3.8. Полупроводниковые соединения.

Номенклатура элементарных полупроводников невелика, а их электрофизические свойства не столь разнообразны, чтобы удовлетворить растущие запросы современной полупроводниковой техники. Количество же полупроводниковых соединений значительно больше.

Принято объединять в один класс материалы, образованные элементами, расположенными в одних группах периодической системы. Например, соединение элементов III и V групп ― относятся к классу А^IIIВ^V. Элементы, расположенные в периодической системе в группах с меньшим порядковыми номерами, обозначаются буквой „А”, а в группах с большими порядковыми номерами ― „В”.

Среди бинарных соединений, представляющих обычно твёрдые растворы и химические соединения, практическое применение находят соединения A^IIIB^V, A^IIB^VI, A^IVB^IV .

Полупроводниковые соединения A^IIIB^V являются ближайшими аналогами кремния, германия и образуются в результате взаимодействия элементов III группы таблицы Менделеева (бора, алюминия, галлия, индия) с элементами V(азотом, фосфором, мышьяком, сурьмой). Соединения A^IIIB^V классифицируют по металлоидному элементу и называют нитриды, фосфиды, арсениды и антимониды. Все они имеют кристаллическую структуру. Параметры некоторых соединений приведены в таблице 3.2.

Параметры полупроводниковых соединений. Таблица 3.2

Параметры	Материал
	GaAs	GaP	InS	InSb	SiC
Температура плавления.	1238	1467	942	525	2200
Рабочая температура,	450	500	низкая	низкая	>600
Подвижность дырок, м2//(В·с)	0,045	7,5·10-3	0,045	0,75	6·10-3
Подвижность электронов, м2/(В·с)	0,95	0,019	3,3	7,8	10-1…10-2
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К)	54	45	―	―	0,05
Удельное объёмное сопротивление при 300К, Ом·м	10-5…2٭107	106	―	0,05…5	―
Ширина запрещённой зоны при 300К, эВ	1,43	2,26	0,36	0,18	2,4…3,3
Диэлектрическая проницаемость, ε	10,9	13,3	12	14	6,7

Высокая подвижность электронов позволяет создавать на основе соединений A^IIIB^V

Высокочастотные приборы. В широком интервале длин волн, включая видимую и инфракрасную область спектра, ярко проявляются оптические свойства: поглощение электромагнитного излучения, фотопроводимость, самопроизвольное и вынужденное излучение.

Недостатком соединения этой группы является необходимость применения токсичных материалов: мышьяка и фосфора.

С помощью бинарных соединений A^IIIB^V строятся источники и приёмники излучения электромагнитных колебаний различной частоты: лазеры, светодиоды, фотоприёмники. Соответствующие приборы имеют высокую эффективность преобразования электрической энергии в световую и наоборот. Они хорошо совмещаются с элементами интегральных микросхем. Первый полупроводниковый лазер был создан в 1962г. На основе арсенида галлия. Генерация когерентного излучения была осуществлена с помощью р–n– перехода при значительных плотностях тока через переход. Арсенид галлия ― один из лучших фоточувствительных материалов, применяемых в солнечных батареях.

Рассматриваемые полупроводники используют также для создания генераторов Ганна, полевых транзисторов, туннельных диодов, датчиков Холла, тензодатчиков, быстродействующих интегральных микросхем.

Различные полупроводниковые материалы широко применяются в измерительной технике для изготовления первичных преобразователей неэлектрических величин в электрические сигналы (таблица 3.3).

Полупроводниковые датчики. Таблица 3.3

Внешнее воздействие	Характеристики полупроводника	Название датчика
Тепловое воздействие, Т	ρ(T) ― терморезистивный эффект; ЕТ(Т) ― возникновение термоЭДС	Датчик температуры
Электрическое поле, Е	ρ(Е) ― зависимость в слабых или сильных полях; l(Е) ― обратный пьезоэффект (l ― длина образца)	Датчик напряжённости электрического поля
Магнитное поле, В	ρ(В) ― магниторезистивный эффект, Ех(В) ― эффект Холла	Датчик индукции магнитного поля
Световой поток, Ф	ρ(Ф) ― фоторезистивный эффект, U(Ф) ― возникновение фото-ЭДС	Датчик светового потока
Механическое воздействие, F	ρ(F) ― тензорезистивный эффект, U(F) ― прямой пьезоэффект	Датчик механического усилия

Полупроводниковые соединения А^IIB^VI.

К полупроводниковым соединениям типа А^IIB^VI относятся халькогениды цинка, кадмия, ртути, т.е. их соединения с серой, селеном, теллуром (сульфиды, селениды, теллуриды).

Свойства халькогенидов:

― обладают высокой чувствительностью к излучению от инфракрасного до рентгеновского спектра;

― проявляют фоторезистивные и люминисцентные свойства;

― химически стойки.

Разработаны несложные технологии получения соединений А^IIB^VI в виде монокристаллов и поликристаллических плёнок и таблеток.

