Индий сульфид-антимонид: свойства, применение и перспективы
Indium antimonide
Индий сульфид (InSb): свойства, применение в ИК-детекторах, тепловизорах и системах наведения. Источник терагерцового излучения. Полупроводник III-V группы.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Антимонид индия (InSb) — кристаллическое соединение, состоящее из элементов индия (In) и сурьмы (Sb). Это полупроводниковый материал с узкой запрещенной зоной, относящийся к группе III–V, который используется в инфракрасных детекторах, включая тепловизионные камеры, системы FLIR, системы инфракрасного самонаведения ракет и в инфракрасной астрономии. Детекторы на основе антимонида индия чувствительны к инфракрасным длинам волн в диапазоне от 1 до 5 мкм. Антимонид индия широко использовался в старых системах тепловизионной съемки с механическим сканированием и одним детектором. Также он применяется в качестве источника терагерцового излучения, поскольку является эффективным фото-Демберским излучателем.
Indium antimonide (InSb) is a crystalline compound made from the elements indium (In) and antimony (Sb). It is a narrow gap semiconductor material from the III V group used in infrared detectors, including thermal imaging cameras, FLIR systems, infrared homing missile guidance systems, and in infrared astronomy. Indium antimonide detectors are sensitive to infrared wavelengths between 1 and 5 μm. Indium antimonide was a very common detector in the old, single detector mechanically scanned thermal imaging systems. Another application is as a terahertz radiation source as it is a strong photo Dember emitter.
История
Впервые о данном межметаллическом соединении сообщили Лю и Перетти в 1951 году, указав диапазон его гомогенности, тип структуры и постоянную решетки. Поликристаллические слитки InSb были получены Генрихом Велкером в 1952 году, хотя по современным стандартам полупроводниковой чистоты они не были достаточно чистыми. Велкер занимался систематическим изучением полупроводниковых свойств соединений группы III-V. Он отметил, что InSb обладает небольшим прямым запрещенным диапазоном и очень высокой подвижностью электронов. Кристаллы InSb выращивают медленным охлаждением из жидкого расплава как минимум с 1954 года. В 2018 году исследовательская группа из Технологического университета Делфта заявила о потенциальном применении нанопроволок индий-антимонида в создании квазичастиц Майораны нулевого режима для квантовых вычислений; Microsoft открыла лабораторию при университете для дальнейших исследований, однако позднее Делфт отозвал публикацию.
The intermetallic compound was first reported by Liu and Peretti in 1951, who gave its homogeneity range, structure type, and lattice constant. Polycrystalline ingots of InSb were prepared by Heinrich Welker in 1952, although they were not very pure by today's semiconductor standards. Welker was interested in systematically studying the semiconducting properties of the III V compounds. He noted how InSb appeared to have a small direct band gap and a very high electron mobility. InSb crystals have been grown by slow cooling from liquid melt at least since 1954. In 2018, a research team at Delft University of Technology claimed that indium antimonide nanowires showed potential application in creating Majorana zero mode quasiparticles for use in quantum computing; Microsoft opened a laboratory at the university to further this research, however Delft later retracted the paper.
Физические свойства
InSb выглядит как темно-серые серебристые куски металла или порошок со стеклянным блеском. При нагревании выше 500 °C он плавится и разлагается с выделением паров сурьмы и оксида сурьмы. Кристаллическая структура – цинковая обманка с постоянной решетки 0,648 нм.
InSb has the appearance of dark grey silvery metal pieces or powder with vitreous lustre. When subjected to temperatures over 500 °C, it melts and decomposes, liberating antimony and antimony oxide vapors. The crystal structure is zincblende with a 0.648 nm lattice constant.
Электронные свойства
InSb — это полупроводник с узкой запрещенной зоной прямого типа, имеющий ширину запрещенной зоны 0,17 эВ при 300 К и 0,23 эВ при 80 К. Характеризуется высокой скоростью дрейфа электронов и большой длиной свободного пробега (до 0,7 мкм при 300 К). Как и все материалы с узкой запрещенной зоной, детекторы на основе InSb требуют периодической перекалибровки, что усложняет систему визуализации. Эта дополнительная сложность оправдана там, где необходима экстремальная чувствительность, например, в системах тепловизионной съемки военного назначения большой дальности. Детекторы InSb также требуют охлаждения, поскольку должны работать при криогенных температурах (обычно 80 К). Доступны большие массивы (до 2048×2048 пикселей). HgCdTe и PtSi — материалы с аналогичным применением. Слой индий-антимонида, расположенный между слоями алюминий-индий-антимонида, может функционировать как квантовая яма. В такой гетероструктуре InSb/AlInSb недавно было продемонстрировано устойчивое квантовое эффект Холла. Этот подход изучается с целью создания сверхбыстрых транзисторов. Биполярные транзисторы, работающие на частотах до 85 ГГц, были созданы из антимонида индия в конце 1990-х годов; в последнее время сообщалось о транзисторах с полевым эффектом, работающих на частотах более 200 ГГц (Intel/QinetiQ). Некоторые модели предполагают, что с этим материалом достижимы терагерцовые частоты. Полупроводниковые приборы на основе антимонида индия также способны работать при напряжениях менее 0,5 В, что снижает их энергопотребление.
InSb is a narrow direct band gap semiconductor with an energy band gap of 0.17 eV at 300 K and 0.23 eV at 80 K. electron drift velocity, and ballistic length (up to 0.7 μm at 300 K) Like all narrow bandgap materials InSb detectors require periodic recalibrations, increasing the complexity of the imaging system. This added complexity is worthwhile where extreme sensitivity is required, e. g. in long range military thermal imaging systems. InSb detectors also require cooling, as they have to operate at cryogenic temperatures (typically 80 K). Large arrays (up to 2048×2048 pixels) are available. HgCdTe and PtSi are materials with similar use. A layer of indium antimonide sandwiched between layers of aluminium indium antimonide can act as a quantum well. In such a heterostructure InSb/AlInSb has recently been shown to exhibit a robust quantum Hall effect. This approach is studied in order to construct very fast transistors. Bipolar transistors operating at frequencies up to 85 GHz were constructed from indium antimonide in the late 1990s; field effect transistors operating at over 200 GHz have been reported more recently (Intel/QinetiQ). Some models suggest that terahertz frequencies are achievable with this material. Indium antimonide semiconductor devices are also capable of operating with voltages under 0.5 V, reducing their power requirements.
Методы выращивания
InSb можно выращивать путем затвердевания расплава из жидкого состояния (процесс Чокральского) или эпитаксиально методами эпитаксии из жидкой фазы, эпитаксии на горячей стенке или молекулярно-лучевой эпитаксии. Также возможно выращивание из органометаллических соединений методом MOVPE.
InSb can be grown by solidifying a melt from the liquid state (Czochralski process), or epitaxially by liquid phase epitaxy, hot wall epitaxy or molecular beam epitaxy. It can also be grown from organometallic compounds by MOVPE.