Revista Mexicana de Física 24 (197S)FA33-FA41

IIETEROJUNlURAS DE GaAIAs/GaAs CON EMISIONINFRARROJA DE AUD PODER RADlAl'nE

B.'Jacobs, K. Jacobs

S,lelion eh,mi, da KMU Leipúg Li,higslr, /8

y

A. Zchc

S ,lelion Physile da KMU L ,ipúg Linnéslr, 5

(Rccibido: mayo /8, 1974)

FA33

ABSTRACT: Specification is made for rhe preparation of G aA lA s/G aA s

heterojunctions which yicld light emission in the infrared

region. Of special interest is the zinc concenuacion within

the epitaxtal layer, the influellce of which on the characrcr.

istical distance betwC{'n phase transition and p-n juncriun

and che light emission power and density are discussed.

l. INTRODUCCION

Diodos fotoemisores, preparados por difusión o crecimiento epicaxial,irradian casi monocromáti.;amente en un intcrvalo espectral entre infrarrojoy azul, de acuerdo a su material básicol--4. Su bajo consumo de energía y

breve tiempo de respucsta los hacen t..'ompatiblcs con sistemas luminosos

fA 34 J acobs e( al

que utilizan las técnicas modernas de circuiws integrados. Su tiempo de vida(hasta Ir!' horas) permite novedosas concepciones de fabricación, que pueden

prt'scindir de la intcrcambiabilidad dc las fuentes de luz. El efecto reciente-mente descubi<..'uo y descrito de la inhomogenidad de faseS-S en el crunpo cer-

cano de diodos fotoluminisccntes modulados puede encontrar, entre otros,

aplicación ell los circuitos integrados. De esta manera pueden producirseelementos de alto poder radiante y también elern<.'ntos de alta densidad ra-

diant(. y 1ll<..'nOf poder. La forma elegida depende de la aplicación y PUC(it-, enmuchos casos, r('sulear de un compromiso de amhas caracterlsticas.

El tema de este trabajo es la fabricación}' determinación de propieda-

des de diodos que proporcionan una alta densidad radiante, con un poder ra-

diante \'ariabl(,.

2. FABRICACION DE IIETERO]lJNTlJRAS DE GaAIAs/GaAsy PRODUCClON nI' DIODOS

Los diodos aquí examinados tienen la siguiente sccuenCla de capas:

100 ¡nllfl-GaAs/p-GaAs de espesor d/20¡1J1lp-GaAIAso Para su fahri-cación Sl' precipitan capas epiraxiales de GaAIAs sobrc un substrato de

GaAs a partir del material fundido en composición no estcquiométrica. Enprincipio se siguió el procedimiento descrito por Nelson9, aunque en nUl'.'Hrocaso el crisol de grafito con el suhstrato y el material fundido se hallaban

encerrados en una ampolleta de cuarzo para evitar la evaporación de materia-les volatiles (As}' Zn) de la mezcla. La Fig. 1 muestra un esquema del apa-

rato utilizado. Pueden encontrarsc más detalles del proceso en la reL 10.

aparo to de cuarzo colefoCIOr

pilo-termoeléctrico

Fil't. l. Esquema del aparato utilizado para la fabricación dediodos fowluminisccntes.

lIelerojunluras de GaA lA s/GaA s.. , FA 35

Como material para el substrato s(' utilIzaron discos de GaAs orienta-dos en 1.1dirección (100) con una concentración de donores Nn::::::lx 1018 cm-3,Como impurezas tipo n se utilizó Sn ya que Je esta manera se obtienen mejo.re.o;¡resultados que con. por ejemplo, teluro. Las capas epitaxiales de GaAIAstipo p fUl.'ron donadas con Zn, El cont('nido de AlAs dentro de las capas mixtasse determinó con un microanalizador de haz electrónico,

En la fabricación de los diodos s(' ('mplearon discos obtenidos porepitaxia inmediatamente después del proceso o bien discos que se dejaron enla ampolleta (k crecimiento y que fueron templados en la misma. El templa.do influve notablemente en algunas de las propiedades de los diodos6•11.Sin embar,co la estruCtura p - GaAI¡\s/p - GaAs/n - GaAs puede observarseaún después del simple proceso de crecimiento sin templado posterior, puestoque en [Odo caso se obtiene una capa de espesor d de GaAs tipo /J por difusiónde Zn desde la capa cristalina mixta hacia el substrato de GaAs.