Применение хальгогенидов:

1. Лазерная техника. Изготовление активных сред твёрдотельных лазеров (селениды), фотоприёмников, фильтров.

2. Оптоэлектроника.

3. Люминисценсия.

4. Микроэлектроника. Изготовление пьезоэлектрических устройств для акустической аппаратуры, терморезисторы, фоторезисторы, химически стойкие подложки ИС, изоляторы, тигли, керамика.

Полупроводниковые соединения.

Карбид кремния А^IVB^IV характеризуется прочной ковалентной связью, имеет большую ширину запрещённой зоны и высокую температуру плавления. Материал отличается нагревостойкостью (700°С) и химической стойкостью. Из-за способности к люминисценции в видимой части спектра SiC используется в производстве приборов оптоэлектроники (светодиодов), счётчиков частиц. Другими промышленными применениями карбида кремния SiC является производство терморезисторов, варисторов, силита, применяемого для изготовления высокотемпературных нагревателей.

3.9. Методы получения полупроводниковых материалов.

Параметры полупроводниковых материалов и характеристики приборов, изготовленных из них очень чувствительны к наличию примесей и других дефектов кристаллического строения. Поэтому к полупроводниковым материалам предъявляются жёсткие требования по степени чистоты (предельно допустимому содержанию примесей), однородности и совершенства структуры, и для них непригодны традиционные методы получения и очистки, которые применяются для других радиотехнических материалов. Монокристаллические полупроводниковые материалы получают методами направленной кристаллизации:

– Методом выращивания кристаллов из расплава;

– Методом зонной плавки (очистки, перекристаллизации).

По распространённости в земной коре кремний занимает второе место после кислорода. Сырьём для его производства служит кремнезём, содержащий 99,9% SiO₂. Из SiO₂ восстановлением получают технический кремний, содержащий 1÷3% посторонних примесей. Из такого кремния получают тетрахлорид кремния SiCl₄, который подвергается химической очистке. Далее, из тетрахлорида кремния выделяют очищенный кремний по реакции

.

Метод бестигельной зонной плавки.

На стадии выращивания монокристаллов кремний подвергается многократной очистке. Высокая стоимость монокристаллического кремния полупроводниковой чистоты объясняется сложностью очистки из-за значительной химической активности кремния в расплавленном состоянии (может реагировать с материалами тигля).

Зонную плавку ведут в вакууме без тиглей. Метод основан на неодинаковой растворимости примесей. В жидкой фазе растворимость примесей больше, чем в твёрдой, поэтому при движении расплавленной зоны по длине слитка примеси оттесняются к его концу.

Схема установки бестигельной зонной плавки представлена на рисунке 3.9.

Рис.3.9. Схема установки для зонной плавки полупроводниковых слитков: 1– держатель; 2 – поликристаллический слиток: 3– расплавленная зона; 4– индуктор; 5 – кварцевая труба.

Слиток закрепляют в держателях. Плавление поликристаллического слитка осуществляется с помощью высокочастотного индуктора. Узкая расплавленная зона продвигается по слитку снизу вверх и удерживается между твёрдыми частями слитка силами поверхностного натяжения. При перемещении расплава происходит постепенное насыщение его примесями. Наиболее загрязнённую примесями верхнюю часть слитка обрезают и отправляют в переплавку. После 15-20 проходов получают кремний нужного качества.

Метод выращивания монокристалла из расплава (метод Чохральского).

Очищенный поликристаллический кремний расплавляется в тигле из особо чистого кварца в высоковакуумной печи (рисунок 3.10).

Рис.3.10. Схема установки для выращивания монокристаллов полупроводников из расплава по методу Чохральского: 1 – затравка; 2 – монокристалл; 3 – индуктор; 4 – расплав; 5 – кварцевый тигель; 6 – графитовая оболочка.

В печи может быть защитная газовая среда из водорода или аргона высокой чистоты. С помощью штока в расплав вводят монокристаллическую затравку. После оплавления затравку медленно поднимают и одновременно вращают. Перемещаясь, затравка тянет столбик расплава, который удерживается силами поверхностного натяжения. В процессе движения столбик остывает и кристаллизируется. В результате выращивают монокристаллические слитки диаметром 150 мм.

Методом Чохральского выращивают самые крупные монокристаллы. Недостатком метода является загрязнение кристалла материалом тигля.

Метод эпитаксии.

Это технология ориентированного наращивания плёночных слоев на поверхности подложки. С помощью эпитаксии получают совершенные монокристаллические плёнки с высокими электрофизическими свойствами, многослойные структуры, управляют легированием плёнок в процессе их роста и т.д.

При образовании эпитаксиальных плёнок определяющую роль играет вид и состояние поверхности подложки, её температура, скорость осаждения плёнки, вид и концентрация примесей.

Благодаря эпитаксиальным методам стала возможной не только миниатюризация дискретных полупроводниковых приборов, но и организация производства ИМС, синтез монокристаллов для оптоэлектроники и интегральной оптики.