Спосіб кристалізації лазерних гетероструктур ingaas/іn0,2al0,3ga0,5as, з квантовими точками inas/ingaas

Спосіб кристалізації лазерних гетероструктур InGaAs/Іn0,2Al0,3Ga0,5As, з квантовими точками InAs/InGaAs, що включає послідовне нарощування на підкладці GaAs метаморфного буфера InGaAs, p- та n-емітерів Іn0,2Al0,3Ga0,5As, який відрізняється тим, що формування квантових точок на поверхні епітаксійних шарів InGaAs (Іn0,2Al0,3Ga0,5As) здійснюється в присутності атомів гадолінію в кількостях від 5,0·1010см-2 до 2,0·1011см-2. (19) (21) u200814630 (22) 19.12.2008 (24) 12.05.2009 (46) 12.05.2009, Бюл.№ 9, 2009 р. (72) ЛАРКІН СЕРГІЙ ЮРІЙОВИЧ, UA, ВОРОНЬКО АНДРІЙ ОЛЕКСАНДРОВИЧ, UA, КРУКОВСЬКИЙ СЕМЕН ІВАНОВИЧ, UA, МИХАЩУК ЮРІЙ СЕРГІЙОВИЧ, UA, ГОЛЯКА РОМАН ЛЮБОМИРОВИЧ, UA (73) ЗАКРИТЕ АКЦІОНЕРНЕ ТОВАРИСТВО "НАУКОВО-ВИРОБНИЧИЙ КОНЦЕРН "НАУКА", UA, 3 InAs/Іn0,4Ga0,6As забезпечували квантову ефективність нижчу від 50 %. Однак це значення є значно меншим від теоретично можливого для гетероструктур даного типу. Найбільш близьким до запропонованої корисної моделі є спосіб кристалізації лазерних гетероструктур InGaAs/Іn0,2Al0,3Ga0,5As, з квантовими точками InAs/InGaAs (Л.Я. Карачинський, T. Kettler, Н.Ю. Гордеев, та ін «Непрерывный режим генерации одномодовых метаморфных лазеров на квантових точках спектрального диапазона 1,5 мкм», Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вип.12) що включає послідовне нарощування на підкладці GaAs метаморфного буфера InGaAs, pта n- емітерів Іn0,2Al0,3Ga0,5As. В даному способі лазерні структури з квантовими точками InAs/InGaAs на метаморфних шарах (InGaAl)As вирощені на підкладках GaAs забезпечують генерацію в діапазоні 1,4-1,55 мкм. Проте, зовнішня квантова ефективність цих структур не перевищує 50 % оскільки концентрація безвипромінювальних центрів рекомбінації в епітаксійних структурах, створених по цій технології, є надто високою. В основу корисної моделі поставлено задачу розробити спосіб кристалізації лазерних гетероструктур InGaAs/InAlGaAs, з квантовими точками InAs/InGaAs зовнішня квантова ефективність яких становитиме 57-60 %. Поставлена задача вирішується тим, що в способі кристалізації лазерних гетероструктур InGaAs/InAlGaAs, з квантовими точками InAs/InGaAs, що включає послідовне нарощування на підкладці GaAs метаморфного буфера InGaAs, p- та n- емітерів Іn0,2Al0,3Ga0,5As згідно корисної моделі, формування квантових точок на поверхні епітаксійних шарів InGaAs (Іn0,2Al0,3Ga0,5As) здійснюється в присутності атомів гадолінію в кількос10 -2 11 -2 тях від 5,0·10 см до 2,·10 см незалежно від способу отримання МОС-гідридною чи молекулярно-пучковою епітаксією. Реалізація запропонованого способу пояснюється нижче приведеним поясненням механізму зародкоутворення та росту квантових точок, а також експериментальними результатами по вимірюванню зовнішньої квантової ефективності на тестових зразках лазерних гетероструктур InGaAs/InAlGaAs, з квантовими точками InAs/InGaAs. Процес зародкоутворення є надзвичайно чутливий до змін потенціального рельєфу поверхні підкладки (або шару), який в свою чергу визначається наявністю різного сорту дефектів, дислокацій, електрично активних центрів тощо. Саме ці місця на поверхні підкладки (центри кристалізації) 41229 4 є найбільш енергетично вигідні для закріплення на них адсорбованих атомів матеріалу, який кристалізується. Оскільки природа центрів кристалізації є різна, то величина потенційного бар'єру, який долатиме адсорбований атом при закріпленні на поверхні, є різною. Мірою величини цього бар'єру є енергія адсорбції атома. В умовах термодинамічної рівноваги поверхневий моноатомний адсорбований шар складається із атомів Ga чи In, атомів елемента п'ятої групи (As) і атомів спеціально введеної домішки (гадоліній) та фонових домішок. Атоми адсорбованого шару вільно дифундують по поверхні підкладки впродовж деякого часу та поки не закріпляться на одному із поверхневих дефектів. Рухливість атомів характеризується коефіцієнтом дифузії, який можна інтерпретувати