Стартовая Предметный указатель Новости науки и техники
Новости науки и техники
Изучение Европы - спутника Юпитера
Американскими исследователями разрабатывается план для изучения Европы, спутника Юпитера. Именно на него будет отправлен аппарат, для поиска следов жизни или внеземного разума. Далее...

Satellite Europe

полупроводниковые материалы

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ - вещества с чётко выраженными свойствами полупроводников в широком интервале темп-р, включая комнатную (Т4005-62.jpg300 К). Характеризуются значениями уд. электропроводности 4005-63.jpg при T4005-64.jpg300 К), промежуточными между уд. электропроводностью металлов и хороших диэлектриков. В отличие от металлов, концентрация подвижных носителей заряда в П. м. значительно ниже концентрации атомов, а электропроводность s возрастает с ростом Т. Для П. м. характерна высокая чувствительность эл--физ. свойств к внеш. воздействиям (нагрев, облучение, деформация и т. д.). а также к содержанию примесей и структурных дефектов. Характеристики важнейших П. м. приведены в табл. 1.

По структуре П. м. делятся на кристаллические, аморфные, жидкие. Ряд органич. веществ также проявляет полупроводниковые свойства и составляет обширную группу органических полупроводников. Наиб. значение имеют неорганич. кристаллич. П. м., к-рые по хим. составу разделяются на элементарные, двойные, тройные и четверные хим. соединения, растворы и сплавы. Полупроводниковые соединения классифицируют по номерам групп периодич. табл. элементов, к к-рым принадлежат входящие в их состав элементы.

Основные группы кристаллических полупроводниковых материалов (см. табл. 1):

1. Элементарные П. м.: Ge, Si, С (алмаз), В,4005-65.jpgSn, Те, Se и др. Важнейшими представителями этой группы являются Ge и Si - осн. материалы полупроводниковой электроники. Обладая 4 валентными электронами, атомы Ge и Si образуют кристаллич. решётку типа алмаза, где каждый атом имеет 4 ближайших соседа, с каждым из к-рых связан ковалентной, связью (координация соседей - тетраэдрическая). Они образуют между собой непрерывный ряд твёрдых растворов, также являющихся важными П. м.

2. Соединения типа 4005-66.jpg Имеют в осн. кристаллич. структуру типа сфалерита. Связь атомов в кристаллич. решётке носит преим. ковалентный характер с нек-рой долей (5-15%) ионной составляющей (см. Химическая связь ).Важнейшие представители этой группы: GaAs, InP, InAs, InSb, GaP. Мн. П. м.4005-67.jpg

образуют между собой непрерывный ряд твёрдых растворов тройных p более сложных (4005-68.jpg4005-69.jpg н т. д.), к-рые также являются важными П. м. (см. Гетеропереход, Гетерострцк-тура).

3. Соединения элементов VI г r у и -п ы (О, S, Se, Те) с элементами I - V групп, а также с переходными и редкоземельными металлами. Среди этих П. м. наиб, интерес представляют соединения типа 4005-70.jpg. Они имеют кристаллич. структуру типа сфалерита или вюрцита, реже - типа NaCl. Связь между атомами носит ковалентно-иошшй характер (доля ионной составляющей порядка 45-60%). Для П. м. типа 4005-71.jpgхарактерны явление полиморфизма и наличие политипов кубической и гексагональной модификаций. Важнейшие представители: CdTe, CdS, ZnTe, ZnSe, ZnO, ZnS. Мн. П. м. типа4005-72.jpgобразуют между собой непрерывный ряд твёрдых растворов; важнейшие из них:4005-73.jpg,4005-74.jpg

Физ. свойства в значит, мере определяются концентрацией собственных точечных дефектов структуры, проявляющих электрич. активность (центры рассеяния и рекомбинации).

