3.6.5 Карбид кремния

Карбид кремния SiС - это полупроводниковое соединение типа A^IV В^IV.

Карбид кремния - полиморфный материал, т.е. может иметь 2 кри­сталлические структуры: гексагональную и кубическую типа сфалерита, Полупроводниковыми свойствами обладает гексагональный SiC, в котором каждый атом Si находится в тетраэдрическом окружении атомов С и наоборот (рисунок 3.15).

Для SiC существует более 100 политипов, отличающихся разме­щением в кристаллической решетке слоев атомов Si и их чередова­нием.

Рисунок 3.15

Разная структура политипов обусловливает разные электричес­кие свойства: ширина запрещенной зоны (2,3-3,33) эВ, подвижность электронов (0,33-1) м²/(В.с). Механические и химические свойства слабо зависят от структуры. Все политипы SiC твердые, по твер­дости уступают только алмазу. Благодаря высокой твердости SiC используется как абразивный для механической обработки материалов.

Примеси в SiC изменяют не только тип проводимости, концент­рацию носителей, но и его цвет. Чистый SiC стехиометрического состава (70% Si и ЗО%С) бесцветный. Принеси У группы (N,P ,As , Sb,Bi) и Fе в SiС дают зеленую окраску и электропроводность n-типа, а элементы Ca , Mg - голубую окраску; В, Al ,Ga , In -фиолетовую, и электропроводность p-типа. Избыток Si при­водит к n-SiC , а избыток С - к р-SiC.

Диффузию примесей в SiC проводят в закрытом объеме при Т = 1800-2200)°С. Донорные примеси (N, Р, As, Sb, Bi) имеют низ­кий коэффициент диффузии, поэтому для формирования в Si р-n-переходов берут исходный SiC, легированный азотом, n-типа про­водимости и диффузией вводят акцепторную примесь бора. Такие p-n-переходы являются основой светодиодов желтого излучения. Принцип действия светодиодов основан на способности SiC люминесцировать в видимой области с любым цветом излучения, красным, желтым, зе­леным, синим при введении примесей (активаторов люминесценции) соответственно, бериллия, бора, скандия, алюминия.

На базе SiC создают оптроны - ПП приборы, объединяющие ис­точник света (светодиод) и приемник света (фотодиод).

ПП приборы на SiC отличаются тем, что могут работать при бо­лее высоких температурах (таблица 3.1), в химически агрессивных средах, при высоких уровнях радиации.

3.6.6. Полупроводниковые соединения aiii bv

Эти соединения образуются на основе элементов III группы табли­цы Д.И.Менделеева (В, Al, Ga, In) и элементов У группы - N, Р, As, Sb.

Изучение этих соединений ведется с 60-х годов XX века, и к настоящему времени наибольший интерес представляют: GaAs - арсенид галлия, GaP - фосфид галлия, InSb - антимонид индия, InAs - арсе­нид индия, InР - фосфид индия.

Освоение производства любого из соединений A^IIIB^V является слож­ной технологической задачей, так как этим соединениям присущ ряд недостатков.

1) Низкая растворимость легирующих примесей не более 1.10¹⁸ см^-3 не обеспечивает достаточного уровня инжекции из эмиттерной области транзистора. Биполярные транзисторы на соединениях A^IIIB^V не эффективны из-за низкой подвижности дырок.

2) Отсутствие собственных оксидов на поверхности исключает возможность изготовления из соединений A^IIIB^V МОП-транзисторов. Единственной конструкцией полевого транзистора является транзистор на барьере Шотки (рисунок 3.16).

Рисунок 3.16

3) Токсичность реагентов AsCl₃, AsH₃, PH₃, используемых для выращивания монокристаллов A^IIIB^V и эпитаксии в сочетании с взрывоопасностью водорода создает напряженную обстановку на производстве, требует повышенных мер безопасности, серьезно усложняет аппаратуру и технологию.

Образование в процессах обработки арсенидов и фосфидов,

вредных для окружающей среды отходов, требует необходимости их тщательного улавливания и обезвреживания. Например, при шлифовке фосфидов может образовываться чрезвычайно ядовитый газ - фосфин, а при растворении арсенидов в присутствии восстановителей - арсин.

5) Все фосфиды и арсениды при нагреве с большей или меньшей скоростью теряют летучие компоненты B^y - As или Р, т.е. являют­ся разлагающимися по схеме:

А^III B^V - А^III _{(Ж) +} 1/2 В₂ (газ).

Это создает трудности при проведении отжига, диффузии.

В области применения наиболее универсальным является арсенид галлия GaAs . Это один из основных материалов СВЧ-техники и оптоэлектроники (рисунок 3.17).

Арсенид галлия

СВЧ техника Оптоэлектроника

Рисунок 3.17

Арсенид галлия был первым ПП, на котором в 1962г. был создан

инжекционный лазер, т.е. осуществлена генерация когерентного излучения (одной длины волны) с помощью р-n перехода. Лазерный эффект возникает лишь в случае, если плотность тока через р-n переход превышает некоторое пороговое значение. На GaAs за счет электролюминесценции создаются светодиоды ИК-излучения, ко­торые наиболее эффективны в оптронах и волоконно-оптических ли­ниях связи. Светодиоды видимой области, обеспечивающие в инфор­мационных каналах связь аппаратуры с ее пользователями, изготов­ляются на фосфиде галлия GaP, имеющем ширину запрещенной зоны больше 1,7 эВ.

Широкозонные A^III B^V (см. таблицу 3.2) являются материалами для СВЧ-техники, благодаря высокой подвижности электронов. ИМС на GaAs обладают большим быстродействием, чем ИМС на кремнии. Но техно­логия ИМС на GaAs требует совершенствования техники эпитаксии, освоения технологии ионного легирования вместо диффузии, лазер­ного отжига вместо термического, электронно-лучевой литографии вместо фотолитографии и разработки новых методов осаждения защитных покрытий.

Узкозонные A^IIIB^V (InSb, InAs), обладающие высокой подвижно­стью электронов, служат для изготовления магниторезисторов и преобразователей Холла.