Неорганические материалы, 2019, T. 55, № 9, стр. 957-961

ВВЕДЕНИЕ

Полупроводниковым гетероструктурам А^IIIB^V и A^IIB^VI и методам их создания [1–5] в настоящее время уделяется большое внимание. Эти структуры широко используются в оптоэлектонных устройствах и квантовой электронике. Основные области их применения – полупроводниковые лазеры, светодиоды, фотоприемные устройства. Полупроводниковое приборостроение требует стабильной работы в широкой области мощностей и температур при малых рабочих токах и высокой надежности изделий. В связи с этим требования к технологии изготовления гетероструктур и приборов на их основе также резко возрастают. Известно, что наиболее надежных и значимых результатов в области квантовой электроники и оптоэлектроники удается достичь на гетероструктурах AlGaAs/GaAs , InP/GaInPAs и InP/ AlGaInAs, AlGaInP/GaAs. Эти гетероструктуры позволяют перекрывать широкий спектр излучения: от видимого до ближнего ИК [1, 4]. На базе этих гетероструктур также возможно изготовление приемных устройств в том же спектральном диапазоне [6]. Однако создание реальных структур и приборов на их основе требует тщательной отработки технологических процессов на этапе формирования чипов или элементов. В качестве конкретных чипов и элементов требуется формирование как планарных, так и мезаполосковых структур малых линейных размеров со сложной заданной кристаллографической ориентацией и высокой степенью изоляции [7, 8]. При этом особое значение приобретают материалы, которые позволяют стабильно и надежно изолировать элементы, не внося дефекты в мезаполосковые структуры.

На наш взгляд, одним из лучших изоляционных материалов для перечисленных выше структур является полупроводниковый материал группы А^IIВ^VI – селенид цинка [5, 9, 10]. Этот материал при всех известных режимах выращивания и напыления остается изолятором с удельным сопротивлением не менее 1 × 10⁸ Ом см [8], что вполне достаточно для изоляции мезаполосковых структур и чипов на их основе. Кроме того, интерес к созданию гетероструктур с использованием селенида цинка связан с тем, что параметры решеток селенида цинка, арсенида галлия и фосфида индия имеют незначительные расхождения, что позволяет создавать структуры с относительно небольшими напряжениями на границе раздела полупроводника и изолятора [1, 6]. Особо надо отметить, что селенид цинка, несмотря на термообработки при 400–600°С, остается изолятором, что важно в технологической цепочке создания реальных приборных структур и чипов на их основе.

Ранее нами были рассмотрены условия получения и физико-химические свойства гетеропереходов ZnSe/GaAs. Изучены их растворимости в металлах Sn и Ga, а также состояние на гетерогранице ZnSe/GaAs [2].

В данной работе исследована возможность получения гетеропереходов ZnSe/InP c целью создания изолированных структур как на планарных, так и на профилированных поверхностях зарощенных мезаполосковых структур лазерных диодов, работающих в спектральном диапазоне длин волн 1660–1670 нм. Этот диапазон длин волн лазерного излучения может быть использован для создания приборов и цифровых систем удаленного контроля метана по оптоволоконным линиям связи.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Для исследования роста селенида цинка на планарной поверхности использовались подложки InP {100}, легированные Sn или S, с концентрацией электронов до 10¹⁸–10¹⁹ см^–3. Образцы механически полировались до толщины 320 ± 10 мкм. После механической полировки образцы тщательно отмывали в органических растворителях и травили в полирующем травителе Br:CH₃COOH для снятия поверхностного нарушенного слоя материала, приблизительно 10 мкм. Для исследования роста на профилированной поверхности использовали реальные лазерные гетероструктуры InP/GaInAsP, выращенные на планарной поверхности, с использованием подложек InP с ориентацией (100) с последующим травлением мезаполосков вдоль направления 〈110〉 (рис. 1).

Рис. 1.

Слой поликристаллического ZnSe, выращенного на структуре InP–GaInAsP (ориентация подложки (100), температура подложки 350°С).

Эти мезаполосковые структуры заращивали селенидом цинка с целью изоляции активной области и ограничения утечек тока вдоль полоска. Рост селенида цинка проводили вакуумно-термическим способом в вакуумной установке ВУП-5 с использованием ячейки Кнудсена [11]. Остаточное давление в камере роста составляло 6.7 × 10^–3 Па. В качестве испаряемого материала использовали крупноблочные монокристаллы селенида цинка с удельным сопротивлением 5 × 10^–9 Ом см.

Предполагается, что процесс испарения материала происходит потоком, близким к ламинарному. Известно, что селенид цинка относится к конгруэнтно испаряющимся материалам и испаряется без разложения.

