35QMKM

Щель L I Монтантная -у полоса

• Зммм 2 мнм 7,05мнМ 2 мкм /3 мнм

Поназатель преломления

Моптакт

Рис. 9.18. Схематическое и.зображение светоднода иа основе двойной гетероструктуры с торцевым излучением. Обозначения слоев:

! -кремниевый изолятор (ограничивающий контактную полосу): 2-- p-t--GaAs. 3--P-Gao.eAlo.tAs; 4 - активный слой n--Gai,,9Ali,iAs; 5 - W-Gao.6Alo,<As: А эпитакснальный слой л-GaAs

ший коэффициент связи может быть получен даже с волокнами, имеющими относительно малый диаметр сердцевины, скажем, порядка 50 мкм. В приборах этого типа, однако, труднее осуществить теплоот-вод, чем в светоднодах с излучающей поверхностью, они сложнее в обращении и еще не получили широкого распространения.

9.4. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ГЕТЕРОСТРУКТУР

В этом параграфе дадим общее описание техники изготовления ге-тероструктур полупроводниковых соединений A"i В. Читатели, знакомые с технологией кремниевых приборов, знают, что большинство этих приборов делают из эпитаксиальных слоев, выращиваемых на монокристаллической подложке при соблюдении высокой чистоты и тщательного контроля размеров. Эпитаксиальная техника также используется в производстве приборов на основе А" В соединений, но химические свойства этих материалов требуют других методов как при изготовлении подложек, так и при выращивании эпитаксиальных слоев.

Монокристаллический кремний для подложки обычно выращивают путем кристаллизации на затравке (метод Чохральского). Полученная цилиндрическая булька в дальнейшем может быть подвергнута зонной очистке. После этого из нее нарезают плоские слои и полируют. Эпитаксиальные слои (юрмируют в процессе химического осаждения, похожего на описанный в гл. 4 метод, применяющийся при производстве оптических волокон. Качество эпитаксиальных слоев зависит как от качества подложки, так и от условий осаждения.

Материал подложки для А" полупроводников получают либо методом Чохральского, либо рекристаллизацией из жидкой фазы. Однако по сравнению с кремнием здесь наблюдается более высокий уровень кристаллических дефектов и дислокаций. Люминесцентные приборы изготавливались методом эпитаксии из паровой фазы иа нагретую подложку. Использовались и гидридные, и галоидные пары, но ни в одном случае не было достигнуто качество слоев, необходимое для эффективных люминесцентных диодов. Проблема заключается в необходимости обеспечить достаточно низкую скорость безызлучательиого распада, т. е. достаточно большое х. Более удачные результаты получены осаждением из органометаллических паров. При химическом осаждении можно поддерживать высокую точность контроля состава и толщины различных эпитаксиальных слоев. Может быть получена скорость роста порядка 20 мкм/ч. Техника эпитаксии из молекулярных пучков позволяет контролировать структуру эпитаксиальных слоев. Существенно, что необходимый для образования слоя материал испаряется с разогретой нити. Скорость роста получается низкой (порядка I мкм/ч) и требуется поддержание высокого вакуума. Этот способ еще не получил широкого распространения.

Наиболее широко при изготовлении люминесцентных приборов на основе А" - В соединений в настоящее время применяется жидко-фазная эпитаксия. Для этого метода характерна высокая, но контролируемая скорость роста, он наиболее подходит для получения тонких сильнолегированных слоев с резкими переходами. Процесс идет в печи с контролируемой температурой. Сделанная из графита «лодочка» помещается в скользящий держатель - «слайдер». Схематичное изобра-

Pacn/iaS Графитовое - покрытие

Графитовые /резервуары

Графитовый слайдер

Графитовый блок

Термопора

Нремнеземное ВоЗоробнал покрытие печь

Затравочная пластина

Рис. 9.19. Схематическое изображение сечения графитовой лодочки для выращивания трехслойной гетероструктуры методом жидкостной эпитаксии

жеиие устройства, которое может использоваться для получения различных эпитаксиальных слоев, приведено на рис. 9.19. Затравочную пластину размещают в углублении слайдера и протягивают под резервуарами лодочки. Температуру слегка понижают, что вызывает кристаллизацию при контакте раствора с затравкой. Кинетика реакции усложняется, если различные материалы и присадки, содержащиеся в жидкой фазе, осаждаются с разной скоростью. Однако контроль концентраций в растворе позволяет точно контролировать состав осаждаемых слоев. Этр применимо даже к таким сложным слоям, как четверные полупроводниковые соединения с малыми добавками материалов VI или II групп. Наиб41лее совершенные в настоящее время гетерострук-турные приборы получены именно жидкофазиой эпитаксией. Вполне возможно, что это положение изменится.

Использование химического осаждения совместно с техникой фотолитографии и окисиого маскирования обеспечивает массовое производство кремниевых интегральных схем. Недостаточное развитие подобной техники для А" - В материалов остается препятствием к разработке и производству сюжиых интегральных приборов иа основе этих полупроводниковых соединений.

ЗАДАЧИ

9.1. Рассчитать ширину обедненного слоя идеальной несмещенной n-N гетероструктуры, подобной показанной иа рис 9.2, для случая х, - 3,10 эВ, eg, 1,40 эВ, 7.2 2.50 эВ, ggj = 2,10 эВ, е-, - е.. 0,20 эВ й ег -

0,40 эВ. Относительная диэлектрическая проницаемость полупроводников е, = 13 и «2 = 12, а концентрация легирующих примесей в каждом полупроводнике - 10** м-Изобразить схему энергетических уровней перехода. Предполагается, что вакуумный уровень непрерывен, а изменение потенциала в обогащенном слое незначительно.

9.2. Вывести выражения, соответствующие формулам (7.6.7) и (7.7.2) для ширины и собственной емкости p-N гетероструктуры.

9.3. Вывести выражение, подобное равенству (9.1.7) для отношения дырочной плотности тока к электронной для положительно смещенной п-р гетероструктуры (рис. 9.6, б). С учетом полученного результата рассчитать эффективность инжекции при 100 С для дырок в узкозониой области положительно смещенной П+-Р гетероструктуры, в которой = 10* м-, п = 10* м-. Предполагается, что Eg, = 0,95 эВ, Eg2= 1,35 эВ, Тр/[с] Ю* м-з]/я, х„/(с1 - ЮвХ Х(м-»1/пд. De = Dft, А, = Ла.

9.4. Вывести выражение, соответствующее формуле (9.2 14) для отношения рекомбинационного тока к току утечки для дырок, пересекающих положительно смещенную N-p-P гетероструктуру, показанную на рис. 9.9, б.

9.5. Ток, инжектируемый в N-p-P двойную гетероструктуру, модулируется сигналом с частотой ш, т. е. плотность тока У - Уо -f ехр / се/. Предполагается: а) ток утечки и дырочный ток пренебрежимо малы; б) постоянные времени излучательной и безызлучательной рекомбинации в активном р-слое есть т„ и Тб соответственно; в) скорость рекомбинации в каждом гетеропереходе s; г) толщина активного слоя d. Показать, что модулированная оптическая мощность

Р = Р,+ Р, ехр/(ш/ + Ф),

где (Р,/Уо)=Лвнут(Лс/е>,) и (Р,/Уг) =--(Лвнут/(Ц-/й>т)] (йс/еХ), Лвнут = 1/Тн, 1/т= 1/т„--l/T6-l-2s/rf, (йс/Х)~средияя энергия фотона.