Полупроводниковые материалы
Для улучшения этой статьи желательно: |
Полупроводниковые материалы — вещества с чётко выраженными свойствами полупроводника. Удельная электрическая проводимость σ при 300 К составляет 10−4- 1010 Ом−1·см−1 и увеличивается с ростом температуры. Для полупроводниковых материалов характерна высокая чувствительность электрофизических свойств к внешним воздействиям (нагрев, облучение, деформации и т. п.), а также к содержанию структурных дефектов и примесей.
Структура
Полупроводниковые материалы по структуре делятся на кристаллические, твёрдые, аморфные и жидкие.
Кристаллические полупроводниковые материалы
Наибольшее практическое применение находят неорганические кристаллические полупроводниковые материалы, которые по химическому составу разделяются на следующие основные группы.
- Элементарные полупроводники: Ge, Si, углерод (алмаз и графит), В, α-Sn (серое олово), Те, Se. Важнейшие представители этой группы — Ge и Si имеют кристаллическую решётку типа алмаза (алмазоподобны). Являются непрямозонными полупроводниками; образуют между собой непрерывный ряд твёрдых растворов, также обладающих полупроводниковыми свойствами.
- Соединения типа AIIIBV элементов III и V группы периодической системы имеют в основном кристаллическую структуру типа сфалерита. Связь атомов в кристаллической решётке носит преимущественно ковалентный характер с некоторой долей (до 15 %) ионной составляющей. Плавятся конгруэнтно (без изменения состава). Обладают достаточно узкой областью гомогенности, то есть интервалом составов, в котором в зависимости от параметров состояния (температуры, давления и др.) преимуществ. тип дефектов может меняться, а это приводит к изменению типа проводимости (n, р) и зависимости удельной электрической проводимости от состава. Важнейшие представители этой группы: GaAs, InP, InAs, InSb, GaN, являющиеся прямозонными полупроводниками, и GaP, AlAs — непрямозонные полупроводники. Многие полупроводниковые материалы типа АIIIВV образуют между собой непрерывный ряд твёрдых расплавов — тройных и более сложных (GaxAl1-xAs, GaAsxP1-x, GaxIn1-xP, GaxIn1-xAsyP1-y и т. п.), также являющихся важными.
- Соединения элементов VI группы (О, S, Se, Те) с элементами I—V групп периодической системы, а также с переходными металлами и РЗЭ. В обширной группе этих полупроводниковых материалов наибольший интерес представляют соединения типа AIIBVI с кристаллической структурой типа сфалерита или вюрцита, реже типа NaCl. Связь между атомами в решётке носит ковалентно-ионный характер (доля ионной составляющей достигает 45-60 %). Имеют большую, чем у полупроводниковых материалов типа AIIIBV, протяженность области гомогенности. Для соединений типа AIIBVI характерен полиморфизм и наличие политипов кубической и гексагональной модификаций. Являются в основном прямозонными полупроводниками. Важнейшие представители этой группы полупроводниковых материалов — CdTe, CdS, ZnTe, ZnSe, ZnO, ZnS. Многие соединения типа AIIBVI образуют между собой непрерывный ряд твёрдых расплавов, характерными представителями которых являются CdxHg1-xTe, CdxHg1-xSe, CdTexSe1-x. Физические свойства соединений типа AIIBVI в значительной мере определяются содержанием собственных точечных дефектов структуры, имеющих низкую энергию ионизации и проявляющих высокую электрическую активность.
- Тройные соединения типа AIIBIVCV2 кристаллизуются в основном в решётке халькопирита. Обнаруживают магнитное и электрическое упорядочение. Образуют между собой твёрдые расплавы. Во многом являются электронными аналогами соединений типа АIIIВV. Типичные представители: CuInSe2, CdSnAs2, CdGeAs2, ZnSnAs2.
- Карбид кремния SiC — единственное химическое соединение, образуемое элементами IV группы. Обладает полупроводниковыми свойствами во всех структурных модификациях: β-SiC (структура сфалерита); α-SiC (гексагональная структура), имеющая около 15 разновидностей. Один из наиболее тугоплавких и широкозонных среди широко используемых полупроводниковых материалов.
Некристаллические полупроводниковые материалы
Типичными представителями этой группы являются стеклообразные полупроводниковые материалы — халькогенидные и оксидные. К первым относятся сплавы Tl, P, As, Sb, Bi с S, Se, Те, характеризующиеся широким диапазоном значений удельной электрической проводимости, низкими температурами размягчения, устойчивостью к кислотам и щелочам. Типичные представители: As2Se3-As2Te3, Tl2Se-As2Se3. Оксидные стеклообразные полупроводниковые материалы имеют состав типа V2O5-P2O5-ROx (R-металл I—IV гр.) и характеризуются удельной электрической проводимостью 10−4−10−5 Ом−1см−1. Все стеклообразные полупроводниковые материалы имеют электронную проводимость, обнаруживают фотопроводимость и термоэдс. При медленном охлаждении обычно превращаются в кристаллические полупроводниковые материалы. Другим важным классом некристаллических полупроводниковые материалы являются твёрдые расплавы ряда аморфных полупроводников с водородом, так называемые гидрированные некристаллические полупроводниковые материалы: a-Si:H, a-Si1-xCx:H, a-Si1-xGex:H, a-Si1-xNx:H, a-Si1-xSnx:H. Водород обладает высокой растворимостью в этих полупроводниковых материалах и замыкает на себя значительное количество «болтающихся» связей, характерных для аморфных полупроводников. В результате резко снижается плотность энергетических состояний в запрещённой зоне и появляется возможность создания p-n-переходов. Полупроводниковыми материалами являются также ферриты, сегнетоэлектрики и пьезоэлектрики.
Основные электрофизические свойства
Основные электрофизические свойства важнейших полупроводниковых материалов (ширина запрещённой зоны, подвижность носителей тока, температура плавления и т. д.) представлены в табл. 1. Ширина запрещённой зоны DEg является одним из фундаментальных параметров полупроводниковых материалов. Чем больше DEg, тем выше допустимая рабочая температура и тем более сдвинут в коротковолновую область спектра рабочий диапазон приборов, создаваемых на основе соответствующих полупроводниковых материалов. Например, максимальная рабочая температура германиевых приборов не превышает 50-60 °C, для кремниевых приборов она возрастает до 150—170 °C, а для приборов на основе GaAs достигает 250—300 °C; длинноволновая граница собственной фотопроводимости составляет: для InSb — 5,4 мкм (77 К), InAs — 3,2 мкм (195 К), Ge — 1,8 мкм (300 К), Si — 1 мкм (300 К), GaAs — 0,92 мкм (300 К). Величина DEg хорошо коррелирует с температурой плавления. Обе эти величины возрастают с ростом энергии связи атомов в кристаллической решётке, поэтому для широкозонных полупроводниковых материалов характерны высокие температуры плавления, что создаёт большие трудности на пути создания чистых и структурно совершенных монокристаллов таких полупроводниковых материалов. Подвижность носителей тока в значительной мере определяет частотные характеристики полупроводниковых приборов. Для создания приборов сверхвысокочастотного диапазона необходимы полупроводниковые материалы, обладающие высокими значениями m. Аналогичное требование предъявляется и к полупроводниковым материалам, используемым для изготовления фотоприемников. Температура плавления и период кристаллической решётки, а также коэффициент линейного термического расширения играют первостепенную роль при конструировании гетероэпитаксиальных композиций. Для создания совершенных гетероструктур желательно использовать полупроводниковые материалы, обладающие одинаковым типом кристаллической решётки и минимальными различиями в величинах её периода и коэффициентах термического расширения. Плотность полупроводниковых материалов определяет такие важные технические характеристики, как удельный расход материала, масса прибора.
