Реферати українською » Остальные рефераты » Арсенид індію. Властивості, застосування. Особливості отримання епітаксійних плівок


Реферат Арсенид індію. Властивості, застосування. Особливості отримання епітаксійних плівок

Страница 1 из 2 | Следующая страница

Московський Державний

Технічний Університет їм. М. Еге. Баумана

Калузький філія


КАФЕДРА МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ І МАТЕРИАЛОВ ЕЛЕКТРОННОЇ ТЕХНИКИ


Курсова робота


за курсом:” Технологія матеріалів електронної техніки”


ТЕМА: ” Арсенид індію. Властивості, застосування. Особливості отримання епітаксійних плівок.”


Выполнил: Тимофєєв А. Ю.

Група: ФТМ-71

Перевірив: Кунакин Ю. І.


р. Калуга

1996 рік

Зміст


Запровадження. 3

Электрофизические властивості об'ємного арсеніду індію. 3

  • Зонная структура арсеніду індію. 3

  • Оптические властивості арсеніду індію. 4

  • Рухливість в арсеніді індію. 5


Методи глибокої очищення індію та миш'яку. 6

  • Методи глибокої очищення індію. 6

  • Методи отримання миш'яку та її сполук високої

    ступеня чистоти. 7


Эпитаксиальное нарощування арсеніду індію

з газової фази. 7

  • Система In-AsCl3-H2 . 8

  • Система In-HCl-AsH3-H2. 9

  • Система InAs-SiCl4-H2. 10

  • Піроліз МОС. 11


Жидкофазная эпитаксия арсеніду індію. 12

Молекулярно променева эпитаксия арсеніду індію. 13

Укладання. 14

Список використаної літератури. 16


Запровадження.


Эпитаксиальный арсенід індію - перспективний матеріал електронної техніки. Висока рухливість електронів в арсеніді індію прямозонная структура використовувати її виготовлення високоефективних електронних і оптоэлектронных приладів, зокрема швидкодіючих транзисторів і інтегральних схем, фотоприемных детекторів ІК - діапазону, инжекционных лазерів із довжиною хвилі »3,5 мкм.

Проте широке використання тонкоплівкових структур арсеніду індію стримується відсутністю полуизолирующих підкладок у зв'язку з малої шириною забороненої зони арсеніду індію. Слід зазначити недостатню механічну міцність матеріалу. Зазначені проблеми може бути подолані, по крайнього заходу частково, при гетероэпитаксиальном вирощуванні арсеніду індію. І тут, зазвичай, эпитаксию проводять на подложках арсеніду галію орієнтації поверхні (001).

Значне неузгодженість параметрів решіток арсеніду індію і арсеніду галію 7.4% наводить і при отриманні гетероэпитаксиальных плівок арсеніду індію і арсеніду галію методами газотранспортної і жидкофазной эпитаксии до формування перехідного шару значної товщини і до більшої щільності морфологічних і структурних дефектів. Це пов'язано з обмеженнями як фізичного характеру, властивим даним эпитаксиальным технологіям, і обмеженням, пов'язані з “ненаблюдаемостью” процесу зростання.


Электрофизические властивості об'ємного арсеніду індію.

Зонная структура арсеніду індію.

Зона провідності.

Арсенид індію є прямозонным полупроводником, яка має зона провідності сферически симетрична і мінімум її перебуває у центрі зони Бриллюэна. Поблизу мінімуму кривизна зони велика, унаслідок чого ефективна маса електрона дуже мала і дорівнює me»0.026 m0.


Зона провідності має не-параболичную форму, кривизна її зменшується зі збільшенням енергії. Експериментальні результати підтверджують непараболичность зони провідності. Вимірювання ефективної маси лежить на поверхні рівня Фермі, наведене для зразків з різноманітною концентрацією електронів, показало збільшення ефективної маси, зі зростанням n-кол-личеством носіїв заряду (мал.1).


