Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физика полупроводниковых систем. Основные понятия
.pdf
Полупроводники в мире материалов 11
Таблица 2
Схема становления полупроводниковых материалов
для целей электроники, фотоники, спинтроники и акустики
Ag2S Se Cu2O Ge Si GaAs AlGaInAs AlGaInN SiC BN C
Стрела времени (годы)
1955 2000
Минимальные линейные размеры функционального элемента
электрической, оптической, магнитной или акустической цепи
10 мкм
Зонная теория кристаллов Теория низкоразмерных систем
1 мкм 0.1 мкм 10 нм 1 нм 0.1 нм
2045
стем (для диапазона их размеров условно от 1 нм до 0.1 мкм в одном, двух или трех направлениях) необходимо развивать теорию
таких систем. Дело в том, что основой для описания электронных, магнитных, оптических, акустических и тепловых явлений
в трехмерных кристаллических диэлектриках, полупроводниках и
металлах, размеры которых больше 0.1 мкм, является зонная теория. Однако для описания низкоразмерных систем зонная теория
кристаллов неприменима из-за нарушений трансляционной симметрии и условий применимости адиабатического и одноэлектронного приближений в системах пониженной размерности. Для адекватного описания состояний и процессов в системах размером от
10 нм до 0.1 мкм не может быть использована и квантовая теория
уединенных (одиночных) молекул, являющаяся базой для описания объектов атомного диапазона размеров (0.1–1 нм). Поэтому
необходимо развить теорию, рассматривающую состояния и процессы в отдельных молекулах и атомах при учете их агломерации
в низкоразмерную систему.
Представляется, что развитие методов создания и диагностики, а также расширение областей применения полупроводниковых
систем в электронике, фотонике, спинтронике и акустике нового
поколения будет происходить традиционно: от расчетов к эксперименту и далее к практике. Наконец, при научных исследованиях
и их приложениях необходима опора на теорию, эксперимент и
практику, благодаря которым физика и техника полупроводников
возникли и развиваются.
Глава 1. Полупроводниковые материалы и приборы
# Полупроводники электричества были открыты и так названы
М. Фарадеем (1833 г.). Им установлено, что электрическая проводимость сернистого серебра (Ag2S) увеличивается как при нагревании свечой, так и при нагревании возбуждаемым в нем стационарным током. У. Смитом (1873 г.) обнаружена фотопроводимость в селене. Развитие физики, химии и техники полупроводников привело к созданию полупроводниковой электроники, которая
радикально расширила возможности материальной и интеллектуальной деятельности человека.
# Полупроводники — вещества, в которых концентрация по-
движных носителей заряда значительно меньше концентрации атомов матрицы. Отличаются по упорядоченности расположения атомов, химическому составу, свойствам. Атомы полупроводников
легко ионизируются, в результате чего возникают делокализованные электрон и дырка (электронная вакансия в химической связи
атомов матрицы). В идеальных полупроводниках концентрации делокализованных дырок и электронов равны. В реальных полупроводниках, имеющих атомы примесей и дефекты структуры, это равенство может нарушаться, и тогда электропроводность в основном
обеспечивается одним типом носителей заряда (электронами проводимости или дырками). Полупроводник, в котором концентрация делокализованных электронов намного больше концентрации
дырок, называется полупроводником n-типа, а в котором больше
дырок — полупроводником p-типа. Поведение носителей заряда в
кристаллических полупроводниках описывается зонной теорией.
Заполненные электронные состояния (уровни энергии) валентной
зоны отделены от свободных состояний зоны проводимости запрещенной зоной (энергетической щелью). Примесные атомы и дефекты кристаллической структуры приводят к появлению энергетических состояний в запрещенной зоне (реже в зоне разрешенных
энергий), но понятие запрещенной зоны сохраняет смысл. Примесные атомы в полупроводниках могут приобретать заряд (доноры —
положительный, акцепторы — отрицательный), который компенсируется появлением электрона в зоне проводимости (c-зоне) или
дырки в валентной зоне (v-зоне). Электрическая активность примесного атома обусловлена тем, что он имеет другую валентность,
12
Полупроводниковые материалы и приборы 13
чем замещаемый им атом кристаллической матрицы (решетки).
