Fabrication of a quantum dot laser

TEKNILLINEN KORKEAKOULU Sähkö-ja tietoliikennetekniikan osasto Optoelektroniikan laboratorio

Lauri Knuuttila

KVANTTIPISTELASERIN VALMISTUS

niikcrt kirjasto

Diplomi-insinöörin tutkintoa varten tarkastettavaksi jätetty diplomityö.

Työn valvoja: Prof. Turkka Tuomi Työn ohjaaja: Prof. Harri Lipsanen Espoo 18.1.2000

TEKNILLINEN KORKEAKOULU DIPLOMITYÖN TIIVISTELMÄ

Tekijä: Lauri Knuuttila

Työn nimi: Kvanttipistelaserin valmistus

Päivämäärä: 18.1.2000 Sivumäärä: 69

Osasto: Sähkö-ja tietoliikennetekniikan osasto

Professuuri: Optoelektroniikka Koodi: S-104

Työn valvoja: Professori Turkka Tuomi Työn ohjaaja: Professori Harri Lipsanen

Työssä on valmistettu kvanttipistelaser, jonka aktiivinen alue rakentuu GaAs- kerroksien päälle kasvatetuista InojGao.sAs-saarekekerroksista. Puolijohdelase­

rin aaltojohderakenne ja pn-liitos perustuu Alo.25Gao.75As/GaAs-kerroksiin.

Ino.sGao.sAs-saarekeet kasvoivat Stranski-Krastanow -moodissa, missä muodostuu kaksiulotteinen kastumiskerros ja kolmiulotteiset saarekkeet. Saarek­

keita kasvatettiin pystysuunnassa kolme kerrosta päällekkäin. Saarekekerroksien väliin kasvatettiin 7 nm:n paksuiset GaAs-vallikerrokset. Kerrosrakenteet tehtiin TKK:n Optoelektroniikan laboratorion metallo-orgaanisella kaasufaasi- epitaksialaitteistolla (engl. MOVPE, metalorganic vapour phase epitaxy).

Kasvatuslämpötilan ja AlGaAs-kerroksen vaikutusta saarekkeiden muodostu­

miseen tutkittiin atomivoimamikroskoopilla ja fotoluminesenssimittauksin.

Kolmikerroksinen InGaAs-saarekenäyte luminoi 9 K:n lämpötilassa 1060 nm:n aallonpituudella. Fotoluminesenssispektrin puoliarvonleveys oli parhaimmillaan noin 35 meV.

Kvanttipistelasemäytteet prosessoitiin oksidinauhalasereiksi, joiden nauha oli 40 pm leveä ja kaviteetin pituutta vaihdeltiin 0,8 - 6 mm:n välillä. Elektro- luminesenssispektrissä havaittiin kvanttipisteiden emissiosäteilyä neljältä, energiassa noin 50 meV:n etäisyydellä toisistaan sijaitsevilta, tilalta.

Mittauslämpötilassa 150 K kvanttipisteiden perustila luminoi 1097 nm:n ja ylin tila noin 970 nm:n aallonpituudella. Kvanttipisteiden energiatilojen täytyttyä emissiosäteilyn intensiteetti saturoitui. Stimuloitu emissio havaittiin kas tumi s- kerroksen energiatilalta 932 nm:n aallonpituudella.

Avainsanat: kvanttipistelaser, In0,5Gao,sAs-saarekkeet, epitaksia, MOVPE, fotoluminesenssi, elektroluminesenssi.

HELSINKI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ABSTRACT OF THE MASTER S THESIS

Author: Lauri Knuuttila

Title of thesis: Fabrication of a Quantum Dot Laser

Date: 18.1.2000 Pages: 69

Department: Electrical and Communications Engineering

Professorship: Optoelectronics Code: S-104

Supervisor: Professor Turkka Tuomi Instructor: Professor Harri Lipsanen

In the present work a quantum dot laser was fabricated with the active layer based on Ino.5Gao.5As quantum dots (QD:s) grown on a GaAs layer. The waveguide and the pn-junction of the semiconductor laser are based on Alo.25Gao.75As/GaAs structure. Ino.5Gao.5As islands were grown in the Stranski- Krastanow growth mode, in which 3D islands and 2D wetting layer (WL) were formed. Islands were stacked vertically on three layers separated by 7 nm thick barrier layers of GaAs. The structures studied in this work were grown using the MOVPE (Metal organic Vapour Phase Epitaxy) apparatus of Optoelectronics Laboratory at Helsinki University of Technology.

The growth temperature and effect of AlGaAs layer were studied. The QD samples were characterized with atomic force microscopy and photoluminescence measurements. The sample with three stacked InGaAs QD layers showed photoluminescence at the wavelength of 1060 nm in T = 9 K. The narrowest half width of the photoluminescence emission spectrum was 35 meV.

The quantum dot laser samples were processed into oxide stripe lasers. The stripe had a width of 40 pm and the length of the laser cavity was varied from 0,8 to 6 mm. In the electroluminescence measurements emission was detected from four separate energy levels. The spacing between the energy levels was about 50 meV. Ground state emission was detected at the wavelength of 1097 nm and the highest order emission at 970 nm. All QD:s energy states were filled and lasing occurred from a wetting layer energy state at the wavelength of 932 nm.

Key words: quantum dot laser, Ino.sGao^As islands, epitaxy, MOVPE, photoluminescence, electroluminescence.

ALKULAUSE

Tämä työ on tehty Teknillisen korkeakoulun Optoelektroniikan laboratoriossa.

Kiitän työn valvojaa Turkka Tuomea mielenkiinnosta tekemääni työtä kohtaan ja mahdollisuudesta työskennellä kiinnostavan aiheen parissa. Kiitokset työn ohjaajalle Harri Lipsaselle asiantuntevista neuvoista ja kannustuksesta.

Lisäksi haluan kiittää Optoelektroniikan laboratorion henkilökuntaa mainiosta työ­

ympäristöstä ja mahdollisuudesta olla osallisena siinä. Mikroelektroniikka- keskuksen henkilökuntaa kiitän asiantuntevasta opastuksesta puhdastila- työskentelyssä. Kiitokset myös vanhemmilleni ja veljilleni kannustuksesta opintojen! aikana.

Espoossa 18.1.2000

Lauri Knuuttila

Sisällysluettelo

1 Johdanto...1

2 Puolijohteiden ja kvanttipisteiden fysiikkaa...3

2.1 Yhdistepuolijohteet... 3

2.1.1 Pseudomorfinen materiaali... 4

2.2 Kvanttirakenteiden ominaisuuksia... 5

2.3 Puolijohteiden epitaktinen valmistus... 7

2.3.1 Kvanttipisteiden itseorganisoituva kasvu... 9

2.3.2 Kvanttipisteiden kerroskasvatus... 11

3 Puolijohdelaser...13

3.1 Populaari oinversio...13

3.1.1 Populaatioinversio puolijohteissa... 14

3.2 Kvanttipistelaser...15

3.2.1 Energiatilat ja kynnysvirta... 16

3.2.2 Kvanttipistelasertutkimus... 17

4 MOVPE...19

4.1 Laitteisto...19

4.2 Kasvuprosessi... 22

5 Mittalaitteistot...24

5.1 Foto-ja elektroluminesenssi... 24

5.2 Virta-jännitemittaus... 26

5.3 Seostusmittaukset... 26

5.3.1 Hallin mittauksen teoria...27

5.3.2 Näytteiden kontaktointi ja Hallin laitteisto...28

6 Laserrakenteen kerroksien optimointi...30

6.1 Aaltojohderakenne... 30

6.2 Pn-liitos... 31

6.2.1 MOVPE-kasvatuksen vaiheet...32

6.2.2 Seostusnäytteet... 33

6.2.3 Pn-liitoksen rakenne ja mallittaminen... 34

6.3 Kv an tti pi sterakentei den valmistus...36

6.3.1 Kvanttipi sterakenne ja kasvatuslämpötila...36

6.3.2 Aktiivisen alueen optimoinnin tuloksia... 42

7 Puolijohdelaserin valmistus...44

7.1 Piidioksidikerroksen kasvatus ja kuviointi... 44

7.2 Kontaktoiminen ja lohkominen... 48

8 Lasernäytteiden mittauksia...50

8.1 AlGaAs-kerroksen vaikutus saarekekasvuun... 51

8.2 Kvanttipistelaserin foto-ja elektroluminesenssispektrit... 53

8.3 MOVPE-kasvatuksen homogeenisuus...60

9 Yhteenveto...63

Lähdeluettelo...65

Liite 1 - Fotoluminesenssimittauksiin kasvatettujen näytteiden kerrosrakenne Liite 2 - QDLaserS-näytteen kasvatusparametrit

1 Johdanto

Puolijohdelasereista on kehittynyt niiden ensimmäisen esittämisen jälkeen yli 30 vuoden aikana merkittävin laservalonlähde. Puolijohdelasereilla on useita sovelluksia niiden toimiessa mm. viivakoodien ja cd-soittimien lukupäänä, puhelin-, televisio- ja tietoverkkojen signaalin lähettimenä sekä lukuisissa lääketieteellisissä ja mittausteknillisissä sovellutuksissa. Merkittävin kehitys laserdiodeissa on tapahtunut valoa tuottavan osan eli aktiivisen kerroksen nanorakenteissa.

Nanoteknologian tutkimusala optoelektroniikassa perustuu varauksenkuljettajien liikkeen rajoittamiseen nanometrin suuruusluokkaa oleviin rakenteisiin. Jos elektronien liike rajoitetaan lähelle de Broglien aallonpituutta alkaa energiatilojen kvantittuminen eli elektronien sidottujen tilojen muodostuminen hallitsemaan puolijohteiden sähköisiä- ja optisiaominaisuuksia. Kvanttikaivorakenteessa varauksien liike on rajoitettu ainoastaan yhdessä dimensiossa, mutta kvantti- pisterakenteessa varauksien liike on rajoitettu kaikissa kolmessa dimensiossa eli varauksilla ei ole yhtään vapaata liikesuuntaa.

Nanometrien kokoluokkaa olevia saarekkeita eli kvanttipisteitä voidaan valmistaa S tran ski -Krastano w -kasvumoodissa itseorganisoituvasti. Näin kasvatettujen saarekkeiden sekä keskinäinen homogeenisuus että tiheys on riittävä ajatellen optisia sovellutuksia. Optoelektroniikan laboratorion käytössä oleva metallo-orgaaninen kaasufaasiepi taksi alai ttei sto (engl. MOVPE, Metal Organic Vapour Phase Epitaxy) mahdollistaa näiden ohuiden saarekekerroksien kasvattamisen.

