Технология нанесения эпитаксиальных слоев в процессе изготовления лазерных диодов

Рост эпитаксиальных слоев твердых растворов на основе GaAs в большинстве случаев в настоящее время осуществляется посредством пиролиза различных комбинаций металлорганических или металлогидридных соединений, который ещё называется как химическое осаждение этих соединений из газовой фазы (MOCVD – metal organic chemical vapor deposition). Химическое осаждение их газовой фазы металлорганики позволяет получать различные покрытия на различные подложки, в том числе эпитаксиальные слои необходимого химического состава на исходные подложки GaAs. Например, слои GaAs можно осаждать при использовании таких соединений как триметилгаллия₃Ga и трифенилмышьяка₃As. В отличие от молекулярно-лучевой эпитаксии, рост осуществляется не в высоком вакууме, а из парогазовой смеси при пониженном давлении. Привлекательность метода MOCVD состоит, в первую очередь, в высокой чистоте исходных химических соединений, что позволяет формировать высококачественные слои на GaAs или GaP подложках, если речь идет о современных методах изготовления лазерных структур. Наиболее элементарный лазерный диод содержит отдельный слой высокоомного GaAs заключенного между двумя слоями сильнолегированных слоев состава AlGaAs n и р типов проводимости, также металлические слои в качестве контактов для инжекции электрического тока в рабочую область диода.

рис.18. Диаграмма соответствия постоянных решеток различных двойных соединений на основе GaAs и GaP.

В процессе изготовления таких структур требуются только несколько производственных процессов, включающую в себя эпитаксиальный рост как основную операцию, формирующую лазерный диод. Более сложный дизайн лазерных диодов требует включения дополнительных эпитаксиальных слоев для оптимизации волноводной структуры и обеспечения высоких эксплуатационных характеристик устройства. Одним из основных требований к проведению процесса эпитаксиального роста слоев с минимальным количеством структурных дефектов является согласование постоянных кристаллических решеток, как самого эпитаксиального слоя, так и подложки. На рис.18 показана диаграмма соединений, из которой следует, например, что наиболее подходящим составом тройного соединения хорошо согласующая с постоянной решетки GaAs являются соединения Al_0.45Ga_0.55As или Ga_0.51In_0.49P.

Обобщенная химическая реакция в методе MOCVD записывается как

R_nM(V)+ER_n^’(V)→ME(S)+nRR^’, (37)

где R и R’ представляют собой метил(CH₃) или этил(C₂H₅) радикалы или водород, M – металл из II или VI группы таблицы Менделеева, E – элемент из группы V или группы IV, n – 2 или 3 (или выше) в зависимости от того, какой полупроводник осаждается. Либо это II-VI, либо III-V, V – означает газовую фазу, S означает вещество на поверхности твердой фазы.

Реагенты R_nM и ER_n^’ термически разлагаются при повышенных температурах, формируя нелетучий продукт ME, который осаждается на подложку, в то время как летучий продукт RR^’ уносится в потоке H₂. Как пример можно рассмотреть реакцию (CH₃)₃Ga и AsH₃ для получения слоев GaAs и CH₄, как побочного продукта:

(СH₃)₃Ga+AsH₃→GaAs+3CH₄. (38)

Схема установки для проведения процессов эпитаксии показана на рис.19.

рис.19. Компоненты установки МОС- гидридной эпитаксии.

Особенности конструкции эпитаксиальной установки включают в себя следующие основные узлы:

• Реактор - камера, в которой непосредственно происходит эпитаксиальный рост. Она сделана из материалов, химически инертных по отношению к используемым химическим соединениям при высоких температурах. Основными конструкционными материалами являются нержавеющая сталь, кварц и графит. Подложки расположены на нагреваемом, вращающимся с большой скоростью подложкодержателе, с тщательным контролем температуры пьедестала. Он также сделан из материалов, стойких к химическим веществам, используемым в процессе роста эпитаксиальных слоев. Для нагрева подложкодержателя и камеры реактора до температуры эпитаксиального роста используют резистивные или ламповые нагреватели, а также ВЧ-индукторы.

