Инфракрасная полупроводниковая оптоэлектроника с использованием гетероструктур из арсенида индия и твердых растворов на его основе тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.10, доктор физико-математических наук Матвеев, Борис Анатольевич

• Матвеев, Борис Анатольевич
• доктор физико-математических наук
• 2010

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Матвеев, Борис Анатольевич

Введение.

Общая характеристика работы.

Глава 1. Приборы отрицательной люминесценции, лазеры, свето- и 12 фотодиоды в средней ИК области спектра (обзор).

1.1 Источники спонтанного и стимулированного излучения на основе арсенида 12 индия.

1.1.1. Свето диоды.

1.1.2. Лазеры.

1.2 Фотодиоды и источники отрицательной люминесценции.

1.2.1. Магнитоконцентрационные источники OJI.

1.2.2. Отрицательная люминесценция в диодных структурах. 39 1.2.3 Фотодиоды.

Глава 2. Структурные, электрические и оптические свойства 52 эпитаксиальных структур и слоев из InAs и его твердых растворов.

2.1. Дислокации в градиентных структурах с конечной толщиной подложки.

2.2. Дислокации и остаточные напряжения в двойных гетероструктурах 67 InGaAsSb/InAsSbP, InAs/InAsSbP.

2.3 Люминесцентные свойства градиентных структур.

2.4 .Получение и свойства слоев InGaAsSb.

Глава 3. Положительная и отрицательная люминесценция в узкозонных 102 диодных структурах А3В5.

3.1 Диоды на основе структур с гомо р-n переходом в InAs(Sb)(P).

3.1.1 Предварительные замечания.

3.1.2 Экспериментальные результаты и их обсуждение.

3.1.2.1 Диоды с активным слоем из InAsSbo.n•

3.1.2.2 Диоды с активным слоем из InAsSbo.os

3.1.2.3 Диоды с активным слоем из InAsSbo 2•

3.1.2.4 Диоды с активным слоем из InAsSbP

3.2 Диоды с р-n переходом на гетерогранице с InAs и с InAsSb.

3.2.1. Предварительные замечания, образцы и методы исследования.

3.2.2. Диоды с мелкой мезой.

3.2.3. Диоды с глубокой мезой.

Глава 4. Стимулированное излучение в двойных гетероструктурах на основе

InGaAsSb.

4.1. Предварительные замечания.

4.2. Распределение излучения в дальнем поле.

4.3. Коэффициент усиления и внутренние потери.

4.4. Спектральные характеристики. 164 4.5 Мощные лазеры.

Глава 5. Оптоэлектронные диодные пары источник-приемник.

5.1 Поверхностно облучаемые фотодиоды.

5.1.1 Фотодиоды /Л-InAsSbP/n-InAs.

5.1.2 ФД на основе твердых растворов InAsSb.

5.2 ФД InAsSb , облучаемые через подложку.

5.3 Светодиоды и фотоприемники для детектирования газов и жидкостей.

5.3.1. Светоизлучающая диодная линейка (А,=3.7 мкм) на основе InGaAsSb.

5.3.2. Оптоэлектронные пары светодиод - фотодиод.

5.3.3. Применение СД в ИК оптико-акустической спектроскопии.

5.4 Диодная лазерная спектроскопия с помощью лазеров на основе 222 InGaAsSb.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Инфракрасная полупроводниковая оптоэлектроника с использованием гетероструктур из арсенида индия и твердых растворов на его основе»

Одним из главных элементарных процессов в твердом теле, на долгие годы определившим основное направление исследований в разделе физики, называемом оптоэлектроникой, является переход электрона с возбужденного, более высокого энергетического уровня, на более низкий пустой уровень с испусканием квантов света. Первые работы по излучательной рекомбинации в полупроводниках были сделаны

О.В.Лосевым [1, 2], однако бурный рост числа исследований этого процесса произошел лишь во второй половине XX века, когда появились способы получения «чистых» полупроводниковых материалов и гетероструктур и стало возможным создание эффективных источников и приемников излучения [3]. В Физико-техническом институте в Санкт-Петербурге исследования полупроводников и разработка полупроводниковых оптоэлектронных приборов были начаты при активной поддержке основателя института -А.Ф.Иоффе - и продолжаются по сегодняшний день. Изложенная ниже работа выполнялась в лаборатории электронных полупроводников названного института (зав.лаб.- Рогачев A.A.), а затем в лаборатории инфракрасной оптоэлектроники (зав.лаб. -Яковлев Ю.П.) с 1977 по 1995 г.г. и с 1995 по 20.10 г.г., соответственно, в рамках ряда программ, основные из которых перечислены ниже:

Программа Министерства Приборостроения, средств автоматизации и систем-управления «Исследование возможности создания газоанализатора на основе твердотельного источника-излучения» (1977-1980).

Программа. Минпромнауки 01.40.01.09.03 «Оптические и нелинейно-оптические свойства наноструктур», (проект 8А 159) Разработка и исследование оптических пар среднего ИК диапазона, используемых в системах контроля химического состава атмосферы: диодных структур на основе твердых растворов InAsSb, InGaAsSb, InAsSbP , туннельно-инжекционного лазера на основе гетероперехода II типа GalnAsSb/InGaAsSb, а также получение лабораторные образцов и сравнение характеристик генераторов излучения дальнего инфракрасного диапазона на базе систем InGaAs/AlGaAs и Si/SiGe», проект «Диодные оптоэлектронные пары отрицательного и положительного контраста в среднем ИК диапазоне спектра» (8А 290) (2002-2004).

Программа ОФН РАН «Оптика и лазерная физика», Название направления «Полупроводниковые лазеры». "Когерентное оптическое излучение полупроводниковых соединений и структур", проект: «Генерация когерентного излучения при комнатной температуре среднего ИК-диапазона (3-4) мкм в узкозонных полупроводниковых гетероструктурах II типа на основе InAs-GaSb-AlSb» (4.14).

Гранты АФГИР (CRDF) «Высокотемпературные оптоэлектронные диодные пары»

807, #I261( 1999- 2003 гг.), #1483 «Полупроводниковый точечный источник» ( 2005).

Проект МНТЦ 2044 П (2001) European office of Aerospace Research and development, Air Force Office of Scientific research, Air Force Lab. SPC 994016 ( # F61775-99-WE016) (1999).

