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

в арсеииде галлия, необходимо отметить одну из практи­ ческих трудностей их исследования, характерную вообще для полупроводников с широкой запрещенной зоной. Электрические контакты с арсепидом галлия имеют вы­ сокое сопротивление и резко выраженные выпрямляю­ щие свойства. Это сильно затрудняет исследования чис­ тых кристаллов и измерения при низких температурах [2—4]. Арсепнд галлия обладает также очень высоким сопротивлением межкристаллпческих границ. Высокое сопротивление контактов и непригодность для измере­ ний поликристаллических образцов — до сих пор одна из главных причин, ограничивающих исследования явле­ ний переноса в арсеииде галлия.

4.1.1. Эффект Холла и электропроводность. Ужо в са­ мых первых исследованиях [5, 6] арсепнд галлия обнару­ жил типично полупроводниковые свойства и те свои ка­ чества — большую ширину запрещенной зоиы, высокуюподвижность электронов, которые определили интерес к этому веществу и возможпостн его технических приме­ нений. Зависимость эффекта Холла от температуры для ra-GaAs показана иа рис. 4.1. При ппзкпх температу­ рах коэффициент Холла почти постоянен или растет с по­ нижением температуры. Эта зависимость типична для при­ месного полупроводника с большей или меньшой энер­ гией ионизации примесей. Как правило, чем выше концен­ трация электронов в арсеииде галлия, тем меньше величина энергии активации; при п 101 7 см"3 она стремится к нулю. В образцах с малой концентрацией электронов, напротив, энергия ионизации может быть весьма большой, достигая 0,5—0,7 эв. Конечно, ее величина зависит от сорта примеси.

Собственная проводимость в обычных кристаллах с концентрацией электронов 101 5 см-3 и более наступает лишь выше 700—800° К. Энергия активации, определен­

ближе к истинной,но в целом измерения R( Т)в арсениде гал­ лия пригодны для определения ширины запрещенной зоны,

зоны проводимости или существованию дополнительных низколежащих минимумов [16]. Однако позднее в ре­ зультате более детальных исследований как магнетосопротивления, так и других эффектов был сделан несом­ ненный вывод о том, что зона проводимости в арсениде галлия изотропна и низколежащих дополнительных ми­ нимумов в ней нет, а _анизотропия, обусловленная магнетосопротпвлением и всегда более сильная в компенсиро­ ванных образцах [19], связана с анизотропией рассеяния

Рис. 4.4. Зависимость магпетосопротивления от температуры в кристаллах «-типа (а) [23] и ^-типа (б) [14].

„ электронов или, что более вероятно, с анизотропно распре­

эта зависимость ослабляется. В кристаллах р-типа квад­

итяжелых дырок.

Вработах [21—23] магнетосопротивление исследова­ лось с целью изучения механизма рассеяния носителей тока.

Зависимость магнетосопротивления от температуры, представленная на рис. 4.4, показывает, что во всех кри­ сталлах п- и р-типа магнетосопротивление растет с пони­ жением температуры.

4.2] К Р И С Т А Л Л Ы С М Е Л К И М И П Р И М Е С Н Ы М И У Р О В Н Я М И 165

Коэффициент ог = > характеризующий меха­

низм рассеяния носителей тока, зависит от температу­ ры и от чистоты кристаллов. В образцах га-типа с большой подвижностью электронов Ът при комнатной температуре растет с понижением температуры, что характерно для возрастающей роли рассеяния на ионах примеси (при рассеянии на попах теоретически о г = 0,5 ; на акустических

ностью электронов Ът всегда больше единицы. Если для

ности электронов магнетосопротивление определяется не только обычным механизмом рассеяния, но и сильной неоднородностью кристаллов. Не исключено влияние неоднородностей на магнетосопротивление и в более чистом материале. Это — одна из основных причин, по ко­ торой исследования магнетосопротивления проводятся значительно менее интенсивно, чем коэффициента Холла и удельной электропроводности, а интерпретация их более произвольна.

Общие сведения о свойствах арсенида галлия по зат­ ронутым в этом параграфе вопросам можно найти также в работах [26—30] и других.

