автореферат диссертации по электронике, 05.27.06, диссертация на тему:Получение лазерных гетероструктур InGaAs/AlGaAs/GaAs с несколькими p-n-переходами методом МОС-гидридной эпитаксии

На правах рукописи

Багаев Тимур Анатольевич

ПОЛУЧЕНИЕ ЛАЗЕРНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР ЫСаАв/АЮаАз/СаАв С НЕСКОЛЬКИМИ Р-1У-ПЕРЕХОДАМИ МЕТОДОМ МОС-ГЙДРИДНОЙ

ЭПИТАКСИИ.

Специальность 05.27.06 — Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

г 8 НОЯ 2013

Москва-2013

005539837

Работа выполнена на кафедре «Материалы опто-, микро- и наноэлектроники» Московского государственного университета тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова и в ОАО «НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха».

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Мармалюк Александр Анатольевич доктор технических наук

Васильев Михаил Григорьевич, доктор технических наук, профессор, начальник сектора Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН

Котков Анатолий Павлович, кандидат химических наук, заместитель генерального директора по материалам электронной техники ОАО «НПП «Салют»

Ведущая организация:

ЗАО «Элма-Малахит»

Защита состоится 17.12.2013 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.120.06 созданного на базе Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова» (МИТХТ) по адресу: 119571, Москва, пр-кт Вернадского, д. 86, ауд.М-119.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИТХТ им. М.В. Ломоносова по адресу: 119571, Москва, пр-кт Вернадского, д. 86, МИТХТ им. М.В. Ломоносова.

Автореферат представлен на сайте http://www.mitht.ru Автореферат диссертации разослан 14 ноября 2013 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д 212.120.06 Кузьмичева Г.М.

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Существует целый ряд задач современной науки и техники, которые для своего

решения требуют создания полупроводниковых излучателей с выходными

характеристиками, расширяющими и превосходящими возможности отдельных

лазерных диодов (ЛД). Одни из таких задач - повышение выходной мощности и

сохранение массогабаритных параметров на уровне традиционных ЛД. Очевидным

путем практической реализации таких приборов является создание многоэлементных

лазерных излучателей - линеек и решеток лазерных диодов (ЛЛД и РЛД) [1]. Такой

подход позволяет повысить выходную мощность, но при этом размеры излучающей

апертуры существенно увеличиваются. Альтернативным и перспективным способом

уменьшения рабочей апертуры является монолитная интеграция, когда в едином

эпитаксиальном процессе создаются гетероструктуры (ГС) с несколькими

излучающими областями [2]. Эпитаксиальная монолитная интеграция также

открывает путь к объединению нескольких функционально различных компонентов в

рамках одного кристалла, например лазер/тиристор, лазер/динистор, лазер/транзистор

[3]. Основное преимущество таких ГС — отсутствие припойных контактов между

отдельными компонентами (то есть их сближение), что ведет к увеличению выходной

мощности и яркости излучения. Ключевым моментом для получения

высококачественных интегрированных ГС является необходимость получения резких

профилей распределения легирующей примеси и высоколегированных слоев

туннельных переходов. При этом ведущим требованием к легирующей примеси

является низкое значение коэффициента диффузии для предотвращения размытия

заданного концентрационного профиля. В технологии МОС-гидридной эпитаксии

(МОСГЭ) в качестве примеси п-типа повсеместно используется кремний,

удовлетворяющий требованию низкого коэффициента диффузии и высокой

растворимости в соединениях А3В5. В то время как, наиболее распространенная

примесь р-типа проводимости, цинк, не позволяет решать задачи по созданию ГС с

несколькими р-п-переходами ввиду большого значения коэффициента диффузии. По

этой причине, в данной работе основной легирующей примесью р-типа выбран

углерод, благодаря меньшему значению коэффициента диффузии (для СаАв при

Т=770°С 0с=2х10"16 см2/с, а 02„=6х10"14 см2/с) и возможности получать

легированные слои с р>1020 см'3. В качестве источника углерода в МОСГЭ хорошо

зарекомендовал себя тетрахлорид углерода ССЦ [4]. Однако его применение имеет

3

свою специфику. В процессе легирования протекают побочные реакции основных реагентов с хлорсодержащими компонентами, уменьшающие скорость роста эпитаксиальных слоев (ЭС). При этом единое мнение относительно процесса травления ОаАв при легировании СС14 в настоящий момент не сформировано. В связи с этим, для получения ГС с несколькими р-п-переходами актуальным является изучение процесса легирования тетрахлоридом углерода.

Дополнительно создание интегрированных ГС с несколькими р-п переходами осложняется необходимостью учета внутренних упругих напряжений, существенно увеличивающихся с ростом общей толщины ГС. Так, для лазерных излучателей спектрального диапазона 850-1100 нм в настоящее время широкое распространение нашли ГС ГпОаАз/АЮаАв/СаАв [5]. Для получения излучения в указанном диапазоне длин волн используют напряженные квантовые ямы 1пОаАз/АЮаА5. Небольшие изменения состава и толщины КЯ во время эпитаксиального роста, увеличение внутренних напряжений в случае использования множественных КЯ и формирования нескольких излучающих секций могут приводить к превышению критических значений и релаксации напряжений с образованием дислокаций несоответствия. Возможным путем повышения технологической устойчивости процесса получения ГС с такими КЯ является использование дополнительных слоев ваАБР с напряжениями противоположного знака (растяжения), компенсирующие напряжения сжатия в КЯ ЫСаАв [5]. При этом компенсирующие слои не должны ухудшать качество гетерограниц и не способствовать образованию промежуточных слоев с неконтролируемым составом. Ведущую роль в получении КЯ с заданными свойствами играют условия процесса эпитаксии и способы компенсации возникающих напряжений. Для этого необходимо учитывать границы устойчивости КЯ и выявить влияние компенсирующих слоев ОаАэР с деформацией растяжения на процесс получения напряженно-сжатых КЯ ¡пОаАз/АЮаАв методом МОСГЭ.

Цель и задачи работы

Целью данной работы являлось получение эпитаксиальных слоев (А1)ОаАз

легированных углеродом, формирование напряженных квантовых ям 1пОаАз и гетероструктур ЫОаАз/АЮаАв/ОаАз с несколькими р-п-переходами методом МОС-гидридной эпитаксии.

В соответствии с указанной целью были поставлены следующие задачи:

1. Исследование закономерностей легирования слоев (А1)ОаАз с помощью тетрахлорида углерода в условиях МОС-гидридной эпитаксии.

2. Изучение влияния компенсирующих слоев ваАвР с деформацией растяжения на люминесцентные свойства напряженно-сжатых квантовых ям МОаАБ/АЮаАз.

3. Получение методом МОС-гидридной эпитаксии гетероструктур ЫОаАз/АЮаАзЛЗаАз для мощных лазерных диодов спектрального диапазона 850-ПООнм.

4. Эпитаксиальная интеграция лазерных гетероструктур ЫОаАБ/АЮаАБ/ОаАз.

5. Формирование п-р-п-р гетероструктур ЫОаАз/АЮаАвЛЗаАз для монолитной интеграции лазера и тиристора методом МОС-гидридной эпитаксии.

Научная новизна

1. Установлена граничная температура проведения процесса легирования эпитаксиальных слоев ваАв тетрахлоридом углерода, при которой наблюдается смена механизма снижения скорости роста.

