СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №6/2014

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 12 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2014 GaAs E g = 1,43 эВ Si Е iD Е iA Si E v E C E i меси в GaAs полупроводнике (Si, Ge, GaAs и др.) рассчитывается по формуле: (1) где Е H – энергия ионизации атома водо- рода ( Е Н = 13,6 эВ); ε 0 – диэлектрическая проницаемость вакуума; ε GaAs – диэлектрическая проницаемость GaAs ( ε GaAs = 10,9); m 0 и m э – масса покоя и эффективная масса электрона. Если рассмотреть ситуацию со зна- чением энергии ионизации атомов Si в LPE i-GaAs через призму формулы (1) и энергетической диаграммы на рисун- ке 1, то надо искусственно занизить ε GaAs в десятки раз, чтобы получить «клас- сическое» значение энергии иониза- ции или «утопить» мелкие донорные и акцепторные уровни амфотерного Si – расположить их в глубине запре- щённой зоны, т.е. около собственно- го химического потенциала – уровня Ферми ( Е F ), расположенного в середине запрещённой зоны GaAs. В таком случае рисунок 1 преобразуется в рисунок 2. Предполагается, что энергия иониза- ции амфотерных примесных атомов Si в LPE i-GaAs близка к значениям энергии ионизации примесей, создающих глу- бокие уровни в i-GaAs в обычном полу- изоляторе для СВЧ-применений ифото- ники, таких как Cr, Fe, Ni, Ag, Au и др. Есть основания предполагать, что в процессе кристаллизации GaAs с одновременным легированием амфо- терными атомами Si атомов Ga (обра- зование донорных центров) с последу- ющим замещением атомами Si (распо- ложенными в подрешётке Ga) атомов As с образованием акцепторных донор- ных уровней, связан, предположи- тельно, резкий рост энергии иониза- ции акцепторной и донорной приме- си в GaAs. Как известно, каждый атом Ga окру- жён четырьмя атомами Ga (в форме тетраэдра), как, впрочем, и мышья- ка. Суммарно обе подрешётки Ga и As образуют энергетически устойчивую кубическую кристаллографическую решётку GaAs-полупроводника, кото- рая, в отличие от малоустойчивых гек- сагональных кристаллографических решёток политипов 4H, 6H–SiC (дегра- дация из-за «SF-эффекта», слабая ради- ационная стойкость при концентраци- ях примеси <10 17 см –3 ) или «коллапса» GaN при превышении рабочих напря- жений HEMT U SD  0,7 U max , характеризу- ется удвоенной температурой эксплу- атации у LPE i-GaAs приборов в срав- нении с гексагональными A IV B IV , A III B V или алмазоподобным кристаллическим кремнием. Источником легирующей примеси в LPE-процессе являются продуктыхими- ческой реакции кварца с водородом: SiO 2 + 2H 2 → Si + 2H 2 O, SiO 2 + H 2 → SiO + H 2 O. Растворённые в LPE GaAs атомы Si и монооксид кремния образуют в GaAs глубокие примесные центры. В кристаллической решётке GaAs ато- мы Si располагаются в центрах тетра- эдров атомов подрешёток Ga и As, имея или одну свободную ковалентную связь (электрон в Ga-подрешётке), или нена- сыщенную ковалентную связь (дырка в As-подрешётке). Но есть и особенно- сти, предположительно заключающи- еся в том, что в «кварцевом» LPE i-GaAs большую роль играют глубокие цент- ры, образующие атомарным кисло- родом (O –2 ) на s-орбите два активных электрона с противоположными спи- нами. Потенциально может образо- ваться и новый субнаноатомный при- месный кластер, который будет вести себя в GaAs, вероятно, аналогично эле- ментам IV группы таблицыМенделеева, с той лишь разницей, что его примес- ная энергия ионизации может оказать- ся значительно большей, чем общепри- нятая и «расквартированная» в запре- щённой зоне GaAs. В LPE i-GaAs монокристалле наблю- даются допустимые отклонения от зон- ной теории полупроводников, которые и будут рассмотрены далее. Аномалия закона действующих масс Оппоненты иногда беспокоятся о работе этого закона в LPE i-GaAs. Углублённое рассмотрение свойств LPE i-GaAs, легированного атома- ми IV группы таблицы Менделеева и, в частности, амфотерными атомами Si, вызывает вопросы не только с пози- ции энергии ионизации акцепторной и донорной примесей, но и с позиции количественной оценки функциональ- ной зависимости энергии ионизации амфотерной примеси Si в GaAs в зави- симости от концентрации атомов Si в LPE i-GaAs. На основании изучен- ных свойств поведения амфотерных атомов Ge в GaAs [1, 2] можно опреде- литься и с закономерностью иониза- ции атомов Si в LPE i-GaAs, качествен- но она принимает вид, показанный на рисунке 3. Из рисунка 3 следует, что закон дей- ствующих масс в LPE i-GaAs (2) работоспособен в зоне I и перестаёт быть таковым в зоне II ( n i – собствен- ная концентрация свободных носи- телей, N c – плотность энергетических состояний в зоне проводимости N e = = 4,7 × 10 17 cм –3 , N v – плотность состоя- ний в валентной зоне N v = 7,0 × 10 17 cм –3 ). В зоне II произведение плотности состо- яний N e × N v < N D Si × N A Si и, в таком слу- чае, надо внимательнее анализировать действие закона действующих масс (2). В работе [2] показано, что качествен- ный вид зонной диаграммы на рисун- ке 3 имеет право на существование на примере амфотерного Ge в GaAs: при N Ge (в GaAs)  3 × 10 17 см –3 . Таким образом, при концентра- ции примеси в LPE i-GaAs выше чем 3 × 10 17 см –3 свойства i-слоя GaAs трансформируются в n -тип полу- проводника с электронной прово- димостью, что абсолютно ожидаемо и поведением атомов Si в LPE i-GaAs. Авторы наблюдали ярко выраженную амфотерность атомов Si в GaAs вплоть до (9…10) × 10 16 см –3 . Поскольку энергия ионизации ато- мов Si выше, чем у атомов Ge, при замет- ной разнице атомной массы (более чем в два раза) кремния по сравнению с ато- мами Ga, Ge, As, можно ожидать доста- точно высокого значения уровня амфо- терности кремния в GaAs ( GaAs Зона I Зона II Е iD Е iA E v E C E i N SI см –3 10 13 10 14 10 15 10 16 10 17 5,74  10 17 10 18 Δ Е iD Δ Е iA Рис. 2. Энергия ионизации амфотерных атомов Si в LPE i-GaAs Рис. 3. Зависимость энергии ионизации атомов Si от уровня растворимости в LPE i-GaAs ( Δ Е iD < Δ Е iА )