8 iii-v多元化合物半导体
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3
2.8
2.6
2.4
光子能量 E/eV
直接(Γ ) 2.2 Ec=1.99eV xc=0.46 2.0 间接(Χ ) 直接(Γ ) 1.8 间接(Χ )
图 示 出 了 GaAs1-xPx 的能带结构随组分x的 变化,间接跃迁与直 接跃迁转换点的组分 xc=0.46,其对应的 禁带宽度Ec=1.99eV。
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一、相图 若进行GaAlAs的LPE生长,必须了解Ga-Al-As体系 相图。 图中A点表示Al为0.5%(原子%),Ga89.8%, As为9.7%。 要想得到x=0.3的Ga1-xAlxAs外延层,外延起始温度 为1000 ℃时,液相配制成 A点所示的成分。当温度低 于1000℃时,此溶液过饱和,如与衬底接触便能生长 出Ga0.7Al0.3As的外延层,如果温度高于1000℃,则 溶液未饱和可发生溶液腐蚀GaAs衬底片的现象(溶衬 底)。
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异质结外延生长时,应变能是随着外延层的厚 度增加而增加的。 外延层即将释放应变能形成失配位错时的厚度称 之为“临界厚度”。 进行异质结外延生长时,如果其厚度不超过临界 厚度,那么外延层是完整的没有失配位错,也可 通过界面缓变和突变两种方法来减少失配位错。
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缓变法:异质外延生长时,缓慢地改变其多元化合物的组 分,使晶格常数逐渐变化到要求值。 例,在GaAs衬底上生长GaAs0.6P0.4时,先生长一层过 渡层,此层内的组分P由0变到0.4。
第八章 Ⅲ-Ⅴ族多元化合物半导体材料
Ⅲ-Ⅴ族二元化合物的晶格常数和禁带宽度等都是一定的, 在应用时常受到限制。 如:光电器件的发射波长由材料的禁带宽度限定。 由两种Ⅲ-Ⅴ族化合物合成的三元或四元化合物,除与能 量有关的参数(Eg、)考虑能带弯曲外,其它参数(a、 me*、 mhh*、 mhl * mhs * )基本上用维戈(Vergard)公 式线性插值得到。
2
三元系AxB1-xC的 带隙表示为
Eg ( x) (1 x) Eg BC xEg AC cx(1 x)
C为弯曲参量 如组成多元化合物的两个二元化合物分别为直接 跃迁与间接跃迁型时,所组成的多元化合物因组 分不同而属于直接跃迁或间接跃迁型,而且多元 化合物的直接跃迁的禁带宽度有可能大于组成该 多元化合物的二元化合物的禁带宽度。
1
三元系AxB1-xC的晶格常数可由与其相关的两个二元 合金(AB、BC)的晶格常数线性插值获得
a0 a AC x a BC (1 x)
对In1-xGaxAs材料来说,它的晶格常数随组分x的 变化为
a0 aGaAs x a InAs (1 x)
即可从GaAs的5.653 Å 变化到InAs的6.059 Å。
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N-Ga1-xAlxAs
P-GaAs
P-Ga1-xAlxAs h
n
I
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(3)异质结对载流子的限制。由于异质结界面存在 △Ec和△Ev ,所以能够在一定程度上限制电子和空 穴从有源区泄出。异质结结构中从N-AlGaAs限制层 注入P-GaAs有源区的电子受到P-P同型异质结造成 的势垒的限制,大大提高了注入电子的利用率。 如果取有源区厚度小于扩散长度,则注入到有源区 势阱中的电子分布是均匀的,这使同样电流密度下 得到的过剩载流子浓度大大增加。 有源区与N区界面处的价带势垒又阻碍空穴的扩散, 阈值电流密度进一步降低,这是双异质结LD实现室 温连续激射的重要前提。
MOVPE生长Ga1-xAlxAs: 衬底:GaAs; Ⅲ族源:TMG(TEG),TMAl;V族源:AsH3。 在生长GaAs的MOVPE系统中加TMAl输运及控制系统, 生 长 温 度 稍 高 于 GaAs 的 生 长 温 度 , 一 般 选 在 700~750℃。 生 长 期 间 要 根 据 所 生 长 Ga1-xAlxAs 的 x 调 整 TMAl 和 TMG之比,即Ⅲ/ Ⅲ比,同时还要考虑AsH3 与Ⅲ族源 TMAl与TMG的输入比,即Ⅴ/Ⅲ比。 x值的控制:依据x值计算出应输入的TMAl和TMG量, 然后进行生长,测其x值,再进行校正直到符合要求为止。
在N2气氛下将Al及各种掺杂剂加入Ga-GaAs溶液 中,放好已处理好的GaAs衬底,再装入生长室中;
