1) Нелегированный полуизолирующий (ПИ) GaAs с высоким удельным сопротивлением (107 Ом·см). Используется при изготовлении высокочастотных интегральных схем (ИС) и дискретных микроэлектронных приборов.
2) Сильнолегированный кремнием GaAs n-типа проводимости с низкой плотностью дислокаций. Широко используется в оптоэлектронике для изготовления инжекционных лазеров, свето- и фотодиодов, фотокатодов, являются прекрасным материалом для генераторов СВЧ-колебаний (так называемых генераторов или диодов Ганна). Применяются для изготовления туннельных диодов, способных работать при более высоких температурах, чем кремниевые, и на более высоких частотах, чем германиевые.
3) Монокристаллы ПИ-GaAs, легированные хромом, используют в инфракрасной оптике.
4) Монокристаллы GaAs, легированные цинком или теллуром, применяют в производстве оптоэлектронных приборов.
5) GaAs в качестве компонента входит в состав многих тройных и четверных твердых растворов.
Арсенид индия
Арсенид индия (InAs) – химическое соединение индия и мышьяка. Прямозонный полупроводник группы AIIIBV с шириной запрещённой зоны 0,36 эВ. Кристаллическая структура кубическая (структура сфалерита). Плотность 5,67 г/см3, Тпл = 942 °С, диэлектрическая проницаемость ε = 14,6.
Арсенид индия устойчив на воздухе и в парах воды до Т ≈ 300 °С. Взаимодействует с концентрированной соляной и серной кислотами, водными растворами сильных окислителей (например, Н2О2), смесями азотной, фтористоводородной и уксусной кислот, а также азотной и соляной кислот с Н2О2.
Получают арсенид индия в кварцевых ампулах взаимодействием расплава In с парами As, давление которых составляет 32,7 кПа при 800÷900 °С. Монокристаллы выращивают по методу Чохральского вытягиванием из-под слоя флюса жидкого В2О3 в атмосфере инертного газа (Аr, Не, N2) при давлении 40÷50 кПа (основной способ), направленной кристаллизацией из расплава при давлении паров As 32,7 кПа
Эпитаксиальные пленки InAs выращивают следующими методами:
− осаждением из раствора InAs в расплаве In при 650÷700 °С;
− осаждением из газовой фазы: пары AsCl3 или НСl пропускают над расплавом In, образовавшиеся при этом хлориды In переносятся в зону реакции и взаимодействуют с парами AsCl3 или AsH3 при 700 °С, давая InAs;
− методом молекулярно-лучевой эпитаксии (реакцией молекулярных пучков In и As в вакууме 10 Па с последующим осаждением на нагретую до 400÷500 °С подложку).
Для получения монокристаллов и пленок со свойствами полупроводников n- или р-типа используют добавки соответственно Те, Se, Sn или Zn, Cd, Mn. Арсенид индия − полупроводниковый материал для фотоприемников ИК излучения, датчиков эффекта Холла. Используется для создания сверхвысокочастотных транзисторов, светодиодов и фотодиодов, работающих в инфракрасной области спектра, датчиков магнитного поля, для создания массивов квантовых точек.
Антимонид индия
Антимонид индия (InSb) – кристаллическое бинарное неорганическое химическое соединение, состоящее из элементов индия и сурьмы. Используется в инфракрасных детекторах, включая изображения тепловых камер, инфракрасное самонаведение ракетных систем, применяемое также в инфракрасной астрономии, использовался как моно-детектор механически отсканированных систем тепловидения.
Свойства. InSb является узкозонным прямозонным полупроводником группы AIIIBV с шириной запрещённой зоны 0,18 эВ при 300 K и 0,24 эВ при 0 К; при 77 К подвижность электронов 1,1 м²/(В·с), дырок 9,1·10-3 м²/(В·с). Антимонид индия имеет вид темно-серого серебристого металла или порошка со стекловидным блеском. Когда подвергается воздействию температур свыше 500 °C, он начинает плавиться и разлагаться на составные части, освобождая сурьму и пары, состоящие из окислов сурьмы. Имеет кристаллическую структуру цинковой обманки с постоянной решётки 0,648 нм.
