Комплексне легування в технології отримання гетероструктур для напівпровідникових інжекційних лазерів на основі GaAs-AlGaAs

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний університет “Львівська політехніка”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

05.27.06 - технологія, обладнання та виробництво електронної техніки

Комплексне легування в технології отримання гетероструктур для напівпровідникових інжекційних лазерів на основі GaAs-AlGaAs

Мрихін Ігор Олександрович

Львів-2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі напівпровідникової електроніки Національного університету “Львівська політехніка”.

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор

Заячук Дмитро Михайлович,

Національний університет “Львівська політехніка”,

професор кафедри напівпровідникової електроніки

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор,

лауреат державної премії України

Марончук Ігор Євгенович,

Херсонський національний технічний університет,

професор кафедри енергетики і електротехніки

доктор технічних наук, професор,

Ціж Богдан Романович,

Львівська державна академія ветеринарної медицини

ім. С.З. Гжицького

професор, завідувач кафедри загальнотехнічних дисциплін

Провідна установа: Чернівецький національний університет ім. Ю. Федьковича, Міністерство освіти України

Захист дисертації відбудеться “____” _квітня 2006 р. о_14 ³⁰_год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.12 при Національному університеті „Львівська політехніка” (79013, м. Львів, вул. Ст. Бандери,12).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” (79013, м. Львів, вул. Професорська, 1).

Автореферат розісланий “____” березня 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 35.052.12 Заячук Д.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Метод рідиннофазної епітаксії (РФЕ) - це метод, який дав можливість відносно просто створити перші лазери на основі гетероструктур GaAs/AlGaAs. Протягом тривалого часу (до початку 90-х років) він використовувався в промисловому виробництві як основний метод отримання лазерних гетероструктур. З розвитком інших методів епітаксії, зокрема технології газофазної епітаксії з металоорганічних сполук (МОС-ГФЕ), які дозволяють нарощувати активні області лазерних гетероструктур з надґратками, вже ці методи почали займати чільне місце в промислових процесах для створення гетероструктур. Проте для лабораторних цілей далеко не завжди зручно використовувати метод МОС-ГФЕ через велику вартість матеріалів. З іншого боку, актуальність методу РФЕ і на сьогоднішній день постійно підтверджується появою публікацій, в яких демонструються його практичні можливості стосовно нарощування квантоворозмірних епітаксійних шарів та створення на їх основі лазерних структур, не гірших за своїми експлуатаційними параметрами за структури, отримані методами МОС-ГФЕ та молекулярно-променевою епітаксією (МПЕ).

Однією із основних проблем, яка виникає при застосуванні будь-якого методу епітаксії, є проблема неконтрольованих фонових домішок, які потрапляють у шари, що кристалізуються. Перевагою методу РФЕ у цьому відношенні є те, що він дозволяє використовувати досить широкий технологічний арсенал для вирішення даної проблеми, зокрема використовуючи гетеруючі властивості домішок рідкісноземельних елементів (РЗЕ). Важливо також, що, крім домішок РЗЕ, в РФЕ з метою впливу на дефектно-домішкову систему нарощуваних епітаксійних шарів можуть бути ефективно використані й інші домішки, зокрема домішки ізовалентних елементів.

Природно, що використання великої кількості домішок в процесі РФЕ вимагає вирішення наступної задачі, яка полягає в тому, щоб знайти оптимальне поєднання позитивних сторін методики РФЕ і дії домішок на властивості як розчинів-розплавів, так і структур, які з них кристалізуються - належним чином комбінуючи пари домішок РЗЕ з іншими елементами при впливі на кристалічні матриці, досягти якісно нового рівня контролю параметрів напівпровідникового матеріалу, створити епітаксійні шари і структури з принципово вищим рівнем експлуатаційних характеристик. Функціональна роль РЗ елементу, як компонента домішкової пари, повинна полягати, перш за все, в очистці шляхом гетерування на відстані напівпровідникової матриці, що кристалізується із спеціально легованого розчину-розплаву, головним чином зв'язуючи фонові домішки в цьому розчині-розплаві. Функціональна роль додаткового компонента домішкової пари полягає або у підсиленні гетеруючого ефекту РЗ домішок в розчині-розплаві, або в додатковій модифікації електричних і структурних параметрів епітаксійних шарів під впливом безпосереднього їх легування цим компонентом. Саме такі задачі є предметом дослідження і вирішення у даній роботі.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася відповідно до планів наукової діяльності кафедри напівпровідникової електроніки Національного університету “Львівська політехніка” в рамках наукової тематики: “Фізико-хімічні процеси вирощування напівпровідникових кристалів та плівок” та “Механізми переносу заряду та процеси дефектоутворення в напівпровідниках та діелектриках”.

Об'єкт дослідження: технологія вирощування епітаксійних шарів GaAs, AlGaAs в методі низькотемпературної рідинно-фазної епітаксії.

Предмет дослідження: комплексне легування домішками різного функціонального призначення для цілеспрямованого керування параметрами епітаксійних шарів на основі GaAs в методі низькотемпературної рідинно-фазної епітаксії.

Мета дослідження: Метою дисертаційної роботи є встановлення закономірностей комплексної дії ізовалентних, рідкісноземельних елементів та електрично активних легуючих домішок на електрофізичні властивості епітаксійних шарів на основі GaAs в технології низькотемпературної РФЕ та вивчення можливостей її застосування для отримання гетероструктур GaAs-AlGaAs для інжекційних напівпровідникових лазерів.

Завдання дослідження: Для досягнення поставленої мети дисертаційного дослідження необхідно було розв'язати наступні задачі:

· Розробити та реалізувати установку для визначення концентраційних профілів вільних носіїв заряду в багатошарових гетероструктурах на основі GaAs.

