Elektronika 2009-05.pdf - Instytut Systemów Elektronicznych ...

Technologia MOCVD materiałów zawierającychantymon na podłożach GaSbdla zastosowań w optoelektronicedr MAREK WESOŁOWSKI, dr inż. WŁODZIMIERZ STRUPIŃSKIInstytut Technologii Materiałów Elektronicznych, WarszawaGrupa materiałów półprzewodnikowych III-V z antymonemstaje się obecnie szeroko stosowana w konstrukcjach przyrządówelektronicznych i optoelektronicznych [1,2]. Drogę dozastosowań wyznacza wąska przerwa energetyczna. Jeślirozpatrywać związki wąskoprzerwowe bazujące na GaSb,GaAs, InSb, InAs, AlSb i AlAs, to wartość przerwy odpowiadaemisji lub absorpcji w pasmie od ok. 1,7 µm (GaSb) do ponad7µm (InGaSb). Wykonywane lub opracowywane są fotodetektory,diody świecące i lasery pólprzewodnikowe pracującew tym zakresie, rozpatrywane jest także zastosowanie antymonkóww ogniwach fotowoltaicznych. Bardzo obiecującymjest m.in. zagadnienie laserów półprzewodnikowych2...2,8 µm na podłożach GaSb. Takie lasery mogą osiągaćmoce rzędu kilku watów i pracować w trybie ciągłym w temperaturzepokojowej wypełniając wcześniejszą lukę, w którejdostępne były tylko mające liczne mankamenty lasery barwnikowe.Dwie główne technologie umożliwiają epitaksję nanowarstwantymonkowych dla celów elektroniki. Pierwszą jestMBE - epitaksja z wiązek molekularnych. Metoda MBEumożliwia dobrą kontrolę parametrów warstw i odniosła największesukcesy w dziedzinie antymonkowych laserówpółprzewodnikowych jest jednak czasochłonna, kosztownai trudna w komercjalizacji. Drugą metodą jest epitaksja zezwiązków metaloorganicznych - MOCVD [3-5]. MOCVD jestistotnie mniej wymagającym rodzajem epitaksji pod względemwymogów jakości próżni, wykorzystuje jednak dość złożonąchemię związków metaloorganicznych. Jej zaletą jest krótszyczas pojedynczego procesu, niższe koszty i większa łatwośćkomercjalizacji. Technologia warstw antymonkowych w metodzieMOCVD nie jest jednak jeszcze pozytywnie rozwiązana,występuje wiele problemów, które wymagają wciąż opracowania.Znacznie mniej jest też sukcesów w postacidziałających laserów. Przedstawione badania zajmują sięoptymalizacją technologii MOCVD warstw niektórychzwiązków antymonkowych na podłożach GaSb oraz analiząi próbą rozwiązania pewnych problemów tej epitaksji.Problemy epitaksji MOCVD materiałówIII-V z antymonema) b)Rys. 1. Separacja faz związków poczwórnych na GaSb: a) krzywespinodalne InGaAsSb/GaSb, dla warstw naprężonych (linia ciągła)oraz zrelaksowanych (linia przerywana); b) AlGaAsSb - linią przerywanąoznaczona jest krzywa binodalna, ciągłą spinodalna (dozwoloneskłady odpowiadają powierzchniom na zewnątrz obszarówograniczonych krzywymi) [6]Fig. 1. Miscibility gaps for quaternaries on GaSb: a) spinodal curvesof InGaAsSb, dashed line (strained layers), solid line (relaxedlayers); b) AlGaAsSb, dashed line - binodal curve, solid line - spinodalcurve (compositions allowed are outside areas restricted bycurves) [6]Epitaksja związków III-V z antymonem wiąże się z kilkomacharakterystycznymi trudnościami nie występującymi w epitaksjiarsenków, fosforków i azotków. Do podstawowych problemównależy niska temperatura topnienia niektórychmateriałów z antymonem. InSb topi się w temperaturze525°C, w związku z czym poczwórne związki In(Al)GaAsSbczęsto nie mogą być wytwarzane w temperaturach stosowanychprzy wzroście materiałów bez antymonu.Drugą komplikacją jest występowanie zjawiska separacjifaz dla związków poczwórnych In x Ga 1-x As y Sb 1-y orazAl x Ga 1-x As y Sb 1-y , stosowanych w konstrukcji laserów. Dladanej temperatury wzrostu w warunkach równowagi termodynamicznejnie wszystkie wartości składów x oraz y są dostępne.Na rys. 1. przedstawione są obszary składów niedostępnychdla obu związków przy temperaturze 615°C. Warunkiemdopuszczającym wzrost w tych obszarach jest brakrównowagi termodynamicznej, który na szczęście w pewnymzakresie w epitaksji MOCVD jest spełniony. Problem separacjifaz w MOCVD jednak istnieje i osadzanie warstw prowadziniekiedy do pojawiania się wytrąceń o dwóch różnychskładach granicznych.Jedną z podstawowych kwestii jest brak (w zasadzie) półizolcyjnychpodłoży GaSb, niedomieszkowane kryształy GaSbujawniają typ p i koncentrację dziur rzędu 1•10 17 cm -3 . Pomiaryelektryczne warstw należy rozwiązywać inaczej niż w sposóbstandardowy. Aby wykonać analizę efektu Halla wykorzystujesię najczęściej warstwy wytworzone na podłożach półizolacyjnych,innych niż GaSb (np. GaAs) i ekstrapoluje wynik na oryginalnewarstwy na GaSb. Pomiar taki jest jednak obciążonym.in. obecnością międzypowierzchni warstwa/podłoże.Oprócz problemów typowych dla epitaksji związków antymonkowychIII-V ogólnie, epitaksja MOCVD przynosi takżetrudności charakterystyczne. Pierwsza z nich wiąże się z doboremprekursora antymonu. W typowych warunkach epitaksjiMOCVD arsenków, fosforków lub azotków prekursoremgrupy V jest wodorek AsH 3 , PH 3 lub NH 3 . Jego obecność jestbardzo cenna w procesie wzrostu, uwolniony w czasie pirolizyatomowy wodór pełni rolę doskonałego pasywanta powierzchniwzrostu, zabezpieczając ją przed osadzaniem zanieczyszczeń.W przypadku epitaksji antymonków SbH 3 jestbezużyteczny będąc niestabilnym nawet w temperaturze pokojowej.Konieczne jest stosowanie metaloorganicznych prekursorówantymonu (np. TMSb), które już nie zapewniająpodaży odpowiedniego pasywanta, w związku z tym w warstwachpojawia się silne domieszkowanie tlenem i węglem.ELEKTRONIKA 5/2009 49