Получение.
Антимонид индия получают путём отверждения расплава, жидкофазной или молекулярно-пучковой эпитаксией, из металлоорганических соединений. Монокристаллы выращивают по методу Чохральского в атмосфере Ar, He, N2 или Н2, либо в вакууме (при давлении примерно 50 Па). Получают антимонид индия сплавлением индия с сурьмой в кварцевом контейнере в вакууме (~0,1 Па) при 800÷850 °C. Очищают зонной плавкой в атмосфере водорода.
Применение. Антимонид индия применяется для изготовления туннельных диодов: по сравнению с германиевыми диоды из антимонида индия обладают лучшими частотными свойствам при низких температурах. Антимонид индия используют для изготовления фотоэлементов высокой чувствительности, датчиков Холла, оптических фильтров и термоэлектрических генераторов и холодильников. Используется для создания детекторов инфракрасного излучения (фотодиодов, фоторезисторов). Применяют в: тепловизорные детекторы, созданные на основе фотодиодов и фотомагнитных детекторов; датчики магнитного поля, использующие магнитосопротивление и эффект Холла; быстрые транзисторы.
Антимонид галлия (стибид галлия) GaSb – монокристаллический полупроводниковый материал, относящийся к классу соединений AIIIBV. Представляет собой светло-серые кристаллы с металлическим блеском. Кристаллы антимонида галлия имеют решетку сфалерита. Постоянная решетки при 300К равна 6,096 Å. Плотность в твердом состоянии 5,65 г/см3, в жидком состоянии (при температуре плавления) − 6,06 г/см3; температура плавления Тпл= 710 °С; равновесное давление паров в точке плавления 10-2 Па. Коэффициент линейного расширения 6,2∙10-6 К-1, твердость по минералогической шкале 4,5, диэлектрическая проницаемость (низкочастотная) 5,7. Ширина запрещенной зоны 0,72 эВ. Нелегированный антимонид галлия имеет дырочный тип проводимости, связанный с наличием в нем положительно заряженных комплексов точечных дефектов.
Антимонид галлия растворяется в кислотах., выделяя токсичный стибин SbH3. Окисление антимонида галлия на воздухе начинается при температуре выше 400 °С. При окислении поверхность антимонида галлия адсорбирует значительно большее число атомов кислорода, чем другие соединения AIIIBV. Диссоциация соединения с выделением паров сурьмы начинается после расплавления соединения в вакууме.
Получение. Получают GaSb сплавлением Ga с 5%-ным избытком Sb в атмосфере Н2, в кварцевых или графитовых контейнерах, после чего GaSb гомогенизируют зонной плавкой. Промышленным методом выращивания монокристаллов антимонида галлия является метод Чохральского. В качестве акцепторной примеси используют германий и цинк, донорной − теллур.
Применение. Основная область применения GaSb − в качестве подложек для гетероструктур четверных твердых растворов типа AlxGa1-xAsySb1-y и InxGa1-xAsySb1-у для лазерных излучателей и фотоприемников на длину волны от 1,0 до 5,0 мкм. Для производства тензометров, туннельных диодов и микроволновых датчиков.
Нитрид бора
Кристаллический нитрид бора (BN) имеет три модификации: гексагональную α-BN, кубическую β-BN (боразон) и ромбоэдрическую γ-BN.
Гексагональный нитрид бора кристаллизируется в структуре, аналогичной структуре графита. Расстояние между сетками в решетке нитрида бора равно 3,34 Å. Из-за близости структуры и некоторых физических свойств нитрида бора и графита α-BN часто называют «белым графитом». В отличие от графита отдельные кристаллики BN прозрачны.
Белый порошок α-BN, получают из элементов при температурах выше 2000 °С. Нитрид бора может быть получен также прокаливанием бора (или B2O3) в атмосфере аммиака или при нагревании смеси B2O3 с восстановителями (углем, магнием) в атмосфере аммиака.
