Elektronika 2011-10 I.pdf - Instytut Systemów Elektronicznych ...

Zastosowanie technologii MOCVD w dziedzinie laserówantymonkowych z heterozłączem I-go rodzajudr Marek Wesołowski 1 , dr inż. Włodek Strupinski 1 , dr Emilia Pruszyńska-Karbownik 2 ,dr Marcin Motyka 3 , dr Grzegorz Sęk 3 , dr Anna Wójcik-Jedlińska 2 ,dr Kamil Pierściński 2 , dr Dorota Pierścińska 2 , dr inż. Agata Jasik 2 ,mgr inż. Aleksandra Mirowska 1 , dr Rafał Jakieła 4 , dr Iwona Jóźwik 1 ,dr Anna Piątkowska 1 , mgr inż. Kinga Kościewicz 1 , mgr Piotr Caban 1 ,prof. dr hab. Maciej Bugajski 21Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych, Warszawa, 2 Institut Technologii Elektronowej, Warszawa3Politechnika Wrocławska, 4 Institut Fizyki PAN, WarszawaHeterozłaczowe lasery pólprzewodnikowe zakresu 1,9…3 µm zestrukturą wykonaną z antymonków są obecnie głównym rodzajemlaserów pracujących w tym obszarze widmowym (rys. 1). Zapewniajątryb pracy ciągłej w temperaturze pokojowej oraz względniewysokie moce. W przeciwieństwie jednak do większości laserówpółprzewodnikowych technologia otrzymywania heterostrukturcałkowicie zdominowana jest przez epitaksję z wiązek molekularnych(MBE), a technologia epitaksji ze związków metaloorganicznych(MOCVD) jest w tej dziedzinie prawie nieobecna. Obokszeregu przyczyn utrudniających zastosowanie MOCVD jak np.niskie temperatury topnienia, niepełna piroliza prekursorów, separacjafaz czy brak możliwości zastosowania SbH 3jako prekursoraantymonu występuje czynnik częściowo z nimi związany i prawieuniemożliwiający otrzymywanie warstw zawierających glin o jakościodpowiedniej do zastosowania w laserach. Czynnik ten mapostać silnego zanieczyszczenia węglem oraz tlenem i prowadzido występowania wysokiej nieintencjonalnej koncentracji dziurowej[1–3]. Niezamierzona koncentracja typu p w warstwach zawierającychwięcej niż 60% atomów glinu wśród atomów grupy IIIprzekracza zwykle 2E18 cm -3 . Następstwem tych problemów jestprawie całkowity brak doniesień o laserach na GaSb wykonanychprzy zastosowaniu MOCVD oraz brak jakiejkolwiek komercjalizacjitej technologii. W jedynym opublikowanym dotychczas przypadku[1] przyrządu o strukturze podobnej do przedstawionej narys. 1 parametry lasera znacznie odbiegały od parametrów uzyskiwanychw przypadku stosowania MBE i nie przedstawiono trybupracy ciągłej. Z drugiej strony technologia MOCVD odpowiadaznacznie mniej wymagającemu zakresowi ciśnień i pojedynczyproces jest krótszy. W ogólności związana jest z mniejszymikosztami oraz – jeśli jest już opracowana – z łatwiejszą komercjalizacją.Technologie MBE i MOCVD odpowiadają także różnymwarunkom termodynamicznym, w związku z czym zdarza się, żeMOCVD pozwala uzyskać lepsze parametry niektórych materiałów.Publikacja [1] opisująca laser InGaAsSb/AlGaAsSb/GaSbpojawiła się w roku 1997. Od tego czasu kluczowe zagadnieniewzrostu warstw AlGaAsSb w technologii MOCVD rozwinięto niezależnieod laserów między innymi poprzez próby stosowania alternatywnychprekursorów glinu [3-6]. Najlepsze wyniki udaje sięzwykle uzyskać przy użyciu DMEAAl, czyli prekursora innego niżTMAl używany rutynowo podczas wzrostu arsenków i fosforków,a także innego niż zastosowany w pracy [1] TTBAl (Tri-Tertiary-Butyl-Aluminum). Jakkolwiek powtarzalność wyników nie jestzadowalająca. Ponieważ nie pojawiła się dotychczas publikacjaweryfikująca zastosowanie innych prekursorów w strukturze laseraprzeprowadzenie badań takiej możliwości jest wskazane, takiteż jest cel przedstawionych badań. Nie są w literaturze dostępnewyniki obliczeń numerycznych pokazujących wpływ nieintencjonalnychkoncentracji nośników na parametry przyrządów i brakoptymalizacji numerycznej struktur limitowanych wysokimi wartościamikoncentracji nośników w warstwach typu p. Uwzględnienieprzedstawionych w tej pracy symulacji powinno prowadzić dopoprawy parametrów przyrządów.Rys. 1. Schemat struktury lasera InGaAsSb/AlGaAsSb/GaSb dopasowanegosieciowo do GaSb z heterozłączem I-go rodzaju o emisjiok. 2,1 µmFig. 1. The structure of type-I InGaAsSb/AlGaAsSb/GaSb lattice-matchedlaser emitting at 2.1 mmEksperymentEpitaksję warstw przeprowadzano przy pomocy niskociśnieniowegoreaktora MOCVD AIXTRON 200 z horyzontalną komorąkwarcową i nagrzewnikiem halogenowym. Jako gaz nośny zastosowanowodór. Prekursorem metaloorganicznym antytmonubył TMSb (trójmetylek antymonu). Antymonowodór SbH 3, któryzapewniłby pasywację powierzchni wzrostu wodorem, jako niestabilnyw temperaturze większej od 20°C jest niedostępny. Inneprekursory antymonu jak np TESb lub TDMASb [3] nie pozwalająuzyskać istotnie lepszych wyników technologicznych. Jako prekursorarsenu zastosowano arsenowodór. Jako prekursory glinudwa związki: TMAl oraz DMEAAl. Drugi z nich ma niską temperaturędekompozycji oraz charakteryzuje się budową chemicznąutrudniającą powstawanie produktów pirolizy zawierających glinz węglem i ewentualnie tlenem. W związku z tym jest w epitaksjiantymonków obiecujący. Użyto także dwóch prekursorów galu:TMGa oraz TEGa. Inny niż dla TMGa przebieg pirolizy TEGamoże powodować zmniejszone zanieczyszczenie warstw węglem.Jako domieszkę na typ n zastosowano tellur w prekursorzeDMTe (dwumetylek telluru). Procesy epitaksjalne odbywałysię w temperaturze 500…650ºC, przy ciśnieniu 50…500 mbari ilorazie V/III w przedziale 0,3…20. Zastosowano podłoża GaSb„epi-ready” o orientacjach: , oraz odchylone w zakresie0,5…6° od w kierunku A oraz B. Podłożaprzed właściwym procesem epitaksji poddawano wygrzewaniuw reaktorze w celu usunięcia warstwy tlenków. Sprawdzano takżeznaczenie trawienia mokrego w roztworach HCl przed umieszczeniempodłoża w reaktorze. Przeprowadzono optymalizacjęwzrostu warstw homoepitaksjalnych GaSb/GaSb, następniewarstw z indem InGaSb i InGaAsSb, wykonano badania struk-Elektronika 10/2011 25