НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2007, том 43, № 7, с. 775-780
УДК 537311.33:5466.831811
ПОЛУЧЕНИЕ ГЕТЕРОСТРУКТУР InP/InGaAsP/InP МЕТОДОМ ЖИДКОФАЗНОЙ ЭПИТАКСИИ И РАЗДЕЛЬНОЕ ПРИГОТОВЛЕНИЕ
РАСТВОРОВ-РАСПЛАВОВ
© 2007 г. М. Г. Васильев, А. М. Васильев, Д. М. Вилк, А. А. Шелякин
Институт общей и неорганической химии им. Н С. Курнакова Российской академии наук, Москва
Поступила в редакцию 16.06.2006 г.
Создана технология раздельного приготовления растворов-расплавов с предварительным многочасовым отжигом (синтезом) при повышенных температурах. В процессе жидкофазной эпитаксии получена высокая воспроизводимость как физических параметров InGaAsP (толщины слоев, длины волны фотолюминесценции, параметров решетки), так и электрофизических параметров (ватт-амперной характеристики, темнового тока, выходной мощности излучения, длины волны излучения, порогового и рабочего токов). Данная технология позволяет проводить процессы жидкофазной эпитаксии для гетероструктур InP/InGaAsP/InP в широком температурном диапазоне (480-680°С) с высокой воспроизводимостью параметров двойных гетероструктур как для фотоприемных приборов, так и для излучающих приборов. Представлен оригинальный метод проведения процессов жидкофазной эпитаксии с применением раздельного приготовления и разливки растворов-расплавов и использованием графитовой оснастки.
ВВЕДЕНИЕ
С появлением кварцевого волокна (как многомо-дового, так и одномодового) стала возможной передача световой энергии на большие расстояния. Минимальные потери и дисперсия в таком волокне приходятся на спектральный диапазон 1.3-1.5 мкм [1], что соответствует ширине запрещенной зоны, связанной с длиной волны соотношением X = 1.24/Ё^, для твердого раствора 1п1 _ „Са^Ав^ _ у.
Четырехкомпонентность этого твердого раствора позволяет изменять ширину запрещенной зоны, соответствующую длине волны фотолюминесценции в диапазоне от 0.92 до 1.67 мкм, сохраняя при этом определенный параметр решетки, соответствующий бинарному соединению 1пР. Это и является необходимым условием для создания как излучающих [2-6], так и приемных приборов [7-9]. Такие оптические приборы состоят из определенного набора субмикронных слоев 1пОаАвР и слоев 1пР. Хорошее согласование параметров решетки и желаемой ширины запрещенной зоны в 1пОаАвР _ необходимое условие для создания приборов высокого качества.
Условия выращивания слоев 1пх _ „Оа^Ав^Р _у (соответствующие спектральному диапазону 0.92_1.67 мкм и параметру решетки подложки 1пР) методом жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) при температуре 650°С приведены в [10_13]. Эти данные в основном относятся к условиям термодинамического равновесия между твердой и жидкой фазами, а также к условиям равновесного роста методом ЖФЭ. Однако отметим, что такие характеристики, как температура начала роста
твердого раствора, величина переохлаждения раствора-расплава, влияние уровня легирования на рассогласование параметров решеток и изменение ширины запрещенной зоны 1пОаАвР, также могут являться важными факторами. При изготовлении гетероструктур для оптоэлектрон-ных приборов также важна воспроизводимость данных параметров.
В данной работе разработана технология раздельного приготовления и разливки растворов для многослойных структур на основе 1пОаАвР методом ЖФЭ.
С использованием этой технологии нами изучены процессы ЖФЭ для получения высоко-воспроизводимых односторонних гетероструктур, двойных гетероструктур, двойных гетероструктур с трехслойных волноводом [6]. Разработаны процессы ЖФЭ на профилированных подложках при пониженных температурах в диапазоне 500_600°С.
ПРОЦЕСС ЖФЭ InP/InGaAsP/InP
Технология раздельного приготовления и разливки растворов-расплавов. Технология раздельного приготовления и разливки растворов-расплавов создавалась для воспроизводимого приготовления за 1 цикл большого количества (40 гранул по 2 г) однотипных по составу четырехкомпо-нентных твердых растворов. Технология раздельного приготовления и разливки включает в себя взвешивание большего количества металла-растворителя (80 г) и соответствующего количества
Контейнер
N Гранулы Гранулодержатель
1/3 5 7 9 39
0 О О О СИ ( О /
О О О О О ( ? о
2 4 6 8 10 40
Рис. 1. Оснастка для производства гранул.
шихты, в отличие от классического подхода к процессам ЖФЭ, где минимальное количество металла-растворителя составляет 2 г. Точность взвешивания в обоих случаях неизменна и определяется погрешностью весов. При этом надо учесть, что при жидкофазном выращивании слоев InGaAsP атомные доли Ga и Р в растворе очень малы (0.0083 и 0.00213 соответственно для состава с длиной волны люминесценции 1.3 мкм, выращенного при 650°С [14]). Поэтому при более низких температурах воспроизводимое выращивание этих слоев с использованием классического подхода становится затруднительным из-за взвешивания малого количества шихты, которое соизмеримо с погрешностью весов.
Следующей стадией технологии является растворение большего количества взвешенных компонентов при высокой температуре с последующим отжигом - процесс синтеза или гомогенизации. По истечении времени синтеза происходит разливка при этой температуре большего количества расплава в определенные ячейки. После остывания в этих ячейках образуются гранулы (массой 2 г.), которые в дальнейшем используются для проведения процессов ЖФЭ.