Tässä diplomityössä tutkitaan GaAs-alustakiteeseen pohjautuvan puolijohdelaserin aktiivisen kerroksen valmistamista Ino.sGao.sAs-kvanttipistekerrosrakenteista.

Työssä on valmistettu puolijohdelaseriin Al0.25Gao.75As-aaltojohderakenne, jonka tarkoituksena on optisen kentän sitominen aktiiviseen alueeseen. Varauksen- kuljettajatiheyden kasvattamiseksi aktiivisessa alueessa on sen ulkopuolelle valmistettu pn-liitos, mikä vaatii aaltojohdemateriaalien oikeanlaista seostamista.

Diplomityön luvussa 2 on esitetty yhdistepuolijohteiden fysiikkaa ja kvanttipisteiden

kvanttipistelaserin ominaisuuksia. MOVPE-Iaitteistoa käsitellään luvussa 4 ja työssä käytettyjä karakterisointimenetelmiä kuten luminesenssi- ja Hallin mittaus esitetään luvussa 5. Aaltojohderakenteen ja pn-liitoksen optimointi on esitetty luvussa 6, missä myös tutkitaan kvanttipisterakenteiden kasvatuslämpötilaa johtavan alustakiteen yhteydessä ja kvanttipisterakenteiden lämpökäsittelyä. Luvussa 7 käydään lyhyesti läpi MOVPE-kasvatetun näytteen prosessoiminen lasersiruiksi.

Valmistettuja kvanttipistelasemäytteitä ja AlGaAs-kerroksen vaikutuksia saarekekasvuun analysoidaan luvussa 8, missä esitetään myös mittaustuloksia kvanttipistelaserin elektroluminesenssispektreistä. Liitteessä 1 on fotoluminesenssi- mittauksia varten kasvatettujen näytteiden rakenne ja liitteessä 2 on esitetty QDLaser5-näytteen kasvatusparametrit.

2 Puolijohteiden ja kvanttipisteiden fysiikkaa

Optoelektroniikan nanorakenteissa käytetään yleensä yhdistepuolijohteita. Tällöin hilasovitetun ja halutun suuruisen suoran energia-aukon materiaalien epitaktinen valmistaminen on mahdollista. Puolijohde yhdisteiden keskinäinen hilasovitus mahdollistaa Optoelektroniikan komponenteissa tarvittavien paksujen kerros- rakenteiden kasvatuksen ilman dislokaatioiden syntyä ja suora energia-aukko [1]

toteuttaa tarvittavan voimakkaan vuorovaikutuksen valon kanssa.

2.1 Yhdistepuolijohteet

Yleensä optisissa sovellutuksissa käytetään III-V-ryhmän alkuaineiden yhdisteitä II- VI- ja IV-VI-ryhmän yhdisteidenkin ollessa mahdollisia vaikkakin harvemmin käytettyjä. Suurin osa III-V-yhdisteistä muodostavat kiteytyessään sinkkivälke- rakenteen, jossa on kaksi lomittain olevaa pintakeskeistä kuutiollista (PKK) hilaa III- ja V-ryhmän atomien muodostaessa erikseen kyseiset PKK-alihilat. Atomien väliset sidokset sinkkivälkehilassa ovat ionisten ja kovalenttien sidosten yhdistelmä, jälkimmäisten ollessa hallitsevia.

Jotta keskenään hilasovitettujen materiaalien käyttö olisi mahdollista, joudutaan yleensä binääristen yhdistepuolijohteiden AC sijasta käyttämään kolmiyhdisteitä AxBvxC. Kolmiyhdiste koostuu siis kahdesta III-ryhmän alkuaineesta А, В ja yhdestä V-ryhmän alkuaineesta C. Kolmiyhdisteen hilavakio a riippuu lineaarisesti binääristen yhdisteiden hilavakioista ja se voidaan laskea Vegardin laista [1],

a(x) - xax + (1 - x)a2. (1)

Tässä a¡ on yhdisteen AC hilavakio ja <22 yhdisteen BC hilavakio. Hilasovituksen määräämä energia-aukko Eg saadaan vastaavasti binääristen yhdisteiden energia- aukkojen painotettuna keskiarvona huomioiden teoreettisesti tai kokeellisesti määritetty tapauskohtainen taipumisparametri Саы- [1],

Eg ⁼ xEg,AC + (1 ^- x)Eg,Bc -*0 ^- X)CABC • (2)

Neliyhdisteissä, jotka siis vastaavasti muodostuvat kahdesta tai useammasta binäärisestä puolijohteesta, voidaan hilasovituksen lisäksi määrätä myös energia- aukon suuruus. Neliyhdisteissä voidaan siis vaikuttaa emittoituneen tai vastaavasti absorboituneen sähkömagneettisen säteilyn aallonpituuteen A,

(3)

Tässä h on Pianokin vakio ja c valonnopeus tyhjiössä.

Optoelektroniikan komponenttien yleisin toiminta-aallonpituus on noin 0,4-2,0 p,m:ä, mikä määrää tavallisesti materiaalivalinnat seuraavasti: Sinisillä aallonpituuksilla käytetään kovan kehityksen alla olevia suuren energia-aukon nitridejä kuten A1N, GaN ja InN. Lähi-infrapunassa tärkeimpiä rakenteita ovat GaAs-aluskiteille valmistetut, lähes hilasovitetut AlxGai_xAs-yhdisteet. Vaikka tiedonsiirron tarpeisiin lähi-infrapuna ei ole paras aallonpituus, käytetään näitä yhdisteitä silti runsaasti niiden korkean laadun ja esim. pienien kynnys- virtaominaisuuksien vuoksi. Myös kuituvahvistimissa tarvittavia alle mikrometrin aallonpituudella toimivia pumppulasereita voidaan valmistaa edellä mainituista yhdisteistä tai jännitetyistä InxGai_xAs-kvanttikaivoista. Tietoliikennesovellutuksien tärkeimmille 1,3 ja 1,55 p,m:n aallonpituuksille, joilla kuiduissa saavutetaan dispersio- ja häviöminimi, voidaan valmistaa komponentteja InP- pohjaisista yhdis­

teistä tai neliyhdisteistä kuten InxGai_xAlyAsi_y, InxGai_xAsyPi_y ja InxGai_xAsyNi_y.

InP-pohjaiset yhdisteet ovat myös tärkeässä asemassa integroiduissa Opto­

elektroniikan piireissä niiden hyvien sähköisten ominaisuuksien vuoksi.

2.1.1 Pseudomorfinen materiaali

Kasvatettujen epitaktisten kerroksien hilavakiot ovat harvoin täysin sovitettuja, joten kerrosten välille syntyy jännityksiä. Jos kasvatetussa kerroksessa ei esiinny dislokaatioita ja jännitys jakaantuu koherentisti, voidaan puhua pseudomorfisesta materiaalista. Pseudomorfisessa materiaalissa kasvavan epitaktisen kerroksen hilavakio a sovittuu alustakiteen hilavakioon a0 joko venyttämällä tai puristamalla pinnansuuntaista hilavakiota kohtisuoran hilavakion vastaavasti puristuessa tai venyessä. Yksinkertaisessa mallissa voidaan kasvatettua epitaksiakerrosta huomattavasti paksumpi alustakide olettaa vapaaksi jännityksistä. Todellisuudessa alustakide taipuu hieman vähentäen epitaktisessakerroksessa esiintyvää jännitystä ja epitaksiakerroksen pinnansuuntainen hilavakio eroaa alustakiteen hilavakiosta hakeutuen kohti pienempää koherentti a jännitystä. Jos kasvavan kerroksen pystysuuntaisen hilavakion a± oletetaan täysin deformoituvan siten, että

pinnansuuntaiset hilavakiot vastaavat täysin toisiaan, voidaan Hooken laista ratkaista [2]

aL = (1---—e)a . (4)

cn

Tässä cu ja cn ovat kasvatetun epikerroksen kimmokertoimia ja £ = (a0 - a)/a suhteellisen hilaeron vastaluku.

Kriittiseksi paksuudeksi nimitetään kerrospaksuutta, jossa jännitys on lauennut rajapinnassa muodostaen dislokaatioverkon. Kriittinen paksuus voidaan laskea yhtälöstä [2]

(5)

Pseudomorfiset kerrokset ovat tärkeä osa Optoelektroniikan komponenttivalmistusta niiden jännityksen muuttaessa myös puolijohteen energia-aukkoa, elektronien efektiivistä massaa sekä valenssivyön rakennetta.

2.2 Kvanttirakenteiden ominaisuuksia

Puolijohdelaserin ominaisuuksia on voitu parantaa kehittämällä kvanttilanka- ja kvanttipistelaserrakenteita, joiden dimensiot ovat vastaavasti rajoitettu kahdessa ja kaikissa kolmessa suunnassa, verrattuna vain kasvatussuunnassa rajoitettuun yksi­

ulotteiseen kvanttikaivolaseriin tai heteroliitoslaseriin.

Kuvassa (1) on esitetty edellä mainittujen puolijohdelasereiden erilaisia aktiivisen kerroksen rakenteita sekä näiden varauksenkuljettajien tilatiheyksiä energian funktiona. Rajoittaessa rakenteen dimensioita lähelle de Broglien aallonpituutta (-200 - 400 Å) alkavat kvanttiefektit hallitsemaan elektronisia ja optisia ominai­

suuksia rakenteessa. Energiakuoppa vöiden reunoilla aiheuttaa mm. sidottuja tiloja varauksenkuljettajille, mikä ilmenee tilatiheyden eli tietyn energiavälin miehittävien varauksenkuljettajien maksimimäärän rajoittuneena jakaumana. Puolijohde­

lasereiden vahvistuskerroin on verrannollinen tilatiheyteen, sillä vahvistusspektrin kaventuessa tilatiheys kvantittuu voimakkaammin. Heteroliitoslaserissa (kuva la), jossa aktiivisen alueen paksuus on noin 0,1 pm, voidaan nähdä varauksenkuljettajien

tilatiheyden olevan pieni vyönreunan lähellä ja kasvavan energian mukana.

Tilatiheys

Tilatiheys

johtavuus vyö

valenssivyö

Tilatiheys

johtavuusvyö

n) '&

ШC

valaissivyö

Tilatiheys

Kuva 1. Puolijohdelaserin aktiivisen alueen erilaisia rakenteita ja niiden varauksenkuljettajien tilatiheydet energian funktiona: (a) Kaksoishetero-, (b) kvanttikaivo-, (c) kvanttilanka-, (d) kvanttipisterakenne.

