ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы:

Оптоэлектронные устройства для диапазона длин воли 1.6-5 мкм необходимы в таких областях науки и техники, как коммуникации и газовый анализ. В этот диапазон попадают линии поглощения многих токсичных и промышленных газов, окна прозрачности атмосферы и оптических волокон нового поколения на основе флюоридных стёкол. Перспективными материалами для изготовления таких устройств видятся полупроводниковые твёрдые растворы (ТР) А3В5, содержащие сурьму и изопериодичные с подложками СаБЬ и ЫАв. В настоящее время достаточно успешно изготавливаются оптоэлектронные приборы для спектрального диапазона 1.7 -3.2 мкм. Диапазон 3.2 – 5 мкм остаётся проблемным. Это связано с физическими свойствами узкозонных материалов, в которых, во-первых, существенно возрастает роль безызлучательных процессов, во-вторых, к ним труднее подбирать барьерные слои, создающие достаточное ограничение для носителей заряда.

В настоящее время в качестве узкозонных активных областей устройств спектрального диапазона 3-5 мкм используются квантовые ямы Са1пА55Ь, изопериодичные с СаЗЬ; сверхрешётки чередующихся тонких напряжённых слоёв бинарных соединений А18Ь, ЫАв и тройных твёрдых растворов 1пОа8Ь, ¡пАйЭЬ; бинарное соединение ЫАэ; и ЫАзБЬ. Использование в качестве активных областей других типов материалов, таких как Оа1пАзР8Ь, в настоящее время не рассматривалось.

Основная цель диссертационной работы заключалась в поиске, получении и исследовании новых типов материалов А3В5 на основе пятерных твёрдых растворов СаШАвРБЬ, подходящих для изготовления оптоэлектронных устройств спектрального диапазона 3-5 мкм.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

• Расчёт зависимостей состав-свойство для пятерных твёрдых растворов (ПТР) Оа^АвРБЬ и АЮа1пАз8Ь;

• Получение и исследование ПТР Са1пА$Р5Ь, изопериодичных с подложками ¡пАв и ваБЬ;

• Исследование условий получения методом газофазной эпитаксии из металлорганических соединений (ГФЭМОС) ТР для активных областей и ТР АПпАвБЬ для ограничивающих слоёв источников излучения спектрального диапазона 3-5 мкм;

• Сравнение люминесцентных характеристик узкозонных материалов ¡пАэБЬ, ОаЫАзБЬ и ОаЫАзРБЬ, полученных на подложках ваБЬ и 1пАз;

• Изготовление светоизлучающих структур на основе материалов Са1пАзР8Ь, сравнение их излучательных характеристик с таковыми у структур на основе ¡пАбБЬ.

Научная новизна полученных в работе результатов состоит в следующем:

• При температурах от 4 до 300 К экспериментально исследованы люминесцентные характеристики материалов СаШАзРБЬ, изопериодичных с подложками 1пАб и СаЗЬ и излучающих в спектральном диапазоне длин волн 3 – 4.3 мкм;

• Исследованы условия получения методом ГФЭМОС изопериодичных с ШАб ТР 1пАз8Ь и ОаЫАвБЬ, обладающих высокими излучательными характеристиками и подходящих для изготовления активных областей оптоэлектронных устройств для спектрального диапазона 3-4 мкм;

• Исследована электролюминесценция (ЭЛ) изопериодичных с ОаБЬ твёрдых растворов ОаЫАзРБЬ, излучающих при комнатной температуре на длине волны 4.3 мкм, проведено сравнение с ЭЛ 1пАз8Ь.

• У твёрдых растворов ^Ав^Ь).,,, Оа|.х1пхА5у8Ь1_у и Gai.xInxAsyPzSbi.y_z, изопериодичные с 1пАб и имеющих составы 0.95 < х < 1; 0.77 < у < 0.97; 0 < г < 0.11 в диапазоне длин волн 3.4 – 4.3 мкм наблюдалась интенсивная фотолюминесценция (ФЛ) при комнатной температуре.

Основные научные положения, выносимые на защиту.

1. При жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) пятерных твёрдых растворов вакАвРЗЬ из растворов-расплавов на основе сурьмы на образцах с малыми величинами несоответствия параметра решётки (НПР) |/1| < 10″ в некоторых случаях наблюдались массивы упорядоченных прямоугольных образований (микрокристаллитов) размерами от 1 мкм х 2 мкм до 4 мкм х 8 мкм, микрокристаллиты являлись твёрдыми растворами, состав которых существенно отличался от состава основной матрицы;

2. Твёрдые растворы Gai.xInxAsyPzSbi.y_z изопериодичные с ваБЬ, демонстрируют при 300 К интенсивную ФЛ на длинах волн 3 – 4.3 мкм, дифференциальная эффективность ЭЛ материалов Gao.03Ino.97A.So.8iPo.05Sbo.14, изопериодичных с йаЗЬ и излучающих на длине волны 4.3 мкм в 3 раза превосходит таковую у 1пАз8Ь, изопериодичных с СаБЬ и излучающих на той же длине волны;

3. Экспериментально показано, что величина спин-орбитального отщепления Gaoo4Ino.96Aso.s2Po.03Sbo.15 при 15 К составляет 0.46 эВ и превышает величину его прямого энергетического зазора (0.34 эВ), что обеспечивает высокие излучательные характеристики данного твёрдого раствора;

4. При ГФЭМОС твёрдых растворов InAsPSb на подложках InAs (давление в реакторе 0.1 атм, температура 600 “С) зависимость содержания фосфора в твёрдой фазе от парциального давления фосфина в реакторе при фиксированных парциальных давлениях других веществ асимптотически приближается к горизонтальной прямой.

Практическая ценность результатов работы состоит в том, что, в результате исследований:

• Рассчитаны зависимости состав-свойство для твёрдых растворов AlGalnAsSb, GalnAsPSb, предложены возможные варианты гетероструктур для изготовления светоизлучающих устройств спектрального диапазона 3 4.5 мкм;

• Впервые получены методом ЖФЭ из растворов-расплавов на основе сурьмы твёрдые растворы GalnAsPSb, изопериодичные с GaSb и InAs, излучающие при 300 К на длинах волн 3 – 4.3 мкм;

• Проанализирована температурная зависимость спектров ФЛ TP GalnAsPSb, GalnAsSb, InAsSb излучающих на длинах волн 3 – 4.3 мкм и показано, что при близких длинах волн излучения лучшими люминесцентными характеристиками обладают материалы, полученные на подложках InAs;

• Впервые на основе твёрдых растворов GalnAsPSb изготовлен p-i-n светодиод, излучающий на длине волны 4.3 мкм при комнатной температуре в квазинепрерывном режиме (1 кГц, коэффициент заполнения 50%, рабочий ток 300 мА), мощность излучения составляет 5 мВт, что превосходит типичные аналоги, излучающие на длине волны 4.25 мкм (менее 1 мВт в импульсном режиме).

• Определены особенности вхождения As в тройные твёрдые растворы InAsSb при использовании метода ГФЭМОС при соотношении потоков V/III 2.2 3.6 и 22; на основе этих данных исследованы условия получения на подложках InAs качественных эпитаксиальных слоёв GalnAsSb, излучающих на длинах волн 3.6 – 3.8 мкм при 300 К и AluIn)4IASj,Sbi_y, имеющих составы 0.08 < и < 0.11, 0.88 < у < 0.92;