Арсенид галлия (GaAs)
 |
Скачать статью "Арсенид галлия (GaAs)" (PDF, 435 KB) |
Арсенид галлия является полупроводниковым материалом из класса соединений AIII BV и представляет собой тёмно-серый кристалл, обладающий металлическим блеском. Материал находит свое применение в инфракрасной оптике, а также в опто- и микроэлектронике.
Часто используются кристаллы арсенида галлия с примесями, которые, будучи введенными в кристаллическую решетку, могут занимать места как галлия, так и мышьяка, образуя растворы замещения, а также могут внедряться в решетку парами, замещая соседние разные атомы, либо входить в междоузлие. Свойства кристалла с примесями сильно зависят от взаимодействия примесей с собственными дефектами кристалла. Для изготовления инжекционных лазеров, светодиодов, фотокатодов и СВЧ-генераторов кристаллы сильно легируются кремнием. Для микроэлектроники применяется в основном нелегированный полуизолирующий GaAs. [1]
Технологии выращивания арсенида галлия различны. Кристаллы изготавливаются методом Чохральского, зонной плавки, а также вертикально и горизонтально направленной кристаллизации.
Стоит заметить, что в оптике используется исключительно нелегированный полуизолирующий GaAs. При использовании маломощных СО2-лазеров с длиной волны 9.6-10.6 микрона арсенид галлия является альтернативой селениду цинка и может применяться для изготовления линз и светоделителей. Также, за счёт своих нелинейных свойств, кристаллы арсенида галлия могут применяться в терагерцовой фотонике для генерации ТГц излучения.
Физические и химические свойства GaAs
| Плотность, г/см3 | 5.32 |
| Количество атомов в 1 см3 | 2.21 · 1022 |
| Постоянная решетки, нм | 0.56534 |
| Твердость (по Моосу) | 4.5 |
| Модуль Юнга, ГПа | 82.68 |
| Модуль объемной деформации, ГПа | 75.5 |
| Коэффициент Пуассона | 0,31 |
| Кристаллическая структура | Цинковой обманки |
| Химическая стабильность | Нерастворим в воде |
| Атомная масса | 144.63 |
Термические свойства GaAs
| Температура плавления, К | 1511 |
| Коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К) | 55 |
| Коэффициент теплового расширения, К−1 | 5.9·10−6 |
| Удельная теплоемкость при 273К, кал/(г·К) | 0.076 |
| Коэффициент тепловой диффузии, см2/с | 0.44 |
| Температура Дебая, К | 360 |
Электронные свойства GaAs
| Диэлектрическая постоянная при 300К | 10.88 |
| Работа выхода, эВ | 4.7 |
| Время жизни неосновных носителей, с | 10 |
| Дрейфовая подвижность электронов см2/(В·с) | 8500 |
| Дрейфовая подвижность дырок см2/(В·с) | 400 |
| Эффективная масса электронов m∗/m0 | 0,068m0 |
| Ширина запрещенной зоны при 300К, эВ | 1.43 |
| Собственная концентрация носителей заряда, см−3 | 1.1·10−7 |
| Сродство к электрону, эВ | 4.07 |
Оптические свойства GaAs
Нелегированный полуизолирующий GaAs обладает хорошим пропусканием в среднем ИК диапазоне на длинах волн от 1 до 15 мкм, а также в терагерцовом диапазоне частот (λ = 100-3000 мкм).
Рис. 1. Спектры пропускания арсенида галлия толщиной 2.0, 5.0, 6.5 и 7.5 мм.
Иногда, например, в лазерных дальномерах, окна из арсенида галлия используются на длинах волн 1.064 и 1.55 микрона. В таких случаях требуется максимально возможное пропускание окон в диапазоне от 1 до 2 микрон, которое, при заданной толщине окна, определяется исключительно технологией выращивания кристалла. Наша компания использует кристаллы арсенида галлия с максимально возможным пропусканием в данной области. Коэффициенты поглощения и подробные спектры пропускания излучения в этом диапазоне могут быть предоставлены по требованию.
Также заметим, что пологая форма спектра на рис. 1 в диапазоне 0.9-2.5 микрона отличает арсенид галлия от, например, германия и кремния (см. рис. 2), и обусловлена возбуждением глубоких примесей, всегда образующихся в кристалле GaAs в процессе его выращивания и доведения до полуизолирующего состояния.
Также в кристалле арсенида галлия может проявляться линейный электрооптический эффект (эффект Поккельса), который заключается в изменении показателя преломления под действием внешнего электрического поля. При приложении внешнего электрического поля кристалл становится оптически анизотропным, что проявляется в изменении показателя преломления для световой волны, поляризованной параллельно внешнему электрическому полю.
