Реферат GaAs. Бинарные проводники а III в V GaAs

• Название: Бинарные проводники а III в V GaAs
• Дата: 04.04.2018
• Размер: 146.4 Kb.
• Имя файла: Реферат GaAs.docx
• Тип: Реферат; #40301

Реферат на тему:

«Бинарные проводники А^IIIВ^V: GaAs »

Оглавление

Введение

Мировая электроника, как инструмент энергетики, развивается по трём основным направлениям: температура, скорость и мощность.

Возможности полупроводников далеко не исчерпаны, хотя исследования ведутся широким фронтом.

Требования к рабочей температуре серийных электронных компонентов постоянно растет. Ожидается, что в 2018–2020 гг. рабочая температура достигнет значений до +600°С на A^IIIB^V, а частотный диапазон в полупроводниковой электронике в текущем десятилетии резко расширится до миллиарда терагерц.

Уже созданы экспериментальные образцы лазерных излучателей на основе A^IIIB^V с фантастическими значениями генерации импульсной мощности до 1023 Вт/см² (за 10–14 с, да ещё в придачу с миллионами атмосфер давления).

Одним из перспективных материалов в этих направлениях является арсенид галлия (GaAs).

1. Бинарные полупроводники А^IIIВ^V

Из десяти элементов, обладающих свойствами полупроводников, наибольшее применение в технике нашли германий и кремний.

Германий является одним из наиболее изученных полупроводников. На этом материале впервые были обнаружены многие явления, характерные для полупроводников.

Кремний является одним из самых распространенных элементов в земной коре, его содержание составляет примерно 29%. В настоящее время кремний является основным материалом для изготовления таких полупроводниковых приборов как диоды, транзисторы, стабилитроны, тиристоры и т. д. В зависимости от степени очистки материалов верхний предел рабочей температуры приборов из кремния может составлять 120–200^оС, что значительно выше, чем у германия.

Однако, полупроводниковыми свойствами обладают не только простые полупроводники, но и целый ряд химических соединений, среди которых наибольшее распространение получили двойные (бинарные) соединения А^IIIВ^V, А^IIB^VI, А^IVB^IV и др.

Ближайшими аналогами кремния и германия являются соединения типа А^IIIВ^V. Среди них особое наибольший интерес представляет арсенид галлия (GaAs), ширина запрещенной зоны которого превышает ширину запрещенной зоны германия и кремния, но ещё не очень велика (1,43 эВ). Полупроводниковые приборы из арсенида галлия по максимальной рабочей температуре (до 450 ^оС) превосходят кремниевые, а по частотному пределу -германиевые.

2. Свойства GaAs

В отличие от кремния, по физическим характеристикам GaAs является более хрупким и менее теплопроводным материалом.

Общие свойства GaAs приведены в табл.1
Таблица 1. Общие свойства GaAs

Название	Арсени́д га́ллия
Химическая формула	GaAs
Внешний вид	Тёмно-серые кубические кристаллы
Структура
Молекулярная масса	144.64 ат. ед.
Постоянная решётки	0.56533 нм
Кристаллическая структура	цинковой обманки
Физические свойства
Агрегатное состояние при нормальных условиях (н. у.)	твёрдое
Точка плавления при н. у.	1513 K
Электронные свойства
Ширина запрещённой зоны при 300 K	1.424 эВ
Электроны, эффективная масса	0.067 me
Лёгкие дырки, эффективная масса	0.082 me
Тяжёлые дырки, эффективная масса	0.45 me
Подвижность электронов при 300 K	9200 смІ/ (В·с)
Подвижность дырок при 300 K	400 смІ/ (В·с)

Рис.1. Кристаллы арсенида галлия


Химическая связь в полупроводниках типа A^IIIB^V является промежуточной между ионной и ковалентной. При ковалентной связи каждый атом мышьяка отдает один электрон атому галлия для образования атомов с четырьмя валентными электронами. В случае ионной каждый атом галлия отдает три электрона атомам мышьяка с образованием ионов, удерживаемых в кристалле исключительно электростатическими силами. При нейтральная связь все атомы сохраняют свои валентные электроны. Общий заряд, связанный с каждым атомом, является одним из критериев передачи заряда.

Структура сфалерита - это комбинация двух вставленных одна в другую кубических гранецентрированных решеток, смещенных относительно друг друга на четверть диагонали куба и состоящих из одного сорта атомов каждая.