· Дослідити закономірності комплексного впливу рідкісноземельних і ізовалентних елементів на електрофізичні властивості епітаксійних шарів на основі GaAs у процесі їх вирощування методом низькотемпературної РФЕ з розплавів галію.

· Дослідити можливості цілеспрямованого керування концентрацією вільних дірок в епітаксійних шарах на основі GaAs, очищених домішками ізовалентних і рідкісноземельних елементів, за допомогою оптимальних для процесу низькотемпературної РФЕ шарів акцепторних домішок.

· Спростити технологію нарощування методом низькотемпературної РФЕ активних і хвилевідних шарів гетероструктур для напівпровідникових лазерів на основі арсенідів галію й алюмінію.

· Тестувати ефективність розробленої технології керування параметрами епітаксійних шарів AlGaAs шляхом реалізації режиму лазерної генерації на подвійних гетероструктурах, створених на основі таких шарів.

Методи дослідження: В дисертаційній роботі для дослідження електрофізичних властивостей епітаксійних шарів, зокрема рухливості, концентрації вільних носіїв заряду та типу провідності, використовувалися метод Ван-дер-По та “термозонду” відповідно. Товщина епітаксійних шарів вимірювалась на сколі структури з допомогою оптичного мікроскопу Биолам-М. Для визначення товщини тонких шарів у складі лазерних гетероструктур використовувався метод косого шліфа (кут нахилу 3є), що збільшувало роздільну здатність по товщині майже в 20 раз. Електролюмінесцентні дослідження лазерних структур проводились при кімнатній температурі в імпульсному режимі з використанням автоматизованої установки для запису спектрів випромінювання на базі монохроматора МДР-2.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Визначено коефіцієнт дифузії атомів As в розчині-розплаві Ga для типових в низькотемпературній РФЕ лазерних гетероструктур арсенідів алюмінію й галію температур (Т ~ 590 ^оС), використовуючи моделювання процесу росту плівки із пересиченого розплаву Ga і його порівняння з результатами технологічних експериментів.

2. Виявлено, що оптимальні для гетерування неконтрольованих домішок в розплавах Ga, з яких нарощують епітаксійні шари Al_xGa_1-xAs, концентрації легуючої домішки Yb залежать від складу твердого розчину Al_xGa_1-xAs і встановлено інтервали цих значень для практично важливих складів х = 0.1 і 0.3.

3. Експериментально доведено придатність використання в методі низькотемпературної РФЕ шарів GaAs і AlGaAs гетеруючого впливу рідкісноземельної домішки Yb для значного спрощення технології вирощування лазерних гетероструктур GaAs / AlGaAs за рахунок уникнення тривалих і енергоємних термічних відпалів вихідної шихти.

4. Експериментально виявлено можливість текстурування поверхні епітаксійних шарів Al_xGa_1-xAs за допомогою домішки магнію, визначено концентраційні діапазони домішки, які дозволяють ефективно проводити таке текстурування, і встановлено їх залежність від складу Al_xGa_1-xAs.

Практичне значення одержаних результатів:

1. Запропоновано конструктивні удосконалення касети для проведення рідинно-фазної епітаксії, які дають можливість отримувати тонкі, субмікронних розмірів, епітаксійні шари на основі GaAs різного складу і рівня легування за рахунок забезпечення швидкої (протягом 5 -10 с) заміни в касеті ростових розплавів-розчинів.

2. Удосконалена і реалізована установка електрохімічного профілювання концентрації вільних носіїв заряду в епітаксійних шарах на основі GaAs, дія якої базується на визначенні ВФХ переходу електроліт-напівпровідник, ефективно може бути використана для заміни в процесі розв'язання аналогічних задач методу ртутного зонда, який є екологічно небезпечним.

3. Обґрунтовані та апробовані режими використання легування розчинів-розплавів домішками РЗЕ в технології РФЕ для зниження рівня фонових домішок дозволяють значно скоротити і здешевити процес епітаксійного нарощування шарів на основі GaAs шляхом відмови від довготривалих відпалів вихідної шихти.

4. Режими легування домішкою Yb, апробовані на модельній подвійній лазерній гетероструктурі, можуть бути безпосередньо використані у технологічному процесі створення за допомогою РФЕ сучасних лазерних гетероструктур на основі арсенідів галію й алюмінію з роздільним обмеженням та квантово-розмірною активною областю.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень представлені у дисертації доповідались та обговорювались на:

· II Українській науковій конференції з фізики напівпровідників (Чернівці-Вижниця, Україна, 20-24 вересня 2004 р.);

· V международной научно-практической конференции “Современные информационные и электронные технологии” (Одесса, 17-21 мая 2004 г.);

· Відкритих науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу Інституту телекомунікацій, радіоелектроніки та електронної техніки Національного університету “Львівська політехніка” з проблем електроніки (Львів, 6-8 квітня 2004 р. та 5-7 квітня 2005 р.);

· International Conference “Crystal maerials'2005” (May 30 - June 2, 2005, Kharkov, Ukraine);

· X Ювілейній Міжнародній Конференції з Фізики і Технології Тонких Плівок (Івано-Франківськ, 16-21 травня, 2005р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 12 робіт - 6 статей у наукових фахових виданнях, 6 тез конференцій.

Особистий внесок здобувача в отриманні наукових результатів, викладених в дисертації.

Основні експериментальні результати отримані особисто автором, ним виконана обробка та аналіз одержаних результатів, а також прийнята безпосередня участь у написанні статей, які лягли в основу дисертаційної роботи.