Проект СПБ НЦ 2007, «Источники и приемники излучения 3-5 мкм на основе фотонных кристаллов АЗВ5».

Программа РАН поддержки инноваций 2007. Проект «Оптические газоанализаторы и пирометры на основе иммерсионных диодных оптопар».

Проект 7-ой рамочной программы ЕС #224625 (MINIGAS, «Miniaturised photoacoustic gas sensor based on patented interferometric readout and novel photonic integration technologies») (FP7-ICT-2007-2) (2008-2011 гг.). Общая характеристика работы Актуальность темы

К началу данной работы исследования полупроводниковых структур на основе i f материалов А В заняли прочное положение среди наиболее быстро развивающихся направлений, физики. Источники и приемники, работающие в диапазоне длин волн 3-5 мкм, могут быть использованы в системах контроля химического состава газообразных и жидких сред, оптической' связи или в тепловидении [198]. На сегодняшний день оптические анализаторы составляют около 25%,от всех анализаторов других типов, причем доля- первых постоянно растет, в том числе благодаря постоянному совершенствованию «длинноволновых» свето- и фотодиодов (3-5 мкм).

Анализ литературных данных, приведенных в Главе 1; показывает, что в спектральном диапазоне 3-5 мкм имеется достаточно большое количество разработок источников излучения, при этом основная доля когерентных источников вблизи наиболее интересной для практики области поглощения углеводородов (3.3 мкм) выполнена на основе двойных гетероструктур. В силу фундаментальных обстоятельств, получение эффективных квантовокаскадных лазеров, а также лазеров на основе сверхрешеток, в этой области затруднено.

Основным материалом для активной области лазеров на основе двойных гетероструктур служил твердый раствор InAsSb, обладающий высокой вероятностью безызлучательных Оже-процессов и низкой квантовой эффективностью. Так, например, в работе [254] для состава InAso.97Sb о оз он составляет /;mt =3% при 77 К. При этом в [254], как и в литературе в целом, практически отсутствуют исследования упругой и пластической деформации в двойных гетероструктурах на основе InAs и InAsSb, и в узкозонных градиентных слоях InAsSbP, которые существенным образом могут влиять на параметры лазеров и светодиодов. Лишь, в одной из работ сообщается о понижении плотности наклонных дислокаций при увеличении толщины буферного слоя*в структурах ТпАзЗЬР/ГпАзБЬ/ЬгАзЗЬР; используемых для фотодиодов;[99]. Низкий квантовый выход, а также несовершенство лазерных, структур; не позволяли- достичь высоких значений* выходной мощности, необходимых для практики.

С другой стороны, в! литературе имеются указания на то, что безызлучатёльные Оже процессы можно снизить, используя дисбаланс энергий • спин-орбитально отщепленной и запрещенной зон, достигаемый в твердом растворе ¡пСаАяБЬ [ 302, 335 ]. Дополнительное преимущество твердого раствора ЬгОаАзБЬ перед ЫАзБЪ состоит в возможности согласования периодов^ решеток с ближайшей (по химическому составу) подложкой - 1пАз - однако попыток создания и исследования лазеров на основе двойных гетероструктур, содержащих в активной} области обогащенный. арсенидом индия твердый раствор /яСаЛ&Йг предпринято не было. ,

В разработке светодиодов на основе арсенида индия : и узкозонных твердых растворов-для;диапазона 3-5 мкм основные успехи были обусловлены,-главным образом, улучшениями, связанными с обеспечением электронного ограничениям и с геттерированием дефектов ^ остаточных примесей. Вместе с тем ряд вопросов оставался; недостаточно освещенным. К ним относится, прежде всего, вопрос о предельно-возможном значении; внутреннего квантового выхода (или; коэффициента преобразования), определяемого внутренними; свойствами: полупроводника при малых уровнях возбуждения (т.е. не Оже-рекомбинацией) при комнатной и более высоких температурах и позволяющего судить о перспективах полупроводниковых источников излучения в сравнении с другими, например, тепловыми источниками. Очевидно, что адекватное исследование этого фундаментального параметра возможно лишь в образцах, где отсутствует рекомбинация Шокли-Рида. На начало наших исследований таких структур получено не было; и на. сегодняшний день такие структуры ( с линейным участком ватт-амперной характеристики) описаны лишь в нескольких работах [57, 78].

Изучение влияния Оже-рекомбинации на квантовую эффективность велось в основном на качественном уровне - анализируемые сублинейные ватт-амперные характеристики при больших токах отражали скорее несовершенство приборных структур, приводящие к сгущению линий тока под контактом и Джоулеву разогреву, чем прямое влияние Оже-рекомбинации. При этом подавляющая часть исследований; была выполнена на образцах с высокими тепловыми и последовательными сопротивлениями [126]. Лишь в нескольких работах [92, 283] были сделаны попытки уменьшить Джоулев разогрев за счет минимизации расстояния между р-п переходом и теплоотводом. Не были изучены: характеристики омических контактов, существенно влияющие: как. на характер токопрохождения. (растекание тока), так и на процессы отражения и перераспределения потоков излучения в свето- и фотодиодах.

Отсутствие. исследований и описания вышеупомянутых: факторов делает трудной: задачу сопоставления реальной эффективности того или, иного подхода при= создании СД. Так, например, эффективность преобразования: и мощность излучения в; структурах,- в которых Оже-рекомбинация целенаправленно подавлялась. (например, в пятикомпонентных твердых растворах [97 ] или в образцах на основе сверхрешеток (0.02 мВт/А, 1= 400 мА, 4.3 мкм [102]), была существенно ниже, чем в обычных двойных гетероструктурах без специальных мер для ее снижения ( ~1 мВт/А, 1~1А [195, 364], 0.5 мВт/А [180]. В ряде случаев использование сверхрешеток для повышения квантового выхода [40] сопровождалось существенным возрастанием рабочих1 напряжений; (U=6 В), что негативно сказывается на эффективности таких источников.

