1.1. Первые упоминания о SiC и GaN
Первое доказанное упоминание Карбида Кремния (SiC) относится к патенту Эдварда Гудрич Ачесона, американского химика, запатентовавшего получение порошкообразного Карбида Кремния в печи, получившей его имя «Печь Ачесона». Изначально этот технологический процесс позволял лишь получать твердый абразивный порошок с кристаллами размеров до 10*10*3 мм и примесями 1021 см-3. Печь Ачесона используется в получение синтетического порошкообразного карбида кремния и по сей день.
Иронично, но открытие синтетического карбида кремния наложило сомнение на открытие его природного аналога. Природный карбид кремния был обнаружен 1893 году, незадолго после регистрации патента получения абразивного порошка, который на тот момент уже использовался в пилах. Природный SiC был обнаружен в виде небольших шестиугольных пластинчатых включений в метеорите Каньон Диабло, в Аризоне, Фердинандом Анри Муассаном. В честь него в 1905 природный карбид кремния был назван Муассанитом. Но так как используемая в ходе исследования пила содержала SiC в виде абразивного напыления, вопрос о открытии Муассанита изначально оспаривался. Несмотря на то, что карбид кремния используемый в ювелирных изделий получен синтетически, его также называют Муассанитом.
Использование карбида кремния в качестве абразивного порошка подразумевает его высокую твердость. Его твердость занимает третье место из всех известных молекул. Поэтому изначально карбид кремния нашел свое применение только как абразив. Он обладает и многими другими важными для науки свойствами, но далее все не связанные с электротехникой открытия будут опущены.
Первые работы по исследованию GaN проводились в Принстонском университете США в 30–40-х годах 20 века. Когда GaN стал рассматриваться как самый перспективный материал для создания полупроводниковых светодиодов в коротковолновой области спектра, исследования были продолжены в лаборатории компании Radio Corporation of America (RCA). Для получения данного материала использовали реакцию аммиака с жидким галлием, протекающую при повышенной температуре. В качестве подложки для выращивания структур GaN выбрали сапфир. Исследование выращенных пленок показало, что без легирования они обладают проводимостью n-типа, а для получения p-n-перехода требовалось подобрать соответствующую примесь, позволяющую получить материал p-типа. В качестве такой примеси использовали цинк, но технологическая сложность состояла в том, что при высоких концентрациях цинка пленки GaN становились диэлектриками. О важности и устройстве p-n переходов будут рассказано в соответствующем разделе реферата.
1.2. Первые опыты на SiC
В 1907 Генри Джозеф Раунд наблюдал свечение при прохождении тока через кристалл SiC. На катоде наблюдалось желтое, зеленое и оранжевое излучение. Данный эксперимент можно считать созданием первого в мире светодиода.
Рисунок 1. Повторение эксперимента Раунда
С 1923 по 1940 Олег Владимирович Лосев, советский ученый, в ходе серий экспериментов над Карбидом Кремния установил множество важных свойств и сделал некоторые открытия. Он установил, что один из типов свечения связан с наличием на поверхности кристалла особого «активного слоя». Позже он показал, что проводимость этого слоя – электронная (n), а проводимость объема образца – дырочная (p). Он также установил связь между выпрямлением и электролюминесценцией. Кроме того, он наблюдал изменение цвета свечения при увеличении плотности тока через кристалл.
Таким образом, два важнейших для полупроводниковой электроники явления – электролюминесценция и выпрямительные свойства p – n структур - впервые были обнаружены на кристаллах SiC. Но в то время в радиотехнической промышленности широко применялись электровакуумные приборы, и эти открытия остались незамеченными.
Забегая вперед в истории и в другие разделы реферата, отметим достижения университета СПбГЭТУ «ЛЭТИ» в исследования Карбида Кремния.
В СПбГЭТУ «ЛЭТИ»:
впервые экспериментально показана возможность создания фотоприёмных устройств ультрафиолетового диапазона на основе нанопористого SiC
освоен экспериментальный выпуск 6H и 4H-SiC подложек диметром 50-75 мм
обнаружен и исследован устойчивый, обратимый ростовый структурный изоморфизм в системе SiC-AlN
На этом историю открытия Карбида Кремния можно считать оконченной, так как дальнейшие открытия лучше рассматривать со стороны способов получения Карбида Кремния.