НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2008, том 44, № 9, с. 1031-1035
УДК 537.311.33:546683'181.1
ПЛАНАРНО-ЗАРОЩЕННАЯ ГЕТЕРОСТРУКТУРА InP/InGaAsP/InP С СЕРПОВИДНОЙ АКТИВНОЙ ОБЛАСТЬЮ НА ^-InP
© 2008 г. М. Г. Васильев, А. М. Васильев, А. А. Шелякин
Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук, Москва. Поступила в редакцию 13.12.2007 г.
Создана технология получения меза-полосковых гетероструктур InP/InGaAsP/InP методом жидкофаз-ной эпитаксии с серповидной активной областью и p-n-p-n/ZnSe-структурой, блокирующей ток утечки. Данная технология позволяет изготавливать излучающие диоды с длинной волны генерации X = 1.3 мкм, низким значением порогового тока, устойчивой работой на поперечной фундаментальной моде, высоким значением выходной мощности излучения. Получена мощность излучения свыше 30 мВт на диодах, собранных меза-полоском вверх.
ВВЕДЕНИЕ.
Постоянный интерес к излучающим диодам, созданным на гетероструктурах InP/InGaAsP/InP, связан с минимальными потерями мощности и дисперсией кварцевого волокна в спектральном диапазоне 1.3-1.5 мкм [1]. Из всего многообразия излучающих диодов [2-8] можно выделить только конструкции на гетероструктурах с зарощенной серповидной активной областью и зарощенные ге-тероструктуры, на которых возможно до минимума снизить токи утечки и получить минимальный размер активной области. Такая динисторная структура, как p-n-p-n, практически полностью ограничивает токи утечки по боковым плоскостям меза-полоска. Еще большему ограничению токов утечки способствует выращенный на этой поверхности слой ZnSe. Минимальный размер активной области достигается за счет простой и в то же время уникальной технологии травления меза-полос-ка в InP концентрированной HCl.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ И РЕЗУЛЬТАТЫ
Процесс формирования двойной гетерострук-туры методом ЖФЭ в InGaAsP и изготовление излучающего диода. Схема технологического процесса создания меза-полосковой гетероструктуры InP/InGaAsP/InP с серповидной активной областью на p-InP методом жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) представлен на рис.1. Узкозонная активная область InGaAsP со всех сторон окружена широкозонным InP (идеальное оптическое ограничение). Ограничивающая токи утечки структура p-n-p-n находится по обе стороны от активной области. Активная область располагается напротив блокирующего слоя p-InP с целью увеличения последовательного сопротивления каналов токов утечки
(Такое расположение можно сравнить с притертой пробкой в сосуде.) Такая гетероструктура формируется в две стадии. Отличительной особенностью данной конструкции является то, что процесс формирования двойной гетероструктуры осуществляется в последней стадии жидкофазного выращивания. Это позволяет избежать высокотемпературной обработки, что и приводит к высокой воспроизводимости электрофизических параметров [9].
На первой стадии процесса формируется заготовка с блокирующими слоями и технологическим слоем InGaAsP. На подложке p-InP(100) выращивались следующие слои:
- буферный слой p-InP (легированный Zn, p = 1 х х 1018 см-3, толщиной 7 мкм);
- блокирующий слой n-InP (легированный Sn, n = 4 х 1018 см-3, толщиной 2 мкм);
- блокирующий слой p-InP (легированный Zn, p = 1 х 1017 см-3, толщиной 2 мкм);
- технологический слой InGaAsP (нелегированный, толщиной 0.5 мкм).
Другой отличительной особенностью данной конструкции является то, что в качестве маски для формирования меза-полоска используется выращенный технологический слой InGaAsP. Рисунок полоска вдоль направления (011) шириной 2.0-2.5 мкм формируется методом фотолитографии с использованием фоторезиста и химического травителя 1HCl : 2CH3COOH : 1H2O2. После удаления фоторезиста на заготовке остаются узкие полоски (2-2.5 мкм) p-InP, свободные от технологического слоя InGaAsP. Технологический слой, таким образом, становится естественной маской для концентрированной HCl, используемой в качестве травителя соединения InP. В заготовке InP травится до буферного p-InP-слоя.
Первый процесс ЖФЭ
Фоторезист
L&
ЫСЦконц.)
Металл ZnSe
Металл
InGaAsP ^ (технологический)" p-InP (блокирующий)
И-InP -
(блокирующий)
р-ЬР^уферныш) ■ - р-1лР(подложка) _Фотолитография
InGaAsp (контактный)
a р-InP (эмиттерный)
InGaAsp--_ (активный)
р-InP
V (эмиттерный)
Удаление InGaAsp (технологический слой) Второй процесс
ЖФЭ
Удаление фоторезиста
ЫС1(конц.)
Формирование излучающего элемента
Рис. 1. Схема технологического процесса создания меза-полосковой гетероструктуры InP/InGaAsP/InP.
1HCL : 2СЫ3СООЫ : 1H2O2
Уникальность этого травителя состоит в том, что по мере углубления в материал InP (рис. 2) скорость травления плоскости (111)5 замедляется по сравнению с плоскостью (100), и происходит огранка плоского дна с двух сторон плоскостями (111)5 в виде стрелки (рис. 3).
Зависимость глубины травления меза-полоска в концентрированной HCl от времени представлен на
рис. 4. После удаления маски в виде технологического слоя ШОаАзР в травителе 3Н2804 : 1Н20 : 1Н202 поверхность заготовки представляет собой блокирующий р-1пР-слой. Такая заготовка с вытравленными меза-полосками поступает на заключительную стадию жидкофазного роста, где выращивают слои в следующей последовательности:
- эмиттерный слой р-1пР;
Рис. 2. Этапы формирования канала в подложке 1пР: а - форма канавки через 5 с травления, б - форма канавки через 15 с травления.
