Содержание

1. Введение

2. Ширина запрещенной зоны

3. Изопериодные гетероструктуры

4. Твердые растворы в системе In-Ga-As-P

5. Твердые растворы в системе In-Ga-Al-P

6. Практическое задание

7. Заключение

8. Список литературы

1. Введение

Все полупроводниковые материалы, используемые в электронной технике, представляют собой твердые растворы на основе элементарных проводников или полупроводниковых соединений. Тенденция развития полупроводниковой электроники в настоящее время заключается в том что, все новые материалы представляют собой, как правило, твердые растворы на основе соединений и реже элементарных веществ. По-видимому, в дальнейшем число компонентов, образующих эти твердые растворы, будет расти. Полупроводниковые материалы по химическому составу можно разделить на простые и сложные. Простыми (элементарными) полупроводниковыми материалами являются 12 химических элементов периодической системы: в III группе - В; в IV - С, Ge, Si. Sn (серое олово); в V - Р, As, Sb; в VI - S, Se, Те; в VII -I. В полупроводниковой электронике в основном применяют Ge и Si, а остальные используют в качестве легирующих добавок или компонентов сложных соединений. Сложными полупроводниковыми материалами являются химические соединения, обладающие полупроводниковыми свойствами и включающие два, три и более элементов. Полупроводниковые соединения, состоящие из двух элементов, приято называть бинарными. Они обозначаются буквами латинского алфавита с цифровыми индексами (римские цифры над буквами обозначаются группу в периодической системе, а арабские цифры под буквами - стехиометрический коэффициент): АШВV (GaAs, JnSb), AIIBVI(CdS. ZnSe), AIVBVI(PbTe), AIVBIV(SiC), A2VB3VI(Bi2Te3) и т.д. Твердые растворы полупроводниковых материалов обозначают символами входящих в него элементов с индексами, которые указывают атомную долю этих элементов в растворе. Задача этой курсовой работы - подробно изучить твердые растворы полупроводниковых соединений.

1. Твердые растворы. [2]

Признаком образования твердого раствора является сохранение типа решетки компонента--растворителя, но с иными размерами элементарной ячейки. Компоненты могут образовывать растворы неограниченной и ограниченной растворимости с разной степенью этого ограничения и разной температурной зависимостью предела насыщения раствора (предела растворимости).Твердые растворы существенно расширили по сравнению с элементарными полупроводниками и полупроводниковыми соединениями набор электрофизических параметров, определяющих возможности применения материалов в конкретных полупроводниковых приборах. Среди алмазоподобных полупроводников, в том числе соединений типа А В, распространены твердые растворы замещения. Необходимыми условиями образования твердых растворов являются кристаллохимическое подобие кристаллических решеток соединений-компонентов и близость их периодов идентичности. Наиболее хорошо изучены тройные твердые растворы, в которых замещение происходит лишь по узлам одной из подрешеток бинарного соединения (металлической или металлоидной). Состав таких твердых растворов принято характеризовать символами АхВ1-хС и АСуD1-у, где А и В обозначают элементы III группы, а С и D- элементы V группы. В формуле АхВ1-хС индекс х определяет мольную долю соединения АВ в твердом растворе. Если твердые растворы существуют во всем диапазоне концентраций, то х может изменяться от 0 до 1. В тройных твердых растворах имеет место статистически неупорядоченное распределение атомов замещаемых компонентов по узлам соответствующей подрешетки. С изменением состава твердого раствора наблюдается линейное изменение периода кристаллической решетки. Эта закономерность известна в кристаллохимии как закон Вегарда. Она позволяет определять состав твердого раствора по изменениям периода решетки с помощью дифракции рентгеновских лучей. Как в бинарных соединениях АIIIВV, в твердых растворах не наблюдается существенных отклонений от стехиометрии, поэтому они просты по механизму легирования. Теми же методами, что и в бинарных соединениях, в них могут быть получены электронно-дырочные переходы. Температурные изменения электрических параметров также принципиально не отличаются от соответствующих зависимостей для соединений-партнеров.

