Алмазоподобные полупроводники - -*новый или неперечисленный*- - Скачать бесплатно
акцепторы, в качестве которых могут выступать
вакансии кадмия. Концентрация последних возрастает при легировании
донорами. Соответственно возрастает и собственная фотопроводимость. Высокой
фоточувствительностью обладают также образцы сульфида кадмия, легированного
медью. При сильном легировании медью доминирующую роль начинает играть
примесная фотопроводимость, что находит отражение в смещение спектральной
характеристики. (рис.5).
Помимо сульфида кадмия для изготовления фоторезисторов,
чувствительных к видимому излучению, используют пленки и спеченные
порошкообразные соли СdSe.
Узкозонные полупроводники типа АIIВVIпредставляют интерес для
создания приемников далекого ИК-излучения. Особое внимание привлекают
твердые растворы
CdхHg Te, спектр фоточувствительности которых перекрывает атмосферное«окно
прозрачности» в области 8-14 мкм.
Пленки из селенида и теллурида ртути, благодаря высокой подвижности
электронов, применяют для изготовления высокочувствительных датчиков Холла.
Высокая эффективность излучательной рекомбинации в полупроводниках типа
АIIВVI позволяет использовать монокристаллы этих соединений в качестве
рабочего тела полупроводниковых лазеров, возбуждаемых электронным пучком.
Синтез и выращивание кристаллов. Технология выращивания
монокристаллов полупроводниковых соединений АIIВVI разработана гораздо
менее полно, чем технология полупроводников типа АIII ВV . Широкозонные
полупроводники АII ВVI представляют собой в технологическом отношении
трудные объекты, так как обладают высокими температурами плавления и
высокими давлениями диссоциации в точке плавления. Синтез исходных
соединений А В , частности порошка для люминофоров, чаще всего
осуществляется по реакциям обменного разложения, протекающим в водной
среде.
Так, сульфид цинка осаждают из водного раствора сульфата ZnSO4
пропусканием через него сероводорода H2S.
Для производства продуктов с малым содержанием окислов синтез проводится
путем взаимодействия соответствующих металлов II группы серо- и
селеноводородом. Выращивание монокристаллов тугоплавких соединений типа
АIIВVI в большинстве случаев осуществляется перекристаллизацией
предварительно синтезированного соединения через паровую фазу в запаянных
кварцевых ампулах.
Твердые растворы на основе соединений АIII ВV . Твердые растворы
существенно расширить по сравнению с элементарными полупроводниками и
полупроводниковыми соединениями набор электрофизических параметров,
определяющих возможности применения материалов в конкретных
полупроводниковых приборах.
Среди алмазоподобных полупроводников, в том числе соединений типа А В
, распространены твердые растворы замещения. Необходимыми условиями
образования твердых растворов являются кристаллохимическое подобие
кристаллических решеток соединений-компонентов и близость их периодов
идентичности. Наиболее хорошо изучены тройные твердые растворы, в которых
замещение происходит лишь по узлам одной из подрешеток бинарного соединения
(металлической или металлоидной). Состав таких твердых растворов принято
характеризовать символами АхВ1-хС и АСуD1-у, где А и В обозначают элементы
III группы, а С и D- элементы V группы. В формуле АхВ1-хС индекс х
определяет мольную долю соединения АВ в твердом растворе. Если твердые
растворы существуют во всем диапазоне концентраций, то х может изменяться
от 0 до 1. В тройных твердых растворах имеет место статистически
неупорядоченное распределение атомов замещаемых компонентов по узлам
соответствующей подрешетки. С изменением состава твердого раствора
наблюдается линейное изменение периода кристаллической решетки. Эта
закономерность известна в кристаллохимии как закон Вегарда. Она позволяет
определять состав твердого раствора по изменениям периода решетки с помощью
дифракции рентгеновских лучей.
Как в бинарных соединениях АIIIВV, в твердых растворах не наблюдается
существенных отклонений от стехиометрии, поэтому они просты по механизму
легирования. Теми же методами, что и в бинарных соединениях, в них могут
быть получены электронно-дырочные переходы. Температурные изменения
электрических параметров также принципиально не отличаются от
соответствующих зависимостей для соединений-партнеров.
