Твердые растворы бинарных полупроводниковых соединений.

Бинарные полупроводниковые материалы.

Поверхностная безизлучательная рекомбинация через энергетические состояния поверхностных оборванных связей.

Зонная теория разработанная для бесконечно протяженных кристаллов не применима к поверхностному слою. На границе кристалла периодическая кристаллическая решетка терпит разрыв. В 1932 году И.Е. Тамм показал, что в запрещенной зоне на границе кристалла образуются разрешенные энергетические уровни. На границе кристалла возникают валентные связи, искажается периодический потенциал и нарушается симметрия элементарных ячеек. В запрещенной зоне полупроводника возникает каналы для безизлучательной рекомбинации. В некоторых случаях запрещенная зона на границе полупроводника может совсем отсутствовать, что гарантированно приводит к процессам безизлучательной рекомбинации.

Лекция №4 Полупроводниковые материалы для лазеров и технологии эпитаксиального осаждения полупроводниковых пленок.

Рис. 28. Шкала электромагнитного излучения

!!!!Полупроводниковые материалы для лазеров должны быть априори прямозонными!!!!!

Для построения кристаллической решетки бинарных полупроводников применяются элементы пятого и третьего столбца таблицы Менделеева А³В⁵

Создание кристаллической решетки происходит с изменением типа химической связи из атомной связи или ковалентной химической связи возникает ковалентно-ионная связь. Поскольку во внешней оболочке находится три и пять электронов и центртяжести химической связи смещается к одному из атомов и связь становится ионной. Возникает гранецентрированная кубическая кристаллическая решетка.

Все бинарные полупроводниковые материалы являются прямозонными, что очень важно для полупроводниковых лазеров. Все бинарные полупроводниковые материалы пригодны для создания излучающих приборов.

Рис. 29. Зависимость ширины запрещенной зоны от параметра решетки для бинарных полупроводниковых соединений.

Тройные твердые растворы на основе бинарных полупроводниковых материалов. В бинарных соединениях присутствует компонент металла и металлоида. Чаще всего элемент металла начинают заменять другим металлом. Например, галлий на алюминий, что приводит к возникновению непрерывного ряда твердых растворов(25)

Ga As + Al As (26)

Al _x Ga _1-x As (27)

Рис. 30. Кристаллические решетки твердых растворов In_x Ga _1-x As , Al _x Ga _1-x As и Cu _x Ga _1-x As.

Достоинство: Изменение состава (х) позволяет варьировать ширину запрещенной зоны.

Рис. 31. Зависимость ширины запрещенной зоны от состава твердого раствора Al _x Ga _1-x As.

Недостаток: Одновременно с изменением ширины запрещенной зоны изменяется постоянная решетки кристалла (d_a). Это приводит к возникновению дефектов кристаллической подложки и возникновению каналов безизлучательной рекомбинации.

Уникальный твердый раствор Al _x Ga _1-x As Во всем диапазоне изменения составов параметр решетки изменяется меньше чем на 0.5 %.

Параметр решетки для составляет величину 5,65325 Å, а для параметр решетки составляет величину 5,6605 Å поэтому при замене алюминия на галлий в диапазоне всех составов твердых растворов не приводит к возникновению дефектов кристаллической решетки. Этот твердый раствор получил название идеального твердого раствора, поскольку позволил получить идеальные, практически изопериодические гетероструктуры.

Достоинство: Возможность практически поучать непрерывный ряд полупроводниковых твердых растворов.

Рис. 32. Зависимость параметра решетки от состава тройных твердых растворов полупроводниковых материалов А3В5.