2. Ширина запрещенной зоны

Особый интерес к твердым растворам обусловлен возможностью плавного управления шириной запрещенной зоны полупроводников путем изменения их компонентного состава. Возможные варианты этих зависимостей показаны на рис.1.1 [6]

ДЕ, эВ

а) б)

Рис.1.1 Зависимость ширины запрещенной зоны от состава твердых растворов на основе соединений АIIIВV (Т=300К)

а - соединения-партнеры имеют одинаковую зонную структуру;

б - соединения-партнеры имеют различную зонную структуру

Как видно из рисунка, зависимость ширины запрещенной зоны от состава в некоторых системах твердых растворов (Gaу In1-х As; InPу As1-у) очень близка к линейной, но может и существенно отличаться от нее, проявляя экстремум или излом при определенном соотношении между компонентами.

Конкретный характер зависимости во многом определяется типом зонной структуры соединений-партнеров, т. е. положением их энергетических долин в пространстве квазиимпульсов (k-пространстве).

В частности, излом зависимости ?Э(х) аблюдается в тех системах твердых растворах, в которых исходные бинарные соединения имеют зонные структуры различных типов, т. е. различное расположение главных энергетических минимумов зоны проводимости в k-пространстве.

Рисунок 1.2 [4] Зависимость Е g(х) для твердого раствора PbxS1-xSe

Вместе с тем, как и в металлических сплавах, эффекты статистического разупорядочения в кристаллической решетке оказывают сильное влияние на удельную теплопроводность полупроводников, которая у твердых растворах оказывается заметно ниже, чем у бинарных соединений. Например, у твердых растворов GaAs0,5P0,5 и Al0,5Ga0,5As значение удельной теплопроводности примерно на порядок меньше, чем у чистых кристаллов GaAs.

Изменение ширины запрещенной зоны у твердых растворов сопровождается соответствующим смещением спектров оптического поглощения и пропускания, люминесценции и фоточувствительности. С изменением состава твердого раствора изменяются значения диэлектрической проницаемости и показателя преломления, происходит смещение примесных энергетических уровней. В ряде систем при определенном соотношении между компонентами можно получить качественное новое сочетание свойств. Так, в твердых растворах GaAs1-уPу и AlхGa1-хAs (с х и у порядка 0,3 ч 0,4) сочетаются достаточно широкая запрещенная зона ( ?Э>1,7эВ) с высоким квантовыми выходом межзонной излучательной рекомбинации. Такие материалы используют для создания эффективных электролюминесцентных источников красного излучения (светодиодов и лазеров). Твердые растворы GaхIn1-хP c х=0,5-0,7 обладают эффективной люминесценцией в желто-зеленой области спектра. Получение однородных твердых растворов заданного состава представляет собой весьма трудную технологическую задачу. Обычными методами кристаллизации из расплава в лучшем случае удается получать однородные поликристаллические слитки. Монокристаллические слои твердых растворов, используемых в приборных структурах, осаждают исключительно методами эпитаксии. Эпитаксию твердых растворов GaAs1-уPу осуществляют на подложках GaAs или GaP с помощью химических реакций, протекающих в газовой фазе. В то же время наиболее совершенные эпитаксиальные слои AlхGa1-хAs, AlхGa1-хSb, GaхIn1-хAs, GaхIn1-хP получают методом жидкофазовой эпитаксии с использованием галлия или индия в качестве растворителя.

3. Изопериодные гетероструктуры

Твердые растворы открывают широкие возможности создания гетеропереходов и приборов на их основе. Под гетеропереходом понимают контакт двух полупроводников с различной шириной запрещенной зоны. Для получения гетеропереходов со свойствами идеального контакта необходимо выполнить ряд условий совместимости материалов по механическим, кристаллохимическим и термическим свойствам. Решающим критерием при выборе материалов контактной пары является соответствие периодов их кристаллических решеток и температурных коэффициентов линейного расширения. Если компоненты гетеропары обладают взаимной растворимостью во всем интервале концентраций, то появляется уникальная возможность создавать гетеропереходы между химическим соединением АС и твердым раствором АхВ1-хС на его основе. Это обстоятельство позволяет плавно изменять свойства материалов на контактной границе, что важно при изготовлении ряда приборов оптоэлектроники и прежде всего - источников и приемников излучения. Среди полупроводников типа АIIIВV наилучшими парами материалов для создания идеальных гетеропереходов являются системы GaAs-AlхGa1-хAs и GaSb-AlхGa1-хSb. Преимущества указанных гетеропар заключаются в том, что период решетки твердых растворов AlхGa1-хAs и AlхGa1-х Sb слабо зависит от состава и близок к периоду решетки бинарного соединения (собственно GaAs и GaSb). Дополнительные степени свободы для варьирования параметрами сопрягаемых полупроводниковых материалов при получении идеальных гетеропереходов возникают при использовании четырехкомпонентных твердых растворов типа АхВ1-хСуД1-у. Среди этой группы материалов наиболее интересными и изученными являются твердые растворы GaхIn1-хAs1-уPу, в которых имеет место замещение по обеим подрешеткам при сохранении общей стехиометрии, т. е. равенство суммарных количеств атомов металла и металлоида. В качестве исходных компонентов такого твердого раствора можно рассматривать четыре бинарных соединения: GaP, InP, GaAs и InAs. Особый интерес представляют твердые растворы GaхIn 1-хAs1-уPу с изопериодическим замещением по отношению к InP. В зависимости от состава их запрещенная зона может изменяться в пределах от 0,75 до 1,35 эВ. Инжекционные лазеры на основе гетеропары InP- Ga In As P переспективны для применения в волоконно-оптических линиях связи, поскольку спектральный диапазон их излучения соответствует минимальным оптическим потерям кварцевого волокна.