De cada una de estas disposiciones de p-GaAlAs/p-GaAs/rl-GaAs seseparó una tira y esta fue sometida por ID segundos a un ataque químico pormedio de una .o;¡oluciónde 3J120: lHN03 a ulla temperatura entre 6SO y 7rf c.

De esta manera, en la superficie de separación aparece el borde de fase en-tre la capa epitaxial y el substrato, la juntura P-1l, y eventualmente algunaslineas adicionales12• La separación d entre el borde de fase y la juntura p-npuede determinarse mediante un microscopio Con una precisión de :f:0.2,um.

La mayor parte del disco se utilizó para la fabricación de dio.dos fotoluminiscentes. Ambas caras se afilan y se pulen, hasta que seobtiene un disco de aproximadamente 120 p. m de espesor y con la secuenciade capas descrita. Se coloca un Contacto eléctrico en la cara de tipo n me-diante la evaporación sucesi,"a de eutéctico de Au/Ge, Ni y finalmente Au.La cara p se evapora con Au y Ni. Por fractura, se obtienen diodos con lasdimensiones de 200,u m x 200 fL m x 120 fL m, Algunos de estos fueron mon-

1 l.. . . 1" 11 1 . . 1tal os en un ( ISPOSItIVOexperllnnlta " y otros so (a( os en montajes apropla( os.

2.1. Propiedades de los diodos.

Los diodos examinados ¡H)uí son aquellos del tipo de emisión lateral(emisión por el borde). en los cuales la radiación emerge paralelamente a lajunrura P-11 (Fig. 2). Los diodoo;¡ se excitan a t('mperatura ambiente con unacorrieruc continua de 1'50 m:\. La potl'lH"ia de radiación P [u W/sr] se deter-minó Illcdiant(' un fotoelemcnro dc 1 cm2 d(~ superficie que se encontraba auna distancia bien definida de la supl.'rficie emisora.

FA 36

contacto

J acobs et al

conlocto eléc'rico (+)

bondoluminoso

radiaciónemitido

Fi~.2. niodo fotoluminiscente con la secuencia de capas escritas.

El aparaw de medición descrito en la reL 14 permite el muestreo puo"

tilal de la banda luminosa de un diodo emisor y de esta manera. J(:'{crminar

la densidad de radiación L. Los resultados de este artic.:ulo representan entodos los casos valores promediados sobre un minimo de 10 diodos a partir

de un cristal.

TABLA I

La densidad radiante y potencia radiante ('11 dependencia de la concentración

de Zn en la capa epitaxial.

muestra

.1 172/2

.1 113/2

.1 115/2

.1 174/2

A ;76/3

""; 'lOO NS L P d.n 1'. n

[Al %] [cm-3] [u.a.] ~M/sr] [um]

0,72 1,Z.¡OlQ 1SI 320 2,40,84 1,4'1019 144 440 2,80,84 1,4-1O lO 144 390 3,21,26 2,1:1010 161 550 3,41,95 3,2'1010 60 140 4.0

FA 37

3. RESULTADOS Y OISCUSION

3.1. Influencia de /a conceulración de Z11 f'n Ja capa epiruxial.

La tabla 1 contiene los resultados de la dependencia de la potencia ydensidad de radiación de los diodos luminiscentes respl!'cto de la concentra-ción dl' Zn en el material fundido. La tabla contiene asimismo las separa-

ciones d entre el borde de fase y la juntura p-n. En la Fig. 3 se pueden vcrlos resultados de manera gráfica. S{' pued~ observar que mientras la potencia

irradiada aumenta en forma marcada Con la concentración creciente de Zn, ladensidad de radiación varía poco. Si se aumenta la concentración de Zn másallá de SA.= 2.1 x 1019 cm-3• (amo la potencia como la densidad cacn abrup.tamen te.

L[S KT]

200

150

100

50

x/

x

PGuW/S~

500

400

30 O

200

100

0,5 1,0 1,5X'Zn

2,0'100

Fig.3. La representación de la densidad radiante y potencia Pfrente a concentración de Zn.