2. Предложен эффективный способ компенсации упругих напряжений в квантовых ямах ЫОаАв/АЮаАз с помощью слоев ваЛвР.

3. Определены оптимальные режимы процесса выращивания гетероструктур ТгЮаАз/АЮаАзЛЗаАз с несколькими р-п-переходами, пригодные к созданию лазерных излучателей повышенной мощности и яркости на их основе.

4. Установлено, что в условиях МОС-гидридной эпитаксии возможно создание п-р-п-р гетероструктур йЮаАБ/АЮаАБ/ОаАз для функциональной интеграции мощных лазерных диодов с переключающим элементом.

Практическая ценность работы

1. Выявлены закономерности легирования углеродом ваАв с помощью СС14 и сопряженного с ним процесса травления в диапазоне температур 550-800°С. Получен ваАв р-типа проводимости для сильнолегированных контактных слоев и туннельных переходов.

2. Создана методика управления упругими напряжениями в гетероструктурах ГпОаАБ/АЮаАБ, которая обеспечила получение сильнонапряженных квантовых ям 1пОаАв с высокими люминесцентными свойствами.

3. Разработан процесс получения эпитаксиально-интегрированных гетероструктур ТпОаАз/АЮаАв/ОаАз с несколькими р-п-переходами методом МОС-гидридной эпитаксии. На основе полученных гетероструктур изготовлены

5

излучатели спектрального диапазона Х=850-1100 нм с повышенной яркостью и выходной импульсной мощностью, достигающей 120 Вт для лазерных диодов и 2 кВт для решеток лазерных диодов.

4. Разработаны и получены методом МОС-гидридной эпитаксии эпитаксиально-интегрированные гетероструктуры лазер-тиристор. Созданные на их основе приборы продемонстрировали пиковую оптическую мощность Р=16 Вт при напряжении включения U=10 В и токе управления 1у=70 мА.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Температура процесса легирования тетрахлоридом углерода эпитаксиальных слоев GaAs в условиях МОС-гидридной эпитаксии определяет механизм снижения скорости роста: при температурах ниже 580°С доминирует обеднение парогазовой смеси исходным галлий-содержащим компонентом с образованием GaCl, а при температурах свыше 580°С - гетерогенное травление поверхности GaAs с образованием летучего GaCl3.

2. Разделение области компенсации упругих напряжений GaAsP и квантовых ям InGaAs позволяет увеличить в 2 раза интенсивность сигнала фотолюминесценции гетероструктур InGaAs/AlGaAs.

3. МОС-гидридная эпитаксия позволяет создавать гетероструктуры InGaAs/AlGaAs/GaAs с несколькими р-п-переходами для лазерных излучателей спектрального диапазона Х=850—1100 нм с повышенной мощностью и яркостью.

4. Эпитаксиально-интегрированные п-р-п-р гетероструктуры InGaAs/AlGaAs/GaAs обеспечивают возможность получения мощного лазера и тиристора в одном кристалле.

Личный вклад автора

Автор участвовал в постановке задач работы по теме диссертации, исследовании и получении ГС, измерении их параметров, обработке, анализе и обобщении полученных результатов. Им лично выполнены литературный обзор и представленные в диссертационной работе расчеты, необходимые для решения поставленных задач.

Апробация диссертации

Основные результаты работы были представлены и обсуждены на 14-th International Conference on Laser Optics (St. Petersburg, Russia, 2012), XV международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и наносистемы» (Ульяновск, Россия, 2012), 3-м Российском симпозиуме

6

«Полупроводниковые лазеры: физика и технология» (Санкт-Петербург, Россия, 2012), XVII международном симпозиуме «Нанофизика и наноэлектроника» (Нижний Новгород, Россия, 2013), 9-м Белорусско-Российском семинаре «Полупроводниковые лазеры и системы» (Минск, Беларусь, 2013 г.), 15th European Workshop on Metalorganic Vapor Phase Epitaxy (Aachen, Germany, 2013), XI Российской конференции по физике полупроводников (Санкт-Петербург, Россия, 2013), V-ой молодежной научно-технической конференции «Наукоёмкие химические технологии -2013» (Москва, Россия, 2013).

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 17 печатных работ, из них 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, 13 работ в материалах научно-технических конференций.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы. Работа изложена на 116 страницах машинописного текста 14 шрифтом Times New Roman и включает 84 рисунка, 4 таблиц и список цитируемой литературы, состоящей из 77 наименований.

Основное содержания работы

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость работы, а также основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлен обзор научно-технической литературы по теме диссертации.

Рассмотрены способы повышения выходной мощности полупроводниковых излучателей. Показано, что создание ГС с несколькими р-n переходами (излучающими секциями) являются современной альтернативой и дополнением линеек ЛД. Принципиальным моментом при формировании эпитаксиально-интегрированных ГС является применение высоколегированных туннельных переходов. Изучены основные легирующие примеси, используемые в технологии МОСГЭ. Показано, что для получения резких профилей распределения легирующей примеси и высоких степеней легирования предпочтительно использовать кремний и углерод.

Представлены результаты исследования процесса легирования ЭС (Al)GaAs тетрахлоридом углерода. Установлено, что данный процесс осложнен протеканием

7

целого ряда побочных реакций, часть из которых оказывает существенное влияние на скорость роста ЭС. Тем не менее, в исследованной литературе не сформирована однозначная картина, описывающая процессе легирования слоев (АООаАв, что затрудняет получение ЭС с заранее заданным профилем распределения носителей и толщиной.

Эпитаксиальная интеграция также открывает путь к созданию нескольких функционально различных компонентов в рамках одного кристалла. Установлено, что исследования по эпитаксиальной интеграции лазера и управляющего элемента, в основном, нацелены на применение в маломощных информационных системах. В литературе нет упоминания о монолитных ГС, представляющих собой интеграцию лазерного излучателя и динисторного или тиристорного ключа с высокой выходной оптической мощностью.

Рассмотрены подходы по формированию напряженных ГС с КЯ ГпОаАв с высокими излучательными характеристиками. Показано, что компенсация механических напряжений в активной области лазерных ГС является ведущим способом обеспечения заданных выходных параметров приборов на основе нескольких р-п переходов.

Во второй главе представлена методика проведения эксперимента по осаждению ГС МЗаАв/АЮаАБ/ОаАз. Дано описание установки МОС-гидридной эпитаксии и использованных реагентов. Рассмотрены методы исследования параметров полученных ГС.

В первом параграфе третьей главы описываются особенности легирования и изучается сопряженный процесс травления ЭС (А1)ОаАз в процессе использования тетрахлорида углерода в технологически привлекательном диапазоне режимов роста (Т=550-800°С) в условиях МОСГЭ. Показано, что с повышением температуры ведущим механизмом становится травление БаАв с образованием летучего ваСЬ.

