Способ изготовления светоизлучающей структуры на квантовых точках и светоизлучающая структура

 

Использование: при изготовлении из материалов А³В⁵ и соединений на их основе светоизлучающих структур на квантовых точках (КТ), в частности лазеров, работающих в инфракрасном диапазоне длин волн при комнатной температуре. Способ изготовления светоизлучающей структуры на КТ включает последовательное выращивание на подложке GaAs молекулярно-пучковой эпитаксией буферного слоя GaAs, нижнего эмиттерного слоя на основе соединения AlGaAs, волноводного слоя GaAs, содержащего активную область на основе КТ, формируемую последовательным осаждением при температуре подложки 460-520^oС слоя InAs толщиной 0,6-0,9 нм при скорости его роста 0,01-0,03 нм/с, слоя InGaAs с химическим составом 10-35% по индию при отношении потока мышьяка к потоку индия 1,5-3,0 и прикрывающего слоя GaAs, а также верхнего эмиттерного слоя на основе соединения AlGaAs и контактного слоя GaAs. В светоизлучающей структуре нижний эмиттерный слой формируют из чередующихся слоев AlGaAs и GaAs. Техническим результатом изобретения является изготовление структур, излучающих на длине волны 1,3 мкм, обладающих высоким коэффициентом оптического усиления и имеющих минимальные внутренние потери и коротковолновый отскок длины волны излучения. 2 с. и 14 з.п. ф-лы, 11 ил., 4 табл.

Настоящее изобретение относится к оптоэлектронике, а более конкретно к способам изготовления из материалов А³В⁵ и соединений на их основе светоизлучающих структур на квантовых точках и к конструкциям таких структур, в частности лазеров, работающих в инфракрасном диапазоне длин волн при комнатной температуре.

Инжекционные лазеры, работающие в диапазоне 1,3 мкм при комнатной температуре, широко используются в качестве рабочего элемента передающих модулей волоконно-оптических линий связи. До недавнего времени все инжекционные лазеры указанного спектрального диапазона эпитаксиально выращивались на подложках InP в системах материалов InGaAsP или InGaAlAs. В последнее время возрос интерес к замене существующих лазеров диапазона 1,3 мкм на подложках InP на лазеры, выращенные на подложках GaAs. К недостаткам эпитаксиальных структур на подложках InР относятся более высокая стоимость и худшее качество подложек, снижающее выход годных изделий, а также малые разрывы ширины запрещенной зоны и невысокие различия показателей преломления эпитаксиальных материалов, что приводит к сильному выбросу носителей из активной области лазера, ухудшая температурные характеристики лазеров, и снижает фактор оптического ограничения.

Известен способ изготовления квантово-точечных структур на основе самоорганизующихся квантовых точек, использующий образование трехмерных островков размером 10-30 нм непосредственно в процессе эпитаксиального выращивания полупроводникового материала, имеющего постоянную решетки, отличающуюся от постоянной решетки подложки [1].

Известный способ позволяет создавать структуры, свободные от дефектов и интерфейсных состояний, однако не обеспечивает изготовление лазеров, излучающих в диапазоне 1,3 мкм.

Известен каскадный лазер на основе квантовых точек [2], включающий подложку, снабженную электрическим контактом, один или более слоев квантовых точек, отделенных друг от друга барьерными областями, и расположенный сверху контактный слой, снабженный электрическим контактом. В слое квантовых точек каждая квантовая точка отделена одна от другой барьерными областями.

Известный каскадный лазер, основанный на межподзонных переходах, излучает в диапазоне дальнего, а не ближнего инфракрасного излучения.

К недостатку лазеров на подложках GaAs относится сложность создания активной области, излучающей на длине волны 1,3 мкм, способной по своим структурным и оптическим характеристикам удовлетворить требованиям, предъявляемым к лазерам, используемым в волоконной оптической связи. К таким требованиям относятся: возможность достижения длины волны излучения, лежащей в диапазоне длин волн 1290-1330 нм, отвечающем окну прозрачности стандартного оптического волокна; низкая пороговая плотность тока, поскольку плохие пороговые характеристики приводят к разогреву лазера, снижению КПД и невозможности излучать в непрерывном режиме; высокий коэффициент оптического усиления, позволяющий создавать лазерные структуры, обладающие высокой дифференциальной эффективностью.

В связи с этим в последние годы проводились активные исследования в области эпитаксиального роста материалов, пригодных для формирования активной области лазеров на подложках GaAs, излучающей в диапазоне длин волн 1,3 мкм. К числу подобных материалов относятся структуры с квантовыми ямами InGaAsN и GaAsSb, а также структуры с массивами самоорганизующихся квантовых точек InGaAs.

При эпитаксиальном осаждении слоя In_xGa_1-xAs с большим содержанием индия (х>40%) на поверхности GaAs происходит самопроизвольное формирование массива трехмерных островков (самоорганизующихся квантовых точек) с характерным размером около 5-10 нм. Формирование подобного массива квантовых точек InAs впервые наблюдалось в работе [3]. Структуры, содержащие массив квантовых точек InGaAs в матрице GaAs, полученные с использованием стандартных режимов выращивания методом молекулярно-пучковой эпитаксии, не позволяют достичь требуемой длины волны излучения 1,3 мкм. Наибольшая длина волны при комнатной температуре составляет приблизительно 1,24 мкм и ограничена формированием дислокаций при дальнейшем осаждении InGaAs [4].

Для увеличения длины волны излучения структур с квантовыми точками применяют специальные приемы, в частности, метод атомно-слоевого осаждения (АСО) материала активной области InGaAs с использованием эпитаксии из металлоорганических соединений [5] и с использованием молекулярно-пучковой эпитаксии [6].

