Сумськийдержавнийуніверситет
ЕлИТ факультет
Кафедра прикладної фізики
КУРСОВА РОБОТА
з дисципліни
„ТЕХНОЛОГІЧНІ ОСНОВИЕЛЕКТРОНІКИ”
Тема роботи: Загальнахарактеристика напівпровідникових матеріалів
Виконала: ст. гр. ЕП-81
Копил А.М.
Перевірив: Опанасюк Н.М.
Суми – 2010
ЗМІСТ
Вступ
1. Класифікація напівпровідниковихматеріалів
1.1 Германій
1.2 Кремній
1.3 Селен
1.4 Карбід кремнію
1.5 Окисні напівпровідники
1.6 Склоподібні напівпровідники
1.7 Органічнінапівпровідники
2. Застосування напівпровідниковихматеріалів та вимоги до них
3. Електрофізичні властивості
3.1 Зонна структуранапівпровідникових сплавів
3.2 Методи виробництва кремній –германієвих сплавів
3.3 Дислокаціїв місцях концентраційних флуктуацій
Висновки
Література
ВСТУП
Кількістьтипів напівпровідникових приладів дуже великий і кожний прилад залежно відпринципу дії й необхідних електричних параметрів має потребу внапівпровідниковому матеріалі з певними властивостями.
Швидке зростаннявиробництва й підвищення надійності виробів електронної техніки залежать нетільки від методів їхнього виготовлення й культури, але й у значній мірі віделектрофізичних й інших властивостей застосовуваних матеріалів, які в багатьохвипадках визначає параметри напівпровідникових приладів й інтегральнихмікросхем і впливають на стабільність їхньої роботи в електричних і тепловихрежимах, а також при тривалому зберіганні.
Технологіяпромислового виробництва напівпровідникових приладів й інтегральних мікросхем — складний багатоступінчастий процес, що вимагає застосування на кожному етапівеликої кількості специфічних матеріалів з певними властивостями. Так, основоюдля створення цілого ряду виробів електронної техніки став клас матеріалів — напівпровідники, які мають властивості, необхідні для одержання приладів звисокими електричними характеристиками.
Напівпровідниковіматеріали, які застосовують для виготовлення різних класів приладів іінтегральних схем, повинні відповідати ряду вимог.
При розгортаннівиробництва нових електронних приладів на напівпровідниковій основі віддача відінвестицій носить кумулятивний характер: на кожному етапі впровадження новихтехнологій неможливе без виробничої бази, створеної раніше. Тому має сенсмаксимально використовувати наявне устаткування, удосконалюючи його підпостійно змінні вимоги ринку. Такий підхід дозволяє без величезних разовихвкладень працювати на сучасному рівні, його використовують більшість сучаснихфірм, таких як Intel, Sony, Toshiba, IBM. Одна із сторін методу – використанняматеріалів з новими властивостями, що дозволяють використовувати для своєїобробки широко поширені, налагоджені і такі, що окупили себе технології.
1. КЛАСИФІКАЦІЯНАПІВПРОВІДНИКОВИХ МАТЕРІАЛІВ
Напівпровідниковіматеріали по хімічному складі можна розділити на прості й складні. Простиминапівпровідниковими матеріалами є хімічні елементи: бор В, вуглець СО2,германій Ge, кремній Si, селенів So, сірка S, сурма Sb, телур Ті й йод J.Найбільш широке застосування як самостійні напівпровідникові матеріали знайшлитільки три з них: германій, кремній і селенів. Інші використаються як легуючідобавки до германія й кремнію або компонентів складних напівпровідникових матеріалів.
Угрупу складних напівпровідникових матеріалів входять хімічні сполуки, щоволодіють напівпровідниковими властивостями й включають у себе два, три абобільше елементи, наприклад арсенід галію GaAs, телурид вісмуту Bi2Te3,силіцид цинку й фосфору ZnSi2 і ін. Напівпровідникові матеріали цієїгрупи, що складаються із двох елементів, називаються бінарними сполуками й таксамо, як це прийнято в неорганічній хімії, мають найменування того компонента,у якого металеві властивості виражені слабкіше. Так, бінарні сполуки, щомістять миш'як, називають арсенідами, сірку — сульфідами, телур-телуридами,вуглець — карбідами.
Твердірозчини напівпровідникових матеріалів позначають символами вхідних у нихелементів з індексами, які визначають атомну частку цих елементів у розчині [1].
Доскладних напівпровідникових матеріалів відносять також тирит, сіліт, ферит,аморфні стекла й ін.
Поступені досконалості решітки всі кристали можна розділити на ідеальні йреальні, а по сполуці — на стехіометричні й нестехіометричні.
Ідеальні— це кристали, кожний атом яких перебуває у положенні, які характеризуютьмінімумом потенційної енергії, тобто упорядковано розташований як стосовносвоїх найближчих сусідніх атомів, так і до атомів усього об'єму кристала. Стехіометричністюприйнято називати пропорційність масової сполуки вхідних елементів атомниммасам у хімічній формулі речовини, що утворить даний, кристал. Якщо масова сполукакристалічної речовини пропорційна його хімічній формулі, кристал маєстехіометрична сполука. Таким чином, ідеальні кристали по сполуці є стехіометричні.
