За исключением антимонидов все соединения АIIIВV разлагаются при нагревании по схеме

АIIIВV → АIII(ж) + ½ ВV2(г)   (2.1)

Равновесное давление насыщенного пара, состоящего практически из молекул компонента ВV, растет с повышением температуры и в точке плавления достигает значений 104...107 Па - для фосфидов.

Полупроводниковые соединения АIIIВV образуют гомологический ряд, в котором наблюдается закономерное изменение многих свойств (табл. 2.1).

Внутри каждой группы соединений наблюдается уменьшение ΔЕ0 с ростом суммарного атомного номера и атомных масс, входящих в соединение элементов. Это объясняется более сильным размытием «электронных облаков» ковалентных связей по мере движения вниз по периодической таблице, благодаря чему усиливается характер металлической связи. Одновременно с ослаблением ковалентных химических связей снижаются температура плавления и твердость материала, полупроводник становится более пластичным, приближается по своим механическим свойствам к металлу.

Таблица 2.1 – Некоторые свойства соединений А III В V

Подвижность носителей заряда в полупроводниках типа АIIIВV ограничивается рассеянием на оптических фононах. Чем больше электроотрицательность элементов, образующих соединение, тем сильнее выражена ионная составляющая химической связи. Соответственно возрастает рассеяние на оптических колебаниях и уменьшается подвижность носителей заряда. Приближенно можно считать, что подвижность увеличивается с ростом атомной массы. Увеличение атомной массы ведет к уменьшению амплитуды тепловых колебаний атомов, что, в свою очередь, приводит к уменьшению рассеяния носителей заряда на этих колебания. А так как в том же направлении происходит ослабление ионной составляющей связи, то подвижность носителей резко возрастает.

Среди всех соединений АIIIВV InSb обладает рекордной подвижностью электронов: un = 7,8 м2(Вс).

Примеси и дефекты структуры

Примеси замещения в кристаллической решетке соединений АIIIВV распределяются таким образом, чтобы не возникало центров с большим избыточным зарядом.

Примеси элементов II группы - Be, Mg, Zn и Cd, образующие твердые растворы замещения, всегда занимают в кристаллической решетке АIIIВV узлы металлического компонента и при этом являются акцепторами, благодаря меньшей валентности по сравнению с валентностью замещаемых атомов.

Примеси элементов VI группы - S, Se, Те - располагаются в узлах Bv и играют роль доноров.

Более сложным характером отличается поведение примесей элементов IV группы. Поскольку в этом случае при замещении атомов одной из двух подрешеток имеется избыток или недостаток лишь одного валентного электрона, то атомы примесей IV группы могут замещать как узлы АIII, так и Bv, проявляя при этом донорные или акцепторные свойства соответственно. Замещение должно сопровождаться наименьшей деформацией кристаллической решетки. Поэтому критерием донорного или акцепторного действия примесей может служить соответствие размеров замещающего и замещаемого атомов.

В большинстве случаев атомы примесей элементов IV группы локализуются в одной из подрешеток. Например, в InSb кремний и германий замещают только атомы Sb и являются акцепторами, а в InAs замещают In и являются донорами. Однако в некоторых соединениях наблюдается амфотерное поведение этих примесей. Так, в GaAs и GaP наблюдается парное вхождение атомов Si и Ge в кристаллическую решетку. В зависимости от степени легирования, температуры и состава кристаллизационной среды имеет место преимущественное вхождение этих примесей в ту или иную подрешетку.

Примеси элементов III-й и V-й подгрупп обычно замещают соответственно атомы АIII и ВV в решетке соединения, образуя нейтральные центры. Растворимость этих элементов велика и удается получать кристаллы твердых растворов во всем диапазоне концентрации.

Примеси элементов переходной группы - Fe, Co, Ni - создают в полупроводниках АIIIВV глубокие энергетические уровни и являются рекомбинационными ловушками. Легирование GaAs железом или хромом используется для получения кристаллов с высоким удельным сопротивление (до 107 Ом*м). Такой материал называется полуизолирующим (ПАГ).

Особенностью процесса диффузии в полупроводниках АIIIВV является его зависимость от давления паров летучего компонента Bv, которое определяет дефекты структуры. Диффузию проводят в запаянной ампуле. Доноры в соединениях АIIIВV характеризуются крайне низкими значениями коэффициентов диффузии. Поэтому необходимы высокие температуры и большое время диффузии. Это приводит к эрозии поверхности.

На практике при формировании р-n-структур используется лишь диффузия Zn, который является акцепторной примесью и обладает высокой растворимостью. Чтобы уменьшить концентрацию акцепторов на поверхности, диффузию Zn в GaAs часто проводят через тонкий слой SiO2, наносимый на поверхность пластин.

В технологии ИС на GaAs введение примесей осуществляется методом ионной имплантации.

Излучательная рекомбинация

Ценным свойством многих соединений А В является высокая эффективность излучательной рекомбинации неравновесных носителей заряда. Для генерации излучения в видимой области спектра необходимо ΔЕ0 > 1,7 эВ. Из соединений АIIIВV, освоенных с технологическом отношении, этому условию удовлетворяют GaP и GaN. Для генерации излучения в ИК - области спектра необходимы меньшее значение ΔЕ0. К числу подходящих материалов относится GaAs (Δ Е0 = 1,43 эВ).

Излучение фотонов в GaAs происходит в результате прямой межзонной рекомбинации электронов и дырок. Эффективная люминесценция в GaN и GaP возникает лишь при введении специальных примесей. Так, при легировании GaN цинком в зависимости от концентрации последнего можно получить излучение в желтой, зеленой или голубой областях спектра.

В GaP интенсивная люминесценция обусловлена рекомбинацией с участием изоэлектронных ловушек. Роль таких ловушек играют атомы N или нейтральные комплексы Zn - О. Изоэлектронные ловушки азота вызывают люминесценцию GaP в зеленой области спектра, а комплексы Zn - О ответственны за красное излучение.