При эпитаксиальном выращивании тройного соединения InGaAs, являющегося материалом квантовых точек, происходит одновременное осаждение индия (In), галлия (Ga) и мышьяка (As). В методе АСО в качестве материала квантовых точек используют In_хGa_1-XAs (x~50%), формируемый поочередным осаждением элементов.

Способ АСО позволяет продлить бездислокационный режим роста InGaAs и таким образом сформировать квантовые точки InGaAs большего размера, излучающие на большей длине волны.

Однако недостатком известного способа АСО является низкая поверхностная плотность квантовых точек (около 1•10¹⁰ см^-2), что приводит к низким значениям максимального коэффициента оптического усиления в лазерах. В свою очередь, низкий коэффициент усиления не позволяет достичь лазерной генерации в лазерных структурах с высокими потерями на выход излучения, в которых могла бы быть получена высокая дифференциальная эффективность. Таким образом, дифференциальная эффективность и, как результат, максимальная выходная мощность излучения лазеров, полученных известным способом АСО, оказываются неприемлемо малыми.

Наиболее близким по технической сущности и количеству существенных признаков к заявляемому решению является способ изготовления светоизлучающих структур на квантовых точках, основанный на заращивании массива квантовых точек InAs слоем InGaAs (квантовые точки в квантовой яме, далее - КТКЯ) [7].

Известный способ изготовления светоизлучающих структур включает приготовление подложки GaAs n-типа, последовательное выращивание на ней молекулярно-пучковой эпитаксией буферного слоя GaAs n-типа, нижнего эмиттерного слоя n-типа в виде слоя тройного соединения AlGaAs, нижней части волноводного слоя (матрицы) GaAs или AlGaAs с содержанием Al, меньшим чем в эмиттерных слоях. Затем осуществляют прерывание роста в потоке мышьяка и понижают температуру подложки до 490-480^oС, осаждают слой InAs толщиной 0,6-0,9 нм, трансформируемый в массив квантовых точек, слой InGaAs толщиной 5-10 нм с химическим составом 15-20% по индию, прикрывающий слой GaAs толщиной 1-5 нм, предотвращающий переиспарение атомов In при последующем повышении температуры. Далее прерывают рост в потоке мышьяка и повышают температуру подложки до 600^oС и выращивают верхнюю часть волноводного слоя, верхний эмиттерный слоя р-типа на основе тройного соединения AlGaAs и контактный слой GaAs р-типа. В случае осаждения нескольких слоев квантовых точек между ними выращивают разделяющий слой GaAs толщиной 20-30 нм.

В известном способе-прототипе в качестве материала квантовых точек используют InAs, осаждаемый одновременным напылением индия и мышьяка. Как указывалось выше, особенностью известного способа является последующее заращивание массива самоорганизующихся квантовых точек тонким слоем In_XGa_1-XAs (состав х~ 15-20%, толщина около 5-10 нм). Меньшая ширина запрещенной зоны InGaAs по сравнению с GaAs, частичное спонтанное перераспределение атомов In и Ga слоя In_XGa_1-XAs, а также снижение механического напряжения материала квантовых точек способствуют увеличению длины волны излучения структур, полученных методом КТКЯ по сравнению с традиционными структурами (точки в матрице GaAs).

Известный способ-прототип, по сравнению со способом АСО, позволяет достичь высокой дифференциальной эффективности и высокой выходной мощности изготовляемых инжекционных лазеров при сравнимых пороговых плотностях тока. Однако, длина волны излучения КТКЯ лазеров короче 1,3 мкм. В лучших лазерах она составляет 1,28 мкм, однако типично достигаемая длина волны КТКЯ лазеров составляет 1,24-1,27 мкм. Кроме того, в инжекционных лазерах, изготовленных известным способом-прототипом, наблюдается уменьшение длины волны излучения (коротковолновый отскок) по сравнению с тестовыми (нелазерными) структурами, в которых активная область выращивалась в идентичных условиях.

Таким образом, светоизлучающие структуры на основе самоорганизующихся квантовых точек, полученные способом-прототипом, не обладают необходимой совокупностью приборных характеристик, которая позволила бы использовать их в линиях волоконной оптической связи взамен лазеров на подложках InP.

Известна светоизлучающая структура на квантовых точках на основе соединений AlGaAs/GaAs/InGaAs, совпадающая с заявляемым решением по наибольшему числу существенных признаков, принятый за прототип [7]. Светоизлучающая структура-прототип включает подложку GaAs, на которой последовательно выращены буферный слой GaAs, нижний эмиттерный слой из AlGaAs толщиной 1-2 мкм, волноводный слой GaAs или AlGaAs с содержанием Аl, меньшим чем в эмиттерных слоях, с активной областью на основе квантовых точек, верхний эмиттерный слой на основе слоя тройного соединения AlGaAs и контактный слой GaAs.

Известная светоизлучающая структура имеет высокую дифференциальную эффективность и высокую выходную мощность. Однако длина волны излучения известной структуры-прототипа короче 1,3 мкм. В лучших образцах она составляет 1,28 мкм, однако типично достигаемая длина волны структуры-прототипа составляет 1,24-1,27 мкм. Кроме того, известная светоизлучающая структура проявляет отскок длины волны излучения в коротковолновую сторону по сравнению с тестовыми (нелазерными) структурами. Таким образом, светоизлучающая структура-прототип не обладает необходимой совокупностью приборных характеристик, которая позволила бы использовать его в линиях волоконной оптической связи взамен лазеров на подложках InP.

Задачей настоящего изобретения являлась разработка такого способа изготовления светоизлучающей структуры на квантовых точках (КТ) и такой конструкции светоизлучающей структуры, которые бы обеспечили воспроизводимое получение излучения с длиной волны 1,3 мкм при сохранении высокого коэффициента оптического усиления, позволили бы минимизировать внутренние потери и коротковолновый отскок длины волны излучения.

Поставленная задача решается группой изобретений, объединенных единым изобретательским замыслом.