Більшістьнапівпровідникових матеріалів являє собою кристалічні тверді речовини зупорядкованою періодичною структурою. При описі різних структур користуютьсянаступними термінами:
— елементарний осередок, що представляє собою найменший об'єм кристалічноїречовини у вигляді паралелепіпеда, переміщаючи який уздовж трьох незалежнихнапрямків, можна одержати кристал;
— постійна решітки, обумовлена як довжина елементарного осередку уздовж однієї зосей;
— кристалографічні осі, що показують напрямки кристала й визначають ребраелементарного осередку.
Розглянемоосновні типи кристалічних решіток.
/>
Рисунок1— Розташування атомів у простій кубічній решітці [1]
Простакубічна решітка (рис. 1) складається з атомів, що лежать у вершинах куба.Типовим матеріалом з такою структурою є хлористий цезій, у решітці якогопослідовно чергуються позитивні іони цезію й негативні іони хлору.
Гранецентрованакубічна решітка (рис. 2, а) більш складніша, чим проста кубічна, тому що в нійатоми розміщені не тільки у вершинах куба, але й у середині кожної грані.Типовими матеріалами з такою структурою є хлористий натрій (рис. 2, б) іалюміній.
/>
Рисунок 2 — Розташуванняатомів у гранецентрованій кубічній решітці[1]: а) Загальний вид: 1-хлор; 2-натрій;б) Решітка іонного кристала хлористого натрію
Об’ємноцентрованакубічна решітка складається з атомів, розташованих у кутах і в центрі куба (алене на його гранях). Типовим матеріалом з такою структурою є залізо при нормальнійтемпературі.
/>
Рисунок3 — Решітка типу алмаза [1]
Крімцих порівняно простих, структур існують більше складні, але також з кубічнимелементарним осередком. Найбільш важливої з них є решітка типу алмаза (рис. 3).
Більшістьнапівпровідникових матеріалів після кристалізації мають решітку типу алмаза.Основну роль у цій решітці грає наявність тетраедричних зв'язків; кожний атомз'єднаний із чотирма найближчими атомами валентними зв'язками. Решітка типуалмаза являє собою модифікацію гранецентрованої кубічної решітки й складаєтьсяіз двох гранецентрованих решіток, зрушених відносно один одного на l/4діагоналі осередку. У решітці цього типу ребра елементарного осередку незбігаються з напрямками валентних зв'язків[1] .
1.1 Германій
Германій Geставиться до IV групи періодичної системи елементів. Атомна маса 72,59.Температура плавлення 937° С. Зміст германія в земній корі невеликей становить близько 0,001%. У незначних кількостях германій утримується вцинкових рудах, вугільного пилу, золі, сажі й морській воді. Германій майже немає своїх руд. Єдина руда германія – германіт – містить набагато більше міді,заліза й цинку, чим германія. Видобуток германія – складний технологічнийпроцес.
В твердому станігерманій — типовий ковалентний кристалічний матеріал, що володіє характернимблиском. Механічна обробка германія утруднена, а на звичайних токарських,свердлильних і фрезерних верстатах взагалі неможлива, тому що це дуже твердий тендітнийматеріал.
Кристалічнийгерманій хімічно стійкий на повітрі при кімнатній температурі; при температурівище 600° С окисляється до двоокису германія Ge02. Вода на германійне діє, у соляній НС1, азотній HN03 кислотах германій нерозчиняється. Активно розчиняють германій при кімнатній температурі царськагорілка (суміш соляної й азотної кислот), розчин перекису водню, різні травники(суміші кислот). У розчинах киплячих лугів КІН і NaOH германій добрерозчиняється, а в холодні мало розчинний. Додавання в розчини лугів перекисуводню підвищує розчинність германія. У розплавлених лугах германій швидкорозчиняється з утворенням розчинних у воді германітов. Розплавлені вуглекислийі азотнокислий натрій також швидко розчиняють германій з виділенням відповідногогазу.
Внапівпровідниковій технології широко використають кварцові й графітові тиглі,касети, контейнери й інші вироби.
Основнимисполуками германія є двоокис, моноокис і тетрахлорид германія.
Двоокис германіяGe02 — аморфна або кристалічна речовина. Аморфну (склоподібна)модифікацію одержують швидким охолодженням розплавленого двоокису германія. Уприсутності каталізаторів склоподібна модифікація переходить у кристалічнутетрагональну, котра потім перетворюється в гексагональну. У більшості випадківдвоокис, що утвориться в багатьох процесах, германія являє собою суміш аморфноїй гексагональної модифікацій [1].
Двоокис германіярозчиняється в соляний і сарною кислотах, а також у лузі.
Двоокис германія— порошок білих кольорів, використовуваний для виробництва напівпровідниковогополікристалічного й монокристалічного германія, випускають трьох груп: ГД1, ГД2і ГДЗ, які відрізняються друг від друга змістом основної речовини й домішок.
Моноокис германіяGe утворюються в результаті диспропорційності або в процесі відновленнядвоокису германія. У деяких випадках вона утвориться в розчинах. Моноокисгерманія має аморфну структуру. У воді моноокис германія практично нерозчиняється, а в сарною й соляний кислотах розчиняється повільно.
Тетрахлоридгерманія GeCl4 утвориться в результаті хлорування й солянокислоїобробки германієвих продуктів. Твердий тетрахлорид германія існує у двохмодифікаціях.
Виготовленнячистого монокристалічного германія складається з наступних основних процесів:одержання тетрахлориду германія і його очищення, гідролізу тетрахлоридугерманія й одержання з нього двоокису германія, відновлення двоокису германіяводнем і одержання полікристалічного злитка, очищення полікристалічного злиткавід домішок зонною плавкою, вирощування з розплавленого полікристалічногогерманія злитка монокристала германія.
