химический каталог




ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Автор Химическая энциклопедия г.р. Н.С.Зефиров

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ, вещества с четко выраженными свойствами полупроводников в широком интервале температур, включая комнатную (~ 300 К), являющиеся основой для создания полупроводниковых приборов. Уд. электрич. проводимость а при 300 К составляет 104-10~10 Ом-1•см-1 и увеличивается с ростом температуры. Для ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ м. характерна высокая чувствительность электрофизических свойств к внешний воздействиям (нагрев, облучение, деформации и т.п.), а также к содержанию структурных дефектов и примесей.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ м. по структуре делятся на кристаллич., твердые аморфные и жидкие. Наиб. практическое применение находят неорганическое кристаллические ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ м., которые по химический составу разделяются на следующей основные группы. Элементарные полупроводники: Ge, Si, углерод (алмаз и графит), В, a-Sn (серое олово), Те, Se. Важнейшие представители этой группы-Ge и Si имеют кристаллич. решетку типа алмаза (ал-мазоподобны). Являются непрямозонными полупроводниками; образуют между собой непрерывный ряд твердых растворов, также обладающих полупроводниковыми свойствами.

Соединения типа AIIIBV элементов III и V гр. перио-дич. системы. Имеют в основные кристаллич. структуру типа сфалерита. Связь атомов в кристаллич. решетке носит преимущественно ковалентный характер с некоторой долей (до 15%) ионной составляющей. Плавятся конгруэнтно (без изменения состава). Обладают достаточно узкой областью гомогенности, т.е. 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 удельная электрич. проводимости от состава. Важнейшие представители этой группы: GaAs, InP, InAs, InSb, являющиеся прямозонными полупроводниками, и GaP - непрямозонный полупроводник. Многие ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫм. типа АIIIВV образуют между собой непрерывный ряд твердых растворов-тройных и более сложных (GaxAl1-xAs, GaAsxP1-x, GaxIn1_xP, GaxIn1-xAsyP1-y и т.п.), также являющихся важными

Соединения элементов VI гр. (О, S, Se, Те) с элементами I-V гр. периодической системы, а также с переходными металлами и РЗЭ. В обширной группе этих ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫм. наиболее интерес представляют соединение типа AIIBVI с кристаллич. структурой типа сфалерита или вюрцита, реже типа NaCl. Связь между атомами в решетке носит ко-валентно-ионный характер (доля ионной составляющей достигает 45-60%). Имеют большую, чем у ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫм. типа AIIIBV, протяженность области гомогенности. Для соединение типа AIIBVI характерен полиморфизм и наличие политипов кубич. и гексаген. модификаций. Являются в основные прямозонными полупроводниками. Важнейшие представители этой группы ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ м.-CdTe, CdS, ZnTe, ZnSe, ZnO, ZnS. Многие соединение типа A:BVI образуют между собой непрерывный ряд твердых растворов, характерными представителями которых являются CdxHg1-xTe, CdxHg1-xSe, CdTexSe1-x. Физ. свойства соединение типа AIIBV1 в значительной мере определяются содержанием собств. точечных дефектов структуры, имеющих низкую энергию ионизации и проявляющих высокую электрич. активность.

Важное практическое значение имеют и соединение типа AIVBVI с кристаллич. структурой типа NaCl или орторомбической и ковалентно-ионным типом химической связи. Важнейшие представители- в основные прямозонные полупроводники PbS, PbSe, PbTe, SnTe; среди твердых растворов наиболее известны Pb Sn1-x Te, PbxSn1-xSe. Представляют интерес соединение типа А2III B3VI, многие из которых имеют кристаллич. структуру типа сфалерита с 1/3 незаполненных катионных узлов (типичные представители: Ga2Se3, Ga2Te3, In2Te3). Среди соединение элементов VI гр. с переходными металлами и РЗЭ много тугоплавких ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ м., имеющих ионный характер связи и обладающих ферромагнитными или антиферромагнитными свойствами.

Тройные соединения типаКристаллизуются в основные в решетке халькопирита. Обнаруживают магнитное и электрич. упорядочение. Образуют между собой твердые растворы. Во многом являются электронными аналогами соединение типа АIIIВV. Типичные представители: CdSnAs2, CdGeAs2, ZnSnAs2.