Основные полупроводниковые свойства арсенида галлия определяются особенностями его кристаллической решетки. Каждый атом галлия окружен четырьмя атомами мышьяка, которые находятся в вершинах тетраэдра, так же как и каждый атом мышьяка окружен четырьмя атомами галлия. Особенностью такой структуры является отсутствие плоскости инверсии, в отличие от структуры германия и кремния (алмаза). Это проявляется в существенных различиях в структуре и свойствах кристаллических плоскостей (111).


Рис. 2. Кристаллическая структура арсенида галлия.
В структуре арсенида галлия есть две противоположные плоскости (111) и , состоящие из атомов галлия или атомов мышьяка, соответственно. На поверхности (111) атомы галлия связаны с соседними атомами посредством трех связей, атомы мышьяка на поверхности также связаны с тремя соседними атомами. Это приводит к большей химической активности поверхности , чем (111). Например, травление легче происходит с мышьяковой стороны, а кристаллизация - с галлиевой, что облегчает идентификацию плоскостей (111) и при химическом травлении. На поверхности (111) травление начинается в местах выхода дислокаций и при этом выявляются треугольные ямки травления. При травлении поверхность  травится равномерно и остается гладкой.

В структуре алмаза все плоскости (111) одинаково химически активны, так как состоят из одних и тех же атомов [2].

На механические свойства кристалла арсенида галлия также влияют структурные особенности. Арсенид галлия проявляет хорошую спайность по плоскости (110) и более трудно складывается в плоскости (111). Анизотропия механических свойств объясняется распределением электростатических сил в кристалле, которое возникает в результате частичной ионности связей в соединениях типа A^IIIB^V . Число галлиевых и мышьяковых плоскостей в направлении (111) должно быть равным из условия электронейтральности кристалла арсенида галлия. Следовательно, каждая из плоскостей (110) состоит из равного числа атомов мышьяка и галлия, и равнодействующая сил, связывающих эти плоскости, близка к нулю. Поэтому кристаллы арсенида галлия легко скалываются по плоскости (110) . Это ценное свойство используется в технологии для изготовления резонаторов Фабри-Перо у диодов ПКГ.

Зонная структура арсенида галлия показана на рис. 3. Из рис. 3 видно, что GaAs обладает прямыми межзонными переходами. В зоне проводимости имеются две долины, разность уровней которых составляет около 0,36 эВ. Подвижность электронов в нижней долине (эффективная масса 0,065 ) намного выше подвижности электронов в верхней долине. Из-за небольшой разности уровней этих долин, в сильных электрических полях электроны могут переходить из одного минимума в другой. Когда заполнение верхней долины превышает заполнение нижней, то в материале появляется отрицательное дифференциальное сопротивление. Это происходит из-за увеличения числа электронов, перешедших в верхнюю зону и снизивших свою подвижность, в результате чего ток падает.



Рис. 3. Зонная структура арсенида галлия при температуре 90К.
Валентная зона включает тяжелые дырки с эффективной массой  и легкие дырки с эффективной массой .

В настоящее время наиболее чистые кристаллы арсенида галлия содержат около 10¹⁵ примесных атомов в кубическом сантиметре. Плотность арсенида галлия равна .  Это означает, что среди 108 атомов основного вещества содержатся два атома примеси, т. е. Это на порядок ниже чистоты германия и кремния и объясняется трудностями проведения зонной очистки арсенида галлия.

Для характеристики степени чистоты арсенида галлия используют концентрацию электронов и их подвижность. В чистом материале концентрация электронов составляет около  а подвижность -более . В менее чистых материалах концентрация электронов возрастает, в то время как подвижность уменьшается. Таким образом, арсенид галлия имеет собственную электронную проводимость. Однако при введения примесей или в процессе выращивания кристалла, или методом диффузии тип проводимости может быть изменен.

Плотность дислокаций ND является одной из основных технологических характеристик GaAs. Величина плотности дислокаций и характер распределения оказывают влияние на рабочие параметры изготавливаемых на его основе приборов. В производстве светодиодов применяют кристаллы с ND (5-10)^.10³см^-2, в производстве лазеров — с ND 5^.10²см^-2. Присутствие дислокаций в активных областях светоизлучательных структур, изготовленных на сильно легированных пластинах GaAs n- и p-типа проводимости, приводит к быстрой деградации характеристик прибора. Поэтому низкая плотность дислокаций является основным требованием к материалу. Характер распределения дислокаций и их плотность влияют также и на распределение параметров СВЧ-приборов по площади пластины нелегированного полуизолирующего ПИ-GaAs. Это связано с перераспределением собственных точечных дефектов вблизи дислокаций.