Kun aktiivisen alueen paksuutta rajoitetaan de Broglien aallonpituutta lähemmäksi, saadaan kaksidimensioinen kvanttikaivoheteroliitoslaser (kuva Ib), jossa varauksen- kuljettajien liike on siis rajoitettu z-suunnassa. Varauksenkuljettajien tilatiheys- funktio alkaa käyttäytyä askelmaisesti saavuttaen suurimmat arvonsa kaivo- kerroksen reunoilla. Kvanttikaivolaserissa optisten siirtymien energiaan voidaan vaikuttaa muuttamalla kaivon paksuutta. Diskreetit energiatilat mahdollistavat myös kapean viivanleveyden sekä alhaisen kynnys virrantiheyden laserin toiminnassa verrattuna heteroliitoslaseriin. Rajoitettaessa elektronien liikettä z-suunnan lisäksi y- suunnassa saadaan kahdessa dimensiossa rajoitettu kvantti lankarakenne (kuva le).

Jos varauksien liikettä rajoitetaan vielä x-suunnassa, on varauksien liike rajoitettu nollaan dimensioon eli elektronit ovat sidottuja kaikissa kolmessa suunnassa.

Varauksenkuljettajien tilatiheysfunktiot paranevat kvanttipisterakenteessä (kuva Id) kaivorakenteeseen verrattuna muuttuen täysin diskreeteiksi. Tämä mahdollistaa kvanttipistelasereiden erittäin alhaisen lähes toimin tai ämpöti lasta riippumattoman kynnysvirran sekä korkean materiaali- ja differentiaalivahvistuksen [3, 4].

Kynnysvirrantiheys j,h riippuu lämpötilasta T yhtälön [5, 6]

j,h(T) = j,h(Tt) ex p ^T-T (6)

mukaisesti. Yhtälössä (6) T, on toiminta!ämpötila ja To karakteristinen lämpötila.

Energian funktiona osittain diskreetille varauksenkuljettajatilatiheydelle lämpötilan nostaminen johtaa varauksenkuljettajien uudelleen järjestäytymiseen laajalle energiavälille, jolloin virrantiheys laseroinnin saavuttamiseksi kasvaa vahvistuksen pienentyessä. Kvanttipistelaserissa diskreetisti jakaantuneille delta-funktion kaltaisille tilatiheyksille ei uudelleen järjestäytyminen ole mahdollista tilatiheyspiikkien energiavälin ollessa AE » квТ [5]. K vantti pi stelaseri n karakteris­

tinen lämpötila lähestyy siis teoriassa äärettömyyttä ja lasereita joiden To = 385 K on jo valmistettu [7].

2.3 Puolijohteiden epitaktinen valmistus

Epitaktisessa kasvussa alustakiteen hilarakenne kopioituu kasvatettavaan puoli­

johde kerrokseen. Kasvuprosessi on hallittavissa erittäin tarkasti ja pienien kasvunopeuksien ansiosta voidaan kerrospaksuudet määrittää atomi kerroksien tarkkuudella ja rajapinnoista voidaan valmistaa teräviä ja hyvälaatuisia. Yleisimpiä

epitaktisia valmistusmenetelmiä ovat molekyyli suihkuepi taksi a (engl. MBE, Molecular Beam Epitaxy) sekä metallo-orgaaninen kaasufaasiepitaksia (engl.

MOVPE, Metal Organic Vapour Phase Epitaxy). Molemmat valmistusmenetelmät soveltuvat erinomaisesti kidevirheettömien nanorakenteiden valmistukseen. Muita epitaktisia menetelmiä ovat esim. atomikerrosepitaksia (engl. ALE, Atomic Layer Epitaxy) ja kaasufaasiepitaksia (engl. VPE, Vapour Phase Epitaxy). Jälkimmäiset menetelmät ovat kuitenkin selvästi MBE:a ja MOVPE:a heikompia rajapintojen epätarkkuuden ja kerrospaksuuden vaihtelujen estäessä mm. superhilarakenteiden valmistamisen. Kaasufaasiepitaksia ei myöskään sovellu alumiinipitoisien kerrosten kasvatukseen [8].

Epitaktinen kasvu voi tunnetusti tapahtua kolmessa eri moodissa riippuen kasvatettavista materiaaleista sekä olosuhteista, missä kasvu tapahtuu. Kasvumoodit eroavat toisistaan kasvavan kerroksen dimensioiden mukaisesti.

c) Volmer - Weber

b) Stranski - Krastanow

Kuva 2. Epitaksiaaliset kasvutavat.

Frank-Van der Merwe -kasvumoodissa (FM) epikerros kasvaa kaksidimensioisesti substraatin päälle kopioiden edellisen atomikerroksen rakenteen (kuva 2a). Tässä kasvutavassa epikerros kasvaa atomikerros kerrallaan ja atomit/molekyylit tarttuvat askelman reunaan eivätkä satunnaisesti alustan pinnalle. Stranski-Krastanow -kasvumoodissa (SK) epitaktinen kasvu tapahtuu aluksi kaksiulotteisena kastumiskerroksena (engl. WL, Wetting Layer) kunnes jännitysenergia kasvaa riittävän suureksi ja suurin osa materiaalista järjestäytyy uudelleen kolmiulotteisiin saarekkeisiin muuttaen jännitystä huomattavasti (kuva 2b). SK-moodin mukaista

kasvua tarkastellaan seuraavassa kappaleessa tarkemmin. Volmer-Weber -kasvumoodissa (VW) saarekkeet alkavat kasvaa suoraan alustan päälle, eikä kaksidimensioista kerrosta muodostu lainkaan (kuva 2c). VW-kasvumoodi esiintyy ainoastaan, jos kasvavan epikerroksen hilavakio poikkeaa aluskerroksen hilavakiosta merkittävästi.

2.3.1 Kvanttipisteiden itseorganisoituva kasvu

Koherentti Stranski-Krastanow -kasvumoodi eli kvanttipisteiden itseorganisoituva kasvu soveltuu hyvin mm. In(Ga)As/GaAs saarekkeiden kasvatukseen. Koherentin SK-kasvumoodin edellytyksenä on, että saarekemateriaalin määrä pidetään alhaisena, jotta saarekkeet eivät ole alttiita dislokaatioiden muodostumiselle.

Tarkastellaan seuraavassa kaksiulotteisen FW- ja koherentin SK-morfologian kokonaisenergiaa epikerroksen paksuuden funktiona. Molemmissa tapauksissa kasvu alkaa kaksiulotteisena muodostaen täydellisen kastumiskerroksen alustakiteelle. Epikerroksen ja alustakiteen pintaenergioiden muuttuessa pienenee systeemin kokonaisenergia ensimmäisen atomi kerroksen kasvun ajan. Tämän jälkeen tasaisessa jännityksessä olevan epikerroksen elastinen energia kasvaa

lineaarisesti atomikerroksien funktiona [9]

f A a)2

E el ~£ At, (7)

missä E on kimmovakio, A alustakiteen pinta-ala ja t epikerroksen paksuus atomikerroksina. Jos FM-kasvumoodi on hallitseva, kasvaa tasaisesti jännittynyt epikerros kaksiulotteisena kunnes saavutetaan kriittinen paksuus hc (kaava 5), jolloin jännitysenergia pienenee dislokaatioiden aiheuttaman relaksaation kautta.

Toisaalta systeemi saattaa siirtyä SK-moodiin, jos kastumiskerroksen kriittinen paksuus hwi eli kerrospaksuus saarekkeiden muodostumisen alkamiselle on pienempi kuin dislokaatioiden muodostumisen kriittinen paksuus hc. SK-kasvumoodissa systeemin pintaenergia kasvaa saarekkeiden lisäämän pinta-alan johdosta, mutta kaksiulotteisen kasvun hallitseva elastinen energia on ohueksi jääneen kastumiskerroksen vuoksi huomattavasti pienempi, jolloin systeemin kokonais­

energia on alhaisempi kuin FM-kasvumoodissa.

Tarkasteltaessa tarkemmin kasvun muuttumista kaksiulotteisesta kolmiulotteiseen voidaan yleensä erottaa kolme eri vaihetta (kuva 3) [9]: Stabiili ja metastabiili kaksiulotteinen kasvu (1), tiivistymiskeskusten ja saarekkeiden muodostuminen (2) sekä saarekkeiden kehittymisaika (engl. ripening period) (3).

Kasvatusaika

Kuva 3. Kokonaisenergian kehittyminen siirryttäessä kaksiulotteisesta kasvusta kolmiulotteiseen SK-moodiin.

Aluksi muodostuu siis täydellinen vähintään yhden atomi kerroksen paksuinen kastumiskerros, jonka jälkeen jännitys kasvaa lineaarisesti (kaava 7). Kasvavan epikerroksen saavutettua kastumiskerroksen kriittisen paksuuden hwi muuttuu stabiili kaksiulotteinen kasvu metastabiiliksi. Tässä metastabiilissa vaiheessa muodostuvaa kerrosta kutsutaan superkriitti seksi kastumiskerrokseksi ja muutos SK- kasvumoodiin on mahdollinen. Siirryttäessä vaiheeseen 2 muodostuu tiivistymiskeskuksia, joiden syntyteoriaa ei tarkasti tunneta. Systeemin kokonaisenergian saavuttaessa maksimiarvonsa Emax jännitetyn kaksiulotteisen kerroksen energia saavuttaa kaksi-kolmiulotteisen siirtymäenergian EA:n ja tiivistymiskeskuksien määri itämiin paikkoihin alkaa muodostua saarekkeita.