В части способа задача решается тем, что в способе изготовления светоизлучающей структуры на КТ, включающем последовательное выращивание на подложке GaAs молекулярно-пучковой эпитаксией буферного слоя GaAs, нижнего эмиттерного слоя на основе соединения AlGaAs, волноводного слоя GaAs или AlGaAs с содержанием Аl, меньшим чем в эмиттерных слоях, содержащего активную область на основе квантовых точек, формируемую последовательным осаждением при температуре подложки 460-520^oС слоя InAs толщиной 0,6-0,9 нм, слоя InGaAs с химическим составом 10-35% по индию и прикрывающего слоя GaAs, а также верхнего эмиттерного слоя на основе слоя тройного соединения AlGaAs и контактного слоя GaAs, слой InAs выращивают при скорости его роста 0,01-0,03 нм/с, а выращивание слоя InGaAs осуществляют при отношении потока мышьяка к потоку индия 1,5-3,0.

В известном способе-прототипе величине скорости выращивания слоев структуры не уделялось внимания, поскольку ранее полагалось, что она не влияет на свойства получаемых структур. Скорость осаждения GaAs выбиралась зачастую произвольно исходя из соображений минимизации времени роста структуры. Соответственно, она могла быть достаточно велика, например 0,3 нм/с. Таким образом, в известном способе-прототипе, когда поток мышьяка выбирают исходя из используемой скорости роста слоев GaAs, может происходить неконтролируемое изменение длины волны излучения и коэффициента оптического усиления формируемого массива КТКЯ. В то же время, выбор скорости роста слоев GaAs влияет на величину используемого потока мышьяка. Поскольку рост протекает в условиях обогащения по мышьяку, увеличение скорости роста GaAs означает соответствующее увеличение потока мышьяка.

Нами было обнаружено, что значение потока мышьяка, использованного при выращивании активной области светоизлучающей структуры на КТ, существенно влияет на структурные и оптические свойства. При использовании высокого потока мышьяка (при отношении потока мышьяка к потоку индия, большем 3,0) происходит формирование плотного массива КТ, обладающего высоким коэффициентом оптического усиления. Однако размер КТ мал и не позволяет достичь требуемой длины волны. Снижение потока мышьяка приводит к увеличению длины волны излучения за счет увеличения размеров КТ при снижении поверхностной плотности массива КТ. При дальнейшем снижении потока мышьяка (при отношении потока мышьяка к потоку индия, меньшем 1,5) рост InGaAs происходит в металл-обогащенных условиях (недостаток мышьяка), что приводит к образованию на поверхности роста металлических капель и исчезновению сигнала люминесценции.

Верхний предел скорости роста InAs выбран таким образом, чтобы процесс формирования массива КТ протекал в условиях, близких к термодинамическому равновесию. Однако, при слишком малых скоростях роста InAs (меньших 0,01 нм/с) время осаждения возрастает, что увеличивает риск внедрения в слой нежелательных примесей из атмосферы ростовой камеры. Скорость роста GaAs выбирают таким образом, чтобы удовлетворить желаемый химический состав слоя InGaAs, определяемый соотношением: состав InGaAs по индию=(скорость роста InAs)/(скорость роста InAs + скорость роста GaAs).

Толщину слоя InAs, формирующего массив КТ, выбирают с учетом требуемой длины волны излучения, на которую так же влияет содержание индия в слое InGaAs, входящем в активную область. Увеличение толщин слоев InAs и InGaAs приводит к большей длине волны излучения.

Если толщина InAs выбрана больше, чем 0,9 нм, существует риск пластической релаксации напряжения (формирования дислокации и дефектов), что увеличивает пороговую плотность тока.

Если толщина InAs выбрана меньше, чем 0,6 нм, массив квантовых точек формируется не полностью - квантовые точки характеризуются большим разбросом. При толщине, меньшей чем 0,5 нм, вообще не происходит формирования квантовых точек.

Если содержание индия в слое InGaAs превышает 35%, не происходит восстановления планарности поверхности после слоя квантовых точек, а также существует риск пластической релаксации напряжения.

Если содержание индия меньше 10%, слой InGaAs не влияет на длину волны излучения.

Использование температуры подложки ниже 460^oС приводит к большому числу точечных дефектов в эпитаксиальных слоях, обусловленных низкотемпературным ростом.

Использование температуры подложки свыше 520^oС приводит к испарению индия при осаждении индий-содержащих слоев.

Температура осаждения, а также отношение потока элементов V группы (мышьяк) к потоку элементов III группы (галлий, индий, алюминий) оказывают влияние на размеры КТ, влияющие на длину волны излучения, и плотность массива КТ, влияющую на максимальное оптическое усиление структуры. Увеличение потока мышьяка и/или снижение температуры приводит к увеличению плотности массива и уменьшению размеров КТ.

В активной области может быть выращено по меньшей мере два слоя КТ, отделенных от друг от друга разделяющим слоем GaAs.

Слой InGaAs может быть выращен толщиной 3-20 нм.

Прикрывающий слой GaAs может быть выращен толщиной 1-10 нм, а разделяющий слой GaAs - толщиной 3-50 нм.

Нижний эмиттерный слой может быть сформирован из чередующихся слоев AlGaAs и GaAs, например, из чередующихся 10-30 слоев AlGaAs и GaAs толщиной 0,05-0,20 мкм и 5-20 нм, соответственно.

Подложка, буферный слой и нижний эмиттерный слой обычно выполняют проводимостью n-типа, а верхний эмиттерный слой и упомянутый контактный слой выполняют проводимостью р-типа.

При толщине слоя InGaAs, большей чем 20 нм, существует риск формирования дислокаций, а при толщине слоя, меньшей чем 3 нм, слой InGaAs слабо влияет на длину волны излучения.

При толщине прикрывающего слоя GaAs, меньшей чем 1 нм, существует сильное переиспарение индия из лежащих ниже индий-содержащих слоев.

