RU2257640C1 - Light-emitting structure and method for manufacturing light- emitting structure - Google Patents
Light-emitting structure and method for manufacturing light- emitting structure Download PDFInfo
- Publication number
- RU2257640C1 RU2257640C1 RU2004113171/28A RU2004113171A RU2257640C1 RU 2257640 C1 RU2257640 C1 RU 2257640C1 RU 2004113171/28 A RU2004113171/28 A RU 2004113171/28A RU 2004113171 A RU2004113171 A RU 2004113171A RU 2257640 C1 RU2257640 C1 RU 2257640C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer
- gaas
- ingaasn
- layers
- gaasn
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Semiconductor Lasers (AREA)
Abstract
Description
Настоящее изобретение относится к оптоэлектронике, а более конкретно к способам изготовления из материалов А3В5, в частности в системе InGaAlAsN, и из соединений на их основе светоизлучающих квантоворазмерных гетероструктур и к конструкциям таких структур, в частности лазеров, работающих в инфракрасном диапазоне длин волн.The present invention relates to optoelectronics, and more specifically to methods of manufacturing from materials A 3 B 5 , in particular in the InGaAlAsN system, and from compounds based on them, light-emitting quantum-well heterostructures and to the structures of such structures, in particular lasers operating in the infrared wavelength range .
Инжекционные лазеры, работающие в диапазоне 1,3-1,55 мкм, широко используются в качестве рабочего элемента передающих модулей волоконно-оптических линий связи (ВОЛС). До сравнительно 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 1,3-1,55 мкм на подложках InP на лазеры, выращенные на подложках GaAs. К недостаткам эпитаксиальных структур на подложках InP относятся более высокая стоимость, худшее качество подложек, что снижает выход годных изделий, низкая температурная стабильность самих материалов этой системы при разогреве в рабочих режимах, а также малые разрывы ширины запрещенной зоны и невысокие различия показателей преломления контактирующих материалов. Это приводит к сильному выбросу носителей из активной области лазера, ухудшая температурные характеристики лазеров, и снижает фактор оптического ограничения.Injection lasers operating in the range of 1.3-1.55 μm are widely used as a working element of the transmitting modules of fiber-optic communication lines (FOCL). Until relatively recently, all injection lasers of the indicated spectral range were grown epitaxially on InP substrates in InGaAsP or InGaAlAs materials systems. Recently, interest has increased in replacing existing lasers in the range 1.3-1.55 μm on InP substrates with lasers grown on GaAs substrates. The disadvantages of epitaxial structures on InP substrates include the higher cost, lower quality of the substrates, which reduces the yield of products, the low temperature stability of the materials of this system upon heating in operating conditions, as well as small gap widths and small differences in the refractive indices of the contacting materials. This leads to a strong ejection of carriers from the active region of the laser, worsening the temperature characteristics of the lasers, and reduces the optical limiting factor.
К проблемам лазеров на подложках GaAs относится сложность создания активной области, излучающей на длине волны 1,30 и 1,55 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 1,30-1,55 мкм, отвечающему окну прозрачности стандартного оптического волокна и наименьшей дисперсии излучения в волокне, низкая пороговая плотность тока (поскольку плохие пороговые характеристики приводят к разогреву лазера, снижению КПД и невозможности излучать в непрерывном режиме); высокий коэффициент оптического усиления (при высоком ограничении), позволяющий создавать лазерные структуры, обладающие высокой дифференциальной эффективностью.The problems of GaAs substrate lasers include the difficulty of creating an active region emitting at a wavelength of 1.30 and 1.55 μm, which in its structural and optical characteristics can satisfy the requirements for lasers used in fiber optic communication. These requirements include: the ability to achieve a radiation wavelength lying in the wavelength range 1.30-1.55 μm, corresponding to the transparency window of a standard optical fiber and the smallest dispersion of radiation in the fiber, low threshold current density (since poor threshold characteristics lead to heating laser, reducing efficiency and the inability to emit continuously); high optical gain (with high limitation), which allows you to create laser structures with high differential efficiency.
В связи с этим в последние годы проводились активные исследования в области эпитаксиального роста материалов, в частности молекулярно-пучковой эпитаксией (МПЭ), пригодных для формирования активной области лазеров на подложках GaAs, излучающей в диапазоне длин волн 1,30-1,55 мкм. К числу подобных материалов относятся структуры с квантовыми ямами InGaAsN(Sb) и GaAsSb, а также структуры с массивами самоорганизующихся квантовых точек InGaAs (см. L.H.Li, V.Sallet, G.Patriarche, at el." 1.5 mkm laser on GaAs with GaInNAsSb quinary quantum well". Electron. Lett., 39(6), p.519, 2003). Формирование подобного массива квантовых точек InAs впервые наблюдалось в работе (см. 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), p.p.1099-1101, 1985). Недавно была продемонстрирована возможность достижения с помощью квантовых точек и длины волны 1.55 мкм (см. V.A.Odnobludov, A.Yu.Egorov, V.V.Mamutin, V.M.Ustinov et al., "Room temperature photoluminescence at 1.55 mkm from heterostructure with InAs/InGaAsN quantum dots on GaAs" Techn. Phys. Lett., 28, p.964, 2002).In this regard, in recent years, active research has been carried out in the field of epitaxial growth of materials, in particular molecular beam epitaxy (MPE), suitable for the formation of the active region of lasers on GaAs substrates emitting in the wavelength range of 1.30-1.55 μm. Such materials include InGaAsN (Sb) and GaAsSb quantum well structures, as well as InGaAs self-organizing quantum dot arrays (see LHLi, V. Sallet, G. Patriarche, at el. "1.5 mkm laser on GaAs with GaInNAsSb quinary quantum well ". Electron. Lett., 39 (6), p. 519, 2003). The formation of such an array of InAs quantum dots was first observed in the work (see L. Goldstein, E. Gglas, JY Marzin, MN Charasse, and G. Le Roux. - "Growth by molecular beam epitaxy and characterization of InAs / GaAs strained-layer superlattices - Appl. Phys. Lett. 47 (10), pp1099-1101, 1985) Recently, it has been demonstrated that quantum dots and wavelengths of 1.55 μm can be achieved (see VAOdnobludov, A.Yu.Egorov, VVMamutin, VMUstinov et al., "Room temperature photoluminescence at 1.55 mkm from heterostructure with InAs / InGaAsN quantum dots on GaAs" Techn. Phys. Lett., 28, p. 964, 2002).
Все перечисленные методы направлены на получение какой-либо одной фиксированной длины волны - только 1.30 или 1.55 мкм, как с помощью квантовых точек, так и с помощью квантовых ям со строго подобранным химическим составом в каждом отдельном случае. Само по себе это является весьма труднодостижимой задачей как в плане точного попадания в состав, так и воспроизводимости результатов, особенно при работе с азотной плазмой, которая используется в молекулярно-пучковой эпитаксии для получения активированного (атомарного) азота.All these methods are aimed at obtaining any one fixed wavelength - only 1.30 or 1.55 μm, both with the help of quantum dots and with the help of quantum wells with a strictly selected chemical composition in each individual case. In itself, this is a very difficult task both in terms of the exact composition and reproducibility of the results, especially when working with nitrogen plasma, which is used in molecular beam epitaxy to produce activated (atomic) nitrogen.
Известен способ изготовления квантово-точечных структур на основе самоорганизующихся квантовых точек (см. патент США №5614435, МПК Н 01 L 21/20, опубликован 25.03.1997), использующий образование трехмерных островков размером 10-30 нм непосредственно в процессе эпитаксиального выращивания полупроводникового материала, имеющего постоянную решетки, отличающуюся от постоянной решетки подложки.A known method of manufacturing quantum dot structures based on self-organizing quantum dots (see US patent No. 5614435, IPC H 01
Известный способ позволяет создавать структуры, свободные от дефектов и интерфейсных состояний, однако не обеспечивает изготовление лазеров, излучающих в диапазоне 1,3 мкм.The known method allows you to create structures that are free from defects and interface states, but does not provide for the manufacture of lasers emitting in the range of 1.3 μm.