Maksimaalisen saareketiheyden määräävät siis hyvin lyhyellä aikavälillä syntyvät tiivistymiskeskukset. Tiivistymiskeskuksien tiheyden oletetaan riippuvan eksponentiaalisesti lämpötilan käänteisarvosta ja lineaarisesti ylimääräisen liikkuvan materiaalin tiheydestä kasvupinnalla. Kokeellisesti on havaittu saareketiheyden kasvavan käytettäessä alhaisempaa lämpötilaa [10] ja suurempaa vapaan materiaalin määrää suurentamalla kasvunopeutta tai kerrospaksuutta [11]. Syntyneet saarekkeet alkavat kerätä materiaalia ympärillään olevasta superkriittisestä kastumiskerroksesta energian minimoimiseksi. Saarekkeiden kasvua vie eteenpäin pyrkimys

saarekkeiden huipulla lähes nollassa olevaan j änni tysenergi aan. Saarekkeiden reunoilla jännitysenergia sen sijaan saavuttaa lokaalisen maksimin alustakiteen aiheuttaman puristusjännityksen vuoksi. Reunoilla oleva jännitysenergia vuorostaan ajaa materiaalia pois suurten saarekkeiden ympäristöstä lähemmäksi pienempiä saarekkeita. Juuri nämä kaksi, vastakkaisesti vaikuttavaa jännitysenergiaa, mahdollistavat erittäin homogeenisten saarekkeiden muodostumisen koherentissa SK-moodissa. Toisaalta materiaalin diffuusion tiedetään olevan vahvasti lämpötilasta riippuvaa, mikä aiheuttaa saarekkeiden nopeamman ja suuri- kokoisemman kasvun korkeammissa lämpötiloissa [10]. Kuvan 3 vaiheessa 3 saarekkeet ovat jo muodostuneet täysin ja superkriittisessä kastumiskerroksessa ollut materiaali on kasaantunut saarekkeisiin. Pieniä materiaalisiirtymiä johtuen saarekkeiden kokoerosta saattaa tapahtua systeemin hakeutuessa tasapainoon.

2.3.2 Kvanttipisteiden kerroskasvatus

Pinoamalla kvanttipisteitä pystysuunnassa päällekkäin voidaan kvanttipisteiden ominaisuuksia parantaa. Vertikaalisesti kytketyillä kvanttipisteillä (engl. VECQDs, Vertically Coupled Quantum Dots) voidaan mm. pienentää kvanttipistelaserin kynnysvirtaa 7,/, ja parantaa differentiaalista hyötysuhdetta Tjdiffi 12].

Saarekkeiden kriittisen paksuuden ylittävän In(Ga)As-kerroksen kasvattaminen GaAs-kerrokselle muodostaa pyramidin muotoisia In(Ga)As-saarekkeita ja kastumiskerroksen (kuva 4a) [13]. GaAs:n lisääminen edelleen tämän kerroksen päälle on In(Ga)As-saarekkeiden luoman epähomogeenisen jännityskentän vaikutuksen alainen. Saarekekerroksen peittävä GaAs-kerros kasvaakin ensin energeettisesti edullisemman In(Ga)As-kastumiskerroksen päälle. Saarekkeiden läheisyydessä GaAs-kerroksen kasvu on hidasta ja saarekkeista poispäin kaarteutuvaa (kuva 4b). GaAs-kerroksen kasvattaminen edelleen pienentää epähomogeenisuutta ja kerroksen kasvu muuttuu kaksiulotteiseksi peittäen myös saarekkeet. Jos GaAs-kerroksen kasvu sen sijaan lopetetaan ennen saarekkeiden peittymistä ja uuden In(Ga)As-saarekekerroksen kasvattaminen aloitetaan, siirtyy indiumatomeja In(Ga)As-saarekkeiden huipuilta GaAs-kerroksen pinnalle (kuva 4c).

Tämä johtuu indiumatomien termodynaamisesta taipumuksesta erkaantua In(Ga)As- saarekkeista ja kulkeutua GaAs-kerroksen pinnalle [14]. Koska toinen kastumis- kerros muodostuu prosessissa vain osittain, pääsee galliumatomeja vastaavasti

kulkeutumaan saarekkeiden päälle muodostaen saarekkeet peittävän GaAs- kerroksen. Kerroksissa saatetaan havaita pienimuotoisia taipumia saarekkeiden kohdalla (kuva 4d) [15].

c) d)

Kuva 4. In(Ga)As/GaAs kvanttipistekerrosrakenteen muodostuminen: a) In(Ga)As- kastumiskerroksen (WL) ja saarekkeiden (QD) muodostuminen, b) GaAs-kerroksen kasvu epähomogeenisen jännityksen vallitessa, c) Indiumatomien kulkeutuminen GaAs- kerroksen päälle, d) Toisen saarekekerroksen ja peittävän GaAs-kerroksen kasvu.

3 Puolijohdelaser

Puolijohdelaser rakentuu pääasiallisesti p-i-n diodista. Seostamaton alue, josta laserin yhteydessä yleensä käytetään nimitystä aktiivinen alue, sijaitsee n-tyyppisen ja p-tyyppisen alueen välissä (kuva 1). Kun rakenteen yli kytketään myötä- suuntainen jännite n-tyyppisen materiaalin johtavuusvyöllä olevat elektronit ja p- tyyppisen materiaalin valenssivyöllä olevat aukot injektoituvat aktiiviseen alueeseen ja rekombinoituvat lähettämällä emissiosäteilyä.

3.1 Populaatioinversio

Yksinkertainen malli kuvata elektroneiden ja aukkojen käyttäytymistä aktiivisessa alueessa on kaksi energiatilaa omaava atomi (kuva 5). Termisessä tasapainossa suurin osa elektroneista on perustilalla energiassa E¡ ja vain joitakin viritetyllä tilalla energiassa £2- Atomien jakauma kahden eri tilan välillä noudattaa Boltzmannin jakaumaa

Ei Nx

e-hvl2/kBT

(8)

missä hv 12 = E2- E] = AE, kB on Boltzmannin vakio ja N2 sekä N1 ovat vastaavasti elektronitiheydet ylemmällä ja alemmalla energiatilalla. Fotoni, jonka energia on AE, voi absorboitua virittämällä elektronin tilalta E¡ tilalle E2 (kuva 5a) tai aiheuttaa vastakkaisen tapahtuman eli elektronin siirtymisen tilalta E2 tilalle E¡. Jälkimmäistä tapahtumaa kutsutaan stimuloiduksi emissioksi ja sen yhteydessä vapautuu toinen fotoni, jonka taajuus, vaihe ja suunta ovat identtisiä tapahtuman aiheuttaneen fotonin kanssa (kuva 5b). Jos elektroni sen sijaan siirtyy tilalta E2 tilalle E¡ ilman ulkoisen fotonin vuorovaikutusta, kutsutaan tapahtumaa spontaaniksi emissioksi (kuva 5c).

Tässä prosessissa syntyneellä fotonilla on sama taajuus V/2, mutta sen suunta ja vaihe ovat satunnaisia. Jotta stimuloitu emissio dominoisi spontaania emissiota, voidaan Einsteinin relaation ja Boltzmannin statistiikan avulla osoittaa tarvittavaksi ehdoksi N2 > N¡. Tämä ehto tunnetaan yleisesti nimellä populaatioinversio.

abc

Kuva 5. Fotonin a) absorptio, b) stimuloitu emissio, c) spontaani emissio kahden tilan atomimallissa.

3.1.1 Populaatioinversio puolijohteissa

Puolijohteessa populaatioinversiota tarkastellaan elektronien, aukkojen ja vyöteoreeman avulla. Lasertoiminnan mahdollistamiseksi täytyy johtavuus vyöllä olla virittyneitä elektroneja. Tällöin elektronien kvasifermitaso E fr, eli energiataso johon saakka elektronitilat Fermin ja Diracin jakauman mukaisesti epätasa­

painotilassa ovat täyttyneet, sijaitsee johtavuusvyön sisässä. Vastaavasti aukkojen kvasifermitaso Ejp sijaitsee valenssivyön sisässä (kuva 6).

Kuva 6. Kvasifermitasojen sijainti ja mahdolliset absorptiotransitiot puolijohteessa.

Nyt absorboituvan fotonin energian ЛЕ täytyy olla suurempi kuin Efr - Ejp, sillä energi a-aukkoa Eg vastaavat tilat ovat jo täynnä. Sen sijaan Eg: a suuremman, mutta Eftl-Ejj}:a pienemmän energian omaava fotoni, voi aiheuttaa stimuloidun emission.

Edelleen voidaan laskea fotoneiden absorptionopeus rabs [2]

<•* = (9)

ja stimuloidun emission nopeus rs,

(10)

-I, =4-/,(e,))/.(£,№„(£),

missä P on siirtymän todennäköisyys, NP(E) on fotoneiden tiheys ja f(E) energiatilan miehitystodennäköisyys. Jotta optinen vahvistus tapahtuisi, täytyy stimuloidun emissionopeuden rst olla absorptionopeutta rabs suurempi. Tämä voidaan kaavojen 9 ja 10 avulla kirjoittaa muotoon /,/£2) > fP(E¡), mikä tunnetaan populaatio- inversioehtona puolijohteille. Huomioimalla elektroneille ja aukoille Termin ja Diracin jakauman mukaiset funktiot

/„.,(£) = ⁱ___

E~Efn.Jp (11)

l + e квТ

voidaan populaatioinversioehto kirjoittaa muotoon Eß- Ejp> E. Populaatioinversio voidaan luoda esim. optisesti pumppaamalla tai vähemmistövarauksenkuljettajien injektiolla myötäsuuntaisesti jännitetyssä pn-liitoksessa.

3.2 Kvanttipistelaser

Varauksenkuljettajien liikkeen rajoittamisen nollaulottuvuuteen ja tilatiheyden deltafunktio verrannollisuuden aiheuttaman spektraalisen rajoituksen oletetaan johtavan kvanttipistelaserissa kaksiulotteista kvanttikaivolaseria parempiin ominaisuuksiin. Kvantittumisen useammassa ulottuvuudessa oletetaan mm.

pienentävän kynnysvirrantiheyttä, mahdollistavan korkeamman modulointi- taajuuden, kaventavan sähkömagneettisen säteilyn spektraalista viivanleveyttä ja vähentävän komponentin taajuuden vaellusta. Lisäksi se saattaa mahdollistaa polarisaation kontrolloinnin ja komponenttien valmistamisen heikommin valon kanssa vuorovaikuttaville alustakiteille kuten Si ja Ge [16].

Kvanttipistelaserin valmistus vaatii kuitenkin tiukkoja rajoituksia: Nanorakenteiden keskenäisen kokovaihtelun tulee olla pientä sen mahdollistaessa deltafunktiomaiset tilatiheydet. Varauksenkuljettajien termisten siirtymien välttämiseksi alivöiden energiatilojen välillä tulisi korkeampien energiatilojen sijaita riittävän kaukana toisistaan. Ahtilojen väliseksi etäisyydeksi saadaan vähintään квТ, kun saarekkeen koko U [16]

I ЪП2п2

\ 2kBm*T ⁽¹²⁾

Tässä m* on varauksenkuljettajan efektiivinen massa. Huoneenlämpötilassa tästä saadaan laskettua saarekkeen maksimikooksi noin 15 nm.