При толщине прикрывающего слоя, большей чем 10 нм, дефекты в материале, выращенном при низкой температуре, оказывают сильное влияние на пороговую плотность тока.

При толщине разделяющего слоя, большей чем 50 нм, фактор оптического ограничения сильно уменьшается вследствие расположения активных областей вне максимума оптической волны.

При толщине разделяющего слоя, меньшей чем 3 нм, существует риск пластической релаксации напряжения в многослойной структуре.

При толщине слоев AlGaAs, превышающей 0,20 мкм, и/или при толщине слоев GaAs, меньшей чем 5 нм, не происходит восстановления планарности ростовой поверхности нижнего эмиттера. При толщине слоев AlGaAs, меньшей чем 0,05 мкм, и/или толщине слоев GaAs, превышающей 20 нм, происходит снижение фактора оптического ограничения вследствие проникновения оптической волны в слои GaAs.

В части конструкции светоизлучающей структуры поставленная задача решается тем, что в светоизлучающей структуре на КТ на основе соединений AlGaAs/GaAs/InGaAs, включающем подложку GaAs, на которой последовательно расположены буферный слой GaAs, нижний эмиттерный слой на основе соединения AlGaAs, волноводный слой GaAs или AlGaAs с содержанием Аl, меньшим чем в эмиттерных слоях с активной областью на основе КТ, верхний эмиттерный слой на основе слоя соединения AlGaAs и контактный слой GaAs, нижний эмиттерный слой сформирован из чередующихся слоев AlGaAs и GaAs.

Активная область светоизлучающей структуры может содержать по меньшей мере два последовательно расположенных слоя квантовых точек, отделенных друг от друга разделяющим слоем GaAs.

Разделяющий слой GaAs светоизлучающей структуры может быть выполнен толщиной 3-50 нм.

Слой КТ может включать слой InAs толщиной 0,6-0,9 нм, слой InGaAs с химическим составом 10-35% по индию и прикрывающий слой GaAs, при этом слой InGaAs может быть выполнен толщиной 3-20 нм, а прикрывающий слой GaAs - толщиной 1-10 нм.

Нижний эмиттерный слой светоизлучающей структуры может быть выполнен из чередующихся 10-30 слоев AlGaAs и GaAs толщиной 0,05-0,20 мкм и 5-20 нм соответственно.

В светоизлучающей структуре подложка, буферный слой и нижний эмиттерный слой могут быть выполнены проводимостью n-типа, а верхний эмиттерный слой и контактный слой выполнены проводимостью р-типа.

Авторами было установлено, что причиной коротковолнового отскока длины волны излучения в КТКЯ лазерных структурах, наряду с неконтролируемой вариацией потока мышьяка при осаждении массива КT, что рассмотрено выше, является также шероховатость исходной ростовой поверхности, вызванная шероховатостью нижнего эмиттера AlGaAs. Шероховатость нижнего эмиттера приводит к увеличению пороговой плотности тока и снижению дифференциальной эффективности светоизлучающей структуры из-за возрастания внутренних потерь.

Предложенная авторами конструкция нижнего эмиттера светоизлучающей структуры позволяет добиться подавления его шероховатости и, таким образом, минимизировать внутренние потери и коротковолновый отскок длины волны излучения.

Коэффициент оптического усиления светоизлучающей структуры пропорционален фактору оптического ограничения оптической моды в волноводе лазерной структуры. Увеличение фактора оптического усиления позволяет повысить максимальный коэффициент оптического усиления и, таким образом, допускает использование светоизлучающей конструкции с высокими потерями на вывод излучения (высокой дифференциальной эффективностью). При фиксированной конструкции волновода (ширины волноводного слоя GaAs) фактор оптического усиления возрастает при увеличении содержания алюминия в эмиттерных слоях. При фиксированном содержании Аl в эмиттерах, зависимость фактора оптического ограничения от ширины волновода имеет максимум при оптимальной ширине волновода.

Для достижения высокого коэффициента оптического усиления в светоизлучающих структурах с активной областью на основе КТКЯ следует использовать эмиттерные слои с высоким содержанием алюминия (х=60-90%). Кроме того, следует использовать волновод оптимальной ширины, которая составляет 0,15-0,4 мкм.

Однако слои Al_XGa_1-XAs с высоким содержанием алюминия (более 50%), выращиваемые методом молекулярно-пучковой эпитаксии, обычно характеризуются непланарной ростовой поверхностью, а именно, поверхность AlGaAs обладает микрорельефом с характерной высотой 200 нм. Наличие микрорельефа на ростовой поверхности AlGaAs приводит к непланарному гетероинтерфейсу AlGaAs/GaAs на границе нижний эмиттер - волновод.

При последующем осаждении слоя GaAs (нижней части волноводного слоя) на поверхности AlGaAs происходит постепенная планаризация ростовой поверхности. Чем больше исходная шероховатость слоя AlGaAs, тем более толстый слой GaAs должен быть осажден для полной планаризации ростовой поверхности. Авторами было обнаружено, что высота микроскопической шероховатости интерфейса AlGaAs/GaAs на границе нижний эмиттер - волновод зависит от толщины осажденного нижнего эмиттера AlGaAs. Увеличение толщины нижнего эмиттера приводит к увеличению высоты шероховатости и соответственно требует большей толщины нижней части волноводного слоя GaAs для полной планаризаиии ростовой поверхности. Также было обнаружено, что если в качестве волноводного слоя используется AlGaAs с содержанием Аl меньшим, чем в эмиттерных слоях (например, 15%), для восстановления планарности ростовой поверхности требуется большая толщина нижней части волноводного слоя по сравнению со случаем использования GaAs.

