Содержание к диссертации
Стр.
Введение g
Условные обозначения Ю
ГЛАВА I. ТВЕРДОЕ РАСТВОРЫ Goc^A^Sb^y As у -
ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА, ПОЛУЧЕНИЕ И ИСПОЛЬЗОВА
НИЕ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ФОТОПРИЕМНИКОВ (ОБЗОР
ЛИТЕРАТУРЫ) ц
Четырехкомпонентные твердые растворы соединений А%5 II
Свойства твердых растворов . 14
Перспективность применения твердых растворов GOf_xA2xSb,j_yASu для создания лавинных фотодиодов (ЛЩЦ); 18
Характеристики ЛФД и их связь со свойствами материала 18
Особенности ударной ионизации в твердых растворах Gcr^^A^Sb^yASy .... 20
Использование твердых растворов Ga^A^Sb^.yASy Для создания ЛЩЦ 23
Использование варизонных полупроводников
в фотоэлектрических приборах 27
1.6. Жидкостная эпитаксия твердых растворов
Жидкостная эпитаксия изопериодных структур Ca^yA^Sb^.yASy/GoSb 30
Жидкостная эпитаксия варизонных полупроводников 35
Выводы 3
Стр.
Постановка задачи 40
ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ФАЗОВОГО РАВНОВЕСИЯ В
СИСТЕМЕ Ga-Ae-Sb-As 41
2.1. Фазовая диаграмма G« -A6-Sb-As 41
Предварительные замечания 41
Расчет фазовой диаграммы Gdr-A-Sb-As. 43
2.2. Влияние различия химического состава под
ложки и кристаллизуемого слоя на фазовое
равновесие при жидкостной эпитаксии ... 49
Предварительные замечания 49
Термодинамический анализ устойчивости подложек GotSb в расплавах Ga-A^-Sb. . 50
Взаимодействие насыщенных расплавов с твердой фазой в системе Get -А&->Ь. . . 54
2.3. Влияние несоответствия периодов решетки при
жидкостной эпитаксии на фазовое равновесие 60
Предварительные замечания 60
Эффект стабилизации состава жидкой
фазы - экспериментальные данные ... 60
2.3.3. Эффект стабилизации состава жидкой
фазы - термодинамический анализ ... 68
Выводы 77
ГЛАВА 3. ЖИДКОСТНАЯ ЭПИТАКСИЯ ИЗОПЕРИОДНЬК
СТРУКТУР OQ^Al^.yASy 79
Экспериментальная установка 79
Исходные материалы и их обработка 80
Методики определения химического состава
и периода решетки эпитаксиальных слоев . . 81
- Z, -
Стр.
Необходимость согласования периодов решетки в эпитаксиальных структурах Ga^_xAexSb^.yASy/GaSb 83
Изопериодный разрез фазовой диаграммы Ga-46-Sb-As для подложки GaSb 88
Получение изопериодных структур ^oc^A^ySb^yASy/GaSb методом охлаждения. . 92
Кривые кристаллизации - расчет .... 92
Мышьяк в Ga^^A^Sb^yAsy/GaSk коэффициент сегрегации и распределение по толщине эпитаксиальных слоев -эксперимент 98
Получение изопериодных G^_x4^Sb^.y4Sy/GcrSb гетероструктур . 104
3.7. Получение изопериодных варизонных структур
(ИПВС) Ga^AiySb^yASy/GaSb методом изо
термического смешивания расплавов 108
3.8. Легирование эпитаксиальных слоевGaAiSbiAs) 120
Выводы 123
ГЛАВА 4. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
ИЗОПЕРИОДНЫХ Ga^xAtxSb^yASy/GaSb
р-п СТРУКТУР 126
Объекты исследования 126
Вольт-амперные характеристики изопериодных GaA&SbAs/GaSbv-n структур 129
Фотоэлектрические свойства изопериодных GaAZSbAs/GaSb р-п структур 136
4.3.1. Методика измерений 136
- s -
Стр.
