сколотых лазерных диодов составляли:

Jth = 70250 А/см2 при T = 77 K и Jth = 0.71.3кА/смпри T = 300 K.

Из анизотипных двойных гетероструктур также были изготовлены полосковые лазеры с ширинами полосков W = 20, 50, 100 мкм и длиной резонатора L = 510 мкм.

В электролюминесцентных спектрах таких лазерных диодов длинноволновая полоса спонтанного излучения наблюдалась только при низких уровнях накачки (до плотностей токов J = 300 А/см2 при T = 77 K и J = 1кА/смпри T = 300 K). С увеличением уровня накачки интенсивность длинноволновой полосы быстро насыщалась и возникала коротковолновая полоса. При дальнейшем увеличении накачки достигалась лазерная генерация в коротковолновой полосе электролюминесцентного спекРис. 4. Электролюминесцентные спектры 4-сколотого латра. Плотности пороговых токов для полосковых лазерного диода со спонтанно формирующейся периодической зерных диодов составляли Jth = 2.9 6.3кА/см2 при InGaAsP-структурой в активной области. a — T = 77 K;

T = 300 K. Дифференциальная квантовая эффективность 1 — J = Jth = 75 А/см2, 2 — J = 110 А/см2. b — T = 300 K;

таких лазеров была мала: 10 20%. 1 — J = 375 А/см2, 2 — J = Jth = 1100 А/см2.

Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 328 Л.С. Вавилова, В.А. Капитонов, Д.А. Лившиц, А.В. Лютецкий, А.В. Мурашова, Н.А. Пихтин...

4. Обсуждение результатов с размерами доменов 50 150. Это позволит избежать возникновения дефектов на границах доменов при 1. Исследования фотолюминесцентных и электролю- их сопряжении, несмотря на сильное рассогласование минесцентных свойств спонтанно формирующихся пе- параметров решеток доменов (2 3%), снизить бериодических InGaAsP-структур, состоящих из череду- зызлучательную рекомбинацию в таких слоях и сохрающихся доменов двух твердых растворов различного нить высокий квантовый выход в лазерных диодах со состава, показали: а) объем доменов узкозонного мате- спонтанно формирующимися периодическими InGaAsPриала меньше по сравнению с объемом доменов ши- структурами в активных областях.

рикозонного материала; б) в структуре присутствуют Авторы благодарят И.П. Ипатову за плодотворные неупругие деформации, по-видимому, возникающие в обсуждения при подготовке статьи.

процессе сопряжения двух доменов различного состава с разными постоянными решетки; этот результат пред- Работа была выполнена при поддержке грантов РФФИ полагает сильное различие в параметрах решеток двух 97-02-18105 и МНТП ”Физика твердотельных нанострукдоменов (2 3%).

тур”.

2. В 4-сколотых лазерных диодах, изготовленных из анизотипных двойных гетероструктур со спонтанно форСписок литературы мирующейся периодической InGaAsP-структурой в качестве активной области, была получена лазерная генера[1] I.S. Tarasov, L.S. Vavilova, I.P. Ipatova, A.V. Lyutetskiy, ция в длинноволновой полосе электролюминесцентного A.V. Murashova, N.A. Pikhtin, V.A. Shchukin, Zh.I. Alferov.

спектра. В лучших образцах генерация наблюдалась при 23th Int. Symp. Compound Semiconductors, ISCS-23 [St.

пороговых плотностях тока Jth = 70 А/см2 (T = 77 K, Petersburg, 1996] (1997) p. 117.

= 0.81 мкм) и Jth = 700 А/см2 (T = 300 K, [2] Л.С. Вавилова, А.В. Иванова, В.А. Капитонов, А.В. Мура = 0.82 мкм). Эти параметры соответствуют экспешова, И.С. Тарасов, И.Н. Арсентьев, Н.А. Берт, Ю.Г. Муриментальным величинам пороговых токов для анизо- сихин, Н.А. Пихтин, Н.Н. Фалеев. ФТП, 32 (6), 658 (1998).

[3] J.W. Cahn. Trans. Met. Soc., 242, 166 (1967).

типных двойных гетероструктур с активной областью [4] B. de Cremoux. J. Physique, 43, C5-19 (1982).

толщиной 0.3 мкм в виде однородного твердого раствора [5] K. Onabe. Japan. J. Appl. Phys., 21, L323 (1982).

с Eg = 1.51 эВ ( = 0.82 мкм).

[6] G.B. Stringfellow. J. Cryst. Growth, 58, 194 (1982).

Таким образом, значительного снижения пороговых [7] A.G. Khachaturyan. Theory of structural transformations in плотностей токов в 4-сколотых лазерных диодах с акsolids (John Wiley and Sons, N. Y., 1983).

тивной областью в виде спонтанно формирующейся [8] И.П. Ипатова, В.Г. Малышкин, А.Ю. Маслов, В.А. Щукин.

периодической InGaAsP-структуры не отмечено, хотя ФТП, 27, 285 (1993).

наличие в активной области доменов широкозонного [9] I.P. Ipatova, V.G. Malyshkin, V.A. Shchukin. Phil. Mag., 70, твердого раствора, окружающих узкозонный материал, 557 (1994).

позволяло этого ожидать. Если такую лазерную струк- [10] Д. Бимберг, И.П. Ипатова, П.С. Копьев, Н.Н. Леденцов, В.Г. Малышкин, В.А. Щукин. УФН, 167 (3), 552 (1997).

туру рассматривать в модели асимметричной двойной [11] A. Zunger, S. Mahajan. In: Handbook on semiconductors, гетероструктуры с активной областью, имеющей запреed. by T.S. Moss (Elsevier, 1994) v. 3, p. 1399.

щенную зону Eg2 узкозонного материала, и асимметрич[12] S. Mukai. J. Appl. Phys., 54 (5), 2635 (1983).

ным волноводом, имеющим запрещенную зону Eg1 ши[13] A. Behres, M. Heuken, C. Mendorf, H. Lakner, E. Kubalek, рокозонного материала, то теоретически вычисленные K. Heime. EW MOVPE VII (Berlin, 1997) A13.

пороговые плотности тока составляют Jth = 20 А/см[14] C. Mendorf, G. Brockt, Q. Liu, F. Schulze, E. Kubalek, при T = 77 K и Jth = 90 А/см2 при T = 300 K. Однако I. Rechenberg, A. Knauer, A. Behres, M. Heuken, K. Heime, в этих теоретических оценках не учитывались каналы H. Lakner. Microsc. Semicond. Mater. Conf. Ser., N безызлучательной рекомбинации. В реальных лазерных (Oxord, 1997) p. 25.

структурах существуют дефекты, вызванные неупругой [15] Н.А. Берт, Л.С. Вавилова, И.П. Ипатова, В.А. Капитонов, А.В. Мурашова, Н.А. Пихтин, А.А. Ситникова, И.С. Тарадеформацией в активной области, которые являются касов, В.А. Щукин. ФТП, 33 (5), 544 (1999). [Semiconductors, налами безызлучательной рекомбинации и не позволяют 33 (5), 510 (1999)].

достигать расчетных значений пороговых токов.

[16] A.A. Sitnikova, N.A. Bert, A.V. Murashova, N.A. Pikhtin, I.S. Tarasov. Int. Symp. Electron. Microscopy ICEM (Cancun, Mexico, 1998) p. 199.

5. Заключение [17] Н.А. Берт, А.Т. Гореленок, А.Г. Дзигасов, С.Г. Конников, В.Н. Мдивани, И.С. Тарасов, А.С. Усиков. ФТП, 16 (1), В заключение следует отметить, что существую(1982).

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.