WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 9 06;07;12 InAs/InAsSbP светоизлучающие структуры, выращенные методом газофазной эпитаксии © Е.А. Гребенщикова, Н.В. Зотова, С.С. Кижаев,1 С.С. Молчанов, Ю.П. Яковлев Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, 194021 Санкт-Петербург, Россия 1 e-mail: serguie@mail.ru (Поступило в Редакцию 16 октября 2000 г.) Методом газофазной эпитаксии из металлоoрганических соединений изготовлены светодиоды на основе двойной гетероструктуры InAs/InAsSbP, работающие в диапазоне длин волн 3.3 µm. Внешний квантовый выход диодов составлял 0.7%. В лазерных диодах получено стимулированное излучение на длине волны 3.04 µmпри T = 77 K.

В настоящее время существует устойчивый спрос на ная работа посвящена созданию СД методом МОГФЭ, приборы для контроля предельно допустимых концен- излучающих на длине волны 3.3 µm и обладающих вытраций ряда углеводородов (метана, пропана, этилена сокими значениями оптической мощности излучения.

и др.). Молекулы метана, как и других углеводороРассмотрим выращенную симметричную двойную дов, обладают способностью поглощать инфракрасное гетероструктуру, на основе которой изготавливались излучение. У метана сильные полосы поглощения расСД и лазеры (рис. 1). Структура состояла из положены в диапазоне длин волн 3.3 µm [1], поэтому подложки InAs (111) B (n 3 · 1018 cm-3), на котополупроводниковые светодиоды (СД), работающие в вырую наращивались преднамеренно нелегированный слой шеупомянутой области спектра, могут использоваться в InAsSbP (n 1017 cm-3) толщиной 1.2 µm, специальпортативных газоанализаторах в качестве источников изно нелегированный активный слой n-InAs (толщилучения. Соединения на основе солей свинца (IV–VI) [2], ной 1µm) и p-InAsSbP, легированный цинком до уровня а также узкозонных полупроводников HgCdTe (II–VI) [3] p 8 · 1017 cm-3, толщиной 1.2 µm. Последующие обладают низкой теплопроводностью, а также значиизмерения показали, что произошла диффузия цинка из тельной металлургической нестабильностью, что делает последнего барьерного слоя InAsSbP и активный слой их в сравнении с твердыми растворами III–V менее InAs имеет p-тип проводимости. p-n-переход располапривлекательными материалами для изготовления ингался в первом барьерном слое InAsSbP на расстоянии фракрасных излучателей. Для области спектра 3.3 µmна 0.5 µm от подложки n-InAs. Содержание фосфора в барьоснове полупроводников III–V светодиодные структуры ерных слоях составляло 25%. Ширина запрещенной создавались чаще всего методом жидкофазной эпитаксии зоны (Eg) твердого раствора InAsSbP, рассчитанная по (ЖФЭ) [4–6], реже газофазной эпитаксией из металлоданным работы [10], составляла 580 meV.

органических соединений (МОГФЭ) [7] и молекулярноВыращивание структуры InAsSbP/InAs/InAsSbP пролучевой эпитаксией [8].

водилось методом МОГФЭ в стандартном реакторе гоОсновным недостатком созданных СД для спектральризонтального типа при атмосферном давлении. Конного диапазона 3–5 µm является недостаточная для приструкция реактора была аналогична ранее подробно кладных приложений выходная оптическая мощность излучения: 0.1 mW в непрерывном режиме и 1mW в импульсном режиме работы, что сдерживает практическое использование таких СД. Данная работа является продолжением наших работ по СД в области 3–5 µm, которые создавались ранее методом ЖФЭ. Мы продолжаем данной работой цикл исследований по созданию СД методом МОГФЭ [9] и ставим перед собой задачу увеличения эффективности СД почти на порядок по сравнению с излучателями, созданными ЖФЭ. Такой прогноз базируется на возможности более гибкого использования МОГФЭ для выращивания гетероструктур типа InAsSb/InAsSbP, прежде всего за счет выращивания более широкозонных слоев InAsSbP (например, в области несмешиваемости) и создания гетероструктур с лучРис. 1. Энергетическая диаграмма выращенной симметричной шим электронным и оптическим ограничением, а также двойной гетероструктуры InAsSbP/InAs/InAsSbP при комнатгетероструктур с более совершенной морфологией. Дан- ной температуре.

InAs/InAsSbP светоизлучающие структуры, выращенные методом газофазной эпитаксии Рис. 2. Спектры электролюминесценции диодов при различных температурах. T = 77 (1), 300 K (2). На вставке — спектр стимулированного излучения лазерного диода при T = 77 K.

рассмотренной системе [11]. Общий поток водорода изготавливались скалыванием и имели длину 300 µm.