抽空、通H2,加热至900℃恒温10min,使所有组 分混合好; 然后按要求降温,并移动液池。
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温 度 T/℃ 第一层840℃ 0.6℃ /min 第二层830℃ 第三层830℃ 第四层829℃ 第五层826℃ 850℃ 停止(826℃)
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二、异质结的特性 (1)高注入比。注入比指P-N结加正向电压时,N区 向P区注入的电子流Jn1与P区向N区注入的空穴流Jp2之 比。 对 P-GaAs 和 N-AlGaAs 异 质 结 , 它 们 的 注 入 比 约 7.4105 ,这是半导体激光器可提高注入效率,降低阈 值电流密度,提高量子效率的重要原因之一。 (2)超注入现象。N区内的电子处在势能比P区导带 底高的N区导带内。在漂移场和扩散场的驱使下,很容 易使注入到窄带隙P区的电子(P区少子)比宽带隙N 区本身的电子(多子)数还多。; P区界面附近造成载流子的堆积。甚至可达到简并化的 程度,这一现象称超注入现象
t/min
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生长完毕停止加热,冷却后取出外延片。 用水:盐酸=1:1混合液煮去残留在外延片上的溶 液,即可得到表面光洁、平坦的外延片。
解理法解理后,用K3[Fe(CN)6]:KOH: H2O=1:1:10(重量比)腐蚀液,在60℃,腐蚀 10s,用显微镜测各外延层的厚度。
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8-2-2 MOVPE法生长GaAlAs
入射光
Fra Baidu bibliotek
Eg1>Eg2
从材料2的角度看,宽带材料就是它的光“窗口”。
(6)同型异质结可为形成金属化欧姆接触提供一个禁 带宽度小的称为“盖层”的材料层。
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三、晶格匹配 外延层和衬底或相邻的两个外延层之间,如果存在着 晶格常数的差异,就有晶格匹配的问题,大小由下式 给出
a1 a 2 f a2
f:失配率(度),a1和a2:分别为外延层材料和衬 底材料的晶格常数。
本章介绍一些Ⅲ-Ⅴ族多元化合物、多层异质结 构、超晶格、应变超晶格等的制备及其特性。
6
§8-1 异质结与晶格匹配 一、异质结及其分类 异质结是由两种基本物理参数(Eg、功函数、电子亲 和势和介电常数等)不同的半导体单晶材料联结起来 构成的。 按 其 导 电 类 型 , 分 为 同 型 ( NN+ , PP+ ) 和 异 型 (PN)两种。 理想的异质结的交界面应该是突变的,但实际上用一 般的外延生长方法制备的异质结,常常是有一定厚度 的缓变区(过渡区),它会影响异质结的某些特性。
1.6
类似材料的xc和Ec分别如下: 材料 xc Ec(eV) Ga1-xAlxAs 0.31 1.90 In1-xGaxP 0.70 2.18 In1-xAlxP 0.40 2.23
0.8 1.0 GaP
1.4 0 GaAs 0.2 0.4 0.6 组分 x 6
4
5
多元化合物的这些特性对于半导体器件,特别 是光电器件的设计及制做是十分有利的。 如根据器件的发光波长可确定材料的组分。 目前还不能制备多元化合物的体单晶,制做器 件主要是利用其外延材料,因此还要注意它与 衬底晶格匹配的情况等。
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等温线 固相线
A
1100℃
1000℃ 800 Ga 900 4 6 Al原子% 8 10 12 14
2
23
二、生长GaAlAs双异质结激光器结构
液相外延装置有六个溶液池的滑动舟,分别装入 外延生长的各溶液和Al:Ga=1:10的溶液,作 为终止P型GaAs层生长用。 最前面的液池中装未饱和GaAs的Ga溶液,目 的是在生长GaAlAs之前,使衬底与此溶液接触, 将 衬 底 回 溶 10~20μm , 以 获 得 纯 净 完 整 的 GaAs表面,然后再依次生长各外延层。
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(4)异质结对光场的约束作用。同型和异型 异质结都能提供一个折射率阶跃(约5%), 光波沿某一方向射入高折射率层并沿它传播时, 折射率平凸台分布的三层结构可将光波约束在 高折射率内,光模场限制因子(光场分布图中 打斜线的面积与整个曲线所包围面积之比)大。 异质结对光场的限制也是DH LD能够实现室温 连续工作的重要因素之一。