Немаловажным: является также: вопрос о коэффициенте; вывода излучения« — параметра; напрямую влияющего на экспериментальное значение квантового выхода. В: большинстве работ, посвященных плоским структурам, он полагается равным 1/70; а в ряде работ его значение неоправданно завышено. Целенаправленные исследования, направленные на увеличение коэффициента вывода излучения имели место лишь при-создании, светодиодов: со .встроенным: резонатором (RG LEDs) [64],. однако в этих исследованиях: приводится лишь, упоминание; о двукратном повышении" эффективности без ссылки на абсолютное значение мощности, излучения; поэтому сделать, вывод о продуктивности использования предложенного авторами [64] подхода затруднительно.

В ряде работ сообщается о получении суперлюминесценции в диодах на основе InAsSb [195] и InAs [214] при комнатной температуре, однако на данный момент нам не известно ни одной работы, в которой бы внутренний квантовый выход в вышеуказанных материалах при больших рабочих токах превышал 7jint = 2.5 %. Невысокое значение т]ы делает суперлюминесценцию маловероятной; Кроме этого в работах, посвященных суперлюминесценции [195, 214] отсутствует ёё важный признак - сверхлинейная зависимость мощности от тока - , а само значение квантового выхода никак не обсуждалось. В этой связи вопрос о предельных значениях коэффициента преобразования, и вопрос о возможности получения суперлюминесценции при комнатной температуре в узкозонных полупроводниках АЗВ5 требует дополнительных исследований.

С другой стороны, возникновение суперлюминесценции и стимулированной рекомбинации весьма вероятно при низких температурах. По этой причине температурные зависимости мощности излучения (и соответственно, квантового выхода) требуют уточнения, поскольку при больших токах и низких температурах изменяется коэффициент вывода излучения. Работ по наблюдению «вертикальной» (перпендикулярно р-n переходу) суперлюминесценции и стимулированного излучения при электрической инжекции не было, возможность вклада этих процессов« в увеличение эффективности «светодиодных» образцов при низких температурах игнорировалась

Основная часть публикаций, посвященных оптоэлектронным приборам, работающим при нулевом или обратном смещении р-n перехода (приборы отрицательной люминесценции (OJI) и фотодиоды (ФД) соответственно) в спектральной области 3-5 мкм, рассматривала «классические», т.е. содержащие относительно толстые активные области образцы. Это обусловлено невысоким коэффициентом поглощения полупроводников вблизи энергии квантов, соизмеримой с шириной запрещенной зоны (се=103 -*-104 см"1) и необходимостью утилизации основной части падающего потока. В этой связи для получения« высокой квантовой эффективности-в ФД и приборах OJI требуется большое количество одинаковых потенциальных ям, что трудно реализовать на практике. Так, например, нет ни одного сообщения о ФД на область 3.3 мкм на основе структур с пониженной размерностью. На начало нашей работы! имелись лишь единичные работы по наблюдению ОЛ в полупроводниковых р-n структурах, проведенные в Великобритании [17, 182] и США [169] й большинство исследований ОЛ было проведено на структурах без р-n перехода [122* 124, 125, 129, 130, 345], представляющих по понятным причинам ограниченный интерес для практики. Кроме этого отсутствовали исследования узкозонных диодных структур Д3В5 при температурах выше комнатной - условиях часто встречающихся на практике [12]. Указанные исследования крайне актуальны для реализации важной особенности ОЛ, а именно, ее потенциально высокой мощности при повышенных температурах в противоположность мощности «положительной» люминесценции, быстро убывающей при увеличении температуры. Критическая температура, т.е. температура, при которой коэффициент преобразования ОЛ превышает таковую при прямом смещении диода, была определена лишь в одной из работ в образцах на основе сверхрешеток InAs/InÄsSb (Л=4.3 мкм) (Т=310 К) [182]. Однако исследования ОЛ при температурах выше 310 К, равно как и данные о значительном превышении эффективности ОЛ над эффективностью «положительной» люминесценции, в литературе отсутствуют. Приводимые данные показывают обычно быстрое насыщение мощности ОЛ при температуре выше 25 С, не достигающей при этом абсолютных значений мощности «положительной» люминесценции [14, 198]. Свойства ФД прн температурах, выше комнатной, также не изучались. 8

Очень часто описываемые в работах образцы для диапазона 3-4 мкм были неоптимальными как для исследования OJI, так и "для; применения их в качестве ФД. За j ' редким исключением [31, 34, 40, 194] в работах рассматривались только фотодиоды, освещаемые с поверхности. Характерной чертой таких ФД является негативное влияние поверхностной? рекомбинации, которое можно было бы устранить,, увеличив? толщину ограничивающего слоя? и, соответственно, расстояние до р-n перехода, и одновременно организовав доставку фотонов а активную область через толщу подложки, (буферных слоев), т.е. изготавливая. ФД типа «back-side illuminated PD». Такая, возможность, не рассматривалась для ФД, работающих при комнатной температуре даже в тех случаях, когда использованные для получения структур подложки прозрачны для излучения в рабочем диапазоне [63, 99, 106, 134, 135, 169, 182, 251, 369]. Для фотодиодов и светодиодов с активной областью из InAs молчаливо полагалось, что создание освещаемых через; подложку структур с согласованными периодами решеток- слоев: и подложки затруднено.

Пелыо работы является комплексное. исследование; оптических, электрических и: механических свойств^ а. также; дефектообразования. в полупроводниковых твердых растворах и гетероструктурах с составами, близкими к InAs, и создание эффективно излучающих и принимающих излучение приборов: в средней инфракрасной области-спектра ( 3-5 мкм), пригодных для решения задач газового анализа и энергосберегающего (минимально потребляющего) приборостроения.8

Объекты и? методы исследования. Объектами 5 исследовании служили ' i • . ■ ' 1 гетероэпитаксиальные структуры на основе InAs и его твердых растворов (InAsSbP,

InGaAsSb, InAsSb), полученные на подложке InAs в ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН. Выбор этих структур обусловлен высокой теплопроводностью материалов АЗВ5, их металлургической стабильностью и невосприимчивостью к влаге, потенциально обеспечивающие их преимущества по сравнению с материалами А2В6 и А4В6.