3. Примеси в полупроводниках GaAs

Влияние присей на полупроводники A^IIIB^V приведено в табл. 2.

Таблица 2. Примеси в полупроводниках A^IIIB^V

Элементы	Электрическая активность	Пример
Элементы II группы	простые акцепторы	Цинк или кадмий в GaAs замещают Ga, образуя мелкий акцепторный уровень.
Элементы VIA подгруппы	простые доноры	Селен или теллур в GaAs замещают As, образуя мелкий донорный уровень. При этом кислород в GaAs замещает As и является глубоким донором.
Элементы IIIA и VA подгрупп	электрически неактивные примеси	Азот, висмут, сурьма в GaAs не влияют на концентрацию свободных носителей заряда, но влияют на их времена жизни, то есть на рекомбинацию.
Элементы IB подгруппы	двухзарядные акцепторы	Атомы меди могут входить в решетку GaAs как в узлы, так и в междоузлия. Атомы Cu, размещаясь в узлах Ga, образует два акцепторных уровня в запрещенной зоне GaAs, а в междоузлиях образуют однозарядные доноры. Однако для Ag и Au в GaAs обнаружено только по одному акцепторному уровню.
Элементы IA	разная электрическая активность	Литий в GaAs размещается как в междоузлиях, так и в узлах. Размещаясь в междоузлиях, литий ведет себя как простой донор, а в узлах - как двухзарядный акцептор.  Но при охлаждении от температуры легирования (выше 500 K) до комнатной, происходит компенсация, приводящая к образованию высокоомных кристаллов p-типа. В итоге наблюдается только один акцепторный уровень для Li в GaAs .
Элементы VI, VII и VIII групп	преимущественно как глубокие акцепторы	Mn, Co и Ni в GaAs (стабильной валентностью +2) при замещении ими Ga образуют однозарядные акцепторы. Fe и Cr могут иметь валентность +2(при стабильной валентности +3) и, встраиваясь в узлы галлия, быть в GaAs однозарядными акцепторами. Ванадий обычно обладает стабильной валентностью +4, и это согласуется с его ролью донора в GaAs.

Амфотерными примесями в соединениях A^IIIB^V могут быть:

А) атомы с незаполненной d-оболочкой, которые способные быть донорами или акцепторами в одной из кристаллических позиций.

Б) атомы, которые могут размещаться как в узлах, так и междоузлиях кристаллической решетки и проявлять при этом донорные и акцепторные свойства в зависимости от своего расположения, а также атомы IVA подгруппы.

Как показал анализ поведения примесей с незаполненной d-оболочкой в соединениях A^IIIB^V , амфотерностью обладает лишь примесь хрома в GaAs.

Катионно-анионные амфотерные примеси в соединениях A^IIIB^V на примере примесей IV группы приведены в табл. 3.
Таблица 3. Катионно-анионные амфотерные примеси в соединениях A^IIIB^V на примере примесей IV группы

Поведение примесей из IV группы	Пример
Атомы примеси размещаются преимущественно в подрешетке катиона и ведут себя при этом как простые доноры.	Образцы с оловом GaAs(Sn) обладают n-типом проводимости. В то же время олово имеет глубокий акцепторный уровень в запрещенной зоне, причем этот уровень обусловлен атомами олова, замещающими As в узлах решетки.
Примесные атомы размещаются преимущественно в подрешетке аниона и при этом ведут себя как простые акцепторы.	Свинец образует глубокий акцепторный уровень в запрещенной зоне GaAs.
Примесь входит в обе подрешетки с близкими концентрациями (амфотерные свойства примеси в этом случае проявляются наиболее ярко).	Примесные атомы Si и Ge, размещаясь в узлах галлия, являются мелкими простыми доноров, а размещаясь в узлах мышьяка, - акцепторами.

