Антимонид индия

Антимони́д и́ндия — кристаллическое бинарное неорганическое химическое соединение, соединение индия и сурьмы. Химическая формула InSb.

Используется в полупроводниковых инфракрасных фоточувствительных датчиках, например, инфракрасных головках самонаведения (ИКГСН), для самонаведения ракет по ИК-излучению цели, в инфракрасной астрономии.

Детекторы на основе InSb чувствительны к ближнему ИК-диапазону электромагнитных волн с длиной волны 1—5 мкм.

InSb недавно широко использовался в «точечных» детекторах оптико-механических сканирующих систем тепловидения.

История получения

Крупные монокристаллы антимонида индия впервые были выращены при медленном охлаждении из расплава не позднее 1954 года.

Свойства

Является узкозонным прямозонным полупроводником группы A^IIIB^V с шириной запрещённой зоны 0,17 эВ при 300 K и 0,23 эВ при 80 K, также 0,2355 эВ (0 К), 0,180 эВ (298 К); эффективная масса электронов проводимости т_е = 0,013m₀, дырок т_р = 0,42m₀ (m₀ — масса свободного электрона); при 77 К подвижность электронов 1,1⋅10⁶ см²/(В·с), дырок 9,1⋅10³ см²/(В·с).

Физические свойства и использование

Антимонид индия имеет вид темно-серого серебристого металла или порошка со стекловидным блеском. Плавится при температурах свыше 500 °C, при этом сурьма в виде пара и её оксиды (при разложении InSb на воздухе) улетучиваются. Кристаллическая структура типа цинковой обманки, с постоянной кристаллической решётки 0,648 нм.

Нелегированный антимонид индия обладает самой высокой подвижностью электронов (около 78 000 см²/(В·с)), а также имеет самую большую длину свободного пробега электронов (до 0,7 мкм при 300 K) среди всех известных полупроводниковых материалов, за исключением, возможно, углеродных материалов (графен, углеродные нанотрубки).

Антимонид индия используется в инфракрасных фотодетекторах. Обладает высокой квантовой эффективностью (порядка 80-90 %). Недостатком является высокая нестабильность: характеристики детектора, как правило, дрейфуют во времени. Из-за этой неустойчивости, детекторы редко используются в метрологии. Из-за узости запрещенной зоны, детекторы, в которых, в качестве полупроводникового материала применяется антимонид индия, требуют глубокое охлаждение, так как они могут работать только при криогенных температурах (как правило, 77 K — температура кипения азота при атмосферном давлении). Созданы фотоприемные матрицы с достаточно высоким разрешением (до 2048x2048 пикселей). Вместо антимонида индия в фотоприемниках могут быть использованы HgCdTe и PtSi.

Тонкий слой InSb между двумя слоями антимонида алюминия-индия проявляет свойства квантовой ямы. Такие слоистые структуры используются для создания быстродействующих транзисторов, работающих в СВЧ-диапазоне волн вплоть до миллиметрового. Биполярные транзисторы, работающие на частотах до 85 ГГц были созданы из антимонида индия в конце 1990-х. Полевые транзисторы, работающие на частотах более чем в 200 ГГц появились недавно (Intel/QinetiQ). Недостаток таких транзисторов — необходимость глубокого охлаждения, как и для всех приборов на основе InSb. Полупроводниковые приборы из антимонида индия также способны работать при напряжении питания менее 0,5 В, это позволяет снизить энергопотребление электронных устройств.

Получение

Выращивание монокристаллов

Крупные совершенные кристаллы InSb могут быть выращены путём отверждения расплава по методу Чохральского в атмосфере инертного газа (Ar, He, N₂) или водорода при пониженном давлении (примерно 50 кПа). Также, путём жидкофазной эпитаксии, эпитаксии по методу горячей стенки, молекулярно-пучковой эпитаксии. Они также может быть выращены при разложении металлоорганических соединений индия и сурьмы методом ОМСИГФ.

Синтез

InSb получают сплавлением индия с сурьмой в кварцевом контейнере в вакууме (~0,1 Па) при 800—850 °C. Очищают зонной плавкой в атмосфере водорода.

Использование

Антимонид индия применяется для изготовления туннельных диодов: по сравнению с германиевыми, диоды из антимонида индия обладают лучшими частотными свойствам при низких температурах. Антимонид индия используют для изготовления фотоэлементов высокой чувствительности, датчиков Холла, оптических фильтров и термоэлектрических генераторов и холодильников. Используется для создания детекторов инфракрасного излучения (фотодиодов, фоторезисторов). Также применяется в следующих устройствах:

• тепловизорные детекторы созданные на основе фотодиодов и фотомагнитных детекторов,
• датчики магнитного поля, использующие магнитосопротивление и эффект Холла,
• быстродействующие транзисторы (англ. fast transistors).