Известен каскадный лазер на основе квантовых точек (см. патент США №5963571, МПК Н 01 S 03/19, опубликован 05.10.1999), 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 (КТ) отделена одна от другой барьерными областями.Known cascade laser based on quantum dots (see US patent No. 5963571, IPC H 01 S 03/19, published 05.10.1999), including a substrate provided with an electrical contact, one or more layers of quantum dots separated from each other by barrier regions, and an overlying contact layer provided with an electrical contact. In a layer of quantum dots, each quantum dot (QD) is separated from one another by barrier regions.
Известный каскадный лазер, основанный на межподзонных переходах, излучает в диапазоне дальнего, а не ближнего инфракрасного излучения.The well-known cascade laser based on intersubband transitions emits in the range of far, and not near infrared radiation.
Известен способ изготовления светоизлучающей структуры молекулярно-пучковой эпитаксией (МПЭ) (см. V.A.Odnobludov, A.Yu.Egorov, V.V.Mamutin, V.M.Ustinov et al. - "Room temperature photoluminescence at 1.55 mkm from heterostructure with InAs/InGaAsN quantum dots on GaAs". - Techn. Phys. Lett., 28, p.964, 2002). Он 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. Затем осуществляют прерывание роста в потоке мышьяка и понижают температуру подложки до 480-490°С, осаждают слой InAs толщиной 0,6-0,9 нм, самоорганизующийся в массив квантовых точек, заращиваемых слоем InGaAsN с химическим составом 15-20% по индию и 0,7-0,9% по азоту, помещенный в слой GaAsN с содержанием азота 0-2,5%. Далее прерывают рост в потоке мышьяка и повышают температуру подложки до 600°С и выращивают верхнюю часть волноводного слоя, верхний эмиттерный слой р-типа на основе тройного соединения AlGaAs и контактный слой GaAs р-типа.A known method of manufacturing a light-emitting structure by molecular beam epitaxy (MBE) (see VAOdnobludov, A.Yu. Egorov, VVMamutin, VMUstinov et al. - "Room temperature photoluminescence at 1.55 mkm from heterostructure with InAs / InGaAsN quantum dots on GaAs ". - Techn. Phys. Lett., 28, p. 964, 2002). It includes the preparation of an n-type GaAs substrate, the sequential growth of an n-type GaAs buffer layer on it, by molecular-beam epitaxy, an n-type lower emitter layer in the form of an AlGaAs ternary compound layer, the lower part of the GaAs waveguide layer (matrix). Then, growth is interrupted in the flow of arsenic and the substrate temperature is lowered to 480-490 ° C, an InAs layer 0.6-0.9 nm thick is deposited, self-organizing into an array of quantum dots covered by an InGaAsN layer with a chemical composition of 15-20% in India and 0.7-0.9% nitrogen, placed in a GaAsN layer with a nitrogen content of 0-2.5%. Then, the growth in the arsenic flow is interrupted and the substrate temperature is increased to 600 ° C and the upper part of the waveguide layer, the upper p-type emitter layer based on the AlGaAs triple compound and the p-type GaAs contact layer are grown.
В известном способе, позволяющем получать структуры, излучающие на длине волны 1,55 мкм, значительные трудности представляет достижение фиксированных составов слоев на эти длины волн. Известный способ требует применения длительных калибровок в отдельных процессах, измерения различными методами (рентген, SIMS, фотолюминесценция), применение которых значительно усложнено из-за малого содержания азота. Подбор составов на 1,55 мкм еще не обеспечивает достижения других длин волн (в частности 1,30 мкм), т.к. это требует совершенно других составов и новых калибровок. Кроме того, используемые сравнительно высокие температуры роста (480-490°С) представляют трудности для контролируемого внедрения достаточного количества азота из-за его переиспарения.In the known method, which allows to obtain structures that emit at a wavelength of 1.55 μm, significant difficulties are the achievement of a fixed composition of the layers at these wavelengths. The known method requires the use of lengthy calibrations in individual processes, measurements by various methods (X-ray, SIMS, photoluminescence), the use of which is significantly complicated due to the low nitrogen content. The selection of compositions at 1.55 μm does not yet ensure the achievement of other wavelengths (in particular 1.30 μm), because this requires completely different compositions and new calibrations. In addition, the relatively high growth temperatures used (480-490 ° C) present difficulties for the controlled introduction of a sufficient amount of nitrogen due to its reevaporation.
Все это приводит в итоге к очень длительным подготовительным стадиям с большим количеством процессов роста и низкой воспроизводимости результатов.All this leads ultimately to very long preparatory stages with a large number of growth processes and low reproducibility of the results.
Известна светоизлучающая структура (см. V.A.Odnobludov, A.Yu.Egorov, V.V.Mamutin, V.M.Ustinov et al. - "Room temperature photoluminescence at 1.55 mkm from heterostructure with InAs/InGaAsN quantum dots on GaAs". - Techn. Phys. Lett., 28, p.964, 2002), включающая подложку GaAs n-типа, на которой последовательно выращены буферный слой GaAs n-типа, нижний эмиттерный слой n-типа в виде слоя тройного соединения AlGaAs, нижнюю часть волноводного слоя (матрицы) GaAs, массив квантовых точек, самоорганизовавшийся из слоя InAs толщиной 0,6-0,9 нм, зарощенный слоем InGaAsN с химическим составом 15-20% по индию и 0,7-0,9% по азоту и помещенный в слой GaAsN с содержанием азота 0-2,5%, верхнюю часть волноводного слоя, верхний эмиттерный слой р-типа на основе тройного соединения AlGaAs и контактный слой GaAs р-типа.A known light-emitting structure (see VAOdnobludov, A.Yu. Egorov, VVMamutin, VMUstinov et al. - "Room temperature photoluminescence at 1.55 mkm from heterostructure with InAs / InGaAsN quantum dots on GaAs". - Techn. Phys. Lett. 28, p.964, 2002), including an n-type GaAs substrate on which an n-type GaAs buffer layer is sequentially grown, an n-type lower emitter layer in the form of an AlGaAs ternary compound layer, a lower part of the GaAs waveguide layer (matrix), an array of quantum dots, self-organized from an InAs layer 0.6-0.9 nm thick, overgrown with an InGaAsN layer with a chemical composition of 15-20% in India and 0.7-0.9% in nitrogen and placed in a GaAsN layer with a nitrogen content 0-2.5%, the upper part of the waveguide layer, the upper p-type emitter layer based on the AlGaAs triple compound and the p-type GaAs contact layer.
Изготовление известной излучающей структуры осуществляется по очень сложной технологии, требует применения длительных калибровок в отдельных процессах, измерения различными методами (рентген, SIMS, фотолюминесценция).The manufacture of a known radiating structure is carried out according to a very complex technology, requires the use of lengthy calibrations in individual processes, measurements by various methods (X-ray, SIMS, photoluminescence).
