I ricercatori di Galilei (GaAs) sono un punto di riferimento della moderna tecnologia dei semiconduttori, apprezzati per la sua mobilità elettroni superiore e per la banda diretta. Queste proprietà consentono a GaAs di eccellere nell'elettronica ad alta frequenza, nell'optoelettronica e nei dispositivi fotovoltaici.

Principio di arsenale Gallio

La struttura in cristallo zincato fornisce una elevata mobilità elettroni, che vanno da cinque a sei volte superiori a quella del silicio a temperatura ambiente, e un bandgap diretto di circa 1,42 eV a 300 K. Il bandgap diretto consente inoltre di effettuare la ricombinazione con elettroni ad alta efficienza radiante, rendendo Ga‐As il materiale di tipo Ga‐As ad alta potenza.

Nella sua forma pura e intrinseca, GaAs ha una conducibilità relativamente bassa perché la concentrazione intrinseca dei vettori (elettroni e fori generati dall'eccitazione termica attraverso il bandgap) è sull'ordine di 106]] cm[]]3]]] a temperatura ambiente.

Il ruolo delle impurità nei semiconduttori

Le impurità possono essere classificate in due categorie: i dopanti intenzionali che vengono deliberatamente aggiunti a personalizzare le proprietà elettriche, e i contaminanti involontari che derivano da precursori di crescita, crogioli, o ambienti di processo.

Impurità del donatore e dell'accettazione

Per GaAs, i donatori tipici includono il silicio (Si), il tellurio (Te), lo stagno (Sn), e lo zolfo (S). Quando un atomo donatore sostituisce il gallio (ad esempio, il silicio su un sito di maggioranza), il suo elettrone extra è allentato e può essere termicamente eccitato nella banda di conduzione, lasciando dietro un positivo

Compensazione e livelli profondi

Non tutte le impurità agiscono come donatori o accettatori semplici. Alcuni creano livelli di profondità – gli stati energetici vicino al centro del bandgap – che possono intrappolare i vettori di carica e ridurre la conducibilità. Ad esempio, la contaminazione dell'ossigeno in GastraAs forma un livello di donatore profondo che tende a compensare i materiali di tipo p-tipo, degradando le prestazioni del dispositivo.

Compensazione[]] si verifica quando donatori e accettatori sono simultaneamente presenti. In materiale altamente compensato, la concentrazione del vettore netto è la differenza tra densità di donatore e di accettore, ma la mobilità soffre perché aumenta l'impurità ionizzata dispersione.

Impatto sulla conducibilità elettrica

La conducibilità elettrica & #963; di un semiconduttore è data da

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Spazzola di Impurità Ionizzata

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Spazzola di Impurità Neutrale

Quando i dopanti non sono completamente ionizzati, che possono verificarsi a basse temperature o per livelli profondi, gli atomi di impurità neutri disperdono anche i vettori, anche se con una sezione trasversale che è generalmente più piccola di quelle impurità ionizzate.

Strategie di dosaggio ottimali per le prestazioni del dispositivo

La scelta del giusto livello di impurità è un atto di bilanciamento che dipende dalla specifica applicazione del dispositivo. Troppe impurità comportano un'elevata resistenza e una bassa corrente di trasmissione; troppi causano il crollo della mobilità, la resistenza della serie parassita e l'aumento della perdita.

Doping uniforme contro la modifica

[Sistema di distribuzione] [Spacchetto di distribuzione] [Spacchetto di distribuzione] [Spacchetto di distribuzione] [Spacchetto di distribuzione] [Spacchetto di distribuzione] [Spacchetto di distribuzione] [Spacchetto di distribuzione] [Spacchetto di distribuzione] [Spacchetto di distribuzione] [Spacchetto di distribuzione] [Spaccheggio]

Doping per dispositivi optoelettronici

In diodi laser e LED, la regione attiva consiste in genere di pozzi quantistici non doppi o leggermente doppi GaAs per sostenere un'alta efficienza radiativa. I strati di rivestimento circostanti sono doppiati pesantemente (n-type e p-type, ad esempio, 1×10] 18]] cmgrad]

Sostanze semi-isolanti

Il meccanismo semi-insulante di GaAs è prodotto con una concentrazione di circa 1–2 > 15; 10 (incluso il meccanismo di compensazione di livello profondo)[6-f][6-f][[6][[[7]]]][[[[[6]]]]]]][[[[[[[6]]]]]]]]]]

Impurità involontarie e loro conseguenze

Anche quando vengono mantenute le condizioni di crescita pulita, le impurità non intenzionali possono entrare nei cristalli GaAs durante la crescita o la lavorazione. I contaminanti più comuni includono carbonio, ossigeno, silicio e idrogeno. Le loro fonti variano: il carbonio proviene da precursori di tipo metal-organico (ad esempio, trimethylgallium) in MOCVD; l'ossigeno può provenire da agenti ossidanti o umidità residuti; il silizzante può essere rilasciato dai componenti del reattore di quarzo.

