ИСТИНА

Актуальность темы Существует целый ряд задач современной науки и техники, которые для своего решения требуют создания полупроводниковых излучателей с выходными характеристиками, расширяющими и превосходящими возможности отдельных лазерных диодов (ЛД). Одни из таких задач - повышение выходной мощности и сохранение массогабаритных параметров на уровне традиционных ЛД. Очевидным путем практической реализации таких приборов является создание многоэлементных лазерных излучателей – линеек и решеток лазерных диодов (ЛЛД и РЛД). Такой подход позволяет повысить выходную мощность, но при этом размеры излучающей апертуры существенно увеличиваются. Альтернативным и перспективным способом уменьшения рабочей апертуры является монолитная интеграция, когда в едином эпитаксиальном процессе создаются гетероструктуры (ГС) с несколькими излучающими областями . Эпитаксиальная монолитная интеграция также открывает путь к объединению нескольких функционально различных компонентов в рамках одного кристалла, например лазер/тиристор, лазер/динистор, лазер/транзистор. Основное преимущество таких ГС – отсутствие припойных контактов между отдельными компонентами (то есть их сближение), что ведет к увеличению выходной мощности и яркости излучения. Ключевым моментом для получения высококачественных интегрированных ГС является необходимость получения резких профилей распределения легирующей примеси и высоколегированных слоёв туннельных переходов. При этом ведущим требованием к легирующей примеси является низкое значение коэффициента диффузии для предотвращения размытия заданного концентрационного профиля. В технологии МОС-гидридной эпитаксии (МОСГЭ) в качестве примеси n-типа повсеместно используется кремний, удовлетворяющий требованию низкого коэффициента диффузии и высокой растворимости в соединениях А3В5. В то время как, наиболее распространенная примесь p-типа проводимости, цинк, не позволяет решать задачи по созданию ГС с несколькими p-n-переходами ввиду большого значения коэффициента диффузии. По этой причине, в данной работе основной легирующей примесью p-типа выбран углерод, благодаря меньшему значению коэффициента диффузии (для GaAs при Т=770°С DC=2×10-16 см2/с, а DZn=6×10-14 см2/с) и возможности получать легированные слои с p≥1020 см-3. В качестве источника углерода в МОСГЭ хорошо зарекомендовал себя тетрахлорид углерода CCl4. Однако его применение имеет свою специфику. В процессе легирования протекают побочные реакции основных реагентов с хлорсодержащими компонентами, уменьшающие скорость роста эпитаксиальных слоев (ЭС). При этом единое мнение относительно процесса травления GaAs при легировании CCl4 в настоящий момент не сформировано. В связи с этим, для получения ГС с несколькими p-n-переходами актуальным является изучение процесса легирования тетрахлоридом углерода. Дополнительно создание интегрированных ГС с несколькими p-n переходами осложняется необходимостью учета внутренних упругих напряжений, существенно увеличивающихся с ростом общей толщины ГС. Так, для лазерных излучателей спектрального диапазона 850-1100 нм в настоящее время широкое распространение нашли ГС InGaAs/AlGaAs/GaAs. Для получения излучения в указанном диапазоне длин волн используют напряженные квантовые ямы InGaAs/AlGaAs. Небольшие изменения состава и толщины КЯ во время эпитаксиального роста, увеличение внутренних напряжений в случае использования множественных КЯ и формирования нескольких излучающих секций могут приводить к превышению критических значений и релаксации напряжений с образованием дислокаций несоответствия. Возможным путем повышения технологической устойчивости процесса получения ГС с такими КЯ является использование дополнительных слоёв GaAsP с напряжениями противоположного знака (растяжения), компенсирующие напряжения сжатия в КЯ InGaAs. При этом компенсирующие слои не должны ухудшать качество гетерограниц и не способствовать образованию промежуточных слоёв с неконтролируемым составом. Ведущую роль в получении КЯ с заданными свойствами играют условия процесса