Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Арсенид галлия. Получение, свойства и применение

.pdf
Скачиваний:
36
Добавлен:
25.10.2023
Размер:
18.36 Mб
Скачать

ФИЗИКА П О Л У П Р О В О д н и к о в И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

АРСЕНИД ГАЛЛИЯ. ПОЛУЧЕНИЕ, СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ

Под редакции"' Ф. П. КЕСАМАНЛЫ тт Д. И. ИАСЛЕДОВА

ИЗДАТЕЛЬСТВО «НАУКА» ГЛАВНАЯ РЕДАКЦИЯ ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

М О С К В А 1 9 7 3

531.9

А85

УДК 537.3И.33

7-У- &№<Г

Л и у о ]) и :

чо. м. БУРДУКОВ!, Ф. М. ГАШИМЗАДЕ, Ю. Л. ГОЛЬДБВРГ,

А.Т. ГОРЕЛЕНОК, А. А. ГУТКИН, 0. В. ЕМЕЛЬЯНЕНКО,

А.Н. ИМЕНКОВ, Ф. П. КЕСАМАНЛЫ, I I . М. КОЛЧАНОВА,

Т.С. ЛАГУНОВА, М. Е. Л Е В И Н Ш Т Е Й Н , В. В. НЕГРЕСКУЛ,

В.Е. СЕДОВ, Г. Н. ТАЛАЛАКИЫ, Ю. И. УХАИОВ

Арсеннд галлня. Получение, свойства п применение. ГЬд ред. Ф. П. К е с а н а и л ы и Д. II. II а с л е д о - в а, монография. Главная редакция фнзико-математи- чссксн литературы пзд-ва «Наука», 1973 г.

На основе обобщения литературных данных и ре­ зультатов, полученных самими авторами, дано описа­ ние зонной структуры п осповгых физических свойстп одного из интереснейших полупроводниковых кристал­ лов— арсеппда галлня. Рассмотрена технология по­ лучения кристаллов п электронно-дырочных перехо­ дов на их основе.

Табл. 28, рис. 209, библ. 1199 назв.

©Издательство «Наука», J973 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие

7

Введение

 

9

Г л а в а

1. Получение ц фызнко-хнмическпе свойства

. . . 12

1.0. Общпе представлешш

12

1.0.1. Кристаллическая структура (12). 1.0.2. Химиче­

ская связь (15). l.Oji. Диаграмма состояний (18).

22

1.1. Исходные элементы? галлий и мышьяк

1.1.0.

Введение (22). 1.1.1. Галлий (22). 1.1.2. Мышьяк

(23).

 

25

1.2. Методика выращивания монокристаллов

1.2.0. Специфика выращивания кристаллов арсенпда гал­ лия (25). 1.2.1. Горизонтальная направленная кристал­ лизация (27). 1.2.2. Горизонтальная зонная плавка (29).

1.2.3. Бестпгельная зонная плавка

(31). 1.2.4. Метод Чох-

ральского (33).. 1.2.5. Эшиаксиальные методы (36).

1.3. Примеси и дефекты

 

 

47

1.3.0. Общпе представленпя

(47). 1.3.1. Элементы 1 груп­

пы периодической системы

(49). 1.3.2. Элементы II груп­

пы (51). 1.3.3. Элементы

III и

V групп

(53). 1.3.4.

Элементы IV группы (54). 1.3.5.

Элементы

VI группы

(55). 1.3.6. Поведение кислорода,

хрома, марганца, же­

леза, никеля и кобальта. Полуизодирующий арсенпд

галлпя

(57)-.

 

 

60

1.4. Очистка

арсенпда галлия

 

 

1.4.0.

Общие представленпя

(60). 1.4.1. Источники за­

грязнения (62). 1.4.2. Зонная плавка арсенпда галлия

(66). 1.4.3. Получение чистого арсенпда галлпя в при­

сутствии кислорода (67).

