книги из ГПНТБ / Арсенид галлия. Получение, свойства и применение

8.Ц М Е Т О Д И К А П О Л У Ч Е Н И Я р — « - П Е Р Е Х О Д О В 3(1

но предположить, что олово диффундирует по галлпевсн

олово может собираться участками, например, на дисло­ кациях [24]. Все это говорит о том, что какая-то часть атомов олова может находиться п в междоузлиях, и, реагпруя с двумя вакансиями, создаваемыми дислока­ циями, давать два атома в узлах галлня и мышьяка [24]:

2Snf + V G a V A s Sn0 n SnA s + 2e+.

Диффузия амфотериых примесей I V группы (кремний, германий) еще мало изучена. Некоторые сведения приве­

рочные переходы этого тппа создаются как диффузией акцепторов в «-материал, так п диффузией доноров в р- матерпал. При этом создание р—7г-переходов диффузией акцепторов предпочтительнее., так как:

1) скорость диффузии акцепторов обычно выше скоро­ сти диффузии доноров;

2) при диффузии доноров на поверхности образуются

зуются цинк, кадмий, а иногда и марганец. Наибольшую скорость диффузии из ипх имеет цинк. Кроме того, в про­ цессе создания р—n-псреходов диффузией цинка легко из­ менять глубину залегания р—«-переходов, плоскостность и распределение акцепторов по диффузионному слою. Поэтому подавляющее большинство полупроводниковых приборов с диффузионным р—п-переходом получено диф­ фузией цинка.

Для получения различной поверхностной концентрации дырок диффузию цинка обычно проводят [75, 76] либо из сплава цинк — галлий с различным содержанием ципка

3G2 Э Л Е К Т Р О П П О - Д Ы Р О Ч Н Ы Е П Е Р Е Х О Д Ы [ГЛ. 8

в сплаве, либо через плойку Si02 , нанесенную на поверх­ ность арсенпда галлия, либо изменяют температуру дпффузапта в двухзонной печи или давление As в ам­ пуле.

Поверхностная концентрация дырок прп диффузии цинка (рпс. 8.3) в присутствии дробленого арсенпда гал­ лия составляет около 7 • 101D слг.-3 .|Для увеличения ее удоб­ нее всего проводить диффузию в присутствии избыточного давления паров мышьяка. При этом с увеличением дав­

логических условий также можпо изменять. При диффу­ зии из сплава цинк — галлий профиль диффузии пологий, распределение атомов цинка подчиняется законам Фика; при диффузии цинка в присутствии избыточного давления паров мышьяка фронт диффузии резкий, причем градиент концентрации дырок увеличивается с увеличением давле­ ния мышьяка. Диффузия цинка в присутствии дроблен­ ного арсенида галлия, по-видимому, является случаем, когда уже начинают проявляться аномалии.

Глубина залегания р—7г-перехода в соответствии с дан- в ч м и , приведенными выше, при прочих равных условиях

с уменьшением содержания цинка в сплаве п уменьшается

фузии в присутствии избыточного давления паров мышьяка пли использования в качестве диффузаита арсенида цинка [56, 78], а появление неровностейр—га-перехода связано, по

фузии из сплава цинк — галлий и нз элементарного цинка без компенсатора (As или дробленого GaAs) получается плохой (неровности р—га-перехода достигают 10 мкм), что связано с частичной эррозией поверхности и появле­ нием большого числа вакансий. Неровности р—га-перехо­ дов возрастают с увеличением температуры диффузии.

температуре 915°С и 950°С после диффузии получаются не­ ровности величиной до 3 мкм.

Прп увеличении времени диффузии плоскостность также ухудшается. Как правило, при диффузии в тече­ ние 3—5 часов р—га-переходы получаются более ровными, чем при диффузии 30—50 часов.

С помощью диффузии цинка получались самые разно­ образные приборы: диоды [79, 80], фотоэлементы [81, 82], источники некогерентного излучения [15, 83—86], лазеры [87-92].

I Режимы создания р—га-переходов были самыми раз­ личными, поэтому здесь мы приведем лишь некоторые,

Для создания лазеров с низкими пороговыми токами иногда после такого режима диффузии проводится до­

3—6 мни., давление паров цинка 27 мм рт. ст.; давление

висимость емкости от напряжения таких структур линейна в координатах

С~у = f(U), где 2 < т < 3 [ 9 5 1 .

нительно из-за меньшей, чем у цинка, скорости диффузии

реходы используются чаще всего для фотоэлементов [82, 96]. Концентрация дььрок иа поверхности при диффузии кад­

ные диффузией марганца. Было замечено, что марганец об­ разует высокоомную область с проводимостьюр-типа. Поэ­ тому диффузию марганца, а вслед за нею мелкую диффу­ зию цинка использовали для создания диодов р—р° — га-типа [97, 98]. Эти диоды имели область отрицательного соиротивления при температуре жидкого азота; при комнат­ ной температуре отрицательного сопротивления не наблю­ далось из-за достаточно низкой энергии активации марганца •—-ОД эв.

Такая же структура получается прп диффузии хрома пз напыленного слоя (1100 С; 0,5—2 часа) [99]. При кон­ центрации электронов в исходном материале 101 в —101 7 см3 высокоомная область (p^'10s ом-см) получалась толщи­ ной 10—100мкм; причем из-за высокой энергии активации хрома такие диоды работали н прп комнатной температуре.

Диоды со структурой р—р°—п также получались и при легировании кислородом [100], при диффузии меди

этого диффузия проводилась 210 часов при 1050 ° С. По­

диффузией цинка в га-арсенид галлия и технология

поверхности, хотя скорость диффузии олова и раствори­ мость его в арсениде галлия намного больше, чем у эле­ ментов V I группы [71].

