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