4. Твердые растворы в системе In-Ga-As-P

5. Твердые растворы в системе In-Ga-AI-P

Несмотря на широкие возможности приборного использования твердых растворов InGaAsP для этой системы характерно то, что в желто-зеленой области спектра происходит переход от прямой к непрямой структуре энергетических зон. Это в свою очередь ограничивает возможности создания высокоэффективных приборов, работающих в этой спектральной области. В значительной степени проблему расширения спектрального диапазона высокоэффективных оптоэлектронных приборов в коротковолновую область решает система In-Ga-Al-P (твердые растворы In_1-x-yGa_x,Al_yР или (Al_xGa_1-x1-yIn_y P).Использование интерполяционной процедуры с применением данных для трехкомпонентных систем позволяет установить композиционные зависимости шириной прямой и непрямой запрещенной зоны твердых растворов In_1-x-yGa_x,Al_yР:

По сравнению с традиционными идеальными твердыми растворами AlGaAs гетероструктуры на основе рассматриваемых материалов характеризуются определенными трудностями получения слоев p-типа проводимости, малой подвижностью дырок, достаточно большим удельным тепловым сопротивлением, а также сравнительно небольшим разрывом зоны проводимости. В частности, цинк, являющийся наиболее широко используемой акцепторной примесью в соединениях А₃В₅, не дает достаточно хороших результатов, так как энергия активации этой примеси возрастает по мере увеличения у. Это приводит к тому, что эффективность использования цинка при формировании достаточно сильно легированных областей Аl_0.5In_0.5Р, например, эмиттеров p-типа в ЛД, становится очень малой. Это приводит к тому, что когда цинк используется, например, для легирования эмиттера р-типа, состав слоя p-типа обычно ограничивается значением у > 0,7. В противоположность этому магний и бериллий являются более эффективными акцепторными примесями, использование которых позволяет добиться концентрации дырок >10¹⁸ см^-3 в Al_0.5In_0.5P, хотя подвижность дырок в этом случае достаточно мала (10 см² / В с). Распределяется между разрывом зоны проводимости (?Е_c ) и разрывом валентной зоны (?Е_v) в соотношении = 65 /35. В системах твердых растворов GaAlAs и InGaAlP разрыв зоны проводимости (?Е_c ) возрастает с увеличением содержания алюминия в ограничивающих барьерных слоях вплоть до перехода от прямой к непрямой структуре энергетических зон. При большем содержании алюминия разрыв зоны проводимости начинает уменьшаться в то время, как разрыв валентной зоны (?Е_v) продолжает возрастать. Т.о. максимальный разрыв зоны проводимости имеет место, когда состав ограничивающего слоя находится вблизи границы перехода от прямой к непрямой структуре энергетических зон. Например, в структурах на основе (AlGa)_0.5In_0.5Р разрыв зоны проводимости составляет 270 мэВ, что несколько меньше аналогичного разрыва для системы AlGaAs (350 мэВ). В дополнение к меньшему разрыву зоны проводимости система AlGalnP не перекрывает столь же большой энергетический диапазон, как система AlGaAs (450 мэВ по сравнению с 750 мэВ), что ограничивает потенциал ограничения электронов. В свою очередь, меньший потенциал ограничения электронов приводит к большей утечке этих носителей заряда через гетеробарьер, в особенности в коротковолновых приборах, когда определенная доля электронов, инжектированных в активную область, обладает достаточной энергией, чтобы перейти в р-эмиттер. Эти неосновные носители либо дрейфуют, либо диффундируют по направлению к р-контакту, что приводит к увеличению тока утечки и (в случае ЛД) к возрастанию порогового тока. Это является одной из причин температурной чувствительной порогового тока ЛД на основе рассматриваемых материалов. В связи с этим для уменьшения тока утечки в оптимизированных структурах необходимо использовать эмиттеры с максимально