3.2.1 Energiatilat ja kynny svirta

Kvantittuneiden tilojen energiat voidaan ratkaista Schrödingerin yhtälöstä yksinkertaisimmin olettamalla saarekkeet laatikoiksi ja niitä ympäröivät vallit äärettömän korkeaksi. Varauksenkuljettajien aaltofunktio on muotoa

¥(r) = «(7¥(r), (13)

missä u(r) on Blochin ehdot toteuttava funktio ja i/z(r) verhokäyrä. y/(r) on ajasta- riippumattoman Schrödingerin yhtälön ratkaisu

h2

2 m V +V(r) Ij/(r) - Ey/(r). (14)

Tässä V(r) on johtavuus vyön potentiaali ja E varauksenkuljettajan ominaisenergia.

Elektronin tai aukon ominaisenergiaksi voidaan nyt Schrödingerin yhtälöstä (14) laskea

h2n2 2 m

l m n

■ + —T- + 2 Л

(15) V * > 1 )

Tässä Lx, Ly ja Lz ovat potentiaalilaatikon dimensiot x-, y- ja z-suunnassa ja /, m ja n vastaavasti energiatasojen kvantti luvut.

Kynnys virralla tarkoitetaan sitä injektiovirtaa, jolla stimuloitua emissiota alkaa esiintyä. Kynnysehdon mukaisesti valoaallon täytyy vahvistua sen kulkiessa edestakaisin laserin peilipintojen välissä. Kynnysvahvistus g,h liittyy kaviteetti- häviöihin acav seuraavasti

^ 1.1 Tglh - arnv - a, + — In---

'* ' 2 L КЛ12 (16)

missä Fgth on modaalinen vahvistus, a, häviötekijät aktiivisella alueella, L kävi teetin pituus ja R¡2 peilipintojen heijastuskertoimet. Lineaarisessa vahvistusmallissa vahvistuskertoimen riippuvuus varauksenkuljettajatiheydestä N on [17]

g(N) = g'(N-Nlr). (17)

Tässä g’ on differentiaalinen vahvistuskerroin ja N,r on ns. kynnyskonsentraatio eli varauksenkuljettajatiheys, kun vahvistus kompensoi kaviteetin häviöt. Sijoittamalla

yhtälöt 16 ja 17 diodin virtayhtälöön I = eVN/zc, missä V on aktiivisen alueen tilavuus ja zc varauksen elinaika saadaan kynnysvirta /,/,

4

ry = 4 + L (18)

Yhtälöstä 18 nähdään sekä pieni aktiivisen alueen tilavuus että muita ehtoja alhaisen kynnys virran aikaansaamiseksi: Varauksien elinajan zc täytyy olla riittävän pitkä eli säteilemättömiä siirtymiä tulisi esiintyä vähän. Kaviteettihäviöt acav tulisi minimoida esim. korkean heijastuskertoimen omaavilla peileillä tai optimaalisen pituisella kaviteetilla. Lisäksi optisen moodin sidonnan Г aktiiviseen alueeseen tulisi olla suuri. Nanorakenteiden heikkoutena saattaa olla rakenteen läpi kulkevat vuotovirrat.

Varaukset saattavat päästä kulkeutumaan saarekkeiden väliin jäävästä tilasta aktiivisen alueen lävitse.

3.2.2 Kvanttipistelasertutkimus

Itseorganisoituvaan SK-morfologiaan perustuva InGaAs/GaAs-kvanttipistelaser esitettiin 1994 [18], 32 vuotta ensimmäisen puolijohdelaserin valmistamisen jälkeen.

Komponentin aktiivinen alue koostui yhdestä Ino.sGao.sAs-saarekekerroksesta.

MBE-laitteella kasvatettujen saarekkeiden keskimääräinen koko vaihteli välillä 10- 30 nm. Laserointi tapahtui 1 цт:п aallonpituudella ja kynnysvirrantiheydeksi mitattiin 120 A/cm2 ja 950 A/cm2 lämpötilan ollessa vastaavasti 77 K ja 295 K.

MBE-laitteistolla valmistettuja kvanttipistelasereita on demonstroitu useita pääasiallisesti InGaAs- tai InAs-saarekkeisiin perustuvia [19, 20, 21, 22]. Hyviä tuloksia on saavutettu InAs-saarekkeilla, joiden jännitystä on pienennetty päälle kasvatetulla InGaAs-kerroksella [19, 20]. Vastaavalla menetelmällä on pystytty valmistamaan kvanttipistelaser tietoliikennesovelluksissa käytettävälle 1.3 pm:n aallonpituudelle [21]. MBE-laitteistolla kasvatettujen kvanttipi stelasereiden raportoidut kynnysvirrantiheydet ovat noin 100 A/cm2 huoneenlämpötilassa.

Lasereiden kaviteetin pituudet ovat yleensä 0,9 - 2 mm ja kävi teetin päädyissä on korkean heijasiavuuden (90 - 95 %) peilit. Molekyylisuihkuepitaksialla kasvatettu­

jen näytteiden saareketiheydet ovat yleensä noin 4xl010 l/cm2.

Myös MOVPE-laitteistolla valmistetuista InAs-saarekkeista, joiden päälle on kasvatettu ohut paksuudeltaan noin nanometrin InGaAs-kerros, on raportoitu

lasertuloksia [23]. Kvanttipistelasereiden aktiivinen alue rakentuu yleensä yksi tai kolmikerroksisesta saarekerakenteesta. Kerrosrakenteella saavutetaan kapeampi fotoluminesenssiemission puoliarvonleveys ja suurempi intensiteetti [24].

Huoneenlämpötilassa on MOVPE-laitteistolla valmistetuista kolmikerroksisista InAs/GaAs-kvanttipistelasereista mitattu kynnysvirrantiheydeksi hieman yli 200 A/cm2 ja matalassa 100 K:n lämpötilassa noin 13-22 A/cm2 [24, 25]. MOVPE- laitteistolla valmistettujen InGaAs-saarekkeisiin perustuvien lasereiden kynnysvirrat ovat yleensä suurempia lähes 1 k A/cm2 ja laserointi tapahtuu noin 1 pm:n aallonpituudella [26, 7].

4 MOVPE

Metallo-orgaanisesta kaasufaasiepitaksiasta käytetään asiayhteydestä riippuen useita eri nimityksiä. Yleisessä käytössä olevia nimityksiä ovat mm. OMVPE (engl.

Organometallic Vapour-Phase Epitaxy), MOCVD (engl. Metal Organic Chemical Vapour Deposition) tai näitä vastaavat MOVPE ja OMCVD. Suomenkielessä käytettävä MOVPE-nimitys kuitenkin viittaa lähimmin yksikiteiseen kasvuun ja on puhekielessä helposti käytettävissä. MOVPE-tutkimus käynnistyi 60-luvun loppupuolella ja kehittyi kohtalaisen hitaasti prosessiyhtälöiden monimutkaisuuden ja lähtöaineiden heikon laadun takia. MOVPEdla voidaan kuitenkin nykyään valmistaa lähes kaikkia III-IV- ja II-VI-puolijohdeyhdisteitä. Menetelmä soveltuu sarjatuotantoon ja kasvatusprosessit ovat hyvin muunneltavissa verrattaessa MBE- tekniikkaan. Toisaalta MOVPErn lähdeaineiden hinnat ovat korkeita ja optimoitavien kasvuparametrien määrä on suuri.

MOVPErn kasvuprosessi jaetaan tavallisesti kahteen alueeseen:

Termodynamiikkaan ja kinetiikkaan. Termodynaaminen tasapaino on kasvuprosessia koossa pitävä voima ja kinetiikka määrää tapahtuvien prosessien nopeudet. Kasvuprosessin onkin todettu noudattavan normaaleissa kasvatuslämpötiloissa (550 - 750 °C) kasvunopeuden riippumattomuutta lämpö­

tilasta ja kidesuunnista, mutta lisääntyvän kaasuvirtauksien kasvaessa [8].

4.1 Laitteisto

MOVPE-laite koostuu kaasujärjestelmästä ja reaktorista (kuva 7), missä itse kasvuprosessi tapahtuu. Kaasujärjestelmä koostuu siirto-, huuhtelu- ja hukkalinjasta.

Huuhtelu- ja hukkalinjassa on jatkuva typpivirtaus, mutta siirtolinjassa lähdeaineiden kantajakaasuna käytetään palladiumkalvolla puhdistettua teollisuus- vetyä. Lähtöaineen säiliön läpi viilaavaan vetyyn saturoituu lähdemateriaalin molekyylejä ja muuttamalla säiliön läpi viilaavan vedyn määrää, voidaan lähteestä saatavan materiaalin määrää hallitusti muuttaa. Vedyn virtauksia ohjataan kasvatuksien aikana tietokoneen ohjaamilla massavirtasäätimillä (MVS) ja elektronisilla paineensäätimillä. Normaalilinjassa on yksi massavirtasäädin lähde- säiliön tulolinjassa ja elektroninen paineensäädin ulostulolinjassa. Lähteille, joita

tarvitaan reaktorissa erittäin pieniä ainemääriä tai halutaan säätää laajalla alalla, käytetään kaksinkertaista laimennuslinjaa. Kaksinkertaisessa laimennuslinjassa tulolinja vastaa normaalilinjaa, mutta ulostulolinjaan voidaan lisätä vetyä, jolloin vedyn ja organometallin seos laimenee. Lisäksi siirtolinjaan menevää virtausta ohjataan massavirtasäätimellä ja hukkalinjaan yhdistetyllä paineensäätimellä pidetään ainoastaan lähdesäiliön paine vakiona.

Lähdesäiliöt sijaitsevat etyyliglykolikylvyissä, joiden lämpötilaa voidaan säätää välillä -20 - +30 °C. Lähtöaineen lämpötilansäätö mahdollistaa sen eksponentiaali­

sesti lämpötilasta riippuvan höyrynpaineen рмугу säätämisen ja stabiloinnin.

Ph,oyryj = I0a"ii/r' (19)

Tässä a ja b ovat materiaalikohtaisia vakioita ja T lähteenlämpötila. Lähteen läpi virrannut vety ohjataan aluksi reaktorin ohittavaan huuhtelulinjaan, jotta virtauksen konsentraatio saadaan tasaiseksi. Itse reaktoriin lähtöaineet johdetaan kahta erillistä kokoomalinjaa pitkin, joista toinen on HI-ryhmän aineille ja toinen V-ryhmän aineille. Kokoomalinjat yhdistyvät juuri ennen reaktoria, jotta lähtöaineet eivät ehdi reagoida keskenään ennenaikaisesti. Yleensä kasvatuksen aikana käytettävien lähtöaineiden virtaukset pidetään kytkettyinä koko kasvatuksen ajan. Lähtöaine tosin ohjataan vain tarvittaessa reaktoriin ja sen annetaan muuten virrata huuhtelulinjaan.