4.2. Кристаллы с мелкими примесными уровнями

При изготовлении арсенида галлия большинством распространенных методов иелегированные кристаллы получаются, как правило, электро^шого типа проводи­ мости, которая обусловлена мелкими донорными уров­ нями. Примеси в. кристаллах при" комнатной" температуре истощены, концентрация электронов не зависит от тем­ пературы. Считается установленным, что донорные уровни образованы кремнием, который различными путями .про­ никает в соединение из технологической аппаратуры (см. гл. 1). Аналогичные уровни получаются при легиро­

дят сегодня наибольшее применение как в полупровод-

166 Я В Л Е Н И Я П Е Р Е Н О С А [ГЛ. 4

пиковой технике, так и в практике физических исследо­ ваний.

При введении элементов I I группы — цинка, кадмия— образуются мелкие акцепторные уровни. Эта группа примесей — основная при изготовлении кристаллов р-тнпа.

4.2.1. Эффект Холла и электропроводность. Темпе­ ратурная зависимость коэффициента Холла в кристаллах ?г-типа представлена на рпс. 4.5 [31, 32[. Кристаллы из­ готавливались направленным охлаждением слитков или

W50 20

методом Чохральского и не легировались илп же леги­ ровались серой, селеном, теллуром. Техника очистки и легирования арсенида галлия до последних лет позво­ ляла уверенно получать кристаллы с заданным сортом примеси только при достаточно высоком уровне легиро-

ваиия — порядка 101 7 ель- 3 и выше. Слаболегированные

*^умсталжь, с концентрацией электронов 101 0 см~3 и ниже', получались лишь случайно и с неизвестной заранее сте­ пенью компенсации. Поэтому до настоящего времени си-

"стёматг1че"скиё да11Тше по свойствам слабо легированных кристаллов с примесью определенных элементов отсут­ ствуют. Тем не менее результаты рпс. 4.5 и аналогичные им (см., например, [33—35]) позволяют заключить, что вид кривых R(l') в кристаллах с мелкими донорными уров­ нями определяется в основном концентрацией электро­ нов (или примесей) в образце н, по-видимому, мало за­ висит от того, каким сортом примеси создан примесный уровень.

При меньших концентрациях ниже комнатных темпера­ тур наблюдается рост коэффициента Холла и тем боль­ ший, чем меньше концентрация электронов. В наиболее чистых кристаллах этот рост в некоторой своей части имеет экспоненциальный характер, так что из наклона

уже невозможно; видно, что она стремится к нулю. Помимо зависимости энергии активации примесей от

их концентрации, бросается в глаза еще одна существен­ ная особенность эффекта Холла: вместо неограниченного роста с понижением температуры, как это должно быть для простого примесного полупроводника, коэффициент Холла проходит через максимум, после чего его рост прекраща­ ется. Мы рассмотрим эти особенности в конце параграфа.

Электропроводность кристаллов ;г-типа с концентра­ цией электронов более 2-10г 7 о м - 3 при низких темпера­ турах, так же как и коэффициент Холла, практиче­ ски не зависит от температуры. В более чистых кри-

в сторону низких температур (рис. 4.6). В полулогариф­ мическом масштабе изменение электропроводности харак­ теризуется двумя наклонами: один из них соответствует высокотемпературному гаклону кривых R (Т) и дает такие же значения энергии активации; другой, меньший нак­

коэффициент Холла постоянен. Энергии активации этого наклона составляют около 5 - Ю - 4 зв.

Закономерности поведения коэффициента Холла и электропроводности кристаллов р-типа в общем аналогич­ ны описанным для кристаллов тг-типа (рис. 4.7, 4.8). Основное отличие сводится к тому, что изменения коэф­ фициента Холла и электропроводности с температурой гораздо резче и наблюдаются до более высоких концен­ траций носителей тока, чем в кристаллах /г-типа. Энер­ гии активации акцепторов на порядок выше, чем доно­ ров, что и следовало ожидать, принимая во внимание боль­ шую эффективную массу дырок. Однако и здесь эти энергии меньше, чем предсказывает водородоподобная модель для локального центра. Последняя дает (5—10)-10~2 эв при от* = (0,5—1,0) тп0, в то время как эксперимен-

• 0-1 nun

А

Энергии активации акцепторов убывают с ростом их концентрации. Зависимость энергии активации акцеп­ торов от их концентрации и концентрации дырок, высо­ кая степень компенсации кристаллов /?-типа — одна из причин, по которой разные авторы приводят неодинаковые