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

10 В В Е Д Е Н И Е

Сейчас, когда получены достаточно совершенные кри­ сталлы арсенпда галлия, и его зонная структура, электри­ ческие и оптические свойства, а также механизм реком­ бинации носителей тока сравнительно хорошо исследо­ ваны, можно сказать, что выпрямители и транзисторы из арсенпда галлия не могут еще заменить германиевые и кремниевые.

Однако обнаружилось, что арсеппд галлия обладает другими очень интересными и важными с точки зрения практического применения свойствами. Арсенид галлия оказался в ряде случаев наиболее подходящим материалом для изготовления туннельных диодов и фотоэлементов.. Туннельные диоды из арсенпда галлия в ключевых схе­ мах создают в два раза больший импульс напряжения и могут удобно сочетаться в радиоэлектронных схемах с гер­ маниевыми п кремниевыми транзисторами.

Ширипа запрещенной зоны арсенпда галлия при ком­ натной температуре 1,43 эв близка к величине 1,5 эв, ко­ торая рассматривается как оптимальная для преобразо­ вания солнечной энергии в электрическую. Кроме того, фотоэлементы на оспове арсенпда галлия гораздо лучше кремниевых фотоэлементов выдерживают радиацию, осо­ бенно протонную. Это делает их перспективными для при­ менения в космических кораблях. Коэффициент полез­ ного действия лучших арсенпд-галлпевых фотоэлементов достигает 14%.

В арсениде галлия впервые для полупроводников было наблюдено стимулированное током излучение. Это откры­ тие, сделанное советскими учеными, привело к созданию в 1962 г. первого полупроводникового лазера с электри­ ческой — простейшей н удобнейшей из возможных — на­ качкой. С арсенпда галлия начали повуго жпзнь и полупро­ водниковые источники света.

Еще не угас интерес вокруг лазера из арсенпда галлия, как возникло совершенно новое направление в его изу­ чении и применении. В 1963 г. Ганн обнаружил, что бла­ годаря особенностям зонной структуры арсенид галлия может быть использован для создания простых и эффек­ тивных генераторов СВЧ-диапазона. Ужо сейчас, не­ смотря на то, что с момента открытия эффекта Ганна прошло всего несколько лет, интенсивные исследования, ведущиеся во многих лабораториях мира, привели к соз-

даншо генераторов с импульсной мощностью, рекордной для твердотельных приборов СВЧ-дпапазона. Совершенно новый принцип объемной отрицательной проводимостп, лежащей в основе работы генератора Ганпа, позволяет надеяться на получение мощности порядка сотен тысяч киловатт в сантиметровом диапазоне.

В последние годы начали широко применять на прак­ тике полуизолпрующпй арсеннд галлия. Он обладает ди­ электрическими свойствами, которые обеспечивают пре­

в качестве подложки, изолирующей друг от друга отдель­ ные приборы в монолитных интегральных схемах. Полу­ изолирующий арсеннд галлия является также идеальной основой для эпптаксиального наращивания полупровод­ никового арсенида галлпя. Очень близкие значения па­

эпптаксиалыюе наращивание гермаипя на арсениде гал­ лия. Большие потенциальные возможности полуизолп­ рующпй арсенпд галлия имеет как оптический фильтр п модулятор лазерного излучения.

1.0] О Б Щ И Е П Р Е Д С Т А В Л Е Н И Я 13

Элементарная ячейка структуры цинковой обманки содержит два атома различных элементов, но обычно удоб­ нее рассматривать более крупную кубическую ячейку, содержащую восемь атомов, т. е. по четыре атома каж­

таллической решетки, которую можно представить себе как часть гигантской ковалеитной молекулы арсенида гал­ лия. Связи между соседними атомами галлия и мышьяка лежат в иаправлепиях <111> * ) , ближайшие одиопмепные атомы расположены в направлениях <110>; кристал­ лографическое направление (100) совпадает с ребром элементарного куба.

Отсутствие центра симметрии в арсенпде галлия при­ водит к тому, что у него появляются некоторые специфи­ ческие свойства. В частности, направления <111> обра­ зуют в нем полярные оси, т. е. направления [111] и [11.1], качественно различны. Различие между плоскостями (111) и (111) хорошо проявляется при химическом травлении кристаллов [3—6]. Направление от атома галлпя к со­ седнему атому мышьяка принято обозначать [111], а про­ тивоположное направление — [111]. Из рис. 1.3 видно,

*) Миллеровские пндексы заключаются в скобки по принци­ пу: <111> — любая кристаллографическая ось, [111]—конкретная ось. {111} — любая кристаллографическая плоскость, (111) — кон­ кретная плоскость.

ближайший нижний слой. Дпе другие связи свободны. Структура не зависит от того, какими атомами — галлня или мышьяка — образован самый верхний слой. Пло­ скость {110} содержит одинаковое количество атомов галлия п мышьяка. Каждый атом имеет одну связь со сле­ дующим нижележащим слоем атомов. Две связи простира­ ются в поверхпостпой плоскости к двум ближайшим сосе­ дям, а четвертая связь свободна (рпс. 1.4, б). Н а рис. 1.4, в

в)

Рпс. 1.4. Модели трех основных кристаллографических плоско­ стей арсеипда галлпя.