Скорость диффузии кремния в арсениде галлия до­ статочно высока и при диффузии кремния из напыленпого слоя прп температуре — 1000°С в арсенид галлпя с кон­ центрацией дырок 101 7 с м - 3 получались/;—?г-переходы с глу­ биной залегания от 6 до 14 мкм (прп времени выдержки

однако при давлениях выше 0,3 атм плепка кремния на поверхности нарушается; поэтому оптимальным является давление мышьяка 0,2—0,3 атм.

Концентрация кремния на поверхности может быть высокой, однако из-за амфотерной природы атомов крем­ ния средняя концентрация электронов в диффузионных слоях не получается выше 5-101 8 см~3 [70].

ществом перед диффузионным в том, что при эпитаксиальном росте не происходит компенсации примесей исход­ ного материала и свойства эпитаксиального слоя, вообще говоря, могут ие зависеть от свойств подложки. Основные положения теории эпитаксии и свойства эпитаксиальных германиевых и кремниевых приборов приведены в [М52, 106]. Эпитаксиальные слои полупроводниковых матери­ алов обычно создаются конденсацией молекулярных пуч­ ков в вакууме [М52] с помощью газотранспортных хи­

эпитаксии. Чистый арсенид галлия растворяется при со­ ответствующей температуре в металлическом раствори­ теле (галлий, олово, висмут, свинец), и жидкий раствор приводится в соприкосновение с подложкой (иногда вместо этого арсенида галлия в металле растворяется часть подложки). Во время охлаждения образуется эпнтаксиальный слой; при соответствующем легировании раст­

непосредственно друг за другом в токе водорода; в за­ крытой системе смачивание производится в токе водо­ рода, а эпитаксиальный рост — в вакууме, в запаянных кварцевых ампулах. При этом в закрытой системе эпи­ таксиальный рост происходит в равновесных условиях (можно легко создавать равновесное или избыточное да­ вление паров мышьяка, что предотвращает разложение арсенида галлпя; можно использовать для ± легирования летучие примеси и т. д.).

Количество металла-растворителя, необходимое для создания эпитаксиального слоя, определяется на осно­ вании диаграмм растворимости арсенида галлия в галлии [115, 116], или в олове [117, 118] или в свинце [118]. Для создания лазеров и источников некогерентного излучения в качестве металла-растворителя чаще всего используется галлий, а для создания туннельных диодов — олово. Ме­ талл-растворитель легируется примесями, определяю­ щими тип проводимости эпитаксиального слоя. Обычно — это цинк для создания р-области и теллур для создания «-области [119].

При выращивании в закрытой системе в ампулу за­ кладываются легирующие примеси и мышьяк, количество которого рассчитывается исходя из заданного давления. Равновесное давление мышьяка над арсенидом галлия при температуре 900° С составляет около 0,02 атм [120].

При эпитаксиальном выращивании удается получить различные концентрации доноров и акцепторов в слое,

368 Э Л Е К Т Р О Н Н О - Д Ы Р О Ч Н Ы Е П Е Р Е Х О Д Ы [ГЛ. 8

причем распределение примесей по слою можпо сделать равномерным [121]. Эпптакснальныо слои растут точно по кристаллографическим плоскостям, поэтому при условии полного смачивания арсенида галлия металлом-раство-

рнтелем получаются очень плоские р—га-переходы. С по- мощью эпнтакспалыюго метода получались различные

полупроводниковые приборы: диоды, туннельные диоды [111, 121], лазеры [111, 122— 125], источники некогерентиого пзлучеипя [126].

поп печп, чтобы быстро опускать пластнпку арсенида галлпя в расплав н быстро вынимать ее. Энптаксиальиый

нагрева и охлаждения приведен иа рис. 8.5 [126]. Лазерпые диоды с большой мощностью излучения по­

лучались при эпптакспальном наращивании слоя р-типа проводимости иа подложке 7г-типа. Эпптаксиалышй рост происходил пз почти насыщенного раствора арсенида гал­ лпя в галлии, легированном цинком. Максимальная тем­

ляла около 3 - Ю 1 9 см~й. Оптимальная концентрация допо­ ров в исходном материале 3-101 8 см~3; при меньшей кон­ центрации увеличивается пороговый ток лазеров, а при большей концентрации эпитаксиальиын слой имеет боль­ шую концентрацию дефектов [127].

В обоих случаях распределение примесей в слое объ­ емного заряда получается резким, и лазеры имеют высо­ кие пороговые токи.

Для понижения величины порогового тока создается диф- фузпо'шо-эпитаксиальиый р—га-переход, т.е. производится

плаве. При увеличении содержания кремния от 0,1 до 20 мг нлн германия от 1 до 50мг в галлиевом растворе (400мг) кон­ центрация дырок в эпитакснальном слое увеличивается от 2-10" до 2-101 9 см-3, а подвижность уменьшается от 90 до 10см"/в- сек в случае кремния и от 200 до 20 см21в-сек в слу­ чае германия. Как следовало из характеристики емкость — напряжение, р—га-переходы, полученные таким образом, были резкими. Максимальный внешний квантовый выход плоских электролюминесцентных диодов, легированных кремнием, получился равным 1% (при содержании крем­

спортной п жидкостной эпнтаксий имеются обзорные

большей температуры плавления металла, и растворяет часть этой пластины, а при понижении температуры про­ исходит рекристаллизация арсенида галлпя, легированного этим металлом. Глубина проникновения расплава в кри­ сталл, при условии, что вплавление протекает равномер­ но и перпендикулярно исходной поверхности кристалла, равна [М53]