Quelltext der Seite III-V-Verbindungshalbleiter

<div style="float:right;text-align:center;padding-left:15px;">
{| style="border:1px solid black; color:black;"
|-
! [[Gruppe des Periodensystems|Gruppe]]
! style="width:3em"  | [[Borgruppe|13]]
! style="width:3em"  | [[Kohlenstoff-Silicium-Gruppe|14]]
! style="width:3em"  | [[Stickstoff-Phosphor-Gruppe|15]]
!
|-
! [[Periode des Periodensystems|Periode]]
| colspan="3" |
! [[Elektronenhülle|Schale]]
|-
! [[Chemische Elemente der zweiten Periode|2]]
{{Periodisches System/Element|serie=Hm|aggregat=s|protonen=5|name=Bor|symbol=B}}
|
{{Periodisches System/Element|serie=Nm|aggregat=g|protonen=7|name=Stickstoff|symbol=N}}
! L
|-
! [[Chemische Elemente der dritten Periode|3]]
{{Periodisches System/Element|serie=M|aggregat=s|protonen=13|name=Aluminium|symbol=Al}}
|
{{Periodisches System/Element|serie=Nm|aggregat=s|protonen=15|name=Phosphor|symbol=P}}
! M
|-
! [[Chemische Elemente der vierten Periode|4]]
{{Periodisches System/Element|serie=M|aggregat=s|protonen=31|name=Gallium|symbol=Ga}}
|
{{Periodisches System/Element|serie=Hm|aggregat=s|protonen=33|name=Arsen|symbol=As}}
! N
|-
! [[Chemische Elemente der fünften Periode|5]]
{{Periodisches System/Element|serie=M|aggregat=s|protonen=49|name=Indium|symbol=In}}
|
{{Periodisches System/Element|serie=Hm|halb=M|aggregat=s|protonen=51|name=Antimon|symbol=Sb}}
! O
|}
''[[Hauptgruppe]] III/V aus dem [[Periodensystem]]''</div>

Bei einem '''III-V-Verbindungshalbleiter''' handelt es sich um eine Verbindung von Materialien der chemischen [[Hauptgruppe]] [[Borgruppe|III (Erdmetalle/Borgruppe)]] und [[Gruppe-15-Element|V (Stickstoff-Phosphor-Gruppe)]], deren Kombination die [[elektrische Leitfähigkeit]] von [[Halbleiter]]n besitzt. III-V-Verbindungshalbleiter sind daher von großer Bedeutung für technische Anwendungen in der [[Halbleitertechnik]].

Mit III-V-Verbindungshalbleitern lässt sich mit [[Laserdiode]]n bzw. [[LED]]s Licht mit sehr geringer [[Wellenlänge]] ([[UV]]-Bereich) erzeugen (Anwendungen: [[Leuchtdiode#Weiße LED|weiße Leuchtdiode]], [[Blu-ray Disc]], [[HD DVD]]. Siehe [[Shuji Nakamura]]). Umgekehrt eignet sich das Material auch zur Herstellung von [[Solarzelle]]n mit sehr hohem Wirkungsgrad (über 40 %).<ref>{{Internetquelle|autor= |hrsg= Fraunhofer ISE|url= http://www.ise.fraunhofer.de/presse-und-medien/presseinformationen/presseinformationen-2009/weltrekord-41-1-wirkungsgrad-fuer-mehrfachsolarzellen-am-fraunhofer-ise|format= |titel= Weltrekord: 41,1 % Wirkungsgrad für Mehrfachsolarzellen am Fraunhofer ISE|werk= Presseinformation 01/09|datum= 2009-01-14|zugriff= 2010-01-22|offline= ja|archiv-url= https://web.archive.org/web/20110813135534/http://www.ise.fraunhofer.de/presse-und-medien/presseinformationen/presseinformationen-2009/weltrekord-41-1-wirkungsgrad-fuer-mehrfachsolarzellen-am-fraunhofer-ise|archiv-datum= 2011-08-13 }}</ref>