Получение чистых полупроводниковых соединений A^IIIB^V технологически более сложно, по сравнению с чистыми элементарными полупроводниками Ge и Si. И кристаллы, и эпитаксиальные пленки GaAs содержат разное количество разных остаточных примесей в зависимости от метода их получения. В объемных кристаллах GaAs чаще всего обнаруживаются остаточные примеси, образующие мелкие донорные и акцепторные уровни. При необходимости получения высокоомного материала для подложек используется специальное легирование глубокими примесями, такими как хром или кислород. Причем хром является в GaAs глубоким акцептором, а кислород - глубоким донором (ρ ∼ 108  Ом · см при 300 K при легировании хромом и ρ ∼ 107  Ом · см при 300 K при легировании кислородом). Следует отметить, что довольно часто в кристаллах GaAs, получаемых наиболее широко распространенными в промышленности методами, в качестве остаточной примеси присутствует кислород. Если в кристалле имеются еще и мелкие акцепторы, то кислород может их компенсировать, в результате чего материал станет высокоомным и без специального легирования. Содержание кислорода в GaAs, безусловно, зависит от метода его выращивания и обработки.

В ряде случаев рост эпитаксиальных пленок GaAs может сопровождаться нежелательным легированием глубокими примесями или появлением уровней собственных дефектов. Наличие глубоких примесей в полупроводнике может приводить к захвату носителей заряда и уменьшению их времени жизни. Эти эффекты оказывают влияние на многие характеристики полупроводниковых приборов, изготовленных из этого материала: на токи утечки, шумы диодов и транзисторов. Они проявляются при переходных процессах во всех транзисторах, диодах и источниках света на основе GaAs.

4. Получение и маркировка

Арсенид галлия выпускается в виде монокристаллических слитков четырех марок: АГЭ, АГЭТ, АГДЦ и АГП (А и Г - арсенид галлия, Э и Д - электронного и дырочного типов, Т и Ц - легирующий элемент - теллур и цинк, П - полуизолирующий).

Две цифры, стоящие после буквенного обозначения, указывают на:

1. 
   номинальную концентрацию носителей заряда.
   
2. 
   вторая является показателем степени десятичного порядка этой величины.
   

Например, в обозначении АГЭ - 4 – 15 цифры указывают концентрацию, равную 4*1015 см^-3.

В промышленном производстве монокристаллов GaAs используются метод Чохральского, метод направленной кристаллизации по Бриджмену и метод молекулярно-лучевой эпитаксии.

Метод Чохральского с жидкостной герметизацией расплава слоем борного ангидрида является одним из основных в производстве монокристаллов GaAs.

Этот метод используется для получения нелегированного GaAs. Недостатком метода Чохральского является высокая плотность дислокаций (1,10⁴ до 2,10⁵ см^-2 в зависимости от диаметра слитка).

Для снижения температурных градиентов и, соответственно, снижения плотности дислокаций было предложено несколько модификаций метода:

1. 
   Выращивание растущего кристалла в условиях полной герметизации. Однако при малых радиальный градиентах, характерных для этого метода, затруднено поддержание диаметра растущего кристалла. Однако, этот метод непригоден для промышленного использования, так как не позволяет выращивать достаточно длинные кристаллы.
   
2. 
   Выращивание с контролируемым давлением паров мышьяка. Использование этого метода позволило значительно снизить плотность дислокаций в монокристаллах арсенида галлия. Недостатком этого метода является высокая стоимость оборудования.
   

Для получения арсенида галлия с высоким удельным сопротивлением (ПИ-GaAs) используют:

• 
  галлий и мышьяк чистотой не хуже 7N;
  
• 
  тигли из пиролитического нитрида бора;
  
• 
  управление содержанием фонового углерода, определяющим величину удельного сопротивления и подвижности носителей заряда в материале.
  

Для получения кристаллов n-типа проводимости, легированных Si, используется метод направленной кристаллизации в вариантах по Бриджмену. Монокристаллы GaAs выращивают в кварцевых контейнерах. Но этот метод не позволяет получить кристаллы большого диаметра, так как используемые контейнерные материалы имеют низкую механическую прочность.