Особый интерес к твердым растворам обусловлен возможностью плавного
управления шириной запрещенной зоны полупроводников путем изменения их
компонентного состава. Возможные варианты этих зависимостей показаны на
рис.5
[pic]
а)
б)
Рис.5 Зависимость ширины запрещенной зоны от состава твердых растворов на
основе соединений АIIIВV (Т=300К)
а-соединения-партнеры имеют одинаковую зонную структуру;
б-соединения-партнеры имеют различную зонную структуру.
Как видно из рисунка, зависимость ширины запрещенной зоны от состава в
некоторых системах твердых растворов (Gaу In1-х As; InPу As1-у) очень
близка к линейной, но может и существенно отличаться от нее, проявляя
экстремум или излом при определенном соотношении между компонентами.
Конкретный характер зависимости во многом определяется типом зонной
структуры соединений-партнеров, т. е. положением
их энергетических долин в
пространстве квазиимпульсов (k-пространстве).
В частности, излом зависимости ?Э(х)
наблюдается в тех системах твердых
растворах, в которых исходные
бинарные соединения имеют зонные
структуры различных типов, т. е.
различное расположение главных
энергетических минимумов зоны проводимости
в k-пространстве.
Подвижность носителей заряда
в полупроводниковых твердых растворах
в основном ограничивается теми же факторами,
что и в бинарных соединениях. Подтверждение
этому могут служить зависимости, показанные
на рис.6.
Рис.6 Зависимость под-
вижности электронов в твер-
дых растворах GaхIn1-хSb и
InPуAs1-у от состава (Т=300К)
Отсутствие экстремума в ходе кривых указывает на то, что в общем механизме
рассеяния носителей заряда доля рассеяния на статистических неоднородностях
структуры материала относительно мала. В противном случае должен был бы
наблюдаться минимум подвижности носителей для твердых растворов с составом,
близким к х=0,5. Отмеченная закономерность в поведении носителей заряда
отличает полупроводниковые твердые растворы от металлических сплавов, в
которых рассеяние электронов на статистических неоднородностях структуру
играет весьма существенную роль.
Вместе с тем, как и в металлических сплавах, эффекты статистического
разупорядочения в кристаллической решетке оказывают сильное влияние на
удельную теплопроводность полупроводников, которая у твердых растворах
оказывается заметно ниже, чем у бинарных соединений. Например, у твердых
растворов GaAs0,5P0,5 и Al0,5Ga0,5As значение удельной теплопроводности
примерно на порядок меньше, чем у чистых кристаллов GaAs.
Изменение ширины запрещенной зоны у твердых растворов сопровождается
соответствующим смещением спектров оптического поглощения и пропускания,
люминесценции и фоточувствительности. С изменением состава твердого
раствора изменяются значения диэлектрической проницаемости и показателя
преломления, происходит смещение примесных энергетических уровней. В ряде
систем при определенном соотношении между компонентами можно получить
качественное новое сочетание свойств. Так, в твердых растворах GaAs1-уPу и
AlхGa1-хAs (с х и у порядка 0,3 ч 0,4) сочетаются достаточно широкая
запрещенная зона ( ?Э>1,7эВ) с высоким квантовыми выходом межзонной
излучательной рекомбинации. Такие материалы используют для создания
эффективных электролюминесцентных источников красного излучения
(светодиодов и лазеров). Твердые растворы
GaхIn1-хP c х=0,5-0,7 обладают эффективной люминесценцией в желто-зеленой
области спектра.
Получение однородных твердых растворов заданного состава представляет
собой весьма трудную технологическую задачу. Обычными методами
кристаллизации из расплава в лучшем случае удается получать однородные
поликристаллические слитки. Монокристаллические слои твердых растворов,
используемых в приборных структурах, осаждают исключительно методами
эпитаксии. Эпитаксию твердых растворов GaAs1-уPу осуществляют на подложках
GaAs или GaP с помощью химических реакций, протекающих в газовой фазе. В то
же время наиболее совершенные эпитаксиальные слои AlхGa1-хAs, AlхGa1-хSb,
GaхIn1-хAs, GaхIn1-хP получают методом жидкофазовой эпитаксии с
использованием галлия или индия в качестве растворителя.
