-2-
ОГЛАВЛЕНИЕ
стр.
^ ВВЕДЕНИЕ................................................................ 5
ГЛАВА 1. Гетеропереходы II типа в системе СаБЬЛпАБ. Светодиоды и фотодиоды для среднего ИК диапазона на их основе.................................. 11
1.1. Гстсропереходы II типа в системе ОаБЫпАэ............................... ^
1.1.1. Материалы, образующие гетеропереходы II типа................... 11
1.1.2. Свойства бинарных соединений ваБЬ и 1пАб......................... 14
1.1.3. Зависимость основных параметров зонной структуры твердых растворов Оа1пА5БЬ и АЮаАзБЬ, изоиериодных к подложке ваБЬ, от состава................................................................. 16
1.2. Электрические свойства гетероструктур. Механизмы протекания
22
токов..............................................................
1.2.1. Основные механизмы протекания тока в гетеропереходах............. 22
1.2.2. Особенности электрических свойств разъединенных
гетеропереходов II типа................................................ 25
^ 1.3. Люминесцентные свойства гетероструктур............................ 27
1.3.1. Фотолюминесценция изотинных ступенчатых р-Са1пА5БЬ/Р-ОаБЬ гстсрострукгур II типа.................................................. 27
1.3.2. Фотолюминесценция п-ОайзАзБЬ/М-СаБЬ гетероструктур............... 29
1.3.3. Электролюминесценция Ы-п-Р и Ы-р-Р структур ваБЬ/
СаЬгАзБЬЛЗаБЬ.......................................................... 31
1.3.4. Подавление оже-рекомбинации на гетсрограницах II типа............ 33
1.4. Светодиоды и фотодиоды для спектрального диапазона 1.6-5.0 мкм 36
1.4.1. Светодиоды для спектрального диапазона 1.6-2.4 мкм............... 36
1.4.2. Светодиоды для спектрального диапазона 2.7-5.0 мкм............... 29
1.4.3. Фотодиоды для спектрального диапазона 2.7-4.6 мкм................ 44
1.5. Выводы к I главе...................................................... 46
ГЛАВА 2. Методика эксперимента................................................. 49
2.1. Предварительные замечания............................................. 49
2.2. Выбор гетероструюур для создания светодиодов и фотоприемников в средней ИК области......................................................... 50
2.3. Выбор конструкции светодиодов и фотодиодов для средней ИК области 54
I
2.4. Установка для измерения спектральных характеристик
светоизлучающих и фоточувствитсльных приборов...................... 57
2.5. Описание методики определения полной мощности на основе
спектральных измерений............................................. 59
2.6. Особенности измерения спектральной плотности мощности. Коррекция
формы спектра...................................................... 62
2.7. Выводы к II главе................................................... 64
ГЛАВА 3. Мощные светодиоды для спектрального диапазона 1.6-2.4 мкм на основе гетеропереходов II типа в системе Са8Ь/СаІпА$8Ь (Хі„<28%)................. 66
3.1. Предварительные замечания........................................... ^
3.2. Расчеты зонных диаграмм и параметров исследуемых гстсроструктур
СаЗЬ/ІпСаАзБЬ/АЮаАзЗЬ.............................................. 67
3.3. Излучательная и безызлучательная рекомбинация в гетероструктурах.... 76
3.4. Спектральные и мощностные характеристики светодиодов для
диапазона 2.0-2.4 мкм.............................................. 80
3.5. Спектральные и мощностные характеристики светодиодов для
диапазона 1.6-2.0 мкм.............................................. 38
3.6. Увеличение квантового выхода 1.85 мкм светодиодов ваБЬ/
Сао.945Іпо.о55А5$Ь/АІо.з4Сао.ббА5$Ь за счет введения буферного слоя 94
3.7. Применение светодиодных гстероструктур тиристорного типа п-СаБЬ/
р-Оа$Ь/п-Са1пА5$Ь/Р-АЮаА5$Ь для увеличения квантового выхода 1.95 мкм светодиодов........................................ 97
3.8. Высокоэффективные светодиодные структуры п-АЮаАББЬ/ п-(А1)Са(А5)$Ь/р-АЮаАяБЬ для спектрального диапазона 1.65-1.75 мкм. ] 02
3.9. Выводы к III главе..................................................... 106
ГЛАВА 4. Новый подход к созданию высокоэффективных светодиодов для спектрального диапазона 3.4-4.4 мкм на основе твердых растворов 1пСаА$8Ь (Х1п>80%), изопериодных к подложке ва8Ь.................................... 108
4.1. Предварительные замечания.............................................. 108
4.2. Спектральные и ватт-амперные характеристики светодиодных рРпЫ
гетероструктур СаЗЬ/АЮаАзЗЬ/ІпОаАзБЬ/АЮаАзЗЬ....................... 111
4.3. Исследование токовой зависимости максимума спектров излучения в
длинноволновых светодиодах 3-4 мкм на основе п№іР гетерострукт>р Са8Ь/АЮаА$5Ь/іпСаА5$Ь/АЮаА$8Ь......................................... 115
-4-
4.4. Анализ измеренных спектральных зависимостей .....................