Наиболее близкими по технической сущности и количеству существенных признаков к заявляемому решению является способ изготовления МПЭ светоизлучающих структур (см. патент РФ №2205468, МПК 7 Н 01 L 21/20, Н 01 S 5/343, опубликован 27.05.2003), на основе квантовых точек InAs, заращиваемых узкозонным (относительно GaAs) слоем InGaAs для получения длины волны в районе 1.3 мкм. Известный способ изготовления светоизлучающих структур молекулярно-пучковой эпитаксией (МПЭ) 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. Затем осуществляют прерывание роста в потоке мышьяка и понижают температуры подложки до 460-520°С, осаждают слой InAs толщиной 0,6-0,9 нм, трансформируемый в массив квантовых точек, заращиваемых слоем InGaAs с химическим составом 15-20% по индию.The closest in technical essence and the number of essential features to the claimed solution is a method of manufacturing an MPE of light-emitting structures (see RF patent No. 2205468, IPC 7 H 01
Далее прерывают рост в потоке мышьяка и повышают температуру подложки до 600°С и выращивают верхнюю часть волноводного слоя GaAs, верхний эмиттерный слой р-типа на основе тройного соединения AlGaAs и контактный слой GaAs p-типа.Then, the growth in the arsenic flow is interrupted and the substrate temperature is increased to 600 ° C and the upper part of the GaAs waveguide layer, the upper p-type emitter layer based on the AlGaAs triple compound and the p-type GaAs contact layer are grown.
В известном способе-прототипе в качестве материала квантовых точек используют InAs, осаждаемый одновременным напылением индия и мышьяка. Как указывалось выше, особенностью этого известного способа является последующее заращивание массива самоорганизующихся квантовых точек тонким слоем InxGa1-хAs (состав х~15-20%, толщина около 5-10 нм). Меньшая ширина запрещенной зоны InGaAs по сравнению с GaAs, частичное индуцированное напряжениями перераспределение атомов In и Ga слоя InGaAs, а также снижение механического напряжения материала квантовых точек по сравнению с заращиванием GaAs способствуют увеличению длины волны излучения структур, полученных методом КТКЯ (квантовые точки квантовые ямы), по сравнению с традиционными структурами (квантовые точки в матрице GaAs) до 1,3 мкм.In the known prototype method, InAs is used as the material of quantum dots, deposited by the simultaneous deposition of indium and arsenic. As indicated above, a feature of this known method is the subsequent overgrowing of an array of self-organizing quantum dots with a thin layer of In x Ga 1-x As (composition x ~ 15-20%, thickness about 5-10 nm). The smaller band gap of InGaAs compared to GaAs, the partial stress-induced redistribution of In and Ga atoms of the InGaAs layer, as well as the decrease in the mechanical stress of the material of quantum dots compared to GaAs overgrowth, contribute to an increase in the radiation wavelength of the structures obtained by QQQ (quantum dots quantum wells) , compared with traditional structures (quantum dots in a GaAs matrix) up to 1.3 microns.
В способе-прототипе для достижения положительного эффекта большое значение имеют узкий диапазон скоростей роста (0,01-0,03 нм/сек) и отношения потоков мышьяка и галлия (1,5-3,0). Было обнаружено (см. Н.Н.Леденцов, В.М.Устинов, Ж.И.Алферов и др., ФТП, 32, стр.385, 1998), что величина потока мышьяка, использованного при выращивании активной области светоизлучающей структуры из квантовых точек, существенно влияет на ее структурные и оптические свойства. При использовании высокого потока мышьяка, т.е. при отношении потока мышьяка к потоку индия (V/III) большем 3,0, происходит формирование плотного массива КТ, обладающего высоким коэффициентом оптического усиления. Однако размер КТ мал и не позволяет достичь требуемой длины волны (она, как правило, лежит в диапазоне 0,8-0,9 мкм). Кроме того, при большом потоке мышьяка (значительно превышающем потоки третьей группы элементов, отношении V/III, большем 5) увеличивается его внедрение в междоузлия, что создает нежелательные точечные дефекты в решетке, работающие как центры безизлучательной рекомбинации, что существенно ухудшает излучательные (люминесцентные) свойства структуры. 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 V/III меньшем 1,5) рост слоев активной области происходит в металл-обогащенных условиях (недостаток мышьяка), что приводит к образованию на поверхности роста металлических капель и кластеров и исчезновению сигнала люминесценции.In the prototype method, to achieve a positive effect, a narrow range of growth rates (0.01-0.03 nm / s) and ratios of arsenic and gallium fluxes (1.5-3.0) are of great importance. It was found (see N.N. Ledentsov, V.M.Ustinov, Zh.I. Alferov et al., FTP, 32, p. 385, 1998) that the amount of arsenic flux used in growing the active region of the light-emitting structure from quantum dots significantly affects its structural and optical properties. When using high arsenic flow, i.e. when the ratio of the arsenic flux to the flux of indium (V / III) is greater than 3.0, a dense array of QDs with a high optical gain is formed. However, the size of the QD is small and does not allow to achieve the required wavelength (it usually lies in the range of 0.8-0.9 microns). In addition, with a large flux of arsenic (significantly exceeding the fluxes of the third group of elements, V / III ratio greater than 5), its penetration into the internodes increases, which creates undesirable point defects in the lattice, working as centers of nonradiative recombination, which significantly worsens the radiative (luminescent) structure properties. A decrease in arsenic flux leads to an increase in the radiation wavelength due to an increase in the size of quantum dots with a decrease in the surface density of the array of quantum dots. With a further decrease in arsenic flux (with a V / III ratio less than 1.5), the growth of active layer layers occurs under metal-enriched conditions (arsenic deficiency), which leads to the formation of metal droplets and clusters on the growth surface and the luminescence signal disappears.
Это сужает ростовые возможности и затрудняет достижение требуемой длины волны и интенсивности излучения. Способ обеспечивает только достижение длины волны в 1,3 мкм и не дает возможности получения излучения на 1,55 мкм. Кроме того, при типичных для него температурах роста (460-520°С) невозможно использование азотсодержащих соединений, необходимых для получения длины волны 1,55 мкм на подложках арсенида галлия, т.к. при таких температурах начинается активное переиспарение азота от подложки и уменьшение его коэффициента встраивания. Это делает очень сложным достижение необходимых концентраций азота (~2,0-3,0%) и получение воспроизводимых результатов.This narrows the growth opportunities and makes it difficult to achieve the required wavelength and radiation intensity. The method provides only the achievement of a wavelength of 1.3 μm and does not make it possible to obtain radiation at 1.55 μm. In addition, at typical growth temperatures (460-520 ° C), it is impossible to use nitrogen-containing compounds necessary to obtain a wavelength of 1.55 μm on gallium arsenide substrates, since at these temperatures, the active re-evaporation of nitrogen from the substrate and a decrease in its incorporation coefficient begin. This makes it very difficult to achieve the required nitrogen concentrations (~ 2.0-3.0%) and obtain reproducible results.
В качестве устройства-прототипа выбрана светоизлучающая структура на КТ на основе соединений AlGaAs/GaAs/InGaAs (см. патент РФ №2205468, МПК 7 H 01 L 21/20, H 01 S 5/343, опубликован 27.05.2003), включающая подложку GaAs, на которой последовательно расположены буферный слой GaAs, нижний эмиттерный слой на основе соединения AlGaAs, волноводный слой GaAs или AlGaAs с активной областью на основе КТ, верхний эмиттерный слой на основе слоя соединения AlGaAs и контактный слой GaAs, при этом нижний эмиттерный слой сформирован из чередующихся слоев AlGaAs и GaAs.A light emitting structure on a CT based on AlGaAs / GaAs / InGaAs compounds was selected as the prototype device (see RF patent No. 2205468, IPC 7 H 01
Известная светоизлучающая конструкция структуры прототипа позволяет получать излучение с длиной волны 1,3 мкм, но не обеспечивает возможности достигать длины волны 1,55 мкм. Известная структура на квантовых точках обладает значительным разбросом по их размерам, приводящим к неоднородному уширению линии излучения и требует высокой поверхностной плотности точек для получения достаточной интенсивности излучения, достижимой только в узком диапазоне условий роста, а также не позволяет достичь значительных эффективности и мощности излучения из одного слоя точек, ввиду их малой пространственной плотности.The known light-emitting structure design of the prototype allows you to receive radiation with a wavelength of 1.3 microns, but does not provide the ability to achieve a wavelength of 1.55 microns. The known structure on quantum dots has a significant spread in their sizes, leading to inhomogeneous broadening of the emission line and requires a high surface density of dots to obtain sufficient radiation intensity, achievable only in a narrow range of growth conditions, and also does not allow to achieve significant radiation efficiency and power from one layer of points, due to their low spatial density.