Мал.1. Залежність ефективної маси електрона від концентрації електронів.


Валентная зона.

Розрахунки зоною структури валентної зони показали, якщо зони важких дірок і двох подзон, зсунутих щодо точки =0 у бік [111] на величину 0.008 а-1б .

У максимумах енергії лише на 0.006 эВ перевищує енергію, відповідну центру зони Бриллюэна. Зона легких дірок вырождена з зоною важких дірок при =0. Є також третя зона, становище якої зумовлено спин-орбитальным взаємодією. Розмір ефективних мас і пояснюються деякі характеристики зонної структури наведено нижче:

Ширина забороненої зони Eg=0.35 эВ (300 До)

Температурная залежність Eg=(0.44-2.8Ч10-4T)эВ

Ефективна маса електрона me*=0.026 m0

Ефективна маса важкої дірки mp*=0.41 m0

Ефективна маса легкої дірки mі*=0.025 m0

Ефективна маса дірки у зоні

спин-орбитального розщеплення mj*=0.083 m0

Енергія спин-орбитального розщеплення DEg=0.43 эВ.


Оптические властивості арсеніду індію.


Найбільший практичний інтерес представляє спектральний діапазон в близи краю власного поглинання. Саме в області довжин хвиль (3-5 мкм) працюють фотоприемники, одержані із епітаксійних структур арсеніду індію.

Поглиненна світла товстому напівпровідника то, можливо описано вираженням

I=I0(1-k)Чexp(-aX), (1)

де I0 - інтенсивність падаючого випромінювання, k - коефіцієнт відображення, a - коефіцієнт поглинання, X - координата.

Розмір коефіцієнта відображення в близи краю власного поглинання вбирається у 30-40% і можна оцінити з висловлювання

(2)

де n - показник заломлення.

  • У напівпровідниках, зазвичай, одночасно працює кілька механізмів поглинання світла. Основні їх:

  • власне чи фундаментальне поглинання;

  • эксионное;

  • поглинання вільними носіями;

  • ґратчасте;

  • внутризонное.

Повний коефіцієнт поглинання у разі одночасної участі кількох механізмів поглинання дорівнює:

. (3)

У згаданому діапазоні довжин хвиль 3-5 мкм і звичайно використовуваної області температур 77-300 До працює переважно два механізму: власне поглинання і поглинання на вільних носіях. У сфері власного поглинання прямозонная структура арсеніду індію зумовлює різку залежність коефіцієнта поглинання від енергії:


,

(4)

де e - заряд електрона, h - стала Планка, з - швидкість світла. У арсеніді індію n-типа величина Єg=0.35 эВ при Т=300 До, а показник ступеня у натуральному вираженні для a=0.85 n=1, у вихідному матеріалі р-типа Єg=0.36 эВ, а n=0.5.

У легованих зразках з допомогою малої ефективної маси електронів зі збільшенням концентрації носіїв відбувається швидке заповнення зони провідності електронами, у слідстві чого рівень Фермі стоїть вище від дна зони провідності на величину енергії DEn. І тут коефіцієнт поглинання описується вираженням

(5)

тобто. відбувається зрушення краю поглинання убік великих енергій.

Поглиненна на вільних носіях у сфері довжин хвиль, перевищують 3 мкм, хоча слабше, ніж власне, тим щонайменше може відіграти значну роль сильно легованих зразках. І тутa описується вираженням

(6)

де n - показник заломлення,s - провідність,l - довжина хвилі,

Оцінки показують, що з l=3 мкм і n=1018 див-3 в пластині арсеніду індію завтовшки 400 мкм поглинеться близько 80% світлового потоку.


Рухливість в арсеніді індію.


Рухливість носіїв заряду в кристалах арсеніду індію обмежується кількома механізмами розсіювання:

  • розсіюванням на оптичних і акустичних фононах;

  • на іонних примесях;

  • на нейтральних примесях:

  • на дефектах кристалічною грати (дислокациях):

  • на носіях заряду.