Твердые растворы открывают широкие возможности создания
гетеропереходов и приборов на их основе. Под гетеропереходом понимают
контакт двух полупроводников с различной шириной запрещенной зоны. Для
получения гетеропереходов со свойствами идеального контакта необходимо
выполнить ряд условий совместимости материалов по механическим,
кристаллохимическим и термическим свойствам. Решающим критерием при выборе
материалов контактной пары является соответствие периодов их
кристаллических решеток и температурных коэффициентов линейного расширения.
Если компоненты гетерпары обладают взаимной растворимостью во всем
интервале концентраций, то появляется уникальная возможность создавать
гетеропереходы между химическим соединением АС и твердым раствором
АхВ1-хС на его основе. Это обстоятельство позволяет плавно изменять
свойства материалов на контактной границе, что важно при изготовлении ряда
приборов оптоэлектроники и прежде всего – источников и приемников
излучения. Среди полупроводников типа АIIIВVнаилучшими парами материалов
для создания идеальных гетеропереходов являются системы GaAs-AlхGa1-хAs и
GaSb-AlхGa1-хSb.
Преимущества указанных гетеропар заключаются в том, что период решетки
твердых растворов AlхGa1-хAs и AlхGa1-х Sb слабо зависит от состава и
близок к периоду решетки бинарного соединения (собственно GaAs и GaSb).
Дополнительные степени свободы для варьирования параметрами
сопрягаемых полупроводниковых материалов при получении идеальных
гетеропереходов возникают при использовании четырехкомпонентных твердых
растворов типа АхВ1-хСуД1-у. Среди этой группы материалов наиболее
интересными и изученными являются твердые растворы GaхIn1-хAs1-уPу, в
которых имеет место замещение по обеим подрешеткам при сохранении общей
стехиометрии, т. е. равенство суммарных количеств атомов металла и
металлоида. В качестве исходных компонентов такого твердого раствора можно
рассматривать четыре бинарных соединения: GaP, InP, GaAs и InAs. Особый
интерес представляют твердые растворы GaхIn 1-хAs1-уPу с изопериодическим
замещением по отношению к InP. В зависимости от состава их запрещенная зона
может изменяться в пределах от 0,75 до 1,35 эВ.
Инжекционные лазеры на основе гетерпары InP- Ga In As P
переспективны для применения в волоконно-оптических линиях связи, поскольку
спектральный диапазон их излучения соответствует минимальным оптическим
потерям кварцевого волокна.
Заключение.
Таким образом, мы видим, что уже сейчас полупроводники нашли себе ряд
важнейших применений и что область их практического применения непрерывно и
быстро расширяется. Физика твердого тела, особенно физика полупроводников,
оказала в последнее время заметное влияние на электронику, и, по-видимому,
в течение ближайших лет полупроводниковые приборы будут занимать ведущее
положение в этой области. Многие устройства, скорее всего, будут заменены
новыми, где будут использованы приборы из высококачественных монокристаллов
того или иного полупроводника.
Используемая литература
1. Пасынков В.В., Сорокин В.С. Материалы электронной техники.- М.:
Высшая школа, 1986.
2. Пасынков В.В. Материалы электронной техники.- М.: Высшая школа,
1980.
3. Ортмонд Б. Ф. Введение в физическую химию и кристаллохимию
полупроводников./Под ред. В.М. Глазова.- М.: Высшая школа, 1982.
4.Бонч-Бруевич В.Л., Калашников С. Г. Физика полупроводников.- М.:
Наука,1977.
5. Горелик С.С., Дашевский М. Я. Материаловедение полупроводников и
металловедение.- М. Металлургия, 1973.
6. Справочник по электротехническим материалам. /Под ред.Ю. В.
Корицкого,
В.В. Пасынкова, Б.М. Тареева. – М. : Энергия,1974.
7. Электрорадиоматериалы. /Под ред. Б.М. Тареева.- М.: Высшая
школа,1978.
|