возможной шириной запрещенной зоны и большим уровнем легирования. Эффективные массы носителей также больше в AlGalnP, чем в AlGaAs что приводит к большей плотности состояний и, следовательно, к необходимости большей концентрации носителей вблизи порога генерации. Таким образом, по сравнению с ЛД на основе структур AlGaAs, согласованных по постоянной решетки с подложкой GaAs, аналогичные структуры AlGalnP характеризуются большим пороговым током. В то же время в структурах AlGalnP, использующих сжимающее механическое напряжение активной области, когда плотность состояний в валентной зоне уменьшается, пороговые токи также существенно уменьшаются. В качестве примера можно отметить, что функциональные характеристики ЛД на основе напряженных квантово-размерных структур AlGalnP, излучающих на длине волны 670 нм, приближаются к характеристиками ЛД на основе ненапряженных структур AlGaAs. В этом случае внутренний квантовый выход приближается к 100 % и плотность порогового тока составляет менее 200 А/см2 при комнатной температуре. Другая интересная особенность системы AlGalnP связана с тенденцией самопроизвольного упорядочения в процессе эпитаксии из металлоорганических соединений (МОС-ПФЭ) на подложках GaAs с ориентацией (100). Согласно существующим представлениям упорядоченные твердые растворы AlGalnP представляют собой монослойную сверхрешетку из монослоев (AlGa)InP вдоль плоскости {111}. Степень упорядочения зависит от условий синтеза, при этом решающую роль играет температура синтеза. Применительно к приборам видимого диапазона присутствие упорядоченной фазы часто рассматривается как нежелательный эффект, так как в этом случае как прямая, так и непрямая запрещенные зоны имеют ширину на 70-100 мэВ меньшую по сравнению с неупорядоченными твердыми растворами. Для устранения эффектов упорядочения достаточно эффективными средствами являются использование больших температур и небольшого отклонения ориентации подложки в направлении {111}. К этому же может привести более эффективное легирование акцепторными примесями (легирование донорными примесями менее эффективно).

6. Практическое задание

Для твердого раствора Ge0.5Si0.5 определить коэффициент компактности кристаллической решетки и ширину запрещенной зоны этого раствора.

Решетка алмаза ( С, Ge, Si )

1) Координационное число = 4

2) Ближайшие соседние атомы расположены в вершинах тетраэдра на расстояниях.

Постоянная решетки в сплавах Ge-Si изменяется линейно с составом между значениями а, соответствующими Ge и Si а ширина запрещенной зоны изменяется при этом не линейно при малых концентрациях Si в в сплаве ширина запрещенной зоны возрастает с ростом концентрации Si примерно по линейному закону. Ниже приведен график зависимости ширины запрещенной зоны от концентрации по которому мы легко можем вычислить что ширина запрещенной зоны которой соответствует концентрация Si 50% и Ge 50% примерно равна 0,9 эВ.

7. Заключение

В данной курсовой работе были подробно изучены твердые растворы полупроводниковых соединений их свойства и область их применения. Была изучена зависимость запрещенной зоны твердых растворов от их состава.

8. Список литературы

1. C.C. Горелик «Твердые растворы элементарных полупроводников и полупроводниковых соединений», Москва Металлургия 1974г. (703стр.)

2. О. Маделунг «Физика полупроводниковых соединений 3 и 5 групп», Москва Мир 1967г. (479 стр.)

3. R. Willardson, H. Goering «Полупроводниковые соединения», Москва Металлургия 1974г. (727стрю.)

4. П.И. Баранский, В.П. Клочков, И.В. Потыкевич «Полупроводниковая электроника» Наукова думка, 1975г. (727стр.)

5. В.З. Островская, А.Я. Нашельский «Твердые растворы» Москва 1976г. (308стр.)

6. В.С. Земсков, В.Б. Лазарев «Твердые растворы в полупроводниковых системах» Москва 1973г. (200стр.)