Когда атом примеси замещает в кристаллической решетке атом
из той же группы Периодической системы химических элементов (изовалентное замещение), то чаще всего, он электрически
неактивен и не образует локализованного состояния. Изовалентные примеси могут входить в узлы кристаллической решетки в
больших концентрациях и образовывать твердые растворы. Атомы примесей замещения располагаются в этих узлах хаотически.
Полупроводники с нулевой шириной запрещенной энергетической
зоны называются бесщелевыми. От типичных полупроводников их
отличает отсутствие пороговой энергии, необходимой для появления электронно-дырочной пары, от металлов — значительно меньшая концентрация электронов в c-зоне или дырок в v-зоне.
# Полупроводниковые материалы — вещества с явно выражен-
ными свойствами полупроводников в широком интервале темпера-
тур, предназначенные для производства полупроводниковых при-
боров. В отличие от металлов, электропроводность полупроводниковых материалов увеличивается при увеличении температуры.
Полупроводниковые материалы восприимчивы к внешним воздействиям (нагревание, облучение, деформация и др.), к наличию
в них атомов примесей и структурных дефектов. Основная область использования — опто- и микроэлектроника. Наиболее
распространенные кристаллические полупроводниковые материалы: кремний, германий, алмаз, карбид кремния, соединения некоторых элементов III и V (GaAs, InSb, GaN, AlN), II и VI (CdSe,
ZnTe), IV и VI (PbTe, PbS) групп Периодической системы химических элементов Д. Менделеева (1869 г.).
# Физика полупроводников — раздел физики, в котором иссле-
дуются электрические, оптические, магнитные, тепловые и другие свойства полупроводниковых материалов — широкого класса
неорганических и органических веществ — и структур на их основе. Свойства полупроводников сильно зависят от внешних воздействий, а также наличия атомов примеси и собственных дефектов структуры (кристаллической решетки). Отличительный признак полупроводникового материала — увеличение концентра-
ции электронов и/или дырок при нагревании, которое приводит к
уменьшению электрического сопротивления материала на постоянном токе. В отличие от металлов (проводников электричества), для
полупроводников характерна чувствительность к свету (фотопро-
14 Глава 1
водимость, люминесценция), электрическому полю (нелинейные
электрические свойства, электрический пробой), ионизирующему
излучению (радиационная физика) и др. Полупроводники оптимально сочетают чувствительность к внешним воздействиям и возможность контролируемого формирования в них функциональных
элементов с различающимися свойствами. Благодаря этому физика полупроводников служит научным фундаментом для наноэлек-
троники и спинтроники, во многом определяющих технический
прогресс современного общества.
