Эпитаксиальные структуры на основе твердого раствора Al x Ga1-xSb : Физические основы технологии, свойства, применение Гермогенов, Валерий Петрович

Введение к работе

Актуальности темы. Прогресс в области полупроводниковой электроники неразрывно связан с поиском, исследованием и применением новых полупроводниковых материалов. На протяжении четверти века основные успехи в области полупроводниковой оптоэлектроники связаны с использованием особого класса материалов - полупроводниковых твердых растворов.

Применение твердых растворов позволило резко улучшить параметры и характеристики известных полупроводниковых приборов и открыло перспективы разработки принципиально новых приборов - на основе объединения в одном монокристалле областей с различным химическим составом, т.е. - за счет создания гетероструктур и варизоннъм структур. В последние годы огромный интерес вызывают физические свойства и приборные применения гетероструктур с характерными размерами областей, сравнимыми с длиной волны де Бройля электрона (т.е. квантово-размерных структур) и гетероструктур с искусственно созданным периодическим потенциалом для электронов (сверхрешеток).

Преимущества структур с гетеропереходами m основе твердых растворов были впервые широко продемонстрированы с использованием тройного твердого раствора Al,Qai.,As /t/. Благодаря слабой зависимости периода решетки от состава, на основе этого твердого раствора удалось получить гетеропереходы с характеристиками, близкими к идеальны*!, и к настояшему времени Al_xQa,.,As стал классическим, модельным материалом при получении и изучении свойств гетероструктур различного типа.

Настоящая диссертационная работа посвящена исследованию свойств и возможностей применения твердого раствора AljGa^Sb, представляющего смесь двух полупроводниковых соединений типа A"'B^V - антимоннда галлия и антимонида алюминия. Интерес к этому материалу вызывается Целым рядом обстоятельств.

Ширина запрещенной зоны Твердого раствора AljGaj.jSb изменяется от 0,72 до 1,62 эВ при изменении содержания AlSb х от 0 до 1. Вследствие этого оптоэлектронные приборы Из Al^Oa^jSb способны работать в практически важном оптическом диапазоне X ~ 0,8+1,7 мкм.

Несоответствие периодов решетки антнмонндов галлия и алюминия составляет всего 0,66%, поэтому период решетки твердого

/

4 раствора слабо зависит от состава, її На основе Al_xQa_t.,Sb удается получать достаточно совершенные слои и гетеросгруктуры. Используя Небольшие добавки четвертого компонента - мышьяка, т.е. переходя от Тройного твердого раствора A^Ga^Sb к четверному - AljGai.jSfy.yAs,, (где 0 < у * 0,09х <, 0,084), можно выращивать слои, период решетки которых ь точности равен Периоду подложки из OaSb /2,3/.

В твердом растворе AljGa^Sb При изменении X от 0 до 1 наблюдается сМена типа абсолютных минимумов зоны Проводимости в последовательности t, L, X /4/, которая приводит к соответствующему изменению электрических И оптических свойств материала вблизи "пограничных* составов. Это обстоятельство представляет интерес в физическом плане и может быть Использовано для создания приборных структур.

На основе A],Ga|_.,Sb И Al_xGa,.,Sbi.j.ASj, изготавливаются лазерные диоды и фотоприеиники диапазона 1,0+1,6 мкм. СЛои из этих материалов Используются также в качестве эмиттерных, умножающих или световыводящих слоев в гетероструктурах для оптоэлектронных приборов более длинноволновой области спектра.

Особый интерес в Практическом' отношении представляет твердый раствор AI,Ga,.,Sb с х = 0,04-0,06, В котором наблюдается резкое различие коэффициентов ударной ионизации дырок и электронов. На основе твердого раствора данного состава созданы лавинные фотодиоды с очень низким коэффициентом избыточного шума.

Начало Исследований твердого раствора Al,Ga_t.,Sb было
положено работами, проводившимися Горюновой НА и Бурдияном
И.И. с соавторами в Ленинградском физико-техническом институте /5/.
В этих работах, было доказано существование непрерывного ряда
твердых растворов во всем диапазоне составов и Исследованы
физические свойства крупнокристаллических материалов, полученных
путем сплавления исходных простых веществ и гомогенизацией слитков
многократной зонной плавкой. В последующей работе Калюжной Г.А.,
Третьякова Д.Н. И др. /6/ была показано возможность получения
кристаллов твердого раствора Al_xOa,.,Sb Из раствора в расплаве галлия.
Наконец, в докладе Алферова Ж.И. с соавторами в 1970 году /7/ было
сообщено о получении методом жиДкофазной эпитаксии слоя
Alo,iGa_0i9Sb на подложке из GaSb. '

В последующие годы свойства твердых растворов Al_xGaj._xSb, Al.Ga^jSb^yASy и характеристики структур на их основе Исследовались

5 целым рядом научных коллективов. Наиболее интенсивно исследования проводились в Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе РАН, ГИРЕДМЕТе, Физическом институте им. П.Н.Лебедева РАН, в Институте физики Академии наук и Тартуском госуннверситете (Эстония), в Центре электроники и Университете науки и техники (Моилелье, Франция), в Исследовательском центре Рокуэлл интернэйшнэл (Калифорния, США), в нескольких лабораториях и университетах Японии.