Вирощуютьмонокристалічні злитки по методу Чохральского, для чого германій завантажують уграфітовий тигель і нагрівають у вакуумі до температури, при якій вінпереходить у розплав. Потім у тигель до зіткнення з поверхнею розплавуопускають запал (стрижень) з монокристалічного германія й після невеликоївитримки в розплаві починають її повільно піднімати з розплаву, одночаснообертаючи.
У міру підйому наторцевій поверхні запалу кристалізується шар розплаву, на якому у свою чергукристалізується новий шар розплаву. У такий спосіб створюється злиток германіяз монокристалічною структурою. Кристалічна структура вирощеного злитка повторюєструктуру запалу.
Для виробництварізноманітних напівпровідникових приладів необхідний германій електронного й дірковоготипів провідності, що володіє певним питомим опором. Тип провідності й питомийопір германія визначаються кількістю уведених у вихідний матеріал акцепторних ідонорних домішок (рис. 4).
/>
Рисунок 4— Залежністьпитомого опору германія від концентрації акцепторних і донорних домішок [2]
Процесвведення домішок називають легуванням. Легуючі домішки звичайно вводять упевних кількостях у робочий об’єм розплавленого полікристалічного германіяперед вирощуванням монокристалів.
Використаннямонокристалічних злитків у технології виготовлення напівпровідникових приладіві інтегральних схем сполучено з більшими втратами германія при механічнійобробці (різання, шліфування, полірування). Тому в цей час широке застосуваннязнаходять напівпровідникові монокристалічні плівки германія. Види тонких шарівна підкладки з різних матеріалів (кварцу, сапфіра, германія, кремнію), щоодержали назву епітаксій них [2].
1.2 Кремній
Кремній Si –елемент IV групи Періодичної системи елементів; після кисню – найпоширенішийелемент у природі: він становить приблизно 1\4 маси земної кори. Численнісполуки кремнію входять до більшості гірських порід і мінералів. Пісок і глина,що утворять мінеральну частину ґрунту, також являють собою сполуки кремнію.Найпоширенішою сполукою цього елемента є двоокис кремнію SiО2.Вільний двоокис кремнію зустрічається – головним чином у вигляді мінералукварцу. Кремній у вільному стані в природі не зустрічається.
Кремній, як ігерманій, кристалізується в складній кубічній просторовій решітці типу алмаза.Кристалічний кремній – темно-сіра тверда й тендітна речовина з металевимблиском, хімічно досить інертне.
Кремній добрерозчинний у багатьох розплавлених металах. При кімнатній температурі вінхімічно стійкий. У воді не розчинний. Не реагує з багатьма кислотами вбудь-якій концентрації. Однак добре розчиняється в суміші плавикової й азотноїкислот. Менш інтенсивно кремній розчиняється в азотній кислоті з невеликимидобавками брому або перекису водню. Кремній добре розчиняється в киплячихлугах; невеликі добавки перекису водню до киплячого водяного розчину лугуприскорюють його розчинення. Ще більш інтенсивно кремній розчиняється врозплавлених лугах.
Основнимисполуками, які використаються в напівпровідниковому виробництві для одержанняполікристалічного й монокристалічного кремнію, є двоокис кремнію, моноокискремнію, тетрахлорид кремнію, полікристалічний, монокристалічний і т.д [2].
Двоокис кремніюSi2 – кварцове скло, по зовнішньому вигляді мало відрізняється відзвичайного скла й має високу хімічну стійкість до багатьом кислотам, завинятком плавикової, котра, взаємодіючи із кварцом, утворить кремнієву кислоту.
Двоокис кремніюреагує з розплавленими металами: літієм, натрієм, калієм, кальцієм, стронцієм,барієм, магнієм, алюмінієм, лантаном, церієм, кремнієм і марганцем. При високихтемпературах двоокис кремнію взаємодіє із твердими елементами: залізом,титаном, танталом, вольфрамом і бором, а також з газоподібним фтором.
При сплавцідвоокису кремнію одержують кварцове скло, що широко застосовують привиробництві напівпровідникових матеріалів для виготовлення робочих камер, ампулі касет.
Моноокис кремніюSi у природі не зустрічається й може бути отримана відновленням двоокису при13,50°С кремнієм або при 1500°С вуглецем. Моноокис кремнію при кімнатнійтемпературі являє собою аморфна речовина у вигляді порошку, гранул або спеченихшматочків від бежевого до чорного квітів. Навіть при високих температурах моноокискремнію не проводить електричний струм, тому неї використають в інтегральніймікроплівковій технології для виготовлення ізоляційних покриттів, діелектричнихі плівок, що просвітлюють. Моноокис кремнію знаходить застосування також світлотехнічнийі оптичної промисловості.
Випускаєтьсямоноокис кремнію двох категорій. Моно окис першої категорії використають длянапилювання діелектричних плечей нок і шарів плівкових конденсаторів, а такождля одержання ізоляційних покриттів інтегральних схем, а другої категорії – дляутворення захисних шарів на напівпровідникових кристалах.
Тетрахлоридкремнію SiCl4 одержують хлоруванням при 250—600° С технічногокремнію або одного з його сплавів – феросіліція, що містить 60—90% кремнію. Прикімнатній температурі тетрахлорид кремнію являє собою прозору безбарвну рідину.Тетрахлорид кремнію добре змішується з органічними речовинами: ефіром,хлороформом, бензолом і бензином. При взаємодії з водою й у вологому повітрівін розкладається на хлористий водень і силікагель.