Установлено влияние основных параметров процесса роста на уровень легирования ЭС (А1)ОаАз с использованием ССЦ. Для уточнения закономерностей изменения скорости роста ЭС ОаАэ в процессе легирования ССЦ в температурном интервале 550-800'С выбрано несколько реперных точек, и при каждой температуре роста проведено три эксперимента. В первом из них осаждали нелегированный ЭС йаАБ, устанавливая скорость роста согласно результирующей реакции:

(СгВДзОа+АБНз = СаАв +3 С2Н6 (1)

Второй эксперимент был направлен на определение скорости травления ЭС тетрахлоридом углерода. С этой целью ЭС первого эксперимента подвергали обработке в тех же условиях без введения (С2Н5)зйа, но с введением ССЦ:

ЗСС14 + 40аАз = 4СаС13 + 2А$2 + ЗС (реакция на поверхности ЭС ОаАэ) (2) В третьем - создавали легированный углеродом ЭС ваАБ, для чего в условиях первого эксперимента вводили СС14, который помимо взаимодействия с ЭС ОаАв по (2), взаимодействовал с (С2Н5)зОа по следующей реакции:

ЗССЦ + 12(С2Н5)3Оа+16А5Н3 = 12СаС1 + 8А82 + ЗСН4+ 36С2Н6 (3)

При этом реакция (3) ответственна за снижение концентрации исходного реагента-источника ва до образования ЭС, а по реакции (2) протекает травление уже сформированного ЭС ваАз. Скорость травления по реакции (3) в 3 раза превышает аналогичную величину по реакции (2) при той же исходной концентрации ССЦ. Очевидно, что совместное рассмотрение результатов всех трех экспериментов I позволяет определить вклад каждого из механизмов травления (рис. 1).

о -.-1-.-1-,-1-.-1-.-1-.-1---

500 550 600 650 700 750 800 850

Т,°С

Рис. 1. Скорость травления ЭС йаАв при различных температурах: 1 - по реакциям (2) и (3); 2 - по реакции (2); 3 - по реакции (3).

Видно наличие двух одновременно протекающих процессов с различной температурной чувствительностью. Энергия активации процесса травления по реакции (2) составила 0,87 эВ, а по реакции (3) - 0,32 эВ. При повышенных температурах исследованного диапазона снижение скорости роста определяется процессом травления ЭС по реакции (2). Снижение температуры приводит к

существенному изменению картины травления. Так, при Т=800°С вклад реакции (3)

9

составляет порядка 18%, тогда как при Т=550°С эта величина достигает 60% и экспоненциально растет с понижением температуры. Причем, при температурах ниже 580°С скорость травления по реакции (3) становится выше, чем по реакции (2).

Установленные соотношения использованы для прогнозирования режимов роста легированных углеродом ЭС (А1)ОаАэ с заданными толщиной и концентрацией носителей заряда.

Проведенные исследования показывают, что для использования преимуществ легирования углеродом необходимо учитывать сопряженные процессы травления ЭС и соответствующим образом корректировать условия получения ГС с заданной геометрией.

Во втором параграфе третьей главы рассмотрены особенности формирования напряженных КЯ 1пОаАз/АЮаА5 в ГС с несколькими р-п переходами в процессе МОСГЭ.

Хорошо известен тот факт, что при конструировании и создании полупроводниковых лазеров необходимо избегать ситуаций, приводящих к возникновению напряжений в отдельных слоях эпитаксиальной ГС, превосходящих критический уровень [5]. В противном случае наблюдается релаксация избыточных напряжений с образованием дислокаций несоответствия, что катастрофически влияет на квантовую эффективность излучателей и срок их службы. Создание интегрированных полупроводниковых лазеров на основе ГС с несколькими р-п переходами дополнительно осложняется ростом внутренних напряжений из-за увеличения общей толщины структуры. Косвенным признаком этого может являться изгиб пластин (табл. 1).

Таблица 1.

Данные кривизны исследованных лазерных ГС.

№ п/п Описание образца Толщина ГС, мкм Радиус кривизны, м

1 Подложка ОаАэ 0 72

2 ГС с 1 р-п переходом 5,2 14,6

3 ГС с 2 р-п переходом 8,5 7,7

4 ГС с 3 р-п переходами 12,6 5,7

5 ГС с 4 р-п переходами 14,9 4,2

Накопление упругих напряжений может привести к ситуации, когда КЯ 1пОаАз, находящиеся при осаждении первой секции в подкритической области, могут оказаться неустойчивыми при формировании второй и последующих секций.

Значительно облегчить ситуацию возможно, используя концепцию компенсации напряжений в КЯ 1пОаАз/АЮаА8 путем введения дополнительного барьерного слоя с напряжениями противоположного знака. Таким образом, суммарные напряжения в ГС могут быть снижены или компенсированы полностью. Применительно к рассматриваемому случаю в качестве такого барьерного слоя удобно использовать ОаАзР. При этом важно учитывать также критическую толщину компенсирующего слоя, чтобы получить КЯ без релаксации напряжений, т.к. слои АЮэАб и ваАвР не согласованы по периоду решетки. Дополнительным ограничением может служить снижение качества гетерограниц КЯ за счет обменных процессов Аб/Р [6].

Для выбора оптимального способа компенсации напряжений, применительно к формированию активной области ЛД с несколькими р-п переходами, изучены 4 типа квантоворазмерных ГС с различной геометрией (рис. 2).

А1„ „Оа, „Аэ

СаАэ

А1„„Са0 „Аб А1о„Са0„А5 А10„Оа„„Аз

ЪзгЩ"

1пОаА5

1

1гЮаА5

2

1пСаАз

3

1пСаАэ

4

Рис. 2. Схематическое изображение зонной диаграммы исследованных ГС с КЯ ¡пОаАэ/АЮаАз и компенсирующими слоями ОаАвР: I - тип А; 2 - тип Б; 3 - тип В; 4 - тип Г.

Применимость изученных КЯ к использованию в лазерных ГС оценивалась при помощи фотолюминесцентных исследований (рис. 3). Видно, что использование компенсирующих слоев ОаАвР благоприятно сказывается на повышении интенсивности фотолюминесценции ГС 1п0аАз/А10аАз/0аАз.

г

X, нм

Рис. 3. Зависимость интенсивности фотолюминесценции для изученных типов ГС: 1 - тип А; 2 - тип Б; 3 - тип В; 4 - тип Г.

Причем, помещение КЯ 1пОаАэ в поле упругих напряжений компенсирующего слоя, с целью исключения их прямого контакта с ОаАэР (образец типа Г) продемонстрировало увеличение сигнала в 1.5 раза по отношению к образцу типа В и практически в два раза по отношению к образцам типа А и Б. Очевидно, данный факт связан с влиянием качества гетерограниц 1пОаАзЛЗаАзР по сравнению с гетерограницами (пОаАз/АЮаАБ при получении соответствующих ГС.

Для определения оптимального положения компенсирующего слоя проведена серия экспериментов, результаты которой приведены в табл. 2.

Таблица 2.

Зависимость интенсивности фотолюминесценции образцов типа Г от расстояния между компенсирующим слоем ОаАзР и КЯ ТпСаАв.

№ Расстояние от КЯ, Интенсивность сигнала

п/п нм фотолюминесценции, отн. ед.

О Ц26

2 3 1,57

3 6 1.24

4 10 1,09

Видно, что по мере удаления слоя GaAsP от КЯ поле упругих напряжений спадает и интенсивность фотолюминесценции снижается.

Исходя из этого предпочтительным вариантом является максимально близкое расположение компенсирующего слоя к КЯ, но при этом должно быть исключено влияния обменного взаимодействия As/P на гетерограницах.

