СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №7/2015

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 14 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 7 2015 ε GaAs Δε = f(N Si ) 11,5 10 14 10 15 10 16 10 17 10 18 10 19 N Si , см –3 |Е|, эВ Е с Е v Е F , E i Е Fp Е Fn N c , N v , cм –3 N c , N v , (Si) N v (SiO) N D (Si) N A (Si) N v N c E q = 1,43 эВ Вакуум 4,07 эВ Сродство к электрону 5 × 10 17 7 × 10 18 GaAs-монокристаллов [7], легирован- ных акцепторной и донорной приме- сью, хотя бы из-за того, что атомы крем- ния в арсениде галлия во втором слу- чае имеют энергию ионизации 0,035 и 0,005 эВ соответственно (мелкие уров- ни у краёв энергозон), а в LPE i-GaAs- амфотерный кремний образует глу- бокие, одновременно акцепторные и донорные уровни вблизи собствен- ного электрохимического потенциа- ла (E F ). Механизм образования таких уровней находится в стадии исследо- вания, но он связан с замещением ато- мами Si атомов Ga с дальнейшим атом- ным туннелированием в подрешётку мышьяка (As). На практике Войтови- чем В.Е. и Ашкинази Г.А. [8, 9] получены практически «нулевые» разницы донор- ной и акцепторных примесей на уровне ≈ 10 11 см –3 при растворимости атомов Si в решётке GaAs в пределах осязаемости измерений от 10 13 до 5 × 10 16 см –3 атомов кремния в GaAs. Но необходимо также подчеркнуть, что легирование решётки GaAs атомами Si из фазы SiO происхо- дит в результате образования как мини- мум четырёх глубоких центров: ● двух энергетически почти сим- метричных глубоких донорных и акцепторных центров; ● глубоких центров, образованных атомами кислорода (ниже середи- ны запрещённой зоны); ● очень глубоких, с большой вероятно- стью, в валентной зоне акцепторных центров SiO в GaAs. Исследования температурной зави- симости параметров накопления и релаксации инжекционного заря- да в p–i–n-структурах указывают на возрастание температурного фактора активации глубоких центров, начиная с температуры кристалла ≈ 220–250 ° С (высвобождение электронно-дыроч- ных пар, вероятно, водородоподобно- го типа (экситонного типа) с образо- ванием уровней в запрещённой зоне GaAs). Этим объясняется то обстоя- тельство, что глубокие центры усили- вают свою электроактивность в виде скоростных рекомбинационных цен- тров (постоянная решётки кремния всего на 4% отличается от постоянной решётки GaAs). В связи с этим, очевид- но, происходит скоростной реком- бинационный процесс с туннельным обменом зарядов на симметричных глубоких центрах Si с решёткой GaAs. Одновременно параллельно происхо- дит прямозонный переход электронов в валентную зону с квантовым инфра- излучением. На это косвенно указыва- ет снижение объёмного p–i–n инжек- ционного заряда на 5–10% при темпе- ратуре T j ≥ 250 ° C (снижение времени восстановления обратного сопротив- ления p–i–n-структур), что не обнару- жено в Si, SiC p–i–n и SBD-структурах (в Si p–i–n-структуре с ростом темпе- ратуры заряд обратного восстановле- ния утраивается (при T j = 125–150 ° C)). Возбуждение (некритическая иони- зация) по водородоподобному типу фотонными импульсами со значения- ми меньше порога энергии ионизации амфотерных атомов кремния в решёт- ке GaAs неизбежно приведёт к измене- нию диэлектрической проницаемости решётки LPE i-GaAs, легированного кремнием, с очень медленным ростом ε до определённого критического уров- ня ( ≈ ≥ 10 17 см –3 атомов кремния в GaAs), с дальнейшим резким значительным ростом ε (см. рис. 1) предположитель- но в несколько раз, при инвертирова- нии i-проводимости в n-тип, или, что более вероятно, при понижении тем- пературы – в p-тип. Таким образом, как приведённые практические данные, так и теорети- ческие предположения совершенно очевидно ведут к новым качественным дополнениям в зонной теории прово- димости полупроводников A III B V , леги- рованных амфотерными примесями IV группы таблицыМенделеева в процес- се LPE-выращивания. Впервые эффект инвертирования собственной i-проводимости LPE GaAs («графитовый» метод выращи- вания), легированного амфотерными атомами германия, описан лауреата- ми Ленинской премии В.М. Андреевым, Л.М. Долгиновым и Д.Н. Третьяковым в монографии под редакцией лауреата Нобелевской премии Ж.И. Алфёрова «Жидкостная эпитаксия в технологии полупроводниковых приборов» [10]. В монографии показано инвертиро- вание по типу i → n-тип на уровне ≥ 3 × × 10 17 см –3 атомов Ge в GaAs. Амфотерность в GaAs также присут- ствует и при легировании атомами олова (в LPE-процессе выращивания). Амфотерность атомов IV группы Табли- цы Менделеева проявляется и в таких соединениях A III B V , как InSb, GaSb, InAs и другие. Энергетика реального монокристал- ла, выращенного методом жидкофаз- ной (LPE) эпитаксии, легированного амфотерными атомами кремния (Si), синхронно замещающими атомы Ga и As в кристаллической решётке GaAs, показана на рисунке 2. На рисунках 3 и 4 показана суще- ственная качественная разница свойств полупроводниковых монокристаллов Si и LPE i-GaAs (Si – кварц). На основании оценки новых физи- ческих свойств LPE i-GaAs, показан- ных на рисунках 1, 2, 3 и 4, следует, что на основе свойств инвертирования i-проводимости в классическую при- месную проводимость, практической независимости уровня Ферми от тем- пературы в диапазоне 300–600 К, а так- же фактора зависимости ε = f(N A , N D ) Si и резкого снижения энергии иониза- ции с ростом концентрации амфотер- ных атомов, возможно построение принципиально новых фотонных приборов с динамической проводи- Рис. 1. Прогнозируемая зависимость ε GaAs от концентрации ионизированных амфотерных атомов Si Рис. 2. Предполагаемая энергетическая диаграмма и плотность состояний в зонах N C , N V в LPE i-GaAs (Si) © СТА-ПРЕСС