Карбид кремния SiC-единств. химический соединение, образуемое элементами IV группы. Обладает полупроводниковыми свойствами во всех структурных модификациях: b-SiC (структура сфалерита); a-SiC (гексаген. структура), имеющая около 15 разновидностей. Один из наиболее тугоплавких и широкозонных среди широко используемых ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫм.

Некристаллические ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫм. Типичными представителями этой группы являются стеклообразные ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ м. - халько-генидные и оксидные. К первым относятся сплавы Tl, P, As, Sb, Bi с S, Se, Те, характеризующиеся широким диапазоном значений удельная электрич. проводимости, низкими температурами размягчения, устойчивостью к кислотам и щелочам. Типичные представители: As2Se3-As2Te3, Tl2Se-As2Se3. Оксидные стеклообразные ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫм. имеют состав типа V2O5-P2O5-ROx (R-металл I-IV гр.) и характеризуются удельная электрич. проводимостью 10-4-10-5 Ом-1см-1. Все стеклообразные ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫм. имеют электронную проводимость, обнаружи вают фотопроводимость и термоэдс. При медленном охлаждении обычно превращаются в кристаллические ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫм. Др. важным классом некристаллических ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ м. являются твердые растворы ряда аморфных полупроводников с водородом, так называемой гидрированные некристаллические ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫм.: 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 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫм. и замыкает на себе значительной количество "болтающихся" связей, характерных для аморфных полупроводников. В результате резко снижается плотность энергетич. состояний в запрещенной зоне и появляется возможность создания р-п-пе-реходов. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫм. являются также ферриты, сегнетоэлектрики и пьезоэлектрики.

Осн. электрофизических свойства важнейших ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫм. (ширина запрещенной зоны, подвижность носителей тока, температура плавления и т.д.) представлены в табл. 1. Ширина запрещенной зоны DEg является одним из фундам. параметров ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫм. Чем больше DEg, тем выше допустимая рабочая температура и тем более сдвинут в коротковолновую область спектра рабочий диапазон приборов, создаваемых на основе соответствующих ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫм. Например, макс. рабочая температура германиевых приборов не превышает 50-60°С, для кремниевых приборов она возрастает до 150-170°С, а для приборов на основе GaAs достигает 250-300°С; длинноволновая граница собств. фотопроводимости составляет: для InSb-5,4 мкм (77 К), InAs-3,2 мкм (195 К), Ge-1,8мкм (300 К), Si-Ммкм (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 кристаллич. решетке, поэтому для широкозонных ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫм. характерны высокие температуры плавления, что создает большие трудности на пути создания чистых и структурно совершенных монокристаллов таких ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫм. Подвижность носителей тока ц в значительной мере определяет частотные характеристики полупроводниковых приборов. Для создания приборов сверхвысокочастотного диапазона необходимы ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫм., обладающие высокими значениями m. Аналогичное требование предъявляется и к ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ м., используемым для изготовления фотоприемников. Температура плавления и период кристаллич. решетки, а также коэффициент линейного термодинамически расширения играют первостепенную роль при конструировании гетероэпитаксиальных композиций (см. ниже). Для создания совершенных гетероструктур желательно использовать ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ м., обладающие одинаковым типом кристаллич. решетки и миним. различиями в величинах ее периода и коэффициент термодинамически расширения. Плотность ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ м. определяет такие важные техн. характеристики, как удельная расход материала, масса прибора.

Получение. Необходимым условием достижения высоких электрофизических характеристик ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫм. является их глубокая очистка от посторонних примесей. В случае Ge и Si эта проблема решается путем синтеза их летучих соединение (хлоридов, гидридов) и последующей глубокой очистки этих соединение с применением методов ректификации, сорбции, частичного гидролиза и спец. термодинамически обработоколо Хлориды особой чистоты подвергают затем высокотемпературному восстановлению водородом, прошедшим предварит. глубокую очистку, с осаждением восстановленных продуктов на кремниевых или германиевых прутках. Из очищенных гидридов Ge и Si выделяют путем термодинамически 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 соединение проводят либо в запаянных кварцевых ампулах при контролируемом давлении паров летучего компонента в рабочем объеме, либо под слоем жидкого флюса (например, особо чистого обезвоженного В2О3). Синтез соединение, имеющих большое давление паров летучего компонента над расплавом, осуществляют в камерах высокого давления. Часто процесс синтеза совме щают с последующей дополнительной очисткой соединение путем направленной или зонной кристаллизации расплава.