Полікристалічнийкремній одержуютьдвома основними способами: водневим відновленням з галоїдних сполук (хлорсиланів)і термічним розкладанням гідридів (моносилана) і випускають у вигляді стрижнів,діаметр яких залежить від подальшого застосування. Стрижні великого діаметра(до 100 мм) використають для мірних завантажень у тиглі установок привирощуванні монокристалічного кремнію по методу Чохральского, а малого (до 40 мм) – як заготівлі для бестигельної зонної плавки.
Монокристалічнийкремній одержуютьіз полікристалічного вирощуванням з розплаву по методу Чохральского абобестигельною зонною плавкою. Перший метод застосовують, як правило, дляодержання низькоомних злитків з питомим опором, що не перевищує 250 Ом-см.Отримані цим методом злитки мають великий діаметр (до 60-80 мм). Другий метод використають для одержання високоомних монокристалічних злитків з питомим опоромдо 2000 Ом-см. Діаметр цих злитків звичайно менше (до 30 мм).
/>
Рисунок 5 — Залежністьпитомого опору кремнію від концентрації акцепторних і донорних домішок [2]
Промисловістьвипускає різні марки монокристалічного кремнію, тому що в цей час він,володіючи рядом спеціальних властивостей, займає провідне місце серед іншихматеріалів, застосовуваних для виготовлення напівпровідникових приладів.Кремнієві прилади мають малі зворотні струми, працюють при підвищених температурах,допускають високі питомі навантаження. Питомий опір кремнію, як і германія,залежить від концентрації акцепторних і донорних домішок (рис. 5).
1.3 Селен
Селен Se –елемент VI групи Періодичної системи елементів Д. И. Менделєєва широкорозповсюджений у земній корі, але в малих концентраціях. Зміст його неперевищує 6• 10-5% ,(по масі) і приблизно дорівнює змісту в земнійкорі сурми, кадмію, срібла. Однак власних руд промислового типу мінерали селенне утворять, тому його відносять до числа рідких неуважних елементів. Селен –супутник сульфідних руд важких кольорових металів. Основними джерелами йогоодержання служать анодні шлаки мідних і, нікелевих електролітних виробництв.
Атомна маса78,96. Існує кілька різновидів селен різних кольорів аморфного й кристалічного(рис. 6) будови.
/>
Рисунок6 — Структура селена [1]
По хімічнихвластивостях селен близький до сірки, але менш активний. При кімнатнійтемпературі він не взаємодіє з киснем повітря, а при нагріванні на повітрізгоряє з утворенням двоокису селен… Соляна й розведена сірчана кислоти населен не діють. Азотна кислота окисляє його до двоокису селен, а лугурозчиняють із утворенням солей.
Селен притемпературі 200° С реагує з воднем з утворенням селенистого водню, з киснемутворить ряд сполук (Se, Se02, Se03), а з галогенами —кілька сполук типу SeCl4. Селен утворює сполуки із сіркою, азотом,фосфором і багатьма металами.
Залежно відспособу одержання, а також режиму проведення процесу (температури, тиску,швидкості охолодження розплаву) селен може існувати в чотирьох алотропічнихформах: склоподібний, аморфної, моноклінної й гексагональної [4].
Склоподібнийселен одержуютьшвидким охолодженням розплаву від температури вище крапки плавлення. Селентакої модифікації утвориться при виливанні розплаву на охолоджувану водоюметалеву пластину або в холодну воду. У цьому випадку одержують селен у виглядіпластинок або дрібних дробинок. Тонкі плівки склоподібного селену одержуютьконденсацією його пар у вакуумі.
Склоподібнийселен знайшов широке застосування у фотографічному процесі ксерографії.
Аморфний селен буває різного фарбування, щообумовлюється різним ступенем дисперсності колоїдних часток, що випадають ізрозведеного розчину (селенідів) солей селен при додаванні відновлювачів. Так,при відновленні розчинів селенідів при температурах нижче 70° С утворитьсяаморфна модифікація селен червоних кольорів.
Моноклінний селенодержуютьобробкою тонко здрібненого селен сірковуглецем. Із що утвориться насиченогорозчину темно-жовтогарячих кольорів повільним випаром одержують кристали селен. моноклінної структури.
Гексагональнийселен – найбільшважлива модифікація цього матеріалу – застосовується для виготовленнянапівпровідникових приладів. Це сама стійка форма, що одержала назву сірогоселен, що має структуру у вигляді зиґзаґоподібних гвинтових ланцюгів.
1.4 Карбідкремнію
Карбід кремнію Si— сполука кремнію й вуглецю елементів IV групи. В природі цей матеріалзустрічається вкрай рідко в обмежених кількостях. Карбід кремнію існує у двохмодифікаціях: кубічної й гексагональної. Гексагональна модифікація, що одержаланазву α – SiС, утвориться при високих температурах і володіє поручкоштовних електрофізичних властивостей.
По типі хімічногозв’язку карбід кремнію ставиться до ковалентних кристалів. Залежно від сировиний технології одержання кристали карбіду кремнію мають найрізноманітнішефарбування: білу, жовту, сіру, зелену й чорну. Домішки можуть бути якчужорідними, тобто включеннями в кристалічну решітку карбіду кремнію чужоріднихелементів, так і власними. Кристали карбіду кремнію мають незначні розміри.