Las concentraciones de donado indicadas en la tabla 1 son caractlí!'"'rísticas de diodos láser en los cuales se requiere una concentración aha,cumpliendo la condición

P -1' =hv=Ee v g'

FA 38 J acobs e[ al

donde ¡: == nivel cuasi de Fcrmi en la banda de valencia y de la conducción.e.v

h ::: cOIl."tan[(' de Planck, I/= frecuellcia tit' transición láser.En efecto los diodos aquí examinados se comportan lambién como

láscres aunque se operan en la zona "suhLí ...•cr". Altas concentraciones ti"donantc llevan a altas concentraciones de porradores de carga {'n el ifl('rvalo

activo del diodo y a altos valores de la razón de [('combinación

R =Ilpn.spon

donde H = probabilidad de transición y rl. p = concentración electrones, 1JU('cos.Las altas concentraciones bajan adt'lll •.ís la resistencia del material

semiconductor y aumentan su conducri,,'idad térmica. Debido a la .l!la con-

centración dc accptores, las irupuf<-'zas ya no se hallan aisladas sino queforman una banda de impurezas cuyo borde superior se confunde C011 ti b.Uldade valt-ncia del material de base. De es[a manera. la separaciún ('f('niv •• de

las bandas se \'e disminuida, hecho que se refleja en la lon,gitud de onda del

m:íximo de intcnsidad de los diodos que es dc 1\.= 912 t 5nm (a 5UU K). :\

raíz de eS[a fotoenergía disminuida respecto al caso de GaAs puro. la rClb-

sorciún d(' la radiación en el GaAs tipo'l .'''' hace menor. (En la capa quecontiene Al ('11 el lado tipo p no se observa absorción ¡nterhancla apr('ciahlt-.

dehido a la mayor separación de las handas). E,stc efecto se ve agrandado

por d hecho que con concentraciones crecientes se forman "colas de densi-dad de estado."" en las bandas ofreciendn a los elt-ctrones (hue(-os) meno."

('st,l<1os que la banda de conducción ("'¡lkncia) nlisma. dando una traslación

(Burstein -~10ss) de la absorción fundamenta) a frecuencias mas altas1S•Por otra parte la absorción debida a portadores libre." aumcnta con la

concentración de impurezas disminuyendo de esa manera la perfección delcristal. Las imperfecciones en el cristal actúan por lo general como centros

para Ilroce."os de r('combinación no radiantcs1 dando lugar a radíacillfl di fu sat6 •

Dcbido ,1 estos efectos competitinls con la concentración, es de e.".perar unóptimo en h concentración de Zn. La Fig. ) muestra que ésre se ('nClJ(:ntra

en S." == 2" 1019 cm-3 para los diodos tratados aquí.El aumenlO de la potencia irradiad,l qlle se ohserva en la tabla 1 est;:l

ob\'ialllcllte reL1cionado con un aumento de la Zona emisora. Esta conclusiónse desprende de) aumento de la distancia d y la pequeiia variación de la den-sidad de radiación. Se puede obscn'ar ,lsimismo qU(' el producto de la densidadde radiación por la distancia d.L. reproduce de manera muy sarisfactoria losvalores de la potencia irradiada. De est(' modo se concluye que el aumentode la por('ncia irradiada que se oosen'a. está directamente relacionad;) con el

ancho de la zona activa.

lJete,ojuntu,as de GaAlAsICaAs .••

TABLA 2

Enfrentamiento de potencia radiante y el producw

de la densidad radiante por la Jistancia d.

muestra Lx d P [¡.LW/sr]

A 172/2 362 320A 113/2 432 415A 115/2,\ 174/2 547 ';50.1 176/3 240 140

FA 39

liemos invesügado en la reL 17 la influencia de la ahsorción variable

de radiación electromagnéüca a la densidad radiante en el campo cercano de

los diodos.En la solución de la ecuación de onda

/::;f(,) + (OZ + dI a (,) f(,) = O

(l.jJ(r) -pane r - dependiente de algún componente del vec[()r de campo,.o == Jcon.-sea constante, ka - v('c[or de propagación en vacío. 'l. - indice de refracción.a(r")- absorción con dependencia espacial), para el caso en que

f(,) = a(,) "exp [ikaS(,)]

con

(implica la transcripción de la relación de ondas a rayos) 52(r) se muestra co-

,no la primera corrección de la propagación de[('cha, 5 (r).aLa difracción de luz hacia regiones donde los coeficientes de absorción

aumentan, hace menor el rendimiento cuántico externo o bien la densidadradian te.

