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

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. 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 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. · 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.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. Як показав огляд літературних джерел, велике значення в РФЕ шарів А3В5 мають ізовалентні домішки та РЗЕ, які виконують гетеруючі функції в розчині-розплаві. До більш суттєвого впливу на фонову концентрацію вільних носіїв заряду в шарах А3В5, що вирощуються методом РФЕ, приводить використання домішок РЗЕ в розчині-розплаві. 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. 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.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. 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. 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. 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.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

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 Al0,1Ga0,9As для лазерної подвійної гетероструктури є концентрація Yb в інтервалі 0,025-0,027 ат. %, а для шарів Al0,3Ga0,7As - 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-Al0,28Ga0.72As / p-Al0,1Ga0,9As / p-Al0,28Ga0,72As, пороговий струм якої порядку 4 КА/см2 знаходиться на рівні його величини для аналогічних структур, отриманих з розплавів-розчинів, що піддавались довготривалому відпалу.

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 рідиннофазної 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 AIIIBV 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.