Необходимостьполучения материалов, обладающих специальными свойствами, выдвигают переднаукой задачу дальнейшего развития физики и химии твердого тела, призванныхразрабатывать научные основы создания новых конструкционных материалов сзаданными свойствами.
Успехразвития полупроводниковой техники и связанных с ней отраслей (электроники,энергетики и др.) в значительной мере определяются достижениями в областиразработки и получения полупроводниковых сплавов с определенными стабильнымиэлектрофизическими, механическими и другими свойствами. Поэтому разработка вопросов,связанных с получением полупроводниковых материалов, обладающих определеннымкомплексом свойств, т. е. тех вопросов, круг и задачи которых составляетпредмет материаловедения полупроводников, являются одной из важнейших задачнауки и техники.
Толькопосле того, как Ge и Si удалось значительно очистить от сопутствующих примесейи получить в виде монокристаллов, были обнаружены их новые свойства, которыеопределили основное направление работ по полупроводниковым материалам [1].
В качестве примера влияния степени чистотыматериала на его свойства можно привести данные [2]. Температура и плавление Alпо мере увеличения степени его чистоты изменяется следующим образом: при 99,2 и99,5% Al температура плавления ( Тпл ) равна соответственно 930 и 931 К. Присодержании основного вещества 99,6% Тпл = 931,7 К, а для 99,97%-ного Alтемпература плавления равна 932,8 К. В случае Al, содержащего 99,996% основноговещества Тпл = 933,24 К.
Так же сильно зависит от степени чистоты Al иего плотность ( d ): при 99,25% Al d = 2,727; 99,40% Al — d = 2,706; 99,75% Al- d = 2,703; 99,971% Al — d = 2,6996; 99,996% Al — d = 2,6989 г/см3.
Подобным образом зависит температурарекристаллизации предварительного деформированного Al от степени его чистоты:99,99% Al — Трекр = 373 К; 99,999% Al — Трекр = комнатной температуре; алюминийчистотой 99,9992% и деформированный при температуре жидкого азота,рекристаллизуется при Т = 223 К. К тому же, с повышением чистоты Alувеличивается его электропроводность, отражательная способность, пластичность икоррозионная стойкость.
Отличительнойчертой полупроводников является их очень сильная чувствительность кнезначительным внешним воздействиям — температуре, электрическому и магнитномуполям, гидростатическому давлению, свету и т. д. [3].
Типичнымипредставителями полупроводников являются германий и кремний. Тем не менее самипо себе эти материалы с собственным сопротивлением не могут быть использованы втехнике для создания полупроводниковых приборов [1]. В этом случаепредварительно очищенный материал легируют различными электроактивнымипримесями, сообщающими полупроводнику тот или иной тип проводимости иопределенные электрические характеристики. В связи с этим возникла проблемаизучения растворимости различных элементов в полупроводниках (Ge, Si,соединения АIIIBV, AIIBVI, AIVBVI и т.д.) и детального построения диаграммсостояния типа полупроводник-легирующий элемент.
Присоздании полупроводниковых сплавов в некоторых случаях в основной материалвводят несколько легирующих элементов. В таких случаях наличие легирующегоэлемента одного типа может оказать существенное влияние на поведение элементадругого типа в связи с возможностью химического взаимодействия между ними [4,5]. В этой связи потребовалось установить закономерности поведения легирующихкомпонентов при получении сложнолегированных полупроводниковых сплавов.
Вразработке общей проблемы легирования полупроводников и полученияполупроводниковых сплавов на их основе выделяют три основных направления [1]:
исследованиерастворимости легирующих элементов и построение соответствующих диаграммсостояния как двойных, так и тройных систем;
изучениевзаимодействия между легирующими компонентами как в твердых, так и в жидкихрастворах на основе полупроводников;
разработкарациональных методов легирования и термообработки с целью получения сплавов,обладающих необходимым комплексом электрофизических и физико-химическихсвойств.
Высокаяхимическая активность и диссоциация ряда полупроводниковых соединений,усложнение их состава (многокомпонентные полупроводники, например, GaxIn1-xP,GaPyAs1-y и т.д.), наличие легирующих примесей, изменение типа химическойсвязи и структуры ближнего порядка при плавлении ставят новые вопросы передфизико-химическим анализом. Наличие двух- и трехкомпонентных полупроводниковыхсоединений привело к необходимости анализа в рамках трех-, четырехкомпонентныхсистем так называемых квазибинарных, квазитройных и т.д. систем, что, учитываяналичие определенной степени диссоциации, делает проблематичным само введения такихпонятий [6]. Данное положение находит свое проявление и в наблюдаемом для рядаполупроводниковых систем несоответствии между квазибинарным характером диаграммсостояния систем и диаграммами состав-свойство. Кроме того, значительныеэлементы в проблему гетерогенных равновесий вносит и наличие областейгомогенности на основе полупроводниковых соединений. Термодинамический подход кописанию и анализу гетерогенных равновесий дает возможность не только оценитьположение линий (поверхностей) фазавого равновесия в системе или значениетермодинамических характеристик процессов плавления (кристаллизации) и смешение(растворение), но и дает возможность выявить природу поведения химическихкомпонентов и характер их взаимодействия в полупроводниковых системах.
