4.3 Четверные твердые растворы.
Четверные твердые растворы на основе бинарных полупроводниковых материалов (26) и (27).
Ga As + In As + In P + Ga P (28)
Gax In1-x Py As 1-y (29)
В четверных твердых растворах происходит ваимозамена не только атомов металлов, но и атомов металлоидов.
Рис. 33. Плоскость составов х-у для Gax In1-x Py As 1-y при температуре 300 К.
Достоинство: Изменение состава (х и у) позволяет одновременно независимо варьировать ширину запрещенной зоны и параметр решетки полупроводникового кристалла.
Недостаток: С изменением ширины запрещенной зоны и параметра решетки изменяется коэффициент термического расширения (αa).
4.3 Пятерные твердые растворы.
Достоинство: Изменение состава позволяет одновременно независимо варьировать ширину запрещенной зоны, параметр решетки и коэффициент термического расширения полупроводникового кристалла.
Недостаток: Чрезвычайно высокая сложность подбора составов эпитаксиальных компонент в жидкой, газообразной и «вакуумной» фазе.
На практике не применяется.
Рис. 34. Шкала полупроводниковых материалов перекрывающая шкалу электромагнитного излучения.
4.4 Технологии эпитаксиального выращивания полупроводниковых материалов.
Существует три основные технологии эпитаксиального осаждения полупроводниковых материалов на подложку. Различаются типом носителя полупроводникового материала к подложке.
-
Жидкостная эпитаксия
-
Газовая эпитаксия из металлорганических соединений и гидридов.
-
Молекулярно-пучковая эпитаксия.
Жидкостная эпитаксия.
Рис.35. Фазовая диаграмма в системе бинарных соединений АС.
На рис.35 линия ликвидуса на диаграмме равновесия разделяет жидкое (А+С) и твердое АС+жидкое (А) или (С) соответственно состояние. Это состояние называется конгруэнтным плавлением, что означает равновесное состояние между жидким (А+С) и твердым АС и жидким А (в нашем случае металлом). Такой фазовой диаграммой обладает исключительное большинство бинарных полупроводниковых материалов А3В5. Это свойство фазовых диаграмм материалов А3 и В5 является основой метода жидкостной эпитаксии. Равновесие между твердой фазой АС и жидким раствором А + С отображает равенство (27):
А(L) + С(L) = AС(S) (30)
В равновесии изменение энергии Гиббса для этой реакции равно нулю. Это означает равенство химических потенциалов твердой и жидкой фаз, при постоянной температуре и постоянном давлении (28):
μА(Т) + μС(Т) - μАС(Т) = 0 (31)
Однако изменяя равновесие (например температуру) можно осуществить выделение твердой фазы в нашем случае АС. Это свойство и используется в жидкостной эпитаксии для получения твердых растворов полупроводниковых соединений А3В5. Конечно, наибольший интерес представляет фазовая диаграмма тройных твердых растворов Аx В 1-x С. На рис. 35 приведена такая фазовая диаграмма. Большая заштрихованная область показывает составы жидкой фазы тройной системы, которые могут находиться в равновесии с твердой фазой. В этой диаграмме нас интересует разрез А х В 1-х С изопериодический с подложкой арсенида галлия.
Рис. 36. Фазовая диаграмма тройного твердого раствора А х В 1-х С.
T,
°C
Жидкая
фаза
Жидкая фаза
+ Твердая фаза
Al 1-x Ga x As
Твердая фаза
AlAs
GaAs
Рис.37. Фазовая диаграмма тройного твердого раствора А х В 1-х С изопериодического с подложкой.
На рис. 38 Приведено схематическое изображение установки для жидкостной эпитаксии. Внизу располагается температурно - временная шкала позволяющая определить моменты надвигания раствора - расплава на подложку для последовательного осаждения эпитаксиальных слоев из специально приготовленного состава твердого раствора. Процесс эпитаксии проводят в восстановительной атмосфере водорода для исключения процесса окисления. Носителем атомов полупроводникового элемента является расплавленный металл. Температура ликвидуса определяет переход из жидкого состояния в твердое.
Рис. 38. Схема установки жидкостной эпитаксии.