Полупроводниковые материалы (стр. 3 из 6)

Примеси элементов VI группы - S, Se, Те - располагаются в узлах Bv и играют роль доноров.

Более сложным характером отличается поведение примесей элементов IV группы. Поскольку в этом случае при замещении атомов одной из двух подрешеток имеется избыток или недостаток лишь одного валентного электрона, то атомы примесей IV группы могут замещать как узлы АIII, так и Bv, проявляя при этом донорные или акцепторные свойства соответственно. Замещение должно сопровождаться наименьшей деформацией кристаллической решетки. Поэтому критерием донорного или акцепторного действия примесей может служить соответствие размеров замещающего и замещаемого атомов.

В большинстве случаев атомы примесей элементов IV группы локализуются в одной из подрешеток. Например, в InSb кремний и германий замещают только атомы Sb и являются акцепторами, а в InAs замещают In и являются донорами. Однако в некоторых соединениях наблюдается амфотерное поведение этих примесей. Так, в GaAs и GaP наблюдается парное вхождение атомов Si и Ge в кристаллическую решетку. В зависимости от степени легирования, температуры и состава кристаллизационной среды имеет место преимущественное вхождение этих примесей в ту или иную подрешетку.

Примеси элементов III-й и V-й подгрупп обычно замещают соответственно атомы АIIIи ВV в решетке соединения, образуя нейтральные центры. Растворимость этих элементов велика и удается получать кристаллы твердых растворов во всем диапазоне концентрации.

Примеси элементов переходной группы - Fe, Co, Ni - создают в полупроводниках АIIIВV глубокие энергетические уровни и являются рекомбинационными ловушками. Легирование GaAs железом или хромом используется для получения кристаллов с высоким удельным сопротивление (до 107 Ом*м). Такой материал называется полуизолирующим (ПАГ).

Особенностью процесса диффузии в полупроводниках АIIIВV является его зависимость от давления паров летучего компонента Bv, которое определяет дефекты структуры. Диффузию проводят в запаянной ампуле. Доноры в соединениях АIIIВV характеризуются крайне низкими значениями коэффициентов диффузии. Поэтому необходимы высокие температуры и большое время диффузии. Это приводит к эрозии поверхности.

На практике при формировании р-n-структур используется лишь диффузия Zn, который является акцепторной примесью и обладает высокой растворимостью. Чтобы уменьшить концентрацию акцепторов на поверхности, диффузию Zn в GaAs часто проводят через тонкий слой SiO2, наносимый на поверхность пластин.

В технологии ИС на GaAs введение примесей осуществляется методом ионной имплантации.

2.5 Излучательная рекомбинация

Ценным свойством многих соединений А В является высокая эффективность излучательной рекомбинации неравновесных носителей заряда. Для генерации излучения в видимой области спектра необходимо ΔЕ0 > 1,7 эВ. Из соединений АIIIВV, освоенных с технологическом отношении, этому условию удовлетворяют GaP и GaN. Для генерации излучения в ИК - области спектра необходимы меньшее значение ΔЕ0. К числу подходящих материалов относится GaAs (Δ Е0 = 1,43 эВ).

Излучение фотонов в GaAs происходит в результате прямой межзонной рекомбинации электронов и дырок. Эффективная люминесценция в GaN и GaP возникает лишь при введении специальных примесей. Так, при легировании GaN цинком в зависимости от концентрации последнего можно получить излучение в желтой, зеленой или голубой областях спектра.

В GaP интенсивная люминесценция обусловлена рекомбинацией с участием изоэлектронных ловушек. Роль таких ловушек играют атомы N или нейтральные комплексы Zn - О. Изоэлектронные ловушки азота вызывают люминесценцию GaP в зеленой области спектра, а комплексы Zn - О ответственны за красное излучение.

2.6 3акоиомерности изменения свойств в зависимости от состава

Твердые растворы позволяют существенно расширить по сравнению с элементарными полупроводниками и полупроводниковыми соединениями набор электрофизических свойств.

Среди полупроводников типа АIIIВV распространены твердые растворы замещения. Необходимыми условиями образования твердых растворов является кристаллохимическое подобие кристаллических решеток соединений компонентов и близость их периодов идентичности.

Наиболее хорошо изучены тройные твердые растворы, в которых замещение происходит лишь по узлам одной из подрешеток бинарного соединения (металлической или металлоидной). Состав таких твердых растворов характеризуют символами AxB1.xC и АСyД1-y , где А и В - элементы III группы, а С и Д — элементы V группы. В формуле AxB1-xC индекс х обозначает мольную долю соединения АВ в твердом растворе. Если твердые растворы существуют во всем диапазоне концентраций, то х можно изменять от 0 до 1.