4.5. Использование двойных гетерострукгур с разъединенными гетеропереходами II типа GaSb/InGaAsSb.................................
4.6. Выводы к IV главе.................................................
ГЛАВА 5. Создание и исследование фотодиодов для спектрального диапазона 1.5-4.8 мкм, на основе разъединенных гетеропереходов в системе GaSb/InGaAsSb, работающих при комнатной температуре........................
5.1. Предварительные замечания.........................................
5.2. Фотодиодные гетероструктуры на основе InGaAsSb....................
5.3. Вольт-фарадные и вольт-амперные характеристики фотодиодов.........
5.4. Исследование и анализ спектральных характеристик..................
5.5. Основные характеристики фотодиодов для диапазона 1.5*4.8 мкм, работающих при комнатной температуре...................................
5.6. Выводы к V главе..................................................
ПРИЛОЖЕНИЕ. Применение светодиодов и фотодиодов спектрального
диапазона 1.6-4.8 мкм для газоанализа и медицинской диагностики............
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..........................................................
*
*
*
120
127
131
133
133
134 137 143
145
147
148 158 164
-5-
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность создания высокоэффективных светодиолов и ботолиодов для
спектрального диапазона 1.6-5.0 мкм
Известно, что характеристические полосы поглощения целого ряда важных химических соединений лежат в средней ИК области спектра. Среди них вода и ес пары (1.94 мкм, 2.75-2.85 мкм), метан (1.65 мкм, 2.3 мкм, 3.3 мкм), двуокись углерода (2.65 мкм, 4.27 мкм), окись углерода (2.34 мкм, 4.67 мкм), ацетон (3.4 мкм), аммоний (2.25 мкм, 2.94 мкм), окислы азота (4.08-4.44 мкм) и многие другие неорганические и органические вещества. Сенсоры природного газа (метана), концентрации двуокиси углерода, окиси углерода и других загрязнителей нужны практически в каждом доме, каждом помещении.
Новым перспективным направлением использования оптических сенсоров является создание приборов неинвазивной (бесконтактной) медицинской диагностики. В них, как правило, используется линейка источников, излучающих на разных длинах волн в инфракрасной области.
На данный момент существует быстроразвиваюхцийся рынок оптических газоанализаторов, в которых используются тепловые источники инфракрасного излучения. Из широкого спектра излучения черного тела с помощью оптических фильтров вырезается нужный спектральный диапазон. Несмотря на определенный прогресс в развитии химических и адсорбционных газовых сенсоров, оптические сенсоры обладают бесспорными преимуществами, такими как высокая селективность, устойчивость к агрессивной внешней среде, высоким быстродействием.
Создание достаточно эффективных светодиодов, перекрывающих диапазон 1.6-5.0 мкм дает ряд бесспорных преимуществ создателям оптических газоанализаторов. Светодиоды обладают на три порядка более высоким быстродействием, миниатюрными размерами, низкой потребляемой электрической мощностью, простотой конструкции (не нужны фильтры и вакуум вокруг проволочки), обладают существенно большим временем жизни, при массовом производстве их себестоимость ниже.