Исследования проводились с использованием' комплекса рентгенодифракционных методов, просвечивающей электронной микроскопии, микрокатодолюминесценции, фото-и электролюминесценции, включая измерения поляризации излучения и тепловидение, разработанных в ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН, Научно-технологическом центре микроэлектроники, и субмикронных гетероструктур при Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе, РАН МГУ им. М.В.Ломоносова, Институте физики полупроводников HAH Украины (г.Киев), в СКБ Средств аналитической техники (Украина, г.Ужгород), в Институте физики полупроводников РАН (г.Новосибирск), в НПО «Буревестник» (СПБ), в Naval Research Laboratory (Washington, USA), Fraunhofer-Institut für Angewandte

Festkörperphysik, (Freiburg, Germany), VTT Electronics (Oulu, Finland), VIGO systems (Poland). Department of Physics and Astronomy, University of Turku, (Turku, Finland).

Задачи работы.

В части технологии получения полупроводниковых структур:

- разработка методов определения степени упругой деформации в градиентных структурах и исследование упруго-пластического состояния градиентных и двойных гетероструктур.

- разработка методов изготовления градиентных и двойных диодных гетроструктур InAsSbP/InAs, InGaAsSb/InAs с низкой плотностью дислокаций и низкой концентрацией остаточных примесей в активной области.

В части исследования физических процессов, обеспечивающих повышение эффективности диодных структур:

- исследования отрицательной люминесценции в диодных структурах в широком диапазоне температур. х - исследования спонтанного и стимулированного излучения в структурах InAsSbP/InAs, InGaAsSb/InAs со встроенными резонаторами.

В части оптимизации конструкции свето- и фотодиодов: исследование факторов, обеспечивающих получение максимального-коэффициента преобразования и обнаружительной способности в узкозонных диодах А В (разработка' отражающих омических контактов к InAsSbP и InAs и конструкций меза-диодов со встроенными микрорефлекторами и повышенными коэффициентом вывода/ввода излучения, тепловой проводимостью и минимальными шумами).

В части создания лазеров, свето- и фотодиодов и исследования возможности их использования для спектроскопии в среднем ИК-диапазоне:

- исследование возможности использования диодных лазеров на основе InAsSbP/InGaAsSb для спектроскопии высокого разрешения. исследование возможности использования свето- и фотодиодов среднего ИКдиапазона спектра для создания высокоточных оптических и оптико-акустических измерительных систем.

Диссертационная работа представляет совокупность актуальных исследований, имеющих отношение ко всем перечисленным задачам.

Научная новизна работы определяется тем, что в ней развито новое научное направление в изучении полупроводниковых гетероструктур, полученных в условиях высокой пластичности подложки, основанное на представлениях о пониженной пластичности четверных твердых растворов и о формировании «инверсного» распределения плотности дислокаций в процессе роста, и приборных структурах, совмещающих в себе функциональные возможности работы в качестве источников отрицательной люминесценции, свето- и фотодиодов и лазеров в средней ИК области спектра (3-5 мкм). Данное научное направление является оригинальным, и возникло в результате деятельности автора диссертации. Развита методология количественной характеризации особенностей* вышеуказанных гетероструктур, включая лазерные гетероструктуры, на основе оптических, металлографических и рентгенодифракционных методов. Исследованы процессы релаксации упругих напряжений и выявлена взаимосвязь электрических и оптических свойств слоев, гетероструктур и приборных структур с особенностями методов их получения. Обнаружены подавление безызлучательной Оже-рекомбинации при повышенных температурах в узкозонных диодных структурах при обратном смещении и модуляция равновесного теплового излучения встроенным резонатором Фабри-Перо. Результаты, работы опубликованы в 84-х научных статьях, включая два обзора и раздел в монографии. Основные положения, выносимые на защиту:

Положение 1. Релаксация упругих напряжений, происходящая в процессе г 3 5 эпитаксиальной кристаллизации градиентных слоев твердых растворов А В (/пАзБЬР) в области температур пластичности подложки из соединения А В (¡пАя), сопровождается введением в неё дислокаций преимущественно одного знака вследствие её повышенной пластичности по сравнению с твердым раствором А3В5. В процессе роста двойных гетероструктур 1пА&,БЬР/1пСаА.ч5Ь/1пА.ч5ЬР релаксация упругих напряжений происходит при преимущественном образовании сеток дислокаций несоответствия на границе с подложкой.

Положение 2. В градиентных структурах 1пА$ЗЬР/1пАз, 1пСаАвЗЬ/1пАв, полученных эпитаксиальной кристаллизацией в области температур пластичности 1пАя (680-720°С), слой твердого раствора деформирован в основном, упруго, а подложка - пластически. При этом градиентный эпитаксиальный слой без подложки сферически искривлен с радиусом кривизны Яо=а гас1 а , где а — период решетки твердого раствора.

Положение 3. Излучение, сформированное в гетероэпитаксиальной структуре с неоднородной толщиной подложки, линейно поляризовано, что связано с перераспределением остаточных упругих деформаций при профилировании подложки. Величина и спектральная зависимость степени линейной поляризации зависят от величины остаточных напряжений и характера профиля толщины подложки. Положение 4. Вероятность поглощения и излучательной рекомбинации в слое ТпАя или твердого раствора на его основе, интегрированных внутри резонатора Фабри-Перо, в длинноволновой части спектра имеют резонансные максимумы и минимумы, соответствующие указанному резонатору.

Положение 5. Эффективность источника отрицательной люминесценции на основе узкозонных твердых растворов ЬгАзБЬ увеличивается с ростом обратного тока вследствие уменьшения или полного подавления процессов безызлучателыюй Оже-рекомбинации при экстракции носителей заряда из областей, примыкающих к р-п переходу. При этом эффект подавления Оже-рекомбинации усиливается с повышением температуры, и при превышении пороговой температуры мощность отрицательной люминесценции превышает мощность «положительной» люминесценции.

Положение 6. В лазерах на основе двойных гетероструктур ЫАзБЪР/Ьх СаЛхБЬ длина волны излучения уменьшается при увеличении тока сверх порогового значения вследствие возрастания концентрации инжектированных носителей заряда, при этом скорость токовой перестройки длины волны увеличивается с уменьшением длины резонатора.

Положение 7. Предложены и реализованы новые типы высокоэффективных флип-чип оптоэлектронных приборов для средней ИК-области спектра на основе гетероструктур 1пАз/1пАз8ЬР, ЫСаАзБЬДпАзБЬР. ЬгАяБЬ/ЫАяБЬР с внутренними концентраторами, отражающими контактами и «антиоражающей» световыводящей-поверхностью, совмещающие в себе функциональные возможности свето- и фотодиодов, а также приборов отрицательной люминесценции. Указанные приборы перспективны для г практического применения в абсорбционных анализаторах, оптико-акустических сенсорах газов и миниатюрных спектрометрах.