У представлених дослідженнях, виконаних в співавторстві, вклад дисертанта був визначальним. Прізвища співавторів, які брали участь у дослідженнях з окремих питань, що розв'язуються у дисертаційній роботі, наведені в списку опублікованих робіт.

У нижче перерахованих працях дисертанту належить: участь в технологічних експериментах з нарощування епітаксійних шарів для давачів Холла та фотоперетворювачів сонячної енергії [1,3]; планування, підготовка та проведення технологічних експериментів з нарощування епітаксійних шарів AlGaAs методом РФЕ під дією різних домішок, тестування їх параметрів [2,4,11,12]; розробка, монтаж та тестування установки електрохімічного профілювання [5,7-9]; вирощування методом РФЕ лазерних гетероструктур GaAs / AlGaAs та дослідження їх параметрів [6,10]. В усіх роботах спільно зі співавторами проведено обговорення експериментальних результатів, аналіз виявлених ефектів та закономірностей, підготовка статей до друку.

Структура і об'єм дисертації. Дисертація складається зі переліку умовних позначень, вступу, чотирьох розділів, загальних висновків та списку використаних джерел, що складається з 144 найменувань. Робота викладена на 122 сторінках друкованого тексту та містить 38 рисунків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми, визначена мета та основні завдання роботи, показана наукова новизна отриманих результатів та їх практична цінність.

Перший розділ дисертаційної роботи має оглядовий характер. Він розпочинається з аналізу робіт по вирощуванню епітаксійних шарів на основі сполук А³В⁵ методами газофазної епітаксії (ГФЕ) в гідридному та хлоридному її різновидах та ГФЕ з металоорганічних сполук і гідридів (МОС-ГФЕ), які є основними конкурентами методу РФЕ при масовому використанні. Особлива увага акцентується на одному з основних параметрів епітаксійних шарів - рівні фонової концентрації вільних носіїв заряду та способах її зменшення, який часто є визначальним для вибору того чи іншого технологічного методу для вирощування тонких плівок та структур на їх основі.

Огляд технології РФЕ розпочинається з аналізу моделей розчинів-розплавів та розрахунку фазової рівноваги розплав-тверде. Розглянуті основні моделі розчинів-розплавів - ідеального, регулярного, квазірегулярного та квазіхімічну модель розплаву. На основі них показані способи розрахунку фазової рівноваги для двох-, трьох- та чотирьохкомпонентних розплавів.

Для керування типом провідності епітаксійних шарів А³В⁵ в технології РФЕ розглядаються різні домішки II та IV-груп Періодичної системи - Zn, Mg, Be, Cd, Ge, Si і Sn. Пояснюються причини вибору тих чи інших домішок. Показано, що мотивацією при виборі домішки II групи є її коефіцієнт дифузії в твердій фазі та тиск насиченої пари. Вибір домішки IV-групи, оскільки вона амфотерна, пов'язаний з типом провідності, який вона створює при певній концентрації в розчині-розплаві та температурі епітаксії. Якщо необхідно досягнути високого рівня концентрації вільних дірок (більше 10¹⁸ см^-3), використовуються домішки II-групи, низького - IV-групи. Для створення сильнолегованого GaAs p-типу провідності найкращою домішкою, згідно з результатами літературного огляду, виявився Mg. Слаболегований p-GaAs найкраще створювати, використовуючи Ge.

Як показав огляд літературних джерел, велике значення в РФЕ шарів А³В⁵ мають ізовалентні домішки та РЗЕ, які виконують гетеруючі функції в розчині-розплаві. Детально розглядається вплив ізовалентної домішки Bi при вирощуванні епітаксійних шарів GaAs. Вміст її в розплаві при концентрації, більшій за 80 ат. %, приводить до значного зменшення концентрації вільних носіїв заряду. Це пояснюється впливом домішки на стехіометрію розплаву-розчину та перерозподілом фонових домішок по підрешітках Ga та As у фазі, що кристалізується. Показано зменшення концентрації вільних носіїв заряду при вирощуванні GaSb та твердого розчину Ga_1-xIn_xAs_ySb_1-y при використанні Pb в ролі розчинника.

До більш суттєвого впливу на фонову концентрацію вільних носіїв заряду в шарах А³В⁵, що вирощуються методом РФЕ, приводить використання домішок РЗЕ в розчині-розплаві. Їх гетеруюча дія пояснюється хімічною взаємодією в розплаві з фоновими домішками IV-групи та утворенням тугоплавких сполук, які не входять у тверду фазу, або, входячи в неї, створюють нейтральні центри. Застосування домішок РЗЕ розглядається для низки матеріалів A³B⁵ - GaAs, InP, InGaAs, InGaAsP, InGaAsSb. Основна увага зосереджена на вибірковій взаємодії РЗЕ з домішками в розчині-розплаві, а також таких явищах як погіршення морфології поверхні шарів, інверсія типу їх провідності, вплив на фазову рівновагу, які проявляються при перевищенні певної концентрації РЗЕ в розплаві.

Розглянуто основні типи напівпровідникових лазерних структур - одностороння, подвійна та подвійна з роздільним обмеженням. Одностороння лазерна гетероструктура - це гетероструктура, на якій на основі GaAs вперше вдалося отримати лазерну генерацію при кімнатній температурі в імпульсному режимі. Її пороговий струм був в околі 10 кА/см². Наступним кроком в розвитку гетероструктур А³В⁵ було створення подвійної лазерної гетероструктури, яка генерувала в неперервному режимі при кімнатній температурі. Показана актуальність використання подвійної лазерної гетероструктури для створення лазерів з довжиною хвилі випромінювання 3-4 мкм на основі матеріалів InAsSb / InAsSbP та InGaAsSb / InAsSbP. Подвійна гетероструктура з роздільним обмеженням дозволяє суттєво знизити пороговий струм до декількох сотень А/см² завдяки створенню квантоворозмірної активної області, зберігаючи при цьому добре оптичне обмеження.