Использование компенсации упругих напряжений в КЯ InGaAs/AlGaAs позволяет создавать лазерные ГС с несколькими р-n переходами с высокими излучательными характеристиками.

В первом параграфе четвертой главы приведены результаты применения установленных закономерностей легирования и подходов к созданию ГС с напряженными КЯ InGaAs/AlGaAs для создания лазерных ГС с несколькими р-п переходами.

Интеграция отдельных излучающих секций осуществлялась посредством сильнолегированных туннельных переходов n+-GaAs:Si/p+-GaAs:C. Для примера, схема зонной диаграммы для четырехсекционой ГС InGaAs/AlGaAs/GaAs приведена на рис.4.

Рис. 4. Схема зонной диаграммы ГС InGaAs/AlGaAs/GaAs с 4 р-n переходами.

Из полученных ГС с несколькими р-п переходами формировались ЛД с шириной мезаполоскового контакта 200 мкм и длиной резонатора 1200-1400 мкм. На зеркальные грани полосок с ЛД наносились просветляющие (Ri~0.03-0.05) и отражающие покрытия (R2~0.95-0.98). Далее полоски раскалывались на линейки, содержащие несколько активных элементов. Длина волны излучения таких приборов определялась геометрией КЯ (пОаАэ/АЮаАз.

13

Для ряда экспериментов линейки ЛД собирались в решетки и измерялись их выходные характеристики. Измерения параметров ЛД проводились в импульсном режиме при длительностях импульсов тока накачки 1р=90-120 не с частотой следования импульсов Р=1-20 кГц.

Представлены результаты экспериментов по выбору конструкции ГС, предпочтительной для работы ЛД в импульсном режиме. Установлено, что ГС с расширенными волноводами позволяют создавать импульсные ЛД с более высокими выходными характеристиками. Однако, при переходе к решеткам ЛД, когда условия теплоотвода существенно ухудшаются, более привлекательной становится конструкция ГС с узким волноводом.

Показано, что использование эпитаксиально-интегрированных ГС [пОаАв/АЮаАв позволяет создавать лазерные излучатели с повышенной мощностью и яркостью, работающие в режиме коротких импульсов. При этом выходная мощность растет с увеличением числа излучающих секций (рис. 5).

Рис. 5. Ватт-амперные характеристики ЛД на основе ГС с разным количеством р-п переходов: 1 - один р-п переход; 2 - два р-п перехода; 3 - три р-п перехода; 4 -четыре р-п перехода.

Причем данная идеология применима для ГС на основе КЯ ІпСаАв/АІСаАз, обеспечивающих реализацию генерации во всем спектральном диапазоне 850-1100 нм. На рис. 6 представлены ВтАХ ЛД с тремя р-п переходами и с длинами волн излучения 900, 950 и 1060 нм.

ио

20

3

2

10

го

30

40

50

I. Л

Рис.6. Зависимость средней мощности импульса излучения ЛД с тремя р-п переходами от тока накачки: 1- А,=950 нм; 2- ^=900 нм; 3- Л.= 1060 нм.

Решетки ЛД на основе эпитаксиально-интегрированных ГС показали импульсную выходную мощность до 2 кВт.

Полученные данные показывают, что изменение геометрии квантово-размерных слоев не оказывает существенного влияния на наклон ВтАХ даже в случае ЛД с несколькими р-п переходами. Таким образом, разработанная технология формирования ГС позволяет целенаправленно изменять длину волны излучения ЛД без ухудшения излучательных параметров активного элемента.

Во втором параграфе четвертой главы представлены результаты распространения подхода по интеграции нескольких лазерных секций в рамках одной ГС на создание эпитаксиально-интегрированых лазерно-тиристорных ГС ГпСаАз/АЮаАзАЗаАБ.

Условия МОСГЭ оптимизированы так, чтобы получить высокое качество КЯ ГпОаАв и точное легирование тиристорных слоев.

Эпитаксиальная интеграция также открывает путь к созданию нескольких функционально различных компонентов в рамках одного кристалла. Например, для работы в импульсном режиме необходимо обеспечить включение и выключение ЛД с заданными параметрами (частота, длительность). Как правило, в таком случае, в состав излучателя вводят дополнительные элементы силового управления, обычно динисторы, тиристоры или транзисторы. Решая задачу миниатюризации, повышения надежности работы в широком диапазоне воздействующих факторов, рассмотрены

перспективы создания в едином процессе эпитаксиального роста двух самостоятельных, последовательно формируемых ГС: тиристора и лазера.

n-AuGe контакт

p-Ti-Pt-Au контакт

p-GaAs

p-AI0i35Ga065As

i-Alo 3Ga0 ?As

¡-Al0 3Ga0 7As

n-Al0 35Ga065As

n-GaAs

p-GaAs

n-AI035Ga0 65As

Substrate n-GaAs

n-AuGe Contact

р-эмиттер

InGaAs QW

n-база

Коллекторный переход

р-база

n-эмиттер

Рис. 7. Общая схема структуры лазера-тиристора.

Лазерная ГС была интегрирована в р-эмиттер и n-базу тиристорной р-п-р-п ГС (рис. 7). На основе полученных методом МОСГЭ ГС указанной конструкции изготовлены ЛД с длиной резонатора 1000 мкм и шириной мезаполоскового контакта 100 мкм. Коэффициент отражения переднего зеркала составлял 5 %, а заднего - 95%. Дополнительный управляющий электрод был сформирован на п-базе. Характеристики устройства были измерены в импульсном режиме.

Вольт-амперная характеристика имела характерную S-образную форму (рис. 8). Напряжение включения варьировалось от 10 до 15 В для серии образцов.

800-

700 -

600 •

< 600 -

о 400 -

1-

300 -

200 -

100-

О -І

о

10 12 14 16

Напряжение, В

Рис. 8. Вольт-амперная характеристика лазера-тиристора.

Продемонстрирована возможность генерации мощных лазерных световых импульсов с длительностью порядка 100 не при амплитуде контролирующего сигнала порядка 40-100 мА при крайне низком включении тиристорного напряжении 10 В (рис. 9). Значения пиковой импульсной оптической мощности составили 16 Вт при пиковом импульсном токе 29 А. Наклон на начальном участке ватт-амперной характеристики —1.1 Вт/А соответствует значениям, наблюдаемым для одиночных ЛД.

18 1614

12-

н

д 10

еС 864 -2 О

О 5 10 15 20 25 30

1-А

Рис. 9. Ватт-амперная характеристика лазера-тиристора.

Подход эпитаксиальной интеграции, благодаря выбору режимов процесса МОСГЭ, распространен на формирование ГС, объединяющих излучательную и управляющую секции, что открывает перспективы по созданию нового класса приборов на их основе.

Основные результаты работы и выводы

1. Получены ЭС (А1)ОаАз р-типа проводимости в широком диапазоне концентраций Ю16-Ю20 см"3, в том числе для сильнолегированных контактных слоев и туннельных переходов. Установлено влияние основных параметров процесса роста на уровень легирования эпитаксиальных слоев с использованием ССЦ.

2. При использовании тетрахлорида углерода для получения (А1)ОаАз р-типа проводимости, повышение уровня легирования сопряжено со снижением скорости роста. Основной причиной снижения скорости роста легированных эпитаксиальных ОаАв в процессе МОС-гидридной эпитаксии является гетерогенное травление поверхности ОаАв с образованием летучего ОаСЬ при температуре свыше 580°С и обеднение газовой фазы с образованием ваС1 ниже 580°С.