Последние десятилетия в ФТИ им. А.Ф. Иоффе активно исследоватись четверные твердые растворы в системе Са8Ь-1пАз, выращиваемые на подложках ваБЬ или 1пАз, с целью создания излучателей и приемников ИК излучения для диапазона 1.6-5.0 мкм. Подобные исследования проводятся так же в Ланкастерском Университете, Англия, Университете в Монпелье, Франция, центральной исследовательской лаборатории фирмы Хамаматсу, Япония и в ряде других научных групп. Но разработанные до сих пор
4
светодиоды данного спектрального диапазона обладали рядом недостатков, затрудняющих их использование в системах газоанализа и медицинской диагностики.
Целью данной диссертационной работы Целью данной диссертационной работы являлось исследование люминесцентных свойств гетерострукт>р П типа системе Сайп^Ь/СаБЬ и создание на их основе светодиодов с улучшенными мощностными и спектральными характеристиками и высокоэффективных фотодиодов, работающих при комнатной температуре в спектральном диапазоне 1.6+4.8 мкм.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- создание и исследование широкого класса высокоэффективных светодиодных гетероструктур II типа для спектрального диапазона 1.6+2.4 мкм с четверным твердым раствором Са1пАз8Ь (0<Х1П<0.28) в активной области;
разработка светодиодных тиристорных гетероструктур для спектрального диапазона 1.6+2.4 мкм с целью преодоления утечки дырок через гетеропереход II типа;
- применение нового подхода к созданию длинноволновых (3+4 мкм) светодиодных гстсроструктур, выращенных на подложке ваБЬ, с использованием узкозонных четверных твердых растворов ЫСаАзБЬ (Х1п>70%) в качестве активной области и широкозонных твердых растворов АЮаАьБЬ для ограничения носителей заряда.
- исследование электрических и фотоэлектрических свойств разъединенных гетероструктур СаБЬЛпСаАьЗЬ/СаЗЬ и создание на их основе фотодиодов с диапазоном чувствительности 2.0+4.8 мкм, работающих при комнатной температуре.
Научная новизна:
1) Исследованы электролюминесцентные характеристики, а так же их температурные зависимости (-20°С<Т<80°С) для светодиодных гетероструктур II типа с четверным твердым раствором СаТпАвБЬ (0<Х1п<0.28) в активной области, перекрывающим спектральный диапазон 1.6-2.4 мкм. Определены факторы, ограничивающие квантовый выход.
2) Созданы и исследованы светодиодные тиристорные гстсроструктуры п-ваБЬ/ р-СаЗЬ/пЛпСаАвЗЫР-АЮаАзБЬ, в которых достигнуто увеличение квантового выхода за счет эффективного удержания дырок в области гстерограницы II типа р-Са$Ь/п-Оа1пА55Ь.
3) Созданы длинноволновые (3.6+4.4 мкм) многослойные светодиодные гетероструктуры СаЗЬ/АЮаАзЗЬЛпОаАзЗЬ/АЮаАзЗЬ пМпР и рРпЫ типа, в которых узкозонный активный слой зажат между двумя широкозонными слоями АЮаАвЗЬ, а так же структуры ОаЗЬ/АЮаАзЗЬ/СаЗЬЛпОаАзЗЬ/ОаЗЬ/АЮаАзЗЬ пЫппрР и рРрппИ типа, с разъединенными гетеропереходами ОаЗЬЛпСаАзБЪ с двух сторон активной области.
Обнаружены и исследованы два канала излучательной рекомбинации в этих структурах при Т=300 К с энергиями переходов 0.295 эВ (межзонный) и 0.331 эВ (интерфейсный).
4) Предложен новый подход к созданию длинноволновых фотодиодных
гетероструктур на основе разъединенных гетеропереходов II типа СаБЬЯпСаАзЗЬ (0.03<Хоз<0.12) с диапазоном чувствительности при комнатной температуре 2.0+4.8 мкм. Исследованы их электрические и фотоэлектрические характеристики. На основе анализа результатов выбрана оптимальная фотодиодная конструкция Р-ОаЗЬ/р-ИпОаАьБЬ/
п-Б^аА^Ь/Р-СаБЬ.