Суть метода молекулярно-лучевой эпитаксии составляет выращивание в сверхвысоком вакууме при помощи молекулярных/атомарных пучков, направленных на поверхность полупроводниковой пластины-подложки, монокристаллических тонких пленок и многослойных структур, состоящих из разнообразных химических соединений и твердых растворов. Выращивание производится с помощью молекулярных и атомных пучков в сверхвысоком вакууме путем нанесения тонких пленок этих материалов на поверхность полупроводниковой пластины при строгом контроле состава, структуры и толщины каждого слоя в процессе его нанесения. Высокая температура подложки способствует миграции атомов по поверхности, в результате чего атомы занимают строго определенные положения. Этим определяется ориентированный рост кристалла формируемой пленки на подложке.

5. Применение

GaAs - важный полупроводник, занимает третье место по объему использования в промышленности после кремния и германия.

Полупроводники GaAs применяются в:

1) высокочастотных интегральных схемах (ИС) и дискретных микроэлектронных приборах (нелегированный полуизолирующий (ПИ) GaAs с высоким удельным сопротивлением 10⁷ Ом^.см). Монокристаллы нелегированного GaAs, применяемые в производстве высокочастотных приборов, помимо высокого удельного сопротивления должны иметь высокие значения подвижности носителей заряда и высокую макро- и микроскопическую однородность распределения свойств как в поперечном сечении, так и по длине выращенных слитков;

2) светодиодах и лазерах (сильнолегированный кремнием GaAs n-типа проводимости с низкой плотностью дислокаций);

3) оптоэлектронике для изготовления инжекционных лазеров, свето- и фотодиодов, фотокатодов;

4) туннельных диодах, способных работать при более высоких частотах, чем германиевые и на более высоких температурах, чем кремниевые;

3) инфракрасной оптике (монокристаллы полуизолирующего арсенида галлия, легированные хромом);

4) оптоэлектронных приборах (монокристаллы GaAs, легированные цинком или теллуром);

Также мультислойные полупроводники на основе GaAs нашли широкое применение в фотопроводящих террагерцовых антеннах [5].

В настоящее время ведутся исследования мультислойных структур LT-GaAs (low-temperature grown GaAs, низкотемпературный арсенид галлия), для использования в современных сверхскоростных коммуникациях. Например, в сверхбыстрых оптических сетевых коммутаторах. Создание таких коммутаторов многократно увеличит скорость передачи данных. Также этот материал используется для быстрых и чувствительных фотодетекторов [6].

Заключение

Полупроводник GaAs является третьим по масштабам использования в промышленности после кремния и германия.

Некоторые свойства GaAs превосходят свойства кремния. Например, арсенид галлия обладает более высокой подвижностью электронов, которая позволяет приборам работать на частотах до 250 ГГц. Приборы на основе GaAs генерируют меньше шума, чем кремниевые приборы на той же частоте. Из-за более высокой напряженности электрического поля пробоя приборы из арсенида галлия могут работать при большей мощности по сравнению с Si. Эти свойства делают GaAs широко используемым в полупроводниковых лазерах, некоторых радарных системах. Полупроводниковые приборы на основе арсенида галлия имеют более высокую радиационную стойкость, чем кремниевые, что обусловливает их использование в условиях радиационного излучения (например, в солнечных батареях, работающих в космосе).

Хотя изготовление полупроводников на основе GaAs имееет свои трудности, этот материал является очень перспективным и обладает большими возможностями.

Список использованной литературы

1. 
   И. А. Случинская, Основы материаловедения и технологии полупроводников, Москва — 2002
   
2. 
   Рябцев Н. Г. Материалы квантовой электроники. М. «Советское радио», 1972, 384 с.
   
3. 
   “Материалы Электронной Техники" В.В. Пасынков, В.С. Сорокин. 1986 г.
   
4. 
   Материал из Мегаэнциклопедии Кирилла и Мефодия
   
5. 
   Shao-Heng C., Ming-Long F., Pin S. Investigation and Comparison of Work Function Variation for FinFET and UTB SOI Devices Using a Voronoi Approach // Electron Devices, IEEE Trans. Electron Devices, IEEE Trans. Electron Devices, IEEE Trans. 2013. Vol. 60, № 4. P. 1485–1489.
   
6. 
   Obata T. et al. Photoluminescence of nearly stoichiometric LT-GaAs and LT-GaAs/AlAs MQW // J. Cryst. Growth. 2001. Vol. 228. P. 112–116. 4. Mikulics M. et al. Ultrafast low-temperature-grown epitaxial GaAs photodetectors transferred on flexible plastic substrates // Ieee Photonics Technol. Lett. 2005. Vol. 17, № 8. P. 1725–1727.