Контроль толщины выращенных слоев проводили на оптическом микроскопе с увеличением ×850 и растровом электронном микроскопе с увеличением от ×3500 до ×10 000. Параметры лазерных диодов спектрального диапазона длин волн 1660–1670 нм изучали на оптическом анализаторе спектров ANDO-6330 c использованием одномодового волокна SMF-28. Выходную мощность лазерных диодов измеряли с помощью измерителя мощности FOD-1204 и драйвера PILOT-4.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Были исследованы различные режимы роста в зависимости от температуры подложки фосфида индия, от скорости охлаждения подложки и ориентации направления мезаполосков лазерного диода. Температура подложки изменялась от 250 до 600°С. Было отмечено, что при температуре подложки ниже 350°С вырастали поликристаллические слои селенида цинка, в то же время при температурах подложки в диапазоне от 400 до 650°С наблюдался рост крупноблочного или монокристаллического слоя селенида цинка.

Результаты исследования режимов роста слоев ZnSe на подложках InP приведены на рис. 2. Видно, что с увеличением температуры подложки скорость роста возрастает. Также видно, что ориентация подложек достаточно сильно влияет на скорость роста слоев селенида цинка. Однако при температурах свыше 650°С наблюдалось реиспарение селенида цинка и выделение капель индия из подложки фосфида индия, что приводило к полной деструкции выращенных слоев.

Рис. 2.

Зависимости скорости роста слоев ZnSe от температуры и ориентации подложки InP при постоянной температуре источника напыления 800°С (скорость охлаждения подложки 1°С/мин).

Эти исследования позволяют оптимизировать процесс заращивания мезаполосковых структур с учетом направления и геометрии мезаполоска.

На рис. 3 представлены микрофотографии мезаполосков лазерных гетероструктур InP/GaInAsP, выращенных на подложке фосфида индия с ориентацией (100) и зарощенных селенидом цинка, при различных направлениях мезаполосков. Видно, что мезаполоски, вытравленные в направлении [110], практически полностью зарастают как в плоскости (111) – боковые грани, так и в плоскости (100) – плоскость подложки фосфида индия. В то же время, мезаполоски, вытравленные в ортогональном направлении [1̅10], не зарастают селенидом цинка, что приводит к утечкам тока накачки вдоль p–n-перехода лазерного диода, делая его практически не рабочим элементом. Такой эффект заращивания мезаполосков селенидом цинка связан с полярностью свойств монокристаллов А^IIIВ^V [12, 13]. Этот момент становится важным и определяющим в создании мезаполосковых лазерных зарощенных наногетероструктур.

Рис. 3.

Мезаполосковая наногетероструктура InP/GaInAsP, зарощенная ZnSe, при температуре подложки 500°С: а – направление мезаполоска [1̅10], ориентация подложки (100); б – направление мезаполоска [110], ориентация подложки (100).

На основе мезаполосковых зарощенных наногетероструктур InP/GaInAsP с каналом в подложке с последующим заращиванием изолирующим слоем селенидом цинка нами были созданы полупроводниковые лазерные диоды с длиной волны излучения 1650–1660 нм [14].

На рис. 4 приведены спектральные характеристики этих диодов при рабочих температурах 20 и 50°С. Исследование спектров этих диодов показало, что они работают на одной поперечной моде. Длина волны излучения может быть точно подобрана под линию поглощения метана – 1655 нм – путем изменения температуры чипа лазерного диода. Параметры этих диодов позволяют использовать их для работы в сетях с одномодовым оптическим серийным волокном типа SMF-28. Выходная мощность этих диодов составляла до 8 МВт, что вполне достаточно для создания оптических модулей с оптоволоконным выходом и передачи оптического сигнала на расстояния до 20 км.

Рис. 4.

Cпектры мезаполоского лазерного диода, зарощенного ZnSe: а – длина волны излучения 1651 нм, t = 20°С; б – длина волны излучения 1661 нм, t = 50°С.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследован рост слоев селенида цинка на плоских и профилированных поверхностях фосфида индия. Установлена зависимость скорости роста селенида цинка от ориентации подложки. Показано, что наиболее оптимальными параметрами роста являются температура подложки 500–550°С и направление мезаполосков [110]. На основании выбранных технологических режимов заращивания мезаполосковых структур высокоомным селенидом цинка изготовлены полупроводниковые лазерные диоды, работающие на полосе поглощения метана 1650–1610 нм. Такие лазерные диоды работают в одномодовом режиме и пригодны для систем удаленного контроля метана с использованием оптоволоконных линий связи.

БЛАГОДАРНОСТЬ

Работа выполнена в рамках государственного задания ИОНХ РАН в области фундаментальных научных исследований.