Електропровідністькристалів карбіду кремнію визначається кількістю й типом домішки. Домішкиелементів V групи (азоту, фосфору, миш’яку, сурми, вісмуту) дають карбідукремнію зелене фарбування й електропровідність n-типу, а елементів II (кальцію,магнію) і III (бору, алюмінію, галію, індію) груп — чорне фарбування йелектропровідність р-типа.
Карбідкремнію має високу хімічну стійкість: при нагріванні на повітрі він починаєпомітно окислятися при температурах вище 800° С; він стійкий до більшостікислот, за винятком суміші азотної й плавикової кислот, але бурхливорозчиняється в розплавлених лугах [3].
Карбід кремнію,використовуваний у напівпровідниковому виробництві для виготовленнясвітодіодів, являє собою поліровані із двох сторін монокристали гексагональноїмодифікації політипів 6Н и 15R. Монокристали карбіду кремнію легуються азотом імають електронний тип провідності.
Карбід кремніюзавдяки його високій твердості (по твердості він небагато уступає алмазу)використають для механічної, обробки різних матеріалів. Із суміші порошкукарбіду кремнію, елементарного кремнію й вуглецю випалом в атмосфері азотуодержують сіліт, що застосовують для виготовлення високотемпературнихнагрівачів.
На основі карбідукремнію одержують різні матеріали. Наприклад, при випалі карбіду кремнію ізглинистим зв’язуванням одержують нелінійний матеріал – тирит, а при випалі йогоз ультрапорцеляновим зв’язуванням – нелінійний матеріал – летін.
Окиснінапівпровідники
Окісниминапівпровідниками прийнято називати бінарні сполуки полярного типу, у яких яснорозрізняються металевий і металоїдний. До цього класу напівпровідниковихматеріалів ставляться такі речовини, як Сu2О, ZnO, CdO, NiO, Fe203.На (рис. 7) і (рис. 8) показані структури закису міді й окиси цинку.
/>
Рисунок 7 — Структура закису міді [1]: 1 – кисень; 2 – мідь
Перевага окіснихнапівпровідників полягає в тому, що технологія їхнього виготовлення порівнянопроста. Ці матеріали використають у полікристалічній формі у вигляді зразків,які легко приготувати методами керамічної технології.
/>
Рисунок 8 — Структураокису цинку[1]: а) розташування атомів; б) кристалічна решітка
Напівпровідниковимивластивостями, володіють не всі окисли металів, а тільки, ті, у яких іон металуставиться до елемента перехідного ряду періодичної таблиці, наприклад Zn, Си,Ni, Co, Fe, Mn, Сг, V, Ti.
Найбільшезастосування серед окісних напівпровідників одержала закис міді СиО – матеріалжовтий або червоний кольори [4].
Окіснінапівпровідники широко застосовують для виготовлення термо- і фоторезисторів.
1.6 Склоподібнінапівпровідники
Склоподібнінапівпровідники — новий клас напівпровідникових матеріалів, якіхарактеризуються розорієнтованістю структури й ненасичених хімічних зв'язків.
Склоподібність — це особливий вид аморфної речовини. Така речовина має механічні властивості,подібними з механічними властивостями кристалічного твердого тіла, і може післярозплавлювання вертатися при деякому заданому режимі охолодження у вихіднийстан. Для склоподібного напівпровідникового матеріалу характерним є наявністьпросторової решітки, у якій крім ковалентно зв'язаних атомів є полярніугруповання іонів. У таких матеріалах зв'язок між групами атомів і іонівздійснюється за рахунок короткодійсних ковалентних ван-дер-ваальсових сил. Цимпояснюється підвищена енергія активації зсуву часток у склоподібним матеріалі.
Одним з важливихвідмінностей склоподібних напівпровідникових матеріалів від кристалічних євідсутність у них примісної провідності, тобто домішки в склоподібних напівпровідниковихматеріалах не можуть бути ні донорами, ні акцепторами.
Склоподібні напівпровідниковіматеріали поки мало вивчені й не мають широкого промислового застосування. Якприклад розглянемо декілька склоподібних напівпровідникових матеріалів.
Матеріал типу GaхAsSeу— склоподібний напівпровідник, властивості якого визначаються кількісноюсполукою вхідних у нього елементів. Властивості арсенідо — селенідних стеколзмінюються при введенні в них галію до 3 ат. %. При введенні галію в більшихкількостях зменшується швидкість розчинення й електропровідністьнапівпровідникового матеріалу [5].
Матеріал типу TlхAsSу—склоподібний напівпровідник, що може містити в собі до 30 ат. % талія. Термічнастійкість і мікротвердість матеріалу помітно зменшуються в міру збільшеннякількості вмісту в його сполуку талія.
Матеріал типуAsSeхTeу — склоподібний напівпровідник, що містить у собідо 40 ат.% телуру. При збільшенні змісту телуру відбувається зниженнятемператури розм'якшення матеріалу з 400 до 100° С.
Матеріал типуAsSeхIу— склоподібний напівпровідник, що включає, у себедо 15 ат. % йода. Температура розм'якшення матеріалу залежно від його сполукиможе змінюватися від 20 до 160° С. Найбільш стійка сполука As2Se3—Asl3.
