Open access peer-reviewed chapter
Soumis : 17 août 2020 Examens : 20 octobre 2020 Publié : 06 novembre 2020
DOI: 10.5772/intechopen.94566
L'un des principaux objectifs de la physique est de comprendre les propriétés physiques des métaux composés. Sur la base de cet objectif, dans ce chapitre, nous avons l'intention de passer en revue les propriétés physiques ainsi que chimiques du matériau Arséniure de Gallium.
- GaAs
- principe de base
- propriétés physiques
- propriétés optiques
- propriétés chimiques
- physique
Chaque fois que la création et le perfectionnement de nouvelles techniques de croissance de matériaux donnent lieu à la découverte de nouveaux équipements. Le semi-conducteur qui s'est avéré le plus intéressant de tous (lorsqu'il est utilisé), concerne les applications dans les dispositifs électroniques par exemple, des circuits à haute vitesse formés de composés du groupe III-V ainsi que des commutateurs ou des amplificateurs. L'un des types est l'arséniure de gallium (GaAs) [1, 2]. Un semi-conducteur III-V, sa composition comprend du gallium qui est un élément du groupe 3 ayant une structure cristalline trigonal orthorhombique couplée avec de l'arsenic qui appartient au groupe 5 et a une structure cristalline trigonal. Cette combinaison même conduit à des propriétés physiques ainsi que chimiques intéressantes dans ce semi-conducteur [3, 4]. Avec différentes bandes interdites électroniques, ces semi-conducteurs peuvent, à des températures ambiantes, se cristalliser en une structure cristalline cubique de type zinc-blende. Après la découverte du transistor en 1947, l'arséniure de gallium (GaAs) s'est présenté comme un matériau de premier plan pour les dispositifs électroniques. L'importance technologique et le besoin d'étudier l'arséniure de gallium (GaAs) au cours des dernières années sont dus à son point de fusion élevé à 1238° C ainsi qu'à une densité de 5,3176 g/cm3. Il est obtenu comme sous-produit de l'extraction des minerais de zinc et d'aluminium et est présent à 5-15 mg/Kg dans la croûte terrestre [5, 6].
Le GaAs est la base d'une industrie mondiale, il a un large domaine d'utilisation allant des circuits intégrés à fréquence micro-ondes aux fenêtres optiques. Parmi les semi-conducteurs III-V, le GaAs est resté utile en tant que matériau semi-conducteur, étant largement utilisé dans les dispositifs optoélectroniques et microélectroniques. Étant donné cette large utilisation du GaAs, l'idée est venue d'écrire ce chapitre en se concentrant sur les propriétés physiques et chimiques de ce matériau important. Tout en excluant les impuretés présentes et leurs effets associés, l'accent est mis sur les caractéristiques du GaAs [7, 8] .
Inclus dans ce chapitre, quelques propriétés physiques ainsi que chimiques de l'arséniure de gallium (GaAs) telles que la structure cristalline, le gap direct de GaAs avec sa structure cristalline de type zinc blende, la structure électronique, les propriétés d'émission lumineuse, les propriétés électromagnétiques, les propriétés photovoltaïques, la transition de phase et les propriétés mécaniques ainsi qu'élastiques. Les structures géométriques, les stabilités et les propriétés électroniques comme une vitesse d'électron saturée plus élevée et une grande mobilité des porteurs avec une petite constante diélectrique et une haute résistivité. Ce chapitre élabore également sur les propriétés thermodynamiques de GaAs telles que l'expansion thermique et la conduction thermique.
Ces grandes propriétés ont conduit à la production de dispositifs nouveaux et uniques tels que des émetteurs de lumière à haute efficacité, des capteurs de lumière et des dispositifs de commutation à haute vitesse. Le GaAs est considéré comme un membre exceptionnel de la famille des semi-conducteurs III-V. Il possède de nombreuses caractéristiques exceptionnelles, en particulier pour l'industrie optoélectronique récente. Par conséquent, une attention particulière a été accordée à l'examen des propriétés physiques de ce matériau [9, 10, 11].
La structure de bande est la partie principale des semi-conducteurs. En l'expliquant brièvement, à zéro absolu, un gap de bande ou un écart d'énergie sépare la bande de conduction (bande vide la plus basse) de la bande de valence (bande remplie la plus haute). Par conséquent, à T = 0, l'électricité n'est pas conduite par le matériau. Les électrons peuvent être excités dans la bande de conduction par plusieurs processus, tels que l'absorption optique ou l'excitation thermique, à des températures finies et la conduction électrique est autorisée car il y a des états vides dans la bande de valence. L'énergie, sous forme de chaleur ou de photons, est libérée lorsque les électrons retournent à la bande de valence 12, 13.
Comme mentionné dans Figure 1, deux types de bandes interdites existent en fonction de différentes conditions. La première est si, au-dessus de la liaison de valence, le bas de la bande de conduction ne repose pas. En conséquence, cela s'appelle un gap indirect. De plus, un photon est nécessaire pour fournir l'élan requis pour atteindre l'état dans la bande de conduction, et pour que la transition électronique se produise. Cependant, dans le cas des semiconducteurs de type GaAs et autres bandes directes, le bas de la bande de conduction et le haut de la bande de valence sont superposés. Par conséquent, même sans changement dans le vecteur d'onde, l'électron peut être excité à partir de la bande de valence. Un photon absorbant l'énergie requise est suffisant pour cela. De plus, par l'émission d'un photon, la transition de la bande de conduction vers la bande de valence peut facilement être effectuée par l'électron. Bien qu'aucune interaction de photon ne soit requise, l'émission d'énergie lumineuse de la longueur d'onde désirée de 850 nm se produit et permet la recombinaison directe des trous et des électrons. En l'absence de défauts, l'énergie libérée par le mécanisme dominant du gap indirect est par des photons via le rayonnement électromagnétique. Cependant, les photons libèrent de l'énergie sous forme de chaleur dans le cas des semiconducteurs à bande interdite indirecte 14, 15, 16.