Процесс растворения, синтеза и разливки осуществляется в печи горизонтального типа с кварцевым реактором в атмосфере высокочистого Н2 (диффузия через Pd), в оснастке из высокочистого графита (МПГ-7).
Длина волны фотолюминесценции, рассогласование параметров решетки и толщина слоев при комнатной температуре
№ гранулы ^ФЛ, мкм Да/а х 100% d, мкм
1 1.296 0.04 1.0
10 1.298 0.03 1.0
21 1.300 0.03 1.0
30 1.299 0.04 1.0
39 1.298 0.04 0.9
На рис. 1 представлена графитовая оснастка, которая состоит из перемещающегося контейнера для большего количества металла-растворителя и гранулодержателя (40 гранул по 2 г). Проведенные исследования показали, что фосфор лучше добавлять непосредственно в процессе эпитаксиаль-ного роста слоя InGaAsP из источника ЬпР [14]. Это связано с высоким парциальным давлением фосфора при температуре синтеза, приводящим к значительным неконтролируемым потерям этого компонента.
Для формирования четырехкомпонентного твердого раствора InGaAsP используются полупроводниковые материалы 1п, 1пР, InAs и GaAs. Они готовились в следующих травителях: 1пР в 10%-ном Н2Сг207 + НВг, 1п и Ь^ в смеси 9 HNO3 + + 5Н202, GaAs в смеси 5 Н^04 + 1Н202 + 1Н20. После взвешивания компоненты загружали в контейнер, последовательно проводили продувку Н2 и подъем температуры (до температуры выше температуры растворения расплава). После временной и температурной выдержки осуществляли перемещение контейнера и заполнение гранулодер-жателя. После охлаждения до комнатной температуры проводили разгрузку графитовой оснастки и извлечение гранул.
В качестве примера можно привести приготовление гранул раствора, используемого для получения слоев с длиной волны фотолюминесценции ^ФЛ = 1.30 мкм. Полупроводниковые материалы взвешивали исходя из их атомной доли в жидкой фазе (0.01032, 0.05057, 0.00191 для Ga, As и Р соответственно) и помещали в контейнер. Далее последовательно проводили продувку Н2, нагрев до 720°С и синтез в течение 8 ч. Полученные гранулы отождествляли с одним раствором-расплавом и использовали в многочисленных процессах по выращиванию слоев InGaAsP методом ЖФЭ в однотипных условиях. Гранулу нагревали до 670°С и выдерживали в течение 40 мин до полного растворения компонентов.
Эпитаксиальный рост осуществлялся на подложках ЬпР, ориентированных в плоскости (100) и химически отполированных в 10%-ном Н2Сг207 + + НВг в течение 5 мин. Температурный диапазон выращивания 660-650°С, скорость охлаждения 0.7°С/мин.
Длину волны фотолюминесценции и толщину слоев измеряли при комнатной температуре. Результаты представлены в таблице, в которой номер раствора-расплава соответствует номеру гранулы в гранулодержателе. Результаты измерения и их колебания (^ФЛ = 1.298 ± 0.002 м км, ё = 1.0 ± ± 0.1 мкм) отражают очень хорошую воспроизводимость. При выращивании тонких слоев InGaAsP получены следующие результаты: ^ФЛ = 1.29 ± ± 0.01 мкм, ё = 0.17 ± 0.03 мкм (рис. 2, 3). Для прак-
X, мкм 1.31 1.30 1.29 1.28 1.27
d, мкм
1.29 ± 0.01 мкм
@ (29)
<5
©
(16 © © ©
0
10
20
30 40 № гранулы
Рис. 2. Распределение длины волны фотолюминесценции в выращенных структурах от номера гранулы, используемой при ЖФЭ.
0.4 0.3 0.2 0.1
0.17 ± 0.03 мкм
0© © @ ®@@@® <363740
0
10
20
30 40 № гранулы
Рис. 3. Распределение толщины слоя 1пОаАвР в выращенных структурах в зависимости от номера гранулы, используемой при ЖФЭ.
тического применения такая восроизводимость является хорошей. Различие в воспроизводимости ХФЛ связано с применением более объемной ростовой ячейки для толстого слоя, что приводит к нечувствительности этого объема к характерному для ЖФЭ переносу краями подложки мизерного количества раствора-расплава из предыдущей ростовой ячейки. Рассогласование параметров решетки (Да/о) измеряли также при комнатной температуре (Да = а(1пОаАвР) _ а(1пР)), а эпитаксиаль-ные слои 1пОаАвР и 1пР были нелегированными. Результаты измерений приведены в таблице.
Влияние легирования на параметр решетки слоев InGaAsP. Для создания излучающего или фотоприемного диода из выращиваемых двойных гетероструктур в них необходимо сформировать р_ «-переход в излучающей или поглощающей области. В качестве донорной примеси («-типа) использовали олово, в качестве акцепторной (р-типа) _ цинк. Отметим, что с увеличением содержания олова рассогласование параметров решеток существенно уменьшается, в то время как легирование цинком практически его не изменяет. Атомную долю олова в жидкой фазе изменяли от 0.01 до 0.06, что соответствовало концентрации носителей «-типа в диапазоне 1 х 1017_1 х 1019 см 3. Атомную долю цинка изменяли от 0.0001 до 0.0006, что также соответствовало концентрации носителей р-типа 1 х 1017_1 х 1019 см_3. Зависимость изменения рассогласования параметров решеток от количества легирующей примеси
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.