Таблица 1. Основные свойства важнейших полупроводниковых материалов.
| Элемент, тип соединения | Наименование материала | Ширина запрещённой зоны, эв | Подвижность носителей заряда, 300 K, см2/(в×сек) | Кристаллическая структура | Постоянная решётки, A | Температура плавления, °С | Упругость пара при температуре плавления, атм | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| при 300 К | при 0 К | электроны | дырки | ||||||
| Элемент | С (алмаз) | 5,47 | 5,51 | 2800 | 2100 | алмаз | 3,56679 | 4027 | 10−9 |
| Ge | 0,661 | 0,89 | 3900 | 1900 | типа алмаза | 5,65748 | 937 | ||
| Si | 1,12 | 1,16 | 1500 | 600 | типа алмаза | 5,43086 | 1420 | 10−6 | |
| α-Sn | ~0,08 | типа алмаза | 6,4892 | ||||||
| IV—IV | α-SiC | 3 | 3,1 | 400 | 50 | типа сфалерита | 4,358 | 3100 | |
| III—V | AISb | 1,63 | 1,75 | 200 | 420 | типа сфалерита | 6,1355 | 1050 | <0,02 |
| BP | 6 | типа сфалерита | 4,538 | >1300 | >24 | ||||
| GaN | 3,39 | 440 | 200 | типа вюртцита | 3,186 (по оси a) 5,176 (по оси с) | >1700 | >200 | ||
| GaSb | 0,726 | 0,80 | 2500 | 680 | типа сфалерита | 6,0955 | 706 | <4⋅10−4 | |
| GaAs | 1,424 | 1,52 | 8500 | 400 | типа сфалерита | 5,6534 | 1239 | 1 | |
| GaP | 2,27 | 2,40 | 110 | 75 | типа сфалерита | 5,4505 | 1467 | 35 | |
| InSb | 0,17 | 0,26 | 78000 | 750 | типа сфалерита | 6,4788 | 525 | <4⋅10−5 | |
| InAs | 0,354 | 0,46 | 33000 | 460 | типа сфалерита | 6,0585 | 943 | 0,33 | |
| InP | 1,34 | 1,34 | 4600 | 150 | типа сфалерита | 5,8688 | 1060 | 25 | |
| II—VI | CdS | 2,42 | 2,56 | 300 | 50 | типа вюртцита | 4,16 (по оси a) 6,756 (по оси с) | 1750 | |
| CdSe | 1,7 | 1,85 | 800 | типа сфалерита | 6,05 | 1258 | |||
| ZnO | 3,36 | 200 | кубич. | 4,58 | 1975 | ||||
| ZnS | 3,6 | 3,7 | 165 | типа вюртцита | 3,82 (по оси a) 6,26 (по оси с) | 1700 | |||
| IV—VI | PbS | 0,41 | 0,34 | 600 | 700 | кубич. | 5,935 | 1103 | |
| PbTe | 0,32 | 0,24 | 1700 | 840 | кубич. | 6,460 | 917 | ||
Получение
Необходимым условием достижения высоких электрофизических характеристик полупроводниковых материалов является их глубокая очистка от посторонних примесей. В случае Ge и Si эта проблема решается путём синтеза их летучих соединений (хлоридов, гидридов) и последующей глубокой очистки этих соединений с применением методов ректификации, сорбции, частичного гидролиза и специальных термических обработок. Хлориды особой чистоты подвергают затем высокотемпературному восстановлению водородом, прошедшим предварительную глубокую очистку, с осаждением восстановленных продуктов на кремниевых или германиевых прутках. Из очищенных гидридов Ge и Si выделяют путём термического разложения. В результате получают Ge и Si с суммарным содержанием остаточных электрически активных примесей на уровне 10−7−10−9%. Получение особо чистых полупроводниковых соединений осуществляют синтезом из элементов, прошедших глубокую очистку. Суммарное содержание остаточных примесей в исходных материалах не превышает обычно 10−4−10−5%. Синтез разлагающихся соединений проводят либо в запаянных кварцевых ампулах при контролируемом давлении паров летучего компонента в рабочем объёме, либо под слоем жидкого флюса (например, особо чистого обезвоженного В2О3). Синтез соединений, имеющих большое давление паров летучего компонента над расплавом, осуществляют в камерах высокого давления. Часто процесс синтеза совмещают с последующей дополнительной очисткой соединений путём направленной или зонной кристаллизации расплава.
Наиболее распространённый способ получения монокристаллов полупроводниковых материалов — вытягивание из расплава по методу Чохральского (Выращивание монокристаллов). Этим методом получают монокристаллы Ge, Si, соединения типа AIIIBV, AIIBVI, AIVBVI и т. д. Вытягивание монокристаллов неразлагающихся полупроводниковых материалов проводят в атмосфере Н2, инертных газов или в условиях глубокого вакуума. При выращивании монокристаллов разлагающихся соединений (InAs, GaAs, InP, GaP, CdTe, PbTe и др.) расплав герметизируют слоем жидкого флюса (В2О3) и вытягивают монокристаллы, погружая затравку в расплав через флюс и поддерживая в рабочем объёме над расплавом определённое давление инертного газа. Часто процесс вытягивания осуществляют в камерах высокого давления, совмещая процесс выращивания монокристаллов с предварительным синтезом соединений под слоем флюса (GaAs, InP, GaP и др.).
Для выращивания монокристаллов полупроводниковых материалов также широко используют методы направленной и зонной кристаллизации расплава в контейнере. В случае разлагающихся соединений для получения монокристаллов требуемого стехиометрического состава процесс проводят в запаянных кварцевых ампулах, поддерживая равновесное давление паров летучего компонента над расплавом; часто для этого требуются камеры высокого давления, в которых поддерживается противодавление инертного газа. При получении монокристаллов необходимой кристаллографической ориентации используют ориентированные соответствующим образом монокристаллические затравки.
Для выращивания монокристаллов полупроводниковых материалов, обладающих подходящим сочетанием плотности и поверхностного натяжения расплава, используют метод бестигельной зонной плавки. Наибольшее распространение этот метод получил в технологии получения монокристаллов Si, имеющего сравнительно невысокую плотность и достаточно большое поверхностное натяжение расплава. Отсутствие контакта расплава со стенками контейнера позволяет получать этим методом наиболее чистые монокристаллы. Обычно процесс выращивания монокристалла совмещают с предварительной дополнительной очисткой полупроводниковых материалов зонной плавкой.
Для получения монокристаллов ряда тугоплавких разлагающихся полупроводниковых соединений (например, CdS, ZnS, SiC, AlN и др.) используют кристаллизацию из газовой фазы (методы сублимации и химических транспортных реакций). В случае если при выращивании монокристаллов не удается получить соединение требуемого стехиометрического состава, кристаллы разрезают на пластины, которые подвергают дополнительному отжигу в парах недостающего компонента. Наиболее часто этот приём используют в технологии получения монокристаллов узкозонных соединений типа AIIBVI и AIVBVI, где собственные точечные дефекты сильно влияют на концентрацию и подвижность носителей тока, то есть проявляют высокую электрическую активность (PbTe, PbxSn1-xTe, CdxHg1-xTe и др.). При этом удается снизить концентрацию носителей заряда в кристаллах на несколько порядков. Для выращивания профилированных монокристаллов полупроводниковые материалы (ленты, прутки, трубы и т. д.) используют метод Степанова.
Широко распространено получение полупроводниковых материалов в виде монокристаллических плёнок на разного рода монокристаллических подложках. Такие плёнки называют эпитаксиальными, а процессы их получения — эпитаксиальным наращиванием. Если эпитаксиальная плёнка наращивается на подложку того же вещества, то получаемые структуры называют гомоэпитаксиальными; при наращивании на подложку из другого материала — гетероэпитаксиальными. Возможности получения тонких и сверхтонких однослойных и многослойных структур разнообразной геометрии с широкой вариацией состава и электрофизических свойств по толщине и поверхности наращиваемого слоя, с резкими границами р-n-переходов и гетеропереходов обусловливают широкое использование методов эпитаксиального наращивания в микроэлектронике и интегральной оптике, в практике создания больших и быстродействующих интегральных схем, а также оптоэлектронных приборов (см. Планарная технология).
Для получения эпитаксиальных структур полупроводниковых материалов используют методы жидкостной, газофазной и молекулярно-пучковой эпитаксии. Методом жидкостной эпитаксии получают гомо- и гетероэпитаксиальные структуры на основе соединений типа AIIIBV, AIIBVI, AIVBVI и их твёрдых расплавов. В качестве растворителя обычно используют расплав нелетучего компонента соответствующего соединения. Наращивание эпитаксиального слоя проводят либо в режиме программируемого снижения температуры, либо из предварительно переохлаждённого расплава. Этим методом можно воспроизводимо получать многослойные структуры с толщинами отдельных слоев до ~ 0,1 мкм при толщинах переходных слоев на гетерограницах порядка десятков нм.
Легирование
Для получения полупроводниковых материалов электронного типа проводимости (n-типа) с изменяющейся в широких пределах концентрацией носителей заряда (электронов) обычно используют донорные примеси, образующие «мелкие» энергетические уровни в запрещённой зоне вблизи дна зоны проводимости (энергия ионизации ≤ 0,05 эВ). Для полупроводниковых материалов дырочного типа проводимости (р-типа) аналогичная задача решается путём введения акцепторных примесей, образующих «мелкие» энергетические уровни в запрещённой зоне вблизи потолка валентной зоны. Такие примеси при комнатной температуре практически полностью ионизованы, так что их концентрация приблизительно равна концентрации носителей заряда, которая связана с подвижностями носителей соотношениями: sn = emnn для полупроводниковых материалов n-типа и sр = empp для полупроводниковых материалов р-типа (sn и sр — проводимость; mn и mр — подвижности электронов и дырок соответственно). Для Ge и Si основными донорными легирующими примесями являются элементы V гр. периодической системы: Р, As, Sb, a акцепторными — элементы III гр.: В, Al, Ga. Для соединений типа AIIIBV — соотв. примеси элементов VI гр. (S, Se, Те), а также Sn, и элементов II гр. (Be, Mg, Zn, Cd). Элементы IV гр. (Si, Ge) в зависимости от условий получения кристаллов и эпитаксиальных слоев соед. типа AIIIBV могут проявлять как донорные, так и акцепторные св-ва. В соед. типа AIIBVI и AIVBVI поведение вводимых примесей сильно осложняется присутствием собств. точечных структурных дефектов. Необходимые тип и величина проводимости в них обычно достигаются прецизионным регулированием отклонения состава от стехиометрического, обеспечивающего заданную концентрацию определённого типа собственных точечных дефектов структуры в кристаллах.
