ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕДИОДЫ

GaAs,—*Р. у р—п-СТРУКТУРЫ

Арсенид — фосфид галлия — важнейший материал оптоэлектроники. Из-за удачного сочетания электролю - минесцентных свойств (высокой яркости и однородно­сти), высокого качества поверхности (пригоден для осу­ществления планарных процессов) и технологичности ме­тода получения (высокопроизводительная газовая эпитаксия) этот материал стал одним-из основных для промышленного производства светг щодных индикато­ров различного назначения. Особег о следует отметить, что СаАзо. бРои прямого состава из а высокого коэффи­циента поглощения излучения пс лужил основой для массового производства высококон растных монолитных индикаторов для приборов точного времени, микрокаль­куляторов и т. п.

В качестве подложки для эпитаксиального наращи­вания GaAso,6Po,4 используют пластины GaAs, ориенти­рованные в плоскости (100) с разориентацией около 2° в направлении [110]. Поскольку существует различие в ковалентных радиусах замещаемых атомов и несоответ­ствие параметров кристаллической решетки твердого ра­створа GaAso,6Po,4 и подложки GaAs, то для уменьшения возникающих в процессе эпитаксиального наращивания механических напряжений, сведения к минимуму плот­ности дислокаций несоответствия и прогиба структуры необходимо последовательно наращивать эпитаксиаль­ные слои со строго заданным составом и определенной толщиной.

К 1970 г. была разработана хлоридно-гидридная тех­нология, обеспечившая высокопроизводительное изготов­ление совершенных эпитаксиальных слоев GaAsi-хРж [12 и др.] Эта технология имеет следующие достоинст­ва: а) • позволяет применять ультрачистые исходные реа­генты (AsH3, РН3, НС1 и Ga); б) обеспечивает высокую

управляемость условиями роста и составом наращива­емого соединения в связи с химической инертностью га­зообразных соединений элементов V группы по отноше­нию к Ga; в) позволяет просто и эффективно легировать наращиваемый слой посредством введения в паровую фазу гидридов Se, S или диэтилтеллура; г) характеризу­ется сравнительной простотой технологического обору, дования, что обусловлено однородностью используемых газовых компонентов и наличием только двух темпера­турных зон в реакторе.

Синтез твердого раствора осуществляется в кварцевом реак­торе. Хлористый водород в смеси с водородом подается в резер­вуар с металлическим Ga, находящимся в высокотемпературной зо­не (775—800 °С):

Ga (ж) + НС1 (г) GaCl (г) + 1/2Н2 (г).

Смесь GaCl—НС1—Н2 разбавляется водородом и переносится в зону осаждения, смешиваясь по пути с вводимым независимо по­током газов, содержащим As, Р и легирующую примесь, которые образовались при пиролизе исходных арсина AsH3, фосфина РН3 и, например, H2Se в атмосфере водорода:

4AsH3 ^ As4 + 6Н2; 4РН3 ^ Р4 + 6Н2; H2Se ^iSe + Н2.

В зоне осаждения (760—800 °С) GaCl диспропорционирует:

1 /2Н2 + GaCl + As* + Р4-- GaASl_* Рх + НС1,

4 4

и образовавшееся соединение GaA^i-sP* осаждается в виде моно - кристаллического слоя на подложках GaAs. Состав соединения со­ответствует соотношению компонентов V группы, поступающих в зону осаждения.

Устройство структуры прямого состава GaAso,6Po,4 на подложке GaAs представлено на рис. 3.16, а. Очень важный вопрос — выбор толщины переходного слоя и слоя постоянного состава, так как от этого существенно зависит эффективность свечения, прогиб структур и дру­гие характеристики. В результате исследования [69] ус­тановлено, что для изготовления высокоэффективных светоизлучающих диодов необходим материал с переход­ным слоем 50—60 мкм. Однако с учетом себестоимости структур наиболее рациональной толщиной слоя пере­менного состава признана толщина около 30 мкм, а для слоя постоянного состава—7—10 мкм. При этом поверх­ностная концентрация дефектов не должна превышать (1—2)-105 см-2.

/7+-GqAs

подложка

Концентрация носите­лей в слое постоянного состава влияет на эффек­тивность свечения. Опти­мальная концентрация [69] при легировании Те должна находиться в пре­делах (5—6) ■ 1016— (5—- 7)-1017 см-3. При повы­шении концентрации теллура выше ука­занного интервала ин­тенсивность излучения снижается вследствие образова­ния преципитатов. Легирование до концентраций, лежа­щих в нижней половине указанного интервала (6-1016— 1,5-1017 см-3), полезно для индикаторов, работающих при низкой плотности тока (3 А/см2).