Задачей настоящего изобретения являлась разработка такого способа изготовления и такой конструкции светоизлучающей структуры, которые бы обеспечивали воспроизводимое получение излучения с длинами волн в диапазоне 1,2-1,6 мкм, перекрывающем все требования волоконно-оптических линий связи (ВОЛС), при сохранении высокого коэффициента оптического усиления и позволили бы минимизировать внутренние потери и получить высокий внутренний квантовый выход излучения. Быстрая перестройка длины волны при изготовлении структур бывает необходима для более точного попадания в нужные значения в последующих структурах после испытания лазеров в рабочих режимах с нагревом при разных температурах (отличающихся в каждом конкретном случае), т.к. при нагреве лазера происходит изменение длины волны его генерации. В заявляемом решении после нахождения необходимых составов слоев не требуется новых калибровок для изменения длины волны излучения структуры - необходимо только изменять толщины слоев сверхрешетки (элементарно менять время роста каждого слоя) при фиксированных (один раз найденных) составах всех слоев. Это позволяет значительно упростить достижение поставленной цели, сократить время получения структур и существенно улучшить воспроизводимость результатов.The present invention was the development of such a manufacturing method and such a design of a light-emitting structure that would ensure reproducible reception of radiation with wavelengths in the range of 1.2-1.6 μm, covering all the requirements of fiber-optic communication lines (FOCL), while maintaining a high coefficient optical amplification and would allow to minimize internal losses and obtain a high internal quantum yield of radiation. Rapid wavelength tuning during fabrication is necessary to more accurately reach the desired values in subsequent structures after testing the lasers in operating modes with heating at different temperatures (different in each case), because when the laser is heated, the wavelength of its generation changes. In the claimed solution, after finding the necessary layer compositions, new calibrations are not required to change the radiation wavelength of the structure - it is only necessary to change the layer thicknesses of the superlattice (elementary change the growth time of each layer) with fixed (once found) compositions of all layers. This allows you to greatly simplify the achievement of the goal, reduce the time to obtain structures and significantly improve the reproducibility of the results.
Поставленная задача решается группой изобретений, объединенных единым изобретательским замыслом.The problem is solved by a group of inventions, united by a single inventive concept.
В части способа задача решается тем, что способ изготовления светоизлучающей структуры включает последовательное выращивание на подложке GaAs молекулярно-пучковой эпитаксией буферного слоя GaAs; нижнего эмиттерного слоя на основе соединения AlGaAs; нижней части волноводного слоя GaAs; активной области, формируемой при температуре подложки 350-380°С последовательным осаждением сверхрешетки GaAsN/InGaAsN с химическим составом 35-50% по индию и 2-4% по азоту, содержащей по меньшей мере один слой GaAsN и по меньшей мере один слой InGaAsN, центрального слоя InAs толщиной 0,3-0,5 нм, сверхрешетки GaAsN/InGaAsN, содержащей по меньшей мере один слой GaAsN и по меньшей мере один слой InGaAsN с химическим составом 35-50% по индию и 2-4% по азоту, при отношении потоков элементов пятой группы к потокам элементов третьей группы 1,5-5,0, верхней части волноводного слоя GaAs, верхнего эмиттерного слоя на основе соединения AlGaAs и контактного слоя GaAs.In terms of the method, the problem is solved in that the method of manufacturing the light-emitting structure includes the sequential growth on a GaAs substrate by molecular beam epitaxy of a GaAs buffer layer; lower emitter layer based on AlGaAs compounds; the bottom of the GaAs waveguide layer; active region formed at a substrate temperature of 350-380 ° C by sequential deposition of a GaAsN / InGaAsN superlattice with a chemical composition of 35-50% in India and 2-4% in nitrogen, containing at least one GaAsN layer and at least one InGaAsN layer, a central InAs layer 0.3-0.5 nm thick, a GaAsN / InGaAsN superlattice containing at least one GaAsN layer and at least one InGaAsN layer with a chemical composition of 35-50% in India and 2-4% in nitrogen, with the ratio of the fluxes of elements of the fifth group to the fluxes of elements of the third group 1.5-5.0, the upper part of the waveguide layer of GaAs, upper the emitter layer is AlGaAs-based compound and a contact layer of GaAs.
Скорость роста волноводного слоя GaAs выбирают таким образом, чтобы удовлетворить желаемый химический состав слоя InGaAsN, определяемый соотношением:The growth rate of the GaAs waveguide layer is chosen so as to satisfy the desired chemical composition of the InGaAsN layer, determined by the ratio:
состав InGaAsN по индию = скорость роста InAs/(скорость роста InAs+скорость роста GaAs).India InGaAsN composition = InAs / growth rate / (InAs growth rate + GaAs growth rate).
Толщину слоя InAs выбирают таким образом, чтобы избежать начала образования точек, (срыва двумерного роста в трехмерный, индуцированного напряжениями, вызванными большими рассогласованиями решеток по механизму Странски-Крастанова) для получения требуемой длины волны излучения, на которую также влияет содержание индия и азота в слоях InGaAsN, входящих в активную область. Увеличение толщин слоев InGaAs/InGaAsN приводит к большей длине волны излучения.The thickness of the InAs layer is chosen in such a way as to avoid the onset of the formation of points (disruption of two-dimensional growth into three-dimensional growth induced by stresses caused by large lattice mismatches by the Stranski-Krastanov mechanism) to obtain the required radiation wavelength, which is also affected by the indium and nitrogen content in the layers InGaAsN entering the active region. An increase in the thickness of the InGaAs / InGaAsN layers leads to a longer radiation wavelength.
Если толщина InAs выбрана больше чем 0,5 нм, существует риск пластической релаксации напряжения в структуре (срыв в точки, формирование дислокаций и дефектов), что лишает преимущества заявляемой структуры перед прототипом.If the InAs thickness is selected to be greater than 0.5 nm, there is a risk of plastic stress relaxation in the structure (breakdown to points, the formation of dislocations and defects), which deprives the advantages of the claimed structure over the prototype.
Если толщина InAs выбрана меньше чем 0,3 нм, не образуется минимального физически работающего активного слоя (толщина -меньше одного монослоя арсенида индия), образуется суб-монослойное покрытие, не дающее положительного эффекта от изобретения.If the InAs thickness is chosen less than 0.3 nm, the minimum physically active active layer is not formed (the thickness is less than one monolayer of indium arsenide), a sub-monolayer coating is formed that does not give a positive effect from the invention.
Использование температуры подложки ниже 350°С приводит к большому числу точечных дефектов и внедрению нежелательных примесей в эпитаксиальных слоях, обусловленных низкотемпературным ростом.Using a substrate temperature below 350 ° C leads to a large number of point defects and the introduction of undesirable impurities in the epitaxial layers due to low-temperature growth.
Использование температуры подложки свыше 380°С вызывает заметное переиспарение азота при осаждении азотсодержащих слоев, приводящее к меньшему его внедрению в слои и плохой воспроизводимости результатов.The use of a substrate temperature above 380 ° C causes a noticeable re-evaporation of nitrogen during the deposition of nitrogen-containing layers, which leads to its less penetration into the layers and poor reproducibility of the results.
Температура осаждения, а также отношение потока элементов V группы (мышьяк, азот) к потоку элементов III группы (галлий, индий) оказывают влияние на длину волны излучения, качество эпитаксиальных слоев активной области, влияющее на максимальное оптическое усиление структуры. Увеличение потока мышьяка и/или снижение температуры приводит к увеличению плотности дефектов и ухудшению излучательных характеристик.The deposition temperature, as well as the ratio of the flux of elements of group V (arsenic, nitrogen) to the flux of elements of group III (gallium, indium) affect the radiation wavelength, the quality of the epitaxial layers of the active region, affecting the maximum optical gain of the structure. An increase in arsenic flux and / or a decrease in temperature leads to an increase in the density of defects and a deterioration in the radiative characteristics.