изображена плоскость (111) — мышьяковая сторона. Три связи поверхностных атомов мышьяка направлены к ато­ мам галлия, составляющим нижний слой. Четвертая связь свободна.

1.0.2. Химическая связь. Точное описание характера химической связи в арсениде галлпя довольно сложно. Несмотря на большое число теоретических п эксперимен­ тальных работ [Ml—М5, 7—12], вопрос об условиях об­ разования связей в этом соединении недостаточно ясеи. Однако сведения, накопленные к настоящему времени, позволяют сделать в этом направлении ряд полезных вы­ водов.

Химическую связь в арсениде галлия можно рассмат­ ривать как промежуточную между ковалентной, когда валентные электроны принадлежат одновременно двум связанным атомам, и ионной, когда эти электроны связаны

16 П О Л У Ч Е Н И Е И Ф И З И К О - Х И М И Ч Е С К И Е С В О Й С Т В А [ГЛ. i

с одним лишь атомом мышьяка. В реальном соединении такая связь выражается в наличии электроиных мости­ ков между атомами, максимум электронной плотности которых смещен в сторону мышьяка, как элемента с Со­ лее высокой электроотрицательиостыо [13].

Как уже говорилось, в кристалле арсенида галлия каждый атом галлия валеитио связан с четырьмя атомами мышьяка и наоборот. Это значит, что атомы галлия и мышьяка обязательно должны проявлять четырехвалентность в соответствии с координационным числом. В нор­ мальном состоянии атом галлия имеет на внешней^элек­

В этом состоянии атом галлия имеет один неспарениый электрон, а атом мышьяка — три неснаренных электрона. Согласно представлениям Велькера [14], Музера и Пир­ сона [МО], при образовании связи происходит переход одного электрона от атома мышьяка на свободное р-соетоя- нне атома галлия. При этом происходит перекрытие S и /7-состояшш с образованием смешанных S/Я-гнбрндных орбит п перераспределение электронов но этим орбитам таким образом, что все электроны становятся иеснареиньшл. В результате атом галлия и атом мышьяка стано­ вятся четырехвалентными п получают возможность участ­ вовать в четырех ковалентных связях. При этом между заряженными нонами Ga1 — и As*+ будет существовать еще и электростатическое притяжение, которое и вносит в С5гм- мариую химическую связь решетки ионную долю.

Ввиду частично ионного характера связи соединения

АШ В У обладают более высокой силой сцепления по срав­

нению с соответствующими изоэлектроииыми элементами IV группы. Большая сила сцеплепия обусловливает ма­ лую амплитуду колебаний атомов в решетке и поэтому меньшее рассеяние носителей заряда. С помощью такого предположения Велькер [15, 16] объяснил очень высокие подвижности электронов в некоторых из этих соединений. Большие значения температуры плавления и ширины за­ прещенной зоны в арсениде галлия по сравнению с этими параметрами в германии видимо также обязаны наличию ионной составляющей связи.

Иоиность связи хорошо проявляется при раскалывании кристаллов арсенида галлия. Легче всего они раскалы-

IS П О Л У Ч Е Н И Е II Ф И З И К О - Х И М И Ч Е С К И Е С В О Й С Т В А [ГЛ. 1

В последнее время для описания химической связи в кристаллах с решеткой цинковой обманки широкое рас­ пространение получило приближение так называемой «нейтральной связи» [М7, 21, 22]. Понятие нейтральной связи предложено Слейтером н Костером [23]. Оно пре­ дусматривает промежуточный случай между чисто ковалентной и чпето иоипой связями. Как было сказано

ма В к атому А. Связь, таким образом, описывается форму­ лой А 1 - В 1 + , и центр тяжести электронного мостика нахо­ дится посредпне между ионами. В противоположном пре­ дельном случае чисто ноиной связи соответствующая формула имеет вид А 3 + В 3 _ . Здесь электронный мостик от­ сутствует. Случай нейтральной связи характеризуется по­ ложением центра тяжести электронного мостика, когда он смещен от середины в сторону атома В ровно настолько, сколько требуется чтобы эффективный заряд атомов ре­ шетки был равен нулю. То есть в среднем трп электрона связаны с каждым из атомов А п пять электронов — с каж­ дым из атомов В. Это приближение по сути мало отли­ чается от приближения преимущественно гомеонолярного, но оно удобно для производства ряда расчетов. Окон­ чательное выяснение природы связи в кристаллах арсепида галлия — вопрос будущего.

1.0.3. Диаграмма состояний. Для арсенида галлия диаграмма состояний построена Кестером и Тома [24] и Бумгардом и Шолом [251 (рис. 1.5).

Диаграмма имеет максимум кривой точек затвердева­ ния, соответствующий отношению концентраций галлия и мышьяка 50 : 50 (атоми.%), т. е. единственному для этой системы химическому соединению GaAs. Части диа­ граммы между арсенндом галлия и составляющими его компонентами представляют собой две простые диаграммы

делением паров мышьяка. Поэтому при составлении его диаграммы состояния принимаются во внимание ие только две независимые переменные: состав X и температура Т, но и третья переменная — давлепие р. То есть полное описание фазовых равновесий в системе галлий—мышьяк