Как и в бинарных соединения АIIIВV, в твердых растворах не наблюдается существенных отклонений от стехиометрии, поэтому они просты по механизму легирования. Теми же методами, что и в бинарных соединениях, в них могут быть получены p-n-переходы

Особый интерес к твердым растворам обусловлен возможностью плавного управления ΔЕ0 полупроводников путем изменения их компонентного состава. Как видно из рис 2.1, зависимость ΔЕ0 от состава в некоторых системах твердых растворов (GaxIn1-xAs; InPyAs1-y) очень близка к линейной, но может отличаться от нее, обнаруживая экстремум или излом при определенном соотношении компонентов. Конкретный характер зависимости определяется типом зонной структуры соединений - партнеров, т.е. положением энергетических долин в пространстве импульсов: изломы, как правило, наблюдаются в системах твердых растворов, в которых бинарные соединения имеют зонные структуры различных типов.

Подвижность носителей заряда у твердых растворов ограничивается теми же факторами, что и в бинарных соединения.

Изменение ΔЕ0 у твердых растворов сопровождается смещением спектров оптического поглощения и пропускания, люминесценции и фоточувствителькости. В ряде систем при определенном соотношении между компонентами можно получить качественно новые сочетания свойств. Так, в твердых растворах GaAs1-yPy и А1xGa1-xAs (с х и у порядка 0,3...0,4) сочетается достаточно широкая запрещенная зона (ΔЕ0>1,7 эВ) с высоким квантовым выходом межзонной излучательной рекомбинации. Такие материалы используются для создания электролюминесцентных источников красного свечения (светодиодов и лазеров). Твердые растворы GaxIn1-xP с х=0,5...0,7 обладают эффективной электролюминесценцией в желто-зеленой области спектра.

Рис. 2.1

Получение однородных твердых растворов заданного состава представляет трудную технологическую задачу. Методами кристаллизации из расплава удается получить лишь однородные поликристаллические слитки. Монокристаллические слои твердых растворов, используемых в приборных структурах, получают исключительно методами эпитаксии. Эпитаксию твердых растворов GaAS1-yPy осуществляют на подложках GaAs или GaP из ПГФ. Наиболее совершенные эпитаксиальные слои AlxGa1-xAs, AlxGa1-xSb, GaxIn1-xAs, GaxIn1-xP получают методом ЖФЭ с использованием Ga или In в качестве растворителя.

2.7 Изопериодные гетероструктуры

Твердые растворы открывают широкие возможности создания гетеропереходов и приборов на их основе. Гетеропереход - контакт двух полупроводников с различной ΔЕо. Для получения гетеропереходов со свойствами идеального контакта необходимо выполнить ряд условий совместимости материалов по механическим, кристаллохимическим и термическим свойствам. Решающим критерием при выборе материалов контактной пары является соответствие периодов их кристаллических решеток и ТКЛР. Особенность электрических свойств гетеропереходов заключается в преимущественной инжекции носителей заряда из широкозонного полупроводника в узкозонный.

Если компоненты гетеропары обладают взаимной растворимостью во всем интервале концентраций, то появляется уникальная возможность создавать гетеропереходы между химическим соединением АС и твердым раствором на его основе - AxB1-xС. Это обстоятельство позволяет плавно изменять свойства материалов на контактной границе, что важно при изготовлении ряда приборов оптоэлектроники - гетеролазеров, светодиодов и быстродействующих фотоприемников (источников и приемников излучения).

Среди полупроводников типа АIIIВV наилучшими парами для создания идеальных гетеропереходов являются системы GaAs - AlxGa1-xAs и GaSb - AlxGa1.xSb. Преимущества указанных гетеропар заключаются в том, что период решетки в твердых растворах слабо зависит от состава и близок к периоду решетки бинарного соединения (соответственно, GaAs и GaSb).

В качестве примера можно рассмотреть схему лазера с двойной гетероструктурой (рис. 2.2). Область рекомбинации носителей заряда и светового излучения сосредоточены в среднем узкозонном активном слое
(p-GaAs), заключенном между двумя широкозонными эмиттерами
(AlxGa1-xAs). При подаче прямого напряжения в такой

структуре имеет место двухсторонняя инжекция носителей заряда в активный слой. Благодаря эффективному возбуждению удается достигнуть высокого квантового выхода люминесценции и снизить пороговую плотность тока, требуемую для генерации когерентного излучения. Снижение порогового тока увеличивает срок службы приборов и позволяет осуществить непрерывный режим генерации при Т=300 К, который не удается реализовать в инжекционных лазерах на гомогенных структурах с р-n-переходом.

При использовании четырехкомпонентных твердых растворов типа AxB1-xCyD1-y возникают дополнительные степени свободы для варьирования параметрами сопрягаемых материалов. Наиболее интересными и изученными являются твердые растворы GaxIn1-xAs1-yPy , в которых имеет место замещение по обеим подрешеткам при сохранении общей стехиометрии, т.е. равенство суммарных количеств атомов металла и металлоида. В качестве исходных компонентов такого твердого раствора можно рассматривать четыре бинарных соединения: GaP, InP, GaAs, InAs.