через реактор составлял 18 l/min. Источниками индия, Свойства выращенных структур исследовались с помышьяка, сурьмы и фосфора являлись соответственно мощью электролюминесценции (ЭЛ). ЭЛ регистрироватриметилиндий (TMIn), арсин (AsH3), разбавленный лась охлаждаемым InSb фотодиодом по схеме синхрондо 20% в водороде, триметилстибин (TMSb) и фосфин ного детектирования.

(PH3), разбавленный до 20% в водороде. В первую очередь рассмотрим характеристики Выращивание барьерных слоев InAsSbP проводилось светодиодов. На рис. 2 приведены спектры ЭЛ при температуре подложки 580C. Потоки водорода диодов при 77 и 300 K. Диоды запитывались в через емкости (bubblers) с TMIn и TmSb составляли импульсном режиме током 1 A (t = 5ms, f = 500 Hz).

соответственно 435 и 50 cm3/min. TMIn и TMSb под- B спектре, измеренном при 77 K, четко наблюдаются держивались при температурах 27 и 6C соответственно. 2 пика: первый (коротковолновый) принадлежит Поток AsH3 (20%) составлял 6 cm3/min, PH3 (20%) — подложке n-InAs (hvmax = 410 meV, Dhv1/2 = 50 meV), 50 cm3/min. p-тип проводимости в InAsSbP слое дости- что соответствует концентрации электронов гался легированием цинком. Источником цинка служил 3·1018 cm-3 [12], и второй, принадлежащий активному диэтилцинк (DeZn). Емкость с DeZn поддерживалась слою p-InAs (hvmax = 380 meV, Dhv1/2 = 26 meV), p при температуре 4.7C. Поток водорода через испаритель 8 · 1017 cm-3 [13]. Исходя из полученных результатов, с DeZn составлял 20 cm3/min.

можно предположить, что произошла диффузия цинка Активный слой InAs выращивался при температу- из верхнего барьерного слоя в глубь полупроводника ре подложки 620C и соотношении в газовой фазе и в излучательной рекомбинации участвуют подложка V/III = 40.

n-InAs и имеющий вследствие диффузии цинка Светодиоды были изготовлены методом стандартной p-тип проводимости активный слой InAs. Для фотолитографии в виде меза-диодов. Диаметр мезы со- подтверждения этого явления было произведено ставлял 300. Сплошной омический контакт создавался измерение положения p-n-перехода методом растровой со стороны слоя p-InAsSbP. Диаметр точечного контакта электронной микроскопии; p-n-переход располагался со стороны подложки составлял 100 µm. Омические в первом широкозонном слое InAsSbP на расстоянии контакты создавались напылением золота с теллуром (на 0.5 µm от подложки (рис. 1). При T = 295 K пик на слой n-типа проводимости) и золота с цинком (на слой спектре ЭЛ соответствует энергии hvmax = 364 meV, p-типа проводимости). Dhv1/2 = 56 meV. При комнатной температуре в InAs Лазерные диоды имели ширину меза-полоска 30 µm. Eg = 360 meV [10]; смещение пика в сторону Контактный полосок создавался на p-InAsSbP слое. Ши- высоких энергий подтверждает участие в излучательной рина контактного полоска составляла 5 µm. Резонаторы рекомбинации сильнолегированной подложки n-InAs.

Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 60 Е.А. Гребенщикова, Н.В. Зотова, С.С. Кижаев, С.С. Молчанов, Ю.П. Яковлев В дальнейшем при создании более эффективных светодиодов на основе ДГС InAs/InAsSbP нам следует увеличить толщину активной области до ее оптимального значения и уменьшить концентрацию дырок. Вдобавок, так как вероятность излучательной рекомбинации в n-InAs больше, чем в p-InAs [13], в активной области следует использовать материал n-типа проводимости. Кроме того, метод МОГФЭ позволяет выращивать твердые растворы InAsSbP в области несмешиваемости [11,15,16], чем можно усилить оптическое и электронное ограничение в ДГС InAs/InAsSbP. Хотя рассмотренная в работе светодиодная структура является далеко не оптимальной, тем не менее уже первые СД, созданные методом МОГФЭ, продемонстрировали мощность излучения, сравнимую Рис. 3. Ампер-ваттная характеристика диода, измеренная в со значениями ранее полученными у СД, изготовленных импульсном режиме ( = 5 µs, f = 500 Hz). P —мощность различными другими методами [4–8].

в оптическом диапазоне.

Авторы считают своим приятным долгом поблагодарить М.А. Ременного за внимание к работе и измерение мощности светодиодов, Т.Б. Попову за измерение химиАмпер-ваттные (I–W) характеристики диодов измеряческого состава InAsSbP, В.А. Соловьева за измерение лись в импульсном и непрерывном режимах. На рис. положения p-n-перехода. С.С. Кижаев благодарен фонпредставлена I–W-характеристика диода в импульсном ду Роберта Хэйвмана (Robert Haveman Foundation) за режиме (t = 5ms, f = 500 Hz). Нелинейный ход заподдержку во время проведения данной работы.