У другому розділі розглядаються технологічні і методичні питання. Описується обладнання, яке використовувалося в роботі для проведення РФЕ, а також методики дослідження нарощуваних епітаксійних шарів та епітаксійних структур.

Процес РФЕ проводився у герметичній кварцовій трубі в протоці водню, очищеного паладієвим фільтром і пастками для виморожування (T = 77 K) на основі теплової труби та активованого вугілля. Для нагріву печі використовувався резистивний нагрівник з тепловою трубою, яка забезпечує однорідний температурний профіль з точністю до 0,5 єС всередині її об'єму. Розплави-розчини та підкладка для росту розміщалися у спеціальній графітовій касеті. Розглянуто основні типи графітових касет - пенального та поршневого типів, їх сильні і слабкі сторони та обґрунтовано вибір поршневої касети для нарощування лазерних гетероструктур на основі арсенідів галію й алюмінію. Удосконалено і сконструйовано поршневу касету, яка забезпечує швидку (протягом 5-10 с) заміну ростових розплавів. Встановлено і апробовано оптимальний температурно-часовий режим нарощування зазначених гетероструктур.

Важливими складовими технологічного процесу РФЕ, які значною мірою визначають її результат, є передепітаксійна підготовка технологічної оснастки, вихідної шихти та підкладок. Основним елементом передепітаксійної підготовки підкладок, який використовувався, було їх травлення у поліруючому травнику на основі сірчаної кислоти. Щодо графітової касети, то її обробка проводилася у травнику на основі азотної кислоти. Крім того, вона піддавалася довготривалому (більше 12 год.) відпалу при температурі T = 1200 єC в атмосфері водню. Для підготовки вихідної шихти інколи використовувалася гомогенізація великої кількості розчину розплаву та розфасовка його на малі порції, що зменшує похибку при наважці компонентів шихти, у більшості ж випадків використовувалися компоненти в чистому вигляді.

Визначення товщини епітаксійних шарів здійснювалося їх виявленням травником K₂Cr₂O₇, H₂O, H₂SO₄ під дією освітлення або анодним окисленням та вимірами на мікроскопі БИОЛАМ-М. Для виявлялися та вимірів тонких шарів додатково використовувалася методика косого шліфа при куті нахилу 3є.

Процес виготовлення лазерних чіпів складався з термічного напилювання у вакуумі на епітаксійну структуру смужкових контактів Au шириною 50 мкм та віддаллю між ними 1 мм (контакти формувались з допомогою вибухової фотолітографії), на установці ВУП-5, зменшення загальної товщини структури до 100 мкм шляхом механічного шліфування та полірування її тильної сторони і подальшому напилюванні на неї суцільного контакту Au. Окремі чіпи розмірами ~0,4Ч0,4 мм формувались методом сколювання.

Концентрацію вільних носіїв заряду при відпрацюванні нарощування окремих епітаксійних шарів вимірювали методом Ван-дер-По.

Електролюмінесценція лазерних чіпів досліджувалась в імпульсному режимі з тривалістю імпульсу 300 нс та періодом повторення 1 кГц. Перехід у режим лазерної генерації фіксувався по залежності інтенсивності випромінювання від струму накачки, з якої визначався пороговий струм. Для підтвердження режиму лазерної генерації записувались спектри випромінювання при різних струмах накачки. При струмах, більших від порогового, спостерігалось різке звуження смуги генерації та збільшення її інтенсивності, що остаточно підтверджувало наявність стимульованого випромінювання.

Для визначення профілів розподілу концентрації вільних носіїв заряду по товщині нарощуваних епітаксійних шарів була удосконалена і реалізована установка електрохімічного профілювання, дія якої базується на розрахунку концентрації вільних носіїв заряду з виміру диференційної ємності переходу електроліт-напівпровідник та її похідної по напрузі. Цей перехід добре описується моделлю Шотткі, тому для розрахунку концентрації вільних носіїв заряду використана відома формула:

(1)

де N(х) - концентрація вільних носіїв заряду в точці х, е - заряд електрона, - діелектрична стала напівпровідника, ₀ - діелектрична стала вакууму, А - площа контакту напівпровідник-електроліт, C_б - диференційна ємність потенціального бар'єру, dC_б/dU - її похідна по напрузі.

Профілювання по товщині епітаксійного шару здійснюється за рахунок його електрохімічного травлення. Координата, яка відображається на профілограмі, відповідає сумі товщини області просторового заряду x

(2)

та глибини травлення, яку визначають із закону Фарадея,

(3)

де F - стала Фарадея, z - зарядове число (для GaAs дорівнює шість), M - молярна маса, с - густина напівпровідника, I - струм через напівпровідник, t - час травлення. гетероструктура інжекційний напівпровідниковий лазер

Детально розглядаються електрохімічні процеси, що відбувається на межі розділу електроліт-напівпровідник, та наслідки, до яких вони приводять.

У третьому розділі представлено результати технологічних експериментів з нарощування епітаксійних шарів GaAs та Al_xGa_1-xAs складів х = 0,1 та 0,3, необхідних для створення лазерної гетероструктури. Основна увага акцентована на дослідженні впливу домішки Yb на рівень фонової концентрації вільних носіїв заряду в епітаксійних шарах, які кристалізуються з легованих розплавів-розчинів. Встановлено, що гетеруюча ефективність домішки Yb залежить від вмісту AlAs у складі твердого розчину Al_xGa_1-xAs. Визначено оптимальні концентрації Yb в розплаві-розчині, необхідні для очистки епітаксійних шарів Al_xGa_1-xAs різного складу від фонових домішок без погіршення морфології поверхні шарів.