4.3.2. Однородность лавинного умножения
в фотодиодах на основе GaAlSbAs. . . . 136
4.3.3. Фотоэлектрические свойства ШД на ос
нове изопериодных
р-п структур 143
4.4. Лавинные GaAlSbAs фотодиоды - проблемы и
перспективы 149
Проблема инверсионного слоя 149
Проблема природных акцепторов .... 152 Выводы 163
Заключение 166
Литература 170
Приложение 184
1. Программа расчета фазовой диаграммы
Ga-Al-Sb-As 184
2. Программа расчета кривых кристаллизации
в системе Ga-Al-Sb-A$> 188
Введение к работе
Быстрое развитие полупроводниковой оптоэлектроники, обусловленное необходимостью решения важных прикладных задач, главным образом в области обработки информации и связи, потребовало совершенствования элементной базы оптоэлектроники -излучателей и фотоприемников.
Излучатели - светодиоды и инжекционные лазеры изготавливаются главным образом на основе соединений А%5. Для создания фотоприемников используются как соединения так и элементарные полупроводники - германий и кремний.
Использование тройных твердых растворов РгВ позволяет расширить возможности фотоприемников по сравнению с приборами на основе элементарных полупроводников и бинарных соединений. Главное преимущество этих систем - возможность получения заданных спектральных характеристик путем выбора состава твердого раствора. Кроме того, на основе твердых растворов можно создавать варизонные и гетероструктуры, позволяющие достигать наиболее высокие характеристики приборов.
Основным способом получения твердых растворов в настоящее время является жидкостная эпитаксия - метод, который был первоначально предложен для бинарных соединений А~Ег/1/, а затем развит и распространен на многокомпонентные системы /2/.
Использованию твердых растворов препятствует во многих случаях несоответствие периодов решетки в структурах на их основе, что приводит к возникновению дефектов несоответствия и ухудшению характеристик приборов. В полной мере реализовать преимущества твердых растворов позволяют четырехкомпонентные системы, дающие возможность создавать изопериодные структуры
с неизменным по координате периодом решетки. На основе четырех-компонентных твердых растворов могут быть созданы изопериодные структуры, перекрывающие практически весь спектральный диапазон, доступный соединениям А^З5.
Важной спектральной областью является диапазон длин волні 1,4-1,6 мкм, который весьма перспективен для использования в волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС).
Создание изопериодных структур для фотоприемников на диапазон длин волн 1,4-1,6 мкм возможно на основе твердых растворов In CaAsP и GaAESbAs. Из этих двух систем первая оказалась достаточно технологичной и к настоящему времени довольно подробно исследована. Твердые же растворы GaASbAs являются весьма перспективными для создания малошумящих лавинных фотодиодов для этого спектрального диапазона из-за особенностей зонной структуры в соответствующей области составов /3/. Однако, этштвердые растворы являются более сложными в получении, кроме того, им присуща аномально высокая среди соединений А^Г концентрация дефектов нестехиометрии. Публикации о жидкостной эпитаксии в этой системе и создании фотодиодов на рассматриваемый спектральный диапазон практически отсутствовали к моменту начала данной работы. Уникальность физических свойств и наличие интересных технологических задач и привлекли наше внимание к твердым растворам GaAtSbAs.
Данная работа посвящена исследованию жидкостной эпитаксии изопериодных GaAlSbAb/GaSb структур для создания фотодиодов на диапазон длин волн 1,4-1,6 мкм и выполнена в Лаборатории электронных полупроводников ФТИ им. А.Ф.Иоффе АН СССР.