这种方法虽然不能消除失配位错,但能有效地将位错分散 到比较厚的外延层中,使外延层横截面内的平均位错密度 下降。 虽然位错密度仍然较高,但用它已能制做性能较好的发光 二极管、探测器等器件。
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组分突变法:外延生长时,不是一次生长出厚的外延 层,而是生长几个不同厚度的薄外延层,利用两层间 的交界面,使部分位错拐弯,降低外延层表面位错密 度。
*如果所生长的多层厚度较厚时,处在压应变状态 (即衬底晶格常数小于外延层)这种方法有效。反之 处于伸张状态时,不但位错密度不能降低反而增加。
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§8-2 GaAlAs外延生长 Ga1-xAlxAs是由GaAs和AlAs组成的三元化合物, 其晶格常数与密度随组分的变化如图所示。
5.4 5.0
•
5.660
晶格失配的存在,常给器件制做和性能带来不利的影 响。在外延生长异质结时,应尽量限制和降低晶格失 配的影响。
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若使两种晶格常数不同的材料间在原子尺寸范围
内达到相互近似匹配,只有在晶格处在弹性应变状 态。
当应变比较大时,即存储在晶体中的应变能量足
够大时,它将通过在界面处形成位错而释放,所形 成的位错称失配位错。 实验表明,异质结外延层中,晶格失配引起的位错 密度可达107 ~108/cm2 ,甚至达到1010/cm2 , 如果发光器件的有源区中有如此之高的位错,其发 光效率将大大降低。
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(5)“窗口”效应。由两种Eg不同的半导体材料组成 异质结,从对入射光的光谱特性看,宽Eg半导体成了窄 Eg的“输入窗口”。
h<Eg2<Eg1的光入射时,材料1、2都是透明的,吸收系 数为0; Eg1>h >Eg2时,光透过材料1后 被2吸收; h ≥ Eg1,光被半导体材料1 吸收而不能被材料2吸收。
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介绍LPE法和MOVPE法生长GaAlAs。 8-2-1 LPE法生长GaAlAs 以GaAlAs异质结激光器材料的制备为例介绍GaAlAs 的LPE生长。
图 为 GaAlAs 双 异 质 结 激 光 器 结 构 。 第 Ⅰ 层 是 衬 底 (N-GaAs),第Ⅴ层上做欧姆接触用的P-GaAs, 第Ⅲ层是P-GaAs为激光器的有源区,而Ⅱ、Ⅳ层分 别为N-Ga1-xAlxAs和P- Ga1-xAlxAs,它们分别起 载流子限制和光限制作用。
4.6 4.2
5.655
5.640 3.8 0 GaAs 20 40 60 80 组分 x/mol% 100 AlAs
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GaAlAs最突出的优点是GaAs和AlAs的晶格常数相差 很小,所以GaAlAs和GaAs可以构成晶格匹配很好的 异质结。 当Ga1-xAlxAs中Al组分x0.4时,其能带结构由直接 跃迁型转变成间接跃迁。 用GaAlAs可以制备激光器、光波导耦合器、调制器、 高迁移率晶体管、高亮度红色发光管、太阳电池、集成 光电子器件等,是目前很受重视的一种材料。
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GaAlAs 双异质结激光器结构外延生长溶液组成 溶液池 1 2 3 4 5 Ga 2g 2g 2g 2g 1.5g GaAs 120mg 136g 120mg 135mg 150mg 2.5mg 30mg Al 2.5mg Sn 40mg 14mg 31mg Si Ge
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实验步骤: 外延生长前先配制溶液,将Ga、 GaAs按量装入溶 液池中,然后再装入生长室中; 抽空,通H2升温至900℃恒温20min后,冷却至室 温;
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MOVPE法生长x=0.3的Ga1-xAlxAs外延层的参考数据
设备 TMAl TMG AsH3 总流量 生长温度 冷壁系统 2.510 mol/min 7.510 mol/min 4.010 mol/min 2445ml/min 700℃
-3 -4 -4
热壁系统 3.610 mol/min 6.410 mol/min 110 mol/min 2445ml/min 740℃