Наиб. распространенный способ получения монокристаллов ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ м.-вытягивание из расплава по методу Чохральско-го (см. Монокристаллов выращивание). Этим методом получают монокристаллы Ge, Si, соединение типа AIIIBV, AIIBVI, AIVBVl и т. д. Вытягивание монокристаллов неразлагающихся ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ м. проводят в атмосфере Н2, инертных газов или в условиях глубокого вакуума. При выращивании монокристаллов разлагающихся соединение (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 объеме над расплавом определенное давление инертного газа. Часто процесс вытягивания осуществляют в камерах высокого давления, совмещая процесс выращивания монокристаллов с предварит. синтезом соединение под слоем флюса (GaAs, InP, GaP и др.).

Для выращивания монокристаллов ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ м. также широко используют методы направленной и зонной кристаллизации расплава в контейнере. В случае разлагающихся соединение для получения монокристаллов требуемого стехиометрич. 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 кристаллографич. ориентации используют ориентированные соответствующим образом монокристал-лич. затравки.

Для выращивания монокристаллов ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ м., обладающих подходящим сочетанием плотности и поверхностного натяжения расплава, используют метод бестигельной зонной плавки. Наиб. 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 предварит. дополнительной очисткой ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫм. зонной плавкой.

Для получения монокристаллов ряда тугоплавких разлагающихся полупроводниковых соединений (например, CdS, ZnS, SiC, A1N и др.) используют кристаллизацию из газовой фазы (методы сублимации и химический транспортных реакций). В случае если при выращивании монокристаллов не удается получить соединение требуемого стехиометрич. состава, кристаллы разрезают на пластины, которые подвергают дополнительной отжигу в парах недостающего компонента. Наиб. часто этот прием используют в технологии получения монокристаллов узкозонных соединений типа AIIBVI и AIVBVI, где собств. точечные дефекты сильно влияют на концентрацию и подвижность носителей тока, т.е. проявляют высокую электрич. активность (PbTe, PbxSn1-xTe, CdxHg1-xTe и др.). При этом удается снизить концентрацию носителей заряда в кристаллах на несколько порядков. Для выращивания профилированных монокристалов ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ м. (ленты, прутки, трубы и т. д.) используют метод Степанова.

Широко распространено получение ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫм. в виде моно-кристаллич. пленок на различные рода монокристаллич. подложках. Такие пленки называют эпитаксиальными, а процессы их получения-эпитаксиальным наращиванием. Если эпитак-сиальная пленка наращивается на подложку того же вещества, то получаемые структуры называют гомоэпитаксиальными; при наращивании на подложку из др. материала-гетероэпитак-сиальными. 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 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ м. используют методы жидкостной, газофазной и молекулярно-пуч-ковой эпитаксии. Методом жидкостной эпитаксии получают гомо- и гетероэпитаксиальные структуры на основе соединение типа AIIIBv, AIIBVI, AIVBV1 и их твердых растворов. В качестве растворителя обычно используют расплав нелетучего компонента соответствующего соединения. Наращивание эпитаксиального слоя проводят либо в режиме программируемого снижения температуры, либо из предварительно переохлажденного расплава. Этим методом можно воспроизводимо получать многослойные структуры с толщинами отдельных слоев до ~ 0,1 мкм при толщинах переходных слоев на гетерогра-ницах порядка десятков нм.

Наиб. распространенными методами газофазной эпитаксии являются: хлоридная, хлоридно-гидридная и с применением металлоорганическое соединении. При хлоридной эпитаксии в качестве исходных материалов используют летучие хлориды элементов, входящих в состав ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ м. Исходными материалами при хлоридно-гидридной эпитаксии являются летучие хлориды и гидриды соответствующих элементов, а при эпитаксии с применением летучих металлоорганическое соединение используют также летучие гидриды. Процессы осуществляют в реакторах проточного типа, транспортирующим газом является Н2. Все исходные материалы и Н2 подвергают предварит. глубокой очистке. Преимущества эпитаксиального наращивания пленок с применением металлоорганическое соединение: отсутствие в газовой фазе хлорсодержащих компонентов, химически взаимодействующих с подложкой, низкие рабочие температуры, простота аппаратурного оформления, легкость регулирования толщины и состава эпитаксиальных слоев. Метод обеспечивает создание многослойных структур с тонкими, однородными по толщине слоями и резкими границами раздела и позволяет воспроизводимо получать слои толщиной менее 10 нм при ширине переходной области менее 1-5 нм. Его широко используют для выращивания эпитаксиальных структур соединение типа АIIIВV, АIIIВVI, AIVBVI и твердых растворов на их основе. Получение эпитаксиальных структур Si и Ge осуществляется в процессе водородного восстановления соответственно хлоридов или термодинамически разложением гидридов.