Іншою важливою технологічною задачею, яка вирішувалася, було вивчення умов використання акцепторних домішок Mg та Ge для керування електрофізичними параметрами шарів Al_xGa_1-xAs, очищених домішкою Yb. Визначено концентрації легуючих домішок, необхідні для створення сильнолегованого p-Al_0.1Ga_0.9As, який використовується як активна область лазерної гетероструктури, та слаболегованого p-Al_0.28Ga_0.72As, який використовується як обмежуючий шар.

У процесі легування епітаксійних шарів Al_xGa_1-xAs з вмістом AlAs 0, 10 та 28 ат. % магнієм виявлено ефект утворення небажаних для формування лазерної структури дефектів, які з'являлися на поверхні шару у виді пірамід, коли концентрації Mg в розплаві-розчині перевищувала деяке критичне значення. Високі концентрації Mg в розплаві-розчині, що переважають зазначену критичну величину, необхідні для створення епітаксійного шару з високою концентрацією дірок. З іншого боку, структурування поверхні, сформоване в такий спосіб, може мати й значні позитивні наслідки, зокрема може бути використано для створення низькорозмірних об'єктів. У зв'язку з цим детально описано експерименти, які проводились для встановлення причини виникнення пірамід - нарощування епітаксійних шарів у різних температурних інтервалах росту, з роздільно гомогенізованих розплавів Ga-Mg та Ga-Al, яке передбачала виключення взаємодії Al з Mg під час гомогенізації, з використанням технологічного розплаву, за допомогою якого припинявся ріст шару після виймання касети з печі. Завдяки проведеним дослідженням встановлено, що структурована поверхня формується внаслідок обриву фронту кристалізації в момент виймання касети з печі. Результати проведених досліджень дають зручний інструмент для керування процесом створення структурованої поверхні (густиною та розміром пірамід) епітаксійних шарів Al_xGa_1-xAs, легованих Mg, шляхом вибору необхідного складу твердого розчину та концентрації домішки магнію.

Проведено вибір та розрахунок елементів блоків установки електрохімічного профілювання. Розглядається конструкція електрохімічної комірки, де відбувається профілювання та етапи випробування установки.

Першочерговою задачею відпрацювання методики був підбір режимів поліруючого електрохімічного травлення, а саме інтенсивності освітлення та напруги зміщення на бар'єрі електроліт-напівпровідник. Якість травлення контролювалась за допомогою профілограм дна ямок травлення. Наступним кроком було дослідження відповідності поведінки бар'єру електроліт-напівпровідник моделі Шотткі. Для цього вивчалися залежності ємності та її похідної по напрузі від напруги зміщення на бар'єрі, використовуючи різні електроліти. Вони показали, що для кожного із випробуваних електролітів - 2.0М KOH і 0.1М HCl - існує певний діапазон напруги зміщення, в якому бар'єр електроліт-напівпровідник працює як бар'єр Шотткі. Завершальним етапом апробації установки було тестове профілювання складнолегованих епітаксійних структурах, що використовуються для виготовлення польових транзисторів. Результати випробувань дали добре узгодження з очікуваними згідно з паспортними даними структур профілями, що остаточно підтвердило придатність сконструйованої установки профілювання для практичного використання.

Четвертий розділ роботи присвячено проблемам реалізації приладних структур на основі епітаксійних шарів Al_xGa_1-xAs, вирощених за допомогою технології НТРФЕ, що розроблялася.

Для порівняння ефекту очистки шарів GaAs домішками РЗЕ в технології РФЕ при використанні різних вихідних розплавів-розчинів проведено вирощування таких шарів також з Ga-Bi розплавів. На основі цих епітаксійних шарів створені давачі Холла. За характеристиками давачів (відхилення вхідного опору від середнього значення) визначено однорідність нарощуваної епітаксійної структури по її площі. Встановлено, що зазначене відхилення для давачів, вирощених з Ga розплавів, було на рівні 8%, тоді як з Ga-Bi розплавів - менше 6%.

Сумісне ізовалентне легування Bi та легування акцепторною домішкою Mg використано для отримання багатошарових тандемних гетероструктур GaAs-InGaAs-AlGaAs для перетворювачів сонячної енергії. Особливістю таких гетероструктур є наявність в їх складі сильнолегованих шарів A_0,14Ga_0,86As p- і n-типу провідності, які утворюють тунельний діод. Малі товщини шарів вимагають використання саме НТРФЕ для нарощування структур з відтворюваним параметрами. Але при низьких температурах значно ускладнюється отримання сильнолегованого шару p-типу провідності. З цією метою був відпрацьований режим нарощування шарів p-A_0,14Ga_0,86As, легованих Mg і Bi, який дозволив підняти концентрацію дірок вище рівня 1·10¹⁹ см^-3. Таким чином використовуючи сумісне легування Mg та Bi, вдалося створити необхідний для роботи сонячного елемента тунельний діод.