Заключение диссертации по теме «Физика полупроводников», Матвеев, Борис Анатольевич

Заключение

Итоги работы состоят в том, что :

1. Развиты новые представления о дефектообразовании в полупроводниковых структурах А3В5, содержащих четверные твердые растворы. Релаксация упругих напряжений, вызванных градиентом периода решетки (^аё(а)), в процессе роста четверного твердого раствора в условиях пластичности подложки сопровождается изгибом структуры, при этом знак изгиба соответствует знаку ¿гас!(а), а плотность дислокаций в слое уменьшается, а в подложке - увеличивается, с уменьшением ее исходной толщины. При этом градиентный эпитаксиальный слой без подложки сферически искривлен с радиусом кривизны Ко=а /§гаё а , где а — период решетки твердого раствора. Предложена модель, качественно описывающая совокупность полученных данных, представляющая плотность краевых дислокации в градиентном кристалле как: дг = 1 1), где К- радиус изгиба кристалла. Показано увеличение а а Я остаточных деформаций в эпитаксиальном слое £т до 0.002, т.е. упрочнение материала, при «изовалентном легировании» твердых растворов - переходе от тройного ¡пАзБЬ к четверному твердому раствору ЬгСаАяБЬ, подтвержденное прямыми измерениями микротвердости.

Таким образом, проведенные исследования позволили сформулировать условия и методы получения градиентных структур с низкой плотностью дислокаций (Ж 5ЕЗ см" ), в частности, структур на основе 1пАз8Ъх в области «несмешиваемости» (х~0.54) с резким краем оптического поглощения (е~7 мэВ, а0=644 см"1 при Ьу=Еётш), позволяющим рассматривать полученные слои, как монокристаллы, а также двойных гетероструктур (ДГС) без сеток ДН в активном слое. В последнем случае в процессе роста третьего от подложки слоя, могущим иметь даже значительное несоответствие периода решетки с подложкой ((Дй?/й?)х =4-10~3), напряжения сжатия релаксируют с образованием дополнительной сетки ДН на ГР с 1пА$ при одновременном «расширении» всех трех слоев в направлении, параллельном ГР. Это позволяет локализовать дефекты структуры вне рабочей области, т.е. вне второго от подложки слоя ДГС ХпОаАзЗЬЛпАзБЬР.

2. Разработан метод определения величины и знака остаточных упругих деформаций в полупроводниковых гетероструктурах, основанный на измерении спектральной зависимости степени линейно поляризации излучения (СЗСЛПИ), выходящего с поверхности структур с профилированной подложкой, например, типа «швеллер».

3. Установлено, что легирование раствора-расплава гадолинием до концентраций ^Gd = 0.004 0.005 ат% приводит к снижению концентрации электронов^ в эпитаксиальных слоях InGaAsSb, полученных методом ЖФЭ на подложке InAs, до /277 ~ 1016 см"3 и увеличению их подвижности до U ~ 6 ■ 104 см2/В-с. При этом снижение концентрации остаточных примесей происходит за счет уменьшения концентрации как доноров, так и акцепторов. С увеличением содержания Gd в жидкой фазе от 0.005 до 0.010 je т ат% происходит дальнейшее снижение концентрации электронов до //77 = (7 -ь 8) • 10 см за счет возрастания концен грации акцепторов и перекомпенсации примесей, при этом подвижность носителей уменьшается до U = (3 + 4) • 104 см2/(В • с). При легировании Gd в интервале концентраций J^ca = 0.004-Ю.005 ат.% наблюдается увеличение интенсивности фотолюминесценции в (4 Ю) раз и уменьшение полуширины спектров ФЛ в (1.3-И.8) раз по сравнению с нелегированными образцами. Легирование Gd было успешно применено для снижения пороговых токов в инжекционных лазерах и обратных токов в фотодиодах на основе InGaAsSb и InAs.

4. Получены обогащенные InAs узкозонные слои nb-InGaAsSb(Sn) с концентрацией до 4-Ю18 см"3 и подвижностью электронов 2 103 см2В "'с"1, прозрачные для излучения в диапазоне 3-3.3 мкм за счет вырождения электронов в зоне проводимости (эффект Мосса-Бурштейна). Указанные слои использованы в качестве буферных слоев n+-InGaAsSb(Sn), пропускающих рабочее излучение во флип-чип СД.

5. Фотометрическими и опто-акустическими методами экспериментально подтвержден принцип выведения фотонной системы излучателя из состояния равновесия с окружающей средой с уменьшением излучательной способности за счет изменения концентрации излучающих осцилляторов в диодах на основе арсенида индия и близких к нему твердых растворов.

6. Сформулировано положение о предельно возможном коэффициенте преобразования для спонтанных источников, определяемом как отношение мощности излучения отрицательной люминесценции к темновому току диода (NLP/ISat), адекватно описывающем экспериментальные данные, например, температурные вариации мощности излучения светодиода.

7. Разработаны методы получения отражательных контактов к узкозонным полупроводникам на основе InAs. Обнаружена модуляция теплового излучения полупроводника в присутствии резонатора Фабри-Перо, сформированным отражательным анодом и границей раздела полупрово дни к/воз дух, на примере отрицательной / 231 люминесценции в диодных структурах, для которой пики в спектральном распределении отстоят на расстоянии А^=Я,2/2пЬ (п=3.52), где Ь — расстояние между анодом и световыводящей поверхностью.

8. Получено «вертикальное», перпендикулярное р-п переходу, когерентное излучение (1=3 мкм) и получено увеличение эффективности в спонтанном режиме за счет взаимодействия фотонов со строенным резонатором, сформированным отражательным анодом и границей раздела полупроводник/воздух, в диодах на основе 1пАв- при электрической инжекции неравновесных носителей.

