Свойства арсенида индия (стр. 1 из 3)
Арсенид индия. Свойства, применение. Особенности получения эпитаксиальных пленок.
Введение.
Эпитаксиальный арсенид индия - перспективный материал электронной техники. Высокая подвижность электронов в арсениде индия прямозонная структура позволяют использовать его для изготовления высокоэффективных электронных и оптоэлектронных приборов, в частности быстродействующих транзисторов и интегральных схем, фотоприемных детекторов ИК - диапазона, инжекционных лазеров с длиной волны »3,5 мкм.
Однако широкое использование тонкопленочных структур арсенида индия сдерживается отсутствием полуизолирующих подложек в связи с малой шириной запрещенной зоны арсенида индия. Следует также отметить недостаточную механическую прочность материала. Указанные проблемы могут быть преодолены, по крайней мере частично, при гетероэпитаксиальном выращивании арсенида индия. В этом случае, как правило, эпитаксию проводят на подложках арсенида галлия с ориентацией поверхности (001).
Значительное рассогласование параметров решеток арсенида индия и арсенида галлия 7.4% приводит при получении гетероэпитаксиальных пленок арсенида индия и арсенида галлия методами газотранспортной и жидкофазной эпитаксии к формированию переходного слоя значительной толщины и к большей плотности морфологических и структурных дефектов. Это обусловлено ограничениями как физического характера, присущим данным эпитаксиальным технологиям, так и ограничениям, связанными с “ненаблюдаемостью” процесса роста.
Электрофизические свойства объемного арсенида индия.
Зонная структура арсенида индия.
Зона проводимости.
Арсенид индия является прямозонным полупроводником, у которого зона проводимости сферически симметрична и минимум ее находится в центре зоны Бриллюэна. Вблизи минимума кривизна зоны велика, вследствие чего эффективная масса электрона очень мала и равна me»0.026 m0.
Зона проводимости имеет не-параболичную форму, кривизна ее уменьшается с увеличением энергии. Экспериментальные результаты подтверждают непараболичность зоны проводимости. Измерение эффективной массы на поверхности уровня Ферми, приведенное для образцов с различной концентрацией электронов, показало увеличение эффективной массы с ростом n-кол-личеством носителей заряда (рис.1).
Рис.1. Зависимость эффективной массы электрона от концентрации электронов.
Валентная зона.
Расчеты зоной структуры валентной зоны показали, что зона тяжелых дырок состоит из двух подзон, сдвинутых относительно точки
=0 в направлении [111] на величину 0.008 а-1б .В максимумах энергии не более чем на 0.006 эВ превышает энергию, соответствующую центру зоны Бриллюэна. Зона легких дырок вырождена с зоной тяжелых дырок при
=0. Имеется также третья зона, положение которой обусловлено спин-орбитальным взаимодействием. Величина эффективных масс и некоторые характеристики зонной структуры приведены ниже:Ширина запрещенной зоны Eg=0.35 эВ (300 К)
Температурная зависимость Eg=(0.44-2.8×10-4T)эВ
Эффективная масса электрона me*=0.026 m0
Эффективная масса тяжелой дырки mp*=0.41 m0
Эффективная масса легкой дырки mi*=0.025 m0
Эффективная масса дырки в зоне
спин-орбитального расщепления mj*=0.083 m0
Энергия спин-орбитального расщепления DEg=0.43 эВ.
Оптические свойства арсенида индия.
Наибольший практический интерес представляет спектральный диапазон в близи края собственного поглощения. Именно в этой области длин волн (3-5 мкм) работают фотоприемники, изготовленные из эпитаксиальных структур арсенида индия.
Поглощение света в толстом полупроводника может быть описано выражением
------I=I0(1-k)×exp(-aX),------(1)
где I0 - интенсивность падающего излучения, k - коэффициент отражения, a - коэффициент поглощения, X - координата.
Величина коэффициента отражения в близи края собственного поглощения не превышает 30-40% и может быть оценена из выражения
------(2)где n - показатель преломления.
В полупроводниках, как правило, одновременно работает несколько механизмов поглощения света. Основные из них:
собственное или фундаментальное поглощение;
эксионное;
поглощение свободными носителями;
решетчатое;
внутризонное.