Carbonio in GaAs

In MOCVD-grown GaAs, il carbonio è il tenore di carbonio residuo dominante. Le concentrazioni possono variare da 1014 a 1016 cm[FLT]

Trappola di ossigeno e profonda

L'ossigeno può essere usato come un'influenza di basso livello di donatore, in particolare per l'efficienza di un singolo individuo.

Il difettivo EL2

Come accennato in precedenza, il difetto EL2 è onnipresente in GaAs coltivato da un fuso (LEC, VGF). La sua concentrazione dipende dalla stoichiometria: le condizioni ricche di arsenico promuovono la formazione EL2. Mentre EL2 è utile per substrati semi-insultanti, è dannoso in strati attivi perché causa la trapping del vettore e il rumore di bassa frequenza.

Misurazione e caratterizzazione dei livelli di impurità

Determinare l'esatta concentrazione di impurità e il suo impatto sulla conducibilità richiede una serie di tecniche di caratterizzazione complementari.

Misurazioni di effetti Hall

Il metodo van der Pauw Hall è la tecnica più comune per misurare la resistenza dei fogli, la concentrazione dei vettori e la mobilità del corridoio. Misurando la tensione Hall in un campo magnetico, si può estrarre la densità del vettore netto ]n] o ]p] e la mobilità Hall > misure H[F[F[F[F[Fondo]

Spettrometria di massa secondaria-ionica (SIMS)

La profilazione di punti come il silicio, il carbonio e l'ossigeno è di routine nell'analisi dello strato epitassiale. Il corretto profilo SIMS con dati elettrici (ad esempio, dal profilato di condensazione-tensione) consente la calibrazione dell'efficienza di attivazione del dopant.

Rivestimento a condensazione (C‐V)

Le misurazioni C-V sui diodi Schottky producono la concentrazione di impurità ionizzata netta in funzione della profondità. Questa tecnica è particolarmente utile per rilevare la compensazione e per verificare la ripidabilità dei profili doping in strati δ‐doped. Combinati con i dati Hall, C‐V può rivelare se tutti i dopanti sono elettricamente attivi o se alcuni sono compensati da livelli profondi.

Spettroscopia di fotoluminescenza e di trasmettitore di profondità (DLTS)

Gli spettri di fotoluminescenza a bassa temperatura (PL) mostrano spesso picchi eccitonici taglienti da portanti di confine, che possono essere collegati a impurità specifiche. Ad esempio, un picco a 1.5128 eV è associato ad accettatori di carbonio. DLTS è lo standard d'oro per caratterizzare i livelli profondi, fornendo la concentrazione delle trappole, il livello di energia e la cattura di sezione trasversale.

Direzioni e ricerca futuri

Le dimensioni del dispositivo si restringono e le frequenze operative si spingono nella gamma terahertz, il controllo dei livelli di impurità con precisione atomica diventa sempre più importante.

  • Ultra-high-purity GaAs: I progressi nelle tecniche di crescita, come la sintesi di MBE di solida sorgente e di precursore di elevata purezza, stanno spingendo i livelli di impurità residua inferiori a 1012 cm]]−3 in strati di record leggermente doppiati, e
  • Le specie di dopant di novitÃ: Tellurium e latta vengono rivisitate come donatori perché possono raggiungere densità di doping superiori al silicio senza formare difetti compensativi. Allo stesso modo, il carbonio à ̈ affinato come un dopant di tipo p- in MBE, dove puÃ2 essere introdotto utilizzando un filamento di grafite riscaldato.
  • Doping digitale e nanostrutture:[ Doping a strati atomici (ad esempio, δ-doping con controllo sub-monolayer) e l'uso di punti quantici e nanofili consentono il posizionamento dell'impurità con precisione nanometrica, minimizzando la dispersione e massimizzando la densità di carica-carrier.
  • Monitoraggio in-situ:[] La diffrazione ad alta energia (RHEED), l'ellipsometria spettroscopica e la spettrometria di massa sono integrati in camere di crescita per fornire feedback in tempo reale sull'integrazione dell'impurità, permettendo il controllo del processo a ciclo chiuso.

Queste innovazioni promettono di estendere la busta di performance dei dispositivi basati su GaAs, consentendo sistemi di comunicazione di nuova generazione, fotovoltaici ad alta efficienza e eterostrutture di calcolo quantistica.

Conclusioni

La conducibilità elettrica dell'arsenide al galio è regolata da un delicato gioco di interazione tra doping intenzionale, contaminazione involonaria e perfezione di cristallo. Le impurità del donatore e dell'accettatore determinano la concentrazione del vettore, mentre la dispersione da impurità ionizzate e neutre limita la mobilità.

Per ulteriori informazioni:] Esplora le proprietà di base di gallium arsenide[], la fisica di ] che fa uso di semiconduttori, e i dettagli di il difetto di EL2