Практическая ценность работы:
1) Созданы высокоэффективные светодиодные гстсроструктуры, излучающие на восьми разных длинах волн в спектральном диапазоне 1.6+2.4 мкм. Достигнуты значения средней оптической мощности до 3.5 мВт и пиковой оптической мощности до 180 мВт.
2) Впервые созданы светодиоды, излучающих на длинах волн 3.75 мкм и 4.2
мкм на основе изопериодных к подложке ваБЬ твердых растворов 1пОаАз5Ь (Хы>80%). Пиковая оптическая мощность светодиодов с максимумом излучения в районе 3.75 мкм достигала 2.8 мВт.
3) Созданы фотодиоды для спектрального диапазона 1.5+4.8 мкм, работающие
при комнатной температуре, на основе разъединенных гетеропереходов II типа СаЗЬЛпСаАзБЬ. Обнаружительная способность при Т=77 К достигала П3.8*=4.4*1010ст.Нг'1/2ЛУ, а при Т=300К 04.7*=4.1 * 108ст.Н2,/2ЛУ. Данное значение увеличивается до П4.5в=2*109 ст.Нг'1Г2/\У, при использовании термоэлектрического охлаждения.
4) Разработана конструкция светодиодов и фотодиодов с встроенным миниатюрным термохолодильником и тер.мосенсором, которая позволяет улучшить существенно параметры приборов, за счет охлаждения структуры, а так же стабилизировать параметры при неглубоком охлаждении, что очень важно с учетом применений светодиодов и фотодиодов в приборах экологического мониторинга и медицинской диагностики. Были так же созданы светодиодные многоцветные матрицы, позволяющие сканировать определенный спектральный диапазон.
На защиту выносятся следующие научные положения:
1. В источниках спонтанного излучения на основе изопериодных гетероструктур с четверным твердым раствором СаЫАьБЬ (0<Х[п<0.20) в активной области и двухсторонним АЮаАзБЬ (Хд|=0.64) широкозонным ограничением носителей заряда в квази-непрерывном режиме получены значения внутреннего квантового выхода в диапазоне 40-60% за счет
эффективного удержания носителей при высоких уровнях инжекции. В импульсном режиме достигнуто значение пиковой оптической мощности 180 мВт. Главным фактором, ограничивающим квантовый выход, является утечка дырок через гетеропереход П типа.
2. Светодиодная гетероструктура тиристорного типа n-GaSb/p-GaSb/ n-GalnAsSb/p-AlGaAsSb обеспечивает эффективную локализацию дырок и электронов с двух сторон гетерограницы 11 типа p-GaSb/n-GalnAsSb, что создает оптимальные условия для излучательной рекомбинации и увеличивает предельно достижимую оптическую мощность почти в два раза по сравнению с аналогичной гетероструктурой диодного типа.
3. В длинноволновых светодиодах на основе симметричных изоиериодных гетероструктур GaSb/AlGaAsSb/lnGaAsSb/AlGaAsSb (nNnP и pPnN типа проводимости) с содержанием галлия в активной области 0.03<Хса<0.15 при низких уровнях инжекции наблюдаются межзонные излу^чательные рекомбинационные переходы с энергией фотонов hv=0.295 эВ (А,=4.2 мкм), а при увеличении уровня инжекции часть инжектированных 'дырок локализуется вблизи потенциальной ямы для электронов на гетсрогранице N-AlGaAsSb/n-InGaAsSb и излучательно рекомбинирует с энергией hv=0.331 эВ, (А,=3.75 мкм), соответствующей переходу электронов с уровня Ферми в потенциальной яме на потолок валентной зоны.
4. На основе разъединенных гетероструктур П тина P-GaSb/ p-InGao.o9AsSb/n-InGao.(wAsSb/P-GaSb созданы фотодиоды, работающие при комнатной температуре, с широким диапазоном чувствительности 2.0-4.8 мкм. В этих фотодиодах р-п переход в активной области обеспечивает эффективное разделение генерированных носителей, а разъединенный гетеропереход n-InGaAsSb/P-GaSb выполняет роль омического контакта между активной областью и широкозонным окном.