# Низкоразмерная система — конденсированная система мно-
гих частиц, размер которой вдоль хотя бы одного пространственного направления сравним с одним из характерных размеров, сопоставляемых ее частям. Например, полупроводниковая сверхре-
шетка (периодически повторяющиеся слои различных полупроводниковых материалов) считается низкоразмерной системой, если
длина свободного пробега электрона поперек слоев больше периода сверхрешетки. В квантовых низкоразмерных системах энергия движения квазичастиц хотя бы по одному направлению име-
ет дискретный спектр значений. Низкоразмерные системы бывают двумерными, одномерными, нульмерными и фрактальными (с
дробной размерностью). Так, плоский слой атомов является двумерной системой, поскольку имеет два классических размера, сопоставляемых его площади, и один квантовый, сопоставляемый
толщине слоя. Аналогично, линейная цепочка атомов является одномерной системой, а квантовая точка (атомный кластер) — нульмерной. Низкоразмерные системы являются объектами нанотех-
нологии и используются как функциональные элементы наноэлек-
троники. Выделяют стационарные и нестационарные низкоразмер-
ные системы. Примером стационарной низкоразмерной системы является полупроводниковая сверхрешетка, состоящая из кристаллических слоев разного химического состава, легирования, кристаллографической ориентации или структуры. Если период сверхрешетки меньше средней длины свободного пробега электрона, то
непрерывный спектр разрешенных значений энергии электрона в
зоне проводимости (c-зоне) разбивается на подзоны (см. зонная
теория). При этом спектр энергии для движения электрона вдоль
слоя является непрерывным. Стационарные низкоразмерные системы создают методами нанотехнологии. К нестационарным низко-
размерным системам относятся динамические решетки, солитоны,
домены электрического поля в диодах Ганна, “нити” тока и света в
Полупроводниковые материалы и приборы 15
полупроводниковых приборных структурах и др. Низкоразмерные
системы используются как функциональные элементы наноэлек-
троники из-за высокой чувствительности к внешним воздействиям и сильной зависимости свойств от размеров и формы.
# Атомный кластер — консолидированная система из одинако-
вых атомов (условно от нескольких единиц до нескольких тысяч
штук). Физические и химические свойства кластера не являются
монотонной функцией от числа атомов в нем. Резкое изменение
свойств (параметров) кластера происходит при увеличении числа
атомов и прохождении так называемых магических чисел. Если
принять, что поверхностные атомы образуют “оболочку”, то магические числа атомов в кластере соответствуют окончанию заполнения определенной оболочки. Тогда различные параметры кластера как функции числа атомов в нем имеют скачок при магическом числе атомов и монотонно изменяются по мере заполнения
оболочки. Как следствие, поверхностные свойства кластера определяются последней оболочкой из атомов и их устойчивой электронной конфигурацией. Примером магических кластеров могут
служить фуллерены C60, C70и C84. Кластер есть нульмерная система, так как он имеет дискретный спектр разрешенных значений
энергии для движений электронов, фононов и других квазичастиц
в трех пространственных направлениях. Кластеры проявляют новые, а иногда и уникальные свойства по сравнению с объемными
(трехмерными) материалами того же химического состава.
# Нанотехнология — совокупность методов создания, диагности-
ки и использования материалов и устройств с характерным размером элементов примерно от 0.1 до 100 нм. К объектам нанотехнологии относятся атомные кластеры (квантовые точки), волокна,
трубки, пленки, гранулы, поры, а также низкоразмерные систе-
мы. Нанотехнология использует химический синтез, молекулярнолучевую эпитаксию, имплантацию (внедрение) ионов в конденсированные системы и другие методы. Изменяя размер и/или форму объектов нанотехнологии при сохранении химического состава,
можно управлять их свойствами (например, температурой фазового перехода). Нанотехнология сочетает как дезинтеграцию макрообъектов, так и сборку нанообъектов из единичных атомов (атомное зодчество). Например, можно избирательно переносить атомы
с зонда (иглы в сканирующем зондовом микроскопе) на поверхность исследуемого объекта и создавать “атомные узоры” — носи-
16 Глава 1
тели информации. Нанотехнология позволяет получать наноматериалы, создавать функциональные элементы устройств.
# Наноматериалы (наноструктурированные материалы) — кон-
денсированные системы, структурными элементами которых являются гранулы, волокна, трубки, слои, поры нанометровых размеров (условно от 1 до 100 нм) по меньшей мере в одном пространственном направлении. Структурные элементы (низкоразмерные
системы) придают наноматериалам особые свойства по сравнению с однородными материалами того же химического состава.
Изменяя размер, форму и/или взаимное расположение структурных элементов, можно управлять свойствами наноматериалов (например, растворимостью, температурой плавления, электрической
поляризуемостью, намагниченностью).
