Полупроводниковые материалы

Полупроводниковые материалы 

Введение

Научно-технический  прогресс немыслим без электроники. Интенсивное развитие электроники  связано с появлением новых разнообразных  полупроводниковых приборов и интегральных микросхем, которые находят широкое  применение в вычислительной технике, автоматике, радиотехнике и телевидении, в установках измерительной техники, медицины, биологии и т.д.

Полупроводники  представляют собой обширную группу веществ, занимающих по величине удельного  сопротивления промежуточное положение  между диэлектриками и проводниками. Диапазон удельного сопротивления полупроводников при комнатной температуре условно ограничивают значениями 106-108Ом-м. Отличительным свойством полупроводников является сильная зависимость их удельного сопротивления от концентрации примесей. При введении примесей изменяется не только значение проводимости, но и характер ее температурной зависимости. У большинства полупроводников удельное сопротивление зависит также от температуры и других внешних энергетических воздействий (свет, электрическое и магнитное поле, ионизирующее излучение и т.д.). На управлении с помощью тепла, света, электрического поля, механических усилий электропроводностью полупроводников основана работа терморезисторов (термисторов), фоторезисторов, нелинейных резисторов (варисторов), тензорезисторов.

Полупроводниковые материалы по химическому составу  можно разделить на простые и  сложные.  

Простыми (элементарными) полупроводниковыми материалами являются 12 химических элементов периодической  системы: в III группе - В; в IV - С, Ge, Si. Sn (серое олово); в V - Р, As, Sb; в VI - S, Se, Те; в VII -I. В полупроводниковой электронике в основном применяют Ge и Si, а остальные используют в качестве легирующих добавок или компонентов сложных соединений.

Сложными полупроводниковыми материалами являются химические соединения, обладающие полупроводниковыми свойствами и включающие два, три и более элементов. Полупроводниковые соединения, состоящие из двух элементов, приято называть бинарными. Они обозначаются буквами латинского алфавита с цифровыми индексами (римские цифры над буквами обозначаются группу в периодической системе, а арабские цифры под буквами - стехиометрический коэффициент): АШВV (GaAs, JnSb), AIIBVI(CdS. ZnSe), AIVBVI(PbTe), AIVBIV(SiC), A2VB3VI(Bi2Te3) и т.д.

Твердые растворы полупроводниковых материалов обозначают символами

входящих в  него элементов с индексами, которые  указывают атомную долю этих элементов  в растворе. 
 

Для изготовления полупроводниковых приборов и устройств  микроэлектроники используют как монокристаллы, так и поликристаллические материалы.

1. Ширина запрещенной  зоны  в полупроводниковых твердых растворах

1.1 Твердые растворы.

Признаком образования  твердого раствора является сохранение типа решетки компонента—растворителя, но с иными размерами элементарной ячейки. Компоненты могут образовывать растворы неограниченной и ограниченной растворимости с разной степенью этого ограничения и разной температурной зависимостью предела насыщения раствора (предела растворимости).

Твердые растворы существенно расширили по сравнению с элементарными полупроводниками и полупроводниковыми соединениями набор электрофизических параметров, определяющих возможности применения материалов в конкретных полупроводниковых приборах.

Среди алмазоподобных полупроводников, в том числе соединений типа А В, распространены твердые растворы замещения. Необходимыми условиями образования твердых растворов являются кристаллохимическое подобие кристаллических решеток соединений-компонентов и близость их периодов идентичности. Наиболее хорошо изучены тройные твердые растворы, в которых замещение происходит лишь по узлам одной из подрешеток бинарного соединения (металлической или металлоидной). Состав таких твердых растворов принято характеризовать символами АхВ1-хС и АСуD1-у, где А и В обозначают элементы III группы, а С и D- элементы V группы. В формуле АхВ1-хС индекс х определяет мольную долю соединения АВ в твердом растворе. Если твердые растворы существуют во всем диапазоне концентраций, то х может изменяться от 0 до 1. В тройных твердых растворах имеет место статистически неупорядоченное распределение атомов замещаемых компонентов по узлам соответствующей подрешетки. С изменением состава твердого раствора наблюдается линейное изменение периода кристаллической решетки. Эта закономерность известна в кристаллохимии как закон Вегарда. Она позволяет определять состав твердого раствора по изменениям периода решетки с помощью дифракции рентгеновских лучей. 

      Как в бинарных соединениях АIIIВV, в твердых растворах не наблюдается существенных отклонений от стехиометрии, поэтому они просты по механизму легирования. Теми же методами, что и в бинарных соединениях, в них могут быть получены электронно-дырочные переходы. Температурные изменения электрических параметров также принципиально не отличаются от соответствующих зависимостей для соединений-партнеров.

1.2 Ширина запрещенной  зоны        

Особый интерес  к твердым растворам обусловлен возможностью плавного управления шириной  запрещенной зоны полупроводников  путем изменения их компонентного состава. Возможные варианты этих зависимостей показаны на рис.1.1   

 ΔЕ, эВ

 а)                                                                             б)                                

Рис.1.1 Зависимость  ширины запрещенной зоны от состава  твердых растворов на основе соединений АIIIВV (Т=300К)

а - соединения-партнеры имеют одинаковую зонную структуру;

б - соединения-партнеры имеют различную зонную структуру   

.Как видно  из рисунка, зависимость ширины  запрещенной зоны от состава  в некоторых системах твердых  растворов (Gaу In1-х As; InPу As1-у)  очень близка к линейной, но может и существенно отличаться от нее, проявляя экстремум или излом при определенном соотношении между компонентами. Конкретный характер зависимости во многом определяется типом зонной структуры соединений-партнеров, т. е. положением их энергетических долин в пространстве квазиимпульсов (k-пространстве).