Перечисленные выше легирующие примеси образуют, как правило, твёрдые р-ры замещения и обладают достаточно высокой растворимостью (1018−1020 атомов/см³) в широком интервале температур. Растворимость их носит ретроградный характер, при этом максимум растворимости приходится на температурный интервал 700—900 °C в Ge, 1200—1350 °C в Si и 1100—1200 °C в GaAs. Эти примеси являются малоэффективными центрами рекомбинации носителей и сравнительно слабо влияют на величину их времени жизни.
Примеси тяжелых и благородных металлов (Fe, Ni, Cr, W, Cu, Ag, Аu и др.) в большинстве полупроводниковых материалов образуют глубокие, часто многозарядные донорные или акцепторные уровни в запрещённой зоне, имеют большие сечения захвата носителей заряда и являются эффективными центрами рекомбинации носителей, приводя к значительному снижению их времени жизни. Эти примеси обладают малой и обычно ярко выраженной ретроградной растворимостью в полупроводниковых материалах и имеют очень малые значения коэффициента распределения между кристаллом и расплавом. Легирование ими производят в тех случаях, когда надо получить полупроводниковые материалы с малым временем жизни носителей или с высоким удельным электрическим сопротивлением, достигаемым компенсацией мелких энергетических уровней противоположной природы. Последнее часто используют для получения полуизолирующих кристаллов широкозонных полупроводниковых материалов типа AIIIBV (GaAs, GaP, InP); легирующими примесями служат Cr, Fe, Ni. Основные характеристики наиболее распространённых примесей в важнейших полупроводниковых материалах представлены в табл. 2.
Легирование полупроводниковых материалов обычно осуществляют непосредственно в процессах получения монокристаллов и эпитаксиальных структур. Примесь вводится в расплав либо в виде элемента, либо в виде сплава с данным полупроводниковым материалом (лигатуры). Часто легирование осуществляют из газовой фазы (паров) данного элемента или его легколетучих соединений. Это основной способ легирования в процессах эпитаксии при кристаллизации из газовой фазы. При молекулярно-пучковой эпитаксии источником легирующей добавки обычно является сама элементарная примесь. Расчёт необходимого содержания легирующей примеси требует знания точной количественной связи между её концентрацией и заданными свойствами полупроводниковых материалов, а также основных физико-химических характеристик примеси: коэффициента распределения между газовой фазой и кристаллом (К), упругости паров и скорости испарения в широком интервале температур, растворимости в твёрдой фазе и т. п.
Одна из главных задач легирования — обеспечение равномерного распределения вводимой примеси в объёме кристалла и по толщине эпитаксиального слоя. При направленной кристаллизации из расплава равномерное распределение примеси по длине слитка достигается либо путём поддержания её постоянной концентрации в расплаве за счёт его подпитки из твёрдой, жидкой или газовой фазы, либо путём программированного изменения эффективного коэффициента распределения примеси при соответствующем изменении параметров процесса роста. При зонной перекристаллизации для примесей с К << 1 обычно используют целевую загрузку примеси в начальную расплавленную зону с последующим её проходом через всю заготовку. Эффективный способ повышения объемной однородности монокристаллов — воздействие на массоперенос в расплаве наложением магнитного поля. Однородного распределения примеси по толщине слоя в процессе жидкофазной эпитаксии достигают кристаллизацией при постоянной температуре в условиях подпитки расплава, а при газофазной эпитаксии — поддержанием постоянной концентрации легирующей примеси в газовой фазе над подложкой на протяжении всего процесса наращивания.
Легирование полупроводниковых материалов может быть осуществлено также путём радиационного воздействия на кристалл, когда в результате ядерных реакций с участием собственных атомов вещества образуются электрически активные примеси. Наибольший интерес для радиационного легирования представляет воздействие тепловыми нейтронами, которые обладают большой проникающей способностью, что обеспечивает повышенную однородность легирования. Концентрация примесей, образующихся в результате нейтронного облучения, определяется соотношением: Nпр = N0siCiсрt, где N0 — кол-во атомов в единице объёма полупроводникового материала; si — сечение поглощения тепловых нейтронов; Ci — содержание (%) соответствующего нуклида в естественной смеси; ср — плотность потока тепловых нейтронов; t — время облучения. Легирование облучением тепловыми нейтронами обеспечивает строго контролируемое введение заданных концентраций примеси и равномерное её распределение в объёме кристалла. Однако в процессе облучения в кристалле образуются радиационные дефекты, для устранения которых необходим последующий высокотемпературный отжиг. Кроме того, может появиться наведённая радиоактивность, требующая выдержки образцов после облучения. Легирование облучением тепловыми нейтронами обычно используют для получения однородно легированных фосфором монокристаллов Si с высоким удельным электрическим сопротивлением. В данном случае происходят следующие ядерные реакции:
При создании структур с p-n-переходами для полупроводниковых приборов широко используют легирование путём диффузионного введения примеси. Профиль концентрации примеси при диффузии описывается обычно функцией ошибок и имеет вид плавной кривой, характер которой определяется следующими факторами: температурой и временем проведения процесса; толщиной слоя, из которого осуществляется диффузия; концентрацией и формой нахождения примеси в источнике, а также её электрическим зарядом и возможностью взаимодействия с сопутствующими примесями и дефектами в полупроводниковом материале. Из-за малых значений коэффициента диффузии основных легирующих примесей диффузионное легирование обычно проводят при высоких температурах (для Si, например, при 1100—1350 °C) и в течение длительного времени; при этом оно, как правило, сопровождается генерированием в кристалле значительного количества структурных дефектов, в частности дислокаций. При диффузионном легировании возникают трудности в получении тонких легированных слоев и достаточно резких p-n-переходов.
Для получения тонких легированных слоев перспективны процессы ионного легирования (ионной имплантации), при которых введение примесных атомов в приповерхностный слой материала осуществляется путём бомбардировки соответствующими ионами с энергией от нескольких КэВ до нескольких МэВ. Возможность введения практически любой примеси в любой полупроводниковый материал, низкие рабочие температуры процесса, гибкое управление концентрацией и профилем распределения вводимой примеси, возможность легирования через диэлектрические покрытия с получением тонких, сильно легированных слоев обеспечили широкое распространение этого метода в технологии полупроводниковых приборов. Однако в процессе ионного легирования генерируются собственные точечные дефекты структуры, возникают области разупорядочения решётки, а при больших дозах — аморфизованные слои. Поэтому для получения качественных легированных слоев необходим последующий отжиг введённых дефектов. Отжиг проводят при температурах существенно более низких, чем при диффузии (для Si, например, не выше 700—800 °C). После отжига свойства имплантированных слоев близки к свойствам материала, легированного до тех же концентраций традиционными методами.
Структурные дефекты
Основными структурными дефектами в монокристаллах и эпитаксиальных слоях полупроводниковые материалы являются дислокации, собственные точечные дефекты и их скопления, дефекты упаковки. При выращивании монокристаллов дислокации возникают под действием термических напряжений, обусловленных неоднородным распределением температуры в объёме слитка. Другими источниками дислокаций в монокристаллах являются дислокации, прорастающие из затравки, примесные неоднородности, отклонения от стехиометрического состава. Часто дислокации образуют в кристаллах устойчивые скопления — малоугловые границы. Основными способами снижения плотности дислокаций в монокристаллах являются: уменьшение уровня термических напряжений путём подбора соответствующих тепловых условий выращивания, обеспечение равномерного распределения состава в объёме, строгий контроль стехиометрического состава, введение «упрочняющих» примесей, затрудняющих движение дислокаций и их размножение. В настоящее время даже в промышленных условиях выращивают бездислокационные монокристаллы Si диаметром до 250 мм. Успешно решается задача получения бездислокационных монокристаллов Ge, GaAs, InSb и др. полупроводниковых материалов.
В эпитаксиальных композициях основными источниками дислокаций являются: напряжения несоответствия, обусловленные различием периодов решётки сопрягающихся материалов; термические напряжения из-за различия коэф. термического расширения сопрягающихся материалов или неравномерного распределения температуры по толщине и поверхности наращиваемого слоя; наличие градиента состава по толщине эпитаксиального слоя. Особенно трудна задача получения малодислокационных гетерокомпозиций. Для снижения плотности дислокаций в рабочем слое заданного состава используют технику создания промежуточных по составу «градиентных» слоев или подбирают изопериодные (с близкими значениями периодов кристаллической решётки) гетеропары. При выращивании на монокристаллической подложке бинарных соединений для создания изопериодных гетеропар используют четверные твёрдые растворы, в состав которых входит и вещество подложки.