== Vertreter ==
[[Datei:Indium antimonide.jpg|mini|Hochreines Indiumantimonid (InSb) für Halbleiteranwendungen.]]
* [[Nitrid]]e: [[Galliumnitrid]] (GaN), [[Aluminiumnitrid]] (AlN), [[Indiumnitrid]] (InN), [[Bornitrid]] (BN), [[Scandiumnitrid]] (ScN)
Die natürliche Kristallisation von Nitriden ist die [[Wurtzit]]-Struktur. Mit speziellen Techniken lassen sich auch [[Zinkblende]]n-Formationen erzeugen. Zudem existiert auch unter sehr hohem atmosphärischen Druck die chemische Struktur von [[Natriumchlorid-Struktur|Kochsalz]].
* [[Phosphor|Phosphide]]: [[Galliumphosphid]] (GaP), [[Aluminiumphosphid]] (AlP), [[Indiumphosphid]] (InP), [[Indiumgalliumphosphid]] (InGaP), [[Borphosphid]] (BP)
* [[Arsen]]ide: [[Galliumarsenid]] (GaAs), [[Aluminiumarsenid]] (AlAs), [[Indiumarsenid]] (InAs), [[Borarsenid]] (BAs)
* [[Antimon]]ide: [[Galliumantimonid]] (GaSb), [[Aluminiumantimonid]] (AlSb), [[Indiumantimonid]] (InSb)
Diese Verbindungen kristallisieren prinzipiell in der [[Zinkblende-Struktur]].

Die binären Materialverbindungen enthalten (bei [[Dotierung|undotiertem]] Material) Atome der Gruppe III und V zu gleichen Anteilen. Es können allerdings innerhalb der Gruppen Mischformen erzeugt werden, in denen sich der Anteil an Gruppe-III- bzw. Gruppe-V-Atomen aus zwei Atomsorten zusammensetzt. Dadurch entstehen ternäre (insgesamt drei Atomsorten) und quaternäre (vier Atomsorten) Verbindungen.
Beispiele für ternäre Verbindungen sind [[Aluminiumgalliumarsenid]], [[Indiumgalliumnitrid]] und [[Indiumgalliumarsenid]].
Ein Beispiel für eine quaternäre Verbindung ist <math>\mathrm{Ga}_{1-x}\mathrm{In}_{x}\mathrm{As}_{1-y}\mathrm{P}_{y}</math>.

== Herstellung ==
III-V-Verbindungshalbleiter werden fast ausschließlich durch [[Epitaxie|epitaktisches Wachstum]] erzeugt. Die Stoffe liegen für die einzelnen Epitaxieverfahren meist gasförmig vor und sind in diesem Zustand bereits in geringen Mengen hochgiftig.

== Eigenschaften ==
[[Datei:III-V-Halbleiter.png|mini|hochkant=1.5|[[Bandlücke]] über die [[Gitterkonstante]] aufgetragen. Die Linien zwischen den Elementen stellen die ternären Verbindungen dar. Die [[Wurtzit]]-Kristallisationen besitzt zwei Gitterkonstanten a und c, die [[Zinkblende]] nur eine einzige.]]
Verbindungshalbleiter aus der Hauptgruppe III und V besitzen den großen Vorteil gegenüber [[Silicium]], dass man ihre [[Bandlücke]] mit der Materialzusammensetzung variieren kann. Es lassen sich damit gezielt die elektrischen Eigenschaften verändern. Sie finden damit hauptsächlich technische Anwendungen in optischen Geräten wie [[Halbleiterdetektor|Detektoren]], [[Leuchtdiode]]n oder [[Laser]]n. Darüber hinaus besitzen einige Verbindungen einen ''direkten Bandübergang'' (siehe [[Bandlücke]], [[Bändermodell|Bänderdiagramm]]), was ihren Einsatz in optischen Anwendungen begünstigt.

Wichtige Materialparameter sind daher zum einen die Bandlückenenergie. Sie bestimmt, welche [[Wellenlänge]] des [[Licht]]es ([[Photon]]en) bei optischen Anwendungen generiert bzw. absorbiert werden kann. Zum anderen spielt die [[Gitterkonstante]] des Materials eine Rolle. Da die Halbleiter nur durch epitaktisches Wachstum hergestellt werden können, müssen die Materialien aufeinander abgestimmt werden. Unterschiede in der Gitterkonstante können einerseits [[Piezoelektrizität|piezoelektrische Ladungen]] im Material erzeugen, [[Rekombination (Physik)|Rekombinationszentren]] durch {{lang|en|dangling bonds}} bilden, sowie Brüche und Risse provozieren.

