НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2004, том 40, № 8, с. 903-907
УДК 621.315.5:548.25
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЦИНКА ПРИ ЛЕГИРОВАНИИ ГЕТЕРОСТРУКТУР АЮаАэ/ОаАэ, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ МОС-ГИДРИДНОЙ ЭПИТАКСИИ
© 2004 г. Р. X. Акчурин*, А. Ю. Андреев*, П. В. Булаев**, И. Д. Залевский**, А. А. Мармалшк**, Д. Б. Никитин**, А. А. Падалица**
*Московская государственная академия тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова
**ООО "Сигм Плюс", Москва Поступила в редакцию 24.06.2003 г.
Рассмотрены особенности распределения цинка в квантоворазмерных лазерных гетероструктурах на основе А1хОа1 _ хД8/ОаЛ8 (х = 0.2-0.4) в ходе их формирования методом МОС-гидридной эпитак-сии с учетом диффузионного размытия задаваемых примесных профилей. На основе анализа экспериментальных данных по распределению носителей заряда в исследуемых гетероструктурах уточнены коэффициенты диффузии цинка для температуры эпитаксиального осаждения 770°С. Усредненное значение Огп составило ~6.0 х 10-14 см2/с. Проведена расчетная оценка положения р-п-перехода в гетероструктурах А1хОа1 - хЛ8/ОаЛ8 в зависимости от задаваемого в процессе эпитаксии концентрационного профиля цинка и скорости эпитаксиального осаждения. Даны рекомендации по выбору предпочтительных вариантов легирования.
ВВЕДЕНИЕ
Одной из важных задач при создании гетеро-структур АЮаАв/ваАв для лазерных диодов является оптимизация профиля легирования. Процесс МОС-гидридной эпитаксии гетерост-руктур для полупроводниковых лазеров на основе АЮаАв/ваАв характеризуется рабочими температурами 700-800°С. Уже при таких температурах наблюдается значительное размытие концентрационных профилей некоторых легирующих примесей в гетероструктурах в результате диффузии [1, 2]. Это может привести к изменению положения р-п-переходов, энергетического спектра, подвижности и концентрации носителей заряда, что в свою очередь ведет к нарушению работы приборов на основе таких структур. Особенно важно учитывать это явление в квантоворазмерных структурах, имеющих в одном или нескольких направлениях характерный размер - единицы-десятки нанометров. Такие гетероструктуры широко используются для производства высокоэффективных лазерных диодов [3].
ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ
В настоящее время широкое распространение нашла конструкция лазерных диодов на основе гетероструктур с квантовыми ямами в качестве активной области и раздельным оптическим и электронным ограничением [3]. Схема энергетической диаграммы такой структуры показана на рис. 1.
В этой структуре волноводные слои (А1х Оа! _ х Ав (х1 = 0.2-0.3)) и активная область (ваАв), как правило, не легируются, а п- и р-эмит-теры (А1 Оа! _ Ав (х2 = 0.3-0.4)) однородно легируются до уровня (7-10) х 1017 см-3. Оптимизация профиля легирования эмиттеров позволяет существенно улучшить параметры лазерного диода [3].
Получение гетероструктуры с требуемым профилем легирующей примеси состоит из двух этапов:
- конструирование требуемой геометрии структуры под заданное применение, при котором необ-
Волновод Волновод
п-эмиттер 1
\ Квантовая/ Р^иттер
Направление роста
Подложка
Контактный слой
Ег
Рис. 1. Схематическое изображение энергетической диаграммы гетероструктуры с одиночной квантовой ямой (показана только зона проводимости): подложка - п-ОаАв, волноводы - А1х Оа! _ х Ав X = 0.20.3), эмиттеры - А1х Оа! - х Ав X = 0.3-0.4), квантовая яма - ОаАв, контактный слой - р-ОаАв.
ходимо теоретически определить оптимальный профиль легирования;
- выращивание данной гетероструктуры с воспроизведением желаемого профиля.
Решение второй задачи требует правильного выбора легирующей примеси и условий легирования.
В МОС-гидридной технологии получения гете-роструктур АЮаАз/ОаАз наиболее распространенными примесями для создания проводимости п- и р-типа являются и ¿и соответственно. Благодаря достаточно низкому коэффициенту диффузии кремния (Ря = 1016-1015 см2/с в АГ^ - ^ (х = 0.20.4) при температуре эпитаксии 770°С [4, 5]) воспроизводимость профиля легирования этой примесью трудностей не вызывает. Гораздо более сложной является проблема воспроизводимого легирования цинком. Литературные данные по коэффициенту диффузии ¿и имеют значительный разброс, при этом они характеризуются гораздо большими значениями Р2и по сравнению с р8; (р2и = 10-10-10-14 см2/с [6-9]). Быстрая диффузия ¿и приводит к существенному изменению заданного профиля при эпитаксиальном росте. Поэтому важно заранее оценить получаемый концентрационный профиль ¿и в гетеро-структуре.
РАСЧЕТ КОНЦЕНТРАЦИОННЫХ ПРОФИЛЕЙ ЦИНКА
Расчет концентрационных профилей ¿и в ге-тероструктурах АЮаАз/ваАв проводили с использованием модели, предусматривающей учет перемещения ростовой поверхности и контролируемое изменение задаваемого профиля легирования в процессе эпитаксиального роста (профильное легирование). Влияние электрического поля объемного заряда в области р-п-перехода на диффузионные процессы при расчетах не учитывалось.
