Отримання арсеніду галію

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Московський Державний Відкритий Університет.

Факультет: "Інформатики та радіоелектроніки"

Курсова робота на тему:

Отримання арсеніду галію

Виконав:

Михайлов Д. П

Шифр: 608859

Спеціальність: 200300

2009

Зміст

Арсенід галію (GaAs)

Металургійні властивості GaAs

Вирощування кристалів GaAs

Спрямована кристалізація

Зонна плавка

Метод Чохральського

Епітаксиальні плівки арсеніду галію

Висновок

Використана література

Арсен д га ллія (GaAs)

Хімічна сполука галію і миш'яку. Важливий напівпровідник, третій за масштабами використання в промисловості після кремнію і германію. Використовується для створення надвисокочастотних інтегральних схем, світлодіодів, лазерних діодів, діодів Ганна, тунельних діодів, фотоприймачів і детекторів ядерних випромінювань.

Деякі електронні властивості GaAs перевершують властивості кремнію. Арсенід галію має більш високою рухливістю електронів, яка дозволяє приладам працювати на частотах до 250 ГГц.

Напівпровідникові прилади на основі GaAs генерують менше шуму, ніж кремнієві прилади на тій же частоті. Через більш високої напруженості електричного поля пробою в GaAs в порівнянні з Si прилади з арсеніду галію можуть працювати при більшій потужності. Ці властивості роблять GaAs широко використовуються в напівпровідникових лазерах, деяких радарних системах. Напівпровідникові прилади на основі арсеніду галію мають більш високу радіаційну стійкість, ніж кремнієві, що обумовлює їх використання в умовах радіаційного випромінювання (наприклад, у сонячних батареях, що працюють у космосі).

По фізичних характеристиках GaAs - більш тендітний і менш теплопровідний матеріал, ніж кремній. Підложки з арсеніду галію набагато складніше для виготовлення і приблизно вп'ятеро дорожче, ніж кремнієві, що обмежує застосування цього матеріалу.

Загальні властивості:

Загальні.

Назва

Арсен д га ллія

Хімічна формула

GaAs

Зовнішній вигляд

Темно-сірі кубічні кристали

Структура

Молекулярна маса

144.64 ат. од.

Постійна решітки

0.56533 нм

Кристалічна структура

цинкової обманки

Фізичні

Агрегатний стан

при н. у.

тверде

Точка плавлення при н. у.

1513 K

Електронні

Ширина забороненої зони при 300 K

1.424 еВ

Електрони, ефективна маса

0.067 me

Легкі дірки,

ефективна маса

0.082 me

Важкі дірки,

ефективна маса

0.45 me

Рухливість електронів при 300 K

9200 см ² / (В · с)

Рухливість дірок при 300 K

400 см ² / (В · с)

Хімічна зв'язок. Хімічний зв'язок у напівпровідникових сполуках типу А ш У v за своєю природою є проміжною між іонної і ковалентний. У разі ковалентного зв'язку кожен атом миш'яку повинен віддати один електрон атома галію для утворення атомів з чотирма валентними електронами. Чисто іонний зв'язок вимагає, щоб кожен атом галію віддав три електрони атомам миш'яку з утворенням іонів, утримуваних в кристалі виключно електростатичними силами. Нейтральна зв'язок вимагає збереження усіма атомами своїх валентних електронів. Одним з критеріїв передачі заряду є загальний заряд, пов'язаний з кожним атомом.

Структура. Арсенід галію має структуру кристала сфалериту (цинкової обманки). Структура сфалериту може розглядатися як комбінація двох вставлених одна в іншу кубічних гранецентрированний решіток, зміщених відносно один одного на чверть діагоналі куба і складаються з одного сорту атомів кожна.

Валентна зона в арсеніді галію складається із зони важких дірок, зони легенів дірок і із зони обумовленої спін-орбітальним взаємодією.

Ефективна маса носіїв заряду та їх взаємодія з гратами визначають рухливість електронів і дірок. Зв'язок в решітці арсеніду галію сильніше ніж, в елементарних напівпровідниках, оскільки, крім ковалентного зв'язку, в них спостерігається невелика частка іонного зв'язку. Це призводить до послаблення взаємодії між носіями заряду і гратами і до зростання рухливості. Однак висока рухливість електронів в арсеніді галію в першу чергу обумовлена ​​малим значенням їх ефективної маси в нижній зоні провідності.