Развитиеполупроводниковой опто- и микроэлектроники привело к широкому использованиюполупроводниковых соединений. Взаимодействие различных соединений друг с другомприводит к образованию твердых растворов, что дает возможность путем изменениясостава раствора получать материалы с наперед заданными свойствами.
Расчетыпроцессов кристаллизации легированных монокристаллов полупроводниковосновываются на знании элемента между твердой и жидкой фазами, которыйнепосредственно вытекает из диаграммы состояния полупроводник-легирующийэлемент [1, 7, 8]. При этом нужно исходить из того, что коэффициентраспределения является таким параметром, анализ которого позволит установитьфизико-химическую природу взаимодействия между компонентами [8, 9].
Довольносложно решается задача воспроизводимого легирования полупроводниковыхсоединений с целью получения кристаллов с необходимыми свойствами. Это связанос тем, что сами задаваемые свойства варьируются в очень широких пределах и приэтом, как правило, необходимо выращивать такие кристаллы с определеннымсочетанием различных свойств (например, оптических и электрофизических) сучетом высокой однородности распределения последних в объеме. Более того,многие примеси в полупроводниковых соединениях обнаруживают довольно сложноеповедение, а, следовательно, правильный выбор оптимальной легирующей добавкизависит в этом случае от результатов предварительных исследований влияниепримесей на электрофизические и оптические свойства таких кристаллов [10].
Изменениехимического состава по-разному влияет на свойства в зависимости от того, какимиизменениями в фазовом составе оно сопровождается. Следовательно, важно нетолько знать какие фазы образуются при взаимодействии элементов, но и уметьпрогнозировать фазовый состав и пути воздействия на него. При внешнемвоздействии можно получить фазовые состояния с различной степенью отклонения отравновесного, что дает дополнительные возможности для управления свойствами[11].
Точечныедефекты, дислокации, дефекты упаковки и другие нарушения структуры, управляютпроцессами диффузии, а также влияют на электрические, тепловые и другиесвойства кристаллов. Без достаточно глубокого понимания дефектовкристаллической структуры и знания процессов их влияния на свойстваполупроводниковых материалов невозможно использование полезных свойств такихкристаллов и тем более получение кристаллов с наперед заданными свойствами[12]. К настоящему времени в изучении дефектов накоплен большой материал,причем их изучение позволило не только выявить целый ряд новых, ранее неизвестных явлений, но и выработать рекомендации по управлению свойствамиполупроводниковых материалов.
Подводяитоги сказанному выше можно заключить, что материаловедение полупроводников — это научная дисциплина, изучающая закономерности образования металлических иполупроводниковых фаз (элементарных веществ, растворов, соединений, сплавов), вравновесных и неравновесных условиях, влияние химического и фазового состава,атомной структуры и структурных дефектов фаз на свойства материалов, а такжеразрабатывающая научные и практические пути воздействия на их фазовый состав,структуру и физико-химические свойства.
Список литературы
ГлазовВ. М., Земсков В. С. Физико-химические основы легирования полупроводников. -М.:Наука, 1967. -С. 371.
БеляевА. И. Физико-химические основы очистки металлов и полупроводниковых материалов.-М.: Металлургия, 1973. -С.224.
ФистульВ. И. Физика и химия твердого тела. Т. 2. -М.: Металлургия, 1995. -С. 320.
МилнсА. Примеси с глубокими уровнями в полупроводниках. -М.: Мир, 1977. -С. 562.
СамсоновГ. В., Бондарев В. Н. Германиды. -М.: Металлургия, 1968. -С. 220.
УфимцевВ. Б., Лобанов А. А. Гетерогенные равновесия в технологии полупроводниковыхматериалов. -М.: Металлургия, 1981. -С. 216.
ПфаннВ. Зонная плавка. -М.: Мир, 1970. -С. 366.
НисельсонЛ. А., Ярошевский А. Г. Межфазовые коэффициенты распределения. Равновесиякристалл-жидкость и кристалл-пар. -М.: Наука, 1992. -С. 390.
ВигдоровичВ. Н., Вольпян А. Е., Курдюмов Г. М. Направленная кристаллизация ифизико-химический анализ. -М.: Химия, 1976. -С. 198.
МильвидскийМ. Г., Пелевин О. В., Сахаров Б. А. Физико-химические основы полученияразлагающихся полупроводниковых соединений. -М.: Металлургия, 1974. -С. 392.
ГореликС. С., Дашевский М. Я. Материаловедение полупроводников и металловедение. -М.:Металлургия, 1973. -С. 496.
ЛевицкийЮ. Т. Макроскопические дефекты кристаллической структуры и свойства материалов.-М.: Наука, 1988. -С. 200.
Дляподготовки данной работы были использованы материалы с сайта kristall.lan.krasu.ru/