# Углерод — химический элемент. Свободный атом углерода C в
основном (невозбужденном) состоянии имеет электронную конфигурацию 1s22s22p2; масса атома12C равна 12.0107 в атомных единицах массы. Доля12C составляет 98.892 %, доля13C — 1.108 %.
Ядро атома13C обладает магнитным дипольным моментом, поэтому нуклиды13C регистрируются методом ядерного магнитного
резонанса, что используется в томографии. Распространенность
радиоактивных изотопов (10C,11C,14C и15C) много меньше распространенности12C и13C. При образовании химических свя-
зей между атомами их электронные конфигурации (иначе состояния) изменяются. Так, из-за межатомного взаимодействия происходит переход одного электрона атома C из состояния 2s в состояние 2p и атом оказывается в состоянии 1s22s12p3. Этому состоянию углеродного атома приближенно соответствует три типа
C–C связей: 1) Состояние атома C, когда гибридизованы волно-
вые функции одного s-электрона и трех p-электронов, называется
sp3-гибридизацией. Четыре валентных электрона образуют четыре
σ-связи, направленных из центра к вершинам тетраэдра. Образующие эти связи электроны называются s-электронами. Такие связи
атома C реализуются в кристалле алмаза, молекуле метана и др.;
2) Состояние атома C, когда гибридизованы один s-электрон и два
p-электрона, называется sp2-гибридизацией. Три σ-связи находят-
ся в одной плоскости и направлены под углом 120◦друг к другу.
Третий валентный p-электрон образует π-связь, направленную перпендикулярно плоскости расположения трех σ-связей. Такие связи
атома C реализуются в трехмерном кристалле графита и двумер-
Полупроводниковые материалы и приборы 17
ном кристалле графена, в молекулах бензола, этилена и др.; 3) Состояние атома C, когда гибридизованы один s-электрон и один pэлектрон, называется sp-гибридизацией. Они образуют две σ-связи, направленные вдоль прямой линии. Два других p-электрона
обеспечивают две π-связи, которые перпендикулярны к линии σсвязей. Цепи, обладающие sp-гибридизацией, имеют полииновое
(–C≡C–) и/или поликумуленовое (=C=C=) строение. Такие связи атома C реализуются в одномерном кристалле карбина (т. е.
линейном углеродном полимере), в молекуле ацетилена и др.
# Алмаз — минерал, аллотропная кристаллическая форма углерода. Известен с древнейших времен. Природные алмазы отличаются
индивидуальностью. Их добывают из коренных месторождений и
россыпей в виде монокристаллов и поликристаллических образований. В основном алмазы существуют в виде двух кристаллических
структур: гранецентрированной кубической и гексагональной. В
кубическом алмазе каждый атом углерода (C) расположен в центре правильного тетраэдра и связан ковалентными химическими
связями с четырьмя ближайшими атомами, расположенными в вершинах тетраэдра. Элементарная ячейка алмаза имеет форму гранецентрированного куба и содержит 8 атомов углерода. Постоянная кристаллической решетки равна 0.3567 нм, расстояние между
ближайшими атомами углерода (длина C–C-связи) — 0.154 нм, валентные углы (между ближайшими C–C-связями) равны 109◦280.
В алмазе концентрация атомов углерода ≈1.76·1023см−3. Качество образцов алмаза обычно характеризуют по интенсивности и
ширине линии 1332 см−1комбинационного рассеяния ими света.
(В вакууме длине волны электромагнитного излучения 1 см соответствует волновое число 1 см−1и энергия фотона 0.124 мэВ.) Для
оценки совершенства структуры (строения) алмаза используется
также двухфононное поглощение света (коэффициент поглощения
12.5 см−1при обратной длине световой волны 2030 см−1в вакууме). Ширина запрещенной зоны (минимальная энергия, необходимая для перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости) алмаза ≈5.5 эВ. При комнатной температуре и атмосферном
давлении коэффициент теплового расширения алмаза почти как
у инвара (сплав Fe+ Ni + Co), теплопроводность в несколько раз
больше, чем у меди, скорость распространения звука — 18 км/с.