Tietokone ohjaa myös huuhtelulinjan ja kokoomalinjojen paineita pitäen niiden kokonaispaineet jatkuvasti vakioina. Huuhtelulinjaan ohjatut hajoamattomat lähtöaineet ajautuvat 350 °C:iin pyroluusiuuneihin, missä organometalliset yhdisteet hajoavat kuten reaktorissa. Tämän jälkeen reaktorista pois virtaavat ja pyroluusiuuneista tulevat kaasut ohjataan hiukkassuodattimen läpi aktiivihiili- kennoon, joka suodattaa organometallisten yhdisteiden hajoamistuotteet.

Kokoomalinjoista lähdeaineet ohjataan kvartsilasiseen reaktorikammioon, missä alustakide on asetettuna 2,2 x 2,5 cm2 kokoiselle grafiitti alustalle. Reaktorin alapuolelle on sijoitettu halogeenilamppu, jolla lämmitetään grafiittialustaa, josta lämpö siirtyy alustakiteeseen. Grafiittialustan sisäpuolella on kvartsilasiputken sisässä lämpötila-anturi. Myös lämpötilaa säädetään tietokoneen välityksellä.

kokoomalinjat reaktoriovi alustakide

huuhtelulinja

grafii ttialusta ñ U lamppu

kaasunpuhdistus- laitteeseen

TB As TMGa TMIn TMA1 DEZn SiH Kuva 7. MOVPE-laitteen kaaviokuva.

Käytetyissä lämpötiloissa täytyy kuitenkin huomioida alustakiteen yläpuolisen pinnan, jolla kasvu tapahtuu, erilainen lämpötila grafiittialustan suhteen. Tämä lämpötilaero riippuu esim. käytettävän alustakiteen seostustasosta, mutta yleisesti sen on havaittu olevan noin 40 - 50 °C. Ladattaessa näytettä reaktoriin kytketään osaan siirtolinjaa vetyvirtauksen tilalle typpivirtaus. Näytteet viedään reaktoriin hansikaslokeron kautta, jossa vallitsee typpikehä reaktorin puhtauden ja kuivuuden säilyttämiseksi.

Tässä työssä kasvatettujen kerrosten lähdeaineina käytetyt organometallit ovat trimetyyligallium (TMGa), trimetyyli-indium (TMIn), tertiääributyyliarsiini (ТВAs) ja trimetyylialumiini (TM AI). Näistä ainoastaan TMIn-lähde on kytketty normaali linjaan muiden lähteiden ollessa kytketty kaksinkertaisen laimennuksen linjaan. Seostusaineina käytettiin di etyyli sinkkiä (DEZn) ja kaasumaista, vedyllä pitoisuuteen 1000 ppm laimennettua silaania (SÍH4). Organometallien ominaisuudet ovat esillä taulukossa 1.

TMIn ollessa kiinteä lähdeaine, sen lävitse tulevan virtauksen konsentraatio vaihtelee. Tämän vuoksi lähteestä tulevaan linjaan on kytketty EPISON-mittari, joka mittaa indiumin höyrynpainetta ja pitää indium virtauksen vakiona ohjaamalla massavirtasäädintä.

Taulukko 1. Kasvatuksissa käytettyjen organometallien ominaisuuksia [27] sekä kunkin lähteen käyttölämpötila T, kaavasta (19) laskettu lähteenpaine plähde ja kaavasta (22) aineen moolimäärä tilavuutta kohden v„y. TMAl ollessa dimeeri täytyy v,u kertoa kahdella.

Lähde Rakenne Sulamis­

piste (°C)

a b

(K) T (°C)

Plähde (tort)

v,ii (pmol/

cm3)

TMGa (CH3)3Ga -15,8 8,50 1824 -10 37,1 2,26

TMIn (CH3)3In 89 10,52 3014 20 LI 0,06

ТВ As (CH3)3CAsH2 -1 7,24 1509 10 82 4,65

TMAl (CH3)3A1 15,4 8,22 2135 20 8,74 0,478 (x2)

DEZn (C2H5)2Zn -28 7,76 1850 -20 L74 0,106

4.2 Kasvuprosessi

MOVPE-kasvatuksien lämpötilat pyrittiin valikoimaan siten, että kaikki lähtöaineet hajoaisivat täydellisesti reaktorissa ja kasvunopeus olisi riippumaton lämpötilan vaihteluista. Lämpötilan lisäksi lähtöaineiden pyrolyysiin vaikuttavat mm.

virtausnopeudet, reaktorin kokonaispaino ja materiaalien yhteisvaikutus. Kaasun virtausnopeudella on suurin vaikutus TMAl:n hajoamisreaktioon sen ollessa käytetyistä lähtöaineista hitain reagoimaan. TMAl on kaasumaisena dimeeri eli yhdiste, missä kaksi molekyyliä on liittynyt yhteen. Tämä täytyy huomioida myös alumiinin ainemääriä laskettaessa. Alumiini reagoi herkästi hapen ja hiilen kanssa muodostaen vahvoja sidoksia näiden kanssa [8]. Varsinkin hapen tiedetään muodostavan erityisesti matalassa kasvatuslämpötilassa syviä tiloja. Syvä tila mahdollistaa elektronin siirtymisen vöiden sisäpuolelle aiheuttaen johtavuuden pienenemistä ja toimien säteilemättömänä keskuksena.

Yksinkertaisessa rajakerrosmallissa oletetaan kaikkien kaasufaasin ja kiinteän faasin rajapinnalle saapuneiden III-ryhmän materiaalien absorboituvan pintaan.

Lähtöaineen osapaine reaktorissa määräytyy metallo-orgaanisen aineen höyryn- paineesta Pi,höyry lähteen lämpötilassa, lähtöaineen paineesta lähtöainesäiliössä pi,lähde,

reaktorin kokonaispaineesta preakton, lähteen läpi kulkevasta vetyvirtauksesta F¡ ja kokonaisvirtauksesta Ftot

Pi Preaktori

F,o,

P i,höyry Pi, lähde

(20)

GaAs-pohjaisia yhdisteitä valmistettaessa ТВ As nopeuttaa ja vaikuttaa muutenkin TMGa:n pyrolyysiin, mutta päinvastainen vaikutus on vähäistä. Tämän vuoksi V- ryhmän lähtöaineiden osapaine pidetäänkin huomattavasti III-ryhmän lähtöaineiden osapainetta suurempana. Näin ollen voidaan olettaa että V-ryhmän lähtöaineita on reaktorissa aina riittävästi ja III-ryhmän lähtöaineet määräävät kasvunopeuden.

Puolijohdekerroksen kasvunopeus voidaan tällöin laskea kaavasta

rs = CJ—-— S Puu ■ (21)

V

missä C on verrannollisuuskerroin, v kaasun nopeus reaktorissa, preaktori reaktorin paineja ^plUi III-ryhmän alkuaineiden osapaineiden summa.

i

Yleensä kasvunopeus lasketaan yksiköissä [pm / mol], jolloin laskemalla metallo- orgaanisen aineen i mooli määrä tilavuutta kohden v„y

_ Phöyry,i

m RT

saadaan kasvunopeudelle yksinkertainen kaava rg= 0,545^,,/]..

(22)

(23) Näissä R = 8,31 J/molK on moolinen kaasuvakio, T¡ lähteen lämpötila ja F¡ lähteen läpi kulkeva vety virtaus, joka määritellään myös kasvatusta ohjaavaan tietokoneohj el maan.

V- ja III -ryhmän lähtöaineiden osapaineiden suhde eli V/III-suhde Ry/in määritellään yhtälöllä

(24) Pui

missä Zpv on V-ryhmän aineiden ja Ърщ III-ryhmän aineiden osapaineiden summa.

5 Mittalaitteistot

MO VPE-kasvatettuj a peitettyjä saarekenäytteitä tutkittiin fotoluminesenssi- mittauksilla ja puolijohdelaserin pn-liitoksen valmistamiseksi kasvatettuja seostusnäytteitä karakterisoitiin Hallin mittauksien avulla. Prosessoituja lasersiruja tutkittiin virta-jännitemittauksilla ja elektroluminesenssispektrimittauksilla.

5.1 Foto- ja elektroluminesenssi

Tässä työssä kasvatettuja saarekenäytteitä tutkittiin pääasiassa fotoluminesenssi- (engl. PL, Photoluminescence) mittauksilla (kuva 8). Mittaukset tehtiin Optoelektroniikan laboratorion laitteistolla. PL-mittauksissa näytettä viritetään yleensä laservalolla. Jotta laservalo voisi virittää elektronin valenssivyöltä johtavuusvyölle, täytyy säteilyn aallonpituuden olla pienempi kuin tutkittavan rakenteen emittoiman säteilyn. Toisaalta lasersäteilyn absorptio päällimmäisiin kerroksiin ei saa olla liian suuri, jotta saarekekerroksen varauskuljettajat virittyvät.

Laservalo ohjataan katkojan läpi ja kohdistetaan linssillä kryostaatissa noin 10 K:n lämpötilassa sijaitsevaan näytteeseen. Näytteestä luminoiva valo johdetaan kohdistavien linssien ja laserin aallonpituudet poistavien ylipäästösuotimien sekä tarvittaessa vaimentavien linssien läpi monokromaattoriin. Monokromaattorin ohjaus on toteutettu tietokoneohjatulla askelmoottorilla, joka kääntää hilaa minimissään 0,04 Å:n aallonpituusresoluutiolla. Monokromaattorista säteily ohjataan edelleen detektorille. Detektorin signaali vahvistetaan vaihelukitulla vahvistimella, jolle referenssitaajuus saadaan katkojalta. Tulokset analysoidaan tietokoneella, joka ohjaa monokromaattoria ja on yhdistetty vaihelukittuun vahvistimeen A/D-muuntimen kautta.

Fotoluminesenssimittauksia varten kasvatettuja näytteitä, joissa ei ole AlGaAs- kerroksia, viritetään Coherent Innova 70-4 -argonionilaserilla. Laserin aallonpituus yksimuotopeilillä on noin 488 nm. Puolijohdelaser kasvatuksien fotoluminesenssin mittaamisessa käytetään virittävänä valona titaanisafiirilaseria käyttäen valon aallonpituutena 800 nm. Tällöin laservalokvantin energia ei riitä virittämään AlGaAs-kerroksessa varauksenkuljettajia johtavuusvyölle ja syntynyt luminesenssi muodostuu pääasiallisesti saarekekerroksista. Työssä käytetyn Alo.zsGaojsAsm

energia-aukon suuruudeksi huoneenlämpötilassa voidaan kappaleessa 2.1 esitetyn kaavan (2) avulla laskea noin Eg = 1,7 eV, mikä vastaa noin 730 nm:n aallonpituutta.