Важнейшими собственными точечными дефектами в Ge и Si являются вакансии и междоузельные атомы, а также различного рода комплексы, образующиеся в результате взаимодействия этих дефектов между собой или с атомами остаточных и легирующих примесей. В бинарных соединениях точечными дефектами могут быть вакансии в любой из подрешёток, междоузельные атомы обоих компонентов, которые могут находиться в решётке в различных положениях, атомы компонента В на местах атомов А и наоборот. Как и в элементарных полупроводниковых материалах, эти «простые» собственные точечные дефекты могут взаимодействовать между собой и с примесями с образованием разнообразных комплексов. Ещё более сложной выглядит картина образования дефектов в многокомпонентных соединениях и твёрдых расплавах. Собственные точечные дефекты образуются при нагреве, облучении частицами высоких энергий, пластичных деформациях; существенную роль играет отклонение состава от стехиометрического. Наиболее эффективными способами снижения концентрации собственных точечных дефектов в полупроводниковых материалах является термообработка в различных средах. В случае химических соединений термообработку обычно проводят в атмосфере паров недостающего компонента, выбирая рабочие температуры с учётом конфигурации области гомогенности.
Применение
Важнейшая область применения полупроводниковых материалов — микроэлектроника. Полупроводниковые материалы составляют основу современных больших и сверхбольших интегральных схем, которые делают главным образом на основе Si. Дальнейший прогресс в повышении быстродействия и в снижении потребляемой мощности связан с созданием интегральных схем на основе GaAs, InP и их твёрдых растворов с др. соединениями типа АIIIВV. В больших масштабах используют полупроводниковые материалы для изготовления «силовых» полупроводниковых приборов (вентили, тиристоры, мощные транзисторы). Здесь также основным материалом является Si, а дальнейшее продвижение в область более высоких рабочих температур связано с применением GaAs, SiC и др. широкозонных полупроводниковых материалов. С каждым годом расширяется применение полупроводниковых материалов в солнечной энергетике. Основными полупроводниковыми материалами для изготовления солнечных батарей являются Si, GaAs, гетероструктуры GaxAl1-xAs/GaAs, Cu2S/CdS, α-Si:H, гетероструктуры α-Si:H/α-SixC1-x:H. С применением в солнечных батареях некристаллических гидрированных полупроводниковых материалов связаны перспективы резкого снижения стоимости солнечных батарей. Полупроводниковые материалы используют для создания полупроводниковых лазеров и светодиодов. Лазеры делают на основе ряда прямозонных соединений типа AIIIBV, AIIBIV, AIVBVI и др. Важнейшими материалами для изготовления лазеров являются гетероструктуры: GaxAl1-xAs/GaAs, GaxIn1-xAsyP1-y/InP, GaxIn1-xAs/InP, GaxIn1-xAsyP1-y/GaxAs1-xPx, GaN/AlxGa1-xN. Для изготовления светодиодов широко используют: GaAs, GaP, GaAs1-xPx, GaxIn1-xAs, GaxAl1-xAs, GaN и др. Полупроводниковые материалы составляют основу современных приемников оптического излучения (фотоприемников) для широкого спектрального диапазона. Их изготовляют на основе Ge, Si, GaAs, GaP, InSb, InAs, GaxAl1-xAs, GaxIn1-xAs, GaxIn1-xAsyP1-y, CdxHg1-xТе, PbxSn1-xTe и ряда др. полупроводниковых материалов. Полупроводниковые лазеры и фотоприемники — важнейшие составляющие элементной базы волоконно-оптической линий связи. Полупроводниковые материалы используются для создания различных СВЧ приборов (биполярных и полевых транзисторов, транзисторов на «горячих» электронах, лавинопролётных диодов и др.). Другие важные области применения полупроводниковых материалов: детекторы ядерных излучений (используют особо чистые Ge, Si, GaAs, CdTe и др.), изготовление термохолодильников (теллуриды и селениды висмута и сурьмы), тензодатчиков, высокочувствительных термометров, датчиков магнитных полей и др.
Литература
- Горелик С. С., Дашевский М. Я., Материаловедение полупроводников и диэлектриков, М., 1988
- Мильвидский М. Г., Полупроводниковые материалы в современной электронике, М., 1986
- Пасынков В. В., Сорокин В. С, Материалы электронной техники, 2 изд., М., 1986
- Нашельский А. Я., Технология полупроводниковых материалов, М., 1987
- Мейлихов Е. 3., Лазарев С. Д., Электрофизические свойства полупроводников. (Справочник физических величин), М., 1987
Википедия, чтение, книга, библиотека, поиск, нажмите, истории, книги, статьи, wikipedia, учить, информация, история, скачать, скачать бесплатно, mp3, видео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, картинка, музыка, песня, фильм, игра, игры, мобильный, телефон, Android, iOS, apple, мобильный телефон, Samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Сеть, компьютер, Информация о Полупроводниковые материалы, Что такое Полупроводниковые материалы? Что означает Полупроводниковые материалы?
Dlya uluchsheniya etoj stati zhelatelno Oformit statyu po pravilam Pozhalujsta posle ispravleniya problemy isklyuchite eyo iz spiska parametrov Posle ustraneniya vseh nedostatkov etot shablon mozhet byt udalyon lyubym uchastnikom Poluprovodnikovye materialy veshestva s chyotko vyrazhennymi svojstvami poluprovodnika Udelnaya elektricheskaya provodimost s pri 300 K sostavlyaet 10 4 1010 Om 1 sm 1 i uvelichivaetsya s rostom temperatury Dlya poluprovodnikovyh materialov harakterna vysokaya chuvstvitelnost elektrofizicheskih svojstv k vneshnim vozdejstviyam nagrev obluchenie deformacii i t p a takzhe k soderzhaniyu strukturnyh defektov i primesej StrukturaPoluprovodnikovye materialy po strukture delyatsya na kristallicheskie tvyordye amorfnye i zhidkie Kristallicheskie poluprovodnikovye materialy Naibolshee prakticheskoe primenenie nahodyat neorganicheskie kristallicheskie poluprovodnikovye materialy kotorye po himicheskomu sostavu razdelyayutsya na sleduyushie osnovnye gruppy Elementarnye poluprovodniki Ge Si uglerod almaz i grafit V a Sn seroe olovo Te Se Vazhnejshie predstaviteli etoj gruppy Ge i Si imeyut kristallicheskuyu reshyotku tipa almaza almazopodobny Yavlyayutsya nepryamozonnymi poluprovodnikami obrazuyut mezhdu soboj nepreryvnyj ryad tvyordyh rastvorov takzhe obladayushih poluprovodnikovymi svojstvami Soedineniya tipa AIIIBV elementov III i V gruppy periodicheskoj sistemy imeyut v osnovnom kristallicheskuyu strukturu tipa sfalerita Svyaz atomov v kristallicheskoj reshyotke nosit preimushestvenno kovalentnyj harakter s nekotoroj dolej do 15 ionnoj sostavlyayushej Plavyatsya kongruentno bez izmeneniya sostava Obladayut dostatochno uzkoj oblastyu gomogennosti to est intervalom sostavov v kotorom v zavisimosti ot parametrov sostoyaniya temperatury davleniya i dr preimushestv tip defektov mozhet menyatsya a eto privodit k izmeneniyu tipa provodimosti n r i zavisimosti udelnoj elektricheskoj provodimosti ot sostava Vazhnejshie predstaviteli etoj gruppy GaAs InP InAs InSb GaN yavlyayushiesya pryamozonnymi poluprovodnikami i GaP AlAs nepryamozonnye poluprovodniki Mnogie poluprovodnikovye materialy tipa AIIIVV obrazuyut mezhdu soboj nepreryvnyj ryad tvyordyh rasplavov trojnyh i bolee slozhnyh GaxAl1 xAs GaAsxP1 x GaxIn1 xP GaxIn1 xAsyP1 y i t p takzhe yavlyayushihsya vazhnymi Soedineniya elementov VI gruppy O S Se Te s elementami I V grupp periodicheskoj sistemy a takzhe s perehodnymi metallami i RZE V obshirnoj gruppe