Физика/7. Оптика

Магистр 1 года обучения Закерничная А.А.

Московский Государственный Университет Приборостроения и Информатики, Россия, Москва

Свойства, применение и производство оптических кристаллов арсенида галлия.

Свойства арсенида галлия.

Общие.
Название	Арсени́д га́ллия
Химическая формула	GaAs
Внешний вид	Тёмно-серые кубические кристаллы
Структура
Молекулярная масса	144.64 ат. ед.
Постоянная решётки	0.56533 нм
Кристаллическая структура	цинковой обманки
Физические
Агрегатное состояние при н. у.	твёрдое
Точка плавления при н. у.	1513 K
Электронные
Ширина запрещённой зоны при 300 K	1.424 эВ
Электроны, эффективная масса	0.067 me
Лёгкие дырки, эффективная масса	0.082 me
Тяжёлые дырки, эффективная масса	0.45 me
Подвижность электронов при 300 K	9200 смІ/ (В·с)
Подвижность дырок при 300 K	400 смІ/ (В·с)

Некоторые электронные свойства GaAs превосходят свойства кремния. Арсенид галлия обладает более высокой подвижностью электронов, которая позволяет приборам работать на частотах до 250 ГГц.

Полупроводниковые приборы на основе GaAs генерируют меньше шума, чем кремниевые приборы на той же частоте. Из-за более высокой напряженности электрического поля пробоя в GaAs по сравнению с Si приборы из арсенида галлия могут работать при большей мощности. Эти свойства делают GaAs широко используемым в полупроводниковых лазерах, некоторых радарных системах. Полупроводниковые приборы на основе арсенида галлия имеют более высокую радиационную стойкость, чем кремниевые, что обусловливает их использование в условиях радиационного излучения (например, в солнечных батареях, работающих в космосе).

GaAs — прямозонный полупроводник, что также является его преимуществом. GaAs может быть использован в приборах оптоэлектроники: светодиодах, полупроводниковых лазерах.

Сложные слоистые структуры арсенида галлия в комбинации с арсенидом алюминия (AlAs) или тройными растворами Al_xGa_1-xAs (гетероструктуры) можно вырастить с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) или МОС-гидридной эпитаксии. Из-за практически идеального согласования постоянных решёток слои имеют малые механические напряжения и могут выращиваться произвольной толщины.

По физическим характеристикам GaAs — более хрупкий и менее теплопроводный материал, чем кремний. Подложки из арсенида галлия гораздо сложнее для изготовления и примерно впятеро дороже, чем кремниевые, что ограничивает применение этого материала.

Спектр пропускания алмаза

Рисунок. 1

Применение.

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.

Метод выращивания и затравки.

Особенности технологии производства

и обеспечения качества выбранного кристалла.

Метод Чохральского

Этим методом выращивают полупроводниковые кристаллы Si, Ge, Ga, As; диэлектрики LiNbO₃, LiTaO₃, TeJ-TeBr-CaF₂.

Отличие этого метода лишь в том, что фазовая граница между раствором и растущим кристаллом находится выше уровня расплава.

Процесс формирования шейки и обратного конуса аналогичен предыдущему методу без всяких отличий.

Скорость вытягивания v_выт.=1-40мм/час (в зависимости от материала). Допустимые колебания температуры расплава не выходит за предел половины градуса.

В качестве исходной шихты используется сверхчистый поликристалл аналогичных соединений.

Главная проблема при этом обеспечить минимальное содержание примесей, которые могут быть до 10^-8 %, и дислокацией в процессе роста.

Существуют также другие методы выращивания из расплава, например Бриджмена.

Метод Бриджмена.

Тигли для выращивания кристаллов.

Тигель – это сосуд, в котором находится расплав.

Требования к материалу тигля:

1. химическая инертность тигля кристаллизующегося вещества

2. вещество не должно прилипать к стенкам тигля

3. температура размягчения тигля должна быть больше температуры расплава на 100°С или 200°С

4. теплопроводность тигля должна быть выше теплопроводности вещества l_m£ l _кр.

5. высокая чистота материала тигля

Заключение

Для изготовления различных приборов на арсениде галия можно использовать слои различной степени легирования. Поэтому выбор способа получения слоев может корреспондироваться с типом приборов, для которых они предназначены. Большой интерес представляет электрохимическое получение арсенида галлия для дальнейшего использования в пленочных преобразователях солнечной энергии.

Несмотря на то, что работы по арсениду галлия ведутся широким фронтом, его возможности далеко неисчерпанны.

Литература:

1. Справочник технолого-оптика / М.А. Окатов, Э.А. Антонов, А. Байгожин и др.; под ред. М.А. Окатова – 2 изд. – СПб.; Политехника 2004 – 679 с.

2. В.А. Мостяев, В.И. Дюжиков Технология пьезо- и акустоэлектронных устройств. –M., Ягуар, 1993, 280 с.

3. Зверев Г.М., Голяев Ю.Д. Лазеры на кристаллы и их применение. –М.: Рикел, Радио и Связь, 1994 – 312 с.

4. Кристаллы нелинейной оптики. Блистанов А.А. Учебное пособие для вузов. – М.: «МИСИС», 2000-432с.

5. К.М. Рогозин. Практическая кристаллография. М.: МИСИС, 2005-488с.

6. Журнал «Светодиоды и лазеры» № 1-2 2002г.