Полный коэффициент поглощения в случае одновременного участия нескольких механизмов поглощения равен:
. ------(3)В указанном диапазоне длин волн 3-5 мкм и обычно используемой области температур 77-300 К работает в основном два механизма: собственное поглощение и поглощение на свободных носителях. В области собственного поглощения прямозонная структура арсенида индия обуславливает резкую зависимость коэффициента поглощения от энергии:
, 
(4)где e - заряд электрона, h - постоянная Планка, с - скорость света. В арсениде индия n-типа величина Еg=0.35 эВ при Т=300 К, а показатель степени в выражении для a=0.85 n=1, в материале р-типа Еg=0.36 эВ, а n=0.5.
В легированных образцах за счет малой эффективной массы электронов с увеличением концентрации носителей происходит быстрое заполнение зоны проводимости электронами, в следствии чего уровень Ферми находится выше дна зоны проводимости на величину энергии DEn. В этом случае коэффициент поглощения описывается выражением
------(5)т.е. происходит сдвиг края поглощения в сторону больших энергий.
Поглощение на свободных носителях в области длин волн, превышающих 3 мкм, хотя слабее, чем собственное, тем не менее может играть значительную роль в сильно легированных образцах. В этом случае a описывается выражением
------(6)где n - показатель преломления, s - проводимость, l - длина волны,
Оценки показывают, что при l=3 мкм и n=1018 см-3 в пластине арсенида индия толщиной 400 мкм поглотится около 80% светового потока.
Подвижность в арсениде индия.
Подвижность носителей заряда в кристаллах арсенида индия ограничивается несколькими механизмами рассеивания:
рассеянием на оптических и акустических фононах;
на ионных примесях;
на нейтральных примесях:
на дефектах кристаллической решетки (дислокациях):
на носителях заряда.
В приближении времени релаксации t подвижность вычисляется по формуле
------
------(7)где t - вычисляется для каждого механизма рассеивания отдельно.
В монокристаллических объемных образцах арсенида индия достигнуты следующие значения подвижности:
n-тип, m=30000 см2/Вс(300К),
р-тип, m=450 см2/Вс(300К).
Сростом концентрацией примесей подвижность падает.
Методы глубокой очистки индия и мышьяка.
Для получения монокристаллов арсенида индия с высокими и стабильными электрофизическими параметрами необходимо использовать высокочистые исходные материалы.
Арсенид индия с трудом поддается очистке кристаллизационными методами в следствие высокого давления диссоциации при температуре плавления, высокой химической активности индия и мышьяка при температуре выращивания и близких к единице значений коэффициентов распределения основных примесей в исходных элементах, таких как сера, селен, цинк и др., а также из-за загрязнением кремнием из кварца при высокой температуре.
Методы глубокой очистки индия.
В индии предназначенном для синтеза полупроводниковых соединений, лимитирующими являются следующие примеси: алюминий, медь, магний, кремний, серебро, кальций, серебро и сера.
Применяемые методы очистки индия можно разделить на химические и физические. Методы первой группы - субхлоридный, экстракционный, электролитический и перекристаллизация солей из растворов. Химические методы требуют наличия сверхчистых вспомогательных материалов кислот, щелочей, органических растворителей. Методы второй группы (физические) - термообработка, ректификация, вытягивание из расплава и зонная плавка - включают воздействие на индий каких-либо вспомогательных химических реактивов.
При применении для приготовлении электролита особо чистого натрия электролитическое рафинирование индия позволяет получить индий чистотой 99,9999% (выход по току 90%).
Субхлоридный метод получения индия высокой чистоты позволяет получать индий чистотой 99,9999%.
Для успешного осуществления метода вакуумной термообработки необходимо выполнения следующих условий:
материал контейнера должен быть достаточно чистым и не взаимодействовать с расплавленном индием;
термообработка должна проводится в условиях высокого вакуума (10-6 мм рт.ст.) и в остаточной атмосфере, не содержащей углеводородов.
Термообработка индия проводится в интервале температур 500-900ОС. Верхний предел температурного интервала ограничивается взаимодействием расплавленного индия с кварцем и значительным увеличение упругости пара индия.
Вакуумная термообработка позволяет получить индий чистотой 99,9999%.
Зонная плавка электрически рафинированного индия позволяет осуществлять дальнейшую очистку его от примесей.