Изменение показателя преломления ∆n:
где r - тензор линейного электрооптического эффекта, n0 - показатель преломления вещества без электрического поля, EBH - напряженность внешнего электрического поля.
Так как арсенид галлия относится к кубическим кристаллам, отличными от нуля являются следующие компоненты тензора rij: r41 = r52 = r63 = r. Ниже представлена таблица со значениями коэффициентов линейного электрооптического эффекта для GaAs. Надстрочным индексом T или S обозначаются низко- (от нуля до звуковых частот) и высокочастотные коэффициенты, соответственно. [2]
|
Длина волны, |
Обозначение коэффициента |
Значение коэффициента |
| 0.9 | rS41 | 1.2 ± 0.05 |
| 1.08 | rS41 | 1.2 ± 0.05 |
| 1.15 | rT41 | 1.43 ± 0.05 |
| 3.39 | rT41 | 1.24 ± 0.05 |
| 3.39 | rS41 | 1.5 ± 0.1 |
| 4 | rT41 | 1.1 ± 0.1 |
| 10.6 | rT41 | 1.6 ± 0.1 |
| 10.6 | rS41 | 1.5 ± 0.1 |
| 12 | rT41 | 1.1 ± 0.1 |
Дисперсия показателя преломления для ИК диапазона длин волн [3]:
| Длина волны, микроны |
n0 | Длина волны, микроны |
n0 | Длина волны, микроны |
n0 |
| 1.127 | 3.455 | 8 | 3.315 | 15 | 2.730 |
| 1.5 | 3.444 | 9 | 3.250 | 17 | 2.590 |
| 2,39 | 3.326 | 10 | 3.309 | 18 | 2.410 |
| 2.87 | 3.330 | 11 | 3.040 | 21.9 | 2.120 |
| 5.1 | 3.300 | 13 | 2.970 | 23 | 3.182 |
| 6 | 3.320 | 13.7 | 2.890 | 25 | 3.133 |
| 7 | 3.318 | 14.5 | 2.820 |
Также на основании результатов собственных измерений методом терагерцовой спектроскопии во временной области нами была рассчитана дисперсия показателя преломления для терагерцового диапазона частот:
| Длина волны, микроны |
n0 | Длина волны, микроны |
n0 | Длина волны, микроны |
n0 |
| 110 | 3.693 | 700 | 3.660 | 1500 | 3.661 |
| 200 | 3.668 | 800 | 3.661 | 1600 | 3.661 |
| 300 | 3.662 | 900 | 3.661 | 1800 | 3.660 |
| 400 | 3.661 | 1000 | 3.662 | 2000 | 3.661 |
| 500 | 3.660 | 1200 | 3.661 | 2500 | 3.663 |
| 600 | 3.660 | 1300 | 3.661 | 3000 | 3.655 |
Сравнение с германием и кремнием
На рисунке 2 представлены спектры пропускания образцов оптического (нелегированного, полуизолирующего) арсенида галлия, оптического (высокоомного, почти собственного) германия и высокоомного (с удельным сопротивлением более 10 КОмхсм) кремния. Спектры от начала диапазона пропускания вблизи 1-2 и до 2500 микрометров приводятся для наглядности и должны облегчить выбор наиболее подходящего материала для ваших нужд.
Рис. 2. Спектры пропускания арсенида галлия, кремния и германия.
Арсенид галлия используется нами для изготовления окон, линз и призм, применяющихся в пропускающей оптике для ИК и ТГц диапазонов частот. Также мы изготавливаем и компоненты нелинейной оптики из данного материала.
Обращаем ваше внимание на то, что мы не поставляем арсенид галлия в необработанном виде, а только готовые, полированные компоненты.
______________________________
Список литературы
1. А. Магунов, Б. Лапшинов Экспериментальное определение температурной зависимости показателя преломления полупроводниковых материалов, Фотоника, No 5 / 59 / 2016.
2. Ярив А., Юх П. Оптические волны в кристаллах, Москва: Издательство «Мир», 1987
3. Серафин Б., Беннетт Х. Оптические параметры ряда соединений AIIIBV // Оптические свойства полупроводников (полупроводниковые соединения типа A(III)B(V). Под ред. Г. Уиллардсона и А. Бира. Москва: Издательство «Мир», с.445-486
4. Шалимова К. В. Физика полупроводников: Учебник. 4-е изд., стер. – Санкт-Петербург: Издательство «Лань», 2010
Продукция, доступная для заказа и готовая к отгрузке. Склад продукции.
Минимальный заказ/ Доставка/ Условия оплаты/ Гарантии...
