978-5-7996-1186-6_2014

Кассета пенального вида с ячейками насыщенного раствора

Подложка

Рис. 4.8. Получение соединений АIIIВV методом «многокамерной лодочки»

Антимонид индия InSb является материалом для туннельных диодов (рабочая температура выше, чем у германия), а также луч- шимфотоприемникомдляИК-излученияв диапазонеот3до7мкм.

Соединения InP, InAs используют для генераторов Ганна, работающих на частоте от 109 до 1010 Гц.

Из соединений АIIIВV изготавливают светодиоды, отличающиеся высокой эффективностью, малыми размерами и совместимостью с элементами интегральных схем. Они являются материалом для люминофоров, фотодиодов и фотоэлементов широкого спектрального диапазона, магниторезисторов, преобразователей Холла, полевыхтранзисторов и большихинтегральныхсхем(БИС).

4.10.Твердые растворы

на основе соединений АIIIВV

Твердый раствор позволяет существенно расширить набор электрофизических параметров, определяющих области их применения, по сравнению с элементарными полупроводниками. Среди соединений АIIIВV распространены твердые растворы замещения (ТРЗ). Составы ТРЗ: АхВ1–хС (А, В – металлы группы III); АСуД1–у (С, Д – металлоиды группыV); х, у – мольная доля (может изменяться от 0 до 1 в зависимости от степени замещения). С изменением х, как правило, наблюдается линейное изменение периода решетки. Эта закономерность известна как п р а в и л о В е г а р д а. Она позволяет рентгеновским методом определить состав ТРЗ.

80

ТРЗ на основе АIIIВV легко легируются. Особый интерес к ТРЗ проявляется в связи с возможностью плавногоизменения ширины запрещенной зоны Е. Так, для ТРЗ GaxI1–xAs и InPyAs1–y E практически линейно изменяется от 0,37 до 1,4 эВ (рис. 4.9). Соединения имеют различную зонную структуру.

Рис. 4.9. Твердые растворы замещения на основе соединений АIIIВV

Изменение ширины запрещенной зоны у ТРЗ сопровождается соответственно смещением спектров фоточувствительности, люминесценции, поглощения.

81

ТРЗ GaAs1–yPy, AlxGa1–xAs (x, y = 0,3–0,4) эффективны как ис-

точники красногоизлучения(светодиоды, лазеры), а ТРЗ GaxIn1–xP (х = 0,5–0,7) эффективнолюминесцируют в желто-зеленой области.

Монокристаллический слой ТРЗполучаютэпитаксией изгазо-

вой фазы (GaAs1–yPy), или изжидкой фазы (AlxGa1–xAs,AlxGa1–xSb, GaxI1–xAs, GaxIn1–xP). Подложками при этом могут являться GaAs,

GaP и GaSb. Растворителями могут быть In или Ga в жидком состоянии.

ТРЗ открывают возможности создания г е т е р о п е р е х о - д о в (ГП). Под гетеропереходом понимают контакт двух проводников сразличной шириной запрещенной зоны. Решающимкритерием выбора материалов для гетеропереходов является соответствиепериодов решетоки температурныхкоэффициентов линейного расширения. Наилучшими парами для гетеропереходов являются

GaAs–AlxGa1–xAs и GaSb–AlxGa1–хSb.

Гетеропереходы позволяютплавноизменятьсвойства материалов на границе контакта. Это материалы для инжекционных лазеров. Гетероструктура может быть двойной (рис. 4.10):

р-GaAs – р-АlGaAs – p-GaAs – n-AlGaAs – n-GaAs

Такая структура обеспечивает непрерывную генерацию когерентногоизлученияпри комнатной температуре, при высокомквантовом выходе и низком пороговом токе.

5 – подложка

Рис. 4.10. Двойная гетероструктура

82

Дополнительные степени свободы для изменения параметров полупроводниковыхматериалов при создании идеальныхГП дают четырехкомпонентные ТРЗ АхВ1–хСуВ1–у. Наиболее изучен ТРЗ GaxIn1–xAs1–yPy (исходными компонентамиявляютсяGaP,InP,GaAs, InAs). Ширина запрещенной зоны изменяется от 0,75 до 1,35 эВ.