Домішки в GaAs. Домішки, введені в GaAs, можуть займати місця Ga або As, утворюючи розчини заміщення, або входити в грати парами, заміщаючи сусідні різнойменні атоми, або впроваджуватися в междуузліе. Значний вплив на поведінку домішок в кристалах GaAs надає взаємодія атомів домішки з точковими дефектами, дислокаціями і іншими дефектами гратки.

Металургійні властивості GaAs

Сприятливе поєднання багатьох фізичних властивостей робить відносно високі концентрації залишкових домішок у монокристалах арсеніду галію дуже ускладнюють, визначення коефіцієнтів розподілу, коефіцієнтів дифузії і граничних розчинності домішок. Зазвичай нелегіровані монокристали GaAs характеризуються електронної електропровідністю і низьким питомим опором. Особливу увагу приділяється домішковим атомам кремнію. Легіруя арсенід галію радіоактивними атомами кремнію, вдалося встановити, що до концентрації порядку 1017 см -3 всі атоми кремнію є донорами з малою енергією іонізації, тобто замінюють атоми галію. При більш високих концентраціях частина атомів Si займає вузли As і проявляє Акцепторні властивості в результаті чого питомий опір кристала зростає. Аналогічні результати були отримані для домішки германію.

При дифузійному легуванні GaAs літієм питомий опір кристала n-типу зростає до десятка му см. У результаті термообробки при високих температурах питомий опір знижується до 0,2 му см і кристал стає p-типу. Передбачається, що літій може входити в грати за міжвузля, так і шляхом заміщення атомів галію. У междоузлиях літій є донором (Li i '), а у вузлах - акцептором (LiGa''). Ці два види дефектів можуть утворювати комплекс Li i 'LiGa'', що володіє акцепторними властивостями.

Рис. 1.1 Діаграма плавкості (X - T) арсеніду галію.

При термообробці вільні міжвузлових донорні атоми літію дифундують до поверхні або дислокациям і там випадають з розчину; таким чином, в кристалі залишаються тільки акцепторні комплекси Li i 'LiGa''. Зазвичай для легування використовують такі домішки: цинк як акцептор і селен як донор. Оскільки концентрація електронів в легованих монокристалах перевищує 1016 см-3, концентрація легуючих домішок досить висока: 1017-1019 ат см-3. У багатьох випадках при вирощуванні монокристалів GaAs методами Бріджмена, бестігельной зонної плавкою і з парової фази отримували напівізолюючих кристали, в яких концентрація носіїв становить менше 109 см3. Властивості напівізолюючих кристалів визначаються присутністю домішок, що утворюють глибоко лежать рівні, які захоплюють електрони і дірки, створювані дрібними донорними і акцепторними рівнями. Природа глибоких рівнів точно не встановлена, тому припускають, що вони створюються киснем і (або) міддю.

Діаграма плавкості (T - X) арсеніду галію представлена ​​на рис.2.1 Більш детальна крива ліквідусу, що характеризує розчинність миш'яку в рідкому галії в залежності від температури, представлена ​​на рис.2.3 При нагріванні кристали арсеніду галію розкладаються на рідкий галій і газоподібний миш'як (молекули As 4). Дуже повільний процес дисоціації починається приблизно з 600 ° С. Новоутворена на поверхні кристала плівка рідкого галію перебуваючи в контакті з твердим кристалом GaAs і паровою фазою, прагне утворити розчин з миш'яком, склад якого при будь-якій температурі визначається кривою ліквідусу рис.2.2 Якщо нагрів кристала відбувається в герметичній, рівномірно нагрітої ампулі, то між усіма трьома фазами встановлюється рівновага, для досягнення якого відбувається розчинення кристала в рідкому галії. При проведенні всіх технологічних операцій необхідно

знати температурну залежність тиску парів миш'яку над рідкими розчинами галій - миш'як.

Експериментальні визначення тиску пари миш'яку як над його розчинами в галії, так і над чистим з'єднанням ускладнюються тим, що парова фаза складається не тільки з молекул A s 4, але й з молекул As 2.