1.7 Органічнінапівпровідники
Органічнінапівпровідникові матеріали відрізняються від інших напівпровідників як повластивостях, так і методам одержання .і можливим областям застосування. Донайбільш вивчених органічних напівпровідникових матеріалів ставляться антрацен,нафталін, фталоціанін, пірин, тефеніл і ін., ширина забороненої зони якихколивається від 0,6 до 3,7 еВ, а питомий опір — від 10б до 1015Ом-см.
Напівпровідниковівластивості в органічних сполук (антрацену) були відкриті в 1906 р. Спочаткубула виявлена фотопровідність барвників. Далі було знайдено, що провідністьінших органічних сполук (фталоціанінові) змінюється з підвищенням температури,як і в неорганічних напівпровідників. У цей час антрацен знаходить широкезастосування як напівпровідниковий матеріал як кристалічні лічильники в ядернійфізиці.
Поряд іззазначеними органічними напівпровідниковими матеріалами відоме широке колохімічних сполук, у яких електропровідність здійснюється електронами або дірками.Питомий опір цих сполук лежить у межах від 10 до 1016 Ом-см, тобто вінтервалі електропровідності звичайних елементарних напівпровідників іізоляторів. З ростом температури Їхня електропровідність також зростає; удеяких з них проявляється ефект Холу й фотоефект [6].
Разом з тиморганічні напівпровідники багато в чому відрізняються від звичайнихнапівпровідників (германія, кремнію). Так, рухливість носіїв заряду в. їх накілька порядків нижче, ніж у германія. Добре вираженої примісної провідності принизьких температурах у багатьох органічних напівпровідників не виявляється.Органічні напівпровідники становлять значний інтерес, тому що напівпровідниковівластивості в них сполучаються з еластичністю, здатністю до утворення плівок іволокон, міцністю й ін.
Для твердихорганічних напівпровідникових матеріалів характерна наявність у їхній структуріароматичних кілець зі сполученими зв'язками. Типовим представником матеріалів зтакою будовою є антрацен, що містить три бензольних кільця. Процес Провідності органічнихнапівпровідників визначається рухом носіїв зарядів усередині молекули речовиниі їхніх переходів від молекули до молекули.
Домішки ворганічних напівпровідниках у порівнянні з елементарними напівпровідникамивідіграють другорядну роль. При введенні в органічних напівпровідників у якостідомішки кисню може відбуватися як збільшення, так і зменшенняелектропровідності вихідного матеріалу, що обумовлено особливостями будови йогомолекул. Крім того, органічні напівпровідники мають внутрішній і зовнішнійфотоефект. Фотопровідність органічних напівпровідників зростає зі збільшеннямосвітленості й температури й має певну спектральну характеристику.
Всі органічнітверді напівпровідникові матеріали можна розділити на п'ять груп: молекулярнікристали, молекулярні комплекси, металоорганічні комплекси, полімернінапівпровідники й пігменти.
Молекулярнікристали — поліциклічні низькомолекулярні ароматичні сполуки, відмінними рисами яких є їх кристалічністюі наявність ароматичних кілець із системою сполучених подвійних зв'язків. Дотаких матеріалів ставляться антрацен С14Н10, нафталін С10Н8,фенатрен, перилен, коронен, віолантрен і фталоціаніни. Серед речовинцього класу багато з них володіє дірковою провідністю й.характеризуються енергієюактивації порядку 1—3 еВ, низькою рухливістю носіїв заряду і питомим опором.
Молекулярнікомплекси —поліциклічні низькомолекулярні сполуки, що характеризуються електронноювзаємодією між молекулами речовини. Молекулярні комплекси володіють, якправило, значно більшою електропровідністю, чим молекулярні кристали, і являютьсобою сполуки донорно-акцепторного типу. Одна молекула такої речовини здатнаприєднувати електрон, а друга — його віддавати. Тому такі сполуки називаютьтакож комплексами з передачею заряду. При передачі заряду виникає іоннийзв'язок між молекулами [7].
Металоорганічнікомплекси — низькомолекулярніречовини, молекула яких містить у центрі атом металу. Прикладом таких речовинможе служити фталоціанін міді. Такі матеріали мають енергію активації носіїв зарядубільше
1 еВ івідрізняються щодо високою рухливістю носіїв зарядів, що досягає 10 см2/с.Основними носіями є дірки.
Полімернінапівпровідники —матеріали, відмінними рисами яких у порівнянні з низькомолекулярними є довгіланцюги сполучення в макромолекулах і більше складна фізико-хімічна будова. Зподовженням ланцюгового сполучення підвищується електропровідність і знижуєтьсяенергія активації.
Пігменти — барвники, що володіютьнапівпровідниковими властивостями. Прикладом можуть служити індиго, еозин,пінаціонол, радофлавін, радамін, тріпафлавін і ін. Є також природні пігменти:хлорофіл, каротин і ін. Серед пігментів зустрічаються як електронні, так і дірковінапівпровідники: катіонні пігменти мають провідність n-типу, аніонні — р-типа.Для пігментів характерна висока енергія забороненої зони й низькаелектропровідність.
Основнимкритерієм використання органічних напівпровідникових матеріалів є їхня чистота.Тому питання очищення цих матеріалів від домішок дуже важливий. Звичайно дляочищення органічних речовин використають чотири методи: кристалізацію зрозчину, сублімацію, хроматографію з розчину або пари й зонне очищення. Яквихідні матеріали, використовуваних для виготовлення різних приладів,застосовують як монокристалічні, так і полікристалічні зразки органічнихнапівпровідників.