Экспериментально установлено, что оптимальный со­став твердого раствора в слое постоянного состава соот­ветствует д:=0,37—0,41 [69]. Для снижения брака на технологических операциях изготовления индикаторов величина прогиба структур не должна превышать 35 мкм.

В 1971 г. был обнаружен эффект увеличения эффек­тивности излучения GaAsi-xP.-e в области непрямых со­ставов (при х^0,65) в результате легирования структу­ры N [16]. На основе этого эффекта разработаны све­тоизлучающие структуры с оранжевым и желтым све­чением из GaAsi-jcP*: N, выращенного на подложке GaP. Структуры содержат переходную область от GaP до со­става GaAs0,i5Po,85 (желтое свечение) и GaAs0,35Po,65 (оранжевое свечение). Слой постоянного состава толщи­ной 30—60 мкм легирован Те до концентрации электро­нов 5-Ю16—3-Ю17 см-3. Верхняя часть этого слоя Тол­щиной около 10 мкм легирована N до концентрации (1—2) ■ 1018 см-3 (см. рис.

В результате больших усилий по совершенствованию технологии выращивания значительно повышена эффек. тивность непрямозонных структур [70]. Удельная яр. кость в желтой области спектра достигла 500 кд-м~2у ХА_1-см2, в оранжевой — 650. кд • м~2 • А-1 • см2 (изчеД ния при плотности тока 10 А/см2).

В рамках рассмотренной хлоридно-гидридной техно­логии выращиваются также эпитаксиальные структуры фосфида галлия, позволяющие получить зеленое свече­ние [71]. Максимальный внешний квантовый выход зе­леного излучения при использовании таких структур со­ставил 0,12% при плотности тока 10 А/см2 (для диода в полимерной герметизации).

Таким образом, на основе единой газо-эпитаксналь- ной технологии выращивания твердого раствора GaAsj-кРж возможно изготовление структур различного цвета свечения в диапазоне от красного до зеленого. Для обеспечения качественного и воспроизводимого производ­ства структур GaAsi-aPjc разработано специальное авто­матизированное оборудование.

Электронно-дырочный переход в структурах GaAsi-xP* создается посредством диффузии Zn из газо­вой фазы. При разработке оптимальной технологии соз­дания диффузионного р—n-перехода в GaAsi-xP* были использованы полученные ранее результаты исследова­ния диффузии Zn в ряде бинарных соединений типа AniBv.

Как показало исследование процесса диффузии Zhb GaAs и GaP [72, 73], для него характерны следующие основные черты: а) кривые проникновения Zn аномаль­ны и делятся на два участка: примыкающий к поверхно­сти р+-слой с концентрацией дырок не менее 3- 10,э см-3 и внутренний участок, приближенно описываемый функ­цией ошибок; при низких температурах диффузии по­верхностный р+-слой не образуется; б) растворимость Zn носит ретроградный характер и имеет максимальное значение около 4-Ю20 см-3 при температуре 1200ЭС; ра­створимость цинка при 800°С — около 3-1019 см-3; в) по­верхностная концентрация цинка, коэффициент диффу­зии, плоскостность фронта диффузии существенно зави­сят от давления паров летучего компонента соединения (As — в случае GaAs, Р — в случае GaP), а также от давления паров Zn.

Увеличение противодавления летучего компонента понижает скорость диффузии Zn, увеличивает конценграцию Zn в диффузионном слое и на поверхности, а также делает плоским фронт диффузии. Увеличение дав­ления паров Zn приводит к повышению концентрации дырок в диффузионном слое и поверхностной концен - траиии.

Как установлено исследованиями Б. И. Болтакса и др., вышеуказанные особенности диффузии цинка в сое­динениях типа АШВУ объясняются диссоциативным ха­рактером проникновения цинка. Цинк в решетке соеди­нения находится в двух основных состояниях — в виде отрицательно (однократно) заряженных акцепторных атомов, замещающих вакансии в Ga-подрешетке, и в ви­де положительно (двукратно) заряженных междоузоль­ных ионов. Ионы замещения определяют концентрацию дырок, а междоузельные' ионы влияют на кинетику диф­фузионного легирования, так как скорость диффузии их велика. Противодавление летучего компонента (As или Р) влияет на концентрацию вакансий в решетке и, тем самым, на характер диффузии примеси. При увеличении давления возрастает концентрация вакансии Ga, что при­водит к увеличению доли диффузионного потока заме­щения и, тем самым, к повышению концентрации дырок и плоскостности фронта диффузии.