Апробация работы: Результаты работы докладывались на следующих
международных конференциях и семинарах: Наноструктуры: Физика и технология (Санкт-Петербург, Россия, 1996); Международный симпозиум по полу-проводниковым приборам ISDRS (Шарлоттесвил, США, 1997); Международная конференция по тонким слоям и поверхности ICSFS IX (Копенгаген, Дания, 1998); Материалы и приборы для средней ИК оптоэлсктроники MIOMD III (Аахен, Германия, 1999); XVI Международная научно-техническая конференция по фотоэлектронике и приборам ночного видения (Москва, Россия, 2000); Материалы и приборы для средней ИК оптоэлектроники MIOMD V (Монпелье, Франция, 2001);Мсждународная выставка-семинар LED Expo (Сеул, Корея,
2003); Материалы и приборы для средней ИК оптоэлектроники MIOMD VI (Санкт-
Петербург, Россия, 2004); Международная выставка-семинар LED Expo (Сеул, Корея,
2004).
Образцы созданных светодиодов и фотодиодов для средней ИК области представлялись на международных выставках "Российский Промышленник" и "Высокие технологии", Санкт-Петербург с 1998 по 2004 гг. Данные экспозиции были награждены шестью дипломами и золотой медалью ("Высокие технологии-2002").
Публикации: По материалам диссертации опубликовано 14 работ, список которых приведен в конце диссертации. Работа "Высокоэффективные светодиоды на 3.4-4.4 мкм на основе p-AlGaAsSb/n-InGaAsSb/n-AlGaAsSb, работающие при комнатной температуре" получила премию МАИК "Наука/интерпериодика" за 2001 год как лучшая публикация в журналах издательства в области физики и математики.
Структура диссертации: Диссертация состоит из введения, пяти глав, приложения и заключения. Она содержит 172 страниц текста, 110 рисунков, 9 таблиц и список литературы из 117 работ.
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы се цели, отмечены научная новизна и практическая ценность, изложены представляемые к защите научные положения.
Первая глава носит обзорный характер. Она посвящена литературным данным по гетеропереходам П типа в системе GaSb-InAs, особенностям их электрических и люминесцентных свойств, а так же светодиодам и фотодиодам для средней ИК области спектра.
Вторая глава является методической и содержит обоснование выбора гетероструктур для создания светодиодов и фотоприемников средней ИК области, а так же описание методики определения характеристик светодиодов и фотодиодов.
Третья глава посвящена созданию мощных светодиодов для спектрального диапазона 1.6-KL4 мкм на основе гетеропереходов II типа в системе GaSb/GalnAsSb (Xin<28%). Приведены исследования спектральных и мощностных характеристик светодиодных структур и их температурные зависимости. Определены факторы, ограничивающие квантовый выход. Представлены конструкции и характеристики новых светодиодных структур с повышенным квантовым выходом для диапазона 1.6-^2.0 мкм.
Четвертая глава диссертации посвящена созданию высокоэффективных светодиодов для спектрального диапазона 3.6^4.4 мкм на основе твердых растворов InGaAsSb (Xin>80%), изопериодных к подложке GaSb. Исследована бистабильность токовой зависимости максимума спектров излучения в длинноволновых светодиодах.
Пятая глава посвящена созданию и исследованию фотодиодов для спектрального диапазона 1.5-4.8 мкм, на основе разъединенных гетеропереходов в системе Са8Ь/1пОаАз8Ь, работающих при комнатной температуре.
В приложении представлены новые возможные применения светодиодов и фотодиодов, разработанных в рамках диссертации, для задач газового анализа и медицинской диагностики.
В заключении сформулированы наиболее важные результаты проведенных исследований.
Диссертационная работа выполнена в лаборатории инфракрасной оптоэлектроники Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе.
ГЛАВА 1. Гетеропереходы II типа в системе СаЗЬЛпАя. Светодиоды и фотодиоды для
среднего ИК диапазона на их основе
1.1. Гетеропереходы II типа в системе Са$Ь-1пА$
1.1.1. Материалы, образующие гетеропереходы II типа
В настоящее время практически все оптоэлсктронные приборы основаны на гетероструктурах. Применение гетеропереходов для формирования широкозонного окна в фотоприемниках, электронного и оптического ограничения в лазерах привело к принципиальному улучшению параметров этих приборов [1]. Создание в последние десятилетия на базе гетеропереходов сверхрешеток, квантовых ям и квантовых точек открывает новые возможности для дальнейшего снижения пороговых токов лазеров и увеличения их мощности, появления лазеров с вертикальным резонатором, а так же совершенно новых типов полупроводниковых приборов [1].