В активной области может быть выращено по меньшей мере четыре узкозонных слоя InGaAsN, отделенных от друг от друга разделяющими слоями GaAsN.In the active region, at least four narrow-gap InGaAsN layers can be grown, separated from each other by GaAsN separating layers.
Слои InGaAsN, составляющие центральную часть активной области, в которую помещается слой InAs, могут быть выращены толщиной 4,0-5,0 нм, а остальные слои GaAsN и InGaAsN сверхрешетки могут быть выращены толщиной 0,8-1,6 нм.The InGaAsN layers that make up the central part of the active region into which the InAs layer is placed can be grown 4.0–5.0 nm thick, and the remaining layers of GaAsN and InGaAsN superlattices can be grown 0.8–1.6 nm thick.
Нижний эмиттерный слой может быть сформирован из чередующихся слоев AlAs и GaAs, например, из 10-20 слоев AlAs толщиной 50-100 нм и разделительных слоев GaAs толщиной 5-20 нм.The lower emitter layer can be formed from alternating layers of AlAs and GaAs, for example, from 10-20 layers of AlAs 50-100 nm thick and GaAs separation layers 5-20 nm thick.
При толщине слоев AlAs, превышающей 100 нм, и/или при толщине разделительных слоев GaAs, меньшей чем 5 нм, не происходит восстановления планарности ростовой поверхности нижнего эмиттера. При толщине слоев AlAs, меньшей чем 50 нм, и/или толщине слоев GaAs, превышающей 20 нм, происходит снижение фактора оптического ограничения вследствие распространения оптической волны за волновод.When the AlAs layer thickness exceeds 100 nm and / or when the GaAs separation layer thickness is less than 5 nm, the planarity of the growth surface of the lower emitter does not occur. When the AlAs layer thickness is less than 50 nm and / or the GaAs layer thickness exceeds 20 nm, the optical limiting factor decreases due to the propagation of the optical wave beyond the waveguide.
Подложка, буферный и нижний эмиттерный слой обычно выполняют проводимостью n-типа, а верхний эмиттерный слой и контактный слой выполняют проводимостью р-типа.The substrate, the buffer and the lower emitter layer are typically n-type conductivity, and the upper emitter layer and the contact layer are p-type conductivity.
В части конструкции светоизлучающей структуры поставленная задача решается тем, что светоизлучающая структура на основе соединений AlGaAs/GaAs/ InGaAsN/InAs включает подложку GaAs, на которой последовательно расположены буферный слой GaAs, нижний эмиттерный слой на основе соединения AlGaAs, волноводный слой GaAs с активной областью в виде двух сверхрешеток GaAsN/InGaAsN, примыкающих к центральному слою InAs, верхний волноводный слой GaAs, верхний эмиттерный слой на основе соединения AlGaAs и контактный слой GaAs. Нижний эмиттерный слой может быть также сформирован из чередующихся слоев AlAs и GaAs.In terms of the design of the light-emitting structure, the problem is solved in that the light-emitting structure based on AlGaAs / GaAs / InGaAsN / InAs compounds includes a GaAs substrate on which a GaAs buffer layer, a lower emitter layer based on an AlGaAs compound, a GaAs waveguide layer with an active region of in the form of two GaAsN / InGaAsN superlattices adjacent to the central InAs layer, the upper GaAs waveguide layer, the upper emitter layer based on the AlGaAs compound, and the GaAs contact layer. The lower emitter layer may also be formed from alternating layers of AlAs and GaAs.
Активная область светоизлучающей структуры может содержать по меньшей мере четыре слоя InGaAsN, отделенных друг от друга разделяющими слоями InGaAs, расположенных попарно по обе стороны от центрального слоя InAs.The active region of the light-emitting structure may contain at least four InGaAsN layers separated from each other by InGaAs separating layers located in pairs on both sides of the central InAs layer.
Слои InGaAsN, примыкающие к центральному слою InAs, могут быть выполнены толщиной 4,0-5,0 нм, а остальные слои InGaAsN и GaAsN светоизлучающей структуры могут быть выполнены толщиной 0,8-1,6 нм.The InGaAsN layers adjacent to the central InAs layer can be made in a thickness of 4.0-5.0 nm, and the remaining InGaAsN and GaAsN layers of a light-emitting structure can be made in a thickness of 0.8-1.6 nm.
Нижний эмиттерный слой светоизлучающей структуры может быть выполнен из чередующихся 10-20 слоев AlAs и GaAs толщиной 50-100 нм и 5-20 нм соответственно.The lower emitter layer of the light-emitting structure can be made of alternating 10-20 layers of AlAs and GaAs with a thickness of 50-100 nm and 5-20 nm, respectively.
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.In the light-emitting structure, the substrate, the buffer layer and the lower emitter layer can be made of n-type conductivity, and the upper emitter layer and the contact layer are made of p-type conductivity.
Шероховатость нижнего эмиттера приводит к увеличению пороговой плотности тока и снижению дифференциальной эффективности светоизлучающей структуры из-за возрастания внутренних потерь. Использованная конструкция нижнего эмиттера светоизлучающей структуры обеспечивает подавление его шероховатости и, таким образом, позволяет минимизировать внутренние потери.The roughness of the lower emitter leads to an increase in the threshold current density and a decrease in the differential efficiency of the light-emitting structure due to an increase in internal losses. The used design of the lower emitter of the light-emitting structure ensures the suppression of its roughness and, thus, allows to minimize internal losses.
Для подавления нежелательных эффектов, обусловленных шероховатостью ростовой поверхности толстого AlGaAs, авторы предложили заменить однородный слой AlGaAs нижнего эмиттера на последовательность повторяющихся тонких слоев AlAs, разделенных более тонкими прослойками GaAs. Проведенные авторами исследования показывают, что при толщине слоя AlAs, не превышающей 100 нм, не происходит формирования существенной шероховатости ростовой поверхности и интерфейс может быть полностью планаризован после осаждения слоя GaAs толщиной всего 5 нм. Оптимальные результаты для достижения необходимого оптического ограничения и снижения шероховатости получают при выполнении нижнего эмиттера из чередующихся слоев AlAs с толщиной в диапазоне 50-100 нм и GaAs толщиной 5-20 нм.To suppress undesirable effects due to the roughness of the growth surface of thick AlGaAs, the authors proposed replacing the homogeneous AlGaAs layer of the lower emitter with a sequence of repeating thin AlAs layers separated by thinner GaAs interlayers. The studies carried out by the authors show that, with an AlAs layer thickness not exceeding 100 nm, a substantial growth surface roughness does not occur and the interface can be completely planarized after deposition of a GaAs layer with a thickness of only 5 nm. Optimal results for achieving the necessary optical limitation and reducing roughness are obtained by performing a lower emitter of alternating AlAs layers with a thickness in the range of 50-100 nm and GaAs with a thickness of 5-20 nm.
Количество повторяющихся пар AlAs/GaAs выбирают таким образом, чтобы полная толщина многослойной структуры соответствовала требуемой толщине нижнего эмиттера. Толщины слоев AlAs/GaAs (соответственно dAlAs и dGaAs) выбирают таким образом, чтобы среднее содержание алюминия в нижнем эмиттере Хниз соответствовало содержанию алюминия в верхнем эмиттере хверх и вычислялось по формуле:The number of repeating AlAs / GaAs pairs is selected so that the total thickness of the multilayer structure matches the desired thickness of the lower emitter. The thicknesses of the AlAs / GaAs layers (respectively, d AlAs and d GaAs ) are selected so that the average aluminum content in the lower emitter X bottom corresponds to the aluminum content in the upper emitter x top and is calculated by the formula:
хниз=(dAlAs+dGaAs)хверх/dAlGaAs.x bottom = (d AlAs + d GaAs ) x top / d AlGaAs .
