第七章 磷砷化镓、磷化镓、

第七章 磷砷化镓、磷化镓、镓铝砷材料生长,磷砷化镓氢化物气相外延生长（HVPE）: GaAs0.6P0.4外延生长在取向的中等掺杂砷化镓衬底上； GaAs0.35P0.65：N生长在取向的透明磷化镓衬底上，采用立式炉（P94图7-1），衬底清洗后升温到600 ，通入AsH3和掺杂剂，建立As气氛防止衬底分解。当三温区恒温后，将HCl流过镓源，生成GaCl，在衬底上先发生GaAs淀积，然后引入PH3和掺杂剂，并逐渐增加PH3，先生长过渡层(20um)，再生长恒组分层(40um). GaAs1-xPx：N/GaP生长工艺见P95表7-2，衬底温度对外延片的表面形貌有很大影响，衬底温度降低10 生成丘状物（少量丘可得到较高的外量子效率），升高10 形成坑，降低外量子效率。NH3浓度达到15%时发光效率最佳，再增加氨，会析出GaN而使晶体生长质量变差，降低发光效率（P96图7-2，图7-3）。 2Ga（l）+2HCl（g）- 2GaCl（g）+HCl（g）+H2（g） 4AsH3-As4 + 6H2 4PH3-P4+6H2 GaCl(g)+(1-x)/4 As4 + x/4 P4 +1/2 H2 - GaAs1-xPx + HCl,氢化物外延体系的热力学分析,参见P96、P97 结论：在气相P%不太低时外延层组成x随 T淀积和气相P%的增加而增加，随pHCl的增加而减少。生长恒定组成的外延层必须保持淀积温度、气相输入的P%以及pHCl都不变。而改变P%或pHCl均可生长过渡层。,液相外延原理,液相外延生长过程的基础是液体溶剂中溶质的溶解度随温度降低而减少，冷却与单晶相接触的初始饱和溶液时能引起外延沉积，在衬底上生长薄的外延层。分为降温法和温度梯度法。 降温法：液相外延层的厚度与冷却速度和冷却的温度区间T有关。其速度控制过程是扩散过程。冷却速度不能过快，否则溶液内部出现过冷会引起均匀形核，破坏外延层的正常生长，GaAs+Ga溶液的冷却速度不宜超过20 /h，GaAs+Sn溶液不宜超过80/h 温度梯度法：达到稳定后，溶液表面和溶液-衬底界面间应建立稳定的温度梯度和浓度梯度，生长速度由组分的扩散过程速度决定。，外延层厚度等于生长速度（常数）与生长时间之积。,降温法液相外延,平衡冷却技术：整个生长期间保持恒定的冷却速度。温度达到T1时衬底与溶液接触（溶液刚好变为饱和的温度）。 突然冷却技术：衬底与溶液以恒定速度冷却到T1以下，即温度接近发生自发沉淀时的温度，并且保持这个温度直到生长终止。 过冷冷却技术：衬底和溶液以恒定速度冷却到T1以下而没有自发沉淀作用，以恒定的速度连续冷却，直到生长完毕。 两相溶液冷却技术：在T1以下足够低的温度，溶液中产生自发沉淀，这时使溶液和衬底接触，并以相同的速度连续冷却而不中断，达到自发沉淀作用时，在溶液中的溶质浓度降低到饱和值。,液相外延生长速率,基于以下假设求解扩散方程： 没有对流输送，生长溶液是等温的 生长界面上建立平衡，界面上溶液中溶质的浓度由平衡相图的液相线绘出 除了在衬底发生沉淀外，溶液或边界上不发生沉淀 溶液自由表面的溶质浓度在生长过程中保持不变（半无穷大） 扩散系数和液相线的斜率在生长过程中是恒定的 速度的变化规律参见P102-P103图7-9图7-12,磷化镓的液相外延,磷化镓绿色发光材料外延生长：在N型GaP衬底上外延一层25um左右的N型掺N GaP层，再在其上生长一层25um左右的掺N、Zn的P型GaP，要求在结平面上杂质分布均匀，垂直于结方向施主和和受主杂质浓度的变化尽可能小，表面光滑。Ga的消耗节省，重复性好。发光峰值波长565nm。生长方式有冷却法、恒温梯度法。掺杂方法有投入法和气相掺杂法。可在两个池中分别生长N层和P层，也可在一个池中用过补偿法生长N层和P层,磷化镓的液相外延,磷化镓红色发光材料外延生长：掺杂元素有Te、Ga2O3、Zn。在GaP（111）面上先生长8*1017/cm3载流子浓度的N型层，再生长2*1017/cm3左右的P型层。镓空位和占磷位的氧形成的VGa-Op络合物中的镓空位被Zn填入，形成Zn-O对的红色辐射，发光峰值波长700nm。当GaP生长温度过高时，即使在富镓溶液中生长，镓空位浓度也很高，温度低时，Ga空位浓度减少。 减小发光效率的因素：空位和与空位结合的络合物；铜等重金属杂质；P-N结界面上的缺陷（位错坑或其他沉淀物）。,镓铝砷的液相外延,Ga1-xAlxAs固溶体都是用液相外延生长在砷化镓衬底上。由于Al的分凝系数大，会出现“逆窗效应”。 逆窗效应:在衬底-外延层界面到外延层表面的生长方向上AlAs的含量降低，即外延层的x值随着外延层的厚度的增加而逐渐减小，这种递降的梯度随Al含量的减少而增大。X值降低，带隙宽度减小，造成PN结处宽带隙（x值大）产生的能量较高的光在从窄带隙的表面（x值小）射出时会遭到很强的吸收，即“逆窗效应”。 解决逆窗效应的方法：1）从宽带隙的N侧取出光。磨去砷化镓衬底，让光从N型面射出，或者先生长P型层，后生长N型层，并以此为光出射面；2）采用边缘发射结构，从平行于PN结的方向取出光；3）外延生长过程中加铝，补充铝的消耗，增大沿生长方向上的x值，加铝后生长一个吸收小的宽带隙透光“窗口”；4）掺入能级较深的杂质（硅），作为发光中心，产生的光子能量小于材料的带隙宽度，从而减小体吸收；5)采用等温外延法生长组分