Для упрощения расчетов рассматривалась первая краевая задача для полубесконечного тела. В начальный момент времени т = 0 концентрация ¿и (С2и) во всех точках принималась равной нулю, и задавался произвольный закон изменения его концентрации от времени #(т) на границе тела х = 0, движущейся с постоянной скоростью V.
Ниже приведены условия, принятые при расчете.
Начальное условие: Граничные условия: С2и = 0 при г = 0 С2и = 0 при х —► ^ Схи = ё(т) при х = 0
Решение этой задачи может быть найдено в виде [10]:
CZn(x, t) = exp(pt + |x)
2jñS:
: X
Zn
exp
L 4Dzn(t - T)J
g(T) dT
(t - T)
3/2'
где в = -
4D
■» I = -
v
Zn
2 D
Zn
Здесь x - координата в гетероструктуре, t - время роста эпитаксиального слоя.
Приводимые в литературных источниках данные по коэффициентам диффузии Zn в GaAs и AlxGa1 _ xAs (x = 0.2-0.4) можно разделить на две группы. Первая из них указывает на значения DZn = 5 X 10-10-5 X 1012 см2/с при 770°С [6, 7], а вторая - на DZn = 5 X 10-14-5 X 10~13 см2/с при той же температуре [8, 9]. Это может быть связано с различием методов получения и легирования, а также разным содержанием структурных дефектов в получаемых материалах. Для уточнения этого параметра методом МОС-гидридной эпитаксии были выращены гетероструктуры AlGaAs/GaAs, легированные цинком с определенным профилем легирования. Концентрацию носителей заряда в экспериментальных образцах измеряли CV-мето-дом на установке Polaron 4200. На основании анализа экспериментальных данных по распределению носителей заряда в выращенных гетерост-руктурах получены эффективные значения DZn = = (5-7) X 10-14 см2/с, которые и использовали в дальнейших расчетах.
Распределения легирующей примеси моделировали для различных заданных профилей распределения цинка в слоях р-типа с учетом скорости эпитаксиального осаждения и диффузионного размытия задаваемых профилей в процессе формирования гетероструктуры.
Во всех случаях после выращивания слоя GaAs (квантовая яма) сначала проводили выращивание эпитаксиального слоя AlxGa1 - xAs без введения Zn (область II - волновод, x = 0.2-0.3), затем - с легированием цинком при разных задаваемых профилях его распределения (область I - эмиттер, x = = 0.3-0.4). Варианты таких профилей показаны на рис. 2. В процессе эпитаксиального роста происходила диффузия цинка из области I в область II, и окончательный концентрационный профиль в гетероструктуре определялся, помимо прочего, характером концентрационного профиля в области I.
При определении реального положения p-n-пе-рехода в гетероструктуре концентрация фоновой
2
X
о
2
(а)
(б)
I II
I II
1.7 мкм
0.2-0.3 мкм
(В)
(г)
0.5 мкм I II
-3 см-3
С2п = 5 х 101" см-3
0.2-0.3
V 1.7 мкм
С2п = 1018 см-3
0.2-0.3 мкм
0
Рис. 2. Варианты профильного легирования цинком (области I и II соответствуют указанным на рис. 1; стрелка с индексом V показывает направление роста).
примеси п-типа в эпитаксиальных слоях принималась равной 8 х 1015 см-3.
РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 3 представлены рассчитанные профили распределения ¿п (скорость роста слоя I - 67 нм/мин; слоя II - 75 нм/мин). Начало отсчета по координате совпадает с границей р-эмиттер/р-контакт. Вертикальная линия на всех графиках - это граница слоев I и II (заданное положение р-п-перехода), горизонтальная - концентрация фоновой примеси (донора). Пересечение профилей легирующей и фоновой примесей определяет истинное положение р-п-перехода.
Такие же расчеты были проведены для скоростей роста областей I и II в диапазоне 40-70 и 44-77 нм/мин соответственно. При расчете не учитывали изменение коэффициента диффузии цинка в зависимости от состава этих слоев из-за близких составов для областей I и II.
В идеальном случае профиль легирования р-эмиттера должен соответствовать изображенному на рис. 2а. Однако, как видно из рис. 3 а, из-за диффузионного размытия вместо предполагаемого положения профиль заметно смещается в область волновода, что ведет к увеличению оптических потерь излучения на ионах легирующей примеси в волноводном слое. Для уменьшения этого явления наиболее простым выходом было бы смещение края задаваемого профиля к поверхности структуры, как показано на рис. 26. Однако в таких вариантах концентрация цинка в области р-эмиттера, граничащей с волноводом, заметно уменьшается, в результате чего растут сопротивление структуры и пороговое напряжение. Поэтому оптимальны варианты с переменным ступенчатым или линейно изменяющимся задаваемым профилем легирования (рис. 2в и 2г).
Результаты расчетов показывают, что распределение примеси в значительной мере зависит также от скорости роста эпитаксиальных слоев (с увеличением скорости роста диффузионное раз-
С,п = 1018 см
С
¿п
0
¿п
С ¿и, см
10
18
10
17
10
16
10
15
10
18
10
17
10
16
10
15
2 0 х, мкм
Рис. 3. Рассчитанные профили распределения ¿и для разных вариантов профильного легирования (Р2и =
= 6.0 х 10-14 см2/с): а-г - соответствуют одноименным вариантам на рис. 2; скорость роста слоя I -67 нм/мин, слоя II - 75 нм/мин.
мытие примесного профиля уменьшается). Расчетная зависимость сдвига р-п-перехода от его номинального положения для
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.