Рис.2.2 Крива розчинності миш'яку в рідкому Галлії.

Стандартне значення ентропії

S 0298 = 15,3 кал / (моль град).

При температурі плавлення арсеніду галію загальний тиск пари миш'яку

Робщ = 0,976 ат, Р As 4 = 0,902 ат, Р As 2 = 0,074 ат.

Тиск парів галію при цьому менш 10-4 ат.

Температура дисоціації арсеніду галію визначається тонкої перетину кривої тиску парів галію з кривою тисків As 2. З урахуванням точності вимірювань малих тиску температура початку дисоціації арсеніду галію і відповідне значення тиску пари Ga = Р As 2) рівні: Тр = 660 ± 100 ° С;

P Ga = Р As 2 = 5 10 -7 - 5 10 -10 ат.

Вирощування кристалів GaAs

Для синтезу арсеніду галію використовуються спрямована кристалізація, зонна плавка і метод Чохральського.

Рис. 2.3 Розподіл температур в двухзонной печі, використовуваної для вирощування GaAs за методом Бріджмена.

Як і у всіх інших випадках, вирощування кристалів з розплавів стехіометричного складу (або близького до нього) має тим перевагою, що процес досить продуктивний і є можливість очищення синтезованого матеріалу зонної плавкою. Методи вирощування з розчинів і з парової фази мають дуже малу продуктивність, а чистота одержуваного матеріалу визначається чистотою вихідних матеріалів. Проте в цих останніх методах ступінь забруднення матеріалу нижче, ніж при вирощуванні з розплавів, а однорідність матеріалу може бути значно вище.

Спрямована кристалізація

Для вирощування чистих однорідних кристалів арсеніду галію використовується метод Бріджмена. (Рис 1.1)

Схема установки спрямованої кристалізації GaAs.

Галій промивають у теплій розведеної соляної кислоти для видалення з поверхні окисного шару, потім у деіонізованої воді і поміщають разом з миш'яком в стехіометричному співвідношенні в кварцову човник. Крім цього додають деякий надлишок миш'яку, необхідний для створення надлишкового тиску. Потім човник з вихідними компонентами поміщають в реакційну ампулу, запаяну з одного кінця. Інший кінець ампули приєднують до вакуумній системі, а ампулу поміщають в піч, що нагрівається під час відкачування до 250 ° С. При цьому видаляється триокис миш'яку, після чого ампулу запаюють і поміщають у відкриту з обох кінців керамічну трубку, переміщувану з регульованою швидкістю через систему печей, що складається з трьох окремих нагрівачів. У печі 3 підтримується температура 605 ° С, що визначає пружність пари миш'яку в ампулі. Рідкий арсенід галію утворюється в печі 2, де максимальна температура дорівнює 1250 ° С. Потім розплав кристалізується направлено, з одного кінця, шляхом переміщення ампули зі швидкістю 1-2см / год через відповідний градієнт температур, створений між печами 1і2. У середині зони 1 температура становить 1150 ° С, що створює градієнт температур 5 ° на 1см. Точність підтримки температур в зонах ± 2,0 ° С. Коли кристалізація арсеніду галію закінчена, весь злиток знаходиться при 1200 ° С, після чого повільно охолоджується до кімнатної температури.

Спрямована кристалізація дозволяє отримати чистий і однорідний матеріал. Однак при цьому висуваються жорсткі вимоги до матеріалу човники, в якій вирощується злиток. Найбільше застосування знайшли човники з кварцу, окису алюмінію, нітриду бору. Ступінь компенсації монокристалів GaAs значно падає при проведенні наступної термообробки при 800 ° С протягом 484ч. У результаті проведення термообробки зникають рівні з енергією активації 0,01-0,2 еВ.

Кращі монокристали арсеніду галію, вирощені спрямованою кристалізацією, мають концентрацію електронів 5 * 10 14 см -3 і рухливість 8000см 2 / (в * сек) при 300 ° К. Спрямованою кристалізацією також отримані напівізолюючих кристали арсеніду галію.

