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

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

и др.). Молекулы метана, как и других углеводороРассмотрим выращенную симметричную двойную дов, обладают способностью поглощать инфракрасное гетероструктуру, на основе которой изготавливались излучение. У метана сильные полосы поглощения расСД и лазеры (рис. 1). Структура состояла из положены в диапазоне длин волн 3.3 m [1], поэтому подложки InAs (111) B (n 3 1018 cm-3), на котополупроводниковые светодиоды (СД), работающие в вырую наращивались преднамеренно нелегированный слой шеупомянутой области спектра, могут использоваться в InAsSbP (n 1017 cm-3) толщиной 1.2 m, специальпортативных газоанализаторах в качестве источников изно нелегированный активный слой n-InAs (толщилучения. Соединения на основе солей свинца (IVЦVI) [2], ной 1m) и p-InAsSbP, легированный цинком до уровня а также узкозонных полупроводников HgCdTe (IIЦVI) [3] p 8 1017 cm-3, толщиной 1.2 m. Последующие обладают низкой теплопроводностью, а также значиизмерения показали, что произошла диффузия цинка из тельной металлургической нестабильностью, что делает последнего барьерного слоя InAsSbP и активный слой их в сравнении с твердыми растворами IIIЦV менее InAs имеет p-тип проводимости. p-n-переход располапривлекательными материалами для изготовления ингался в первом барьерном слое InAsSbP на расстоянии фракрасных излучателей. Для области спектра 3.3 mна 0.5 m от подложки n-InAs. Содержание фосфора в барьоснове полупроводников IIIЦV светодиодные структуры ерных слоях составляло 25%. Ширина запрещенной создавались чаще всего методом жидкофазной эпитаксии зоны (Eg) твердого раствора InAsSbP, рассчитанная по (ЖФЭ) [4Ц6], реже газофазной эпитаксией из металлоданным работы [10], составляла 580 meV.

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

водилось методом МОГФЭ в стандартном реакторе гоОсновным недостатком созданных СД для спектральризонтального типа при атмосферном давлении. Конного диапазона 3Ц5 m является недостаточная для приструкция реактора была аналогична ранее подробно кладных приложений выходная оптическая мощность излучения: 0.1 mW в непрерывном режиме и 1mW в импульсном режиме работы, что сдерживает практическое использование таких СД. Данная работа является продолжением наших работ по СД в области 3Ц5 m, которые создавались ранее методом ЖФЭ. Мы продолжаем данной работой цикл исследований по созданию СД методом МОГФЭ [9] и ставим перед собой задачу увеличения эффективности СД почти на порядок по сравнению с излучателями, созданными ЖФЭ. Такой прогноз базируется на возможности более гибкого использования МОГФЭ для выращивания гетероструктур типа InAsSb/InAsSbP, прежде всего за счет выращивания более широкозонных слоев InAsSbP (например, в области несмешиваемости) и создания гетероструктур с лучРис. 1. Энергетическая диаграмма выращенной симметричной шим электронным и оптическим ограничением, а также двойной гетероструктуры InAsSbP/InAs/InAsSbP при комнатгетероструктур с более совершенной морфологией. Дан- ной температуре.

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

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

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

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

соответственно 435 и 50 cm3/min. TMIn и TMSb под- B спектре, измеренном при 77 K, четко наблюдаются держивались при температурах 27 и 6C соответственно. 2 пика: первый (коротковолновый) принадлежит Поток AsH3 (20%) составлял 6 cm3/min, PH3 (20%) Ч подложке n-InAs (hvmax = 410 meV, Dhv1/2 = 50 meV), 50 cm3/min. p-тип проводимости в InAsSbP слое дости- что соответствует концентрации электронов гался легированием цинком. Источником цинка служил 31018 cm-3 [12], и второй, принадлежащий активному диэтилцинк (DeZn). Емкость с DeZn поддерживалась слою p-InAs (hvmax = 380 meV, Dhv1/2 = 26 meV), p при температуре 4.7C. Поток водорода через испаритель 8 1017 cm-3 [13]. Исходя из полученных результатов, с DeZn составлял 20 cm3/min.