 

 

 

Г л а в а

2. Зонная структура

 

 

70

2.0. Введение

 

 

70

2.1. Свойства симметрии энергетических зон в

кристаллах

со сфалерптной структурой

 

 

. 7 1

2.2. Вывод зонной структуры арсенпда галлпя из известной

зоппоп структуры гермаппя

79

2.3. Применение кр-метода для исследования спектра элект­

ронов вблпзп симметричных точек

81

2.4. Количественные расчеты зонной структуры

арсенпда

галлия

86

1*

 

4

 

 

 

С О Д Е Р Ж А Н И Е

 

Г л а в а

3. Оптические свойства

 

90

3.0. Введение

 

 

 

при

90

3.1. Оптические свойства кристалла

отсутствии внеш­

них

полей

переходы

 

 

91

3.1.1. Межзоипые

(92). 3.1.2. Внутрпзоиные пе­

реходы " (110). 3.1.3. Взаимодействие

света с кристалли­

ческой решеткой

(123).

 

 

130

3.2. Магнитооптические

аффекты

 

3.2.1. Межзоипые

 

эффекты

(132). 3.2.2. Влутризопиые

эффекты (138).

 

эффекты

 

146

3.3. Электрооптпческпе

 

3.4. Пьезооптические

эффекты

 

 

151

Г л а в а

4. Явления переноса

. .

. *

156

4.0. Введение

 

 

 

 

156

4.0.1. Основные формулы (156). 4.0.2. Перенос в арсениде

галлия

(158).

 

 

 

 

160

4.1. Общпе

свойства

 

 

 

 

4.1.1.Эффект Холла и электропроводность (160). 4.1.2. Подвижность (162). 4.1.3. Магнетосопротивленне (163).

4.2.Кристаллы с мелкими примесными уровнями . . . . 165

4.2.1.Эффект Холла и электропроводность (1С6). 4.2.2. Подвижность (169);. 4.2.3. Эпитакснальные кристаллы (173). 4.2.4. Примеспая зона (175). 4.2.5. Отрицательное магнетосопротивленне (181). 4.2.6. Другие явления (186).

4.3. Сильно легированные кристаллы

188

4.3.0. Введение (188). 4.3.1. Вырождение электронного га­ за в арсениде галлия (189).. 4.3.2. Эффект Холла. Энерге­ тический спектр (193). 4.3.3.' Электропроводность и подвнжпость. Особенности рассеяния носителей тока (196).

4.4. Тепловые свойства 200 4.4.1. Термо-э.д.с. (200). 4.4.2. Термомагпнтпые эффекты (205). 4.4.3. Теплопроводность (209).

4.5.Зависимость электрических свойств от давления . . . 213

4.6.Влияние сильного электрического поля на эффекты пе­

реноса

217

4.7. Эффект Ганна

225

4.8. Механизм рассеяния носителей тока

246

4.8.1.Рассеяние на тепловых колебаниях решетки (246),.

4.8.2.Рассеяние па дефектах (252).

Г л а в а 5. Фотоэлектрические

явления

256

5.0. Общие представления

 

,

256

5.1 Фотопроводимость

 

 

258

5.1.1. Спектральное распределение собственной фотопро­

водимости (258). 5.1.2. Спектральное распределение при­

месной фотопроводимости

(259).

 

5.2. Высокая фоточувствительиость полуизолпрующпх кри­

сталлов

'

 

261

5.3. Термостпмулированная

проводимость

264

5.4. Колебания фототока в высокоомных кристаллах

. . . 265

 

 

 

 

С О Д Е Р Ж А Н И Е

 

 

5

5.5. Время жизни

носителей

тока

 

 

266

5.5.1. Арсенид галлия с концентрацией носителей тока

выше 1015 см~3 (266). 5.5.2. Полуизолирующий арсенид

галлия (272). 5.5.3. Некоторые замечания, касающиеся

измерения времени яшзни в кристаллах арсеиида галлия

(275).

уровни в арсонпде галлия

.'

277

5.6. Глубокие

Г л а в а

6. Излучательная рекомбинация

 

281

6.0. Введение

 

рекомбинация в

иелегироваииых

281

6.1. Излучательная

кри­

сталлах

 

 

 

 

 

 

282

6.2. Влияние

примесей элементов II и VI групп на спектры

краевого

излучения

. •

 

легированных

291

6.3. Фотолюминесценция

кристаллов,

крем­

нием и германием

 

 

 

 

300

6.3.1. Кремний (300). 6.3.2. Германий (307).