Перспективен метод молекулярно-пучковой эпитаксии. Процесс осуществляют в условиях глубокого вакуума (10 10-10-12 мм рт.ст.) при использовании мол. пучков соответствующих элементов. Применение особо чистых исходных веществ, создание многокамерных установок с охлаждаемыми до низких температур и вращающимися держателями подложек позволяют резко повысить чистоту выращиваемых слоев и их однородность. Разработан метод получения эпитаксиальных композиций, содержащих несколько летучих компонентов. Существенно повышается "гибкость" процесса применением при наращивании слоев и их легировании ионных пучков, а также летучих соединение в качестве источников соответствующих элементов. Детальное исследование механизмов кристаллизации позволило оптимизировать условия травления подложек с получением атомно-гладких и атомно-чистых поверхностей, увеличить скорости роста слоев при сохранении рекордно низких температур эпитаксиального наращивания. Все это позволяет получать этим методом многослойные эпитаксиальные структуры со сверхтонкими слоями и наим. толщинами переходных слоев. Методом молекулярно-пучковой эпитаксии выращивают эпитаксиальные композиции Si, соединение типа AIIIBV, AIIBVI, AIVBVI и твердых растворов на их основе.

Применение низкотемпературных методов эпитаксии решает не только проблему создания гетеропереходов с резкими границами раздела и p-n-переходов, но и способствует совершенствованию создаваемых эпитаксиальных композиций. Прогресс в развитии низкотемпературной молекулярно-пучковой эпитаксии и эпитаксии с применением металлоорганическое соединение позволил получить высококачеств. гетероструктуры ряда соединение типа AIIIBV на кремниевых подложках (GaAs/Si, GaAs-GaAlAs/Si, InP/Si, GaP/Si). Это открывает новые возможности на пути интеграции электронных устройств и повышения их быстродействия. Получение однородных по толщине с заданным распределением состава и электрич. свойств тонких и сверхтонких эпитаксиальных слоев с резкими p-n-переходами и гетерогра-ницами сделало реальным создание многослойных композиций со сверхтонкими слоями, которые представляют собой, по сути, новый тип ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ м., т. к. их свойства определяются характером распределения, толщинами и составом входящих в них слоев. Толщины отдельных слоев может быть доведены до величин, меньших длины свободный пробега электронов, что позволяет "конструировать" зонную структуру полупроводника. По существу, речь идет о новом направлении в технике выращивания монокристаллов -кристаллоинженерии, создании периодической структур с ультратонкими слоями-сверхрешеток, физических свойства которых определяются кван-товоразмерными эффектами.

Легирование. Для получения ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫм. электронного типа проводимости (n-типа) с изменяющейся в широких пределах концентрацией носителей заряда (электронов) обычно используют донорные примеси, образующие "мелкие" энер-гетич. уровни в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости (энергия ионизации 0,05 эВ). Для ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ м. дырочного типа проводимости (р-типа) аналогичная задача решается путем введения акцепторных примесей, образующих "мелкие" энергетич. уровни в запрещенной 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 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫм. n-типа и sр = empp для ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫм. р-типа (sn и sр-проводимость; mn и mр-подвижности электронов и дырок соответственно). Для Ge и Si основные донорными легирующими примесями являются элементы V гр. периодической системы: Р, As, Sb, a акцепторными-элементы III гр.: В, Al, Ga. Для соединение типа AIIIBV-соответственно 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 соединение типа AIIIBV могут проявлять как донорные, так и акцепторные свойства. В соединение 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 определенного типа собств. точечных дефектов структуры в криcталлах

