ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕДИОДЫ

ОСНОВНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ПРОИЗВОДСТВЕ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ ДИОДОВ

1.2. АРСЕНИД ГАЛЛИЯ

Полупроводниковые светоизлучающие диоды изготавливают в настоящее время на основе бинарных интерметаллических соедине­ний типа AnlBv н многокомпонентных твердых растворов этих соединений. В данной главе будут кратко рассмотрены основные электрофизические свойства наиболее широко применяемых в про изводстве светоизлучающих диодов полупроводниковых соедине­ний — GaAs и GaP.

Большое внимание к GaAs в начальный период исследования соединений типа АП1ВУ было связано с представлением о том, что на основе GaAs возможно создание высокочастотных и высокотем­пературных транзисторов, (гак как подвижность электронов в нем значительно выше, а их эффективная масса почти на порядок мень­ше, чем в Ge. Однако эти ожидания не оправдались, так как вре­мя жизни носителей в GaAs оказалось весьма малым.

Первые важные области применения GaAs были связаны с ис­пользованием его для производства туннельных днодов. Значи­тельную и все возрастающую роль GaAs играет в производстве фо­топреобразователей солнечной энергии в электрическую.

Наиболее массовое применение GaAs нашел в производстве ди­одных источников спонтанного и когерентного излучений. На осно­ве GaAs созданы высокоэффективные излучающие диоды инфра­красного диапазона, находящие разнообразные применения в оп­тоэлектронике. Широкое применение в производстве светоизлуча­ющих диодов, знаковых индикаторов, лазеров и ИК диодов нахо­дят твердые растворы GaAs с GaP и AIAs.

Электрофизические свойства GaAs подробно рассмотрены в ря­де монографий. Некоторые из них кратко приводятся ниже.

Все соединения AnIBv, за исключением нитридов, кристалли­зуются в структуре цинковой обманки, представляющей собой ком­бинацию двух вставленных одна в другую кубических гранецентрн - рованных решеток, смещенных относительно друг друга на четверть диагонали куба и состоящих из одного сорта атомов каждая. В структуре цинковой обманки каждый атом металла иьеет в ка­честве ближайших соседей четыре атома металлоида, расположен­ных в вершинах правильного тетраэдра. Аналогично каждый атом металлоида находится в таком же положении относительно атомов металла. Расстояние между центрами ядер элементов решетки

о о

GaAs—2,44 А, что составляет сумму атомных радиусов As (1,18 А)

О

и Ga (1,26 А). Ребро элементарной кубической ячейки 5,6534 ± ±0,0002 А..

Направления < 111 > образуют в структуре цинковой обман­ки полярные оси, т. е. направления [111] и [111] качественно различ­ны. Направление [111]—это направление от атомов металла к атомам металлоида, противоположное направление — [111]. Плос­кость (111) состоит в GaAs либо из атомов Ga, соединенных с кристаллом тремя связями, либо нз атомов As, имеющих по одной связи с решеткой. На плоскости (111) связь этнх атомов иосит противоположный характер. В связи с этим плоскость (111) часто называют галлневой, так как Ga на этой плоскости прочнее связан с решеткой кристалла, чем As, а плоскость (111) — мышьяковой. Эти же плоскости часто обозначают соответственно (111)А и (П1)Б.

Различие между направлениями [111] и [111] проявляется при технологических обработках соединений типа AmBv, в частности при химическом травлении кристаллов, вплавлении металлов, за­хвате примесей при эпитаксии и т. п. В связи с этим основные тех­нологические операции, как правило, привязываются к одной из кристаллографических плоскостей. Так, например, жидкостная эпи­таксия на GaP проводится в большинстве случаев на плоскости

(ПТ).

Плоскость (110) в структура цинковой обманки содержит оди­наковое количество атомов металла и металлоида. Каждый атом имеет одну связь со следующим нижележащим слоем. Поэтому эта

плоскость обладает наименьшей спайностью Это свойство арссни - да галлия и других соединений типа AnrBv используется в тех­нологии и при конструировании приборов. По плоскости (110) про­изводятся скрайбирование и ломка пластин на кристаллы, в этой плоскости методом скалывания образуют зеркала резонатора полу­проводниковых лазеров и т. п.