При комнатной температуре химически инертен. Кислород и хлор начинают действовать на него при температурах выше 700 °С. Реагирует с фтором и с HF; горячие растворы щелочей разлагают его с выделением NH3. При температуре выше 1000 °С начинает разлагаться на элементы.
Температура плавления α-BN Тпл = 3000 °С. Плотность частиц порошка равна 2,3 г/см3. По смазочным свойствам α-BN превосходит графит. В спрессованном состоянии нитрид бора обладает полупроводниковыми свойствами (с шириной запрещенной зоны около 3,7 эВ), а при наличии небольшого количества примесей обладает люминесцентными свойствами. Лучшими активаторными свойствами в BN обладают С и B2O3. Углерод при низких концентрациях вызывает голубое, а при высоких – желтое свечение. Он хорошо активизируется как люминофор при возбуждении светом, ультрафиолетовыми и рентгеновскими лучами, α-частицами и электронами.
Алмазоподобный β-BN (боразон).
При давлении выше 62 тыс. атм. и температурах выше 1350 °С происходит полиморфное превращение графитоподобной гексагональной α-BN модификации в кубическую алмазоподобную β-BN структуру. Хорошими катализаторами такого превращения являются щелочные и щелочноземельные металлы. Боразон кристаллизуется в структуре сфалерита с периодом решетки 3,615 Å при 25 °С. Кристаллы боразона, полученные при высоких давлениях, имеют вид полиэдров, тетраэдров или октаэдров. Они прозрачны, а их цвет зависит от наличия и типа примесей.
Избыток бора в реакционной смеси придает кристаллам боразона коричневый или черный цвет, бериллий − синий, сера − желтый. В зависимости от вида и концентрации примесей боразон имеет различный тип проводимости, величина удельного сопротивления лежит в пределах от 102 до 107 Ом·м. Плотность боразона 3,49 г/см3. Твердость соизмерима с алмазом (10 баллов), однако он сильно превосходит алмаз по термостойкости (до 2000 °С) и ударной прочности. Химическая стойкость боразона выше, чем обычной формы нитрида бора. Кристаллы боразона не изменяются при нагреве в вакууме до температуры выше 2000 °С. При нагреве на воздухе медленное окисление боразона наблюдается лишь при 2000 °С, алмаз сгорает на воздухе при 875 °С. При 2500 °С и давлении 40000 атм боразон переходит а в гексагональный нитрид бора.
Ромбоэдрический γ-BN.
Эта модификация нитрида бора обнаружена наряду с гексагональной при получении BN взаимодействием бората натрия с цианистым калием. Она имеет структуру, подобную структуре β-графита с разным смещением между гексагонами в последовательных слоях. Периоды решетки: а = 2,504 Å, с = 10,01Å.
Применение нитрида бора. Нитрид бора и материалы на его основе является важнейшим инструментальным материалом. Применяется в реакциях промышленного органического синтеза и при крекинге нефти, в изделиях высокотемпературной техники, в производстве полупроводников, получении высокочистых металлов, газовых диэлектриков, как средство для тушения возгораний. Из нитрида бора изготовляют высокоогнеупорные материалы, проявляющие как полупроводниковые, так и диэлектрические свойства.
Белая модификация применяется для получения высокоогнеупорных материалов, армирующих волокон, как полупроводниковый материал, сухая смазка для подшипников, поглотитель нейтронов в ядерных реакторах.
Из боразона изготавливают тигли, изоляторы, тигли для получения полупроводниковых кристаллов, детали электровакуумных приборов; при производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем (твердотельные планарные источники примеси бора, диэлектрические прокладки конденсаторов), деталей электровакуумных приборов (окон выводов энергии, стержней теплоотводов). Широкое применение находит пиролитический нитрид бора. Нитрид бора входит в состав промышленной керамики.
73. Полупроводниковые материалы. Бинарные полупроводниковые соединения AIIBVI. Основные свойства, получение, применение.