 

Г л а в а

7. Контакт арсенпд

галлпя — металл

314

7.0. Введение

 

 

 

 

 

 

314

7.1. Общие закономерности для контакта

металл — полупро­

водник

 

 

 

 

 

 

316

7.1.0. Выпрямляющий контакт (316). 7.1.1. Образование потенциального барьера в контакте металл — полупро­ водник (317). 7.1.2. Характеристика ток — напряжение (318). 7.1.3. Характеристика емкость — напряжение (323).

7.1.4.Фотоэлектрические свойства (327).

7.2.Методика создания контактов арсенид галлпя — металл 328

7.2.1.Методика создания выпрямляющих контактов (328). 7.2.2. Методика создания омических контактов (330). 7.2.3. Контроль свойств омических контактов (330).

7.3.Свойства выпрямляющего контакта арсенид галлпя —

металл

332

7.3.1.Высота барьера (332). 7.3.2. Характеристика ток — папряженне (333). 7.3.3. Характеристика емкость —на­ пряжение (334). 7.3.4. Фотоэлектрические свойства (334).

7.4.Омический контакт арсенпд галлия — металл . . . . 335

7.4.1.Требования к омическому контакту (335). 7.4.2. Свойства металлов, используемых для контактов (337).

7.4.3.Омические контакты для арсеиида галлпя (340).

7.4.4.Тонкие контакты (345),. 7.4.5. Приведенное сопроти­

вление

контакта (347).

. .

 

Г л а в а 8.

Электронно-дырочные переходы

349

8.0. Введение

 

349

8.1. Методика получения р — «-переходов

350

8.1.1. Способы создания

р гс-переходов и контроля их

параметров (350). 8.1.2. Диффузия прпмесей в арсеннде галлия (353). 8.1.3. Диффузионные р—п-переходы (361). 8.1.4. Эпитакспальные р—п-переходы (366). 8.1.5. Сплав­ ные р—и-переходы (370).

8.2. Электрические и электролюмпнесцентные

свойства

р — д-переходов

372

6

С О Д Е Р Ж А Н И Е

8.2.0. Введение (372). 8.2.1. р—«-переходы в слаболегн-

роваппом арсениде

галлия (374). 8.2.2. р—«-переходы

в среднелегировапиом арсеппде галлия (381). 8.2.3. Тун­ нельные р—«-переходы (390).

8.3. Фотоэлектрические

свойства р — «-переходов в арсепиде

галлпя

401

8.3.1. Основные закономерности вентильного фотоэффек­ та в р—«-переходах (401). 8.3.2. Теоретическое выраже­

ние для чувствительности р — «-перехода к монохрома­

тическому свету

(403).. 8.3.3. Спектры фоточувствитель-

постн в области

энергий фотонов ha^2eg (406). 8.3.4.

Спектры фоточувствптельпости п квантовый выход внут­ реннего фотоэффекта при «co>2eg (410). 8.3.5. Особенности фотоэффекта вблизи края основной полосы поглощения

(414). S.3.13. Кипстика собственного

фотоэффекта в р—«-

переходах (417). 8.3.7. Примесной

фотоэффект в р—«-

переходах (417). 8.3.8. Фотоэлектрическое преобразова­

ние энергии в р—«-переходах (420). 8.3.9. Применение

р — «-переходов для обнаружения электромагнитного из-

лучеппя п частиц высоких энергий

(427).

Литература

' . . 431

ПРЕДИСЛОВИЕ

Арсеннд галлия — один из интереснейших полупро­ водниковых материалов как с научной, так и с прак­ тической точек зрепия. Вот уже более пятнадцати дет он интенсивно исследуется во многих ведущих лабора­ ториях мира. В последние годы интерес к этому мате­ риалу возрос особенно резко, о чем свидетельствуют конференции, проводящиеся в Советском Союзе (Томск 1965 н 1968 гг.) и за рубежом (Ридппг, Англия 1966 г.; Даллас, США 1968 г. и Аахен, ФРГ 1970 г.), посвящен­ ные специально арсеинду галлия.