Основные результаты работы сводятся к следующему. I. Исследованы условия фазового равновесия при жидкостной
эпитаксии твердых растворовGaAZSbAs:
- рассчитаны изотермы ликвидуса и солидуса системы
в диапазоне температур и составов, актуальном для жидкостной эпитаксии изопериодных структур GaAlSbAs/GaSb;
исследовано влияние на фазовое равновесие различия химического состава подложки и равновесного для расплава твердого раствора; предложена модель взаимодействия подложки с многокомпонентной жидкой фазой;
исследовано влияние на фазовое равновесие различия периода решетки подложки и равновесного для расплава твердого раствора; экспериментально обнаружен и объяснен эффект стабилизации состава жидкой фазы, находящейся в контакте с подложкой.
Исследованы закономерности эпитаксиальной кристаллизации твердых растворов GoAtSbAs на подложку GaSb при охлаждении и при изотермическом смешивании расплавов.
Предложен и разработан способ получения изопериодных ге-тероструктур GaAZSbAs/GaSb, основанный на эффекте стабилизации состава жидкой фазы.
Предложен и разработан способ получения изопериодных ва-ризонных структур путем непрерывного изотермического смешивания расплавов.
На основе полученных структур созданы лабораторные образцы лавинных фотодиодов со следующими параметрами при комнатной температуре: пробивное напряжение - 10-55 В; плотность темново-го тока - (3-5)Ю"3и (2-5)Ю"2А/см2 при напряжении, равном соответственно 0,5 и 0,9 от пробивного; коэффициент умножения -10-80 для излучения с длиной волны 1,55 мкм.
Опробованы различные способы уменьшения концентрации природных акцепторов в твердых растворах на основе антимонида гал-
лия, позволившие в несколько раз снизить величину объемного темнового тока диодов. Получены образцы нелегированного антимо-нида галлия с рекордными параметрами: концентрация дырок -3,3 I0I6cm"3 (300 К) и 6,8 Ю15см-3 (77 К), подвижность дырок -940 см2/^ С (300 К) и 6770 ci^/B с (77 К).
Результаты работы позволяют сформулировать следующие научные положения.
Различие периода решетки подложки и равновесного для расплава твердого раствора (д#) обуславливает сдвиг условий фазового равновесия в системе Qd-A2-Sb-As относительно свободной кристаллизации и в предельном случае больших Л С? приводит к стабилизации состава жидкой фазы; этот эффект стабилизации наблюдается при контакте расплава tf-40-Sb-As с монокристаллической подложкой GorAs и заключается в том, что содержание мышьяка в расплаве практически не зависит от концентрации сурьмы в нем.
Содержание мышьяка в эпитаксиальных слоях Ga^^At^Sb^yAsy /GaSb при кристаллизации в квазиравновесных условиях путем принудительного охлаждения убывает экспоненциально с толщиной слоя, а коэффициент распределения мышьяка возрастает от 100 до 700 при увеличении содержания алюминия в твердом растворе от Х=0 до Х=0,4 (Т=540-550 С, У=0,01-0,03).
Обратный объемный темновой ток через OQ^^A^Sb^yASy (Х=0,0б, У<0,01) р-п структуры при напряжениях от нескольких кТ/е до половины пробивного в диапазоне температур 300-373 К обусловлен в основном генерацией носителей в слое объемного заряда через глубокие центры, расположенные вблизи середины запрещенной зоны; эффективное время жизни носителей в слое объемного заряда составляет (0,5-1)Ю"9с для материала, полученного из галлиевого расплава при температуре 540-550 С.
--/0-
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
За исключением особо оговоренных случаев, в работе приняты следующие обозначения:
е - заряд электрона М - коэффициент умножения /л - эффективная масса носителей заряда U - напряжение / - ток
J - плотность тока Е9 - ширина запрещенной зоны Я - универсальная газовая постоянная К - постоянная Больцмана Т - абсолютная температура cL - параметр межатомного взаимодействия У - коэффициент активности 4S - энтропия плавления /И - химический потенциал Q - период кристаллической решетки X, У - концентрация компонентов твердого раствора, мол. дол. А - толщина эпитаксиального слоя
ИНДЕКСЫ, ОБОЗНАЧАЩИЕ ПРИНАДЛЕЖНОСТЬ
-н -