Заявитель не обнаружил в патентной и другой научно-технической литературе описания способа изготовления светоизлучающей структуры, содержащего совокупность существенных признаков заявляемого способа, а также конструкцию светоизлучающей структуры, совпадающую с конструкцией заявляемой структуры. По мнению заявителя, это свидетельствует о новизне заявляемой группы изобретений.The applicant did not find in the patent and other scientific and technical literature a description of a method of manufacturing a light-emitting structure containing the set of essential features of the proposed method, as well as the design of the light-emitting structure that matches the design of the claimed structure. According to the applicant, this indicates the novelty of the claimed group of inventions.
Применение в заявляемом способе при формировании активной области при отношении потока мышьяка к потоку индия 1,5-5,0 и выращивание нижнего эмиттерного слоя из чередующихся слоев AlAs и GaAs позволяет методом молекулярно-пучковой эпитаксии создавать светоизлучающую структуру на подложках GaAs с задаваемой длиной волны в диапазоне длин волн 1,2-1,6 мкм, что, по мнению заявителя, позволяет считать заявляемое техническое решение удовлетворяющим критерию "изобретательский уровень".The use of the claimed method in the formation of the active region with the ratio of arsenic to indium flux 1.5-5.0 and growing the lower emitter layer from alternating layers of AlAs and GaAs allows using the molecular beam epitaxy method to create a light-emitting structure on GaAs substrates with a specified wavelength of the wavelength range of 1.2-1.6 μm, which, according to the applicant, allows us to consider the claimed technical solution satisfying the criterion of "inventive step".
Заявляемая группа изобретений иллюстрируется чертежами, где:The claimed group of inventions is illustrated by drawings, where:
на фиг.1 показана схематически конструкция светоизлучающей структуры-прототипа;figure 1 shows schematically the design of the light-emitting structure of the prototype;
на фиг.2 схематически изображена заявляемая конструкция светоизлучающей структуры;figure 2 schematically shows the claimed design of the light-emitting structure;
на фиг.3 приведена зависимость длины волны люминесценции заявляемой структуры от толщины периода сверхрешетки СР D=d1+d2, где толщины слоев GaAsN=d1 и InGaAsN=d2;figure 3 shows the dependence of the luminescence wavelength of the claimed structure on the thickness of the superlattice period CP D = d1 + d2, where the thicknesses of the layers are GaAsN = d1 and InGaAsN = d2;
на фиг.4 приведена зависимость фактора оптического ограничения от содержания алюминия в эмиттерных слоях (для волновода в 0,4 мкм) для длины волны излучения 1,3 мкм;figure 4 shows the dependence of the optical limiting factor on the aluminum content in the emitter layers (for a waveguide of 0.4 μm) for a radiation wavelength of 1.3 μm;
на фиг.5 дана зависимость фактора оптического ограничения от ширины GaAs волновода (для эмиттеров Al0,8Ga0,2As) для длины волны излучения 1,3 мкм.figure 5 shows the dependence of the optical confinement factor on the width of the GaAs waveguide (for Al 0.8 Ga 0.2 As emitters) for a radiation wavelength of 1.3 μm.
Изображенная на фиг.1 светоизлучающая структура-прототип 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, а 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.The light emitting prototype structure shown in FIG. 1 includes a GaAs substrate 1 on which a GaAs buffer layer 2, a lower emitter layer 3 formed from alternating AlGaAs layers 4 and GaAs layers 5 are sequentially grown (in the prototype structure, layer 3 is made of AlGaAs with a thickness of 1 -2 μm), the lower part of the GaAs waveguide layer 6, the active region 7 based on one or more QD layers. Each QD layer was formed by successively growing InAs layer 8 and InGaAs layer 9 with a chemical composition of 10-35% in India, and a covering layer of 10 GaAs, usually having a thickness of 1-10 nm, was deposited on top of layer 9. In the case of growing several layers of QDs, 11 GaAs separating layers are located between adjacent layers. In the active region 7, the upper part of the GaAs waveguide layer 12, the upper emitter layer 13 based on the AlGaAs compound, and the GaAs contact layer 14 are successively grown.
Приведенная на фиг.2 заявляемая светоизлучающая структура, полученная заявляемым способом, включает подложку 15 GaAs на которой последовательно выращены буферный слой 16 GaAs, нижний эмиттерный слой 17, сформированный из чередующихся слоев 18 AlAs и слоев 19 GaAs (в структуре-прототипе слой 3 выполняют из AlGaAs/GaAs толщиной 1-2 мкм), нижняя часть волноводного слоя 20 GaAs, активная область 21 из последовательно осажденной сверхрешетки (СР) 22 GaAsN/InGaAsN с химическим составом 35-50% по индию и 2-4% по азоту, содержащей по меньшей мере один слой 23 GaAsN и по меньшей мере один слой 24 InGaAsN, центрального слоя 25 InAs толщиной 0,3-0,5 нм и сверхрешетки 26 GaAsN/InGaAsN, содержащей по меньшей мере один слой 23 GaAsN и по меньшей мере один слой 24 InGaAsN. На активной области 21 последовательно выращены верхняя часть волноводного слоя 27 GaAs, верхний эмиттерный слой 28 на основе соединения AlGaAs и контактный слой 29 GaAs. Толщина подложки 15 обычно составляет 400 мкм, а буферный слой 16 выполняют толщиной 0,2-0,4 мкм.2, the inventive light-emitting structure obtained by the claimed method includes a
Заявляемую светоизлучающую структуру изготавливают следующим образом.The inventive light-emitting structure is made as follows.
Используют подложку 15 GaAs, предварительно подготовленную производителем для эпитаксии (epi-ready). Подложку 15 загружают в вакуумный шлюз установки молекулярно-пучковой эпитаксии. По достижении остаточного давления в шлюзе около 10-6 Торр подложку 15 передают в камеру предварительного обезгаживания, в которой подложку 15 подвергают нагреву при температуре около 300°С в течение 1 часа. Затем подложку 15 передают в камеру накопления образцов и подложек, а затем в ростовую камеру установки. В ростовой камере подложку 15 нагревают до температуры 610-620°С в потоке мышьяка (эквивалентное давление в потоке около 10-5 Торр) для окончательного обезгаживания и удаления окисного слоя.An
Для создания потока мышьяка, соответствующего заявляемому отношению потока As к потоку In+Ga (V/III), 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°С, скорости роста ~0,1 нм/сек в мышьяк-стабилизированных условиях при использовании потока мышьяка, заведомо превышающем нижнюю границу мышьяк-стабилизированного роста. На флюоресцентном 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.To create an arsenic stream corresponding to the claimed ratio of the As stream to the In + Ga (V / III) stream, the flow calibration method described below can be applied. For its use, the MPE installation should be equipped with a system for observing fast electron diffraction patterns (RHEED). In accordance with this method, GaAs is deposited at a temperature of 600 ° C and a growth rate of ~ 0.1 nm / s under arsenic-stabilized conditions using an arsenic flux that is known to exceed the lower boundary of arsenic-stabilized growth. On the fluorescent screen of the RHEED system, a diffraction pattern (2 × 4) corresponding to growth under arsenic-stabilized conditions is observed. Keeping the growth rate and deposition temperature constant, a gradual decrease in arsenic flow is carried out. When the arsenic flux corresponding to the lower boundary of arsenic-stabilized growth is reached, the pattern of RHEED changes from (2 × 4) to (1 × 1). The value of the flow of arsenic, corresponding to a change in the pattern of RHEED, is taken as a unit.
