8.8. Гетероструктуры на основе арсенида галлия

Как указывалось в § 7.3, вследствие возрастания порогового тока с повышением температуры работа арсенид-галлиевых диодов в непрерывном режиме возможна лишь при температуре ниже комнатной. Поэтому важнейшим условием осуществления непрерывного режима работы при комнатной температуре является снижение порогового тока. Минимальная плотность порогового тока 50 000 А/см2 при достигнута у диодов, изготовленных методом эпитаксии из жидкой фазы. К. п. д. такого ПКГ при 25 °С составляет около 3%.

Другой целью новых разработок в области ПКГ является уменьшение длины волны излучения, которая определяется шириной запрещенной зоны. Для арсенида галлия длина волны излучения при ,25°С равна 9 000 А, а при -196°С - равна 8 550 А. Путем использования гетероструктур типов с большей шириной запрещенной зоны можно получить излучение с более короткой длиной волны. Наименьшая длина волны определяется значением при котором зонная структура арсенида галлия заменяется зонной структурой арсенида алюминия. Это происходит при т. е. при содержании арсенида алюминия более 50%. При этом меняется характер излучательных переходов от прямых к непрямым. Поэтому лазерный эффект при содержании алюминия или

фосфора более 0,5 не имеет места. Мииимальные длины волн излучений при комнатной температуре равны для и для

Оказалось, что при использовании гетероструктур помимо уменьшения длины волны излучения достигается существенное снижение плотности порогового тока. Для гетероструктуры достигнуто снижение плотности порогового тока до величины 8 600 А/см2 с одновременным повышением к. п. д. до 10%, т. е. более чем в 3 раза. Рассмотрим эту гетероструктуру подробнее.

Из всех полупроводников со структурой сфалерита арсенид алюминия лучше всего подходит к арсениду галлия по структурным характеристикам. Постоянные решетки этих материалов практически совпадают: 5,6534 для GaAs и 5,6576 для Это делает возможным выращивание смешанных кристаллов, обладающих совершенной структурой, без нарушений и напряжений. Плотность рассчитанная ,по рентгеновским данным, отличается от ликнометрической Твердость по Моосу равна 5. Микротвердость при нагрузке составляет около Коэффициент линейного расширения . Теплота образования ккал/моль. Термодинамические свойства можно оценить из значения характеристической температуры (400°). Теплопроводность примерно равна с. Коэффициент термо-э. д. с. равен Удельное сопротивление наиболее чистых образцов имеет порядок от до Ом-см. Все образцы имеют дырочную проводимость с концентрацией носителей Ширина запрещенной зоны эВ. Арсенид алюминия обладает непрямой зонной структурой, и это обстоятельство ограничивает возможные составы твердых растворов, применяемых в лазерных гетеропереходах, до содержания алюминия 50%.

Рассмотрение фазовых диаграмм показывает, что в системе галлий — алюминий не образуется никаких соединений, а в системе алюминий — мышьяк имеется только одно сильно диссоциирующее соединение с температурой плавления выше Поэтому в тройной системе галлий — алюминий — мышьяк возможно образование только двух соединений кристаллизующихся в совершенно одинаковой решетке. Отсюда

ясно, что эта гстероструктура может быть успешно получена методом эпитаксии из галлиевого раствора. Поскольку возможное образование на поверхности раствора препятствует эпитаксиальному росту, конструкция лодочки в этой системе такова, что позволяет срезать верхний окисленный слой раствора, одновременно приводя в контакт чистую поверхность раствора с подложкой (рис. 8.22).

Рис. лодочки для эпитаксии из галлиевого раствора. 1 — подложки арсемнда галлия; 2 - раствор: 3 — графитовая лодочка; 4 — термопара; 5 — кусок пллиленого кпзрца.

Процесс проводят в атмосфере водорода. Температура начала роста Состав раствора выбирают таким, чтобы концентрация алюминия была около 0.8 ат.% и меньше. Хорошие результаты были получены при использовании раствора, содержащего остальное — галлий.

При более высоких концентрациях алюминия в растворе зонная структура наросшего слоя становится непрямой. Состав наросшего слоя должен соответствовать значениям т. е. от до Раствор приготавливают нагреванием необходимых количеств галлия и арсенида галлия до температуры на 20° выше температуры начала кристаллизации. Затем реактор охлаждают, устанавливают подложку, и к раствору добавляют необходимые количества цинка и алюминия.

Поскольку цинк довольно летуч, то большая часть его теряется в процессе выращивания. Поэтому концентрация цинка в наросшем слое максимальна в начале

роста. До начала растворения происходит диффузия цннка в арсенид галлия из паровой фазы. После начала роста диффузия цинка продолжается из нарастающего слоя. Диффузионный профиль цинка в арсениде галлия получается при этом ровным, с резким падением.