9. Экспериментально продемонстрировано влияние безызлучательных процессов (Оже-рекомбинации), на эффективность преобразования в узкозонных диодах на основе 1пАз в широком диапазоне температур, включая повышенные (до 180°С). Показано, что при повышенных температурах и обратном смещении имеет место эффективная экстракция носителей, при которой происходит заметное подавление Оже-рекомбинации. В результате при достижении «критической» температуры эффективность преобразования для обратного смещенного диода (режим ОЛ) превосходит коэффициент преобразования для диода, смещенного в прямом направлении (режим электролюминесценции). Экспериментально установлены значения-«критических» температур, составившие 80, 110 и 140°С для диодов с шириной запрещенной зоны в активной области 234, 317 и 344 мэВ-(ЗООК) соответственно. Максимальный достигнутый фактор превосходства коэффициента преобразования ОЛ над ЭЛ составил-2.6 для диодов из ЬгОаАвЗЬ (Её ~317 мэВ).

10. Разработаны и созданы, диоды на основе ЬоАзБЬ, в которых получена отрицательная люминесценция с эффективностью до 90% и эффективное понижение радиационной температуры 8-10 К (для диапазона длин волн 3-5 мкм).

11. Разработаны конструкции светодиодов и приборов отрицательной люминесценции, обеспечивающие увеличение эффективности за счет организации отражения излучения от наклонных стенок мезы и анода, а также за счет микротекстурирования световыводящей поверхности и приближении к условиям увеличенного эффективного угла полного внутреннего отражения и Я± =0. Получена максимальная яркость излучения спонтанного диодного источника в диапазоне 3-5 мкм, соответствующая эффективной температуре 1250К.

12. Созданы лазеры среднего ИК диапазона на основе ДГС п-ГпАз 1 х-у8ЬхРу/п-1п 1 уОауАв^Ь^Ос!) (0.01 < V < 0.07, 0.065 < ъ < 0.07)/р-(2п)-1пА5Кх.у8ЪхРу (0.05 < х < 0.09, 0.09 < у < 0.18) с рекордно низкими пороговыми токами (40 А/см2), показано, что уменьшение длины резонатора приводит к возрастанию пороговой концентрации неосновных носителей и соответственно росту внутризонного поглощения, получено увеличение скорости* токовой; перестройки* в «коротких» лазерах, (Ьг701 мкм, с1у/сИ=2\0 см"7А). Получены рекордные: значения мощности лазеров» (6Вт) (ширина полоска \У=200 мкм, Ь=600 мкм) в области 3 мкм и; продемонстрирована спектроскопия .высокого разрешения газа метана при; токовой;, перестройке длины волны в одном одовых лазерах с шириной* полоска 20. мкм. ,ч • . '

13. Созданы) эффективные линейки и «иммерсионные» фото- и светодиоды, создающие положительный и отрицательный контраст в спектральном диапазоне 3-5 мкм; С использованием разработанных флип-чип диодов продемонстрированы отрицательный оптико-акустический эффект и детектирование ряда газов в малогабаритных кюветах (длина оптического пути менее 5 см) с пределом обнаружения на уровне нескольких частей на миллион.

Практическая; ценность работы заключается в фундаментальном характере исследованных явлений и установленных закономерностей. Научные выводы носят общий характер и не ограничиваются объектами, непосредственно исследованными в, работе. Новые методы количественного определения,величины остаточной упругой деформации в структурах с профилированной подложкой, коэффициента оптического отражения; основанного на анализе ИК изображений;, в сочетании с традиционными; методами изучения полупроводниковых слоев и гетероструктур являются основой для разработки: методов; диагностики сложных структур, изучение которых традиционными методами: затруднено. Установленные в результате проведенных исследований:; механизмы релаксации упругих напряжений могут быть использованы, также и в других, далеких от полупроводниковой электроники областях, например, в рентгеновской технике при создании фокусирующих кристалл-монохроматоров с высоким фактором заполнения и комбинированных устройств, работающих в оптическом и рентгеновском диапазонах спектра. Результаты, полученные в диссертации, существенно углубляют понимание взаимосвязи электрических и оптических свойств полупроводниковых слоев, гетероструктур и приборных структур,, что, с одной стороны, позволяет совмещать в одном устройстве функции нескольких приборов, например, таких как свето-, фотодиод и прибор отрицательной люминесценции, а с другой стороны, расширяет возможности диагностики, например, с использованием понятия предельно возможного коэффициента преобразования. (ЫРЫ 15а!) , где ЫЬР- мощность отрицательной люминесценции, а 1ии— значение тока насыщения. Продемонстрированное подавление Оже-рекомбинации в режиме ОЛ будет полезно для проведения оптических измерений в устройствах, работающих в условиях повышенных температур, когда обычные («положительные») фотонные источники неэффективны. Разработанные подходы создания источников излучения с «тонкой» структурой спектра (резонансы Фабри-Перо) будут востребованы для спектроскопии высокого разрешения. Ряд полученных результатов, например подавление потерь, вызванных полным внутренним отражением, с помощью техники иммерсии, был использован при создании эффективных свето- и фотодиодов, уже нашедших практическое применение, например, в устройствах для определения концентрации углеводородов на трассе и паров этанола в выдыхаемом воздухе.

