Рис. 6.2. Фазовые траектории, обеспечивающие постоянство периода решетки {штриховые кривые) и ширины запрещенной зоны (сплошные кривые) твердых растворов Ini-iGasPi-zAsz

Фазовые траектории в системе In-Ga-Р-As, обеспечивающие неизменность постоянной решетки и ширины запрещенной зоны, по данным работы [133], представлены на рис. 6.2, из которого видно, что значительная область составов твердых растворов характеризуется прямым типом зонной структуры, что обеспечивает генерацию эффективного излучения в видимой области спектра.

В аналитической форме ком>позиционные зависимости ширины прямой и непрямой запрещенной зоны, по данным исследованиям широкозонных твердых растворов Ini-xGaPi-zAsz, могут при Т= =79 К быть аппроксимированы соотношениями [134]

E(x,z)= -0.328-f 1,084 х +0,758л;2+1,543 (1 -2)-f

+ 0,210(1-2)2 + 0,390л-(1-г); Eg {X. z) = 1,884 - 0,107 X + 0,203 х + 0,280 (1 - г) +

+ 0,210 (1-2)2-0,137л; (Г-г).

При этом в отличие от трехкомпонентных твердых растворов область составов, соответствующих переходу от прямой структуры к непрямой структуре энергетических зон, дается не одной точкой, й фазовой траекторией, описываемой соотношением

1,191 л; + 0,555 + 1,262 (1 - 2) - 0,253 л; (1 - 2) = 2,222. (6.3)

: Во многих отношениях оптические свойства кристаллически совершенных твердых растворов Ini-xGaPi-zAsz подобны оптическим свойствам трехкомпонентных систем. Это относится, и к спе-

ктральной форме полос прямой рекомбинации, и к характер}/ проявления в четырехкомпонентных твердых растворах эффектов зон-ной структуры. Проявление последних приводит к тому, что в. .непрямозонной области составов доминирующие в спектрах эффективность бесфононной люминесценции и LЛ-кoмпoнeнты рекомбинации свободных экситонов возрастает при уменьшении энергетического зазора между прямым и непрямым минимумами зоны проводимости; при этом их соотношение в широком диапазоне составов может быть описано соотношением [135]

[2.1.(l-.)+6.3.(l-2)]f-- + + J

где 7=25 мэВ; 6 = 30 мэВ.

Особый ицтерес с точки зрения потенциального использования в технологии ПЗСИ представляют прямозонные твердые растворы Ini-acGaPi-zAsz. Основные закономерности излучательной рекомбинации в них аналогичны закономерностям излз"1ательных переходов в прямозонных трехкомпонентных твердых растворах. Важное значение для оптимизации параметров структур на основе Irii-xGaxPi-zAsz имеет учет уменьшения эффективности прямой межзонной рекомбинации по мере уменьшения Аг-х-

Принципиальное отличие от трехкомпонентных твердых растворов состоит в возможности практической реализации в четырех-компонентной системе идеальных гетероструктур. Учет эффекта поверхностной рекомбинации и стока носителей в подложку [136] в случае достаточно тонких эмиттеров позволил установить оптимальные параметры гетероструктуры в системе In-Ga-Р-As, использующей оптически непрозрачную подложку GaAsi-yPi,. Бы-Л0 установлено, что максимальная яркость люминесценции достигается [137] в гетероструктуре 1по,з20ао,б8Р-- lno,i9Gao,8iAso,i5Po,85.-Ino,32Gao,68P-GaAso.62Po.38; при этом длина волны излучения составляет 620 нм, а 1уд=8-Ю кд-м--А--см.

Современный уровень технологии получения методом ЖФЭ многослойных структур на основе твердых растворов Ini-xGaxPi-zAsz, используемых в настоящее время для разработки лазеров видимого диапазона спектра [132], позволяет прогнозировать перспективность дальнейшей оптимизации процесса получения гетероструктур Ini-xGaxPi-zAsz/GaAsi-yPj; для источников спонтанного излучения в видимой области спектра. Реально достигнутые к настоящему времени результаты по светоизлучающим диодам на основе гомоструктур Ini xGaxPi-zAsz, полученных жидкостной эпитаксией на подложках GaAsi-P, еще очень далеки от теоретических пределов. В работе [138] рассмотрены особенности получения и основные характеристики светоизлучающих диодов на основе твердых растворов Ini-GaxPi-zAsz, изопериодических СаАзо,бРо,4. Использовалась жидкостная эпитаксия с принудительным охлаждением расплава; при этом начальная температура процесса составляла 1310 К- Для предотвращения подрастворения подложки расплав переохлаждался на 10 К перед приведением

gro в Контакт с подложкой. Было зстановлено, что эпитаксиаль-ный (1лой Ini-ocGaocPi-zAsz воспроизводит сетчатую текстуру, характерную для материала подложки. Максимальная сила света структур, излучающих на длине волны 610 нм, составила 200 мккд при /=10 мА.

Определенный интерес с точки зрения разработки источников спонтанного излучения в видимой области спектра представляют твердые растворы Ini-xGaocPi-zAsz, легированные азотом, с составом вблизи границы перехода от прямой структуры к непрямой структуре энергетических зон. Как следует из проведенного в гл. 2 анализа особенностей экситонной рекомбинации на изоэлектронных центрах азота, введение этой примеси-активатора люминесценции приводит к значительному возрастанию квантового выхода излучательной рекомбинации; при этом вследствие эффектов зонной структуры в наибольшей степени указанное явление проявляется в переходной области составов.

По мере приближения к границе перехода от прямой структуры к непрямой структуре энергетических зон происходит более резкое изменение энергетического положения полосы экситонной ре-комбинации по сравнению с уменьшением ширины запрещенной зоны, что связывается с возрастанием энергии связи экситонов на N-центрах. Указанный эффект приводит к тому, что в случае твердых растворов GaAsi-Px :iN полоса экситонной люминесценции располагается в красной Области спектра, что не очень интересно с практической точки зрения, поскольку в настоящее время хорошо разработана технология нелегированных азотом структур GaAsi-jcPrx:, AUGai-xAs, эффективно излучающих в красной области спектра. В то же время, как показывает проведенное в работе [81] исследование, в твердых растворах Ini-xGaPi-zAsz с малым содержанием As полоса экситонной рекомбинации на N-центрах располагается в желто-зеленой области спектра, что создает еще одну технологическую возможность практической реализации источников видимого излучения с высокой удельной яркостью. По данным [81], внутренний квантовый выход в таких структурах может превышать 10%; при зтом из-за изменения состава вдоль границы перехода от прямой к непрямой структуре энергетических зон, описываемой соотношением (6.3), возможна реализация эффективной экситонной люминесценции в диапазоне от желто-зеленой до красной области спектра.

Только в последнее время система широкозонных четырехком-понентных твердых растворов li--yGaxAlyP стала рассматриваться в практическом плане с точки зрения разработки оптоэлектронных приборов видимого диапазона спектра [1139].

Использование интерполяционной процедуры с применением данных для трехкомпонентных систем позволило установить в работе [124] композиционные зависимости ширины прямой и непрямой запрещенной зоны:

Еех, ) =1,351 +l,429x+0,775х (х + у - 1) + 2,230у ;

£(х, y) = 2,260 + 0,150x(x + y-1) + 0,180у.