Початковим етапом нарощування подвійної лазерної гетероструктури було моделювання процесу росту епітаксійного шару Al_0.1Ga_0.9As з обмеженого об'єму розчину-розплаву згідно моделі дифузії, метою якого було прогнозування оптимальних температурно-часових режимів нарощування активної області такої гетероструктури потрібної товщини. Вважалося, що швидкість росту при постійній температурі та початковому пересиченні на ДT обмежується дифузією атомів As в розплаві. Провівши серію технологічних експериментів по нарощуванню шарів різної товщини і співставляючи їх результати з результатами моделювання, було встановлено значення коефіцієнта дифузії D_As=3·10^-6 см²/с при температурі НТРФЕ 590єС. Використовуючи його, був розрахований час нарощування активної області, яка повинна мати товщину, достатню для оптичного обмеження, тобто знаходитися в межах 0,2-0,5 мкм.

Останній параграф роботи присвячено висвітленню результатів відпрацювання процесу нарощування подвійної лазерної гетероструктури. Важливими завданнями цього процесу були вибір температурно-часового режиму росту, який повинен був забезпечити необхідні товщини робочих епітаксійних шарів гетероструктури, а також вибір рівнів легування шарів p- та n-типів інжекційного n-p-переходу та обмежуючого p-p-переходу. В рамках визначеного як оптимальний температурно-часового режиму росту гетероструктури проводились експерименти по нарощуванні її частини - буферного шару та n-p-гетеропереходу. Змінюючи рівні легування n- та p-областей, було досягнуто максимального коефіцієнту інжекції електронів через перехід, який контролювався за вимірами інтенсивності електролюмінесценції й спостерігався за наступних параметрів шарів: концентрація електронів в емітері n-Al_0,28Ga_0,72As 5·10¹⁷см^-3, концентрація дірок в сильнолегованій активній області p-Al_0,1Ga_0,9As більше 10¹⁸см^-3. Наступним кроком було визначення оптимальної концентрації p_Al_0,28Ga_0,72As обмежуючого шару. Нарощуючи усі шари подвійної лазерної гетероструктури згідно обраного температурно-часового режиму та концентрацій вільних носіїв в епітаксійних шарах інжектуючого n_p_гетеропереходу, та змінюючи концентрацію вільних дірок обмежуючого p-Al_0,28Ga_0,72As, було встановлено, що ефективне обмеження інжектованих електронів в активній області відбувається при слаболегованому (р = (1_5)·10¹⁷см^-3) p-Al_0,28Ga_0,72As обмежуючому шарі. Використовуючи результати дослідження впливу комплексного легування розплавів-розчинів домішкою РЗЕ Yb та акцепторними домішками Ge і Mg на концентрацію носіїв заряду в епітаксійних шарах з Al_хGa_1-хAs з різним вмістом алюмінію, виготовлено подвійну лазерну гетероструктуру на основі шарів Al_0,1Ga_0,9As та Al_0,28Ga_0,72As, які формують активну та емітерні області, спектри випромінювання якої в імпульсному режимі при кімнатній температурі показані на рис.1. Визначено значення порогового струму, за якого структура переходить у режим лазерної генерації. Показано, що цей параметр є на рівні 4 кА/см², що відповідає характерним для даного типу структур значенням. Слід зазначити, що лише використання домішки РЗЕ дало змогу відтворювано отримувати слаболеговані епітаксійні шари p-Al_0.28Ga_0.72As:Ge, оскільки саме під впливом Yb відбувається їх глибока очистка від фонових домішок до рівня 10¹⁵ см^-3, що забезпечує подальше легке легування шару домішкою Ge до концентрації дірок р = (1-5)·10¹⁷ см^-3.

Рис.1. Спектральні характеристики лазерного діода n-Al_0,28Ga_0.72As / p-Al_0,1Ga_0,9As / p-Al_0,28Ga_0,72As при різних струмах накачки. На вставці залежність інтенсивності випромінювання від струму накачки. (Вимірювання проводилися в імпульсному режимі 300 нс, 1 кГц при кімнатній температурі. Роздільна здатність спектрофотометра 2 нм).

ВИСНОВКИ

Метод НТРФЕ для напівпровідників групи A³B⁵ залишається одним з конкурентноспроможних по відношенню до МОС-ГФЕ та МПЕ методів при лабораторних дослідженнях, оскільки ним можна отримати глибоко очищені від фонових домішок тонкі структурно досконалі епітаксійні шари товщиною до 100 ? та лазерні гетероструктури з активною областю на їх основі. В рамках цього методу при виконанні роботи:

1. Відпрацьовано основні елементи РФЕ епітаксійних шарів GaAs і AlGaAs: вибір касети для розчинів-розплавів, температурно-часовий режим епітаксії, передепітаксійну підготовку шихти і підкладок та методику визначення параметрів епітаксійних шарів. Розроблено оригінальну поршневу касету з графіту, конструкція якої дозволяє здійснювати швидку заміну розплавів. Відпрацьовано і реалізовано температурно-часові режими контрольованого нарощування одно- та багатошарових структур різного складу кристалічної матриці, типу та рівня легування, придатних для створення лазерних подвійних гетероструктур та інших функціональних застосувань.

2. Для визначення профілів розподілу концентрації вільних носіїв заряду по товщині нарощуваних епітаксійних шарів удосконалена і реалізована установка електрохімічного профілювання, дія якої базується на розрахунку концентрації вільних носіїв заряду з виміру диференційної ємності переходу електроліт-напівпровідник та її похідної по напрузі, а профілювання по товщині епітаксійного шару здійснюється за рахунок електрохімічного травлення останнього.

3. Проведеними експериментами з впливу легування в методі НТРФЕ розчинів-розплавів домішками РЗЕ на властивості епітаксійних шарів GaAs, і особливо AlGaAs, що кристалізуються, показано, що застосування гетеруючої дії таких домішок дозволяє значно спростити технологію епітаксійного нарощування шарів з необхідним рівнем неконтрольованих фонових домішок, ефективно оминаючи такий довготривалий і енергоємний технологічний процес, як термовідпали вихідної шихти.