Материалы диссертации представлялись для обсуждения Российскому и международному научным сообществам на конференциях по Физике и технологии GaAs и других полупроводников III-V (Conf. on Physics and Technology of GaAs and other III-V Semiconductors (1986, 2006 Томск), симпозиумах Materials Research Society (MRS, 1990 (v.216), Boston, USA, 2005 Boston, USA), 3-ей международной советской конференции по волоконной оптике (International Soviet Fiber Optics Conference(ISFOC-93)(1993 СПБ), конференциях общества оптических инженеров SPIE (1993 Boston, USA (v,2069), 1995 Munich, Germany (v.2506), 1996 Uzhgorod, Ukraine (v.3182), 2000 Kyiv, Ukraine (v.4355), 2001 San Jose, USA (v.4285, v.4278), 2002 San Jose, USA (v.4650), 2005 Warsaw, Poland (v.5957), 2007 Prague, Czech rep.(v.6585), 2009 San Jose, USA (v. 7223), 2010 San Francisco, USA (v. 7597, v.7609, v.7607)), European Conference on Optical Chemical Sensors and Biosensors (EUROPTRODE)(1994 Firenze, Italy, 2000 Lyon, France), International Symposium" on Monitoring of Gaseous Pollutants by Tunable Diode Lasers (1994, 1998 Freiburg, Germany), CLEO/Europe'96 (1996 Hamburg, Germany), International Conference on Mid-infrared Optoelectronics.Materials and Devices (MIOMD) (1996 Lancaster, UK, 1998 Prague , Czech Rep., 2002 Annapolis, USA, 2004 СПБ, 2005 Lancaster, UK, 2007 Bad Ischl, Austria., 2008 Freiburg, Germany), Optics Day'97 (1997, Tampere, Finland), 2nd International Conference on Tunable Diode Laser Spectroscopy (1998, Moscow, Russia), International conference on Ecology of cities (1998, Rhodes, Greece), International Conference "Physics at the turn of the 21st century" (1998, СПБ), Российской конференции по физике полупроводников (1999 Новосибирск, 2003 СПБ, 2007 Екатеринбург), Международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения (2002, 2004, 2008, 2010 Москва), Международной конференция Оптика, Оптоэлектроника и Технологии (2001, Ульяновск), 15-th UK National Quantum Electronics and Photonics Conference (QEP-15, Mid-Infrared Workshop) (2001 Glasgow, Великобритания), Всероссийской научной конференции «Физика полупроводников и полуметаллов (2002 СПБ), Nothern Optics (2003 Espoo, Finland), 11th international Conference on Narrow Band Semiconductors (2003 Buffalo, USA), Международном семинаре по оптоэлектронике (2003, 2008 СПБ), конференции «Лазеры для медицины, биологии и экологии», (2005 СПБ), Wave Electronics and Its Applications in

Information, and Telecommunication Systems, (2005 СПБ), IEEE SENSORS-(2008, Italy) и Международном Форуме по нанотехнологням (2008, 2009 Москва), а также неоднократно докладывались на Большом Ученом Совете, Ученом Совете Центра Физики Наногетероструктур и семинарах Лаборатории инфракрасной оптоэлектроники ФТИ им.А.Ф;Иоффе РАН.

Публикация »основных результатов работы (всего - 84 публикации, включая два обзора и раздел в монографии) осуществлялась в журналах Физика и техника полупроводников, Физика твердого тела, Журнале Технической физики, Письмах в журнал Технической физики, Кристаллография, Журнале Прикладной спектроскопии, Известия АН СССР, серия Физическая, Неорганические материалы, Поверхность.Физика, химия, механика, phys.stat.sol., Solid State Phenomena, Semicond.Sci.Technol., Infrared Physics & Technology, Spectrochimica Acta, Sensors and Actuators B, IEE Proceedings ,Optoelectronics, SPIE Proceedings, MRS Proceedings, Applied Physics Letters, J.Mod.Optics, Оптоэлектроника и полупроводниковая техника, Physica Е: Low-dimensional Systems and Nanostructures, Материалы электронной техники, Прикладная Физика, Vibrational Spectroscopy, Sensors Journal, IEEE, Journal of Applied Physics и в монографии «Mid-infrared Semiconductor Optoelectronics, Springer Series in OPTICAL SCIENCE».

Отдельные этапы работы были отмечены премиями за лучшую работу ФТИ им.А.Ф.Иоффе РАН («Диодные пары источник-приемник отрицательного и положительного контраста для диапазона 3-6 мкм» (2001), «Высокоэффективные свето- и фотодиоды (3-5 мкм) для ИК газоанализаторов» (2009)), именной премией Я.И.Френкеля (ФТИ) («Обнаружение и исследование явления отрицательной люминесценции в полупроводниках, и создание приборов» (2007)), премией отделения (ЦФНГС) («Свето- и фотодиоды на основе узкозонных гетероструктур А3В5 для волоконно-оптических датчиков среднего инфракрасного диапазона 3-8 мкм» и премией Совета молодых специалистов ФТИ («Фокусирующие приборы дифракционной оптики на основе эпитаксиальных гетероструктур» (1986)).

В заключение автор благодарит своих коллег Н.С.Аверкиева, М.Айдаралиева, С.Е.Александрова, Т.С.Аргунову, А.А.Бакуна, Г.А.Гаврилова, Ю.М. Задиранова.

A.Л.Закгейма, Н.В.Зотову, В.В.Евстропова, В.И.Иванова-Омского, Н.Д. Ильинскую, А.А. Капралова, С.А.Карандашева, Л.А.Кулакову, Б.Ш.Кушкимбаеву, Р.Н.Кютта, С.Г.Конникова, И.И.Маркова, В.К.Малютенко, Л.Д.Неуймину, В.И.Петрова, В.Г. Половинкина, Т.В.Попову, И.Н.Попова, М.А.Ременного, С.С.Рувимова, Г.Ю.Сотникову, Л.М.Сорокина, Н.М.Стуся, В.Б.Смирницкого, Н.Н.Смирнову, Н.Г.Тараканову,

B.В.Тетёркина, А.А.Усикову, Ю.А.Фадина, Е.И.Чайкину, М.А.Чернова, А.Е. Чернякова,

А.А.Шленского, В.В.Шустова, Т. Beyer, T.Kuusela, J.Malinen, J.Meyer за неоценимую помощь при проведении исследований и работе над статьями, моих научных консультантов М.П.Михайлову и Ю.П.Яковлева и всех сотрудников лаборатории инфракрасной оптоэлектроники ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН за поддержку и доброжелательное отношение ко мне.

Борис Матвеев СПБ, 2 июня 2010 года.

Список литературы диссертационного исследования доктор физико-математических наук Матвеев, Борис Анатольевич, 2010 год

1.В., "Действие контактных детекторов влияние температуры на генерируюший контакт», Телеграфия и телефония без проводов, 18, 45-62 (1923).

2. Лосев О.В., «Спектральное распределение вентильного фотоэффекта в кристаллах карборунда», ДАН СССР, 29, вып.5-6, 363-364 (1940).

3. Alferov Zh.I., "Nobel Lecture: The double heterostructure concept and its applications in physics, electronics, and technology", Rev. Mod. Phys., 73, 767-782 (2001).

4. Abrahams M.S., Weisberg L.R., Buiocchi C.J., Blank J., "Dislocation Morphology in graded heterojunctions: GaAsj.xPx", J.Mater.Sci., 4, 223-235 (1969).