Как показано выше, диффузионный слой часто состо­ит из двух слоев: р+-слоя и р-слоя. В связи с высокой концентрацией примеси р+-слой является дефектным, поэтому рекомбинация в нем, в основном, безызлуча- тельная. Это необходимо учитывать при конструирова­нии диффузионных светоизлучающих диодов.

При определении оптимального технологического ре­жима получения излучающего диффузионного р — п-пе - рехода в твердом растворе GaAsi-жР* основными вопро­сами были: а) обеспечение плоского фронта диффузии;

б) воспроизводимое получение необходимой глубины за­легания р — n-перехода; в) обеспечение такой концентра­ции дырок в p-области, которая способствовала бы мак­симальной эффективности излучательной рекомбинации и минимальному поглощению излучения; г) сохранение излучательных характеристик эпитаксиального слоя.

По данным работы [74], оптимальная поверхностная концентрация цинка в случае GaAso, ePo,4 составляет (2—4)-1019см_3, а толщина диффузионного р-слоя —

2— 3 мкм. При указанной поверхностной концентрации Цинка дефектный р+-слой практически не образуется, Что способствует повышению Эффективности излучатель - ной рекомбинации и снижению поглощения генерируй мого света. В то же время эта концентрация достаток на для создания низкоомных омических контактов при использовании такого технологичного материала, как А1.

Для проведения диффузионного процесса наибольшее распространение нашел метод диффузии в откачанной и запаянной кварцевой ампуле. Это объясняется тем, что в замкнутом объеме в условиях термодинамического равновесия достигается высокая воспроизводимость тех­нологии. В качестве источников паров при диффузии хо­рошие результаты дает трехкомпонентная система — сплав Zn—Ga—Р [74], а также соединение ZnP2. При­менение указанных источников и оптимальных режимов диффузии позволяет не только получить диффузионный слой нужной концентрации дырок и глубины, но также, возможно, из-за присутствия фосфора в паровой фазе приводит к созданию тонкого широкозонного окна у по­верхности р-слоя.'

Разработанная технология создания р—п-перехода позволяет получить высокие излучательные характери­стики— удельную яркость порядка 200 кд • м-2 • А-1 - см2 при длине волны излучения 655+10 нм. Полуширина спектральной полосы излучения — около 20 нм. Прямое напряжение нар — «-структуре при плотности тока 5— 15 А/см2 около 1,6 В; напряжение пробоя на обратной ветви 15—20 В; быстродействие 40—50 не.

Ведутся исследования других методов проведения диффузионных процессов. Метод диффузии в открытой трубе через пленку Si02, покрывающую структуру, при использовании в качестве газа-носителя водорода, а в качестве источника цинка — металлического Zn или сплава Zn—Ga позволяет получить структуры с удель­ной яркостью 170 кд-м-2-А-1-см2. Однако этот метод имеет пока низкую производительность, поскольку на­блюдается существенная зависимость характеристик р — «-перехода от газодинамики газа-носителя над структурой в процессе диффузии [74].

Использование перспективного метода ионной им­плантации пока ограничено в связи со сложностью обо­рудования и большей стоимостью. Однако в ряде работ показано, что применение ионной имплантации цинка для создания излучающего р — «-перехода в GaAsi_xP* позволяет получить эффективность люминесценции, не уступающую эффективности диффузионных р — «-пере­ходов.

Планарный р — n-переход в структурах GaP : N, по­рченных газовой эпитаксией (например, ЭФАГ-100), 'создается диффузией Zn в откачанной и отпаянной кварцевой ампуле [75]. Источником паров примеси слу­жит элементарный цинк. Диффузия проводится при про­тиводавлении фосфора. Температура диффузии 700 °С. Оптимальная глубина р — п-перехода 5 мкм, поверхно­стная концентрация дырок (2—5) ■ 1018 см-3. Эффектив­ность полученных в работе [75] планарных р — n-пере­ходов характеризуется силой света более 40 мккд при 10 мА (цвет свечения — зелейый).