Viritysteho työssä käytetyille kvanttipistenäytteille on 0,1 - 10 mW.

peili

katkoja monokromaattori

vaihelukittu vahvistin

Z]

näytepala kryostaatissa

Kuva 8. Fotoluminesenssilaitteiston periaatekaavio.

Näyte jäähdytetään matalaan, alle 10 K:n, lämpötilaan suljetun kierron CTI Janis kryostaatissa. Näyte kiinnitetään hopealiimalla kryostaatin kylmäsormen päässä olevaan kupariseen telineeseen. Detektorina mittauksissa käytetään North Coast Scientificdn nestetypellä jäähdytettyä Ge-detektoria. Tässä työssä luminesenssi- säteilyä mitataan aallonpituuksilla 800 - 1300 nm.

Elektroluminesenssimittaukset vastaavat fotoluminesenssimittauksia läheisesti, mutta elektroluminesenssissä näytettä viritetään sähköisesti valon sijasta. Näin ollen EL-mi ttausj ärj estel yt vastasivat kuvassa 8 esitettyä PL-mittausjärjestelmää ilman virittävää laseria ja siihen liittyvää optiikkaa. Puolijohdelaserissa tapahtuu säteilevien siirtymien lisäksi runsaasti säteilemättömiä siirtymiä. Näiden siirtymien energia vapautuu pääasiallisesti lämpönä laserrakenteen sisäpuolella. Pulssittamalla

lasersiruun syötettävää virtaa voidaan lämpenemisen vaikutuksia vähentää ilman että pulssittamisesta olisi erityistä haittaa komponentin toiminnalle. Pulssigeneraattorina käytetään Philips PM 5712:ta. Pulssigeneraattorin ttl-ulostulosta saadut 30 ns:n pituiset, 1 ms:n välein toistuvat pulssit vahvistetaan transistorivahvistimella.

Vahvistimen aiheuttaessa venymää pulssien pituuteen ovat lopulliset lasersiruun syötettävät pulssit noin 300 ns:n pituisia. Pulssin amplitudia säädetään muuttamalla transistorivahvistimen käyttöjännitettä. Kryostaatti on varustettu virransyötöllä ulkopuolelta, joten lasersiruille voi suorittaa mittauksia huoneenlämpötilassa sekä kryostaatissa jäähdytettynä. Vaihelukitun vahvistimen referenssitaajuus voidaan ottaa suoraan pulssigeneraattorilta tai monokromaattorin eteen voidaan asettaa erillinen katkoja.

5.2 Virta-jännitemittaus

Ennen EL-spektrin mittausta lasersiruista mitataan virta-jännitekäyrä pn-liitoksen ja metallikontaktien toiminnan varmistamiseksi. Diodikäyrästä voidaan laskea lasersirun sarjaresistanssi Rs, kynnysjännite V, ja määrittää estosuuntainen jännitteen kesto. Virta-jännitemittaukset tehdään pulssigeneraattorilla, jolla lasersiruun johdetaan noin 300 Hz taajuista amplitudiltaan pientä sahalaitapulssia.

Jännitelähteen signaali kytketään oskilloskoopin vaaka-akselille ja lasersirun kanssa sarjassa olevan 100 Q vastuksen yli oleva jännite pystyakselille. Näin ollen pystyakselilta voidaan lukea sirun läpi kulkeva virta I = V/Rs. Kynnysjännitettä suuremmilla arvoilla voidaan laskea lasersirun metalloinneista ja pn-liitoksesta syntyvä sarjaresistanssi kulmakertoimen käänteisarvona Rs = l/k = AV/AI. Datan keräämisessä ja analysoimisessa käytetään A/D-muuntimen kautta mittaus­

järjestelmään kytkettyä tietokonetta.

5.3 Seostusmittaukset

Seostuksen tarkoituksena on lisätä vapaiden varauksenkuljettajien tiheyttä puolijohteessa. Seostamisessa puolijohteen atomeja korvataan epäpuhtausatomeilla eli seostusatomeilla. Esimerkiksi GaAs:n yhteydessä piiatomi ottaa hilarakenteessa galliumatomin paikan. Piiatomin neljästä valenssielektronista ainoastaan kolme tarvitaan muodostamaan kovalenttiset sidokset naapuriatomien kanssa. Näin ollen rakenteeseen jää yksi heikosti sitoutunut elektroni, joka vapautuu helposti varauksenkulj ettaj aksi. Tälläistä seostusatomia, joka luovuttaa varauksen-

kuljettajaksi elektronin kutsutaan donoriksi ja vastaavasti seostusatomia, joka vastaanottaa rakenteesta elektronin eli muodostaa aukon, kutsutaan akseptoriksi.

5.3.1 Hallin mittauksen teoria

Hallin ilmiössä magneettikenttä indusoi sähkökentän puolijohteeseen, jossa kulkee sähkövirta. Asetettaessa puolijohde, jossa varaukset liikkuvat nopeudella v, magneettikenttään, jonka vuontiheys on B, kohdistuu varauksiin Lorentzin voima

F = q(E + vxB), (25)

missä E on varauksenkuljettajiin vaikuttava sähkökenttä ja q alkeisvaraus.

Kokeellisesti suoritettavat mittaukset perustuvat van der Pauwin menetelmään.

Vuonna 1958 L. J. van der Pauw esitti menetelmän mielivaltaisen muotoisen tasapaksun levyn johtavuuden mittaamiseksi [28]. Menetelmä olettaa että näyte on tasapaksu, pinta on yhtenäinen, näyte on kontaktoitu neljästä eri pisteestä ja kontaktit ovat pistemäisiä. Van der Pauw osoitti, että

nRAB.Cpd ПКве.РА^

e p +e p =1, (26)

missä don näytteen paksuus ja esim. Rab,cd=Vcd/Iab kytkennän vastatessa kuvassa 9 esitettyä.

Kuva 9. Van der Pauwin mittaus geometria Hallin mittauksia varten

Jotta saataisiin ratkaistua Hallin jännite ja siitä edelleen varauksenkuljettatiheydet, mitataan jännite Vcd neljässä eri tapauksessa:

1. Mitataan jännite Vcd,иkun virta kulkee pisteestä A pisteeseen В 2. Mitataan jännite Vcd,2^. kun virta kulkee pisteestä В pisteeseen A Käännetään magneettikentän suunta päinvastoin

3. Mitataan jännite Vcd,3,kun virta kulkee pisteestä В pisteeseen A 4. Mitataan jännite Vcd,г,kun virta kulkee pisteestä A pisteeseen В

(27) Hallin jännitteeksi Vh saadaan mittauksien keskiarvona

y _y + y _y

y _ VC£>,1 ' CD,2 ^{~ yCD,3 VCD,4}

" ™ 4

Hallin jännitteen etumerkistä nähdään varauksenkuljettajatyyppi. Jos jännite on positiivinen, toimivat elektronit varauksenkuljettajina, ja vastaavasti, jos jännite on negatiivinen ovat aukot varauksenkuljettajina.

Sijoittamalla Lorentzin voiman yhtälö yleiseen liikeyhtälöön ja jakamalla liikeyhtälö nopeuden komponentteihin voidaan Hallin vakiolle RH= Vnd/IB johtaa kaava [29]

RH=±—, (28)

ne

missä n on varauksenkuljettajatiheys. Mittaamalla kaavassa (27) oleva Hallin jännite saadaan varauksenkuljettajatiheys laskettua kaavasta

n =---.IB

edVH (29)

Hallin liikkuvuus /л määritellään kaavalla

fi = (30)

5.3.2 Näytteiden kontaktointi ja Hallin laitteisto

Hallin mittaukset suoritettiin tietokoneeseen kytketyllä mittalaitteistolla.

Mittalaitteen sähkömagneettia ohjataan manuaalisesti ja järjestelmä laskee mittaustulosten perusteella varauksenkuljettajien tyypin, konsentraation, liikkuvuu­

den ja Hallin vakion. Magneettikentän voimakkuutta voidaan säätää välillä 0 - 1 T.

Työssä valmistettuihin GaAs-pohjaisiin seostusnäytteisiin kontaktit tehdään indiumista tai indiumsinkkiseoksesta. N-tyyppiseen näytteeseen ohminen kontakti voidaan tehdä indiumista eikä kontaktia ole välttämätöntä lämpökäsitellä. P- tyyppiseen näytteeseen indiumin joukkoon sekoitetaan joitakin prosentteja sinkkiä.

Indiumsinkkiseos valmistettiin uunissa sulattamalla indiumia ja sinkkiä astiassa johon lisättiin aktivaattoriainetta. Sinkkiä sulatettiin indiumin joukkoon 10 painoprosenttia, mutta lopullinen sinkkipitoisuus jäi alle 10 % osan sinkistä kasaantuessa reuna-alueille. Indiumsinkkikontaktit täytyy lämpökäsitellä ohmisen kontaktin aikaansaamiseksi. Sinkin tiedetään diffusoituvan helposti, joten lämpökäsittelyä ei saa tehdä liian korkeassa lämpötilassa eikä sen kesto saa olla liian

pitkä. Aluksi seostusnäytteistä lohkotaan timanttileikkurin avulla reuna-alueet pois ja noin 0,5 - 0,8 cm2 kokoiset palat puhdistetaan suolahappoliuoksessa, isopropanolissa ja vesihuuhtelussa sekä lopuksi pinta kuivataan typpipuhalluksella.

Myös kontaktipalloista poistetaan natiivioksidi suolahappoliuoksessa ja vesi- huuhtelussa. Kontaktit lämpökäsiteltiin pienissä kvartsikupu uuneissa, joissa näytteen alla olevaa siltaa lämmitetään resistiivisesti. Silta lämmitettiin rauhallisesti noin 200 °C lämpötilaan, mistä tehtiin nopea lämmitys hieman yli 300 °C lämpötilaan.

Hallin mittalaitteessa näytteiden kontakteihin painetaan metalliset piikit, jotka samalla pitävät näytteen paikallaan. Näytekotelo kiinnitetään sähkömagneetin väliin.

Ensin tietokoneohjelma ajaa ohmitest -nimisen ohjelman, joka tarkistaa kontaktien välisen resistanssin ohmisen kontaktin varmistamiseksi. Tämän jälkeen suoritetaan van der Pauwin mittaukset jokaisen kontaktin suhteen. Mittauksia voi suorittaa eri virran arvoilla.