Важнейшие физические свойства арсенида галлия и его приме­нения обусловлены прямой зонной структурой (рис. 1.4). Именно благодаря прямозонности GaAs излучательная рекомбинация в нем имеет высокую вероятность.

Некоторые физические и физико-химические свойства GaAs при­ведены в табл. 2.1. Здесь же приводятся данные для GaP, а так­же для 1пР и GaSb, области применения которых в последнее вре­мя расширяются.

Важнейшие примеси в GaAs следующие. Из элементов I груп­пы Периодической системы элементов Д. И. Менделеева сущест­венное влияние на свойства GaAs оказывает Си, которая локализу­ется как в узлах решетки, так и в междоузлиях. Си обладает вы­сокой скоростью диффузии по междоузлиям GaAs. Располагаясь в узлах решетки, Си замещает Ga н создает глубокие акцепторные уровни. Си вызывает безызлучательную рекомбинацию и являет­ся вредной примесью в материале, предназначенном для производ­ства излучающих диодов. В процессе проведения технологических операций по изготовлению приборов следует тщательно предохра­нять GaAs и другие соединения типа AIITBV от попадания Си.

Элементы II группы Zn и Cd замещают Ga в GaAs и являют­ся основными мелкозалегающими акцепторами. До концентрации примерно 1,5-1019 см-3 концентрация атомов примеси равна кон­центрации дырок. При более высокой концентрации примеси кон­центрация дырок начинает отставать от концентрации акцепторов. Цинк обладает скоростью диффузии в GaAs, удобной для осуще­ствления технологических процессов получения р—/i-перехода и делегирования поверхности. Из элементов II группы в качестве ак­цептора применяется также Be, как при создании р—п-переходов, |ак и омических контактов к p-GaAs.

Элементы III группы А1 и In образуют с GaAs непрерывный твердый раствор AUGai-*As и In*Gai_.xAs. %

Элементы IV группы Si, Ge, Sn и Pb — амфотерные примеси, т. е. в зависимости от условий легирования могут замещать атомы As или Ga в решетке GaAs. Sn — преимущественно мелкозалегаю - щий донор. Достоинство его как донора — меньшая, чем у Те, спо­собность к образованию микровключений (преципитатов). Ge— преимущественно мелкозалегающий акцептор. Он находит широкое применение в качестве легирующего элемента в технологии жидко­стной эпитаксии, так как обладает низкой летучестью. Si — также

исключительно важная примесь в GaAs. При легировании в стехио­метрических условиях Si замещает Ga и является донором. При этом он в меньшей степени образует преципитаты, чем Те. Поэтому

его применение для легирования монокристаллов предпочтительнее, чем легирование Те. При легировании в нестехиометрическнх усло­виях (например, в процессе жидкостной эпитаксии) Si может заме­щать As и становиться акцептором. Использование Si в качестве примеси в процессе жидкостной эпитаксии позволило потучить вы­ращенные в едином процессе р—n-переходы с высоким квантовым выходом излучения.

Элементы V группы Р и Sb образуют с GaAs непрерывный твердый раствор GaAsi-*P-* и GaSbi-xAs*.

Элементы VI группы S, Se и Те — основные мелкозалегающие доноры в арсениде галлия. При высоких концентрациях (более 5-Ю18 см-3) они образуют нейтральные комплексы и преципитаты. Gr и О являются глубокозалегающими примесями и используются для получения полуизолирующего арсенида галлия.

Элементы VIII группы Fe, Со и Ni — глубокозалегающие ак­цепторы, используются при выращивании полуизолирующего GaAs.

Энергетическое положение примесей в арсениде галлия приве­дено на рис. 2.1, а.

Основной промышленный метод получения GaAs — метод Чох - ральского. Значительное распространение находит также горизон­тальная направленная кристаллизация по методу Бриджмена. Мо­нокристаллы GaAs по параметрам распределяются на несколько марок. Монокристаллы n-типа легируются Те, Sn или ничем не ле­гируются, монокристаллы p-типа легируются Zn.

Содержание посторонних примесей в GaAs п - и p-типов не пре­вышает (% по массе): Ы0-5% Си; 6-10~50/о Со; 1-10~4% Fe; 5- 10-е % Мп; 5-Ю-5 % Сг; 2-Ю-5 % №.