4. Вивченням змін електрофізичних властивостей епітаксійних шарів GaAs та AlGaAs з вмістом AlAs 10 та 30 ат. % під впливом легуючої рідкісноземельної домішки Yb в технології РФЕ встановлено, що присутність і збільшення концентрації алюмінію в розплаві-розчині галію приводить до посилення процесу зниження фонової концентрації вільних носіїв заряду (електронів) при фіксованій концентрації Yb. Встановлено, що оптимальною для гетерування концентрацією домішки в розплавах галію для нарощування якісних епітаксійних шарів Al_0,1Ga_0,9As для лазерної подвійної гетероструктури є концентрація Yb в інтервалі 0,025-0,027 ат. %, а для шарів Al_0,3Ga_0,7As - в інтервалі 0,005-0,01 ат. %.

5. Відпрацьовані режими нарощування сильнолегованої активної області та слаболегованого емітерного шару p-AlGaAs подвійної лазерної гетероструктури. Показано, що найбільш придатними для цього є шари, очищені гетеруванням домішкою Yb та леговані акцепторними домішками Mg і Ge відповідно.

6. Ефективність гетеруючої дії Yb у поєднанні з впливом Al у технології РФЕ структур на основі GaAs доведена отриманням модельної подвійної лазерної гетеро структури n-Al_0,28Ga_0.72As / p-Al_0,1Ga_0,9As / p-Al_0,28Ga_0,72As, пороговий струм якої порядку 4 кА/см² знаходиться на рівні його величини для аналогічних структур, отриманих з розплавів-розчинів, що піддавались довготривалому відпалу.

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Н.М. Вакив, С.И. Круковский, И.Р. Завербный, И.А. Мрыхин. Высокочувствительные датчики Холла на основе эпитаксиальных структур GaAs, полученых низкотемпературной ЖФЭ из расплавов висмута // ТКЭА. - 2002. - №3. - С.34-37.

2. S.I. Krukovsky, D.M. Zayachuk, O.V. Rybak, I.O. Mryhin. High-resistance low-doped GaAs and AlGaAs layers obtained by LPE // Semiconductor Phusics, Quantum Electronics and Optoelectronics. - 2003. - v.6. - №1. - P.55-57.

3. Ю.Е. Николаенко, С.И. Круковский, И.Р.Завербный, О.В. Рыбак, И.А. Мрыхин. Получение тандемных гетероструктур GaAs-In-GaAs-AlGaAs для фотопреобразователей солнечной энергии // ТКЭА. - 2002. - №3. - C.27-29.

4. Д.М. Заячук, С.І. Круковський, І.О. Мрихін. Керування концентрацією носіїв заряду в епітаксійних шарах AlGaAs для лазерних структур, вирощуваних методом низькотемпературної рідинно-фазної епітаксії // Вісник Національного університету ”Львівська Політехніка” (Електроніка). - 2005. - №532, - C.24-28.

5. Н.М. Вакив, И.Р. Завербный, Д.М. Заячук, С.И. Круковский, И.О. Мрыхин. Установка электрохимического профилирования для диагностирования эпитаксиальных структур GaAs // ТКЭА. - 2005. - №3. - C.41-45.

6. Д.М. Заячук, С.І. Круковський, І.О. Мрихін, О. І. Іжнін, Д.Л. Вознюк. Особливості одержання лазерних структур GaAs / AlGaAs методом РФЕ під впливом Yb // ФХТТ. - 2005. - Т.6. - №4. - C. 661-665.

7. Д.М. Заячук, С.І. Круковський, І.О. Мрихін. Діагностика складнолегованих гетероструктур GaAs / AlGaAs методом електрохімічного профілювання // Тези II Української Наукової Конференціі з Фізики Напівпровідників. - Чернівці-Вижниця - 2004. - т.2.- С.396.

8. М.М. Ваків, Д.М. Заячук, С.І. Круковський, І.О. Мрихін. Установка для визначення профілів розподілу концентрації вільних носіїв заряду в епітаксійних структурах GaAs // Доклады V международной научно-практической конференции “Современные информационные и электронные технологии”. - Одесса. - 2004. - C.286.

9. Д.М. Заячук, С.І. Круковський, І.О. Мрихін. Особливості вимірювання профілів розподілу концентрації вільних носіїв заряду по глибині епітаксійних шарів A^IIIB^V методом електрохімічного профілювання // Тези відкритої науково-технічної конференції професорсько-викладацького складу Інституту телекомунікацій, радіоелектроніки та електронної техніки Національного університету “Львівська політехніка” з проблем електроніки. - Львів. - 2004. - C.20.

10. Д.М. Заячук, С.І. Круковський, І.О. Мрихін. Отримання лазерних гетероструктур GaAs/AlGaAs методом НТРФЕ під впливом РЗЕ // Тези відкритої науково-технічної конференції професорсько-викладацького складу Інституту телекомунікацій, радіоелектроніки та електронної техніки Національного університету “Львівська політехніка” з проблем електроніки. - Львів. - 2005. - C.19.

11. S. I. Krukovsky, I. O. Mrykhin, D. M. Zayachuk. Peculiarities of p-AlGaAs:Mg Epitaxial layers growth by low temperature liquid-phase epitaxy method for DH lasers // Proc. of International Conference “Crystal maerials'2005”. - Kharkov. - 2005.

12. Д.М. Заячук, С.І. Круковський, І.О. Мрихін. Отримання контрольованих по товщині тонких шарів p-AlGaAs:Mg для активної області лазерних гетероструктур // Тези X Ювілейної Міжнародної Конференції з Фізики і Технології Тонких Плівок. - Івано-Франківськ. - 2005. - C.123.