На подложке 15 молекулярно-пучковой эпитаксией последовательно выращивают в мышьяк-обогащенных условиях при температуре 590-600°С (при превышении в 2-3 раза потока мышьяка относительно потока галлия) буферный слой 16 GaAs толщиной 0,2-0,4 мкм, чередующиеся слои 18 AlAs и слои 19 GaAs, образующие нижний эмиттерный слой 17 и нижнюю часть волноводного слоя 20 GaAs. В структуре-прототипе (см. фиг.1) слой 3 из AlGaAs/GaAs выполняют толщиной 1-2 мкм, в результате имеет место большая шероховатость его поверхности. Содержание алюминия в нижнем эмиттерном слое 17 и его толщину выбирают с учетом достижения высокого коэффициента оптического ограничения (см. фиг.4). Обычно выращивают 10-20 пар слоев 18 и 19, что обеспечивает достижение высокого коэффициента оптического усиления и хорошую планарность ростовой поверхности. Как было показано (Н.Н.Леденцов, В.М.Устинов, Ж.И.Алферов и др. - ФТП, 32, стр.385, 1998), толщина нижней части волноводного слоя 20 не может быть выбрана произвольно большой. Для получения оптимальной величины фактора оптического ограничения целесообразно нижнюю часть волноводного слоя 20 GaAs выращивать толщиной ~0,1 мкм (см. фиг.5). Затем осуществляют прерывание роста в потоке мышьяка и понижение температуры подложки до 350-380°С для предотвращения переиспарения атомов индия и особенно азота при последующем росте азотсодержащих соединений, устанавливают отношение потока мышьяка и азота к потокам индия и галлия 1,5-5,0 и осаждают СР 22 в виде слоев 23 GaAsN и 24 InGaAsN, центральный слой 25 InAs толщиной 0,3-0,5 нм и СР 26 в виде слоев 23 GaAsN 24 InGaAsN с химическим составом 35-50% по индию и 2-4% по азоту. Как указывалось выше, значение потока мышьяка существенно влияет на структурные и оптические свойства изготавливаемой светоизлучающей структуры.On a
После выращивания последнего слоя 24 прерывают рост в потоке мышьяка, повышают температуру до 590-600°С и последовательно выращивают верхнюю часть волноводного слоя 27 GaAs (обычно той же толщины, что и слой 20 так, чтобы общая толщина волновода соответствовала максимуму коэффициента оптического ограничения), верхний эмиттерный слой 28 на основе соединения AlGaAs и контактный слой 29 GaAs. Толщина слоя 28 обычно составляет 1-2 мкм, а контактного слоя 29-0,2-0,6 мкм.After growing the
Чаще всего используют подложку 15, буферный слой 16 и нижний эмиттерный слой 17 n-типа проводимости, а верхний эмиттерный слой 28 и контактный слой 29 р-типа проводимости.Most often, a
Заявляемым способом на оборудовании лаборатории Физики полупроводниковых гетероструктур (зав. лаб. - Ж.И.Алферов) Физико-Технического института им. А.Ф.Иоффе РАН (на отечественной установке МПЭ: ЭП-1203 производства НТО Черноголовка с плазменным источником активированного азота EPI-UNIBALB и твердотельным источником мышьяка) были изготовлены светоизлучающие структуры заявляемой конструкции по заявляемому способу с активной областью на основе сверхрешеток GaAsN/InGaAsN, различающиеся количеством периодов СР, толщинами слоев и с нижним эмиттерным слоем в виде чередующихся слоев AlAs/GaAs. Зависимость длины волны излучения от периода СР иллюстрирует фиг.3. При этом интенсивность излучения значительно превосходила в несколько раз интенсивность излучения структуры-прототипа и аналога даже с несколькими (3-5 и более) рядами квантовых точек в структуре.The inventive method on the equipment of the laboratory of Physics of semiconductor heterostructures (head of the laboratory. - Zh.I. Alferov) Physical-Technical Institute. Light-emitting structures of the claimed design according to the claimed method with the active region based on GaAsN / InGaAsN superlattices, were fabricated by the AF Ioffe RAN (on the domestic MPE installation: EP-1203 manufactured by Chernogolovka NTO with an EPI-UNIBALB plasma source of activated nitrogen and an arsenic solid-state source). differing in the number of SR periods, layer thicknesses, and with the lower emitter layer in the form of alternating AlAs / GaAs layers. The dependence of the radiation wavelength on the period SR is illustrated in Fig.3. In this case, the radiation intensity significantly exceeded by several times the radiation intensity of the prototype structure and analogue even with several (3-5 or more) rows of quantum dots in the structure.
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. Измерения характеристик светоизлучающих структур проводилось в непрерывном и импульсном режимах при комнатной температуре (20°С).Laser diodes were made from epitaxial structures using standard methods of photolithography, etching, sputtering, and contact burning. A comparative analysis of the instrumental characteristics (radiation wavelength and threshold current density) of laser diodes made of epitaxial structures obtained by the claimed method was carried out. The characteristics of light-emitting structures were measured in continuous and pulsed modes at room temperature (20 ° С).
Типичные структуры на основе азот-содержащих активных слоев InGaAsN с содержанием индия 35% и азота 2,3% демонстрировали пороговую плотность тока на уровне 350 А/см2 при длине волны 1,295 мкм, которая в рабочем режиме (при разогреве лазера) смещалась в длинноволновую сторону до 1,30 мкм. Для азотсодержащих структур это очень низкая пороговая плотность тока, т.к. при добавлении азота всегда происходит значительное увеличение порога лазера. Это связано и с более низкими температурами роста (большим внедрением нежелательных примесей) и фазовой сегрегацией твердых растворов с азотом, а также с большим внедрением мышьяка в междоузлия, приводящим к образованию точечных дефектов. Все вышеперечисленное приводит к увеличению концентрации центров безызлучательной рекомбинации, ухудшающих излучательные характеристики структуры в целом. Так, как показали авторы заявляемого изобретения, лазер совершенно аналогичного дизайна при использовании активного слоя InGaAs с тем же содержанием индия - 35%, но без азота, выращенный при тех же условиях в той же самой установке с использованием тех же материалов, давал пороговую плотность тока всего 60 А/см2 (см. V.A.Odnobludov, A.Yu.Egorov, V.M.Ustinov, V.V.Mamutin et al. Longwave generation in laser structures based on InGaAs(N) quantum wells on GaAs substrates. Techn. Phys. Lett., 29, p.433. 2003), что ниже, чем в способе прототипе (70 А/см2 для 10 рядов квантовых точек, необходимых для получения достаточно высокого оптического усиления в структуре). В случае применения способа-прототипа, минимальное число рядов квантовых точек (КТ), при котором наблюдается лазерная генерация через состояния КТ, составляет 2, но длина волны излучения при этом -1,28 мкм (не обеспечивая требуемой в 1,3 мкм). В структуре-прототипе только с десятью рядами квантовых точек (т.е. с необходимо высоким коэффициентом оптического усиления), представляющих нетривиальную и весьма трудоемкую задачу для их выращивания, длина волны генерации составляет 1,304 мкм. Таким образом, применение заявляемой конструкции светоизлучающей структуры и заявляемого способа ее получения позволяет достичь необходимой длины волны излучения во всем диапазоне, представляющем интерес для ВОЛС (1,30-1,55 мкм) при сохранении низкой пороговой плотности тока в структурах с высоким оптическим усилением, при существенном упрощении способа получения и управления длиной волны излучения.Typical structures based on nitrogen-containing InGaAsN active layers with indium content of 35% and nitrogen content of 2.3% showed a threshold current density of 350 A / cm 2 at a wavelength of 1.295 μm, which shifted to the long-wavelength in the operating mode (upon heating of the laser) side up to 1.30 microns. For nitrogen-containing structures, this is a very low threshold current density, because When nitrogen is added, a significant increase in the laser threshold always occurs. This is also associated with lower growth temperatures (a large penetration of undesirable impurities) and phase segregation of solid solutions with nitrogen, as well as a large penetration of arsenic into the internodes, which leads to the formation of point defects. All of the above leads to an increase in the concentration of nonradiative recombination centers, which worsen the radiative characteristics of the structure as a whole. So, as the authors of the claimed invention showed, a laser of a completely similar design using an InGaAs active layer with the same indium content of 35% but without nitrogen, grown under the same conditions in the same setup using the same materials, gave a threshold current density only 60 A / cm 2 (see VAOdnobludov, A.Yu. Egorov, VMUstinov, VVMamutin et al. Longwave generation in laser structures based on InGaAs (N) quantum wells on GaAs substrates. Techn. Phys. Lett., 29, p .433. 2003), which is lower than in the prior art method (70 a / cm 2 to 10 rows of quantum dots required for obtaining a sufficiently high optical Wuxi eniya in structure). In the case of applying the prototype method, the minimum number of rows of quantum dots (QDs) at which laser generation through QD states is observed is 2, but the radiation wavelength is -1.28 μm (not providing the required 1.3 μm). In the prototype structure with only ten rows of quantum dots (i.e., with a high optical gain necessary), which are a non-trivial and very laborious task for growing them, the generation wavelength is 1.304 μm. Thus, the use of the claimed design of the light-emitting structure and the proposed method for its preparation allows to achieve the necessary radiation wavelength in the entire range of interest for the fiber optic link (1.30-1.55 μm) while maintaining a low threshold current density in structures with high optical gain, with a significant simplification of the method of obtaining and controlling the radiation wavelength.