Зонна плавка

Зо нна пла вка (зо нна перекрісталліза ція) - метод очищення твердих речовин, заснований на різній розчинності домішок в твердій і рідкій фазах. Метод є різновидом спрямованої кристалізації, від якої відрізняється тим, що в кожний момент часу розплавленої є деяка невелика частина зразка. Така розплавлена ​​зона пересувається за зразком, що призводить до перерозподілу домішок. Якщо домішка краще розчиняється в рідкій фазі, то вона поступово накопичується в розплавленої зоні, рухаючись разом з нею. У результаті домішка накопичується в одній частині вихідного зразка. У порівнянні з направленою кристалізацією цей метод має більшою ефективністю.

Зонна плавка проводиться для додаткового очищення та отримання монокристала. Вона здійснюється в запаяній ампулі або під шаром флюсу, наприклад В 2 О 3.

Завантаження, що складається з затравочного кристала певної орієнтації, полікристалічного арсеніду галію і Найбільшого кількості металевого миш'яку, поміщають у човник. Зазвичай кварцові човники попередньо обробляють, покриваючи вуглецем і потім обпікаючи при 1300 ° С протягом 2 год.

Рис1 - 2. Схема установки для бестігельной зонної плавки GaAs під шаром В 2 О 3. 1-кварцова ампула, 2 індукційний нагрів.

Рис 1 - 3. Схема установки для бестігельной зонної плавки GaAs. 1-кварцова ампула; 2 - власник стрижня; 3 - стрижень з GaAs, 4 - кварцове вікно, 5 - індукційний нагрів; 6 - піч для додаткового нагрівання стінок апарату; 7 - термопара.

Рис 1 - 4. Схема установки для витягування кристалів GaAs за методом Чохральського. 1 - запаяна кварцова ампула; 2 - магніти, 3 - сплав з високим значенням точки Кюрі; 4 - піч для додаткового підігріву; 5 - індукційний нагрів; 6 - розплавлена ​​зона; 7 - графітовий тигель; 8 - запал; 9 - тримач затравки.

Човник з завантаженням поміщають в кварцову ампулу, яку запаюють під вакуумом. Нагрівання системи здійснюється за допомогою трьох печей: печі для розплавлення арсеніду галію і двох печей для управління температурними градієнтами: температура однієї 800 ° С, а інший 600 ° С. Швидкість проходу зони змінюється в межах 0,5 - 5 см / ч.

Схема установки для зонної плавки арсеніду галію під шаром флюсу В 2 О 3 представлена ​​на рис. 1 - 2.

Флюс В 2 О 3 плавиться при температурі 450 ° С кипить, при температурі понад 1500 ° С; в розплавленому стані він представляє собою в'язку рідину, яка, цілком покриваючи поверхню розплаву, пригнічує процес випаровування миш'яку. Щодо забруднення розплаву домішками, що містяться в окису бору, конкретних даних немає. До недоліків окису бору слід віднести гігроскопічність і здатність взаємодіяти з кварцом.

При зонної плавці арсеніду галію при досягненні концентрації носіїв заряду 10 16 см -3 подальше очищення цим методом не дає ефекту.

Схема процесу бестігельной зонної плавки в запаяній ампулі показана на рис. 1-3. Бестігельной зонна плавка не має особливих переваг в порівнянні з іншими методами. Труднощі, пов'язані з герметизацією злитку GaAs в кварцовою ампулі і неминучістю його випаровування, роблять процес бестігельной зонної плавки мало придатним для практичного використання. Злиток арсеніду галію, отриманий за методом бестігельной зонної плавки, після декількох проходів має високий питомий опір (порядку МОм * см) у початковій і низький питомий опір в іншій частині кристала. Рухливість носіїв у арсеніді галію з низькою питомою опором 5500см 2 / (в * сек).

Передбачається, що високий опір в арсеніді галію в обох методах зонної плавки виходить в результаті присутності домішки з енергетичним рівнем, близьким до центру забороненої зони, що діє як пастка.

Метод Чохральського

Метод Чохральського - метод вирощування кристалів шляхом витягування їх вгору від вільної поверхні великого обсягу розплаву з ініціацією початку кристалізації шляхом приведення затравочного кристала (або декількох кристалів) заданої структури і кристалографічної орієнтації в контакт з вільною поверхнею розплаву.