висимости не связан с разогревом, поскольку измерения в режиме постоянного тока и в импульсном режиме дают одинаковую зависимость. Внешний квантовый выход диоСписок литературы дов составлял 0.7%. Быстрое насыщение зависимости мощности от тока накачки связано, очевидно, с малой [1] Rothman L.S., Gamache R.R., Tipping R.H. et al. // J. Quant.

Spectr. Rad. Transfer. 1992. Vol. 48. P. 469–507.

толщиной активной области ( 1 µm), которая приводит [2] Feit Z., Kostyk D., Woods R.J., Mak P. // Appl. Phys. Lett.

к быстрому росту концентрации носителей заряда и, как 1991. Vol. 58 (4). P. 343–345.

следствие, к усилению оже-рекомбинации.

[3] Hadji E., Bleuse J., Magnea N., Pautrat J.L. // Appl. Phys.

Эффективность исследуемых светодиодов можно улучLett. 1995. Vol. 67 (18). P. 2591–2593.

шить путем оптимизации параметров ДГС. Так, [4] Айдаралиев М., Зотова Н.В., Карандашев С.А. и др. // в работе [14], где рассматривается механизм рекомФТП. 2000. Т. 34. Вып. 1. С. 102–105.

бинации неравновесных носителей заряда в структуре [5] Попов А.А., Степанов М.В., Шерстнев В.В., ЯкоInAs/InAs0.16Sb0.84 (активная область p-InAs), показано, влев Ю.П. // Письма в ЖТФ. 1997. Т. 23. Вып. 21. С. 24–31.

что при малых токах инжекции, когда эффективность [6] Parry M.K., Krier A. // Electron. Lett. 1994. Vol. 30 (23).

излучательной рекомбинации не зависит от тока, ее знаP. 1968–1969.

чение в p-InAs достигает 24% при 300 K, a внешний кван[7] Stein A., Puttjer D., Behres A., Heime K. // IEE Proc.

товый выход 9%. Эти величины получены при оптиOptoelectron. 1998. Vol. 145 (5). P. 257–260.

мальных значениях концентрации дырок p 3·1017 cm-3 [8] Grieteus B., Nemeth S., Borghs G. // Intern. Conf. Midи толщины активной области 3 µm. С увеличением infrared Optoelectronics. Materials and devices. Lancaster толщины активной области возрастает перепоглощение (UK), 1996.

[9] Зотова Н.В., Кижаев С.С., Молчанов С.С. и др. // ФТП.

света (длина поглощения в p-InAs в максимуме спектра 2000. Т. 34. Вып. 12. С. 1462–1467.

излучения 4.8 µm) и эффективность падает. При [10] Adachi S. // J. Appl. Phys. 1987. Vol. 61 (10). P. 4869–4876.

толщинах меньше оптимальной сильнее сказывается ре[11] Duncan W.J., Ali A.S.M., Marsh E.M., Spurdens P.C. // J.

комбинация на интерфейсе InAs/AlAsSb.

Cryst. Growth. 1994. Vol. 143. P. 155–161.

На вставке к рис. 2 показан спектр стимулированного [12] Аллаберенов А.А., Зотова Н.В., Наследов Д.Н., Неуймиизлучения лазерного диода при T = 77 K, изготовленнона Л.Д. // ФТП. 1970. Т. 4 (10). С. 1939–1942.

го на основе выращенной структуры. Максимум спектра [13] Есина Н.П., Зотова Н.В. // ФТП. 1980. Т. 14 (2). С. 316– находится на длине волны 3.04 µm, что соответствует Eg 322.

в InAs при данной температуре 408 meV. Появление сти[14] Kane M.J., Braithwaite G., Emeny M.T. et al. // Appl. Phys.

мулированного излучения свидетельствует о совершенLett. 2000. Vol. 76 (8). P. 943–945.

стве гетерограниц InAs/InAsSbP. Высокая величина по[15] Jou M.J., Cherng Y.T., Jen H.R., Stringfellow G.B. // J. Cryst.

рогового тока Jth = 330 mA, объясняется недостаточной Growth. 1988. Vol. 93. P. 62–69.

толщиной барьерных слоев InAsSbP, неоптимальными [16] Behres A., Puttjer D., Heime K. // J. Cryst. Growth. 1998.

размером активной области и положением p-n-перехода Vol. 195. P. 373–377.

с точки зрения лазерной структуры.

Журнал технической физики, 2001, том 71, вып.




© 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.