3. Продемонстрировано увеличение интенсивности фотолюминесценции в гетероструктурах ЫОаАз/АЮаАБ на 30% при компенсации механических напряжений путем использования дополнительных слоев СаАэР относительно гетероструктур без компенсирующих слоёв.

4. Показано дополнительное увеличение интенсивности фотолюминесценции гетероструктур ГгЮаАз/АЮаАз с введением барьера из АЮаАв между компенсирующим слоем СаАвР и квантовой ямой ГгЮаАз в 1,5 раза относительно гетероструктур 1гЮаАз/АЮаАз с компенсирующими слоем ваЛвР, имеющих гетерограницу с квантовой ямой ГгЮаАз. Установлено, что оптимальная толщина барьера между слоем ваАБР и квантовой ямой 1пОаАз составляет 3 нм.

5. Созданы эпитаксиально-интегрированные ГС ¡пОаАз/АЮаАз/ОаАв с несколькими р-п-переходами для ЛД спектрального диапазона 850-1! 00 нм. Получены выходные мощности импульсного излучения до 120 Вт, а для РЛД на их основе до 2 кВт.

6. Реализована возможность монолитного интегрирования лазерного

излучателя и тиристора в рамках ГС ¡пОаАз/АЮаАзЛЗаАз методом МОСГЭ. На

18

основе полученных ГС созданы излучатели, продемонстрировавшие генерацию мощных лазерных световых импульсов длительностью порядка 100 не с амплитудой сигнала тока управления порядка 40-100 мА и напряжением включения 10 В. Значения пиковой импульсной оптической мощности составили 16 Вт при токе 29А.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Ladugin М.А., Bagaev Т.А., Lebedeva E.I., Marmalyuk A.A., Padalitsa A.A., Sapozhnikov A.S., Simakov V.A. Laser Diodes (X=940 nm) Based on InGaAs/AlGaAs/GaAs Heterostructures // Technical Program 15-th International Conference on Laser Optics. St. Petersburg, Russia. 25-29 June 2012. -P. 54.

2. Багаев T.A., Ладугин M.A., Мармалюк A.A. Напряженно-компенсированные гетероструктуры InGaAs/GaAsP/AlGaAs/GaAs 103 0-1060 нм), выращенные методом МОС-гидридной эпитаксии // XV международная конференция Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и наносистемы. Ульяновск, Россия, 4-7 сентября 2012: сборник трудов, - С. 41-42.

3. Багаев Т.А., Ладугин М.А., Падалица A.A., Мармалюк A.A. Гетероструктуры InGaAs/GaAsP/AlGaAs (Х= 1030-1060 нм) с компенсирующими слоями GaAsP // Материалы 3-го симпозиума «Полупроводниковые лазеры: физика и технология», 13-16 ноября 2012, Санкт-Петербург, Россия. - С. 57.

4. Багаев Т.А., Ладугин М.А., Лебедева Е.И., Мармалюк A.A., Падалица A.A., Сапожников С.М., Симаков В.А., Соловьева A.B., Коняев В.П. Лазерные диоды, линейки и решетки InGaAs/AlGaAs/GaAs излучающие на длине волны 0,94 мкм // Материалы 3-го симпозиума «Полупроводниковые лазеры: физика и технология», 13-16 ноября 2012, Санкт-Петербург, Россия. - С. 58.

5. Багаев Т.А., Ладугин М.А., Падалица A.A., Мармалюк A.A. Инженерия напряжений при создании квантовых ям InGaAs/AlGaAs/GaAs (Х= 1030-1100 нм) // Труды XVII международного симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника». Нижний Новгород, Россия, 11-15 марта 2013: сборник трудов, - Т.2, - С.505.

6. Ладугин М.А., Коваль Ю.П., Мармалюк A.A., Петровский В.А., Багаев Т.А, Андреев А.Ю., Падалица A.A., В.А. Симаков В.А. Мощные импульсные лазерные излучатели спектрального диапазона 850 - 870 нм на основе гетероструктур с узкими и широкими волноводами // Квант. Электроника. - 2013. - Т. 43.-№5.-С. 407-409.

7. Мармалюк A.A., Багаев Т.А., Горлачук П.В., Ладугин М.А., Мешков A.C., Рябоштан Ю.Л., Данилов А.И., Лебедева Е.И., Сапожников С.М., Романцевич В.И., Курносов В.Д., Иванов A.B., Кричевский В.В., Зверков М.В., Коняёв В.П., Симаков В.А. Функционально-интегрированные полупроводниковые излучатели // Сборник статей 9-го Белорусско-Российского семинара «Полупроводниковые лазеры и системы на их основе», Минск, Беларусь, 28-31 мая 2013, - С. 17-20.

8. Коняев В.П., Данилов А.И., Багаев Т.А., Ладугин М.А., Лебедева Е.И., Мармалюк A.A., Морозюк A.M., Падалица A.A., Попов Е.И., Сапожников С.М., Симаков В.А. Разработка многоспектральных полупроводниковых излучателей для накачки активных сред // Сборник статей 9-го Белорусско-Российского семинара «Полупроводниковые лазеры и системы на их основе», Минск, Беларусь, 28-31 мая2013.-С. 29-32.

9. Ladugin М., Marmalyuk A., Padalitsa A., Andreev A., Gorlachuk P., Telegin К., Yarotskaya I., Bagaev Т., Meshkov A., Volkov N., Konyaev V., Sapozhnikov S., Simakov V. Optimization of GaAsP, AIGaAs and InGaAs quantum wells for 770-1100 nm high-power laser diodes // Extended abstracts of XV European Workshop on Metalorganic Vapor Phase Epitaxy. Aachen, Germany. 1-6 June 2013. - P.143-146.

10. Marmalyuk A., Ladugin M., Bagaev Т., Padalitsa A., Kurnyavko Yu., Konyaev V., Simakov V., Slipchenko S., Podoskin A., Rozhkov A., Pikhtin N., Tarasov I. Monolithically Integrated Laser/Thyristor Heterostructure Grown by MOVPE // Extended abstracts of XV European Workshop on Metalorganic Vapor Phase Epitaxy. Aachen, Germany. 1-6 June 2013.-P. 151-154.

11. Slipchenko S.O., Podoskin A.A., Rozhkov A.V., Pikhtin N.A., Tarasov I.S., Bagaev T.A., Zverkov M.V., Konyaev V.P., Kurniavko Y.V., Ladugin M.A., Marmalyuk A.A., Padalitsa A.A., Simakov V.A. High-Power Pulse Semiconductor Laser-Thyristor Emitting at 900-nm Wavelength // IEEE Photonics Technology Letters. - 2013. -V. 25. -№. 17. - P.1664-1667.

12. Багаев T.A., Ладугин M.A., Падалица A.A., Мармалюк A.A. Влияние упругих напряжений на процесс получения квантовых ям InGaAs/AlGaAs методом МОС-гидридной эпитаксии // Вестник МИТХТ. - 2013. - Т. 8. - № 4. - С. 73-76.

13. Багаев Т.А., Ладугин М.А., Падалица A.A., Мармалюк A.A. Механизм травления GaAs в процессе легирования тетрахлоридом углерода в условиях МОС-гидридной эпитаксии II Вестник МИТХТ. - 2013. - Т. 8. - № 4. - С. 77-79.