F..\.\0 Jacobs et al

La hiJ.lción entre la pmcncia irr,\diatl,l y el ancho d que se nbSCf\',l en

l'S((lS experiIllCl1[¡)S indica una reducción del aumento Je a(r) de[lrrp dc la fe-

¡!.llJll ('ll quc existe luz. El campo c('rc;uw se modifica consitierablefllellte1B•

EIeIllt.'IlWS dc .íreas muy PC(llIl'illl' del intervalo actinJ y diodos CPll un,l

cOnn"lI(f,ICilln mas baja del Zn, Illlll' .•.•tran la mi.";(Uil dCllsidad Je radi;\ción, que

,hlUt'llos de conct'IHración muy alla. ¡'\o o!Jstante, es necesaria una Concen-

tración de dtlll;llJ[('S muy alta par;¡ que se forme por difusión un in(en:alo acri\"o

del diodo fottllulllinisccfltc suficicllll'lIlt'llte ancho. Esto resulta dc qUl' la den-

sidad radiante es ulla lIledida m,Ís apropiada para la valorización dcl matcri,,!

-"'('miCtllltiuclor; se le podría usar COfllOequiyalencia del rendimiento cUiínticoexterno. A raíz de influencias negariyas mencionadas al prioc ipio. con la s

concentracioIles miís altas de Zn, 1.1 r,ldiacióo emitida se hace menor.

;\(~ RA I1EU~11 E:-':TO

/\gfadeceltlos la ayuda de lo ...•...•('flofe ...•Ede!fri(,d BU[[ef y Konrad I1nger

d,' 1.1 K.\flJ Leipzig, y ~figll('1 l{ofl1 dc I,l Uni\Tfsid,HI de Chile. E ...•te

trahajo se hizo en la "Arheitsgcllleinsch'lft AIIl-BV-lIalhlcitcr def K"flJ

Leipzig'" y ('O parlc durantc la estadía de A.Z. ('O la lJniycrsidad de Chile.

REFERENCIAS

l. 11. F. ,'tarafc, Internat. Elcc[fon. Rundschau 25, (971) l.

2. :\ . .\1. \Vhitc, E. \l'. Williams, and P. Pnrteous,Phys. SIal. Sol. 30, (1968) 125.

.l. 11.1.. 110nlop amI O.J. ~larsh, ..11'1'1.Phys. Lell., 15, (969) 3I!.,'1. IL :\. Logan, 11. G. White, amI W. Wiegmann,

..11'1'1.Phys. Lell. 13, (968) 139.5. R. 110ss, Php. SIal. Sol. (a) 9, K(1972) 61.ú. E. Bu([er, B. ]acobs, K. Jacohs, K. lJn~er, A. Zehe,

Phy ...•.Sr,H. Sol. (a) 12, K (972) 11 t.l. 1\.Zehe, Krist. u. Techo. 7, (1~72) lO, 1]75.8. :\. Zehe, :\nn. Phys. CGerm.). 7. Folge, 2~, 11. 1, (1973) t.9. 11. :--;"Ison, RCA I\ev. 24, (973) 603.]0. K. Jacobs, B. jacobs. E. Butter, Krist. ti. Tccho •• 7, (972) 1209.1 t. A. I.ehe, K. Jacobs. Czechoslln.aL J. Phys. B 23. (973) 567.

He'ero;u,,'uras de GaA1AsIGaAs .•.

12. E. Bu"er, R. Günrher, B. ]aeobs, K. ]aeobs, P. Streubel, A. Zehe.Krisr. u. Techo. 9, (973) 1021.

13. K. ]aeobs. A. Zehe, Experim. Techo. Phys. XXI, (1973) 181.14. 11.Weodr, 11. Sehubert, R. Doss, DDR WP G 010/157281 (1971).15. C.]. IIwaog, ]. Appl. Phys., 41, (1970) 2668.16. A. Zehe. B. ]aeobs, R. Albreeht, Krist. u. Techo., 7, (1972) 1365.17. A. Zehe aod G. Rüpke. Aoo. Phys. (Germ.) 7.

Folge, 29, 11. 4, (973) 351.18. A. Zehe, Phys. Stat. Sol. (a) 15. K (972) 41.

RESUMEN

FA 41

Se dan indicaciones para la preparación de heterojunturas de GaAIAs/GaAsapropiadas para la fabricación de diodos fotoluminiscentes que emiten radia-ción infrarroja. Resulta de interés especial la concentración de zinc dentrode la capa epitaxial, y se trata su influencia en la distancia entre la transi.ción de fase y la transición p-n, y en la potencia radiante y densidad radian-te de la luz emitida.