Инжекционныелазерына основеInP–GaxIn1–xAs1–yPy перспективны для волоконно-оптических линий связи, так как спектральный диапазон их излучения соответствует минимальным оптическим потерям в кварцевых волноводах.

4.11.Полупроводниковые соединения AIIBVI и ТРЗ на их основе

К полупроводниковым соединениям AIIBVI и ТРЗ на их основе относятся сульфиды, селениды и теллуриды кадмия, цинка и ртути. Они кристаллизуются в структуры кубического сфалерита или гексагонального вюрцита. По сравнению с соединениями АIIIВV в нихболеесильнаяионнаясвязь. Втабл. 4.2приведены значения ширины запрещенной зоны Е для некоторых соединений типа AIIBVI.

Т а б л и ц а 4.2

Ширина запрещенной зоны Е для некоторыхсоединений типа AIIBVI

Тип электропроводности у ZnS, ZnSe, CdS, CdSe, HgS, HgSe – n-типа, ZnTe – p-типа, а CdTe и HgTe могут быть как p-типа, так и n-типа.

Проводимость соединений AIIBVI может быть на несколько порядков изменена путем термообработки в парах собственных ком-

83

понентов. Например, обработка CdS в парах S снижает проводимость селенида кадмия на 10 порядков.

ТехнологияполучениясоединенийAIIBVI разработана хуже,чем для АIIIВV. Это трудныеобъекты для получения, так как они имеют высокие температуры плавления. Синтез соединений AIIBVI часто проводят электрохимическим методом. Порошки из них получают послеобработки раствора соли металла в парах сероводорода H2S, а пленки получают гидрохимическим методом, смешивая раствор соли, тиомочевину, лиганды и щелочную среду.

Наиболееширокоиспользуютсяв промышленности ZnSи CdS.С у л ь ф и д ц и н к а ZnS является люминофором и используется для телеэкранов. По квантовому выходу он превосходит все другие соединения AIIBVI. Предпочтение отдают кубической сфалеритноймодификациииз-заповышеннойяркостисвечения. Активация его медью дает зеленое или голубое свечение. С медью вводят соактиваторы – галогены. При введении хлора образует-

ся соединение Zn1–2yCu2yS1–2xCl2x. Активация ZnS марганцем дает желтое свечение. Недостатком люминофоров на основе ZnS яв-

ляется высокая скорость деградации приборов из-за высокой ионности связи, усиливающей процессы электролиза.

С у л ь ф и д к а д м и я CdSявляетсяматериаломдлявысокочувствительных фоторезисторов (ФР) видимой области спектра. Введениеспециальныхпримесей, такихкакCl и Cu, значительно повышает чувствительность ФР. Получают его гидрохимическим методом в виде пленок. Медь дает примесную проводимость.

Вкачестве ФР используют также пленки CdSe (рис. 4.11).

Соединения HgSe, HgTe используют для изготовления высокочувствительных датчиков Холла. СоединенияAIIBVI перспективны дляполупроводниковых лазеров. Большое значениеимеют ТРЗ

CdxZn1–xS, CdxZn1–xSe и CdS1–ySey в качестве материалов солнечной энергетики.

Особое значение имеет ТРЗ CdxHg1–xTe (КРТ), спектр фоточувствительности которого перекрывает окно прозрачности атмосферы 8–14 мкм, в котором излучают всеобъекты окружающей среды. Поэтому этот материал является основой современной инфра-

84

Рис. 4.11. Спектры фоточувствительности фоторезисторов на основе CdS и CdSe, активированных примесями Cl и Cu

красной техники, используется в военном деле, экологии, медицине и других областях. Получают его как в виде монокристалла, так и в пленочном виде эпитаксией из жидкой или газовой фазы. Недостатоком является деградация материала за счет сегрегации ртути. Его получение перспективно в космосе в условиях невесомости.

4.12.Полупроводниковые соединения AIVBVI и ТРЗ на их основе

Наиболееизученысульфиды,селенидыителлуридысвин-

ца и олова PbS, PbSe, PbTe, SnS, SnSe и SnTe. Они с 40-х гг. XX в.

используютсяв качествематериаловинфракрасных датчиков (основные характеристики соединений свинца приведены в табл. 4.3).