эпитаксии и способы компенсации возникающих напряжений. Для этого необходимо учитывать границы устойчивости КЯ и выявить влияние компенсирующих слоев GaAsP с деформацией растяжения на процесс получения напряженно-сжатых КЯ InGaAs/AlGaAs методом МОСГЭ. Цель и задачи работы Целью данной работы являлось получение эпитаксиальных слоёв (Al)GaAs легированных углеродом, формирование напряженных квантовых ям InGaAs и гетероструктур InGaAs/AlGaAs/GaAs с несколькими p-n-переходами методом МОС-гидридной эпитаксии. В соответствии с указанной целью были поставлены следующие задачи: 1. Исследование закономерностей легирования слоев (Al)GaAs с помощью тетрахлорида углерода в условиях МОС-гидридной эпитаксии. 2. Изучение влияния компенсирующих слоев GaAsP с деформацией растяжения на люминесцентные свойства напряженно-сжатых квантовых ям InGaAs/AlGaAs. 3. Получение методом МОС-гидридной эпитаксии гетероструктур InGaAs/AlGaAs/GaAs для мощных лазерных диодов спектрального диапазона 850-1100 нм. 4. Эпитаксиальная интеграция лазерных гетероструктур InGaAs/AlGaAs/GaAs. 5. Формирование n-p-n-p гетероструктур InGaAs/AlGaAs/GaAs для монолитной интеграции лазера и тиристора методом МОС-гидридной эпитаксии. Научная новизна 1. Установлена граничная температура проведения процесса легирования эпитаксиальных слоёв GaAs тетрахлоридом углерода, при которой наблюдается смена механизма снижения скорости роста. 2. Предложен эффективный способ компенсации упругих напряжений в квантовых ямах InGaAs/AlGaAs с помощью слоёв GaAsP. 3. Определены оптимальные режимы процесса выращивания гетероструктур InGaAs/AlGaAs/GaAs с несколькими p-n-переходами, пригодные к созданию лазерных излучателей повышенной мощности и яркости на их основе. 4. Установлено, что в условиях МОС-гидридной эпитаксии возможно создание n-p-n-p гетероструктур InGaAs/AlGaAs/GaAs для функциональной интеграции мощных лазерных диодов с переключающим элементом. Практическая ценность работы 1. Выявлены закономерности легирования углеродом GaAs с помощью CCl4 и сопряженного с ним процесса травления в диапазоне температур 550-800ºС. Получен GaAs p-типа проводимости для сильнолегированных контактных слоёв и туннельных переходов. 2. Создана методика управления упругими напряжениями в гетероструктурах InGaAs/AlGaAs, которая обеспечила получение сильнонапряженных квантовых ям InGaAs с высокими люминесцентными свойствами. 3. Разработан процесс получения эпитаксиально-интегрированных гетероструктур InGaAs/AlGaAs/GaAs с несколькими p-n-переходами методом МОС-гидридной эпитаксии. На основе полученных гетероструктур изготовлены излучатели спектрального диапазона λ=850-1100 нм с повышенной яркостью и выходной импульсной мощностью, достигающей 120 Вт для лазерных диодов и 2 кВт для решеток лазерных диодов. 4. Разработаны и получены методом МОС-гидридной эпитаксии эпитаксиально-интегрированные гетероструктуры лазер-тиристор. Созданные на их основе приборы продемонстрировали пиковую оптическую мощность P=16 Вт при напряжении включения U=10 В и токе управления Iу=70 мА. Основные положения, выносимые на защиту. 1. Температура процесса легирования тетрахлоридом углерода эпитаксиальных слоев GaAs в условиях МОС-гидридной эпитаксии определяет механизм снижения скорости роста: при температурах ниже 580°С доминирует обеднение парогазовой смеси исходным галлий-содержащим компонентом с образованием GaCl, а при температурах свыше 580°С – гетерогенное травление поверхности GaAs с образованием летучего GaCl3. 2. Разделение области компенсации упругих напряжений GaAsP и квантовых ям InGaAs позволяет увеличить в 2 раза интенсивность сигнала фотолюминесценции гетероструктур InGaAs/AlGaAs. 3. МОС-гидридная эпитаксия позволяет создавать гетероструктуры InGaAs/AlGaAs/GaAs с несколькими p-n-переходами для лазерных излучателей спектрального диапазона λ=850–1100 нм с повышенной мощностью и яркостью. 4. Эпитаксиально-интегрированные n-p-n-p гетероструктуры InGaAs/AlGaAs/GaAs обеспечивают возможность получения мощного лазера и тиристора в одном кристалле.