Глава восьмая. АРСЕНИД ГАЛЛИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДИОДОВ ПКГ

Первый ПКГ был изготовлен в 1962 г. из арсенида галлия, который и в настоящее время используется значительно шире, чем другие полупроводниковые материалы. Ранее в качестве материала ПКГ предполагался германий, у которого верхнее возбужденное состояние метастабильно, но структура запрещенной зоны непрямая. Арсенид галлия обладает прямой и вдвое более широкой запрещенной зоной, что облегчает его работу при высоких температурах и высоких частотах. Подвижность электронов в нем значительно больше, что облегчает накачку. Кроме того, к 1962 г. арсенид галлия был уже доступен в виде кристаллов хорошего качества и приемлемой чистоты. Совокупность этих свойств определила его успех и перспективность.

Основным недостатком арсенида галлия, который и в настоящее время сдерживает его широкое применение, является существенно меньшее структурное совершенство и чистота его кристаллов по сравнению с элементарными полупроводниками. Там, где необходим материал с невысокими уровнями легирования и большой разницей концентраций в отдельных областях кристалла (например, в транзисторе), кремний обладает заметными преимуществами. Но в ПКГ требуется сильно легированный вырожденный материал с высокой концентрацией носителей с большой подвижностью. Здесь арсенид галлия является более подходящим, чем элементарные полупроводники: германий и кремний.

8.1. Физические свойства арсенида галлия

(см. скан)

(см. скан)

Диаграммы фазового равновесия в системе галлий — мышьяк показаны на рис. 8.3, кристаллическая структура арсенида галлия — на рис. 8.4,

Таблица 8.1 Зависимость коэффициента преломления от длины волны

Особенности кристаллической решетки арсенида галлия обусловливают его основные полупроводниковые свойства. Каждый атом галлия окружен четырьмя атомами мышьяка, находящимися в вершинах тетраэдра.

Рис. 8.1. Коэффициент поглощения арсенида галлия.

Рис. 8.2. Коэффициент отражения арсенида галлия.

Точно так же каждый атом мышьяка окружен четырьмя атомами галлия. В отличие от структуры алмаза (в случае германия и кремния) особенностью этой структуры является отсутствие такого элемента симметрии, как плоскость инверсии, что проявляется в существенных различиях в структуре и свойствах кристаллических плоскостей (111). В структуре алмаза все плоскости (111) одинаково химически активны, поскольку состоят из одних и тех же атомов.

В структуре арсенида галлия имеется два типа противоположных плоскостей (111) и (111), состоящих соответственно из атомов галлия или атомов мышьяка. На поверхности (111) атомы галлия связаны с соседними атомами посредством трех связей и, следовательно, все три валентных электрона атома галлия использованы в образовании этих связей. Атомы мышьяка на поверхности

также связаны с тремя соседними атомами, и поэтому два из пяти валентных электронов атома мышьяка остаются неиспользованными в образовании связей. Это обусловливает большую химическую активность поверхности (111), чем (111). Например, травление легче происходит с мышьяковой стороны, а кристаллизация - с галлиевой. Это облегчает идентификацию

Рис. 8.3. (см. скан) Диаграммы фазового равновесия в системе галлий — мышьяк;

плоскостей (111) и (111) химическим травлением. На поверхности (111) травление начинается в местах выхода дислокаций и при этом выявляются треугольные ямки травления, тогда как поверхность травится равномерно и остается гладкой.

Структурные особенности арсенида галлия сказываются и на механических свойствах кристалла. Арсенид галлия проявляет хорошую спайность по плоскости (110) и более трудно складывается в плоскости (111). Такая анизотропия механических свойств понятна, если рассмотреть распределение электростатических сил в кристалле, возникающее вследствие частичной ионности связей в соединениях типа Из условия электронейтральности кристалла арсенида галлия число галлиевых и мышьяковых плоскостей в направлении (111) должно быть равным. Следовательно, каждая из плоскостей состоит из равного числа атомов мышьяка и галлия, и равнодействующая сил, связывающих эти плоскости, близка к нулю. Поэтому кристаллы арсенида галлия легко скалываются по плоскости Это ценное свойство используется в технологии для изготовления резонаторов Фабри—Перо у диодов ПКГ.

Рис. 8.4. Кристаллическая структура арсенида галлия.

Зонная структура арсенида галлия показана на рис. 8.5, откуда видно, что этот материал обладает прямыми межзонными переходами. В зоне проводимости имеются две долины, разность уровней которых составляет около 0,36 эВ. Подвижность электронов в нижней долине (эффективная масса 0,065 та) намного выше подвижности электронов в верхней долине. Поскольку разность уровней этих долин невелика, то в сильных электрических полях электроны могут переходить из одного минимума в другой. Когда заполнение верхней долины превышает заполнение нижней, то в материале

появляется отрицательное дифференциальное сопротивление, так как с ростом напряжения увеличивается число электронов, перешедших в верхнюю зону и снизивших свою подвижность, в результате чего ток падает. Это вызывает характерный для арсенида галлия эффект Ганна, на основе которого созданы генераторы излучения СВЧ диапазона.