На протяжении последних двух десятилетий основное внимание концентрировалось на изучении гетерострукгур 1-тнпа [2-5]. В этих гетеропереходах (Рис. 1а) валентная зона и зона проводимости узкозонного полупроводника "вставлены" в запрещенную зону широкозонного материала и разрывы зон на гетерограницах ДЕс и ДЕу имеют противоположные знаки. Классическими представителями этого типа являются системы СаАз-АЮаАБ и ЫЧпСаАэ, которые широко применяются при изготовлении лазеров ближнего ИК диапазона. Скачки потенциала в гетеропереходах И типа направлены в одну сторону, так что ДЕе=ДЕс-ДЕу. При этом разрыв зон на гстерограницс может быть столь большим, что зона проводимости одного материала будет лежать ниже валентной зоны другого материала (Рис.1в), как это имеет место в системе СаБМпАз [6-8]. Такой гетеропереход называют разъединённым.
^Ес ЕЛ Ис Е А 8
Е в 8 ЛЕу П 3 ДЕу 1 - ДЕу р в
) (б) (В)
Рис.1 Схематическое изображение разных типов гетеропереходов: а) гетеропереход I типа, б) ступенчатый гетеропереход II типа, в) разъединенный гетеропереход 11 типа
Энергетическое положение валентной зоны зависит главным образом от электроотрицательности аниона [9], а энергетическое положение зоны проводимости получается добавлением к энергетическому уровню потолка валентной зоны Еу ширины
запрещенной зоны Ед. Если два полупроводника в гетеропереходе имеют существенно отличающиеся по элетроотрицательности анионы, то можно полагать, что они образуют ступенчатые или разъединенные переходы II типа.
Фундаментальным свойством гетеропереходов II типа является пространственное разделение электронов и дырок и их локализация в самосогласованных квантовых ямах на интерфейсе. В этих условиях матричный элемент оптических переходов уменьшается из-за уменьшения перекрытия волновых функций на гетсрогранице, что приводит к увеличению излучатсльного времени жизни и более низкой энергии связи экситона. Из-за пространственного разделения носителей может происходить туннельная излучательная рекомбинация через гетсрограницу II типа с энергией излучения меньше ширины запрещенной зоны узкозонного материала, как было впервые показано в [9,11]. Условия рекомбинации на гетерогранице П типа сильно зависят от интенсивности света и приложенного внешнего электрического поля [12]. Это приводит к необычным оптическим, электрическим и фотоэлектрическим свойствам по сравнению с гстероструктурами 1-типа. Эти уникальные свойства и новые потенциальные возможности объясняют повышенный интерес к согласованными по периоду решетки структурам [13-18], квантовым ямам и свсрхрсшсткам на основе гетеропереходов II типа [19-23]. Хотя, многие полупроводниковые материалы А3В5, А4В6 и А2В6 (АИпАбЯпР, 1пА$8Ь/1п8Ь, 1пАз/Са8Ь, СаЬгАзЗЬ/СаБЬ, 1пСаАз/ОаА$8Ь, и др.) могут формировать
гетеропереходы II типа, необычные свойства этих гетероструктур ещб недостаточно изучены.
В таблице 1 приведены материалы, которые образуют гетеропереходы П типа. Особенно интересным для исследования гетеропереходов П типа является четверной твердый раствор 1пСаА$8Ь, который образует согласованные по периоду решетки пары для целого ряда составов с подложками 1пАб и ваБЬ.
Эти материалы являются прямозонными полупроводниками для всей области составов и позволяют создавать как ступенчатые, так и разъединенные гетеропереходы II типа в зависимости от состава. То есть, на базе четверных твердых растворов ШСаАББЬ мы имеем возможность рассматривать все основные свойства разных гетеропереходов П типа. Диапазон изменения ширины запрещенной зоны с изменением состава ЬзОаАяБЬ соответствует диапазону длин волн 1.6+4.7 мкм [27-29] и как раз этот спектральный диапазон представляет для нас интерес. Далее в данном обзоре мы будем иметь дело, в основном, с гетеропереходами в системе ваБЬ-ЕхАз с участием четверных растворов Оа1пАз8Ь.