Перечисленные выше легирующие примеси образуют, как правило, твердые растворы 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°С в Ge, 1200-1350°C в Si и 1100-1200°С 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, Аи и др.) в большинстве ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫм. образуют глубокие, часто многозарядные донорные или акцепторные уровни в запрещенной зоне, имеют большие сечения захвата носителей заряда и являются эффективными центрами рекомбинации носителей, приводя к значительной снижению их времени жизни. Эти примеси обладают малой и обычно ярко выраженной ретроградной растворимостью в ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ м. и имеют очень малые значения коэффициент распределения между кристаллом и расплавом. Легирование ими производят в тех случаях, когда надо получить ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ м. с малым временем жизни носителей или с высоким удельная электрич. сопротивлением, достигаемым компенсацией мелких энергетич. уровней противоположной природы. Последнее часто используют для получения полуизолирующих кристаллов широкозонных ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ м. типа AIII BV (GaAs, GaP, InP); легирующими примесями служат Сг, Fe, Ni. Осн. характеристики наиболее распространенных примесей в важнейших ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫм. представлены в табл. 2.

Легирование ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ м. обычно осуществляют непосредственно в процессах получения монокристаллов и эпитаксиальных структур. Примесь вводится в расплав либо в виде элемента, либо в виде сплава с данным ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫм. (лигатуры). Часто легирование осуществляют из газовой фазы (паров) данного элемента или его легколетучих соединений. Это-основные способ легирования в процессах эпитаксии при кристаллизации из газовой фазы. При молекулярно-пучковой эпитаксии источником легирующей добавки обычно является сама элементарная примесь. Расчет необходимого содержания легирующей примеси требует знания точной количеств, связи между ее концентрацией и заданными свойствами ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ м., а также основных физико-химический характеристик примеси: коэффициент распределения между газовой фазой и кристаллом (К), упругости паров и скорости испарения в широком интервале температур, растворимости в твердой фазе и т.п.

Одна из главных задач легирования - обеспечение равномерного распределения вводимой примеси в объеме кристалла и по толщине эпитаксиального слоя. При направленной кристаллизации из расплава равномерное распределение примеси по длине слитка достигается либо путем поддержания ее пост. концентрации в расплаве за счет его подпитки из твердой, жидкой или газовой фазы, либо путем программированного изменения эффективного коэффициент распределения примеси при соответствующем изменении параметров процесса роста. При зонной перекристаллизации для примесей с К1 обычно используют целевую загрузку примеси в начальную расплавл. зону с последующим ее проходом через всю заготовку. Эффективный способ повышения объемной однородности монокристаллов - воздействие на массоперенос в расплаве наложением магн. поля. Однородного распределения примеси -по толщине слоя в процессе жидкофазной эпитаксии достигают кристаллизацией при пост. температуре в условиях подпитки расплава, а при газофазной эпитаксии - поддержанием пост. концентрации легирующей примеси в газовой фазе над подложкой на протяжении всего процесса наращивания.

Легирование ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ м. может быть осуществлено также путем радиац. воздействия на кристалл, когда в результате ядерных реакций с участием собств. атомов вещества образуются электрически активные примеси. Наиб. интерес для радиац. легирования представляет воздействие тепловыми нейтронами, которые обладают большой проникающей способностью, что обеспечивает повыш. однородность легирования. Концентрация примесей, образующихся в результате нейтронного облучения, определяется соотношением: Nпр = = N0siCift, где N0-количество атомов в единице объема ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫм.; si-сечение поглощения тепловых нейтронов; Ci- со держание (%) соответствующего нуклида в естеств. смеси; ср-плотность потока тепловых нейтронов; t - время облучения. Легирование облучением тепловыми нейтронами обеспечивает строго контролируемое введение заданных концентраций примеси и равномерное ее распределение в объеме кристалла. Однако в процессе облучения в кристалле образуются радиац. дефекты, для устранения которых необходим последующий высокотемпературный отжиг. Кроме того, может появиться наведенная радиоактивность, требующая выдержки образцов после облучения. Легирование облучением тепловыми нейтронами обычно используют для получения однородно легированных фосфором монокристаллов Si с высоким удельная электрич. сопротивлением. В данном случае происходят следующей ядерные реакции:


Перспективен этот метод для GaAs и ряда др. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ м.