У наближенні часу релаксаціїt рухливість обчислюється за такою формулою

(7)

де t - обчислюється кожному за механізму розсіювання окремо.

У монокристаллических об'ємних зразках арсеніду індію досягнуто такі значення рухливості:

n-тип, m=30000 див2/Вс(300К),

р-тип, m=450 див2/Вс(300К).

Сростом концентрацією домішок рухливість падає.


Методи глибокої очищення індію та миш'яку.


Для отримання монокристалів арсеніду індію з високими і стабільними электрофизическими параметрами необхідно використовувати високоочищені вихідні матеріали.

Арсенид індію ніяк не піддається очищенні кристаллизационными методами у результаті високого тиску дисоціації за нормальної температури плавлення, високої хімічної активності індію та миш'яку за нормальної температури вирощування і близьких до одиниці значень коефіцієнтів розподілу основних домішок у вихідних елементах, як-от сірка, селен, цинк та інших., і навіть через забрудненням кремнієм з кварцу за високої температури.


Методи глибокої очищення індію.


У індії призначений для синтезу напівпровідникових сполук, лимитирующими є такі домішки: алюміній, мідь, магній, кремній, срібло, кальцій, срібло і сірка.

Застосовувані методи очищення індію можна розділити на хімічні і обов'язкові фізичні. Методи першої групи - субхлоридный, экстракционный, електролітичний і перекристалізація солей з розчинів. Хімічні методи вимагає наявності надчистих допоміжних матеріалів кислот, лугів, органічних розчинників. Методи другої групи (фізичні) - термообробка, ректифікація, витягування з розплаву і зонная плавка - включають вплив на індій будь-яких допоміжних хімічних реактивів.

При застосуванні для приготуванні електроліту особливо чистого натрію электролитическое рафінування олії індію дозволяє їм отримати індій чистотою 99,9999% (вихід по току 90%).

Субхлоридный метод отримання індію високої чистоти дає змогу отримувати індій чистотою 99,9999%.

Для успішної реалізації методу вакуумної термообробки необхідно виконання таких умов:

  • матеріал контейнера має бути досить чистим і взаємодіяти з розплавленому индием;

  • термообробка повинна проводиться за умов високого вакууму (10-6 мм рт.ст.) й у залишкової атмосфері, не що містить вуглеводнів.

Термообработка індію проводиться в інтервалі температур 500-900ПроЗ. Верхня межа температурного інтервалу обмежується взаємодією розплавленого індію з кварцом і великим збільшення пружності пара індію.

Вакуумна термообробка дозволяє їм отримати індій чистотою 99,9999%.

Зонная плавка електрично рафінованого індію дозволяє здійснювати подальшу очищення його від домішок.

При витягуванні кристалів індію методом Чохральского ефективна очищення відбувається за вирощуванні кристалів з більшими на швидкостями обертання початку (60-100 об./хв) і швидкістю зростання 2см/ч. Чистота індію вирощеного методом Чохральского, вище 99,9999%. Застосування лише одну способу очищення індію може бути недостатнім, і, можливо знадобиться поєднання різних способів (фізичних і хімічних).


Методи отримання миш'яку та її сполук високого рівня чистоти.


Загальне зміст домішок в миш'як використовуваному для синтезу арсеніду індію, на повинен перевищувати 1Ч10-5%, сумарне зміст селену і телуру має бути < 1Ч10-6% кожного окремо.

Найперспективнішими технологіями очищення миш'яку є хлоридная і гидридная із отриманням проміжних високо чистих продуктів треххлористого миш'яку чи гідриду миш'яку. Хлоридная схему одержання чистого миш'яку включає:

  • хлорування металевого миш'яку хлором чи взаємодія трехокиси миш'яку з соляної кислотою;

  • очищення трихлорида миш'яку ректифікацією;

  • відновлення очищеного трихлорида миш'яку воднем до компактного металевого миш'яку.