Таблица 1
Некоторые системы образующие гетеропереходы П типа*
Подложка Структура
А1ц-ВУ
Са8Ь ХпА^/СаБЬ
ваР СаА8хр1.х/СаР
1пР Alo.48lno.52As/InP
СаАэ А1хСа1.хА5/А1А5
ваАБ СаА$/А1хСа|.хА8
СаАБ СаА$/А1А5
1пР СаАзЛпР
АиВ',‘
2пТе/СаАз 2л\Т&17л\.§ъ
гпТе/СаАз ХпТе/ТпЪ
гпТе/СаАБ 2п8е/Мп8е
А‘УВ1У
81, Се 81/Се
♦Поданным работы [10]
1.1.2 Свойства бинарных соединений ваБЬ и 1пА5
Рассмотрим основные электрофизические и оптические свойства бинарных соединений и их твердых растворов в системе СаБЬ-ЬгАБ, которые могут быть использованы в качестве активной области светодиодов и фотодиодов для спектрального диапазона 1.6-4.6 мкм. Соединения А3В5 являются алмазоподобными полупроводниками и ближайшими изоэлектроиными аналогами кремния и германия. Интересующие нас ваБЬ и 1пАб кристаллизуются в решетке цинковой обманки кубического типа - тип сфалерита. Период решетки при Т=ЗООК для ваБЬ - а=0.609593 пт, а для 1пАб - а=0.605840 пт [30].
Электрические, оптические и многие другие свойства полупроводника определяются его зонной структурой. Для всех соединений со структурой сфалерита валентная зона качественно одинакова. Две из подзон, стыкующихся при значении волнового вектора К=0, образуют зоны «тяжелых» и «легких» дырок. Третья, низколежащая подзона отщеплена от первых двух вследствие спин-орбитального взаимодействия. ваБЬ и ЬгАя, также как почти все соединения индия и галлия, имеют абсолютный минимум зоны проводимости в центре зоны Бриллюэна и довольно большие значения подвижности электронов из-за их малой эффективной массы, связанной с резкой зависимостью энергии от волнового вектора. При повышенных температурах главным механизмом рассеяния в этих соединениях является полярное взаимодействие носителей заряда с оптическими колебаниями решетки [30]. Этот вид взаимодействия играет особую роль вследствие большого дипольного момента, возникающего при относительном движении двух неодинаковых атомов. В области низких температур подвижность носителей заряда, как правило, ограничивается рассеянием на ионизированных примесях.
На рис. 3 (а) и (б) схематично представлены структуры энергетических зон ваБЬ и 1пАз. Некоторые параметры бинарных соединений ваБЬ и ЬгАб приведены в табл.1 [31]. Температурные зависимости ширины запрещенной зоны дтя ваБЬ и ГпАб соответственно имеют вид:
= 0.813-3.78-10"4 •
Е'Ш, =0.415-2.76.10^ ■
Прямые излунательные переходы в ваБЬ и 1пАз соответствуют длинам волн 1.72 мкм (Ьу=0.72 эВ) для ваБЬ и 3.48 мкм (Ьу=0.34 эВ) для ГпАэ.
Таблица 2. Параметры бинарных соединений ОаБЬ и ЬтАб при Т=300 К [30].
Соеди нсние Ширина запрещенной зоны эВ (300К) Электронное сродство Х.ЭВ Эффективная масса т*/т<, Диэлектрическая проницаемость е Подвижность ц, см2/В.с
Г-долина Ь-долина Электронов дырок электронов дырок
ваБЬ 0.726 0.81 4.06 0.041 0.052(л) 0.33 (т) 15.69 3000 1000
1пАб 0.356 1.08 4.90 0.023 0.026(л) 0.41 (т) 15.15 40000 500
ОаБЬ 1пАв
Рис. 3. Схематическое представление структур энергетических зон антимонида галия - (а) и арсенила индия -(б) [30].
- Київ+380960830922