Основные проблемы получения пластин Si.

1. Увеличение диаметра → уменьшение стоимости. Но увеличение диаметра приводит к недопустимому искривлению поверхности при высокотемпературных обработках и краевым сколам. Следовательно, увеличение диаметра требует увеличения толщины, а увеличение толщины приводит к увеличению стоимости единицы площади и увеличению внутренних напряжений. При росте стоимости падает эффект от использования пластин большого диаметра. Поэтому диаметр целесообразно выбирать в зависимости от назначения пластин. В зависимости от назначения пластины:

- 40мм- для диодов

- 50-60мм- для транзисторов и ИС малой и средней степени интеграции.

- 76 и выше – для БИС и СБИС

2. Получение бездефектных кристаллов (в частности, бездислокационных), т.к. любая даже внутренняя дислокация может выйти на поверхность и нарушить работу отдельных элементов и всей схемы в целом.

3. Получение гладкой поверхности, обработанной по 14 классу. Химическая полировка, уничтожая неровности, может создать ямки травления.

Применение кремния.

1. Кремний является основным материалом при изготовлении планарных транзисторов и ИС. Рабочие частоты планарных транзисторов достигают 10ГГц.

2. Из кремния изготавливают выпрямительные, импульсные и СВЧ-диоды. Кремниевые выпрямительные плоскостные диоды могут выдерживать обратные напряжения до 1500В и пропускать ток до 1500А, превосходя по этим параметрам германиевые диоды.

3. Широкое применение нашли кремниевые фоточувствительные приборы, особенно фотодиоды. Кремниевые фотоэлементы преобразующие солнечную энергию в электрическую, используются в солнечных батареях.

4. Кремний, как и германий, используется для изготовления датчиков Холла и тензодатчиков (приборах, использующих сильную зависимость удельного сопротивления от механических деформаций)

Верхний температурный предел работы кремниевых приборов в настоящее время достигает около 200 ⁰ С.

Тема 9. Полупроводниковые соединения.

Наиболее часто используемые соединения:

А^IVВ^IV - SiC – карбид кремния.

А^IIIВ^V – GaAs – арсенид галлия, GaP, InP – фосфиды галлия и индия, InSb – антимонид индия, InAs - арсенид индия.

Карбит кремния.

По типу химической связи SiC относится к ковалентным кристаллам. Как следствие сильной химической связи – высокая температура плавления, высокая термостойкость и твердость.

В зависимости от сырья и технологии получения можно получить бесцветные, зеленые и черные кристаллы карбида кремния. Чистый карбид кремния бесцветный. Таким образом, по цвету можно определить наличие примесей и % соотношение Si и C.

Элементы 5 группы – азот, фосфор, арсенид, сурьма, висмут и железо дают зеленую окраску и электропроводность n-типа.

Элементы 2 группы – кальций, магний, и 3 группы – бор, алюминий, галлий, индий – голубую и фиолетовую окраску (в толстых слоях – черную) и электропроводность p-типа.

Избыток кремния приводит к электронной проводимости, а избыток углерода - к дырочной.

Собственная электропроводность начинается с t = 1400 ⁰ С.

Параметры:

∆Е=2,8 – 3,1 эВ

μ_n=0.3 [м²/В*сек]

μ_р= 0,02 [м²/В*сек]

В промышленности используют монокристаллы карбида кремния и порошкообразый карбид кремния.

Карбид кремния используется в сверхбыстрых высоковольтных диодах Шоттки, n-МОП транзисторах и в высокотемпературных тиристорах. По сравнению с приборами на основе кремния и арсенида галлия приборы из карбида кремния имеют следующие преимущества:

в несколько раз большая ширина запрещённой зоны;

в 10 раз большая электрическая прочность;

высокие допустимые рабочие температуры (до 600 °C);

теплопроводность в 3 раза больше, чем у кремния, и почти в 10 раз больше, чем у арсенида галлия;

устойчивость к воздействию радиации;

стабильность электрических характеристик при изменении температуры и отсутствие дрейфа параметров во времени.

Как ювелирный камень карбид кремния используется в ювелирном деле: называется «синтетический муассанит» или просто «муассанит». Муассанит похож на алмаз: он прозрачен и тверд (9—9,5 по шкале Мооса, по сравнению с 10 для алмаза), с показателем преломления 2,65—2,69 (по сравнению с 2,42 для алмаза).

Арсенид галлия (GaAs)

Получают поликристаллический GaAs реакцией синтеза из высокочистого мышьяка и галлия. Для выращивания монокристалла используют метод Чохральского. Трудности возникают в связи с высокой летучестью мышьяка (много дефектов в структуре). Используют пленку из борного ангидрида (B₂O₂) толщиной 1 мм и высокоточный контроль температура расплава ( до 0,1⁰).