В частности, излом  зависимости ∆Э(х) аблюдается в тех  системах твердых растворах, в которых  исходные бинарные соединения имеют  зонные структуры различных типов, т. е. различное расположение главных энергетических минимумов зоны проводимости в k-пространстве.

       Рисунок 1.2 Зависимость Е g(х) для твердого раствора PbxS1-xSe  

      Вместе с тем, как и в металлических сплавах, эффекты статистического разупорядочения в кристаллической решетке оказывают сильное влияние на удельную теплопроводность полупроводников, которая у твердых растворах оказывается заметно ниже, чем у бинарных соединений. Например, у твердых растворов GaAs0,5P0,5 и Al0,5Ga0,5As значение удельной теплопроводности примерно на порядок меньше, чем у чистых кристаллов GaAs. 

      Изменение ширины запрещенной зоны у твердых растворов сопровождается соответствующим смещением спектров оптического поглощения и пропускания, люминесценции и фоточувствительности. С изменением состава твердого раствора изменяются значения диэлектрической проницаемости и показателя преломления, происходит смещение примесных энергетических уровней. В ряде систем при определенном соотношении между компонентами можно получить качественное новое сочетание свойств. Так, в твердых растворах GaAs1-уPу и AlхGa1-хAs (с х и у порядка 0,3 ÷ 0,4) сочетаются достаточно широкая запрещенная зона ( ∆Э>1,7эВ) с высоким квантовыми выходом межзонной излучательной рекомбинации. Такие материалы используют для создания эффективных электролюминесцентных источников красного излучения (светодиодов и лазеров). Твердые растворы

GaхIn1-хP c х=0,5-0,7 обладают  эффективной люминесценцией в  желто-зеленой области спектра. 

      Получение однородных твердых растворов заданного состава представляет собой весьма трудную технологическую задачу. Обычными методами кристаллизации из расплава в лучшем случае удается получать однородные поликристаллические слитки. Монокристаллические слои твердых растворов, используемых в приборных структурах, осаждают исключительно методами эпитаксии. Эпитаксию твердых растворов GaAs1-уPу осуществляют на подложках GaAs или GaP с помощью химических реакций, протекающих в газовой фазе. В то же время наиболее совершенные эпитаксиальные слои AlхGa1-хAs, AlхGa1-хSb,

GaхIn1-хAs, GaхIn1-хP  получают методом жидкофазовой  эпитаксии с использованием галлия  или индия в качестве растворителя.

1.3        Изопериодные гетероструктуры

Твердые растворы открывают широкие возможности создания гетеропереходов и приборов на их основе. Под гетеропереходом понимают контакт двух полупроводников с различной шириной запрещенной зоны. Для получения гетеропереходов со свойствами идеального контакта необходимо выполнить ряд условий совместимости материалов по механическим, кристаллохимическим и термическим свойствам. Решающим критерием при выборе материалов контактной пары является соответствие периодов их кристаллических решеток и температурных коэффициентов линейного расширения. Если компоненты гетеропары обладают взаимной растворимостью во всем интервале концентраций, то появляется уникальная возможность создавать гетеропереходы между химическим соединением АС и твердым раствором АхВ1-хС на его основе. Это обстоятельство позволяет плавно изменять свойства материалов на контактной границе, что важно при изготовлении ряда приборов оптоэлектроники и прежде всего – источников и приемников излучения. Среди полупроводников типа АIIIВVнаилучшими парами материалов для создания идеальных гетеропереходов являются системы GaAs-AlхGa1-хAs и GaSb-AlхGa1-хSb.    Преимущества указанных гетеропар заключаются в том, что период решетки твердых растворов AlхGa1-хAs и  AlхGa1-х Sb слабо зависит от состава и близок к периоду решетки бинарного соединения (собственно GaAs и  GaSb). 

      Дополнительные степени свободы для варьирования параметрами сопрягаемых полупроводниковых материалов при получении идеальных гетеропереходов возникают при использовании четырехкомпонентных твердых растворов типа АхВ1-хСуД1-у. Среди этой группы материалов наиболее интересными и изученными являются твердые растворы GaхIn1-хAs1-уPу, в которых имеет место замещение по обеим подрешеткам при сохранении общей стехиометрии, т. е. равенство суммарных количеств атомов металла и металлоида. В качестве исходных компонентов такого твердого раствора можно рассматривать четыре бинарных соединения: GaP, InP, GaAs и InAs. Особый интерес представляют твердые растворы GaхIn 1-хAs1-уPу с изопериодическим замещением по отношению к InP. В зависимости от состава их запрещенная зона может изменяться в пределах от 0,75 до 1,35 эВ. 

      Инжекционные лазеры на основе гетеропары InP- Ga In  As  P  переспективны для применения в волоконно-оптических линиях связи, поскольку спектральный диапазон их излучения соответствует минимальным оптическим потерям кварцевого волокна.