etih poluprovodnikovyh materialov naibolshij interes predstavlyayut soedineniya tipa AIIBVI s kristallicheskoj strukturoj tipa sfalerita ili vyurcita rezhe tipa NaCl Svyaz mezhdu atomami v reshyotke nosit kovalentno ionnyj harakter dolya ionnoj sostavlyayushej dostigaet 45 60 Imeyut bolshuyu chem u poluprovodnikovyh materialov tipa AIIIBV protyazhennost oblasti gomogennosti Dlya soedinenij tipa AIIBVI harakteren polimorfizm i nalichie politipov kubicheskoj i geksagonalnoj modifikacij Yavlyayutsya v osnovnom pryamozonnymi poluprovodnikami Vazhnejshie predstaviteli etoj gruppy poluprovodnikovyh materialov CdTe CdS ZnTe ZnSe ZnO ZnS Mnogie soedineniya tipa AIIBVI obrazuyut mezhdu soboj nepreryvnyj ryad tvyordyh rasplavov harakternymi predstavitelyami kotoryh yavlyayutsya CdxHg1 xTe CdxHg1 xSe CdTexSe1 x Fizicheskie svojstva soedinenij tipa AIIBVI v znachitelnoj mere opredelyayutsya soderzhaniem sobstvennyh tochechnyh defektov struktury imeyushih nizkuyu energiyu ionizacii i proyavlyayushih vysokuyu elektricheskuyu aktivnost Trojnye soedineniya tipa AIIBIVCV2 kristallizuyutsya v osnovnom v reshyotke halkopirita Obnaruzhivayut magnitnoe i elektricheskoe uporyadochenie Obrazuyut mezhdu soboj tvyordye rasplavy Vo mnogom yavlyayutsya elektronnymi analogami soedinenij tipa AIIIVV Tipichnye predstaviteli CuInSe2 CdSnAs2 CdGeAs2 ZnSnAs2 Karbid kremniya SiC edinstvennoe himicheskoe soedinenie obrazuemoe elementami IV gruppy Obladaet poluprovodnikovymi svojstvami vo vseh strukturnyh modifikaciyah b SiC struktura sfalerita a SiC geksagonalnaya struktura imeyushaya okolo 15 raznovidnostej Odin iz naibolee tugoplavkih i shirokozonnyh sredi shiroko ispolzuemyh poluprovodnikovyh materialov Nekristallicheskie poluprovodnikovye materialy Tipichnymi predstavitelyami etoj gruppy yavlyayutsya stekloobraznye poluprovodnikovye materialy halkogenidnye i oksidnye K pervym otnosyatsya splavy Tl P As Sb Bi s S Se Te harakterizuyushiesya shirokim diapazonom znachenij udelnoj elektricheskoj provodimosti nizkimi temperaturami razmyagcheniya ustojchivostyu k kislotam i shelocham Tipichnye predstaviteli As2Se3 As2Te3 Tl2Se As2Se3 Oksidnye stekloobraznye poluprovodnikovye materialy imeyut sostav tipa V2O5 P2O5 ROx R metall I IV gr i harakterizuyutsya udelnoj elektricheskoj provodimostyu 10 4 10 5 Om 1sm 1 Vse stekloobraznye poluprovodnikovye materialy imeyut elektronnuyu provodimost obnaruzhivayut fotoprovodimost i termoeds Pri medlennom ohlazhdenii obychno prevrashayutsya v kristallicheskie poluprovodnikovye materialy Drugim vazhnym klassom nekristallicheskih poluprovodnikovye materialy yavlyayutsya tvyordye rasplavy ryada amorfnyh poluprovodnikov s vodorodom tak nazyvaemye gidrirovannye nekristallicheskie poluprovodnikovye materialy a Si H a Si1 xCx H a Si1 xGex H a Si1 xNx H a Si1 xSnx H Vodorod obladaet vysokoj rastvorimostyu v etih poluprovodnikovyh materialah i zamykaet na sebya znachitelnoe kolichestvo boltayushihsya svyazej harakternyh dlya amorfnyh poluprovodnikov V rezultate rezko snizhaetsya plotnost energeticheskih sostoyanij v zapreshyonnoj zone i poyavlyaetsya vozmozhnost sozdaniya p n perehodov Poluprovodnikovymi materialami yavlyayutsya takzhe ferrity segnetoelektriki i pezoelektriki Osnovnye elektrofizicheskie svojstvaOsnovnye elektrofizicheskie svojstva vazhnejshih poluprovodnikovyh materialov shirina zapreshyonnoj zony podvizhnost nositelej toka temperatura plavleniya i t d predstavleny v tabl 1 Shirina zapreshyonnoj zony DEg yavlyaetsya odnim iz fundamentalnyh parametrov poluprovodnikovyh materialov Chem bolshe DEg tem vyshe dopustimaya rabochaya temperatura i tem bolee sdvinut v korotkovolnovuyu oblast spektra rabochij diapazon priborov sozdavaemyh na osnove sootvetstvuyushih poluprovodnikovyh materialov Naprimer maksimalnaya rabochaya temperatura germanievyh priborov ne prevyshaet 50 60 C dlya kremnievyh priborov ona vozrastaet do 150 170 C a dlya priborov na osnove GaAs dostigaet 250 300 C dlinnovolnovaya granica sobstvennoj fotoprovodimosti sostavlyaet dlya InSb 5 4 mkm 77 K InAs 3 2 mkm 195 K Ge 1 8 mkm 300 K Si 1 mkm 300 K GaAs 0 92 mkm 300 K Velichina DEg horosho korreliruet s temperaturoj plavleniya Obe eti velichiny vozrastayut s rostom energii svyazi atomov v kristallicheskoj reshyotke poetomu dlya shirokozonnyh poluprovodnikovyh materialov harakterny vysokie temperatury plavleniya chto sozdayot bolshie trudnosti na puti sozdaniya chistyh i strukturno sovershennyh monokristallov takih poluprovodnikovyh materialov Podvizhnost nositelej toka v znachitelnoj mere opredelyaet chastotnye harakteristiki poluprovodnikovyh priborov Dlya sozdaniya priborov sverhvysokochastotnogo diapazona neobhodimy poluprovodnikovye materialy obladayushie vysokimi znacheniyami m Analogichnoe trebovanie predyavlyaetsya i k poluprovodnikovym materialam ispolzuemym dlya izgotovleniya fotopriemnikov Temperatura plavleniya i period kristallicheskoj reshyotki a takzhe koefficient linejnogo termicheskogo rasshireniya igrayut pervostepennuyu rol pri konstruirovanii geteroepitaksialnyh kompozicij Dlya sozdaniya sovershennyh geterostruktur zhelatelno ispolzovat poluprovodnikovye materialy obladayushie odinakovym tipom kristallicheskoj reshyotki i minimalnymi razlichiyami v velichinah eyo perioda i koefficientah termicheskogo rasshireniya Plotnost poluprovodnikovyh materialov opredelyaet takie vazhnye tehnicheskie harakteristiki kak udelnyj rashod materiala massa pribora Tablica 1 Osnovnye svojstva vazhnejshih poluprovodnikovyh materialov Element tip soedineniya Naimenovanie materiala Shirina zapreshyonnoj zony ev Podvizhnost nositelej zaryada 300 K sm2 v sek Kristallicheskaya struktura Postoyannaya reshyotki A Temperatura plavleniya S Uprugost para pri temperature plavleniya atmpri 300 K pri 0 K elektrony dyrkiElement S almaz 5 47 5 51 2800 2100 almaz 3 56679 4027 10 9Ge 0 661 0 89 3900 1900 tipa almaza 5 65748 937Si 1 12 1 16 1500 600 tipa almaza 5 43086 1420 10 6a Sn 0 08 tipa almaza 6 4892IV IV a SiC 3 3 1 400 50 tipa sfalerita 4 358 3100III V AISb 1 63 1 75 200 420 tipa sfalerita 6 1355 1050 lt 0 02BP 6 tipa sfalerita 4 538 gt 1300 gt 24GaN 3 39 440 200 tipa vyurtcita 3 186 po osi a 5 176 po osi s gt 1700 gt 200GaSb 0 726 0 80 2500 680 tipa sfalerita 6 0955 706 lt 4 10 4GaAs 1 424 1 52 8500 400 tipa sfalerita 5 6534 1239 1GaP 2 27 2 40 110 75 tipa sfalerita 5 4505 1467 35InSb 0 17 0 26 78000 750 tipa sfalerita 6 4788 525 lt 4 10 5InAs 0 354 0 46 33000 460 tipa sfalerita 6 0585 943 0 33InP 1 34 1 34 4600 150 tipa sfalerita 5 8688 1060 25II VI CdS 2 42 2 56 300 50 tipa vyurtcita 4 16 po osi a 6 756 po osi s 1750CdSe 1 7 1 85 800 tipa sfalerita 6 05 1258ZnO 3 36 200 kubich 4 58 1975ZnS 3 6 3 7 165 tipa vyurtcita 3 82 po osi a 6 26 po osi s 1700IV VI PbS 0 41 0 34 600 700 kubich 5 935 1103PbTe 0 32 0 24 1700 840 kubich 6 460 917PoluchenieNeobhodimym usloviem dostizheniya vysokih elektrofizicheskih harakteristik poluprovodnikovyh materialov yavlyaetsya ih glubokaya ochistka ot postoronnih primesej V sluchae Ge i Si eta problema reshaetsya putyom sinteza ih letuchih soedinenij hloridov gidridov i posleduyushej glubokoj ochistki etih soedinenij s primeneniem metodov rektifikacii sorbcii chastichnogo gidroliza i specialnyh termicheskih obrabotok Hloridy osoboj chistoty podvergayut zatem