14. Мармапюк A.A., Багаев Т.А., Горлачук П.В., Данилов А.И., Зверков М.В., Иванов A.B., Коняев В.П., Кричевский В.В., Курноеов В.Д., Ладугин М.А., Лебедева Е.И., Мешков A.C., Романцевич В.И., Рябоштан Ю.Л., Сапожников С.М., Симаков В.А. Интегрированные полупроводниковые лазерные излучатели // Тезисы докладов XI Российской конференции по физике полупроводников. Санкт-Петербург, Россия, 16-20 сентября 2013. - С. 68.

15. С.О. Слипченко, A.A. Подоскин, A.B. Рожков, A.B. Горбатюк, H.A. Пихтин, И.С. Тарасов, Т.А. Багаев, М.В. Зверков, В.П. Коняев, Ю.В. Курнявко, М.А. Ладугин, A.A. Мармалюк, A.A. Падалица, В.А. Симаков Мощные импульсные полупроводниковые лазеры на основе эпитаксиальноинтегрированных тиристорных гетероструктур // Тезисы докладов XI Российской конференции по физике полупроводников. - Санкт-Петербург, Россия, 16-20 сентября 2013. - С. 94.

16. Слипченко С.О., Подоскин A.A., Горбатюк A.B., Пихтин H.A., Тарасов И.С., Багаев Т.А., Ладугин М.А., Мармалюк A.A., Симаков В.А. Модель полупроводникового гетеролазера-тиристора // Тезисы докладов XI Российской конференции по физике полупроводников. Санкт-Петербург, Россия. 16-20 сентября2013.-С. 450.

17. Т.А. Багаев, М.А. Ладугин, A.A. Падалица, A.A. Мармалюк Особенности легирования GaAs тетрахлоридом углерода в условиях МОС-гидридной эпитаксии II V молодежная научно-техническая конференция «Наукоёмкие химические технологии - 2013». Москва, Россия,1-2 ноября 2013. - С. 90.

Цитируемая литература

1. Безотосный В.В, Кумыков Х.Х., Маркова Н.В. Предельные выходные параметры линеек и матриц лазерных диодов // Квант, электроника, - 1997, - Т. 24, - № 6, - С. 495-498.

2. Garcia J.Ch., Rosencher Е., Collot Ph., Laurent N., Guyaux J.L., Vinter В., Nagle J. Epitaxially stacked lasers with Esaki junctions: a bipolar cascade laser // Applied Physics Letters, - 1997, - V. 71, - P. 3752-3753.

3. Paul H., Maarten K., Roger V. and G. Properties and applications of optical thyristors И Journal de Physique III. - 1994. - V. 4. - P. 2391-2404.

4. Hanna M.C., Lu Z.H., Majerfeld A. Very high carbon incorporation in metalorganic vapor phase epitaxy of heavily doped p-type GaAs // Appl. Phys. Lett. -1991.-V. 58.-№2.-P. 164-166.

5. Дураев В.П., Мармалюк А.А., Падалица А.А., Петровский А.В., Рябоштан Ю.А., Сумароков М.А., Сухарев А.В. Влияние барьерных слоев GaAsP на параметры лазерных InGaAs/AlGaAs-диодов спектрального диапазона 1050— 1100 нм // Квантовая электроника. - 2005. - Т.35. - С. 909-911.

6. Brown Т., Brown A., May G. Anion exchange at the interfaces of mixed anion III-V heterostructures grown by molecular beam epitaxy // Journal of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures. - 2002. - V. 20. - № 4. -P. 1771-1776.

Подписано в печать: 14.04.2013 Объем: 1,0 п.л. Тираж: 100 экз. Заказ № 237 Отпечатано в типографии «Реглет» 119526, г. Москва, пр-т Вернадского, д. 39 (495) 363-78-90; www.reglet.ru

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТОНКИХ ХИМИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ ИМ. М.В. ЛОМОНОСОВА

На правах рукописи

04201451698

БАГАЕВ ТИМУР АНАТОЛЬЕВИЧ

УДК 621.793.162: 621.315.592.3

ПОЛУЧЕНИЕ ЛАЗЕРНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР ХпваАв/АЮаАв/СаАв С НЕСКОЛЬКИМИ Р-1Ч-ПЕРЕХОДАМИ МЕТОДОМ МОС-ГИДРИДНОЙ

ЭПИТАКСИИ.

Специальность 05.27.06 - Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата химических наук

Научный руководитель: доктор технических наук Мармалюк А. А.

Москва 2013

Оглавление

Список использованных сокращений............................................................................3

Введение...........................................................................................................................4

1. Создание эпитаксиальных гетероструктур с несколькими р-п переходами.......10

1.1. Эпитаксиальная интеграция нескольких излучающих секций полупроводникового лазера.....................................................................................10

1.2. Эпитаксиальная интеграция полупроводникового лазера и переключающего элемента.......................................................................................16

1.3. Технологические проблемы создания эпитаксиально-интегрированных гетероструктур с несколькими р-п переходами......................24

2. Осаждение эпитаксиальных слоёв ¡пОаАБ/АЮаАз/ОаАз методом МОС-гидридной эпитаксии.....................................................................................................36

2.1 Методика проведения эксперимента по осаждению ГС кЮаАз/АЮаАз/ОаАз методом МОС-гидридной эпитаксии................................36

2.2 Методика измерения характеристик ГС 1пОаА5/АЮаА5/СаА8 и описание оборудования.............................................................................................41

3. МОС-гидридная эпитаксия гетероструктур ЫОаАз/АЮаАз/ОаАБ с несколькими р-п переходами...............................................................................................................44

3.1. Эпитаксиальная интеграция излучающих р-п переходов....................44

3.2. Формирование активной квантоворазмерной области ЫОаАз/АЮаАз в ГС с несколькими р-п переходами........................................................................61

4. Практическая реализация гетероструктур с несколькими р-п переходами........71

4.1. Гетероструктуры ЫОаАз/АЮаАз с эпитаксиально-интегрированными излучающими секциями............................................................................................71

4.2. Эпитаксиально-интегрированые лазерно-тиристорные гетероструктуры ЫОаАз/АЮаАз/ОаАз..................................................................92

Выводы.........................................................................................................................104

Список цитированной литературы............................................................................106

Список использованных сокращений

ЭС - эпитаксиальный слой; ГС - гетероструктура; КЯ - квантовая яма

МОС - металлоорганическое соединение МОСГЭ - МОС-гидридная эпитаксия; ЛД - лазерный диод; ЛЛД - линейка лазерных диодов; РЛД - решетка лазерных диодов; ИЛД - интегрированный лазерный диод: ВАХ - вольт-амперная характеристика; ВтАх - ватт-амперная характеристика.