Schéma de la bande de valence, des bandes de conduction à gap direct et à gap indirect [13].
En tant que bon matériau optoélectronique, le gap direct dans GaAs est considéré comme un matériau utile dans le domaine de l'optoélectronique et d'autres domaines électroniques et est utilisé de manière exhaustive dans les lasers à semi-conducteurs ainsi que dans les diodes électroluminescentes. Son utilisation a également été encouragée dans la fabrication de cellules solaires à haute efficacité, de diodes Gunn, de LED infrarouges, de détecteurs à état solide et de systèmes radar. Nous avons une classification de 1 à 3 catégories en fonction de l'ampleur de l'énergie de gap des matériaux, à savoir, étroit, moyen et large gap. De toutes les propriétés d'un semi-conducteur, la présence de gap d'énergie domine toutes les autres [16, 17]
Non seulement l'ingénierie de la bande interdite permet de réaliser des diagrammes de bande ayant des variations continues ainsi que des variations de bande arbitraires, mais elle est également considérée comme l'un des outils les plus puissants pour les nouveaux dispositifs et matériaux semi-conducteurs. Pour une application spécifique, les propriétés de transport des trous, ainsi que des électrons, peuvent être continues et indépendantes. Cette approche nous conduit à une nouvelle génération de dispositifs ayant des capacités uniques allant des transistors à effet de champ résonnants aux photomultiplicateurs à état solide. Plus que pour tout autre semi-conducteur, de nombreuses structures de bande pour GaAs sont précisément connues. Figures 2 et 3 le montrent clairement, indiquant 1.519 eV comme le gap d'énergie fondamental pour l'arséniure de gallium. De plus, la performance à haute température de GaAs est largement attribuée à sa large bande interdite [20](#B20), [21](#B21), [22](#B22)"].
Structure de la bande d'énergie de GaAs [18].
(a) Structure de bande calculée de GaAs utilisant la méthode de liaison serrée. (b) Esquisse de la structure de bande de GaAs près du point de symétrie Γ montrant la bande de conduction, la bande de trous lourds (hh), la bande de trous légers (lh) et la bande séparée (so) dans les directions X [100] et L [19\].
Outre cela, la photoconductivité, une caractéristique que les semi-conducteurs présentent dans des conditions d'essai appropriées, est un autre avantage associé à la bande interdite [23]. Cela se produit lorsqu'une augmentation de la conductivité électrique se produit lorsqu'une lumière incidente tombe sur un semi-conducteur. L'adéquation du matériau semi-conducteur dans les dispositifs optoélectroniques est également déterminée par sa réponse photoconductrice. De tels matériaux qui réagissent bien à la photoconductivité se révèlent utiles dans la fabrication de détecteurs à état solide infrarouges. De plus, dans le GaAs, les propriétés de transport des électrons chauds sont largement affectées par la bande interdite. L'alliage est une autre bande interdite contrôlable qui est une propriété utile du GaAs [22, 24, 25, 26].
L'utilité du GaAs et de ses alliages dans l'optoélectronique, tels que les lasers à état solide et les LED, réside dans la bande interdite du GaAs qui, dans la plage infrarouge, entraîne l'émission de photons. La capacité du GaAs à conserver ses propriétés de semi-conducteur à des températures élevées, offrant une stabilité au GaAs, provient de la bande interdite plus large du GaAs [19]. Figure 3 montre la structure de bande calculée du GaAs en utilisant la méthode de liaison forte avec différents matériaux semi-conducteurs.
Que le GaAs soit un conducteur extrêmement mauvais est corroboré par le fait que le GaAs a une faible densité de porteurs intrinsèques lorsqu'il est présent sous une forme non dopée ou pure. Par conséquent, il est principalement considéré comme semi-isolant. L'ajout de dopants de type p ou n, c'est-à-dire de types positif et négatif respectivement, modifie cette propriété. De nombreux dispositifs actifs ont pu être fabriqués sur un seul substrat grâce à cette propriété semi-isolante, où l'isolement électrique de chaque dispositif est assuré par le GaAs. Pour la contraction du circuit électronique, cette caractéristique s'est révélée assez importante \27, \28].
En ce qui concerne les propriétés de transport, deux questions importantes se posent lorsque l'incorporation de dopants a été effectuée – a) mobilité, b) concentration effective de porteurs \[29, 30].
Nc et NV, la densité effective d'états aux bords de bande, dépendent de la température et de la masse effective de l'électron et des trous respectivement.
La conductivité est donnée par
'Eq. (1) et Figure 4 peuvent être utilisés pour comprendre l'effet de la température sur la concentration du porteur. Cela montre l'entrée de la température dans les termes exponentiels ainsi que pré-exponentiels. Il y a deux effets d'une température accrue [31, 32]:'
- la densité effective d'états du bord de la bande est augmentée (NV et NC).
- la portion exponentielle de Eq. 10 montre une diminution, puisque son dénominateur est T.
Énergie de bande interdite inverse T pour Ge, Si, GaAs dans la plage 200–1000 K. T [31].