Органічнінапівпровідники знаходять застосування в окремих областях електроніки йрадіотехніки. Так, їх використають при виготовленні терморезисторів з високоютемпературною стабільністю п'єзоелементів, резонансних контурів в інтегральнихсхемах, радіаційних дозиметрів, детекторів інфрачервоного випромінювання,фоторезисторів, квантових генераторів, й іншими приладами. До переваг різнихтипів приладів і інтегральних схем, виготовлених на основі органічнихнапівпровідникових матеріалів, ставляться висока механічна й кліматичнастійкість в умовах тропічного клімату й при підвищених вібраційних і ударнихнавантаженнях.
У цей часведуться роботи з одержання нових видів органічних напівпровідниковихматеріалів і дослідженню їх електрофізичні властивостей. Відкриття ранішеневідомих властивостей цих матеріалів дозволить ще ширше використати їх ународному господарстві.
2. ЗАСТОСУВАННЯНАПІВПРОВІДНИКОВИХ МАТЕРІАЛІВ ТА ВИМОГИ ДО НИХ
Більшістьприладів виготовляють із напівпровідникових пластин або кристалів, вирізаних змонокристалічних злитків. Монокристалічні злитки круглого перетину одержуютьметодом спрямованої кристалізації розплавів. Останнім часом широке застосуваннязнаходять також монокристалічні епітаксійні плівки.
Легуючідомішки повинні бути розподілені рівномірно але всьому об'єму монокристалічногозлитка, що забезпечує однакові параметри всієї партії приладів, виготовлених зодного злитка напівпровідникового матеріалу, і дозволяє налагодити масовийвипуск однотипних приладів.
Більшістьнапівпровідникових матеріалів, такі, як германій, кремній, карбід кремнію йін., мають високу стійкість до впливу навколишнього середовища. Однак деякінапівпровідникові сполуки типу А111—Bv (антимонід,арсенід і фосфід алюмінію) не стійки у вологій атмосфері, тобто вони гідролізуються,що є серйозною перешкодою для їхнього масового застосування.
Вимогидо температуростійкості диктуються максимальними й мінімальними робочимитемпературами експлуатації напівпровідникових діодів, транзисторів і інтегральнихсхем. Верхня межа робітників, температур напівпровідникових матеріалів залежитьвід ширини їхньої забороненої зони. Нижня межа робочих температурнапівпровідникових матеріалів визначається енергією іонізації легуючих домішок.
Верхнямежа робочої частоти напівпровідникових діодів, транзисторів і інтегральнихсхем визначається рухливістю електронів і дірок, а також діелектричноюпроникністю матеріалів, з яких вони виконані. Для напівпровідникового матеріалупевного типу провідності, рухливість має максимальне значення внекомпенсованому матеріалі. Тому матеріал, застосовуваний для виготовленняприладів, повинен мати яскраво вираженими електронними або дірковимивластивості.
Більшістьнапівпровідникових приладів, за винятком імпульсних, виготовляють із матеріалуз досить більшим часом життя неосновних носіїв зарядів, а імпульснінапівпровідникові діоди — з матеріалу з малим часом життя неосновних носіївзарядів. Для приладів, що використають ефект Холу, найкраще підходятьнапівпровідникові матеріали з високою рухливістю й малою концентрацією носіївзаряду, що забезпечують велику холівську напругу. Для виготовленнямагнітоелектричних приладів використають арсенід індію й телурид ртуті.
Термоелектричніприлади виготовляють із напівпровідникових матеріалів, що забезпечуютьмаксимальний коефіцієнт ефективності, тобто які мають високу і низькутеплопровідність. Такими властивостями володіють антимонід цинку телурид і селенідвісмуту [7].
Привиборі матеріалів для фотоприладів керуються в першу чергу спектральноючутливістю напівпровідникового матеріалу. Зменшують інерційність фотоприладівзастосуванням матеріалів з малим часом життя неосновних носіїв заряду. Привиготовленні фотоперетворювачів (сонячних батарей) особливе значення має шириназабороненої зони, що визначає ефективність роботи цих приладів.
Напівпровідниковіматеріали для лазерів повинні мати зроблену структуру, тому що сторонні домішкий дефекти приводять до появи усередині забороненої зони проміжних енергетичнихрівнів. Крім того, ці матеріали повинні мати високу рухливість носіїв зарядупри даній їхній концентрації.
Люмінесцентнідіоди виготовляють із напівпровідників, що володіють здатністю довипромінювальної рекомбінації: арсенідів і фосфідів індію й галію, карбідукремнію, сульфіду цинку й ін. Основний параметр цих приладів — довжина хвилівипромінювання залежить від властивостей вихідного, напівпровідниковогоматеріалу й, зокрема, від ширини забороненої зони.
3.ЕЛЕКТРОФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
3.1 Зоннаструктура напівпровідникових сплавів
На зоннійдіаграмі бінарної системи Ge-xSi-x в області Ge0.85-Si0.15 виявляється злам. Цебуло виявлено ще в 1954 році [4], але отримало пояснення пізніше, з розвиткомматематичного апарату фізики твердого тіла.
Шириназабороненої зони в германії визначається енергетичною щілиною в забороненійзоні між мінімумом у краю зони провідності в напрямі [111] і максимумомвалентної зони в крапці [000]. При додаванні кремнію в германій щілина, щовизначає ширину забороненої зони, збільшується практично лінійно. Швидкість підйомумінімумів, лежачих в напрямі [111], більше, ніж швидкість пониження мінімумів,лежачих в напрямі [100].