Непланарность интерфейса нижний эмиттер - волновод приводит к дополнительным внутренним потерям в светоизлучающей структуре, снижающим дифференциальную эффективность и увеличивающим пороговую плотность тока. Поскольку толщина нижнего эмиттера светоизлучающей структуры не может быть выбрана произвольно тонкой и типично составляет 1-2 мкм, дополнительные внутренние потери, вызванные шероховатостью интерфейса нижний эмиттер - волновод, не могут быть устранены при использовании конструкции светоизлучающей структуры-прототипа.

Кроме того, авторами было обнаружено, что планарность гетерограницы между нижней частью волноводного слоя и активной областью влияет на длину волны люминесценции КТКЯ структур, а именно, чем больше толщина нижнего эмиттерного слоя (чем выше степень непланарности поверхности, на которой происходит осаждение активной области), тем более короткая длина волны излучения достигается в КТКЯ структуре.

Толщина нижней части волноводного слоя светоизлучающей структуры не может быть выбрана произвольно большой. Для максимизации фактора оптического ограничения нижняя часть волноводного слоя должна составлять 0,1-0,2 мкм (половина полной толщины волновода). В результате, при использовании конструкции светоизлучающей структуры-прототипа не происходит полной планаризации интерфейса между нижней частью волноводного слоя и активной областью, что приводит к неустранимому коротковолновому сдвигу длины волны излучения в структуре по сравнению с тестовыми структурами, выращенными на тонком слое AlGaAs (коротковолновый отскок длины волны).

Таким образом, недостатками конструкции светоизлучающей структуры-прототипа с активной областью на основе КТКЯ, в которой используется толстый слой нижнего эмиттера с высоким содержанием Аl, являются дополнительные внутренние потери, вызванные шероховатостью интерфейса нижний эмиттер - волновод, и коротковолновый сдвиг длины волны излучения, вызванный непланарностью интерфейса между нижней частью волноводного слоя и активной областью.

Для подавления нежелательных эффектов, обусловленных шероховатостью ростовой поверхности AlGaAs в структуре-прототипе, авторы предложили заменить толстый однородный слой AlGaAs нижнего эмиттера на последовательность повторяющихся тонких слоев AlGaAs, разделенных более тонкими прослойками GaAs. Толщину прослоек GaAs выбирают таким образом, чтобы обеспечивать полную планаризацию ростовой поверхности после слоя AlGaAs выбранной толщины. Количество пар чередующихся слоев нижнего эмиттерного слоя выбирают таким образом, чтобы наличие чередующихся слоев не влияло на характер распределения оптического поля в светоизлучающей структуре. В этом случае интерфейс нижний эмиттер - волновод не имеет микроскопической шероховатости, в отличие от конструкции нижнего эмиттера структуры-прототипа.

Проведенные авторами исследования показывают, что при толщине слоя AlGaAs, не превышающей 0,1 мкм, не происходит формирования существенной шероховатости ростовой поверхности и интерфейс может быть полностью планаризован после осаждения слоя GaAs толщиной всего 0,01 мкм (10 нм). Оптимальные результаты получают при выполнении нижнего эмиттера из чередующихся слоев AlGaAs с толщиной в диапазоне 0,05-0,20 мкм и GaAs толщиной 0,005-0,020 мкм (5-20 нм).

Использование более тонких чередующихся слоев нежелательно, т.к. это приводит к увеличению длительности роста. Использование более толстых чередующихся слоев также нежелательно, т.к. приводит к уменьшению фактора оптического ограничения вследствие проникновения оптической моды в широкие слои GaAs, входящие в состав нижнего эмиттера.

Количество повторяющихся пар AlGaAs/GaAs выбирают таким образом, чтобы полная толщина многослойной структуры соответствовала требуемой толщине нижнего эмиттера. Содержание алюминия x_низ в прослойках Al_XGa_1-XAs выбирают таким образом, чтобы среднее содержание алюминия в нижнем эмиттере соответствовало содержанию алюминия в верхнем эмиттере x_верх и вычисляется по формуле: х_низ=(d_AlGaAs+d_GaAs)x_верх/d_AlGaAs.

Заявитель не обнаружил в патентной и другой научно-технической литературе описания способа изготовления светоизлучающей структуры на квантовых точках, содержащего совокупность существенных признаков заявляемого способа, а также конструкцию светоизлучающей структуры, совпадающую с конструкцией заявляемого лазера. По мнению заявителя, это свидетельствует о новизне заявляемой группы изобретений.

Применение в заявляемом способе при формировании активной области скорости роста слоя InAs в диапазоне 0,01-0,03 нм/с и слоя InGaAs при отношении потока мышьяка к потоку индия 1,5-3,0 и выращивание нижнего эмиттерного слоя из чередующихся слоев AlGaAs и GaAs позволяет методом молекулярно-пучковой эпитаксии создавать низкопороговую светоизлучающую структуру на подложках GaAs, излучающую на длине волны 1,3 мкм, что, по мнению заявителя, позволяет считать заявляемое техническое решение удовлетворяющим критерию "изобретательский уровень".