Соединения типа 4005-75.jpg имеют кристаллич. структуру типа NaCl или орторомбическую. Связь между атомами - ковалентно-ионная. Типичные представители: PbS, PbTe, SnTe. Они образуют между собой непрерывный ряд твёрдых растворов, среди них наиб, важны4005-76.jpgСобств. точечные дефекты структуры в4005-77.jpgимеют низкую энергию ионизации и проявляют электрич. активность.

Соединения типа 4005-78.jpgимеют кристаллич. структуру типа сфалерита с4005-79.jpgнезаполненных катионных узлов. По своим свойствам занимают промежуточное положение между4005-80.jpg и 4005-81.jpg. Для них характерны низкие решёточная теплопроводность и подвижность носителей4005-82.jpgзаряда. Типичные представители:4005-83.jpg

Табл. 1. -Характеристики важнейших полупроводниковых материалов (* означает усреднение по кристаллографическим направлениям)

Полупроводниковый материал

Тип кристаллич. решётки

Период кристаллич. решётки,4005-84.jpg (300 К)

т„л,4005-85.jpg

Плотность, г/см> (300 К)

Коэф. линейного расширения

4005-86.jpg

Коэф. теплопроводности, ВтХ

4005-87.jpg

Диэлектрич. проницаемость,

4005-88.jpg

Темп-pa Дебая,

qD

Si

кубическая (алмаза)

5,43072

1417

2,32830

2,4(300 К)

1,3

11,7

689(300 К)









539(80 К)

Ge

- " -

5,65754

937

5,32600

5,75(300 К)

0,63

16

406(300 К)









353(80 К)

AIIIBV









InSb

кубическая (сфалерита)

6,4795

525

5,775

5, 04(300 К)

0, 17

17

202(300 К)

InAs

- " -

6,05838

943

5,667

5, 19(300 К)

0,27

14,5

249(300 К)

InP

- " -

5,80875

1062

4,787

4, 75(300 К)

0,67

14

321(300 К)

GaSb

- " -

6,09686

706

5,61220

6, 7(298 - 873 К)

0,34

15

265(300 К)

GaAs

- " -

5,6535

1238

5,3161

6,0 (300 К)

0,46

12,5

344(300 К)

GaP

- " -

5,4495

1470

4, 1297

5, 3(300 К)

0,75

10,2

446(300 К)

AIIBVI









ZnS

кубическая (сфалерита)

5,4093

1830

4,09

6, 14(300 К)

0,026

8, 16*

310(300 К)


гексанальная

а=3,820






315(80 К)


(вюрцита)

с=6,260







ZnSe

кубическая (сфалерита)

5,6687

1427

5,264

9, 44(300 - 1000 К)

0,19

8,5*

400(80 К)


гексанальная (вюрцита)

а=4.00З









с=7 ,090







ZnTe

кубическая (сфалерита)

kI-6, 1033

1239

5,633

9,02(300 К)

0, 18

9,8*

250(80 К)


гексанальная

kII - 0=4,310








(вюрцита)

с=7,090







CdS

кубическая (сфалерита)

5,820

1740

4,825

6,5(300 -1100 К)

0,2

9,3*

250-300(300 К)











гексанальная

a=4, 1368








(вюрцита)

с=6,7136







CdSe

кубическая (сфалерита)

0,6050

1347

5,81

-

0,043

9,5*

230(80 К)


гексанальная

а=4,304








(вюрцита)

с=7,018







CdTe

кубическая (сфалерита)

6,482

1092

5,85

4,9(300 К)

0,075

10,5*

200(80 К)

HgTe

кубическая (сфалерита)

6,463

670

8,076

4,0(300 К)

0,016

48*

-

Табл. 2. - Параметры зонной структуры и свойства носителей заряда для важнейших полупроводниковых материалов

Полупро-воднико-пый

Тип зонной струк-

4005-90.jpg

эВ (300 К)

4005-91.jpg

4005-92.jpg

m в долях4005-93.jpg(300 К)

4005-94.jpg





материал

туры




электроны

дырки

электроны

дырки

Si

непрямозонный

1,14

- 4

1,5

0,33

0,55

1500(300К)