як площу, що перекривається хаотичним броунівським рухом адсорбованого атома за одиницю часу. При умові перекривання сфер взаємодії центру кристалізації на поверхні підкладки та адсорбованого атома, останній, закріпляється на підкладці утворюючи хімічний зв'язок із атомом підкладки. Утворюється зародок кристалізації. Інший адсорбований на поверхні атом стикаючись із ним приводить до його розростання по площі. Атоми, які адсорбуються із об'єму розчину-розплаву, на поверхні зародка кристалізації, стимулюють його розростання вгору. При відсутності гадолінію розподіл адсорбованих на поверхні атомів арсену буде визначатись тільки розподілом центрів кристалізації. На початковій стадії формування плівки на ділянках підкладки із більшою густиною центрів кристалізації утворюється більша кількість квантових точок, котрі розростаються в окремі кластери. На ділянках, де густина центрів кристалізації є меншою, квантові точки добре розділяються одна від одної. В присутності гадолінію процес кристалізації може відбуватись дещо іншим способом. Атом гадолінію, адсорбований поверхнею підкладки, або той, що знаходитись в моноатомному шарі біля поверхні, частково екрануватиме центр кристалізації, перешкоджаючи закріпленню на ньому дифундуючого по поверхні атома арсену. Внаслідок чого обмежуватиметься доступ атомів арсену до вже кристалізованих квантових точок і призупинятиметься їх розростання та зливання в окремі кластери. Розподіл квантових точок по поверхні стає більш рівномірний, а кластероутворення майже відсутнє. В таблиці приведені експериментальні результати по вимірюванню зовнішньої квантової ефективності на тестових зразках лазерних гетероструктур InGaAs/InAlGaAs, з квантовими точками InAs/InGaAs. 5 41229 6 Таблиця Зовнішня квантова ефективність лазерних гетероструктур InGaAs/InAlGaAs, з масивами квантових точок InAs/InGaAs отриманих з додаванням гадолінію та без нього. Номер зразка 1 2 3 4 5 6 Концентрація гадолінію на поверхні InGaAs чи InAlGaAs, см-2 1,0·1010 5,0·1010 9,0·1010 2,0·1011 7,0·1011 Як видно із таблиці, введення атомів гадолінію на поверхню епітаксійного шару, на якому відбувається кристалізація масивів квантових точок, дозволяє на 7-10 % збільшити зовнішню квантову ефективність лазерних гетероструктур у порівнянні із гетероструктурами нарощеними згідно технологічних режимів запропонованих у прототипі. Вибір мінімальної та максимальних кількостей гадолінію зумовлений тим, що при концентраціях 10 -2 гадолінію менших 5,0·10 см та більших від 11 -2 2,0·10 см , значення зовнішньої квантової ефективності є лише на 1-2 % більшим від того, що досягається в прототипі. Найбільш ймовірним поясненням цього ефекту є непогане співпадання оптимальної кількості атомів гадолінію на поверхні 10 -2 11 -2 шару (5,0·10 см до 2,0·10 см ) із концентрацією густини острівців (квантових точок) (~4,9·109см-2), що утворюються через 0,22 с після початку кристалізації, на основі самоузгодженої теоретичної моделі формування трьохвимірної плівки [1]. Приклад конкретного виконання. Комп’ютерна верстка І.Скворцова Зовнішня квантова ефективність.% 50 52 58 60 57 51 Наведемо приклад виконання способу кристалізації лазерних гетероструктур InGaAs/Іn0,2Al0,3Ga0,5As, з квантовими точками InAs/InGaAs. На підкладці n-GaAs послідовно нарощуються метаморфний буфер InGaAs, емітер nІn0,2Al0,3Ga0,5As, на поверхні якого формується масив квантових точок InAs/InGaAs з одночасним нанесенням гадолінію на поверхню шарів 10 -2 Іn0,2Al0,3Ga0,5As та InGaAs в кількості 9,0·10 см . Далі масив квантових точок зарощується ремітером Іn0,2Al0,3Ga0,5As. Виміряна зовнішня квантова ефективність, отриманих таким способом лазерних гетероструктур, становила 60 %. Запропонований спосіб може бути використаний для кристалізації лазерних гетероструктур в системі InAs/InGaAs/InAlGaAs на підкладках GaAs з метаморфним буферним шаром InGaAs і може бути використаним в електронній техніці при виготовленні напівпровідникових приладів. Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601