Заявляемая группа изобретений иллюстрируется чертежами, где: на фиг. 1 показана схематически конструкция заявляемой светоизлучающей структуры; на фиг. 2 схематически изображена конструкция светоизлучающей структуры-прототипа; на фиг.3 приведена зависимость высоты микрошероховатости интерфейса нижний эмиттер Al_0,8Ga_0,2As - волновод GaAs от толщины нижнего эмиттера; на фиг. 4 дана зависимость длины волны излучения КТКЯ структуры от толщины нижнего эмиттера Al_0,8Ga_0,2As (толщина GaAs волновода 0,4 мкм); на фиг. 5 приведена фотография, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа, поверхности нижнего эмиттера (слоя Al_0,8Ga_0,2As толщиной 1 мкм) структуры-прототипа; на фиг. 6 показана фотография, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа, поперечного скола структуры-прототипа; на фиг.7 приведена зависимость фактора оптического ограничения от содержания алюминия в эмиттерных слоях (для ширины волновода 0,4 мкм) для длины волны излучения 1,3 мкм;
на фиг.8 приведена фотография, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа, поперечного скола заявляемой светоизлучающей структуры (нижний эмиттер выполнен в виде чередующихся слоев Al_0,8Ga_0,2As 0,1 мкм/GaAs 0,01 мкм);
на фиг.9 дана зависимость фактора оптического ограничения от ширины GaAs волновода (для эмиттеров Al_0,8Ga_0,2As) для длины волны излучения 1,3 мкм;
на фиг. 10 приведена зависимость длины волны излучения и поверхностной плотности массива КТ от отношения потока As к потоку In+Ga;
на фиг.11 показана зависимость пороговой плотности тока J_th (обозначена квадратами) и длины волны излучения (обозначена окружностями) от числа рядов КТКЯ для лазерной структуры, выращенной по способу-прототипу (незакрашенные символы), и для лазерной структуры, выращенной по заявляемому способу (закрашенные символы).

Изображенная на фиг.1 заявляемая светоизлучающая структура, полученная заявляемым способом, включает подложку 1 GaAs, на которой последовательно выращены буферный слой 2 GaAs, нижний эмиттерный слой 3, сформированный из чередующихся слоев 4 AlGaAs и слоев 5 GaAs (в структуре-прототипе слой 3 выполняют из AlGaAs толщиной 1-2 мкм), нижняя часть волноводного слоя 6 GaAs, активная область 7 на основе одного или нескольких слоев КТ. Каждый слой КТ сформирован при последовательном выращивании слоя 8 InAs и слоя 9 InGaAs с химическим составом 10-35% по индию. Поверх слоя 9 нанесен прикрывающий слой 10 GaAs, обычно имеющий толщину 1-10 нм. В случае выращивания нескольких слоев КТ между соседними слоями расположены разделяющие слои 11 GaAs. На активной области 7 последовательно выращены верхняя часть волноводного слоя 12 GaAs, верхний эмиттерный слой 13 на основе соединения AlGaAs и контактный слой 14 GaAs.

Толщина подложки 1 обычно составляет 400 мкм, а буферный слой 2 выполняют толщиной 0,2-0,4 мкм.

Заявляемую светоизлучающую структуру изготавливают следующим образом.

Используют подложку 1 GaAs, предварительно подготовленную производителем для эпитаксии (epi-ready). Подложку загружают в вакуумный шлюз установки молекулярно-пучковой эпитаксии. По достижении остаточного давления в шлюзе около 10^-6 Торр подложку передают в камеру предварительного обезгаживания, в которой подложку подвергают нагреву при температуре около 300^oС в течение 1 ч. Затем подложку передают в камеру накопления образцов и подложек, а затем в ростовую камеру установки. В ростовой камере подложку нагревают до температуры 610-620^oС в потоке мышьяка (эквивалентное давление в потоке около 10^-5 Торр) для окончательного обезгаживания и удаления окисного слоя.

На подложке 1 молекулярно-пучковой эпитаксией последовательно выращивают в мышьяк-обогащенных условиях при температуре 590-600^oС (при превышении в 2-3 раза потока мышьяка относительно потока галлия) буферный слой 2 GaAs толщиной 0,2-0,4 мкм, чередующиеся слои 4 AlGaAs и слои 5 GaAs, образующие нижний эмиттерный слой 3 и нижнюю часть волноводного слоя 6 GaAs. В лазере-прототипе (см. фиг.2) слой 3 из AlGaAs выполняют толщиной 1-2 мкм, в результате имеет место значительная шероховатость его поверхности и уменьшение длины волны излучения (см. фиг.3 и фиг.4, а также фиг.5, фиг.6). Содержание алюминия в нижнем эмиттерном слое 3 и его толщину выбирают с учетом достижения высокого коэффициента оптического усиления (см. фиг.7). Обычно выращивают 10-30 пар слоев 4 и 5 при содержании алюминия в слое 4 60-90%, что обеспечивает достижение высокого коэффициента оптического усиления и хорошую планарность ростовой поверхности (см. фиг.8). Как указывалось выше, толщина нижней части волноводного слоя 6 не может быть выбрана произвольно большой. Для получения оптимальной величины фактора оптического ограничения целесообразно нижнюю часть волноводного слоя 6 GaAs выращивать толщиной 0,1-0,2 мкм (см. фиг.9). Затем осуществляют прерывание роста в потоке мышьяка и понижение температуры подложки до 460-520^oС для предотвращения переиспарения атомов индия при последующем росте индий-содержащих соединений, устанавливают отношение потока мышьяка к потокам индия и галлия 1,5-3,0 и осаждают слой 8 InAs толщиной 0,6-0,9 нм при скорости его роста 0,01-0,03 нм/с, самопроизвольно трансформирующийся в массив квантовых точек, и слой 9 InGaAs с химическим составом 10-35% по индию. Слой 9 в оптимальном варианте выращивают толщиной 3-20 нм. Как указывалось выше, значение потока мышьяка существенно влияет на структурные и оптические свойства изготавливаемой светоизлучающей структуры (см. фиг.10 и табл.1).

После выращивания слоя 9 InGaAs производят осаждение прикрывающего слоя 10 GaAs, предотвращающего переиспарение атомов In при последующем повышении температуры. Далее прерывают рост в потоке мышьяка, повышают температуру до 590-600^oС и последовательно выращивают верхнюю часть волноводного слоя 12 GaAs (обычно той же толщины, что и слой 6), верхний эмиттерный слой 13 на основе соединения AlGaAs и контактный слой 14 GaAs. Толщина слоя 13 обычно составляет 1-2 мкм, а контактного слоя 14 - 0,2-0,6 мкм.