Т а б л и ц а 4.3

Основные характеристики PbS, PbSe, PbTe

85

Все три соединения кристаллизуются в кубической решетке NaCl с выраженной ионностью. Они характеризуются нестехиометрией до10–3 ат. %. ИзбытокPbдаетэлектроннуюпроводимость, а избыток халькогена – дырочную. Зафиксирована сверхпроводимость при температуре ниже 7,2 K.

Примеси Na, Cu, Ag являются акцепторами, а Bi – донором. Галогены дают электронную проводимость.

Есть трудности в получении AIVBVI с концентрацией носителей до 1023м–3 .

Особенностью халькогенидов свинца являются аномальные значения температурных коэффициентов ширины запрещенной зоны, т. е. с ростом температуры увеличивается, а не уменьшается значение ширины запрещенной зоны Е:d E/dT = 3,3 10–4 [эВ/K]

дляPbS,d E/dT=4,0 10–4 [эВ/K]дляPbSеиd E/dT=4,3 10–4[эВ/K] для PbТе (рис. 4.12).

Е, эВ

0,45

560 Т,K

Рис. 4.12. Зависимость ширины запрещенной зоны соединений PbS, PbSе и PbТе от температуры

Халькогениды свинца получают, как правило, гидрохимическим синтезом изводныхсред, а такжевакуумнымнапылением (на-

пример, PbTe).

PbS является лучшим материалом для фотоприемников ближней инфракрасной области (0,6–3,0 мкм), а PbSe – для средней инфракрасной области – до 5,0 мкм (рис. 4.13). Они являются фоторезисторами.

86

Праваяграница спектральной чувствительности ухалькогенидов свинца смещается с уменьшением температуры в длинноволновую область. PbSe является материалом для тепловых головок наведения.

Соединения AIVBVI перспективы для лазеров инжекционного типа, термоэлементов и термоэлектрических генераторов.

I, отн. ед.

PbS PbTe PbSe

Рис. 4.13. Спектральная чувствительность соединений PbS, PbSе и PbТе при 300 K

Большой интерес представляет ТРЗ CdxPb1–xS, разработчиком и изготовителем которого является кафедра физической и коллоидной химии УГТУ-УПИ. При изготовлении этого ТРЗ возможно плавное изменение области спектральной чувствительности от 0,3 до 3,0 мкм.

ТРЗ PbxSn1–xTeявляется одним из основных материалов оптоэлектроники и работает в окне прозрачности 8–14 мкм. Получают егов видемонокристаллов и эпитаксиальных пленок. Уникальный характер имеет изменение ширины запрещенной зоны Е в зависимости от состава. При содержании Sn порядка 60 % при 300 K или 40 % при 77 K значение Е проходит через нуль и при дальнейшем увеличении содержания Snимеет отрицательные значения.

ТРЗ PbxSn1–xTe с большим содержанием SnTe имеет электропроводность р-типа. На его основе разработаны инжекционные лазеры с максимальной длиной волны излучения 30 мкм.

87

5.ДИЭЛЕКТРИКИ

Ди э л е к т р и к а м и называют твердые, жидкиеи газообразные вещества, основным электрическим свойством которых является способность к поляризации. Этот термин введен Фарадеем для обозначения веществ, проницаемых для электрического поля. По-другому определению, это вещества с удельным электрическим сопротивлением, находящимся в пределах от 106 до 1016 Ом м, либо имеющие ширину запрещенной зоны Е, превышающую 3 эВ.

5.1.Классификация и основные свойства диэлектриков

Диэлектрики – это большая и разнообразная группа веществ, которую по функциональному назначению в электронной технике разделяют на две подгруппы:

1)электроизоляционныеи конденсаторныематериалы(пассивные диэлектрики).

2)управляемые материалы (активные диэлектрики). Требования к электроизоляционным и конденсаторным мате-

риалам существенно различаются. Для первых диэлектрическая проницаемость должна быть малой, а для вторых, наоборот, большой.

Уп ра вл яемы е ди эл ект р ик и подразделяютпопринципууправления.Онииспользуютсядляусилениясигналовпомощности, созданияпреобразователей, элементов памяти, датчиков, генераторов колебаний и т. п.

Иногда классификациядиэлектриков основывается на особенностях их строения или их свойствах (рис. 5.1).

89