При создании структур с p-n-переходами для полупроводниковых приборов широко используют легирование путем диффузионного введения примеси. Профиль концентрации примеси при диффузии описывается обычно функцией ошибок и имеет вид плавной кривой, характер которой определяется следующей факторами: температурой и временем проведения процесса; толщиной слоя, из которого осуществляется диффузия; концентрацией и формой нахождения примеси в источнике, а также ее электрич. зарядом и возможностью взаимодействия с сопутствующими примесями и дефектами в ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ м. Из-за малых значений коэффициент диффузии основные легирующих примесей диффузионное легирование обычно проводят при высоких температурах (для Si, например, при 1100-1350°С) и в течение длительного времени; при этом оно, как правило, сопровождается генерированием в кристалле значительной количества структурных дефектов, в частности дислокаций. При диффузионном легировании возникают трудности в получении тонких легированных слоев и достаточно резких p-n-пере-ходов.

Для получения тонких легированных слоев перспективны процессы ионного легирования (ионной имплантации), при которых введение примесных атомов в приповерхностный слой материала осуществляется путем бомбардировки соответствующими ионами с энергией от несколько КэВ до несколько МэВ. Возможность введения практически любой примеси в любой ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫм., низкие рабочие температуры процесса, гибкое управление концентрацией и профилем распределения вводимой: примеси, возможность легирования через диэлектрическая покрытия с получением тонких, сильно легированных слоев обеспечили широкое распространение этого метода в технологии полупроводниковых приборов. Однако в процессе ионного легирования генерируются собств. точечные дефекты структуры, возникают области разупорядочения решетки, а при больших дозах-аморфизованные слои. Поэтому для получения качеств. легированных слоев необходим последующий отжиг введенных дефектов. Отжиг проводят при температурах суще-ртвенно более низких, чем при диффузии (для Si, например, не выше 700-800°С). После отжига свойства имплантированных слоев близки к свойствам материала, легированного до тех же концентраций традиц. методами.

Структурные дефекты. Осн. структурными дефектами в монокристаллах и эпитаксиальных слоях ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫм. являются дислокации, собств. точечные дефекты и их скопления, дефекты упаковки. При выращивании монокристаллов дислокации возникают под действием термодинамически напряжений, обусловленных неоднородным распределением температуры в объеме слитка. Др. источниками дислокаций в монокристаллах являются дислокации, прорастающие из затравки, примесные неоднородности, отклонения от стехио-метрич. состава. Часто дислокации образуют в кристаллах устойчивые скопления - малоугловые границы. Осн. способами снижения плотности дислокаций в монокристаллах являются: уменьшение уровня термодинамически напряжений путем подбора соответствующих тепловых условий выращивания, обеспечение равномерного распределения состава в объеме, строгий контроль стехиометрич. состава, введение "упрочняющих" примесей, затрудняющих движение дислокаций и их размножение. В настоящее время даже в пром. условиях выращивают бездислокац. монокристаллы Si диаметром до 250 мм. Успешно решается задача получения бездислокац. монокристаллов Ge, GaAs, InSb и др. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ м.

В эпитаксиальных композициях основные источниками дислокаций являются: напряжения несоответствия, обусловленные различием периодов решетки сопрягающихся материалов; термодинамически напряжения из-за различия коэффициент термодинамически расширения сопрягающихся материалов или неравномерного распределения температуры по толщине и поверхности наращиваемого слоя; наличие градиента состава по толщине эпитаксиаль-ного слоя. Особенно трудна задача получения малодисло-кац. 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 кристаллич. решетки) гетеропары. При выращивании на монокристаллич. подложке бинарных соединений для создания изопериодных гетеропар используют Четверные твердые растворы, в состав которых входит и вещество подложки.

Важнейшими собств. точечными дефектами в Ge и Si являются вакансии и междоузельные атомы, а также различные рода комплексы, образующиеся в результате взаимодействия этих дефектов между собой или с атомами остаточных и легирующих примесей. В бинарных соединений точечными дефектами может быть вакансии в любой из подрешеток, междо узельные атомы обоих компонентов, которые могут находиться в решетке в различные положениях, атомы компонента В на местах атомов А и наоборот. Как и в элементарных ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ м., эти "простые" собств. точечные дефекты могут взаимодействовать между собой и с примесями с образованием разнообразных комплексов. Еще более сложной выглядит картина образования дефектов в многокомпонентных соединений и твердых растворах. Собств. точечные дефекты образуются при нагреве, облучении частицами высоких энергий, пластич. деформациях; существ. роль играет отклонение состава от стехиометрического. Наиб. эффективными способами снижения концентрации собств. точечных дефектов в ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫм. является термообработка в различные средах. В случае химический соединений термообработку обычно проводят в атмосфере паров недостающего компонента, выбирая рабочие температуры с учетом конфигурации области гомогенности.