Введение

Существует целый ряд задач современной науки и техники, которые для своего решения требуют создания полупроводниковых излучателей с выходными характеристиками, расширяющими и превосходящими возможности отдельных лазерных диодов (ЛД). Одни из таких задач - повышение выходной мощности и сохранение массогабаритных параметров на уровне традиционных ЛД. Очевидным путем практической реализации таких приборов является создание многоэлементных лазерных излучателей - линеек и решеток лазерных диодов (ЛЛД и РЛД) [1]. Такой подход позволяет повысить выходную мощность, но при этом размеры излучающей апертуры существенно увеличиваются. Альтернативным и перспективным способом уменьшения рабочей апертуры является монолитная интеграция, когда в едином эпитаксиальном процессе создаются гетероструктуры (ГС) с несколькими излучающими областями [1]. Эпитаксиальная монолитная интеграция также открывает путь к объединению нескольких функционально различных компонентов в рамках одного кристалла, например лазер/тиристор, лазер/динистор, лазер/транзистор [2]. Основное преимущество таких ГС - отсутствие припойных контактов между отдельными компонентами (то есть их сближение), что ведет к увеличению выходной мощности и яркости излучения. Ключевым моментом для получения высококачественных интегрированных ГС является необходимость получения резких профилей распределения легирующей примеси и высоколегированных слоёв туннельных переходов. При этом ведущим требованием к легирующей примеси является низкое значение коэффициента диффузии для предотвращения размытия заданного концентрационного профиля. В технологии МОС-гидридной эпитаксии (МОСГЭ) в качестве примеси п-типа повсеместно используется кремний, удовлетворяющий требованию низкого коэффициента диффузии и высокой растворимости в соединениях А3ВЭ. В то время как, наиболее распространенная примесь р-типа проводимости, цинк, не позволяет решать

задачи по созданию ГС с несколькими р-п-переходами ввиду большого значения коэффициента диффузии. По этой причине, в данной работе основной легирующей примесью р-типа выбран углерод, благодаря меньшему значению коэффициента диффузии (для ваАБ при Т=770°С Вс=2х10"16 см2/с, а В2п=6х10"14

2 20 3

см /с) и возможности получать легированные слои с р>10 см" . В качестве источника углерода в МОСГЭ хорошо зарекомендовал себя тетрахлорид углерода СС14 [4]. Однако его применение имеет свою специфику. В процессе легирования протекают побочные реакции основных реагентов с хлорсодержащими компонентами, уменьшающие скорость роста эпитаксиальных слоев (ЭС). При этом единое мнение относительно процесса травления ОаАБ при легировании СС14 в настоящий момент не сформировано. В связи с этим, для получения ГС с несколькими р-п-переходами актуальным является изучение процесса легирования тетрахлоридом углерода.

Дополнительно создание интегрированных ГС с несколькими р-п переходами осложняется необходимостью учета внутренних упругих напряжений, существенно увеличивающихся с ростом общей толщины ГС. Так, для лазерных излучателей спектрального диапазона 850-1100 нм в настоящее время широкое распространение нашли ГС ¡пОаАБ/АЮаАБ/ОаАБ [5]. Для получения излучения в указанном диапазоне длин волн используют напряженные квантовые ямы 1пОаАз/АЮаАз. Небольшие изменения состава и толщины КЯ во время эпитаксиального роста, увеличение внутренних напряжений в случае использования множественных КЯ и формирования нескольких излучающих секций могут приводить к превышению критических значений и релаксации напряжений с образованием дислокаций несоответствия. Возможным путем повышения технологической устойчивости процесса получения ГС с такими КЯ является использование дополнительных слоёв ОаАБР с напряжениями противоположного знака (растяжения), компенсирующие напряжения сжатия в КЯ 1пОаАз [5]. При этом компенсирующие слои не должны ухудшать качество гетерограниц и не способствовать образованию промежуточных слоёв с

неконтролируемым составом. Ведущую роль в получении КЯ с заданными свойствами играют условия процесса эпитаксии и способы компенсации возникающих напряжений. Для этого необходимо учитывать границы устойчивости КЯ и выявить влияние компенсирующих слоев ОаАзР с деформацией растяжения на процесс получения напряженно-сжатых КЯ 1пСаАз/АЮаА8 методом МОСГЭ.

Цель и задачи работы

Целью данной работы являлось получение эпитаксиальных слоев (А1)СаАз легированных углеродом и формирование напряженных квантовых ям 1пСаАз и гетероструктур ¡пваАз/АЮаАз/ОаАз с несколькими р-п-переходами методом МОС-гидридной эпитаксии.

В соответствии с указанной целью были поставлены следующие задачи:

1. Исследование закономерностей легирования слоев (А1)ОаАз с помощью тетрахлорида углерода в условиях МОС-гидридной эпитаксии.

2. Изучение влияния компенсирующих слоев ОаАвР с деформацией растяжения на люминесцентные свойства напряженно-сжатых квантовых ям ЬЮаАв/АЮаАз.

3. Получение методом МОС-гидридной эпитаксии гетероструктур 1пОаА8/АЮаАз/ОаА8 для мощных лазерных диодов спектрального диапазона 8501100 нм.

4. Эпитаксиальная интеграция лазерных гетероструктур ЬЮаАБ/АЮаАз/ОаАз.

5. Формирование п-р-п-р гетероструктур ^СаАз/АЮаАз/СаАз для монолитной интеграции лазера и тиристора методом МОС-гидридной эпитаксии.

Научная новизна

1. Установлена граничная температура проведения процесса легирования эпитаксиальных слоёв ваАБ тетрахлоридом углерода, при которой наблюдается смена механизма снижения скорости роста

2. Предложен эффективный способ компенсации упругих напряжений в квантовых ямах 1пОаАБ/АЮаАБ с помощью слоёв ОаАэР.

3. Определены оптимальные режимы процесса выращивания гетероструктур 1пОаАБ/АЮаАБ/ОаАБ с несколькими р-п-переходами, пригодные к созданию лазерных излучателей повышенной мощности и яркости на их основе.

4. Установлено, что в условиях МОС-гидридной эпитаксии возможно создание п-р-п-р гетероструктур 1пОаАБ/АЮаАБ/ОаАБ для функциональной интеграции мощных лазерных диодов с переключающим элементом.

Практическая ценность работы

1. Выявлены закономерности легирования углеродом ваАБ с помощью ССЛ4 и сопряженного с ним процесса травления в диапазоне температур 550-800°С. Получены ЭС ваАБ р-типа проводимости для сильнолегированных контактных слоёв и туннельных переходов.

2. Создана методика управления упругими напряжениями в гетероструктурах 1пОаАБ/АЮаАБ, которая обеспечила получение сильнонапряженных квантовых ям 1пСаАБ с высокими люминесцентными свойствами.

3. Разработан процесс получения эпитаксиально-интегрированных гетероструктур 1пОаАБ/АЮаАБ/ОаАБ с несколькими р-п-переходами методом МОС-гидридной эпитаксии. На основе полученных гетероструктур изготовлены излучатели спектрального диапазона Х,=850-1100 нм с повышенной яркостью и выходной импульсной мощностью, достигающей 120 Вт для лазерных диодов и 2 кВт для решеток лазерных диодов.

4. Разработаны и получены методом МОС-гидридной эпитаксии эпитаксиально-интегрированные гетероструктуры лазер-тиристор. Созданные на их основе приборы продемонстрировали пиковую оптическую мощность Р=16 Вт при напряжении включения и=10 В и токе управления 1у=70 мА.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Температура процесса легирования тетрахлоридом углерода эпитаксиальных слоев GaAs в условиях МОС-гидридной эпитаксии определяет механизм снижения скорости роста: при температурах ниже 580°С доминирует обеднение парогазовой смеси исходным галлий-содержащим компонентом с образованием GaCl, а при температурах свыше 580°С - гетерогенное травление поверхности GaAs с образованием летучего GaCl3.