• Газовая схема. Исходные вещества, находящиеся при нормальных условиях в газообразном состоянии подаются в реактор из баллонов через регуляторы расхода газа. В случае, если исходные вещества при нормальных условиях представляют собой жидкости или твердые вещества, используются так называемые испарители-барботеры. В испарителе-барботере газ-носитель продувается через слой исходного химического соединения, и уносит часть металлорганических паров, транспортируя их в реактор. Концентрация исходного химического вещества в потоке газа-носителя на выходе из испарителя зависит от потока газа-носителя, проходящего через испаритель-барботер, давления газа-носителя в испарителе и температуры испарителя-барботера.

• Система поддержания давления в камере реактора.

• Система поглощения токсичных газов и паров. Токсичные отходы производства должны быть переведены в жидкую или твёрдую фазу для последующего повторного использования или утилизации.

Литература.

1. В. П. Грибковский. Теория поглощения и испускания света в полупроводниках. Наука и техника. Минск. 1975.

2. Р. Лоудон. Квантовая теория света. М. Мир, 1976.

3. W. W. Chow, S. W. Koch. Semiconductor Laser, Fundamentals. Springer, 1998.

Приложение

Коэффициенты Эйнштейна

Механизмом, с помощью которого можно изменить число фотонов в некоторой полости, является поглощение или испускание фотонов атомами, находящимися в полости или молекулами стенки полости. Теория Эйнштейна основана на некоторых разумных постулатах относительно поглощения и испускания фотонов атомами.

Пусть взаимодействие между атомной и фотонной системой осуществляется только в объеме полости, т.е. имеется газ, состоящий из N одинаковых атомов и фотонным газом, причём каждый атом имеет пару связанных состояний с энергиями E₁ и E₂, так что

. (П1)

Для такой системы возможны процессы с сохранением энергии, в которых фотоны с частотой ω поглощаются или излучаются атомами, совершающими переходы между двумя состояниями. Допустим, что два атомных уровня являются мультиплетами с кратностью вырождения g₁ и g₂. Числа N₁ и N₂ атомов в состояниях с энергиями E₁ и E₂ будем называть населенностями соответствующих уровней.

Если атом находится в состоянии 2, то имеется конечная вероятность A₂₁ в единицу времени спонтанного перехода в нижнее по энергии состояние 1 с эмиссией фотона, обладающего энергией ћω. Теперь рассмотрим атом в состоянии 1. В отсутствии какого-либо излучения с частотой ω, переход атома в состояние 2 невозможен, поскольку энергия в таком переходе не сохраняется. Однако при наличии излучения в полости с плотностью энергии W(ω) переход в более высокое энергетическое состояние 1→2 может происходить за счет поглощения фотона. Предположим, что скорость такого перехода пропорциональна W(ω) с коэффициентом пропорциональности B₁₂.

Эти два процесса интуитивно представляются разумными, но не столь очевидным является, что присутствие излучения с плотностью энергии W(ω) увеличивает также скорость перехода из более высокого энергетического состояния в более низшее. Но, это имеет место в реальности, поэтому обозначим эту скорость перехода как B₂₁W(ω). Этот дополнительный излучательный процесс помимо неизбежного спонтанного, называется вынужденным излучением.

Здесь необходимо подчеркивать, что три коэффициента Эйнштейна A₂₁, B₁₂ и B₂₁ определены таким образом, что они не зависят от W(ω). Они зависят только от свойств рассматриваемых энергетических уровней и эта зависимость определяется методами более глубокого исследования на основании квантово-механических рассмотрений. Пропорциональность скоростей поглощения и вынужденного излучения величине W(ω) справедливо только в тех случаях, когда плотность энергии медленно меняется с частотой ω вблизи частоты переходов.

Рассмотрим влияние трёх скоростей переходов на населенности уровней N₁ и N₂, которые можно записать в виде:

. (П2)

При условии стационарности процесса, имеем:

. (П3)

В случае теплового равновесия, когда вынужденное излучение, вводимое в полость, отсутствует, плотность энергии в (П3) представляет собой мощность теплового излучения W_T и решение (П3) имеет вид:

. (П4)

Но этот результат должен согласовываться с формулой Планка для плотности распределения фотонов по энергии при заданной температуре, тогда

, . (П5)

Т.о., три коэффициента Эйнштейна являются взаимосвязанными, а скорость переходов между парой уровней могут быть выражены через значение одного коэффициента.