В случае осаждения нескольких рядов КТ после выращивания первого слоя 9 InGaAs осаждают разделяющий слой 11 GaAs, обычно толщиной 3-50 нм и затем повторяют цикл выращивания слоя 8 InAs, слоя 9 InGaAs и слоя 11 GaAs вплоть до нанесения последнего слоя 9, поверх которого при указанных выше условиях последовательно выращивают верхнюю часть волноводного слоя 12 GaAs, верхний эмиттерный слой 13 на основе соединения AlGaAs и контактный слой 14 GaAs.

Чаще всего используют подложку 1, буферный слой 2 и нижний эмиттерный слой 3 n-типа проводимости, а верхний эмиттерный слой 13 и контактный слой 14 р-типа проводимости.

В установках МПЭ, оснащенных источником мышьяка типа "valved cracker", изменение потока мышьяка производят с помощью изменения диаметра апертуры источника мышьяка. Требуемое изменение может быть произведено достаточно быстро (менее 1 мин), не увеличивая таким образом длительности прерываний роста.

Если установка МПЭ оснащена источником мышьяка типа "Knudsen cell", изменение потока мышьяка не может быть произведено достаточно быстро. В этом случае, скорость роста слоев 6, 11, 12 GaAs должна быть выбрана таким образом, чтобы поток мышьяка, оптимальный для осаждения КТКЯ, обеспечивал рост этих слоев GaAs в мышьяк-стабилизированных условиях. Эта скорость роста соответствует скорости осаждения прикрывающего слоя 10 GaAs и обычно составляет 0,15-0,17 нм/с.

Значения отношения потока As к потоку In+Ga получены с помощью ионного датчика при осаждении лазерных структур в установке МПЭ Riber 32P. Показания ионного датчика при использовании других установок МПЭ могут варьироваться в зависимости от расположения ионного датчика относительно апертуры источника мышьяка.

Для создания потока мышьяка, соответствующего заявляемому отношению потока As к потоку In+Ga, в других установках МПЭ, может быть применен описываемый ниже метод калибровки потока. Для его использования установка МПЭ должна быть оснащена системой наблюдения картин дифракции быстрых электронов (ДБЭ). В соответствии с этим методом проводят осаждение GaAs при температуре 600^oС, скорости роста 0,17 нм/с в мышьяк-стабилизированных условиях при использовании потока мышьяка, заведомо превышающего нижнюю границу мышьяк-стабилизированного роста. На флуоресцентном экране системы ДБЭ наблюдают картину дифракции (2•4), отвечающей росту в мышьяк-стабилизированных условиях. При сохранении постоянными скорости роста и температуры осаждения проводят постепенное уменьшение потока мышьяка. По достижении значения потока мышьяка, отвечающего нижней границе мышьяк-стабилизированного роста, происходит изменение картины ДБЭ с (2•4) на (1•1). Значение потока мышьяка, отвечающее изменению картины ДБЭ, принимают за единичное.

Заявляемым способом на оборудовании лаборатории полупроводниковых гетероструктур Физико-Технического института им. А.Ф. Иоффе РАН (на установке Riber 32P) были изготовлены светоизлучающие структуры заявляемой конструкции с активной областью на основе массива КТ, различающиеся количеством рядов КТКЯ, и с нижним эмиттерным слоем в виде чередующихся слоев AlGaAs/GaAs. Количество чередующихся слоев AlGaAs-GaAs и количество слоев КТ в изготовленных лазерных структурах приведено в табл. 2 и 3, а режимы нанесения слов КТКЯ светоизлучающих структур - в табл. 4.

Из эпитаксиальных структур были изготовлены лазерные диоды с помощью стандартных методов фотолитографии, травления, напыления и вжигания контактов. Были проведен сравнительный анализ приборных характеристик (длина волны излучения и пороговая плотность тока) лазерных диодов, изготовленных из эпитаксиальных структур, полученных заявляемым способом и способом-прототипом (см. фиг.11). Измерения характеристик светоизлучающих структур проводилось в непрерывном и импульсном режимах при комнатной температуре (20^oС).

В случае применения способа-прототипа, лазерная генерация через состояния КТКЯ наблюдается при использовании не менее трех рядов КТКЯ в активной области лазера. При использовании меньшего числа рядов лазерная генерация не наблюдается, т.к. максимального оптического усиления недостаточно для преодоления потерь. При минимальном количестве рядов КТКЯ пороговая плотность тока составляет 80 А/см² при длине волны около 1,26 мкм. Увеличение количества рядов КТКЯ приводит к пропорциональному возрастанию максимального оптического усиления и длинноволновому сдвигу длины волны излучения вплоть до 1,286 мкм при использовании 10 рядов. Однако при этом наблюдается резкое возрастание пороговой плотности тока (до 500 А/см² для 10 рядов). Таким образом, применение конструкции светоизлучающей структуры-прототипа и известного способа выращивания активной области не позволяет достичь достаточной длины волны излучения (1,29-1,31 мкм) и низкой пороговой плотности тока в режиме высокого оптического усиления (большого числа рядов КТКЯ).

В случае применения заявляемого способа, минимальное число рядов КТКЯ, при котором наблюдается лазерная генерация через состояния КТКЯ, снижается до 2. При этом пороговая плотность тока составляет всего 40 А/см² при длине волны 1,28 мкм. В структуре с высоким коэффициентом оптического усиления (10 рядов КТКЯ) длина волны генерации составляет 1,304 мкм. В отличие от способа-прототипа, не наблюдается резкого возрастания пороговой плотности тока при увеличении числа рядов - пороговая плотность тока составляет всего 70 А/см² для 10 рядов. Таким образом, применение заявляемой конструкции светоизлучающей структуры и заявляемого способа ее получения позволяет достичь необходимой длины волны излучения при сохранении низкой пороговой плотности тока в структурах с высоким оптическим усилением (большим числом рядов КТКЯ).