При 15% Si врозчині обидва типи мінімумів (уподовж [100] в кремнії і уподовж [111] (угерманії) однаково віддалені від максимуму валентної зони в крапці [000]. Такимчином, в розчинах при концентрації кремнію нижче 15% ширина забороненої зонисплаву визначається мінімумом, лежачим в напрямі [111], а вище за це значенняконцентрацій — в напрямі [100] [3].
З цього виходить,що при виготовленні електронних приладів бажано уникати використання сплавівскладу Si0.15Ge0.85, оскільки мабуть поява в матеріалі (в результаті обробки іпов'язаних з нею процесів) острівців з параметрами, що відрізняються відпараметрів решти об'єму матеріалу. Особливо це може бути помітно при створенніелементів на пластинах, вирощених методом Чохральського, як буде показанонижче.
3.2 Методивиробництва кремній германієвих сплавів
ВиробництвоSi1-xGex сплавів і структур можливо різними методами, такими як кристалізація зрозплавів, метод БЗП (бестигельной зонної плавки), жидкофазная эпитаксия і ін.Технології виробництва, як правило, не освітлюють у пресі, але із статей можнапрослідкувати основні джерела матеріалів.
Наприклад:
— монокристалиSi1-xGex p-типа провідності вирощувалися в інституті зростання кристалів(Берлін, Німеччина) методом Чохральського [4];
— монокристалитвердих розчинів Si1-xGex були вирощені методом електронно-променевоїбестигельной зонної плавки [5];
— тверді розчиниSi1-xGex вирощені методом ЖФЕ на монокристалічних підкладках мазкі КЕФ-5 зпитомим опором і кристалографічною орієнтацією (111) [6].
Перш за все цеозначає, що розвернути виробництво кремній-германієвих злитків і пластин нанаявному в Росії парку устаткування – це питання невеликого часу. Для цихматеріалів можливо використовувати наявні установки зростання, різкі шліфовкиепітаксіального нарощування і тому подібне без змін конструкції і, можливо, беззначного втручання в технології, що діють.
3.3 Дислокації вмісцях концентраційних флуктуацій
У монокристалахгерманієвих сплавів, вирощених з розплаву, виявлені ряди краєвих дислокації,розташованих паралельно тим послідовним положенням, які приймає поверхнярозділу жидкость-твердая фаза в процесі твердіння [7]. Дислокації, мабуть,утворюються тому, що вони знижують енергію пружної напруги між сусідніми шарамикристала, що мають різні параметри грат.
Ямкирозташовуються строго паралельно смугам флуктуації складу, з чого зрозумілапричина їх виникнення. Ряди виявляються парами, що пов'язане із смужчатістюскладу сплаву, що формується при зростанні злитка; при цьому вони з'являютьсятільки уздовж деяких смуг, це обумовлено тим, що дислокації утворюються лишетоді, коли градієнт концентрації досягає критичного значення, пов'язаного зпружною напругою, необхідною для утворення дислокації. Ці дислокації можутьзначно знижувати час життя носіїв заряду в германієво-кремнієвих сплавах інегативно позначатися на параметрах приладів, виготовлених з таких сплавів.
ВИСНОВКИ
1 Швидкезростання виробництва й підвищення надійності виробів електронної технікизалежать не тільки від методів їхнього виготовлення й культури, але й у значніймірі від електрофізичних й інших властивостей застосовуваних матеріалів, які вбагатьох випадках визначає параметри напівпровідникових приладів й інтегральнихмікросхем і впливають на стабільність їхньої роботи в електричних і тепловихрежимах, а також при тривалому зберіганні.
2 Властивостінапівпровідникових матеріалів дозволяють отримувати монокристали із заданимипараметрами шляхом апроксимації залежності властивостей від складу. Можливевикористання установок, що діють, для всіх етапів виробництва злитків, пластині епітаксіальних композицій.
3 Хороші частотнівластивості приладів, виготовлених за кремній — германієвою технологією,дозволяють застосовувати їх в області ВЧ і СВЧ частот замість приладів наарсеніді галію.
4 Широкезастосування знаходять напівпровідникові монокристалічні плівки германія. Використаннямонокристалічних плівок у технології виготовлення напівпровідникових приладів іІМС сполучено з більшими втратами германія при механічній обробці (різання,шліфування, полірування).
ЛІТЕРАТУРА
1 Курносов А.И. Материалы дляполупроводниковых приборов и интегральных микросхем. – М.: Высш. школа, 1989. –327 с.
2 Ефимов И.Е., Козырь И.Я… Основымикроэлектроники. – Москва: Высшая школа, 1983. –384с .
3 Степаненко И.П. Основымикроэлектроники. – М.: Советское радио, 1986. – 424с.
4 Методичні вказівки до лабораторнихробіт із курсу «Технологічні основи електроніки». І.Ю. Проценко, А.М. Черноус,Л.В. Однодворець. Суми: СумДУ, 1988. – 43с.
5 mogilev.rlst.org.by/bulletin203_markova.htm
6 www.phys.msu.ru/rus/struct/div/div-geophys
7 Физическое металоведение. Вып. I. Атомное строение металов и сплавов/Под ред. Новикова И.И.- Москва: Мир, 1967. – 335с.
8 Закалик Л.І., Ткачук Р.А. Основи мікроелектроніки. – Тернопіль: ТДТУім… І.Пулюя, 1998. – 352 с.