Арсенид галлия

Арсенид галлия

Химическая формула:

GaAs

Отн. молек. масса:

144,63 а.е.м.

Плотность:

5,32 г/см³5320 кг/м³ <br /> (твёрдый), 5,71 г/см³5710 кг/м³ <br /> (жидкий)

Термодинамика:

Состояние (ст. усл):

твёрдое тело

Твёрдость по Моосу:

4,5

Температура плавления:

1238°C1511,15 K <br />2260,4 °F <br />2720,07 °R <br />

Арсени́д га́ллия (GaAs) — химическое соединение галлия и мышьяка. Кристаллы темно-серые с фиолетовым оттенком и металлическим блеском. Один из основных полупроводников. В настоящее время по масштабам использования в промышленности занимает второе место после кремния.

Применение GaAs

Арсенид галлия используется в производстве сверхвысокочастотных электронных компонентов. На основе Арсенида галлия выпускается широкий ассортимент высокочастотных диодов (диод Ганна, туннельный диод), транзисторов, светодиодов, лазерных диодов, интегральных схем, а так же фотоприёмников и детекторов ядерных излучений.

Арсенид галлия имеет зонную структуру, обуславливающую возможность прямых межзонных переходов носителей заряда (прямозонный полупроводник), достаточно широкую запрещённую зону, высокую подвижность электронов. Разработаны технологии получения материала с хорошими изолирующими свойствами и высокой прозрачностью в инфракрасной области спектра.

Свойства GaAs

• Относительная молекулярная масса — 144,63 а.е.м.
• Плотность в твёрдом состоянии — 5,32 г/см³, в жидком состоянии — 5,71 г/см³
• Температура плавления t_пл=1238 °C
• Твёрдость по минералогической шкале — 4,5
• Ширина запрещённой зоны — 1,43 эВ
• Кристаллы арсенида галлия кристаллизуются в решетке сфалерита
• Постоянная решётки при 300К равна 5,6533 Å
• Расстояние между ближайшими соседними атомами — 2,45 Å

Электрофизические свойства нелегированного арсенида галлия зависят от состава и концентрации собственных точечных дефектов, концентрации остаточных примесей, режимов термообработки. Для получения монокристаллов с n- и p-типом проводимости используют легирование Арсенида галлия электрически активными примесями. Основными легирующими примесями для получения монокристаллов n-типа являются S, Se, Te, Si, Sn, а для получения монокристаллов p-типа — Zn.

Методы получения GaAs

В промышленном производстве монокристаллов GaAs используются три метода выращивания:

Метод Чохральского с жидкостной герметизацией расплава слоем борного ангидрида (Liquid Encapsulated Czochralski — LEC), используется, в основном для получения нелегированного ПИ-GaAs;

Метод горизонтальной направленной кристаллизации (ГНК). Существуют два варианта «метод Бриджмена» (Horizontal Bridgman — HB) или «метод кристаллизации в движущемся градиенте температуры» (Horizontal Gradient Freeze — HGF). Обычно используется для получения кристаллов n-типа проводимости, легированных Si;

Метод вертикальной направленной кристаллизации в тех же двух вариантах (Vertical Bridgman — VB Vertical и Gradient Freeze — VGF), используется для получения как легированных донорными примесями кристаллов, так и для получения нелегированного арсенида галлия.

Метод LEC является одним из основных в производстве монокристаллов GaAs. При выращивании монокристаллов арсенида галлия методом Чохральского с жидкостной герметизацией расплава необходимо учитывать, что процесс осуществляется при достаточно больших осевых и радиальных градиентах температуры вблизи фронта кристаллизации, то есть в области максимальной пластичности материала. Очевидным следствием роста кристалла при высоких градиентах температуры при таких условиях является высокая плотность дислокаций, типичные значения которой составляют от 1,104 до 2,105 см⁻² в зависимости от диаметра слитка. В целях снижения температурных градиентов и соответственно снижения плотности дислокаций было предложено несколько модификаций метода. Одной из таких модификаций является выращивание в условиях полной герметизации растущего кристалла. Однако при малых радиальный градиентах, характерных для этого метода, затруднено поддержание диаметра растущего кристалла. Этот метод не позволяет выращивать достаточно длинные кристаллы, что делает его непригодным для промышленного использования. Более эффективным является метод Чохральского с контролируемым давлением паров мышьяка. В нем исключается разложение выращенного слитка. Использование этого метода позволило значительно снизить плотность дислокаций в монокристаллах арсенида галлия. Недостатком этого метода является высокая стоимость оборудования. Основным вариантом технологии LEC стал совмещенный процесс синтеза и выращивания монокристалла в установке «высокого давления» (с рабочим давлением 60—70 атм. при синтезе и 20—30 атм. при выращивании). Для получения арсенида галлия с высоким удельным сопротивлением — ПИ-GaAs — используют галлий и мышьяк чистотой не хуже 7N, тигли из пиролитического нитрида бора и управление содержанием фонового углерода, определяющим величину удельного сопротивления и подвижности носителей заряда в материале. При низких концентрациях углерода (1,1015 ат/см³) обеспечиваются наилучшие с точки зрения использования в технологии ионной имплантации свойства GaAs, при достаточно высоком содержании углерода (3,1015 ат/см³) кристаллы имеют высокое удельное сопротивление (108 Ом/см), что важно при использовании ПИ- GaAs в качестве подложек в эпитаксиальных технологиях.

Основным направлением развития технологии LEC является увеличение диаметра выращиваемых монокристаллов при одновременном увеличении массы загрузки, что продиктовано необходимостью повышения экономической эффективности производства. Доминирующее положение в структуре производства LEC-ПИ- GaAs пока занимают монокристаллы диаметром 100 мм, но уже более 20 % продаж приходится на пластины диаметром 150 мм. Монокристаллы GaAs, легированные Si с низкой плотностью дислокаций, выращивают методом горизонтальной направленной кристаллизации (ГНК) в кварцевых контейнерах. Однако используемые контейнерные материалы имеют низкую механическую прочность, что не позволяет получить кристаллы большого диаметра. Применение метода ВНК частично устраняет присущие методу ГНК недостатки и позволяет получать легированные кремнием кристаллы диаметром до 100 мм с низкой плотностью дислокаций

См. также

• Галлий
• Пниктиды галлия

Ссылки

• Физические свойства арсенида галлия
• [1]

Литература

• Арсенид галлия. Получение, свойства и применение, под ред. Ф. П. Касаманлы и Д. Н. Наследова, М., 1973
• Мильвидский М. Г., Пелевин О. В., Сахаров Б. А., Физико-химические основы получения разлагающихся полупроводниковых соединений. (На примере арсенида галлия), М., 1974. П. И. Федоров.