vysokotemperaturnomu vosstanovleniyu vodorodom proshedshim predvaritelnuyu glubokuyu ochistku s osazhdeniem vosstanovlennyh produktov na kremnievyh ili germanievyh prutkah Iz ochishennyh gidridov Ge i Si vydelyayut putyom termicheskogo razlozheniya V rezultate poluchayut Ge i Si s summarnym soderzhaniem ostatochnyh elektricheski aktivnyh primesej na urovne 10 7 10 9 Poluchenie osobo chistyh poluprovodnikovyh soedinenij osushestvlyayut sintezom iz elementov proshedshih glubokuyu ochistku Summarnoe soderzhanie ostatochnyh primesej v ishodnyh materialah ne prevyshaet obychno 10 4 10 5 Sintez razlagayushihsya soedinenij provodyat libo v zapayannyh kvarcevyh ampulah pri kontroliruemom davlenii parov letuchego komponenta v rabochem obyome libo pod sloem zhidkogo flyusa naprimer osobo chistogo obezvozhennogo V2O3 Sintez soedinenij imeyushih bolshoe davlenie parov letuchego komponenta nad rasplavom osushestvlyayut v kamerah vysokogo davleniya Chasto process sinteza sovmeshayut s posleduyushej dopolnitelnoj ochistkoj soedinenij putyom napravlennoj ili zonnoj kristallizacii rasplava Naibolee rasprostranyonnyj sposob polucheniya monokristallov poluprovodnikovyh materialov vytyagivanie iz rasplava po metodu Chohralskogo Vyrashivanie monokristallov Etim metodom poluchayut monokristally Ge Si soedineniya tipa AIIIBV AIIBVI AIVBVI i t d Vytyagivanie monokristallov nerazlagayushihsya poluprovodnikovyh materialov provodyat v atmosfere N2 inertnyh gazov ili v usloviyah glubokogo vakuuma Pri vyrashivanii monokristallov razlagayushihsya soedinenij InAs GaAs InP GaP CdTe PbTe i dr rasplav germetiziruyut sloem zhidkogo flyusa V2O3 i vytyagivayut monokristally pogruzhaya zatravku v rasplav cherez flyus i podderzhivaya v rabochem obyome nad rasplavom opredelyonnoe davlenie inertnogo gaza Chasto process vytyagivaniya osushestvlyayut v kamerah vysokogo davleniya sovmeshaya process vyrashivaniya monokristallov s predvaritelnym sintezom soedinenij pod sloem flyusa GaAs InP GaP i dr Dlya vyrashivaniya monokristallov poluprovodnikovyh materialov takzhe shiroko ispolzuyut metody napravlennoj i zonnoj kristallizacii rasplava v kontejnere V sluchae razlagayushihsya soedinenij dlya polucheniya monokristallov trebuemogo stehiometricheskogo sostava process provodyat v zapayannyh kvarcevyh ampulah podderzhivaya ravnovesnoe davlenie parov letuchego komponenta nad rasplavom chasto dlya etogo trebuyutsya kamery vysokogo davleniya v kotoryh podderzhivaetsya protivodavlenie inertnogo gaza Pri poluchenii monokristallov neobhodimoj kristallograficheskoj orientacii ispolzuyut orientirovannye sootvetstvuyushim obrazom monokristallicheskie zatravki Dlya vyrashivaniya monokristallov poluprovodnikovyh materialov obladayushih podhodyashim sochetaniem plotnosti i poverhnostnogo natyazheniya rasplava ispolzuyut metod bestigelnoj zonnoj plavki Naibolshee rasprostranenie etot metod poluchil v tehnologii polucheniya monokristallov Si imeyushego sravnitelno nevysokuyu plotnost i dostatochno bolshoe poverhnostnoe natyazhenie rasplava Otsutstvie kontakta rasplava so stenkami kontejnera pozvolyaet poluchat etim metodom naibolee chistye monokristally Obychno process vyrashivaniya monokristalla sovmeshayut s predvaritelnoj dopolnitelnoj ochistkoj poluprovodnikovyh materialov zonnoj plavkoj Dlya polucheniya monokristallov ryada tugoplavkih razlagayushihsya poluprovodnikovyh soedinenij naprimer CdS ZnS SiC AlN i dr ispolzuyut kristallizaciyu iz gazovoj fazy metody sublimacii i himicheskih transportnyh reakcij V sluchae esli pri vyrashivanii monokristallov ne udaetsya poluchit soedinenie trebuemogo stehiometricheskogo sostava kristally razrezayut na plastiny kotorye podvergayut dopolnitelnomu otzhigu v parah nedostayushego komponenta Naibolee chasto etot priyom ispolzuyut v tehnologii polucheniya monokristallov uzkozonnyh soedinenij tipa AIIBVI i AIVBVI gde sobstvennye tochechnye defekty silno vliyayut na koncentraciyu i podvizhnost nositelej toka to est proyavlyayut vysokuyu elektricheskuyu aktivnost PbTe PbxSn1 xTe CdxHg1 xTe i dr Pri etom udaetsya snizit koncentraciyu nositelej zaryada v kristallah na neskolko poryadkov Dlya vyrashivaniya profilirovannyh monokristallov poluprovodnikovye materialy lenty prutki truby i t d ispolzuyut metod Stepanova Shiroko rasprostraneno poluchenie poluprovodnikovyh materialov v vide monokristallicheskih plyonok na raznogo roda monokristallicheskih podlozhkah Takie plyonki nazyvayut epitaksialnymi a processy ih polucheniya epitaksialnym narashivaniem Esli epitaksialnaya plyonka narashivaetsya na podlozhku togo zhe veshestva to poluchaemye struktury nazyvayut gomoepitaksialnymi pri narashivanii na podlozhku iz drugogo materiala geteroepitaksialnymi Vozmozhnosti polucheniya tonkih i sverhtonkih odnoslojnyh i mnogoslojnyh struktur raznoobraznoj geometrii s shirokoj variaciej sostava i elektrofizicheskih svojstv po tolshine i poverhnosti narashivaemogo sloya s rezkimi granicami r n perehodov i geteroperehodov obuslovlivayut shirokoe ispolzovanie metodov epitaksialnogo narashivaniya v mikroelektronike i integralnoj optike v praktike sozdaniya bolshih i bystrodejstvuyushih integralnyh shem a takzhe optoelektronnyh priborov sm Planarnaya tehnologiya Dlya polucheniya epitaksialnyh struktur poluprovodnikovyh materialov ispolzuyut metody zhidkostnoj gazofaznoj i molekulyarno puchkovoj epitaksii Metodom zhidkostnoj epitaksii poluchayut gomo i geteroepitaksialnye struktury na osnove soedinenij tipa AIIIBV AIIBVI AIVBVI i ih tvyordyh rasplavov V kachestve rastvoritelya obychno ispolzuyut rasplav neletuchego komponenta sootvetstvuyushego soedineniya Narashivanie epitaksialnogo sloya provodyat libo v rezhime programmiruemogo snizheniya temperatury libo iz predvaritelno pereohlazhdyonnogo rasplava Etim metodom mozhno vosproizvodimo poluchat mnogoslojnye struktury s tolshinami otdelnyh sloev do 0 1 mkm pri tolshinah perehodnyh sloev na geterogranicah poryadka desyatkov nm LegirovanieDlya polucheniya poluprovodnikovyh materialov elektronnogo tipa provodimosti n tipa s izmenyayushejsya v shirokih predelah koncentraciej nositelej zaryada elektronov obychno ispolzuyut donornye primesi obrazuyushie melkie energeticheskie urovni v zapreshyonnoj zone vblizi dna zony provodimosti energiya ionizacii 0 05 eV Dlya poluprovodnikovyh materialov dyrochnogo tipa provodimosti r tipa analogichnaya zadacha reshaetsya putyom vvedeniya akceptornyh primesej obrazuyushih melkie energeticheskie urovni v zapreshyonnoj zone vblizi potolka valentnoj zony Takie primesi pri komnatnoj temperature prakticheski polnostyu ionizovany tak chto ih koncentraciya priblizitelno ravna koncentracii nositelej zaryada kotoraya svyazana s podvizhnostyami nositelej sootnosheniyami sn emnn dlya poluprovodnikovyh materialov n tipa i sr empp dlya poluprovodnikovyh materialov r tipa sn i sr provodimost mn i mr podvizhnosti elektronov i dyrok sootvetstvenno Dlya Ge i Si osnovnymi donornymi legiruyushimi primesyami yavlyayutsya elementy V gr periodicheskoj sistemy R As Sb a akceptornymi elementy III gr V Al Ga Dlya soedinenij tipa AIIIBV sootv primesi elementov VI gr S Se Te a takzhe Sn i elementov II gr Be Mg Zn Cd Elementy IV gr Si Ge v zavisimosti ot uslovij polucheniya kristallov i epitaksialnyh sloev soed tipa AIIIBV mogut proyavlyat