Перед ректифікацією треххлорида миш'яку проводять сорбционную очищення.

Для отримання особливо чистих гідриду миш'яку і елементарного миш'яку використовується гидридная схема. Гидридная технологія миш'яку має низку переваг:

  • зміст миш'яку в гидриде вище, ніж у будь-якій іншій поєднанні;

  • розкладання гідриду миш'яку відбувається за невисоких температурах немає взагалі потреба у відновленні;

  • гидриды мають малу реакційну здатність стосовно конструкційним матеріалам за температур синтезу і очищення.

Недоліками гідриду миш'яку є висока токсичність і вибухонебезпечність.

Гидридная технологія очищення миш'яку складається з таких етапів:

  • синтез арсеніду металу II групи;

  • гідроліз арсеніду із отриманням арсина;

  • очищення арсина сорбцией;

  • виморожування і ректифікація;

  • розкладання арсина до металевого миш'яку.

Миш'як, отриманий наведеними схемами, успішно використовується для синтезу арсеніду індію. З іншого боку, треххлористый миш'як знаходить широке застосування нарашивания епітаксійних верств арсеніду індію.


Эпитаксиальное нарощування арсеніду індію з газової фази.


Газотранспортные процеси, основу яких вмостилися оборотні хімічні реакції, широко застосовуються щоб одержати епітаксійних структур напівпровідникових сполук А3У5. Основними достоїнствами процесу набуття епітаксійних верств арсеніду індію з газової фази в проточній системі є:

  • простота конструктивного оформлення процесу;

  • низька пересыщение речовини над зростаючим кристалом;

  • порівняно невисокі температури кристалізації, можливість запобігання забруднення матеріалом контейнера;

  • можливість управління процесом зростання зміною швидкості потоку і концентрації транспортуючому агента;

  • широкі можливості легування шарів різними домішками;

  • можливість автоматизації процесу;

  • здійснення безперервного процесу;

  • можливість отримання багатошарових структур і заданої морфології.

Сумарні реакції, найчастіше що використовуються осадження епітаксійних верств арсеніду індію й переносу компонентів, загалом потужно уявити так:


4InГ3+As4+6H2«4InAs+12HГ; (8)

3As+2InГ3+3/2H2«3AsГ+2In+3HГ, (9)

3AsГ+2In«2InAs+AsГ3; (10)

In+As«InAs; (11)

2InAs+3Г2«InГ3+As2; (12)

2InAs+H2O«In2O+As2+H2; (13)

де Р - галоген. Арсенид індію як епітаксійних верств отримують методами транспортних реакцій або синтезом з елементів, або пересублимацией сполуки. Для перенесення найчастіше використовують галоиды (трихлориды елементів III і V груп, хлористий водень) і воду. Галоидные системи (хлоридные, йодидные) мають переваги перед системою H2O-H, оскільки хлор і йод є нейтральними домішками для арсеніду індію.


Система In-AsCl3-H2 .


Достоїнствами системи вважатимуться:

  • мала кількість вихідних компонентів у системі;

  • усунення попереднього отримання InAs, що у ролі джерела;

  • можливість глибокої очищення AsCl3 ректифікацією;

отримання хлористого водню та миш'яку високого рівня чистоти відновленням AsCl3 воднем.

Схема установки для вирощування епітаксійних верств арсеніду індію із системи In-AsCl3-H2 представлена на мал.2.


Рис. 2. Схема установки щоб одержати епітаксійних плівок InAs у системі In-AsCl3-H2:

1- зона миш'яку; 2-лодочка з индием; 3-держатель з підкладкою; 4-выход водню з продуктами реакцій; 5-вход чистого водню; 6-барботер з AsCl3.


Реактор має три зони нагріву, причому піч сконструйована в такий спосіб, що джерело індію можна простежити під час процесу.