Кубический алмаз — предельно твердый, относительно хрупкий и
очень упругий материал (модуль Юнга примерно в 10 раз больше чем у инструментальной стали). Он практически не взаимо-
18 Глава 1
действует с кислотами и щелочами. На воздухе алмаз начинает
гореть при температуре 750◦C (0◦C = 273.16 К) с выделением газа CO2. В вакууме (или инертном газе) алмаз при температурах
свыше 1700◦C начинает переходить в графит (вначале графитизируется поверхность, а затем и весь объем). Свойства и окраска
алмазов обусловлены собственными дефектами кристаллической
структуры (вакансии, междоузельные атомы, дислокации, дефекты упаковки атомных слоев и др.), а также наличием атомов примесей. Например, одиночные атомы азота, замещающие атомы C
в узлах кристаллической решетки, придают алмазам желтый цвет,
а одиночные атомы бора — голубой цвет. Гексагональный алмаз,
или лонсдейлит — редкий минерал (открыт в середине 1960-х гг.).
Элементарная ячейка лонсдейлита имеет форму прямой шестигранной призмы и содержит 12 атомов углерода. Каждый атом связан
ковалентными химическими связями с четырьмя ближайшими атомами; длины C–C-связей и валентные углы между ними приблизительно такие же, как у кубического алмаза. Прогноз условий
алмазообразования впервые выполнен О. Лейпунским (1939 г.). С
середины 1950-х гг. синтетические монокристаллы кубического алмаза получают из графита (при температуре 1400–1600◦C и давлении 4.5–6.5 ГПа) с применением металлических растворителейкатализаторов (Fe, Co, Ni и др.). Моно- и поликристаллические
пленки кубического алмаза получают осаждением газа углеводородов (метан и др.) в атмосфере водорода на твердые подложки
(алмаз, или Dia; Si, W, Mo и др.) при температуре газа примерно
800◦C и давлении в несколько раз ниже атмосферного (Б. Спицын,
Б. Дерягин; 1956 г.). При этом атомарный водород газифицирует
только зародыши графита. Скорость увеличения толщины пленок
алмаза составляет от единиц до десятков микрометров в час. Синтезировать лонсдейлит намного сложнее, чем кубический алмаз. В
технике алмазы применяются в качестве теплоотводов, как рабочие вещества терморезисторов (для измерения температуры в химических агрессивных средах), линз (для фокусировки света высокой интенсивности), детекторов ионизирующих излучений, однофотонных источников и др.
# Графит (от греч. grapho “пишу”) — минерал, наиболее устой-
чивая в земной коре разновидность чистого углерода, цвет от черного до темно-серого. Открыт в 1564 г., когда в Англии буря вывернула несколько деревьев, и местные жители обратили внимание на черные, мягкие камни под корнями. Камни оставляли сле-
Полупроводниковые материалы и приборы 19
ды на различных поверхностях, и их назвали “черным свинцом”.
К. Шееле (1779 г.) установил, что графит представляет собой кристаллическую разновидность углерода. Н. Конте (1795 г.) изобрел
карандашный грифель, смешивая в разных пропорциях природный
молотый графит с влажной глиной и обжигая эти смеси в печи.
Графит имеет слоистую гексагональную структуру: атомы углерода (C) располагаются в параллельных плоских слоях, в узлах
сетки, образованной правильными шестиугольниками. В кристаллической решетке гексагонального графита каждый 1-й и 3-й слой
занимают эквивалентные положения в пространстве. Одна половина атомов 2-го слоя находится над атомами 1-го слоя, а вторая
половина — над центрами шестиугольников 1-го слоя. Расстояние между атомами C в слое равно 0.142 нм, а между слоями
0.335 нм. Элементарная ячейка графита в форме прямой ромбической призмы включает 3 плоских графитовых слоя, имеет объем
0.0352 нм3и содержит 4 атома. В кристаллическом графите концентрация атомов углерода ≈1.14·1023см−3. Долгое время считалось, что слои графита скользят друг относительно друга подобно игральным картам в колоде. Однако к середине 20-го века
было установлено, что работоспособность графита как антифрикционного материала в зоне трения определяется абсорбцией им
атомов и/или молекул из окружающей газовой атмосферы. При
трении приповерхностные слои графита скользят по атомам примесей между ними. В вакууме, а также при повышенной температуре на воздухе, графит не работает как смазочный материал.