=== Berechnung der ternären Gitterkonstanten ===
Für die Gitterkonstanten von ternären Mischverbindungen werden zumeist lineare Übergänge angenommen. Dies wird als ''[[Vegardsche Regel]]''<ref>L. Vegard: ''Die Konstitution der Mischkristalle und die [[Raumfüllung]] der Atome.'' In: ''Z. Phys.'' 5, Nr. 1, 1921, S. 17–26, [[doi:10.1007/BF01349680]].</ref> bezeichnet und lautet für die [[Gitterkonstante]]n a des Mischkristalls A<sub>x</sub>B<sub>1-x</sub>Z aus den Atomen A, B, Z:

:<math>a(A_xB_{1-x}Z) = x\cdot a(AZ) + \left(1 - x\right)\cdot a(BZ)</math>

{| class="wikitable"
|+Gitterkonstanten (in [[Ångström (Einheit)|Å]] = 10<sup>−10</sup>m) ausgewählter binäre Verbindungen bei [[Raumtemperatur]]
|- class="hintergrundfarbe8"
! rowspan="3"  |
! colspan="4"  | Zinkblende
! colspan="2"  | Wurtzit
|- class="hintergrundfarbe8"
! [[Phosphor|P]]
! [[Arsen|As]]
! [[Antimon|Sb]]
! colspan="3"  | [[Stickstoff|N]]
|- class="hintergrundfarbe8"
! a
! a
! a
! a
! a
! c
|-
! class="hintergrundfarbe8"  | [[Aluminium|Al]]
| 5,4510
| 5,6605
| 6,1355
| -
| 3,112
| 4,982
|-
! class="hintergrundfarbe8"  | [[Gallium|Ga]]
| 5,4512
| 5,6533
| 6,0959
| 4,52{{0}}
| 3,189
| 5,185
|-
! class="hintergrundfarbe8"  | [[Indium|In]]
| 5,8686
| 6,0584
| 6,4794
| -
| 3,545
| 5,703
|}

=== Berechnung der ternären Bandübergangsenergien ===
Für die Berechnung der Bandübergangsenergien ''E''<sub>g</sub> hingegen wird zusätzlich ein quadratischer Term verwendet. Mit diesem Term werden die experimentell ermittelten Werte bestmöglich an eine gebogene Kurve angenähert. Die konstanten Zusatzterme dafür heißen ''Beugungsparameter'' <math>C</math> (engl.: {{lang|en|bowing parameter}}).

:<math>E_\mathrm{g}(A_xB_{1-x}Z) = x\cdot E_\mathrm{g}(AZ) + (1-x)\cdot E_\mathrm{g}(BZ) + x\cdot (1-x)\cdot C(A_xB_{1-x}Z)</math>

== Siehe auch ==
* [[II-VI-Verbindungshalbleiter]]
* [[Halbleiter mit breitem Bandabstand]]
* [[Heinrich Welker#Über III-V-Verbindungen|Historie zu III-V-Verbindungen]]

== Literatur ==
* I. Vurgaftman, J. R. Meyer, L. R. Ram-Mohan: ''Band parameters for III–V compound semiconductors and their alloys.'' In: ''Journal of Applied Physics.'' 89, 2001, S.&nbsp;5815, [[doi:10.1063/1.1368156]].
* I. Vurgaftman, J. R. Meyer: ''Band parameters for nitrogen-containing semiconductors.'' In: ''[[Journal of Applied Physics]].'' 94, 2003, S.&nbsp;3675, [[doi:10.1063/1.1600519]].

== Weblinks ==
* [http://www.ioffe.rssi.ru/SVA/NSM/Semicond/index.html Physikalische Daten einiger III-V-Halbleiter, Joffe-Institut St.Petersburg, engl.]
* [http://www.ee.byu.edu/cleanroom/EW_ternary.phtml Java-Applet zur Berechnung der Bandlücken der ternären Verbindungen, engl.]

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Verbindungshalbleiter| III-V-Verbindungshalbleiter]]