kak donornye tak i akceptornye sv va V soed tipa AIIBVI i AIVBVI povedenie vvodimyh primesej silno oslozhnyaetsya prisutstviem sobstv tochechnyh strukturnyh defektov Neobhodimye tip i velichina provodimosti v nih obychno dostigayutsya precizionnym regulirovaniem otkloneniya sostava ot stehiometricheskogo obespechivayushego zadannuyu koncentraciyu opredelyonnogo tipa sobstvennyh tochechnyh defektov struktury v kristallah Perechislennye vyshe legiruyushie primesi obrazuyut kak pravilo tvyordye r ry zamesheniya i obladayut dostatochno vysokoj rastvorimostyu 1018 1020 atomov sm v shirokom intervale temperatur Rastvorimost ih nosit retrogradnyj harakter pri etom maksimum rastvorimosti prihoditsya na temperaturnyj interval 700 900 C v Ge 1200 1350 C v Si i 1100 1200 C v GaAs Eti primesi yavlyayutsya maloeffektivnymi centrami rekombinacii nositelej i sravnitelno slabo vliyayut na velichinu ih vremeni zhizni Primesi tyazhelyh i blagorodnyh metallov Fe Ni Cr W Cu Ag Au i dr v bolshinstve poluprovodnikovyh materialov obrazuyut glubokie chasto mnogozaryadnye donornye ili akceptornye urovni v zapreshyonnoj zone imeyut bolshie secheniya zahvata nositelej zaryada i yavlyayutsya effektivnymi centrami rekombinacii nositelej privodya k znachitelnomu snizheniyu ih vremeni zhizni Eti primesi obladayut maloj i obychno yarko vyrazhennoj retrogradnoj rastvorimostyu v poluprovodnikovyh materialah i imeyut ochen malye znacheniya koefficienta raspredeleniya mezhdu kristallom i rasplavom Legirovanie imi proizvodyat v teh sluchayah kogda nado poluchit poluprovodnikovye materialy s malym vremenem zhizni nositelej ili s vysokim udelnym elektricheskim soprotivleniem dostigaemym kompensaciej melkih energeticheskih urovnej protivopolozhnoj prirody Poslednee chasto ispolzuyut dlya polucheniya poluizoliruyushih kristallov shirokozonnyh poluprovodnikovyh materialov tipa AIIIBV GaAs GaP InP legiruyushimi primesyami sluzhat Cr Fe Ni Osnovnye harakteristiki naibolee rasprostranyonnyh primesej v vazhnejshih poluprovodnikovyh materialah predstavleny v tabl 2 Legirovanie poluprovodnikovyh materialov obychno osushestvlyayut neposredstvenno v processah polucheniya monokristallov i epitaksialnyh struktur Primes vvoditsya v rasplav libo v vide elementa libo v vide splava s dannym poluprovodnikovym materialom ligatury Chasto legirovanie osushestvlyayut iz gazovoj fazy parov dannogo elementa ili ego legkoletuchih soedinenij Eto osnovnoj sposob legirovaniya v processah epitaksii pri kristallizacii iz gazovoj fazy Pri molekulyarno puchkovoj epitaksii istochnikom legiruyushej dobavki obychno yavlyaetsya sama elementarnaya primes Raschyot neobhodimogo soderzhaniya legiruyushej primesi trebuet znaniya tochnoj kolichestvennoj svyazi mezhdu eyo koncentraciej i zadannymi svojstvami poluprovodnikovyh materialov a takzhe osnovnyh fiziko himicheskih harakteristik primesi koefficienta raspredeleniya mezhdu gazovoj fazoj i kristallom K uprugosti parov i skorosti ispareniya v shirokom intervale temperatur rastvorimosti v tvyordoj faze i t p Odna iz glavnyh zadach legirovaniya obespechenie ravnomernogo raspredeleniya vvodimoj primesi v obyome kristalla i po tolshine epitaksialnogo sloya Pri napravlennoj kristallizacii iz rasplava ravnomernoe raspredelenie primesi po dline slitka dostigaetsya libo putyom podderzhaniya eyo postoyannoj koncentracii v rasplave za schyot ego podpitki iz tvyordoj zhidkoj ili gazovoj fazy libo putyom programmirovannogo izmeneniya effektivnogo koefficienta raspredeleniya primesi pri sootvetstvuyushem izmenenii parametrov processa rosta Pri zonnoj perekristallizacii dlya primesej s K lt lt 1 obychno ispolzuyut celevuyu zagruzku primesi v nachalnuyu rasplavlennuyu zonu s posleduyushim eyo prohodom cherez vsyu zagotovku Effektivnyj sposob povysheniya obemnoj odnorodnosti monokristallov vozdejstvie na massoperenos v rasplave nalozheniem magnitnogo polya Odnorodnogo raspredeleniya primesi po tolshine sloya v processe zhidkofaznoj epitaksii dostigayut kristallizaciej pri postoyannoj temperature v usloviyah podpitki rasplava a pri gazofaznoj epitaksii podderzhaniem postoyannoj koncentracii legiruyushej primesi v gazovoj faze nad podlozhkoj na protyazhenii vsego processa narashivaniya Legirovanie poluprovodnikovyh materialov mozhet byt osushestvleno takzhe putyom radiacionnogo vozdejstviya na kristall kogda v rezultate yadernyh reakcij s uchastiem sobstvennyh atomov veshestva obrazuyutsya elektricheski aktivnye primesi Naibolshij interes dlya radiacionnogo legirovaniya predstavlyaet vozdejstvie teplovymi nejtronami kotorye obladayut bolshoj pronikayushej sposobnostyu chto obespechivaet povyshennuyu odnorodnost legirovaniya Koncentraciya primesej obrazuyushihsya v rezultate nejtronnogo oblucheniya opredelyaetsya sootnosheniem Npr N0siCisrt gde N0 kol vo atomov v edinice obyoma poluprovodnikovogo materiala si sechenie poglosheniya teplovyh nejtronov Ci soderzhanie sootvetstvuyushego nuklida v estestvennoj smesi sr plotnost potoka teplovyh nejtronov t vremya oblucheniya Legirovanie oblucheniem teplovymi nejtronami obespechivaet strogo kontroliruemoe vvedenie zadannyh koncentracij primesi i ravnomernoe eyo raspredelenie v obyome kristalla Odnako v processe oblucheniya v kristalle obrazuyutsya radiacionnye defekty dlya ustraneniya kotoryh neobhodim posleduyushij vysokotemperaturnyj otzhig Krome togo mozhet poyavitsya navedyonnaya radioaktivnost trebuyushaya vyderzhki obrazcov posle oblucheniya Legirovanie oblucheniem teplovymi nejtronami obychno ispolzuyut dlya polucheniya odnorodno legirovannyh fosforom monokristallov Si s vysokim udelnym elektricheskim soprotivleniem V dannom sluchae proishodyat sleduyushie yadernye reakcii 30Si n g 31Sib2 6h 31P displaystyle 30 Si n gamma 31 Si beta over 2 6h to 31 P Pri sozdanii struktur s p n perehodami dlya poluprovodnikovyh priborov shiroko ispolzuyut legirovanie putyom diffuzionnogo vvedeniya primesi Profil koncentracii primesi pri diffuzii opisyvaetsya obychno funkciej oshibok i imeet vid plavnoj krivoj harakter kotoroj opredelyaetsya sleduyushimi faktorami temperaturoj i vremenem provedeniya processa tolshinoj sloya iz kotorogo osushestvlyaetsya diffuziya koncentraciej i formoj nahozhdeniya primesi v istochnike a takzhe eyo elektricheskim zaryadom i vozmozhnostyu vzaimodejstviya s soputstvuyushimi primesyami i defektami v poluprovodnikovom materiale Iz za malyh znachenij koefficienta diffuzii osnovnyh legiruyushih primesej diffuzionnoe legirovanie obychno provodyat pri vysokih temperaturah dlya Si naprimer pri 1100 1350 C i v techenie dlitelnogo vremeni pri etom ono kak pravilo soprovozhdaetsya generirovaniem v kristalle znachitelnogo kolichestva strukturnyh defektov v chastnosti dislokacij Pri diffuzionnom legirovanii voznikayut trudnosti v poluchenii tonkih legirovannyh sloev i dostatochno rezkih p n perehodov Dlya polucheniya tonkih legirovannyh sloev perspektivny processy ionnogo legirovaniya ionnoj implantacii pri kotoryh vvedenie primesnyh atomov v pripoverhnostnyj sloj materiala osushestvlyaetsya putyom bombardirovki sootvetstvuyushimi ionami s energiej ot neskolkih KeV do neskolkih MeV Vozmozhnost vvedeniya prakticheski lyuboj primesi v lyuboj poluprovodnikovyj material nizkie rabochie temperatury processa gibkoe upravlenie koncentraciej i