Применение. Важнейшая область применения ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫм.-микроэлектроника. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫм. составляют основу современной 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 твердых растворов с другими соединение типа АIII ВV. В больших масштабах используют ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ м. для изготовления "силовых" электронных приборов (вентили, тиристоры, мощные транзисторы). Здесь также основные материалом является Si, а дальнейшее продвижение в область более высоких рабочих температур связано с применением GaAs, SiC и др. широкозонных ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ м. С каждым годом расширяется применение ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫм. в солнечной энергетике. Основными ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫм. для изготовления солнечных батарей являются Si, GaAs, гетероструктуры GaxAl1_xAs/GaAs, Cu2S/CdS, a-Si:H, гетероструктуры a-Si:H/a-SixC1-x:H. С применением в солнечных батареях некристаллич. гидрированных Пг м. связаны перспективы резкого снижения стоимости солнечных батарей. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫм. 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. Для изготовления светодиодов широко используют: GaA, GaP, GaAs1-xPx, GaxIn1-xAs, GaxAl1-xAs и др. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫм. составляют основу современной приемников оптический 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, Pbx Sn1-xTe и ряда др. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ м. Полупроводниковые лазеры и фотоприемники-важнейшие составляющие элементной базы волоконно-оптический линий связи. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫм. используются для создания различные СВЧ приборов (биполярных и полевых транзисторов, транзисторов на "горячих" электемпературонах, лавинопролетных диодов и др.). Важные области применения ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫм.: детекторы ядерных излучений (используют особо чистые Ge, Si, GaAs, CdTe и др.), изготовление термохолодильников, тензодатчиков, высокочувствительный термометров, датчиков магн. полей и т.п. приборов.

Литература: Горелик С. С., Дашевcкий М. Я., Материаловедение полупроводников и металловедение, М., 1973; Мильвидский М. Г., Полупроводниковые материалы в современной электронике, М., 1986; Пасынков В. В., Сорокин В. С, Материалы электронной техники, 2 изд., М., 1986; Нашель-ский А. Я., Технология полупроводниковых материалов, М., 1987; Мейли-хов Е. 3., Лазарев С. Д., Электрофизические свойства полупроводников. (Справочник физических величин), М., 1987. М. Г. Мильвидский.

Химическая энциклопедия. Том 4 >> К списку статей


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]    [обратная связь]

 

 

Реклама
купить цветы с доставкой
Фирма Ренессанс: модульные лестницы для дачи эконом - всегда надежно, оперативно и качественно!
самба стул
склады временного хранения вещей в москве дешево

Рекомендуемые книги

Введение в химию окружающей среды.

Книга известных английских ученых раскрывает основные принципы химии окружающей среды и их действие в локальных и глобальных масштабах. Важный аспект книги заключается в раскрытии механизма действия природных геохимических процессов в разных масштабах времени и влияния на них человеческой деятельности. Показываются химический состав, происхождение и эволюция земной коры, океанов и атмосферы. Детально рассматриваются процессы выветривания и их влияние на химический состав осадочных образований, почв и поверхностных вод на континентах. Для студентов и преподавателей факультетов биологии, географии и химии университетов и преподавателей средних школ, а также для широкого круга читателей.

Химия и технология редких и рассеянных элементов.

Книга представляет собой учебное пособие по специальным курсам для студентов химико-технологических вузов. В первой части изложены основы химии и технологии лития, рубидия, цезия, бериллия, галлия, индия, таллия. Во второй части книги изложены основы химии и технологии скандия, натрия, лантана, лантаноидов, германия, титана, циркония, гафния. В третьей части книги изложены основы химии и технологии ванадия, ниобия, тантала, селена, теллура, молибдена, вольфрама, рения. Наибольшее внимание уделено свойствам соединений элементов, имеющих значение в технологии. В технологии каждого элемента описаны важнейшие области применения, характеристика рудного сырья и его обогащение, получение соединений из концентратов и отходов производства, современные методы разделения и очистки элементов. Пособие составлено по материалам, опубликованным из советской и зарубежной печати по 1972 год включительно.

 

 



Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100

Copyright © 2001-2012
(11.12.2016)