2. Разделение области компенсации упругих напряжений GaAsP и квантовых ям InGaAs позволяет увеличить в 2 раза интенсивность сигнала фотолюминесценции гетероструктур InGaAs/AlGaAs.

3. МОС-гидридной эпитаксия позволяет создавать гетероструктуры InGaAs/AlGaAs/GaAs с несколькими р-п-переходами для лазерных излучателей спектрального диапазона А,=850—1100 нм с повышенной мощностью и яркостью.

4. Эпитаксиальныо-интегрированные п-р-п-р гетероструктуры InGaAs/AlGaAs/GaAs обеспечивают возможность получения мощного лазера и тиристора в одном кристалле.

Личный вклад автора

Автор участвовал в постановке задач работы по теме диссертации, исследовании и получении ГС, измерении их параметров, обработке, анализе и обобщении полученных результатов. Им лично выполнены литературный обзор и представленные в диссертационной работе расчеты, необходимые для решения поставленных задач.

Апробация диссертации

Основные результаты работы были представлены и обсуждены на 14-th International Conference on Laser Optics (St. Petersburg, Russia, 2012), XV международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и наносистемы» (Ульяновск, Россия, 2012), 3-м Российском симпозиуме

«Полупроводниковые лазеры: физика и технология» (Санкт-Петербург, Россия, 2012), XVII международном симпозиуме «Нанофизика и наноэлектроника» (Нижний Новгород, Россия, 2013), 9-м Белорусско-Российском семинаре «Полупроводниковые лазеры и системы» (Минск, Беларусь, 2013 г.), 15th European Workshop on Metalorganic Vapor Phase Epitaxy (Aachen, Germany, 2013), XI Российской конференции по физике полупроводников (Санкт-Петербург, Россия, 2013), V-ой молодежной научно-технической конференции «Наукоёмкие химические технологии - 2013» (Москва, Россия, 2013).

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 17 печатных работ, из них 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, 13 работ в материалах научно-технических конференций.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы. Работа изложена на 116 страницах машинописного текста 14 шрифтом Times New Roman и включает 84 рисунка, 4 таблицы и список цитируемой литературы, состоящей из 77 наименований.

1. Создание эпитаксиальных гетероструктур с несколькими р-п

переходами

1.1. Эпитаксиальная интеграция нескольких излучающих секций полупроводникового лазера

Для многих практических применений в настоящее время требуется создание полупроводниковых излучателей с выходными характеристиками, превосходящими возможности отдельных ЛД. Очевидным путем практической реализации таких приборов является создание интегрированных лазерных излучателей. Традиционный способ интеграции создание одномерных линеек ЛД или двумерных решеток ЛД [6, 7, 8]. При этом заметно увеличивается излучающая апертура, что для ряда применений представляет определенную сложность. В этой ситуации может оказаться полезным подход по созданию эпитаксиально-интегрированных ЛД, для которых характерно уменьшенное в десятки раз расстояние между излучающими областями. Рассмотрим основные моменты указанного подхода.

Впервые ГС для эпитаксиально-интегрированных ЛД получены авторами [9] методом молекулярно пучковой эпитаксии. Конструкция лазера представляла собой три лазерных излучающих секции AlGaAs/GaAs, соединенные последовательно посредством двух туннельных переходов (рис. 1.1.1).

Напряжение отсечки для одной излучающей секции составило ~1.3 В, а для трех - 5.5 В. Таким образом, падение напряжения на каждом туннельном переходе равнялось 0.8 В. ЛД с площадью 100x380 мкм продемонстрировали выходную мощность 250 мВт.

В работе [10] показано, что залогом создания высокоэффективных ЛД с несколькими излучающими областями является создание туннельных переходов с низким сопротивлением, способных пропускать большие токи накачки (рис. 1.1.2).

р- контакт

р+ - контакт 0.2 мкм

р - А!о > 1 мкм

Повтор

n - А1о Ga0 ^.s > 1 мкм n+ - GaAs > 0.015 мкм р+ - GaAs > 0.015 мкм р - Alo G^^s > 1 мкм л-GaAs 0.15 мкм п - Al Ga As > 1 мкм

03 0 7

n+ - GaAs (подложка)

■ n- контакт

(а)

Активная область Туннельный переход Активная область

Туннельный переход Активная область

п+ СаАв (подложка)

Рис. 1.1.1. Схематическое изображение конструкции ГС эпитаксиально-интегрированного лазера (а) и изображение скола такой ГС (б), полученное при помощи сканирующего электронного микроскопа [9].

(0.2 А/дел.)

i i i

100 мкм х 200 мкм

i i i

а

i i i i

♦-¡-¡-¡-j—(1 В/дел.)

Рис. 1.1.2. ВАХ туннельного диода GaAs:S/GaAs:C [10].

Созданный указанными авторами туннельный диод на основе ваАБ продемонстрировал низкое удельное сопротивление 2.5-10~4 Омсм2 и высокий

ВтАХ и спектральные характеристики, созданного с использованием разработанных туннельных переходов эпитаксиально-интегрированного ЛД ТпваАз/АЮаАз с двумя излучающими секциями, представлены на рис. 1.1.3. Так как секции характеризовались различными длинами волн излучения, по спектральным характеристикам хорошо видно, что секции имели различный пороговый ток. Первой входила в генерацию длинноволновая секция с пороговой плотностью тока -0,5 кА/см , затем к ней подключалась коротковолновая секция

-у

по достижении плотности тока -0,8 кА/см". ВтАХ такого прибора имел излом, отражающий указанную особенность. При больших токах накачки, когда работали обе излучающих области, наклон ВтАХ составил 0,5 Вт/А. По мнению авторов, наблюдаемая особенность связана с различным качеством ГС в двух излучающих областях.

пиковый ток в прямом направлении 1.4 кА/см

.2

12

О 50 Вт/А

10

Порог 2

0.0 0.2 0 4 0 6 0 9 1Л 12 14 Плотность тока (кА/см*)

(а)

Длина волны (нм)

(б)

Рис. 1.1.3. ВтАХ эпитаксиально-интегрированного ЛД ЫваАз/АЮаАз с двумя излучающими секциями (а) и спектры его излучения при различных токах

накачки (б) [10]

Проблема создания идентичных излучающих секций в процессе формирования единой эпитаксиально-интегрированной ГС с несколькими р-п переходами отмечалась и в [11]. В работе исследовался образец, структура которого представлена на рис. 1.1.4.

0.22 мкм ОаАэ/

8нм !п0

25 нм СаДв-Б!

++

25 нм ОаАз:Ве

0.22 мкм СаАэ/ _

8нм !п0 ^ КЯ

0.1мкмСаАз".Ве+

0.75 мкм 1пбаР:Ве

0.75 мкм 1пЗаР.81

0.75 мкм 1п6аР:Ве

0.75 мкм 1пОаР:£й

баАз-Э! (подложка)

Рис. 1.1.4. Схематическое изображение ГС 1пОаР/ОаАз с двумя излучающими секциями [11].

Вт АХ ЛД, изготовленного на основе представленной ГС, имела характерный излом, указывающий на различный пороговый ток излучающих с