Источники информации
1. Патент США 5614435, МПК Н 01 L 21/20, опубликован 25.03.1997.

2. Патент США 5963571, МПК Н 01 S 03/19, опубликован 05.10.1999.

3. L. Goldstein, E. Gglas, J. Y. Marzin, M. N. Charasse, and G. Le Roux. -"Growth by molecular beam epitaxy and characterization of InAs/GaAs strained-layer superlattices.- Appl. Phys. Lett. 47 (10), 1099-1101, 1985.

4. А. Ю. Егоров, А.Е. Жуков, П.С. Копьев, Н.Н. Леденцов, М.В. Максимов, В. М. Устинов, А. Ф. Цацульников, Ж.И. Алферов, Д.Л. Федоров, Д. Бимберг.- "Оптический диапазон излучения структур с напряженными квантовыми точками InAs в GaAs.- ФТП,-30 (8), 1345-1352, 1996.

5. K. Mukai, N. Ohsuka, M. Sugawara, and S. Yamazaki.- "Self-formed In_0,5Ga_0,5As quantum dots on GaAs substrates emitting at 1,3 μm".-Jpn. J. Appl. Phys.- 33 (12A), L1710-L1712, 1994.

6. R. P. Mirin, J.P. Ibbetson, K. Nishi, A.C. Gossard, and J.Е. Bowers. -"1.3 μm photoluminescence from InGaAs quantum dots on GaAs". - Appl. Phys. Lett.- 67(25), 3795-3797, 1995.

7. A. E. Zhukov, V. M. Ustinov, and Zh. I. Alferov, "Device characteristics of low-threshold quantum-dot lasers". Selected Topics in Electronics and Systems vol. 16. Advances in semiconductor lasers and applications to optoelectronics (eds. M. Dutta and M.A. Stroscio, World Scientific, Singapore, 2000), pp.263-292.

Формула изобретения

1. Способ изготовления светоизлучающей структуры на квантовых точках, включающий последовательное выращивание на подложке GaAs молекулярно-пучковой эпитаксией буферного слоя GaAs; нижнего эмиттерного слоя на основе соединения AlGaAs; волноводного слоя GaAs или AlGaAs с содержанием Аl меньшим, чем в эмиттерных слоях; содержащуюся в волноводном слое активную область на основе квантовых точек, формируемую последовательным осаждением при температуре подложки 460-520^oС слоя InAs толщиной 0,6-0,9 нм при скорости его роста 0,01-0,03 нм/с, слоя InGaAs с химическим составом 10-35% по индию при отношении потока мышьяка к потоку индия 1,5-3,0 и прикрывающего слоя GaAs; верхнего эмиттерного слоя на основе соединения AlGaAs; контактного слоя GaAs.

2. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что упомянутая активная область содержит по меньшей мере два слоя квантовых точек, отделенных друг от друга разделяющим слоем GaAs.

3. Способ по п. 1 или 2, характеризующийся тем, что упомянутый слой InGaAs выращивают толщиной 3-20 нм.

4. Способ по п. 1 или 2, характеризующийся тем, что упомянутый прикрывающий слой GaAs выращивают толщиной 1-10 нм.

5. Способ по п. 2, характеризующийся тем, что упомянутый разделяющий слой GaAs выращивают толщиной 3-50 нм.

6. Способ по любому из пп. 1-7, характеризующийся тем, что упомянутый нижний эмиттерный слой формируют из чередующихся слоев AlGaAs и GaAs.

7. Способ по п. 6, характеризующийся тем, что упомянутый нижний эмиттерный слой формируют из чередующихся 10-30 слоев AlGaAs и GaAs толщиной 0,05-0,20 мкм и 5-20 нм соответственно.

8. Способ по любому из пп. 1-7, характеризующийся тем, что упомянутая подложка, упомянутый буферный слой и упомянутый нижний эмиттерный слой выполняют проводимостью n-типа, а упомянутый верхний эмиттерный слой и упомянутый контактный слой выполняют проводимостью р-типа.

9. Светоизлучающая структура, включающая подложку GaAs, на которой последовательно выращены буферный слой GaAs, нижний эмиттерный слой, сформированный из чередующихся слоев AlGaAs и GaAs, волноводный слой GaAs или AlGaAs с активной областью на основе квантовых точек, верхний эмиттерный слой на основе слоя соединения AlGaAs и контактный слой GaAs.

10. Светоизлучающая структура по п. 9, характеризующаяся тем, что активная область содержит по меньшей мере два последовательно расположенных слоя квантовых точек, отделенных друг от друга разделяющим слоем GaAs.

11. Светоизлучающая структура по п. 10, характеризующаяся тем, что разделяющий слой GaAs выполнен толщиной 3-50 нм.

12. Светоизлучающая структура по п. 9 или 10, характеризующаяся тем, что упомянутый слой квантовых точек включает слой InAs толщиной 0,6-0,9 нм, слой InGaAs с химическим составом 10-35% по индию и прикрывающий слой GaAs.

13. Светоизлучающая структура по п. 12, характеризующаяся тем, что упомянутый слой InGaAs выполнен толщиной 3-20 нм.

14. Светоизлучающая структура по п. 12, характеризующаяся тем, что упомянутый прикрывающий слой GaAs выполнен толщиной 1-10 нм.

15. Светоизлучающая структура по любому из пп. 9-14, характеризующаяся тем, что упомянутый нижний эмиттерный слой выполнен из чередующихся 10-30 слоев AlGaAs и GaAs толщиной 0,05-0,20 мкм и 5-20 нм соответственно.

16. Светоизлучающая структура по любому из пп. 9-15, характеризующаяся тем, что упомянутая подложка, упомянутый буферный слой и упомянутый нижний эмиттерный слой выполнены проводимостью n-типа, а упомянутый верхний эмиттерный слой и упомянутый контактный слой выполнены проводимостью р-типа.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12