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

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

Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 60 Е.А. Гребенщикова, Н.В. Зотова, С.С. Кижаев, С.С. Молчанов, Ю.П. Яковлев В дальнейшем при создании более эффективных светодиодов на основе ДГС InAs/InAsSbP нам следует увеличить толщину активной области до ее оптимального значения и уменьшить концентрацию дырок. Вдобавок, так как вероятность излучательной рекомбинации в n-InAs больше, чем в p-InAs [13], в активной области следует использовать материал n-типа проводимости. Кроме того, метод МОГФЭ позволяет выращивать твердые растворы InAsSbP в области несмешиваемости [11,15,16], чем можно усилить оптическое и электронное ограничение в ДГС InAs/InAsSbP. Хотя рассмотренная в работе светодиодная структура является далеко не оптимальной, тем не менее уже первые СД, созданные методом МОГФЭ, продемонстрировали мощность излучения, сравнимую Рис. 3. Ампер-ваттная характеристика диода, измеренная в со значениями ранее полученными у СД, изготовленных импульсном режиме ( = 5 s, f = 500 Hz). P Чмощность различными другими методами [4Ц8].

в оптическом диапазоне.

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

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

Spectr. Rad. Transfer. 1992. Vol. 48. P. 469Ц507.

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

к быстрому росту концентрации носителей заряда и, как 1991. Vol. 58 (4). P. 343Ц345.

следствие, к усилению оже-рекомбинации.

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

Эффективность исследуемых светодиодов можно улучLett. 1995. Vol. 67 (18). P. 2591Ц2593.

шить путем оптимизации параметров ДГС. Так, [4] Айдаралиев М., Зотова Н.В., Карандашев С.А. и др. // в работе [14], где рассматривается механизм рекомФТП. 2000. Т. 34. Вып. 1. С. 102Ц105.

бинации неравновесных носителей заряда в структуре [5] Попов А.А., Степанов М.В., Шерстнев В.В., ЯкоInAs/InAs0.16Sb0.84 (активная область p-InAs), показано, влев Ю.П. // Письма в ЖТФ. 1997. Т. 23. Вып. 21. С. 24Ц31.

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

излучательной рекомбинации не зависит от тока, ее знаP. 1968Ц1969.

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

товый выход 9%. Эти величины получены при оптиOptoelectron. 1998. Vol. 145 (5). P. 257Ц260.

мальных значениях концентрации дырок p 31017 cm-3 [8] Grieteus B., Nemeth S., Borghs G. // Intern. Conf. Midи толщины активной области 3 m. С увеличением infrared Optoelectronics. Materials and devices. Lancaster толщины активной области возрастает перепоглощение (UK), 1996.

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

света (длина поглощения в p-InAs в максимуме спектра 2000. Т. 34. Вып. 12. С. 1462Ц1467.

излучения 4.8 m) и эффективность падает. При [10] Adachi S. // J. Appl. Phys. 1987. Vol. 61 (10). P. 4869Ц4876.

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

комбинация на интерфейсе InAs/AlAsSb.

Cryst. Growth. 1994. Vol. 143. P. 155Ц161.

На вставке к рис. 2 показан спектр стимулированного [12] Аллаберенов А.А., Зотова Н.В., Наследов Д.Н., Неуймиизлучения лазерного диода при T = 77 K, изготовленнона Л.Д. // ФТП. 1970. Т. 4 (10). С. 1939Ц1942.

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

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

мулированного излучения свидетельствует о совершенLett. 2000. Vol. 76 (8). P. 943Ц945.

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

рогового тока Jth = 330 mA, объясняется недостаточной Growth. 1988. Vol. 93. P. 62Ц69.

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

размером активной области и положением p-n-перехода Vol. 195. P. 373Ц377.

с точки зрения лазерной структуры.

Журнал технической физики, 2001, том 71, вып.    Книги по разным темам