АНОТАЦІЯ

Мрихін І.О. Комплексне легування в технології отримання гетероструктур для напівпровідникових інжекційних лазерів на основі GaAs-AlGaAs. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.27.06 - технологія, обладнання та виробництво електронної техніки, - Національний університет “Львівська політехніка”, Міністерство освіти і науки України, Львів, 2006.

Досліджено закономірності комплексного впливу ізовалентних, рідкісноземельних елементів та електрично активних легуючих домішок на електрофізичні властивості епітаксійних шарів на основі GaAs в технології низькотемпературної РФЕ та вивчено можливості його застосування при нарощуванні гетероструктур GaAs / AlGaAs для інжекційних напівпровідникових лазерів. Встановлено оптимальні технологічні режими отримання сильно- (1·10¹⁸см^-3) та слаболегованих (1·10¹⁷см^-3) шарів Al_xGa_{1_x}As діркового типу провідності з використанням гетеруючої дії домішки рідкоземельного елемента Yb. Здійснено моделювання процесу нарощування тонкого (0,2 - 0,5мкм) епітаксійного шару Al_0.1Ga _0.9As, який використовується в якості активної області лазерної структури, та визначено коефіцієнт дифузії As в розплаві Ga при низьких температурах росту. Виготовлено модельну подвійну лазерну гетероструктуру p_Al_0.28Ga_0.72As:Ge / p-Al_0.1Ga _0.9As:Mg / n-Al_0.28Ga_0.72As та отримано на ній лазерну генерацію при густині порогового струму 4 кА/см².

Ключові слова: рідиннофазна епітаксія, ізовалентне легування, рідкоземельні елементи, подвійна гетероструктура, інжекційний лазер.

АННОТАЦИЯ

Мрыхин И.А. Комплексное легирование в технологии изготовления гетероструктур для полупроводниковых инжекционных лазеров на основе GaAs-AlGaAs. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.27.06 - технология, оборудование и производство электронной техники, - Национальный университет “Львовская политехника”, Министерство образования и науки Украины, 2006.

Исследовано закономерности комплексного влияния изовалентных, редкоземельных элементов и электрически активных легирующих примесей на электрофизические свойства эпитаксиальных слоев на основе GaAs в технологии низкотемпературной жидкофазной эпитаксии и изучено возможности его использования при выращивании гетероструктур GaAs / AlGaAs для инжекционных полупроводниковых лазеров. Установлено оптимальные технологические режимы изготовления сильно- (1·10¹⁸см^-3) и слаболегированных (1·10¹⁷см^-3) слоев Al_xGa_1-xAs дырочного типа проводимости с использованием гетерирующего действия примеси редкоземельного элемента Yb. Проведено моделирование процесса наращивания тонкого (0,2-0,5мкм) эпитаксиального слоя Al_0.1Ga _0.9As, который используется в качестве активной области лазерной структуры, и определено коэффициент диффузии As в расплаве Ga при низких температурах роста. Изготовлено модельную двойную лазерную гетероструктуру p-Al_0.28Ga_0.72As:Ge / p-Al_0.1Ga _0.9As:Mg / n-Al_0.28Ga_0.72As и получено на ней лазерную генерацию при плотности порогового тока 4 кА/см².

Ключевые слова: жидкофазная эпитаксия, изовалентное легирование, редкоземельные элементы, двойная гетероструктура, инжекционный лазер.

SUMMARY

Mrykhin I.O. The complex doping in technology of geterostructures manufacturing for semiconductor injection lasers on the GaAs-AlGaAs basis. - manuscript. Dissertation for competition of the candidate of technical science academic degree on specialty 05.27.06 - technology, equipment and fabrication of electronic technique, - Lviv Polytechnic National University, Ministry of Education and Science of Ukraine, Lviv, 2006.

The thesis is dedicated to study of peculiarities of rare-earth elements and electrically active impurities influence on electrophysics properties of GaAs epitaxial layer in the low temperature LPE technology. The testing double heterostructure P-Al_0.28Ga_0.72As:Ge/p-Al_0.1Ga _0.9As:Mg/N-Al_0.28Ga_0.72As, using Yb admixture, had been made on the basis this study.

The electrochemical profilometer had been made to diagnostic carrier concentration profile of epitxial layers. The conception of profile measurement is based on determination of carrier concentration from measurement barrier Schottky capacitance and voltage derivation of this capacitance. Profiling on the depth of epitaxial layer carried out by means of electrochemical etching one.

The gettering impact of Yb impurity on level of background free carrier concentration in Al_0.3Ga_0.7As and Al_0.1Ga _0.9As epitaxial layers had been studied. The investigation of complex doping with Yb and Ge impurities is carried out and as result the light doped (1·10¹⁷см^-3) p-Al_0.28Ga_0.72As epitaxial layer had been obtained. Using Mg acceptor impurity it is obtained also high doped (1·10¹⁸см^-3) p-Al_0.1Ga_0.9As epitaxial layer, necessary to make active region in double geterostructure.

The numerically calculation of growth think epitaxial layer Al_0.1Ga _0.9As (0,2-0,5µm), using diffusion equation with boundary condition of confinement melt-solution, was carried out. The diffusion coefficient of As in liquid melt-solution at low growth temperature is established.

The double laser heterostructure with threshold 4 kA/cm² is obtained using simplified technological process where long time prebake is exchanged by gettering Yb impurity.

Key words: liquid phase epitaxy, double heterostructure, isovalent doping, rare-earth element, injection laser.

Размещено на Allbest.ru

...