Використовуються два варіанти витягування кристалів за методом Чохральського: в запаяній ампулі, де створюється необхідний тиск парів миш'яку, і під шаром флюсу, наприклад В 2 О 3.

У першому варіанті основною технологічною складністю є запобігання потрапляння кремнію з кварцового тигля в розплав. Для запобігання цьому застосовують тиглі з нітриду алюмінію, завдяки чому між розплавом і кварцовою трубкою немає прямого контакту. Іншою значною труднощами застосування методу Чохральського є переміщення і обертання злитка (рис. 1-4). Одне з можливих рішень цієї проблеми полягає у використанні магнітного поля.

При вирощуванні кристала температура самого холодного ділянки ампули підтримувалася рівною 615 ° С, швидкість обертання затравки становила 17 об / хв, швидкість витягування - 45 - 50 мм / ч. Довжина вирощених кристалів 20см, діаметр 20мм.

Розподіл деяких домішок в арсеніді галію, вирощеному з розплаву, залежить від концентрації домішки, кристалографічної орієнтації і швидкості росту. Радіальний температурний градієнт робить істотний вплив на досконалість структури злитку арсеніду галію, вирощеного за методом Чохральського, збільшуючи кількість дислокацій.

Отримані методом Чохральського злитки мали рухливість носіїв при кімнатній температурі вище 7000 см 2 / (в * сек). Рухливість в деяких зразках вище 8000см 2 / (в * сек), причому іноді він досяг 8500см 2 (у * сек) при кімнатній температурі. Концентрація носіїв у всіх зразках знаходилася в межах (4 ÷ 6) * 10 15 см -3.

Епітаксиальні плівки арсеніду галію

Епітаксия - це орієнтоване наростання одного кристала на інший.

Вирощування монокристалічних епітаксійних плівок арсеніду галію, що мають хороші електрофізичними властивостями, виробляють в даний час майже виключно шляхом реакції переносу в протоці. Перенесення здійснюється галогенами при температурах 650 - 950 ° С. Слід зазначити, що в плівках, отриманих методом хімічних транспортних реакцій, концентрація носіїв на порядок нижче, ніж в кристалах, отриманих з розплавів, а рухливість при кімнатній температурі досягає 9000 см2 / (в сек) (проти 5000-6000, які спостерігаються в кристалах); однорідність плівок також перевершує однорідність кристалів. Це, мабуть, пов'язано з малою і рівномірної швидкістю росту плівок, а також з зменшенням забруднення вихідних матеріалів завдяки більш низьких температур проведення процесів.

Численні дослідження присвячені процесам перенесення попередньо синтезованого арсеніду галію йодом як в замкнутих ампулах, так і в проточних системах. Однак за останні роки встановлено, що найкращі результати досягають при використанні в якості реагенту НСl, а в якості газу носія - водню. Вибір HCl як переносник обумовлений тим, що він не конденсується на холодних частинах установки, як це має місце для йоду, його подачу в реакційну камеру можна точно дозувати і його можна очистити від слідів вологи. Слід зазначити, що промисловий НСl абсолютно не прийнятний, і найкращих результатів можна досягти, використовуючи HСl, синтезований з чистого Cl 2 (одержуваного, наприклад, при дисоціації CuCl 2) і чистого водню. Застосовуваний водень слід очищати дифузією через паладій.

У якості вихідних матеріалів, що підлягають перенесенню, можна використовувати такі системи: а) кристали арсеніду галію; б) GaCl 3 + Ga + As; в) Ga + AsCl 3.

Вибір вихідних матеріалів визначається в першу чергу досяжною ступенем чистоти тих чи інших елементів або сполук. З цієї точки зору арсенід галію, синтезований методом сплавлення компонентів і направленою кристалізацією, не є цілком задовільним.

Отримання чистого галію і чистого GaС1 3 освоєно промисловістю. Крім того, ці компоненти можуть бути додатково очищені безпосередньо перед проведенням процесу. Забруднення галію при його взаємодії з кварцовим контейнером буде тим менше, чим нижче температура проведення процесу.

