Полупроводниковые материалы
Полупроводниковые материалы, полупроводники, применяемые для изготовления электронных приборов и устройств. В полупроводниковой электронике используют главным образом кристаллические П. м. Большинство из них имеет кристаллическую структуру с тетраэдрической координацией атомов, характерной для структуры алмаза.
Значительную роль в развитии полупроводниковой техники сыграл селен: селеновые выпрямители долгое время оставались основными полупроводниковыми приборами, получившими массовое применение.
В начале 70-х гг. 20 в. наиболее распространённые П. м. - кремний и германий. Обычно их изготовляют в виде массивных монокристаллов, легированных различными примесями. Легированные монокристаллы Si с удельным сопротивлением 10-3-104 ом×см получают преимущественно методом вытягивания из расплава (по Чохральскому), а легированные монокристаллы Ge с удельным сопротивлением 0,1-45 ом×см получают, кроме того, зонной плавкой. Как правило, примесные атомы V группы периодической системы (Р, As и Sb) сообщают кремнию и германию электронную проводимость, а примесные атомы III группы (В, Al, Ga, In) - дырочную. Si и Ge обычно используют для изготовления полупроводниковых диодов, транзисторов, интегральных микросхем и т.д.
Большую группу П. м. составляют химические соединения типа AIII BV (элементов III группы с элементами V группы) - арсениды, фосфиды, антимониды, нитриды (GaAs, InAs, GaP, lnP, InSb, AlN, BN и др.). Их получают различными методами изготовления монокристаллов как из жидкой, так и из газовой фазы. Синтез и выращивание монокристаллов обычно производят в замкнутых сосудах из высокотемпературных химически инертных материалов, обладающих высокой прочностью, поскольку давление насыщенного пара над расплавом таких элементов, как Р и As, сравнительно велико. Примеси элементов II группы придают этим П. м., как правило, дырочную проводимость, а элементов IV группы - электронную. П. м. этой группы используют в основном в полупроводниковых лазерах, светоизлучающих диодах, Ганна диодах, фотоэлектронных умножителях, в качестве плёночных детекторов излучения в рентгеновской, видимой и инфракрасной областях спектра электромагнитных волн.
П. м. типа AiiBvi из которых наиболее широко применяют соединения ZnO, ZnS, CdS, CdSe, ZnSe, HgSe, CdTe, ZnTe, HgTe, получают преимущественно с помощью химических реакций в газовой фазе или сплавлением компонентов. Удельное сопротивление и тип проводимости этих П. м. определяются не столько легирующими примесями, сколько характерными для них структурными дефектами, связанными с отклонением их состава от стехиометрического (см. Стехиометрия). Использование П. м. этого типа связано главным образом с их оптическими свойствами и фоточувствительностью. Поэтому их применяют в фоторезисторах, фотоэлементах, электроннолучевых приборах и приборах ночного видения, модуляторах оптического излучения (см. Модуляция света) и т.д.
К П. м. относят также некоторые аморфные стеклообразные халькогенидные системы, например сплавы Р, As, Sb, Bi с Ge, S, Se, Te, и оксидные системы, например V2O5 - P2O5 - RxOy, где R - металлы I - IV групп, х - число атомов металла и у - число атомов кислорода в окисле. Их используют главным образом в качестве оптических покрытий в приборостроении. Таблица некоторых физических свойств важнейших полупроводниковых материалов Элемент, тип соедине-
ния Наиме-
нование материа-
ла Ширина запрещенной зоны, эв Подвижность носителей заряда, 300 K, см2/(в×сек) Кристал-лическая структура Постоян-
ная решётки, Темпера-
тура плавле-
ния, ?С Упругость пара при темпера-
туре плавле-
ния, атм при
300 К при 0 К элек-
троны дырки
Элемент С (алмаз) 5,47 5,51 1800 1600 алмаз
3,56679 4027 10-9 Ge 0,803 0,89 3900 1900 типа алмаза
5,65748 937 Si 1,12 1,16 1500 600 "
5,43086 1420 10-6 a-Sn ~0,08 "
6,4892
IV-IV a-SiC 3 3,1 400 50 типа сфалерита
4,358 3100
III-V AISb 1,63 1,75 200 420 типа сфалерита
6,1355 1050 <0,02 BP 6 "
4,538 >1300 >24 GaN 3,5 типа вюртцита
3,186 (по оси a)5,176 (по оси с) >1700 >200 GaSb 0,67 0,80 4000 1400 типа сфалерита
6,0955 706 <4×10-4 GaAs 1,43 1,52 8500 400 то же
5,6534 1239 1 GaP 2,24 2,40 110 75 "
5,4505 1467 35 InSb 0,16 0,26 78000 750 "
6,4788 525 <4×10-5 InAs 0,33 0,46 33000 460 "
6,0585 943 0,33 InP 1,29 1,34 4600 150 "
5,8688 1060 25
II-VI CdS 2,42 2,56 300 50 типа вюртцита
4,16 (по оси a)6,756 (по оси с) 1750 CdSe 1,7 1,85 800 типа сфалерита
6,05 1258 ZnO 3,2 200 кубич.