В Сибирском физико-техническом 'институте им. В.Д.Кузнецова при Томском госуниверситете исследования твердого раствора Al_xGa,__xSb и структур на его основе были начаты в 1972 году.

Данная диссертационная работа является научным обобщением результатов этик исследований, проводившихся как непосредственно автором, так и под его руководством.

Цель работы и задачи исследования. К моменту начала работы в литературе практически отсутствовали сведения о получении данного твердого раствора эпитакспальнымн методами (исключение составляла работа /7/), о фотоэлектрических и люминесцентных свойствах материала, о возможности создания p-n-переходов и других барьерных структур. По этой причине целью настоящей работы ставилась разработка физических основ технологии получения слоев и приборных структур из данного полупроводникового материала.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- разработать методики выращивания слоев и многослойных
структур на основе твердого раствора Al_xGa,__xSb;

- исследовать закономерности легирования Al_xGa,._xSb примесями
различных элементов;

исследовать энергетический электронный спектр и основные электрофизические характеристики твердого раствора;

с использованием установленных закономерностей создать барьерные структуры на основе Al_xGa₁._xSb;

изучить свойства барьерных областей и механизмы протекания тока в структурах различного типа;

- исследовать фотоэлектрические и люминесцентные свойства
структур из AJ_xGa,._xSb.

Научная новизна работы состоит, прежде всего, в выборе объекта для комплексных исследований - малоизученного полупроводникового материала - твердого раствора Al_xGa|._xSb. К наиболее существенным

новым научным результатам, представленным в работе, относятся следующие.

1; Выявлена специфичность объемных и поверхностных структурных дефектов, образующихся в слоях твердого раствора Al_xGa,__xSb при выращивании их методом жидкофазной эпитаксии. Предложены модели, объясняющие возникновение этих дефектов в процессе роста.

Выяснены условия формирования стабильной межфазной границы Подложка/расплав Ga+Al+Sb в процессе эпитаксии. Получены зависимости критической величины начального переохлаждения жидкой фазы от се состава и температуры контакта.

2. Впервые изучены электрофизические и люминесцентные
свойства слоев антимонида галлия, легированных изовалентными
примесями In и Bi. Построены экспериментальные изотермы ликвидуса
и солидуса фазовой диаграммы тройной системы Ga-Sb-Bi (для
Т = 450С). Определена зависимость ширины запрещенной зоны
твердого раствора GaSb,__xBi_x от состава.

3. Проведем анализ зависимости коэффициентов распределения
легирующих примесей элементов II, IV и VI групп периодической
системы в идеальном тройном твердом растворе типа A_x'Bj!_xC^v - от
его состава. Впервые экспериментально определены тип электрической
активности и коэффициенты распределения ряда примесей в слоях
твердого раствора AJ_xGai._xSb различного состава.

4. Изучено влияние легирующих йримесей на спектр и
эффективность люминесценции при 300 К антимонида галлия и
твердого раствора AijGa^Sb различного состава.

5. Впервые получены структуры с p-n-переходами в AI_xGa,._KSb И
исследованы механизмы Прямого и обратного токов в них.
Проанализировано влияние состава области пространственного заряда и
других областей структур на вид вольт-амперных характеристик.

6. Впервые созданы поверхностно-барьерные структуры Pd/n-
Al_xGa!__xSb и изучены их электрические и фотоэлектрические
характеристики.

7. Оценены параметры инверсного р-слоя у свободной
поверхности n-Al_xGa_UxSb и исследовано его влияние на характеристики
барьерных структур.

Научные положения, выносимые на защиту'. 1. Образование основных видов объемных дефектов (включений второй фазы, микронеоднородностей состава, пирамид роста) при

7 жндкофазной эпнтаксии твердого раствора Al_kGa|._xSb обусловлено возникновением локальных неоднородностеіі рельефа и состава жидкой фазы в результате подтравливання подложки GaSb тройным расплавом Ga+Al+Sb.

2. Для уменьшения плотности дефектов в слоях AljGa^jSb
необходимо получение плоского фронта кристаллизации, что
достигается заданием переохлаждения в жидкой фазе выше
критической величины ATjj., которая зависит от состава

выращиваемого слоя и температуры роста.

1. Легирование антимонида галлия изовалентными примесями индия или висмута приводит к уменьшению концентрации собственных точечньгх дефектов, являющихся "природными"' акцепторами, и таким образом значительно расширяет диапазон, легирования сдоев GaSb в сторону меньших концентраций носителей заряда.