Claims (12)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2004113171/28A RU2257640C1 (en) | 2004-04-28 | 2004-04-28 | Light-emitting structure and method for manufacturing light- emitting structure |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2004113171/28A RU2257640C1 (en) | 2004-04-28 | 2004-04-28 | Light-emitting structure and method for manufacturing light- emitting structure |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2257640C1 true RU2257640C1 (en) | 2005-07-27 |
Family
ID=35843647
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2004113171/28A RU2257640C1 (en) | 2004-04-28 | 2004-04-28 | Light-emitting structure and method for manufacturing light- emitting structure |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2257640C1 (en) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2570099C1 (en) * | 2014-08-05 | 2015-12-10 | Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Исток" имени А.И. Шокина" (АО "НПП "Исток" им. Шокина") | Manufacturing method of semiconductor heterostructure |
| RU2570102C2 (en) * | 2013-12-26 | 2015-12-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ) | Method of obtaining laser radiation on quantum dots and apparatus therefor |
| RU172195U1 (en) * | 2016-11-23 | 2017-06-30 | Общество с ограниченной ответственностью "Коннектор Оптикс" (ООО "Коннектор Оптикс") | Heterostructure of a semiconductor laser |
| RU181198U1 (en) * | 2017-12-27 | 2018-07-05 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (Университет ИТМО) | Heterostructure of a quantum cascade laser |
| RU2745589C1 (en) * | 2020-01-22 | 2021-03-29 | федеральное государственное бюджетно образовательное учреждение высшего образования "Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова" (КБГУ) | Semiconductor device manufacturing method |
| RU208571U1 (en) * | 2021-03-31 | 2021-12-24 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук | Epitaxial heterostructure based on gallium arsenide with metal-semiconductor contacts |
| RU2789243C1 (en) * | 2022-07-13 | 2023-01-31 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Method for manufacturing infrared light emitting diode |
-
2004
- 2004-04-28 RU RU2004113171/28A patent/RU2257640C1/en active
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2570102C2 (en) * | 2013-12-26 | 2015-12-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ) | Method of obtaining laser radiation on quantum dots and apparatus therefor |
| RU2570099C1 (en) * | 2014-08-05 | 2015-12-10 | Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Исток" имени А.И. Шокина" (АО "НПП "Исток" им. Шокина") | Manufacturing method of semiconductor heterostructure |
| RU172195U1 (en) * | 2016-11-23 | 2017-06-30 | Общество с ограниченной ответственностью "Коннектор Оптикс" (ООО "Коннектор Оптикс") | Heterostructure of a semiconductor laser |
| RU181198U1 (en) * | 2017-12-27 | 2018-07-05 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (Университет ИТМО) | Heterostructure of a quantum cascade laser |
| RU2745589C1 (en) * | 2020-01-22 | 2021-03-29 | федеральное государственное бюджетно образовательное учреждение высшего образования "Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова" (КБГУ) | Semiconductor device manufacturing method |
| RU208571U1 (en) * | 2021-03-31 | 2021-12-24 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук | Epitaxial heterostructure based on gallium arsenide with metal-semiconductor contacts |
| RU2789243C1 (en) * | 2022-07-13 | 2023-01-31 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Method for manufacturing infrared light emitting diode |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Bhattacharya et al. | Quantum-dot optoelectronic devices | |
| Chen et al. | Tuning InAs/GaAs quantum dot properties under Stranski-Krastanov growth mode for 1.3 μm applications | |
| Ustinov et al. | InAs/InGaAs quantum dot structures on GaAs substrates emitting at 1.3 μm | |
| JP4822150B2 (en) | Semiconductor multilayer structure having non-uniform quantum dots, light emitting diode using the same, semiconductor laser diode, semiconductor optical amplifier, and manufacturing method thereof | |
| CN102484184B (en) | Light-emitting semiconductor device and manufacture method thereof and light-emitting semiconducting material | |
| EP0977279A2 (en) | AlGalnN LED and laser diode structures | |
| US8367450B2 (en) | Light emitting system and method of fabricating and using the same | |
| JP3143662B2 (en) | Opto-electronic semiconductor devices | |
| JP2003332696A (en) | METHOD FOR FORMING LONG WAVELENGTH INDIUM/GALLIUM/ ARSENIC NITRIDE (InGaAsN) ACTIVE REGION | |
| Kim et al. | Room-temperature operation of InP-based InAs quantum dot laser | |
| KR20110014970A (en) | Alxga(1-x)as substrate, epitaxial wafer for infrared led, infrared led, method for production of alxga(1-x)as substrate, method for production of epitaxial wafer for infrared led, and method for production of infrared led | |
| US11978827B2 (en) | Optical device and manufacturing method thereof | |
| RU2257640C1 (en) | Light-emitting structure and method for manufacturing light- emitting structure | |
| EP1508189B1 (en) | Method of forming quantum dots for extended wavelength operation | |
| CN107123714A (en) | A kind of dilute bismuth semiconductor quantum well | |
| US6858519B2 (en) | Atomic hydrogen as a surfactant in production of highly strained InGaAs, InGaAsN, InGaAsNSb, and/or GaAsNSb quantum wells | |
| JP2006294818A (en) | Manufacturing method of compound semiconductor device | |
| Guimard et al. | Ground state lasing at 1.30 µm from InAs/GaAs quantum dot lasers grown by metal–organic chemical vapor deposition | |
| RU2205468C1 (en) | Method for manufacturing light-emitting structure around quantum points and light- emitting structure | |
| KR20110015514A (en) | Alxga(1-x)as substrate, epitaxial wafer for infrared led, infrared led, method for production of alxga(1-x)as substrate, method for production of epitaxial wafer for infrared led, and method for production of infrared led | |
| Roberts et al. | Strain balancing of metal-organic vapour phase epitaxy InAs/GaAs quantum dot lasers | |
| KR20100020438A (en) | Semiconductor device | |
| JP2012080010A (en) | Epitaxial wafer, semiconductor element, and method of manufacturing them | |
| Yoshimoto et al. | Applications of bismuth-containing III–V semiconductors in devices | |
| Kovsh et al. | Lasing at a wavelength close to 1.3 µm in InAs quantum-dot structures |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PD4A | Correction of name of patent owner |