4,58 1975 ZnS 3,6 3,7 165 типа вюртцита
3,82 (по оси a) 6,26 (по оси с) 1700
IV-VI PbS 0,41 0,34 600 700 кубич.
5,935 1103 PbTe 0,32 0,24 6000 4000 то же
6,460 917
П. м. в широких пределах изменяют свои свойства с изменением температуры, а также под влиянием электрических и магнитных полей, механических напряжений, облучения и др. воздействий. Этим пользуются для создания различного рода датчиков.
П. м. характеризуются следующими основными параметрами: удельным сопротивлением, типом проводимости, шириной запрещенной зоны, концентрацией носителей заряда и их подвижностью, эффективной массой и временем жизни. Ряд характеристик П. м., например ширина запрещенной зоны и эффективная масса носителей, относительно слабо зависит от концентрации химических примесей и степени совершенства кристаллической решётки. Но многие параметры практически полностью определяются концентрацией и природой химических примесей и структурных дефектов. Некоторые физические свойства важнейших П. м. приведены в таблице.
В электронных приборах П. м. используют как в виде объёмных монокристаллов, так и в виде тонких моно- и поликристаллических слоев (толщиной от долей мкм до нескольких сотен мкм), нанесённых на различные, например изолирующие или полупроводниковые, подложки (см. Микроэлектроника). В таких устройствах П. м. должны обладать определёнными электрофизическими свойствами, стабильными во времени и устойчивыми к воздействиям среды во время эксплуатации. Большое значение имеют однородность свойств П. м. в пределах монокристалла или слоя, а также степень совершенства их кристаллической структуры (плотность дислокаций, концентрация точечных дефектов и др.).
В связи с высокими требованиями к чистоте и совершенству структуры П. м. технология их производства весьма сложна и требует высокой стабильности технологических режимов (постоянства температуры, расхода газовой смеси, продолжительности процесса и т.д.) и соблюдения специальных условий, в частности т. н. полупроводниковой чистоты аппаратуры и помещений (не более 4 пылинок размером свыше 0,5 мкм в 1 л воздуха). Продолжительность процесса выращивания монокристаллов в зависимости от их размеров и вида П. м. составляет от нескольких десятков мин до нескольких сут. При обработке П. м. в промышленных условиях используют процессы резания П. м. алмазным инструментом, шлифовки и полировки их поверхности абразивами, термической обработки, травления щелочами и кислотами.
Контроль качества П. м. весьма сложен и разнообразен и выполняется с помощью специализированной аппаратуры. Основные контролируемые параметры П. м.: химический состав, тип проводимости, удельное сопротивление, время жизни носителей, их подвижность и уровень легирования. Для анализа состава П. м. обычно пользуются оптическими, спектральными, масс-спектроскопическими и активационными методами. Электрофизические характеристики измеряют т. н. зондовыми методами или используют Холла эффект. Совершенство структуры монокристаллов исследуют методами рентгеноструктурного анализа и оптической микроскопии. Толщину слоев измеряют либо бесконтактными оптическими методами, либо методами сошлифовки слоя.
Лит.: Технология полупроводниковых материалов, пер. с англ., М., 1961; Родо М., Полупроводниковые материалы, пер. с франц., М., 1971; Зи С. М., Физика полупроводниковых приборов, пер. с англ., М., 1973; Палатник А. С., Сорокин В. К., Основы пленочного полупроводникового материаловедения, М., 1973; Кристаллохимические, физико-химические и физические свойства полупроводниковых веществ, М., 1973.
? Ю. Н. Кузнецов, А. Ю. Малинин.