Рис. 8.23. Растворимость цинка в арсениде галлия при

Рис. 8.24. Влияние концентрации цинка в расплаве на глубину перехода при выдержке в течение 20 мин при прямая 1) и такой же выдержке с последующим отжигом при в течение 3 час. (прямая 2).

Количество цинка, которое необходимо иметь в растворе, находят из изотермы тройной системы при 1 000°С (рис. 8.23), Обычно концентрацию цинка в жидкой фазе выбирают такой, чтобы уровень легирования твердой фазы был, по крайней мере, на полпорядка больше уровня легирования подложки -типа. У лучших диодов концентрация цинка составляла менее Подложка — арсенид галлия, легированный теллуром или оловом до концентрации ориентация (100).

Раствор приводят в контакт с подложкой при небольшом перегреве с тем, чтобы произошло растворение подложки на глубину около 1 мкм.

Зависимость глубины перехода от концентрации цинка в исходном расплаве показана на рис. 8.24. Оптимальная величина мкм. Для выявления границ гетероперехода и перехода в арсениде галлия сколотую поверхность пластины травят в горячем

разбавленном растворе азотной кислоты в течение нескольких секунд.

Пластину с эпитаксиальным слоем шлифуют -мкм порошком с обеих сторон: с -стороны до 20— 30 мкм, а с -стороны до 100 мкм. Затем пластину слегка травят в растворе хлора в метаноле и быстро помещают в вакуумную установку для нанесения контактных металлических покрытий. На поверхность -слоя напыляют около 500 А титана при затем температуру снижают до и наносят еще один слой золота толщиной 2 000 А. На -сторону сначала напыляют слой олова при затем при 120 °С слой никеля или платины толщиной 500 А. После этого температуру повышают до и выдерживают в течение 30 с. Наконец, напыляют еще один слой олова при чтобы создать гладкую оловянную поверхность, удобную для пайки. Пластину с нанесенными контактными покрытиями скалывают на полоски шириной примерно 400 мкм, которые затем разрезают на кристаллы шириной 100—120 мкм (рис. 8.25). Эти кристаллы поступают на сборку в корпус аналогично арсенид-галлиевым лазерам.

Различие энергетических диаграмм гомо- и гетероструктур схематически показано на рис. 8.26. Электроны, инжектируемые в -область арсенида галлия, накапливаются в зоне проводимости вблизи фазовой границы. Инжекция дырок происходит из в -область GaAs. Поэтому рекомбинация в гетероструктурном диоде имеет место в четко ограниченной активной области расположенной между переходом и фазовой границей. Энергия рекомбинации приблизительно та же, что и в арсенид-галлиевых диодах (1,38 эВ, 9 000 А при 300°К), но плотность электронов и их распределение в зоне проводимости больше и лучше при высоких температурах.

Толщина активной области оказывает большое влияние на рабочие характеристики диода. Зависимость плотности порогового тока от величины показывает, что минимальные значения порога 12 000 А/см2 при достигаются при мкм для диодов длиной 400 мкм, изготовленных на подложке, легированной теллуром до концентрации Для диодов,

Рис. 8.25. Схема изготовления гетероструктурного диода из пластины: 1 — пластина после эпитаксии; 2 — скол: 3 — резка; 4 — покрытие ; 5 - излучение; 6 — покрытие

Рис. 8.26. Различие гомоструктуры (а) и гетероструктуры (б) в процессе работы диода.

изготовленных на подложках с оловом или кремнием при мкм при получены пороги А/см2. Для диодов с отражающими покрытиями получены пороги А/см2.

Гетероструктурные диоды обладают в 3—4 раза более высокими квантовым выходом и к. п. д., чем арсенид-галлиевые. Замечено также, что для данной толщины существует максимальная температура ,

выше которой пороговый ток быстро возрастает. При мкм 2 макс

Одним из возможных объяснений столь существенного улучшения лазерных характеристик при использовании гетероструктур является тот факт, что активная область имеет более высокий показатель преломления, чем соседние, образуя таким образом волновод, в пределах которого концентрируется излучение. Волноводный эффект уменьшает потери на поглощение.

Очевидно, система является не единственной структурой, в которой использованы материалы с разной шириной запрещенной зоны. Основное достоинство этой систвамы заключается в близости параметров решетки арсенидов алюминия и галлия. Однако, по-видимому, еще лучшие энергетические характеристики могут быть получены в структурах Кроме того, могут быть найдены другие системы твердых растворов.

Увеличение длины волны излучения достигается в стеме Поскольку оба компонента этой системы: и — имеют зонные структуры с прямыми переходами, то можно изготовить лазерные диоды с любой длиной волны излучения в пределах от 0,84 до 3,1 мкм Однако диоды из этих твердых растворов отличались очень высокими порогами.