К настоящему времени накопилось обширное коли­ чество экспериментального материала, относящегося к по­ лучению и исследованию свойств кристаллов арсепида галлия п приборов па его основе. Эти данные разбросаны по многочисленным изданиям, часть нз которых уже превратилась в библиографическую редкость.

Наступила, иа наш взгляд, пора обобщить весь имею­ щийся в литературе материал об арсениде галлия. За ру­ бежом некоторыми авторами написаны обзорные статьи об арсениде галлия. На русском языке таких работ еще нет. Правда, некоторое обобщение данных об арсениде галлия содержится в переведенных на русский язык мо­ нографиях п в сборпнках переводных статей, но эти ра­ боты посвящены всей группе соединений тина А Ш В У , н арсенид галлия, естественно, освещен в них довольно ограниченно.

Предлагаемая вниманию читателей монография наппсаиа коллективом авторов, каждый из которых внес свой вклад в совершенствование технологии получения кристаллов арсенида галлия, изучение свойств и практи­ ческого использования их. В пей на основе обобщения литературных данных и реззг льтатов, полученных самими

8

П Р Е Д И С Л О В И Е

авторами, даио обстоятельное описание зопной структуры, электрических, тепловых, оптических, фотоэлектрических- и люминесцентных свойств кристаллов арсеинда галлия. Рассмотрены технология получения, очистки и легиро­ вания кристаллов, а также методы изготовления элек­ тронно-дырочных переходов и их электрические, электролюмннеецентные и фотоэлектрические свойства.

Мы надеемся, что книга окажется полезной не только для научных работников, исследующих свойства арсенида галлия, но и для широкого круга работников науки и промышленности, занимающихся разработкой, техно­ логией изготовления и применением полупроводниковых приборов, а также аспирантов и студентов старших кур­ сов, изучающих физику и технологию полупроводников и полупроводниковых приборов.

Так как настоящая монография представляет собой первый опыт обобщения сведений об арсеииде галлия н объем ее ограничен, то, естественно, она ие может претен­ довать на полноту охвата материала. В частности, не рас­ смотрены твердые растворы и гетеропереходы па основе арсепида галлия, магнитные, пьезоэлектрические свой­ ства, свойства поверхности.

Мы будем благодарны за любые замечания и конкрет­

ные предложения по улучшению

книги. Все

замечания

п пожелания читателей просьба

посылать

по адресу:

г. Ленинград, К-21, ул. Политехническая 2G, ФТИ АН

СССР, Ф. П. Кесаманлы.

Редакторы

ВВЕДЕНИЕ

Арсеыид галлия — полупроводниковое соединение, об­ разованное элементами I I I и V групп периодической си­ стемы Д. И. Менделеева — ближайший бинарный аналог германия. В природе арсенид галлия не встречается. О возможности его существования упоминается в работе Велькера*), который обратил внимание на исключитель­ ные свойства соединений типа A 1 1 1 B v . О синтезе поли­ кристаллических слптков арсенида галлия впервые было сообщено в 1954 г. Тогда же было показано, что, легируя различными примесями, можно получать кристаллы ар­ сенида галлия с электронной п дырочной проводимостью.

Первые же результаты исследований физических свойств показали, что в арсениде галлия подвижность

электронов при

комнатной температуре намного выше,

а эффективная

масса пх почти на порядок меньше, чем

в германии. В то же время ширина запрещенной зоны больше, а температура плавления ниже, чем у кремния. Эти свойства сразу привлекли к арсениду галлия внима­ ние исследователей в разных странах как к полупровод­ нику, на основе которого можно создать высокочастот­ ные и высокотемпературные транзисторы. Однако до­ вольно долго работы в этом направлении, как это всегда бывает с полупроводниковыми материалами, тормозшшсь трудностями технологии получения чистых и совершен­ ных кристаллов. Успехи в исследовании арсенида гал­ лия в дальнейшем были непосредственно связаны с раз­ витием и совершенствованием технологии получения кри­ сталлов с наименьшим содержанием примеси и возможно большими подвнжностямн носителей тока.

*) См. литературу к гл. 1 [14].

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