5. М.Айдаралиев, Н.В.Зотова, С.А.Карандашев, Б.А.Матвеев, М.А.Ременный, Н.М.Стусь, Г.Н.Талалакин, "« Иммерсионные» инфракрасные светодиоды с оптическим возбуждением на основе узкозонных полупроводников АШВУ ",ФТП, 2002, 36, 881-884 (2002)

6. Aidaraliev М„ Zotova N.V., Il'inskaya N.D., Karandashev S.A., Matveev B.A., Remennyi M.A., Stus' N.M. , Talalakin G.N., "InAs and InAsSb LEDs with built-in cavities", Semicond. Sci. Technol., 18, 269-272 (2003).

7. Aidaraliev M„ Zotova N.V., Karandashov S.A., Matveev B.A., Stus' N.M., Talalakin G.N., «Spontaneons and stimulated Emission from InAsSbP/InAs Heterostuctures».-phys. stat.sol. (a), U5, K117-K120 (1989).

8. Aidaraliev M„ Zotova N.V., Karandashov S.A., Matveev B.A., Stus' N.M., Talalakin G.N., "Low-threshold long-wave lasers (X,=3.0-3.6 цт) based on III-V alloys" Semicond.Sci.Technol., 8, 1575-1580 (1993).

9. Aidaraliev M„ Zotova N.V., Karandashov S.A., Matveev B.A., Stus' N.M. , Talalakin G.N., "Midwave (3-4 цт) InAsSbP/InGaAsSb infrared diode lasers as a source for gas sensors ", Infrared Physics & Technology, 37, 83-86(1996).

10. B. Andrews. Abstracts of international conference on Mid-infrared Optoelectronics: Materials and Devices 27 June -2 July 2004, St Petersburg, Russia (MIOMD-VI), 90 (http://www.ioffe.rssi.ru/MIOMD-VI/miomd-abs.html)

11. Argunova T.S., Kyutt R.N., Matveev B.A., Ruvimov S.S., Stus' N.M. , Talalakin G.N., "Distribution of defects in InAsi.x.ySbxPy- InAs DHs", Solid State Phenomena, 19*20, 581-586 (1991).

12. T. Ashley, J. G. Crowder, V. P. Mannheim, S. D. Smith, "Infrared Light Emitting Diodes" PCT Patent Application WO 00/02263 (January 13, 2000).

13. T.Ashley, D.T. Dutton, С. T. Elliott, N. T. Gordon, T. J. Phillips, "Optical Concentrators for Light Emitting Diodes", Proc. SPIE, 3289, 43 -50 (1998).

14. T.Ashley, C.T.Eliott, N.T.Gordon, R.S.Hall, A.D.Johnson, G.J.Pryce, "Uncooled InSb/Ini.xAlxAs mid-infrared emitter", Appl.Phys.Lett., 64 2433-2435 (1994).

15. T.Ashley, C.T.Eliott, N.T.Gordon, R.S.Hall, A.DJohnson, G.J.Pryce "Negative luminescencc from Ini„xAlxSb and CdxHgi.xTe diodes", Infrared Physics

16. Technology, 36, 1037-1044 (1995).

17. T.Ashley, J.A. Beswick, J.G. Crowder, D.T. Dutton, C. T. Elliott, N. T. Gordon, A. D. Johnson, C.D. Maxey, G.J. Pryce, C. H. Wang, "4- to 10-pm positive and negative luminescent diodes" Proc. SPIE 3279, 104-112 (1998).

18. D.A.Baglee, D.K.Ferry, C.W.Wilmsen, H.H.Wieder, "Inversion layer transport and properties of oxides on InAs", J. Vac. Sci. Technol., 17, 1032-1036 (1980).

19. Ball C.A.B., Laird C. "A calculation of the energy of misfit dislocations and critical thickness in graded epitaxial layers", Thin Solid Films, 41, 307-314 (1977).

20. A.N.Baranov, A.N.Imenkov, V.V.Sherstnev, Yu.P.Yakovlev, "2.7-3.9 pm InAsSb(P)/InAsSbP low threshold diode lasers," Appl.Phys. Lett., 64, 2480-2482 (1994).

21. M.Beck, D.Hofsteller, T.Aellen et al "Continuous -wave operation of a mid-infrared semiconductor laser at room temperature", Science , 295, 301-305 (2002).

22. H. Benisty, H. De Neve, C. Weisbuch, "Impact of planar microcavity effects on light extraction—Part I: Basic concepts and analytical trends," IEEE J. Quantum Electron. 34, 1612-1631 (199.8).

23. Bewley, W. W. Vurgaftman, I. Felix, C. L. Meyer, J. R. Lin, C.-H. Zhang, D. Murry, S. J. Pei, S. S. Ram-Mohan, L. R., "Role of internal loss in limiting type-II mid-IR laser performance", J. Appl. Phys., 83, 2384 2391 (1998)

24. S. Blaser, D. A. Yarekha, L. Hvozdara, Y. Bonetti, A. Muller, M. Giovannini, and J. Faist, "Room temperature Continuous -wave single mode quantum cascadc lasers at X-5.4 pm", Appl. Phys. Lett. 86, 0411109-041111 (2005)

25. S.S. Bolgov, V.K. Malyutenko, V.I. Pipa, "Negative luminescence in semiconductors", Tech. Phys. Lett., 5, 23 (1979).

26. L.G. Bubulak, A.M. Andrews, E.R. Gertner and D.T. Longo, "Backside-illuminated InAsSb/GaSb broadband detectors", Appl.Phys.Lett., 36, 734-736 (1980).

27. W. H. Burkett, B. Lu, and M. Xiao, "Influence of injection-current noise on the spectral characteristics of semiconductor lasers", IEEE J. Quantum Electron, 33, 2111-2118(1997)

28. M Carras, C Renard, X Marcadet, J L Reverchon, B Vinter and V Berger , «Generation-recombination reduction in InAsSb photodiodes", Semicond. Sci. Technol., 21, 1720-1723, doi: 10.1088/0268-1242/21/12/037 (2006.)

29. D.T. Cheung, A.M. Andrews, E.R. Gertner, G.M.Williams, J.E.Clarke, J.G.Pasko,, J.T.Longo, "Backside-illuminated InAsi.xSbx -InAs narrow-band photodetectors",35