Отримання чистого миш'яку все ще представляє певні труднощі, а його легка окислюваність при контакті з повітрям призводить до додаткових ускладнень. AsCl 3 може бути ефективно очищений як ректифікацією, так і послідовно проводиться спрямованою кристалізацією. При використанні AsCl 3 відпадає необхідність застосування НСl.

Процес проводиться за допомогою установки, зображеної на рис.2.4 Вихідний галій 6 і підкладки 7 поміщаються в кварцову трубу, яка розташована в двозонна печі опору. У кварцовий реактор подається суміш водню і парів AsCl 3. Для дозування співвідношення AsCl 3 / H 2 потік водню поділяється на дві нитки; по одній дозовану кількість водню подається безпосередньо в реактор, а за іншою спочатку проходить через живильник, що містить AsCl 3, насичується парами AsCl 3, а потім змішується з основним потоком водню. Парогазова суміш, потрапляючи в реактор, нагрітий до температури Т 1, піддається реакції

2АsСl 3 +3 Н 2 ↔ 6НСl +2 (As).

При температурі T 1 = 750 - 1000 ° С миш'як виділяється у вигляді пари, які практично повністю поглинаються рідким галієм до тих пір, поки не утворюється насичений розчин миш'яку в галії.

Рис. 24. Схема установки для виготовлення епітаксійних плівок GaAs: 1 - балон з воднем; 2 - блок тонкого очищення водню, 3 - голчасті натекателі; 4 - ротаметри, 5 - барботер з AsCl3; 6 - розплав галію; 7 - підкладки.

Виділяється при цьому НСl реагує з галієм в присутності надлишку водню по реакції

Ga (ж) + HCl (г) → GaCl (г) + 1 / 2 H 2 (г)

Газоподібний GaCl переноситься в більш холодну частину камери (T 2 = T 1 - 25 ÷ 50 °) і частково дисоціює:

3GaCl → 2Ga + GaСl 3

Після того як утворився насичений розчин миш'яку в галії, вільний миш'як переноситься разом з GaCl і в другій зоні відбувається одна з двох можливих реакцій:

3GaCl + 2As → 2GaAs + GaCl 3

3GaCl + 3As + 3 / 2 H 2 → 3HCl + 3GaAs.

У результаті реакцій стінки реакційної камери і розташовані в камері підкладки покриваються плівкою GaAs. Структурна досконалість плівок і їх електрофізичні властивості залежать від багатьох параметрів: структурної досконалості стану поверхні та хімічної чистоти підкладки, чистоти реагентів і чистоти установки, швидкості росту та сталості умов зростання (сталість швидкості потоку, сталість температури).

Найбільш ефективним методом очищення поверхні підкладки є газове травлення безпосередньо в реакційній камері до початку процесу нанесення плівки. Для цього на початку експерименту температура зони осадження повинна перевищувати температуру першої зони. Через апарат пропускають парогазову суміш протягом декількох хвилин, після чого температуру зони знижують до її нормального значення і проводять процес.

Висновок

Для виготовлення різних приладів на арсеніді галія можна використовувати шари різного ступеня легування. Тому вибір способу отримання шарів може кореспондуватися з типом приладів, для яких вони призначені. Великий інтерес представляє електрохімічне одержання арсеніду галію для подальшого використання в плівкових перетворювачах сонячної енергії.

Незважаючи на те, що роботи з арсеніду галію ведуться широким фронтом, його можливості далеко невичерпання.

Використана література

  1. В.Н. Черняєв, Л.В., Кожітов "Технологія отримання епітаксійних шарів арсеніду галію і прилади на їх основі." 1974

  2. Матеріал з Вікіпедії - вільної енциклопедії. Www.wikipedia.org 2009

  3. "Матеріали Електронної Техніки" В. В. Пасинків, В. С. Сорокін. 1986

  4. "Технологія Матеріалів і Електронної Техніки" А. В. Каменська, Новосибірський Державний Університет 1999

Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Фізика та енергетика | Курсова
55кб. | скачати


Схожі роботи:
Отримання молібдену
Отримання водню
Отримання ніобію
Отримання та використання деревини
Отримання вітаміну С з шипшини
Отримання азотної кислоти
Властивості і отримання сірки
Способи отримання спиртів
Отримання простих ефірів
© Усі права захищені
написати до нас