В струе кислорода графит начинает гореть при температуре выше
700◦C, превращаясь в углекислый газ (CO2). Графит относится
к наиболее тугоплавким веществам. Искусственный графит получают нагреванием антрацита в вакууме до температуры примерно
2800◦C. Графит используется для синтеза кристаллов алмаза, получения графена, изготовления резисторов, щеток электрических
машин, смазочных материалов, замедлителей нейтронов в атомных
(ядерных) реакторах и др.
# Графен (англ. graphene, слой графита) — кристаллический слой
из углерода толщиной в 1 атом. Атомы углерода (С) расположены
в вершинах правильных шестиугольников, так что каждый атом
C принадлежит трем шестиугольникам. Расстояние между ближайшими атомами углерода 0.142 нм, толщина графена принимается равной 0.335 нм, т. е. расстоянию между соседними атомными плоскостями в кристаллическом графите гексагональной син-
20 Глава 1
гонии. Элементарная ячейка графена в виде ромба имеет площадь
0.052 нм2и содержит 2 атома, неэквивалентных по локальной симметрии окружения в кристаллической решетке. Графен впервые
получили А. Гейм и К. Новоселов (2004 г.) из кристаллического
графита при комнатной температуре на воздухе. Вначале слои графита механически отщеплялись с помощью клейкой ленты. Затем
лента вместе со слоями графита прижималась к подложке (плоской окисленной поверхности кристаллического кремния). Сцепление слоев графита с диоксидом кремния (SiO2) превышает сцепление слоев графита между собой и они частично перемещались
на подложку. Далее слои графита на SiO2расщеплялись (расслаивались) вплоть до получения графена. Эта планарная технология
позволила увидеть графен в отраженном свете, используя прозрачный слой SiO2толщиной примерно 0.3 мкм и как световод, и как
оптический интерферометр. При лабораторных условиях механическая прочность графена вдоль слоя (в расчете на единицу площади поперечного сечения) больше чем у стали, электропроводность
больше чем у меди, а теплопроводность больше чем у алмаза. Как
и графит, графен относится к бесщелевым кристаллическим полупроводниковым материалам.
# Углеродные нанотрубки — макромолекулы из углерода в виде
полых цилиндров с большим аспектным отношением (т. е. отношением длины к диаметру). Их синтез предложен С. Иидзимой
(1991 г.). Различают однослойные и многослойные углеродные нанотрубки. Однослойную нанотрубку можно представить как лист
графена, свернутый в цилиндр. Многослойная нанотрубка представляет собой набор коаксиально вставленных друг в друга однослойных трубок различных диаметров. Углеродные нанотрубки
сочетают в себе как свойства одиночных макромолекул, так и кристаллов. Типичные диаметры углеродных нанотрубок — от 3 до
10 нм, длины — от 1 мкм до 1 см. Модуль Юнга однослойной углеродной нанотрубки значительно больше, чем у инструментальной
стали. Под действием механических напряжений, превышающих
критические, они не рвутся и не ломаются, а перестраивают свою
структуру (происходит изменение длин и ориентации C–C-связей).
# Фуллерены (по имени американского архитектора Р. Фулле-
ра) — аллотропные молекулярные формы углерода, в которых атомы C расположены в вершинах полых многогранников. Например,
структура фуллерена C60представляет собой усеченный икосаэдр,
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]