Среди соединений А^IIIВ^V GaAs занимает особое место. Большая ширина запрещенной зоны (1,4 эВ), высокая подвижность электронов [0,85 м²/(В·с)] позволяют создавать на основе GaAs приборы, работающие в области высоких температур (Т_пл = 1238⁰ С) и высоких частот 10¹⁰ Гц.

GaAs имеет высокое удельное сопротивление 10⁷ Ом м и в отличии от кремния считается не полупроводником, а полуизолирующим материалом. При создании схем из GaAs с высокой плотностью не нужны изолирующие области, которые в схемах на основе кремния требуют дополнительных технологических операций.

К недостаткам GaAs относят невысокую теплопроводность (в 3,5 раз меньше чем у Si) и высокую активность в расплавленном состоянии (в качестве контейнерного материала используют синтетический кварц). Пластины из арсенида галлия очень хрупкие.

Арсенид галлия применяют при изготовлении светодиодов, параметрических, туннельных диодов, диодов Ганна, лазеров, полевых транзисторов, солнечных батарей и других приборов. Представляется перспективным создание интегральных схем на подложке из полуизолирующего арсенида галлия.

Антимонид индия (InSb)

Этот материал имеет очень малую ширину запрещенной зоны (0,17 эВ) и очень высокую подвижность электронов [7,7 м²/(В·с)]. InSb используют при изготовлении детекторов в инфракрасной области спектра, датчиков Холла, туннельных диодов, термоэлектрических генераторов, лазеров, тензометров.

Малая ширина его запрещенной зоны и большая разница между подвижностями электронов и дырок обусловливает в этом материале явления, которые слабо проявляются в других полупроводниках.

Фосфид галлия (GaP)

GaP имеет большую ширину запрещенной зоны 2.25эВ, широко применяют в серийном производстве светодиодов.

Высокая температура плавления (около 1500^оС) и большое давление паров (35·105 Па) вызывают значительные технологические трудности выращивания монокристаллов фосфида галлия высокой степени чистоты. GaP с электронной электропроводностью, используемый при изготовлении светодиодов, обычно выращивают из расплава по методу Чохральского.

Благодаря большой ширине запрещенной зоны GaP излучательные переходы в этом материале происходят в видимой области спектра. Это позволило создать на основе GaP светодиоды, дающие зеленое и красное свечение.

Арсенид индия (InAs)

InAs имеет малую ширину запрещенной зоны (0,36эВ) и большую подвижность электронов [3,3 м²/(В·с)]. Температура плавления InAs равняется 942^oС. Арсенид индия в основном используют при изготовлении датчиков Холла, а также фотодиодов и лазеров.

Фосфид индия (InP)

InP применяют при изготовлении лазеров. Технологические трудности выращивания монокристаллов фосфида индия связаны с высоким давлением паров (21·105 Па) в точке плавления (1062°С). Наиболее чистый InP имеет концентрацию электронов 1021 м^-3.

В таблице приведены значения основных параметров некоторых полупроводниковых материалов и соединений типа А^IIIВ^V.

.

Соединение	Тпл , оС	DЕзз, эВ при 300о К	μn , м2/(В·с) при 300о К	μp , м2/(В·с) при 300о К
Ge	937	0,67	0,39	0,19
Si	1417	1,12	0,13	0,048
GaP	1450	2,25	0,011	0,0075
InP	1062	1,29	0,46	0,15
GaAs	1237	1,43	0,85	0,043
InAs	942	0,36	3,3	0,046
InSb	525	0,17	7,7	0,08

Оксидные полупроводники.

Окислы – соединения, в которых связь обычно ионная.

К полупроводниковым окислам относятся:

1. Окислы меди – закись меди Cu₂O – полупроводниковое соединение с кристаллической решеткой ионного типа. Получают на поверхности медных пластин окислением при высоких температурах. Решетка кубическая.

Cu₂O – вещество красно-малинового цвета. Обладает дырочной проводимостью, Электропроводность очень сильно зависит от примесей и термической обработки.

Параметры:

∆Е=1,56 эВ

μ_р= 0,005 [м²/В*сек]

Т_пл = 1232⁰ С

Применение: полупроводниковые выпрямители и фотоэлементы.

2. Окись цинка ZnO.

В этом соединении необходим избыток цинка по сравнению с стехиометрическим составом (законы о количественных соотношениях, в которые вступают вещества при химическом взаимодействии друг с другом).

При этом ZnO является полупроводником n-типа.

Параметры:

∆Е=3,2 эВ

μ_n=0.05 [м²/В*сек]

3. Окись марганца Mn ₃O₄.

Это соединение имеет кристаллическую решетку ионного типа. Особенностью Mn ₃O₄ является резко выраженная зависимость удельного сопротивления от температуры, поэтому этот материал как правило, используют при изготовлении терморезисторов с резко выраженным отрицательным ТКR (1 – 8) 10^-2 1/град.

22