Semiconduttori III-V

I semiconduttori III-V sono costituiti da elementi appartenenti ai gruppi III e V della Tavola Periodica. Questa notazione utilizza le vecchie dizioni dei gruppi in quanto il Gruppo 3 detto Gruppo 3A ora viene indicato come gruppo 13 e il Gruppo V è ora indicato come Gruppo 15.

I semiconduttori III-V, con una transizione energetica a gap diretto, combinano gli elementi del gruppo III boro, alluminio, gallio e indio con quelli del gruppo V azoto, fosforo, arsenico e antimonio. I semiconduttori III-V, come fosfuro di indio e arseniuro di indio, sono considerati candidati più rispettosi dell’ambiente per sostituire i noti emettitori NC contenenti metalli pesanti come seleniuro di cadmio e tellururo di cadmio.

La scoperta e lo sviluppo della tecnologia dei semiconduttori III-V furono eseguiti presso l’Istituto Ioffe, nel 1950 e le indagini sulle loro proprietà fondamentali furono iniziate sotto la guida di due eccezionali scienziati Nina Aleksandrovna Goryunova e Dmitry Nikolayevich Nasledov.

I semiconduttori III-V come fosfuro di indio, arseniuro di indio, arseniuro di gallio, nitruro di gallio e antimoniuro di indio, arseniuro di indio e gallio hanno ampie applicazioni in dispositivi optoelettronici ad alte prestazioni grazie alle loro proprietà elettroniche superiori tra cui elevata mobilità degli elettroni, band gap diretto e bassa energia di legame degli eccitoni.

Struttura dei semiconduttori III-V

I semiconduttori III-V hanno solitamente due strutture relativamente stabili. I nitruri cristallizzano principalmente nella struttura cristallina della wurtzite, e gli altri esistono nella struttura del solfuro di zinco.

Nei semiconduttori III-V, il catione (atomo del gruppo III) è circondato da quattro anioni (atomo del gruppo 15) e viceversa. Gli elettroni di valenza del catione (due elettroni s e un elettrone p) e gli elettroni di valenza degli anioni (due elettroni s e tre elettroni p) e formano orbitali con ibridazione sp³.

A differenza del silicio sono presenti due atomi diversi e, a causa della differenza di elettronegatività, la natura dei legami non è più covalente ma ionica. Quando il numero atomico degli atomi del gruppo III (o del gruppo V) aumenta, aumenta il raggio di valenza dell’atomo e aumenta anche la costante di reticolo del semiconduttore che definisce la distanza tra celle unitarie in un reticolo cristallino.

Per i nitruri la banda proibita si restringe all’aumentare della costante di reticolo cristallino passando dall’azoto all’antimonio. Passando dagli elementi leggeri agli elementi pesanti il materiale quindi varia da un semiconduttore a gap largo, attraverso un semiconduttore, un semiconduttore a gap stretto, fino a un semimetallico.

Drogaggio

La struttura di un semiconduttore intrinseco viene alterata dall’aggiunta di impurità sostitutive. Pertanto in linea di principio si possono sostituire gli elementi del gruppo III con elementi del gruppo IIb per produrre accettori e gli elementi del gruppo V con elementi del gruppo 16 per produrre donatori.

Tuttavia si possono anche sostituire sia gli elementi del gruppo III che quelli del gruppo 15 con elementi del gruppo 14 ottenendo un drogaggio cosiddetto anfotero. Inoltre si possono sostituire gli atomi del composto con un atomo con la stessa configurazione elettronica esterna che produce differenze nella percentuale di carattere ionico del legame.

Un caso tipico di doping anfotero è l’incorporazione di silicio nell’arseniuro di gallio. In tal caso se gli atomi di silicio sostituiscono gli atomi di gallio, agiscono come donatori e mentre agiscono come accettori se occupano i siti del reticolo in cui è presente l’arsenico.

Il silicio, come il carbonio, ha quattro elettroni disponibili per il legame pertanto se sostituisce un atomo di gallio che ha solo tre elettroni di legame, l’arsenico deve fornire un elettrone che andrà nella banda di conduzione. Al contrario, se un atomo di arsenico viene sostituito da un atomo di silicio quest’ultimo funge da accettore. In generale a basse temperature ( T ≤ 700 °C ), il silicio agisce come un accettore mentre ad alte temperature ( T ≥ 900 °C ) agisce come donatore

5G e semiconduttori III-V

Nella maggior parte dei dispositivi attuali, sono utilizzati chip CMOS (acronimo di complementary metal-oxide semiconductor) basati sul silicio. Tuttavia questi chip presenti negli attuali dispositivi mobili 5G si surriscaldano durante l’uso e si spengono dopo poco tempo.

Per superare questo limite molti ricercatori tra cui quelli dell’IBM, dell’Hong Kong University of Science and Technology, del MIT, hanno sperimentato altri semiconduttori creando singoli chip che combinino le capacità del CMOS in silicio con i semiconduttori III-V.

Si è così giunti all’annuncio dello sviluppo di circuiti in silicio integrati con dispositivi III-V ad alte prestazioni realizzati in un modo commercialmente fattibile. I chip di silicio integrati con semiconduttori III-V consentiranno la creazione di dispositivi mobili 5G.

Attualmente, la ricerca si concentra su due famiglie di materiali semiconduttori III-V: la famiglia dei nitruri, destinata ad applicazioni ad alta potenza e LED blu e verdi e la famiglia dell’arseniuro-fosfuro, destinata ad applicazioni quali amplificatori di potenza ad altissima frequenza, amplificatori a basso rumore e LED gialli e rossi.

Semiconduttori III-V ultrasottili

Il successo della preparazione del grafene e lo studio delle sue proprietà intrinseche hanno stimolato la ricerca sui materiali bidimensionali (2D). L’ampia superficie, le proprietà meccaniche, ottiche ed elettroniche rendono i materiali 2D, come grafene, disolfuro di molibdeno, nitruro di boro e nitruro di carbonio  quali materiali promettenti nel campo della fotocatalisi, dell’elettrocatalisi, della catalisi, dell’accumulo di energia, nel campo dei sensori e dell’optoelettronica.

I semiconduttori III-V con gap di banda diretto ed elevata mobilità dei portatori hanno un grande potenziale nella produzione di celle solari, laser, fotorilevatori, diodi emettitori di luce e altri dispositivi e hanno attirato un’enorme attenzione sotto forma di film ultrasottili.

Quando i semiconduttori III-V raggiungono le due dimensioni mostrano infatti proprietà uniche che offrono uno spazio applicativo più ampio. È prevedibile che i ultrasottili III-V semiconduttori presentino proprietà piezoelettriche con conseguenti applicazioni nei nanorobot, nell’elettronica piezoelettrica e nei sistemi nanoelettromeccanici, come attuatori, sensori e collettori di energia.

Sfruttando lo spessore atomico, la generazione dell’effetto di confinamento quantistico nei semiconduttori III-V ultrasottili porta ad un gap di banda più ampio. Inoltre si è scoperta la conduttività termica anomala dei semiconduttori III-V nel limite 2D. Sebbene i semiconduttori III-V ultrasottili possiedano diverse proprietà eccellenti, la loro sintesi rimane impegnativa.

Tuttavia si sono sviluppate alcune strategie di crescita efficaci per la sintesi di semiconduttori III-V ultrasottili tra cui principalmente il confinamento spaziale, la sostituzione atomica, la regolazione dell’energia di adesione e la strategia di crescita epitassiale.

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