6 Laserrakenteen kerroksien optimointi

Puolijohdelaser rakentuu pääasiallisesti aktiivisesta alueesta ja aaltojohteesta. Tässä diplomityössä oli tarkoituksena valmistaa vahvistusohjattu (engl. gain guided) puolijohdelaser, jonka aktiivinen alue koostuu kvanttipi sterakenteesta.

Vahvistusohjatussa puolijohdelaserissa aktiivisen alueen rajoittaminen lasersirun sivusuunnassa toteutetaan valmistamalla eristäviä rakenteita. Näiden avulla rajoitetaan virrankulku ja optisen kentän vahvistuminen tietyn levyiselle alueelle.

Käytännössä tämä toteutetaan kasvattamalla laserrakenteen päälle eristävä piidioksidi- tai piinitridikerros, johon litografian ja märkäetsauksen avulla avataan nauhamaisia rakenteita. Tälläistä laserrakennetta nimitetään nauhalaseriksi, sillä rakenteeseen ohjattava sähkövirta pääsee injektoitumaan ainoastaan kapeasta urasta.

Nauhan leveyttä muuttamalla voidaan säädellä vahvistuksen jakaumaa aktiivisessa kerroksessa ja kontrolloida poikittaisten moodien lukumäärää.

Laserrakenteen kerroksien optimointi jakaantuu kahteen eri osaan: Aktiivisen kerroksen rakenteen optimointiin, jossa fotoluminesenssimittauksien ja atomivoimamikroskooppikuvien avulla yritetään maksimoida keskenään homogeenisten saarekkeiden tiheys sekä näistä luminoivan säteilyn intensiteetti.

Aktiivisen kerroksen optimointia tarkastellaan kappaleessa 7. Toinen optimoitava rakenne on aaltojohteen ja pn-liitoksen ominaisuudet.

6.1 Aaltojohderakenne

Aaltojohderakenteen tarkoituksena on rajoittaa optinen kenttä mahdollisemman tehokkaasti aktiiviseen alueeseen. Kuvassa 10b on esitetty Karri Variksen diplomityössään [30] kirjoittamalla ohjelmalla mallitettu aaltojohderakenne.

Kuvassa 10a esitetään yksinkertaistettu rakenne työssä käytetylle laserrakenteelle.

Rakenne koostuu ylä- ja alapinnalla olevista GaAs-kontaktikerroksista, noin 1,4 p.m:n paksuisista Alo.2sGao.75As-aaltojohdekerroksista ja keskellä rakennetta sijaitsevasta 0,2 pm:n paksuisesta GaAs:sta koostuvasta aktiivisesta alueesta.

Kuvassa 10b on kuvan 10a rakenteelle mallitettu optisen moodin jakauma pystysuunnassa. Kuvan ylälaitaan on merkitty taitekerroin profiili siten, että d - 0 vastaa lasersirun yläpintaa ja keskikohdassa nähdään pääasiallisesti GaAs:sta

koostuvan aktiivisen alueen taitekertoimen kasvu. Kuvasta nähdään optisen kentän sidonnan aktiiviseen kerrokseen olevan kohtalaisen heikkoa johtuen aktiivisen kerroksen kapeudesta ja GaAs/AlGaAs-kerroksien välisestä kohtalaisen pienestä taitekerroinerosta. Optisen moodin hännän nähdään kuitenkin vaimentuvan ennen kontaktikerroksia, jolloin häiritseviä heijastumia reuna-alueilta ei pitäisi päästä syntymään.

' GaAs 200nm

3.0

•AlGaAs 1400nm 2.5

2.0

■ GaAs 200nm [ i O'6 m]

■AlGaAs 1400nm

• GaAs alustakide

0 b)

Kuva 10. a) Yksinkertaistettu laserrakenne, jossa aktiivista kerrosta mallitetaan GaAs:lia. Kerroksien paksuudet on merkitty kuvaan, b) Mallitettu pystysuuntainen optisen kentän sidonta kuvassa (a) esitetylle rakenteelle. GaAs:n taitekertoimena oli mallituksessa n = 3,4 ja AlGaAsdle n = 3,25.

Simulaatioissa todettiin rakenteessa ainoastaan yksi todellinen moodi, joka siis on kuvassa 10b esitetty. Moodin efektiiviseksi taitekertoimeksi mallituksessa saatiin neff = 3,297.

6.2 Pn-liitos

Pn-liitoksen valmistamiseksi täytyy aktiivisen alueen ulkopuolisia kerroksia seostaa varauksenkuljettajatiheyden kasvattamiseksi. Seostuksien määrittämiseksi kasvatet­

tiin MOVPE-laitteella seostusnäytesarja, jonka ominaisuudet karakterisoitiin luvussa 5.2 esitetyillä Hallin mittauksilla

\-- "{ - ->'-•- - Jl J

...

■КШ

ægs

a) Mielivaltainen asteikko

6.2.1 MOVPE-kasvatuksen vaiheet

Diplomityössä valmistetut näytteet kasvatettiin TKK:n Optoelektroniikan laboratorion MOVPE-reaktorilla. MOVPE-laitteen on valmistanut Thomas Swan -yhtymä ja se on otettu käyttöön Optoelektroniikan laboratoriossa vuonna 1993.

MOVPE-laite on sijoitettu TKK:n Mikroelektroniikkakeskuksen ylläpitämään puhdastilaan.

Kasvatuksissa alustakiteenä käytettiin American Xtal Technologyn valmistamia GaAs-kiekkoja. Halkaisijaltaan 5 cm oleva kiekko on toiselta puolelta kiillotettu ja sen pintataso on mahdollisimman tarkasti (100). Aluksi 450 pm:n paksuinen kiekko lohkottiin sopivan kokoisiin palasiin tekemällä timanttikynällä lohkaisukohdan reunaan parin millimetrin mittainen viilto kiillotetulle puolelle. Tämän jälkeen lohkaistut alustat puhdistettiin pilkkomisen aikana syntyneestä pölystä ja irtoliasta seuraavasti:

1. Asetoni ultraäänialtaassa 2 min.

2. Isopropanoli ultraäänialtaassa 2 min.

3. Virtaava deionisoitu vesi 5 min.

4. Kuivaus typpipistoolilla

Puhdistuksen jälkeen alustat vietiin latauskammion kautta MOVPE:n typpikaasulla täytettyyn hansikaslokeroon, josta näytteet erikseen jokaisen kasvatuksen alussa ladataan itse kasvatusreaktoriin. Kasvatuksen aluksi reaktoriin annetaan virrata muutaman minuutin ajan vetyä, jonka jälkeen reaktoriin pumpataan tyhjiö epäpuhtauksien poistamiseksi sekä mahdollisen vuodon havaitsemiseksi. Vielä ennen kasvatusta tarkastetaan reaktorin läpivirranneen vedyn kastepiste kosteuden tarkistamiseksi. Esitöiden jälkeen MOVPE kytketään tietokoneohjaukselle, mikä ohjaa virtauksia paineilmaohjattujen venttiilien ja massavirtasäätimien avulla. Ennen varsinaisten epitaksiakerrosten kasvatusta reaktori lämmitettiin 700 °C:een 5 minuutin ajaksi natiivioksidikerroksen poistamiseksi alustaki teen pinnalta.

Reaktorin saavuttaessa 400 °C:een lämpötilan kytkettiin reaktoriin TBAs-virtaus suojakaasuksi. TBAs-virtaus katkaistiin kasvatuksen lopuksi reaktorin alittaessa 350 °C lämpötilan.

Kasvatusohjelmat on kirjoitettu £/?ztor-nimisellä tietokoneohjelmalla, jossa määritellään linjastojen kokonaisvirtaukset, jokaisen lähdeaineen virtauksen suuruus ja ohjaus joko reaktori- tai huuhtelulinjaan. Lisäksi määritellään kunkin rivin tapahtumankesto ja kasvatuslämpötila. MOVPE-laitteen reaktorin seinämiin tarttuu kasvatuksessa käytettäviä yhdisteitä, joten reaktori joudutaan pesemään kasvatussarjojen välillä. Kvartsilasisen reaktorin pesussa reunoille tarttuneet yhdisteet etsataan pois kuningasvedellä ЗНС1:1Ш\Юз. Reaktoriovi, joka on valmistettu teräksestä etsataan puhtaaksi lHFilHNC^lEbO etsillä. Molemmat osat huuhdellaan deionisoidulla vedellä ja kuivataan typpipuhalluksella.

Optoelektroniikan MOVPE-laitteeseen vaihdettiin alkuvuodesta 1999 uudet lähdeaineet, sillä edelliset lähdeaineet olivat vanhentuneet. Tämä aiheutti muutoksia aikaisemmin kasvatettuihin näytteisiin verrattuna uusien lähdeaineiden sisältäessä mm. huomattavasti vähemmän happea.

6.2.2 Seostusnäytteet

Seostusnäytteissä käytetään seostamattomia alustakiteitä Hallin mittauksien mahdollistamiseksi. Tässä työssä seostettavia yhdistepuolijohdekerroksia ovat GaAs ja Alo.25Gao.75As. Molempia yhdisteitä tarvitaan sekä n-tyyppisenä että p-tyyppisenä.

N-tyypin seostukseen käytetään vedyllä pitoisuuteen 1000 ppm laimennettua SiH4- kaasua. SitLrlähteen sijaitessa puhdastilan alapuolella olevassa teknisessä tilassa juoksutettiin SiHt-virtausta manuaalisesti MOVPE-laitteen hukkalinjaan vähintään tunnin ajan ennen kasvatuksen aloittamista. Alustakiteen päälle kasvatettiin 1 pm:n paksuinen GaAs- tai Alo.zsGaojsAs-kerros. P-tyyppisessä seostuksessa käytettiin DEZn-lähtöainetta. Myös tässä tapauksessa kasvatettiin vastaavasti 1 pm:n paksuinen GaAs- tai Alo.zsGaojsAs-kerros seostamattoman alustakiteen päälle.

Näytteiden mittauksien vaiheet on esitetty kappaleessa 5.2. Alla olevissa taulukoissa 2 ja 3 esitetään n-ja p-tyyppisten näytteiden Hallin mittauksista saadut tulokset sekä näytteiden kasvatuksessa käytetyt parametrit. Mittauksissa oli magneettikentän vuontiheytenä В = 0,5 T ja virtana / = 50 ja 500 jaA mittaustuloksien tarkenta­

miseksi.