Соединения типа AIIIBV

Соединения типа AIIIBV образуются элементами из III и V групп периодической системы и представляют собой важнейший класс полупроводниковых материалов. Наиболее известные представители – GaAs, InP, GaP, InAs, AlAs и другие. Их структура обычно изотипна структуре цинковой обманки (кубическая решётка) или вурцита (гексагональная решётка).

Ковалентная природа связи в этих кристаллах сочетается с заметным ионным вкладом: атомы III группы (доноры электронов) отдают часть своей электронной плотности атомам V группы (акцепторам), что обусловливает специфические электронные свойства. Степень ионности связи изменяется от 20 до 50% в зависимости от конкретного соединения. Это определяет ширину запрещённой зоны, энергию дефектов и особенности фото- и электропроводимости.

Электронная структура

Ширина запрещённой зоны соединений AIIIBV варьируется в широких пределах:

  • GaAs – 1,42 эВ (прямозонный полупроводник);
  • InP – 1,35 эВ;
  • GaP – 2,26 эВ (косвенная зона);
  • InAs – 0,36 эВ.

Эти значения делают возможным использование материалов как в инфракрасной, так и в видимой и даже ультрафиолетовой областях спектра. Наличие прямой или косвенной запрещённой зоны определяет эффективность излучательных переходов: прямозонные материалы, такие как GaAs, широко применяются в лазерах и светоизлучающих диодах, тогда как косвенные (например, GaP) используются в светоизлучающих приборах реже и требуют легирования активаторами.

Зонная структура сильно зависит от состава твёрдых растворов (например, GaAs1 − xPx или AlxGa1 − xAs), что позволяет целенаправленно управлять энергетическими параметрами.

Транспортные свойства

Ключевой особенностью соединений AIIIBV является высокая подвижность носителей заряда. Например, в GaAs подвижность электронов при 300 К достигает 8500 см2/(В·с), что значительно превосходит значения для кремния. Это объясняется меньшей эффективной массой электронов и меньшими скоростями рассеяния.

Отличия в подвижности электронов и дырок особенно важны для приборов с полевым управлением и высокочастотных транзисторов. Высокая электронная подвижность делает GaAs и InP незаменимыми материалами для СВЧ-электроники.

Дефекты и их роль

Соединения AIIIBV склонны к образованию точечных дефектов из-за неэквистехиометрии, что связано с летучестью компонентов V группы (As, P, Sb). В кристаллах часто встречаются вакансии атомов As, антиструктурные дефекты (Ga на месте As и наоборот), что приводит к появлению глубоких ловушек и компенсирующих центров.

Наличие глубоких уровней сильно влияет на рекомбинационные процессы: они снижают квантовый выход излучения и ухудшают характеристики диодов. Управление концентрацией дефектов достигается использованием строгого контроля условий роста (метод Чохральского, метод горизонтальной направленной кристаллизации, молекулярно-лучевая эпитаксия).

Методы получения и эпитаксия

Развитие технологий соединений AIIIBV связано с совершенствованием методов выращивания кристаллов:

  • Метод Чохральского – получение объемных монокристаллов GaAs и InP;
  • Жидкофазная эпитаксия – для получения слоёв высокой чистоты;
  • Молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) – ключевой метод создания наноструктур, квантовых ям и сверхрешёток;
  • Метод органометаллической химической эпитаксии (ОМХЭ) – позволяет точно контролировать состав твёрдых растворов и толщину слоёв.

Эти технологии открыли путь к созданию гетероструктур, в которых на границе двух материалов формируются уникальные электронные состояния с повышенной подвижностью носителей (двумерный электронный газ).

Оптические свойства

Соединения AIIIBV отличаются высокой эффективностью межзонного излучения. Прямозонные материалы обладают высоким коэффициентом поглощения и излучательной рекомбинации, что делает их основой оптоэлектроники.

Ключевые направления применения:

  • светоизлучающие диоды (GaAs, InGaAs, AlGaAs);
  • лазеры на гетероструктурах (GaAs/AlGaAs);
  • инфракрасные детекторы (InSb, InAs, InGaAs).

Регулировка ширины запрещённой зоны путём варьирования состава твёрдых растворов позволяет проектировать приборы, работающие в заданном спектральном диапазоне.

Применение в микро- и наноэлектронике

Высокая подвижность, возможность формирования гетероструктур и совместимость с интегральной технологией сделали соединения AIIIBV ключевыми материалами для:

  • СВЧ-транзисторов и усилителей – работающих на частотах выше 100 ГГц;
  • лазерных диодов и светодиодов – для телекоммуникаций, медицины, освещения;
  • солнечных элементов высокой эффективности – многопереходные структуры на основе GaAs позволяют достигать КПД выше 40%;
  • квантовых структур и наноприборов – квантовые точки, ямы и нити на основе InAs/GaAs применяются в нанофотонике и квантовых вычислениях.

Гетероструктуры и квантовые системы

Наибольшие достижения связаны с использованием соединений AIIIBV в гетероструктурах. При сочетании материалов с разной шириной запрещённой зоны и разными электронными свойствами формируются потенциальные барьеры, квантовые ямы и сверхрешётки. Это дало возможность:

  • создавать лазеры с низким порогом генерации;
  • разрабатывать высокоэффективные транзисторы с гетеропереходом (HEMT);
  • исследовать новые физические явления, включая квантовый эффект Холла.

Развитие квантовой электроники и фотоники напрямую связано с этими материалами.

Оглавление