profilem raspredeleniya vvodimoj primesi vozmozhnost legirovaniya cherez dielektricheskie pokrytiya s polucheniem tonkih silno legirovannyh sloev obespechili shirokoe rasprostranenie etogo metoda v tehnologii poluprovodnikovyh priborov Odnako v processe ionnogo legirovaniya generiruyutsya sobstvennye tochechnye defekty struktury voznikayut oblasti razuporyadocheniya reshyotki a pri bolshih dozah amorfizovannye sloi Poetomu dlya polucheniya kachestvennyh legirovannyh sloev neobhodim posleduyushij otzhig vvedyonnyh defektov Otzhig provodyat pri temperaturah sushestvenno bolee nizkih chem pri diffuzii dlya Si naprimer ne vyshe 700 800 C Posle otzhiga svojstva implantirovannyh sloev blizki k svojstvam materiala legirovannogo do teh zhe koncentracij tradicionnymi metodami Strukturnye defektyOsnovnymi strukturnymi defektami v monokristallah i epitaksialnyh sloyah poluprovodnikovye materialy yavlyayutsya dislokacii sobstvennye tochechnye defekty i ih skopleniya defekty upakovki Pri vyrashivanii monokristallov dislokacii voznikayut pod dejstviem termicheskih napryazhenij obuslovlennyh neodnorodnym raspredeleniem temperatury v obyome slitka Drugimi istochnikami dislokacij v monokristallah yavlyayutsya dislokacii prorastayushie iz zatravki primesnye neodnorodnosti otkloneniya ot stehiometricheskogo sostava Chasto dislokacii obrazuyut v kristallah ustojchivye skopleniya malouglovye granicy Osnovnymi sposobami snizheniya plotnosti dislokacij v monokristallah yavlyayutsya umenshenie urovnya termicheskih napryazhenij putyom podbora sootvetstvuyushih teplovyh uslovij vyrashivaniya obespechenie ravnomernogo raspredeleniya sostava v obyome strogij kontrol stehiometricheskogo sostava vvedenie uprochnyayushih primesej zatrudnyayushih dvizhenie dislokacij i ih razmnozhenie V nastoyashee vremya dazhe v promyshlennyh usloviyah vyrashivayut bezdislokacionnye monokristally Si diametrom do 250 mm Uspeshno reshaetsya zadacha polucheniya bezdislokacionnyh monokristallov Ge GaAs InSb i dr poluprovodnikovyh materialov V epitaksialnyh kompoziciyah osnovnymi istochnikami dislokacij yavlyayutsya napryazheniya nesootvetstviya obuslovlennye razlichiem periodov reshyotki sopryagayushihsya materialov termicheskie napryazheniya iz za razlichiya koef termicheskogo rasshireniya sopryagayushihsya materialov ili neravnomernogo raspredeleniya temperatury po tolshine i poverhnosti narashivaemogo sloya nalichie gradienta sostava po tolshine epitaksialnogo sloya Osobenno trudna zadacha polucheniya malodislokacionnyh geterokompozicij Dlya snizheniya plotnosti dislokacij v rabochem sloe zadannogo sostava ispolzuyut tehniku sozdaniya promezhutochnyh po sostavu gradientnyh sloev ili podbirayut izoperiodnye s blizkimi znacheniyami periodov kristallicheskoj reshyotki geteropary Pri vyrashivanii na monokristallicheskoj podlozhke binarnyh soedinenij dlya sozdaniya izoperiodnyh geteropar ispolzuyut chetvernye tvyordye rastvory v sostav kotoryh vhodit i veshestvo podlozhki Vazhnejshimi sobstvennymi tochechnymi defektami v Ge i Si yavlyayutsya vakansii i mezhdouzelnye atomy a takzhe razlichnogo roda kompleksy obrazuyushiesya v rezultate vzaimodejstviya etih defektov mezhdu soboj ili s atomami ostatochnyh i legiruyushih primesej V binarnyh soedineniyah tochechnymi defektami mogut byt vakansii v lyuboj iz podreshyotok mezhdouzelnye atomy oboih komponentov kotorye mogut nahoditsya v reshyotke v razlichnyh polozheniyah atomy komponenta V na mestah atomov A i naoborot Kak i v elementarnyh poluprovodnikovyh materialah eti prostye sobstvennye tochechnye defekty mogut vzaimodejstvovat mezhdu soboj i s primesyami s obrazovaniem raznoobraznyh kompleksov Eshyo bolee slozhnoj vyglyadit kartina obrazovaniya defektov v mnogokomponentnyh soedineniyah i tvyordyh rasplavah Sobstvennye tochechnye defekty obrazuyutsya pri nagreve obluchenii chasticami vysokih energij plastichnyh deformaciyah sushestvennuyu rol igraet otklonenie sostava ot stehiometricheskogo Naibolee effektivnymi sposobami snizheniya koncentracii sobstvennyh tochechnyh defektov v poluprovodnikovyh materialah yavlyaetsya termoobrabotka v razlichnyh sredah V sluchae himicheskih soedinenij termoobrabotku obychno provodyat v atmosfere parov nedostayushego komponenta vybiraya rabochie temperatury s uchyotom konfiguracii oblasti gomogennosti PrimenenieVazhnejshaya oblast primeneniya poluprovodnikovyh materialov mikroelektronika Poluprovodnikovye materialy sostavlyayut osnovu sovremennyh bolshih i sverhbolshih integralnyh shem kotorye delayut glavnym obrazom na osnove Si Dalnejshij progress v povyshenii bystrodejstviya i v snizhenii potreblyaemoj moshnosti svyazan s sozdaniem integralnyh shem na osnove GaAs InP i ih tvyordyh rastvorov s dr soedineniyami tipa AIIIVV V bolshih masshtabah ispolzuyut poluprovodnikovye materialy dlya izgotovleniya silovyh poluprovodnikovyh priborov ventili tiristory moshnye tranzistory Zdes takzhe osnovnym materialom yavlyaetsya Si a dalnejshee prodvizhenie v oblast bolee vysokih rabochih temperatur svyazano s primeneniem GaAs SiC i dr shirokozonnyh poluprovodnikovyh materialov S kazhdym godom rasshiryaetsya primenenie poluprovodnikovyh materialov v solnechnoj energetike Osnovnymi poluprovodnikovymi materialami dlya izgotovleniya solnechnyh batarej yavlyayutsya Si GaAs geterostruktury GaxAl1 xAs GaAs Cu2S CdS a Si H geterostruktury a Si H a SixC1 x H S primeneniem v solnechnyh batareyah nekristallicheskih gidrirovannyh poluprovodnikovyh materialov svyazany perspektivy rezkogo snizheniya stoimosti solnechnyh batarej Poluprovodnikovye materialy ispolzuyut dlya sozdaniya poluprovodnikovyh lazerov i svetodiodov Lazery delayut na osnove ryada pryamozonnyh soedinenij tipa AIIIBV AIIBIV AIVBVI i dr Vazhnejshimi materialami dlya izgotovleniya lazerov yavlyayutsya geterostruktury GaxAl1 xAs GaAs GaxIn1 xAsyP1 y InP GaxIn1 xAs InP GaxIn1 xAsyP1 y GaxAs1 xPx GaN AlxGa1 xN Dlya izgotovleniya svetodiodov shiroko ispolzuyut GaAs GaP GaAs1 xPx GaxIn1 xAs GaxAl1 xAs GaN i dr Poluprovodnikovye materialy sostavlyayut osnovu sovremennyh priemnikov opticheskogo izlucheniya fotopriemnikov dlya shirokogo spektralnogo diapazona Ih izgotovlyayut na osnove Ge Si GaAs GaP InSb InAs GaxAl1 xAs GaxIn1 xAs GaxIn1 xAsyP1 y CdxHg1 xTe PbxSn1 xTe i ryada dr poluprovodnikovyh materialov Poluprovodnikovye lazery i fotopriemniki vazhnejshie sostavlyayushie elementnoj bazy volokonno opticheskoj linij svyazi Poluprovodnikovye materialy ispolzuyutsya dlya sozdaniya razlichnyh SVCh priborov bipolyarnyh i polevyh tranzistorov tranzistorov na goryachih elektronah lavinoprolyotnyh diodov i dr Drugie vazhnye oblasti primeneniya poluprovodnikovyh materialov detektory yadernyh izluchenij ispolzuyut osobo chistye Ge Si GaAs CdTe i dr izgotovlenie termoholodilnikov telluridy i selenidy vismuta i surmy tenzodatchikov vysokochuvstvitelnyh termometrov datchikov magnitnyh polej i dr LiteraturaGorelik S S Dashevskij M Ya Materialovedenie poluprovodnikov i dielektrikov M 1988 Milvidskij M G Poluprovodnikovye materialy v sovremennoj elektronike M 1986 Pasynkov V V Sorokin V S Materialy elektronnoj tehniki 2 izd M 1986 Nashelskij A Ya Tehnologiya poluprovodnikovyh materialov M 1987 Mejlihov E 3 Lazarev S D Elektrofizicheskie svojstva poluprovodnikov Spravochnik fizicheskih velichin M 1987