Водень барботирует через випаровувач з хлористим миш'яком за нормальної температури 20ПроЗ, і суміш AsCl3+H2 вступає у піч.

У зоні 1 печі протікає реакція :

2AsCl3+3H2 ® 6HCl+1/2As4. (14)

У зане 2 пари миш'яку взаємодіють із индием. Суміш газів вступає у зону джерела індію і проходять реакції:

2In+2HCl ® InCl+H2; (15)

In+As4 ® 4InAs. (16)

Взаємодія джерела індію з газової сумішшю відбувається до насичення індію миш'яком. Коли індій повністю насичується миш'яком, лежить на поверхні розплаву утворюється плівка арсеніду індію, у своїй надлишковий миш'як вступає у реактор і вони вбирають на холодних стінках реактора поза печі. У перебігу періоду насичення індію миш'яком підкладка перебуває поза реактора. Тривалість насичення визначається кількістю індію, його температурою і швидкістю надходження пара миш'яку до індію. З використанням в повному обсязі насиченого джерела індію склад газової фази у зоні осадження непостійна.

При вирощуванні арсеніду індію n-типа у системі In-AsCl3-H2 в газовий потік вводиться суміш H2S+H2 . Концентрацией H2P.S визначається рівень легування. Для отримання плівок р-типа використовується елементарний цинк і кадмій, запроваджувані як легирующей добавки з випарника з окремої зоною нагріву.


Система In-HCl-AsH3-H2.

Принциповими технологічними перевагами гідридів є такі:

  • леткі ковалентные гидриды можна одержувати із усіх найважливіших в напівпровідникової техніці елементів;

  • властивості гідридів дозволяють успішно застосовувати очищення, засновану на трьох фазових переходах (рідина- пар, тверде- пар, тверде- рідина), і навіть ефективні методи газової очищення (сорбції, іонного обміну);

  • зміст основного елемента у гидриде вище, ніж у будь-якій іншій поєднанні;

  • гидриды мають малу реакційну здатність стосовно конструкційним матеріалам.

Недоліками гідридів є їхньою висока токсичність і вибухонебезпечність.

При вирощуванні епітаксійних верств цією системою миш'як при кімнатної температурі перебуває у газоподібному стані, що забезпечує сталість складу газової фази і гнучкість процесу легування.

Типова схема установки нарощування епітаксійних верств арсеніду індію з допомогою системи In-HCl-AsH3-H2 приведено на рис. 3.


Рис. 3. Схема установки нарощування епітаксійних верств InAs з допомогою системи In-HCl-AsH3-H2: 1-выпускная труба; 2-подложка.

xIn+HCl xInCl+(1-x)HCl+x/2H2, (17)

де x - мольная частка HСl що у реакції (залежить від температури). Слід зазначити, що реакція протікає не, тобто. хімічне рівновагу не настає. Найімовірнішою причиною спостережуваного відхилення від хімічного рівноваги є геометрія встановлення і значні швидкості потоку газу. Гидриды елементів V групи, зокрема і AsH3, термічно нестійкі за температур, зазвичай використовуваних при вирощуванні епітаксійних верств. Основні реакції осадження такі:


3InCl+1/4As4+1/2H2 « InAs+HCl. (18)

З отриманням епітаксійних верств арсеніду індію з допомогою системи In-HCl-AsH3-H2 є гнучким методом нарощування. Якість верств, отриманих з допомогою цією системою, зазвичай еквівалентно і навіть перевершує якість верств, отримані з участю інших систем і методів, крім хлоридной системи In-AsCl3-H2.


Система InAs-SiCl4-H2.


Эпитаксиальные плівки арсеніду індію високої чистоти можна одержувати з допомогою як транспортуючому агента тетрахлорид кремнію. Схема установки приведено на рис. 4.


Рис.

Страница 1 из 2 | Следующая страница

Схожі реферати:

Навігація