2. Эффективность легирования твердого раствора Al_xGa|__xSb акцепторными (Z», Si, Ge, Sn) п донорноіі (Те) примесям» зависит от состава твердого раствора (уменьшаясь с увеличением к ) и температуры эпнтаксии.. Для примесей IV группы эффективность легирования АК уменьшается с увеличением атомного номера элемента:

AK_Si > ЛК_ас > ЛК_$Л > ДК_№.

5. Перераспределение электронов между Г-, L- и Х-подзонами
зоны проводимости является основной причиной зависимости
величины удельного электрического сопротивления n-Al^Ga^jSb, ее
тензочувствнтельности, а .также эффективности люминесценции
Al_xGai__KSb - от состава твердого раствора.

6. Вольт-амперные характеристики барьерных структур из
Al_xGa,._xSb ( p-n-гомо- и -гетеропереходов, варшониых р-п-структур,
поверхностно-барьерных структур) в значительной степени
определяются составом твердого раствора в области пространственного
заряда и наличием в ней генерационно-рекомбинационных центров.

7. Целый ряд особенностей электрических и фотоэлектрических
характеристик барьерных структур обусловлен наличием на свободной
поверхности n-Al_xGa₍__xSb инверсного р-слоя, проводимость которого
зависит от состава и уровня легировании n-области структуры.

Практическое значение проведенных Исследований состоит в том, что их результаты дают возможность разрабатывать и создавать приборные структуры различного типа на основе твердого раствора AljGa^xSb. В частности, к таким практическим результатам работы относятся следующие.

8 J. Разработаны физнко-технологические основы получения слоев и гетероструктур из Al,Oa,._tSb с плоскими гетерограницами и пониженным содержанием объемных, поиерхностных и линейных дефектов.

2. Предложены способы снижения концентрации собственных точечных акцепторных дефектов в активных областях из GaSb.

3. Предложен способ получения слоев GaSb и A^Ga^Sb, обладающих высокими излучательными свойствами при 300 К.

4. Созданы р-п-структуры с различным составом твердого раствора в области пространственного заряда. Изготовлены р-и-фотодноды на длину волны 1,3 мкм.

5. На основе поверхностно-барьерных структур Pd/n-Ai_xGa|._xSb изготовлены фотодиоды для диапазона 1,0+1,3 мкм.

6. Предложены способы снижения темпового обратного тока в фотоднодных структурах из Al_xGa|.„Sb.

7. Предложены конструкции тензорезистора и датчика
гидростатического давления с повышенной температурной
стабильностью На основе n-Al_xGa₍__xSb.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и совещаниях: 6-ая Международная конференция по росту кристаллов (г.Москва, 1980 г); VI Симпозиум по процессам ростя и синтеза полупроводниковых кристаллов и пленок (г.Новосибирск, 1975 г); Третья всесоюзная < конференция по физико-химическим основам легирования полупроводниковых материалов (г.Москва, 1975 г); V Симпозиум по процессам роста и синтеза полупроводниковых кристаллов и пленок (г.Новосибирск, 1978 г); Конференция "Полупроводниковые приборы с барьером Шоттки" (г.Одесса, 1978 г); II Всесоюзная конференция по физическим процессам в полупроводниковых гетероструктурах (г.Ашхабад, 1978 г); III Всесоюзное совещание "Дефекты структуры в полупроводниках" (г.Новосибирск, 1978 г); Всесоюзная конференция по физике соединений А³В⁵ (г.Новосибирск, 1981 г); III Всесоюзная конференция по физическим процессам в полупроводниковых гетероструктурах (г.Одесса, 1982 г); VI Конференция по процессам роста и синтеза полупроводниковых кристаллов н пленок (г.Новосибирск, 1982 г); Всесоюзная конференция "Физика и применение контакта металл-полупроводник" (г.Киев, 1987 г); Всесоюзная научная конференция "Фотоэлектрические явления и полупроводниках" (г.Ташкент, 1989 г); XII Всесоюзная конференция по

физике полупроводников (г.Киев, 1990 г); VI Межотраслевая научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов (г.Москва, 1976 г); научно-практические конференции региона, области, Томского госуниверситета (г.Томск, 1973-1977 гг).

По материалам диссертации опубликовано 49 работ, в том числе -4 авторских свидетельства на изобретения.

Личный вклад автора. Результаты, изложенные в диссертации, получены автором и группой сотрудников, руководимых автором, а также - в сотрудничестве с научными работниками Сибирского физико-технического института им.В.Д.Кузнецова и Физико-технического института им.А.Ф.Иоффе РАН. Личный вклад автора включает формулировку цели и задач исследовании, разработку установок и методик для выращивания, получение слоев и структур, выбор методик исследований, проведение части измерений, разработку физических моделей, проведение основной части теоретических расчетов, обработки и анализа результатов, обобщение представленного в диссертации материала.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Объем работы составляет 442 страницы текста, включая 162 рисунка, 21 таблицу и список использованных источников из 444 наименований.