- активный слой 1пваА8Р;
- эмиттерный слой п-1пР;
- контактный слой п-1пОаА8Р.
После заращивания гетероструктура (см. рис. 5), имеющая практически планарную поверхность, доводится до толщины порядка 100 мкм. На поверхностях р- и п-типа проводимости формируются омические контакты Аи2п-Аи и Аиве-Аи соответственно. На заключительной стадии изготовления излучающих диодов пластину разделяют на элементы с длинной между резонаторными гранями 250300 мкм.
Электрофизические параметры. Излучающие диоды изготавливали из тре зарощенных гетеро-
Рис. 3. Меза-полосок в структуре InGaAsP/InP.
структур. Было изучено 45 излучающих диодов. Диоды монтировали меза-полоском вверх на медном хладопроводе. Значение порогового тока составляли 9-21 мА. Длина волны излучения изменялась от 1.29 до 1.31 мкм. Все измерения проводили при 25°С. На рис. 6 представлена ватт-амперная
Время травления, c
Рис. 4. Зависимости глубины травления узкого полоска InP в концентрированной HCl при 20°C от времени (a, h, l - см. рис. 1).
I, мкА
Рис. 6. Ватт-амперная характеристика при 25°С.
_I_I_I_I_
0 0.1 0.2 0.3 0.4
й, мкм
Рис. 7. Зависимость плотности порогового тока от толщины активного слоя.
характеристика излучающего диода, который имел следующие параметры: толщина активного слоя 0.2 мкм, ширина активного слоя 2.5 мкм, длина кристалла 300 мкм, отражающее покрытие задней грани 80%.
Средние значение порогового тока для излучающих диодов составило 15 мА, что соответствует плотности порогового тока 2.5 кА/см2.
На рис. 7 представлена зависимость плотности порогового тока от толщины активного слоя. Видно, что плотность порогового тока резко возрастает при толщинах менее 0.1 мкм. Излучающие диоды имели линейный участок ватт-амперной характеристики до 30 мВт, при этом до 20 мВт наблюдалось излучение на фундаментальной поперечной моде.
На рис. 8 представлен типичный спектр излучения при разных уровнях мощности. До уровня 5 мВт наблюдается одна продольная мода. При дальнейшем увеличении мощности видна тенденция обра-
Длина волны, мкм
Рис. 8. Спектр излучающего диода.
зования нескольких продольных мод, при этом излучающий диод работает на одной поперечной моде. Образование продольных мод при высоких мощностях излучения еще до конца не изучено.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Использование технологии получения меза-по-лосковых гетероструктур InP/InGaAsP/InP с серповидной активной областью на подложках p-InP позволило получить средние значение порогового тока 15 мА при монтаже излучающего диода меза-полос-ком вверх. Получена линейная мощность излучения свыше 30 мВт, при этом до 20 мВт наблюдалось излучение на фундаментальной поперечной моде.
В результате разработанной технологии получена высокая воспроизводимость гетероструктур методом ЖФЭ при пониженных (меньше 600°C) температурах.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Miya T, Terunuma Y, Hosaka T, Miyashita T. Ultimate Low-Loss Single-Mode Fibre at 1.55 |im // Electron. Lett. 1979. V. 15. Feb. P. 106-108.
2. Hirao M, Doi A., Tsuji S. et al. Fabrication and Characterization of Narrow Stripe InGaAsP/InP Buried Heterostructure Lasers // J. Appl. Phys. 1980. V. 51. Aug. P. 4539-4540.
3. Mito I., Kitamura M, Kaede K. et al. Y. InGaAsP Planar Fusied Heterostructure Laser Diode (PBH-LD) with Very Low Thseshold Current // Electron. Lett. 1982. V. 18. P. 2-3.
4. Mito I, Kitamura M, Kobayashi K. Double-Channel Planar Buried-Heteristructure Laser Diode with Effective Current Confinement // Electron. Lett. 1982. V. 18. P. 953-954.
5. Ishikawa H, Imai H, Tanahashi T. et al. V-Grooved Substrate Buried Heterosructure InGaAsP/InP Laser Emitting at 1.3 |im Wavelength // IEEE J. Quantum Electron. 1982. V. QE-18. P. 1704-1711.
6. Васильев М.Г., Дураев В.П., Лосякова Л.С. и др. Инжекционный лазер на основе InP-InGaAsP // Электрон. пром-ть. 1981. Вып. 5-6. С. 36-37.
7. Алферов Ж.И, Васильев М.Г., Горелëнок А.Т. и др. Полосковые зарощенные гетеролазеры на основе InGaAsP (К = 1.3 и 1.5 мкм), полученные гибридной технологией // Тез. докл. Всесоюз. конф. по физическим процессам в полупроводниковых гетероструктурах. Т. 2. Одесса, 1982. С. 26-28.
8. Дворянкин В.Ф., Кожин В В., Телегин А.А. и др. // Тез. докл. Всесоюз. конф. по физическим процессам в полупроводниковых гетероструктурах. Т. 3. Одесса,1982. С. 10-12.
9. Васильев М.Г., Васильев А.М., Вилк Д.М., Шеля-кин А.А. Получение гетероструктур InP/InGaAsP/InP методом жидкофазной эпитаксии и раздельное приготовление растворов-расплавов // Неорган. материалы. 2007. Т. 43. № 7. С. 775-780.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.