Валентная зона включает тяжелые дырки (эффективная масса и легкие дырки

Наиболее чистые кристаллы арсенида галлия в настоящее время содержат около примесных атомов в кубическом сантиметре. Так как плотность арсенида галлия равна то это означает, что среди атомов основного вещества содержатся два атома примеси, т. е. Это на порядок ниже чистоты германия и кремния и объясняется трудностями проведения зонной очистки арсенида галлия.

Рис. 8.5. Зонная структура арсенида галлия при температуре

Для характеристики степени чистоты арсенида галлия используют такие величины, как концентрация электронов и их додвижность. В чистом материале концентрация электронов составляет около а подвижность — более . В менее чистых материалах концентрация электронов возрастает, а подвижность уменьшается. Таким образом, собственный арсенид галлия имеет электронную проводимость. Однако тип проводимости может быть изменен путем введения примесей либо в процессе выращивания кристалла, либо методом диффузии.

Атомы элементов второй группы (цинк, кадмий, ртуть), а также медь, серебро, золото, натрий, кальций замещают галлий в кристаллической решетке GaAs и создают дырки в валентной зоне, поскольку они имеют меньше валентных электронов, чем галлий. Следовательно, они являются акцепторами, сообщающими кристаллу

проводимость -типа. Наиболее эффективньши акцепторами в арсениде галлия являются цинк и кадмий. На практике чаще всего используют цинк ввиду его большой предельной растворимости (примерно ), а также значительного коэффициента диффузии. Акцепторный уровень цинка расположен в запрещенной зоне на 0,08 эВ выше максимума валентной зоны.

Наиболее эффективными донорами являются селен и теллур, растворимость которых велика (коэффициент распределения при кристаллизации для равен 0,5, для Те равен 0,3, тогда как для он равен 0,1). Атомы этих элементов замещают мышьяк. Энергетический уровень, который они создают при концентрациях примеси более сливается с зоной проводимости.

Атомы элементов IV группы являются амфотерными примесями, т. е. могут быть либо донорами, либо акцепторами. При малых концентрациях они занимают места только в одной из подрешеток (либо галлия, либо мышьяка), но с увеличением концентрации начинают занимать места и в подрешетке другого элемента. Например, кремний при малых концентрациях занимает места галлия и является донором, а в сильно легированном материале занимает и места мышьяка, образуя донорно-акцепторные пары.

Степень ионизации примеси зависит от положения уровня ее в запрещенной зоне. Глубокие акцепторные уровни вблизи середины запрещенной зоны образуют примеси кислорода, железа, кобальта, никеля.

При компенсации доноров акцепторами удельное сопротивление арсенида галлия может возрасти до мегомов. Такой материал называют полуизолятором.

Поведение примеси в арсениде галлия и коэффициенты распределения при выращивании кристалла, характеризующие растворимость примеси в показаны в табл. 8.2.

Энергия активации примеси в арсениде галлия может быть рассчитана на основании водородоподобной модели по формуле

— диэлектрическая постоянная; — масса свободного электрона; — эффективная масса носителей тока. Отсюда теоретически энергия активации доноров в арсениде галлия составляет 0,008 эВ, а акцепторов —

(кликните для просмотра скана)

около 0,05 эВ. При создается проводящая примесная зона, удаленная от зоны проводимости на расстояние, меньшее энергии активации. При примесная зона сливается с зоной проводимости.

Подвижность электронов в арсениде галлия уменьшается с повышением концентрации примеси, как показано на рис. 8.6.

Рис. 8.6. Зависимость подвижности электронов от концентрации примесей в арсениде галлия.

Подвижность дырок значительно (в двадцать раз) меньше и тоже уменьшается с увеличением концентрации примеси.

Характер и концентрация примеси влияют на положение и величину максимума в спектре люминесценции диодов из арсенида галлия.

Рис. 8.7. Спектр люминесценции диода из арсенида галлия при и токе 10 А/см2. Вертикальная шкала для последнего максимума интенсивности излучения уменьшена в 25 раз.

Типичный спектр люминесценции диода при и токе 10 А/см2 показан на рис. 8.7. Диод был изготовлен диффузией цинка в арсенид галлия, легированный теллуром. В спектре излучения выделяются три линии, соответствующие энергиям: 1,02; 1,28 и 1,472 эВ.

Зависимость положения максимума линии флюоресценции от концентрации и Те в арсениде галлия показана на рис. 8.8.

Рис. 8.8. Зависимость положения максимума линии флюоресценции арсенида галлия от концентрации цинка или теллура в арсениде галлия при

Максимум флюоресценции арсенида галлия, легированного цинком, сначала имеет место при энергии около 1,485 эВ, а с повышением концентрации уменьшается, вероятно, вследствие уменьшения ширины запрещенной зоны в результате слияния акцепторных уровней с валентной зоной.