480(300К)

Ge

- " -

0,67

-4

5

0,22

0,39

4500- "-

1900- "-

AIIIBV









InSb

прямозонный

0, 18

-2,8

14,8(000)

0,013

0,4

80000- "-

750- "-








1,2· 10677К)

9,1· 103(77К)

InАs InP

- " -

0,356 1,35

- 2,2 -2,9

8,5(000) 4,6

0,025 0,073

0,4 0,4

35000(300К) 5000- "-

240(300К) 200- "-

GaSb

- " -

0,79

-3,8

12

0,042

0,5

4000- "-

1400- "-

GaAs

- " -

1,43

-5

12,5

0,072

0,68

8500- " -

450- "-

GaP

непрямозонный

2,26

-5,5

1,7

0,35

0,5

300 - " -

100- "-

AIIBVI









ZnS

прямозонный

3,68

-5,3

5,7

0,23

0,6

170

-

ZnSe

- " -

2,8

- 7,2(30- 400К)

6

0,16

0,6

260 (300К)

15- "-

ZnTe

- " -

2,25

-

6

0, 17

0,6

340- " -

1 10- "-

CdS

- " -

2,42; 2,53

-4,4(77- 300 К)

3,3

0,2

0,5

350 - " -

50- "-

CdSe

- " -

1,85

- 4,6(90- 400К)

-

0, 13

0,6

550- " -

50- " -

CdTe

- " -

1,55

- 4, 1(77- 394К)

3,0

0,11

0,35

4*103(77К)

80- " -








1200 (300К)


HgTe

- " -

0,15

-16(4К)

10

0,017

0,16

2,3·104- "-

100- "-






0,03(4,2К)

0,35

7·104(77К)








(1.2К)



4. Тройные соединения типа AIIBIVCV. Кристаллизуются в осн. в решётке халькопирита. Обнаруживают упорядочение в магн. и электрич. полях. Образуют между собой твёрдые растворы. Типичные представители: CdSnAs2, CdGeAs2, ZnSnAs2.

5. Карбид кремния SiC - единств, соединение, образуемое элементами IV группы между собой; существует в неск. структурных модификациях: b-SiC (структура сфалерита), a-SiC (гексагональная структура), имеющая ок. 15 разновидностей.

Некристаллические полупроводниковые материалы

Типичными представителями являются стеклообразные П. м.- халькогенидные и оксидные. К первым относятся сплавы TI, P, As, Sb, Bi с S, Se, Те, характеризующиеся широким диапазоном значений s, низкими темп-рами размягчения, устойчивостью к кислотам и щелочам. Типичные представители: As2Se3 - As2Te3, Tl2Se - As2Se3. Оксидные стеклообразные П. м. имеют состав типа V205 - Р2О5 - x (R - металл I - IV групп); s = 10-4-10-5 Ом-1·см-1. Стеклообразные П. м. имеют электронную проводимость, обнаруживают фотопроводимость и термояде. При медленном охлаждении обычно превращаются в кристаллич. П. м.

Важными некристаллич. П. м. являются также твёрдые растворы водорода в аморфных полупроводниках (гидрированные некристаллич. П. м.): a-Si(H), a-Si1-xCx(H), a-Si1-xGex(H), a-Si1-xNx(H), a-Si1-xSrx(H). Водород обладает высокой растворимостью в этих П. м. и замыкает на себя значит. кол-во "болтающихся" связей, характерных для аморфных П. м. В результате резко снижается плотность состояний носителей заряда в запрещённой зоне и появляется возможность создания p - n-переходов (см. Аморфные и стеклообразные полупроводники).

Свойства полупроводниковых материалов

Осн. физ--хим. свойства важнейших П. м. представлены в табл. 1 и 2.

Прослеживаются следующие общие закономерности в изменении свойств. С увеличением энергии связи между атомами уменьшается период кристаллич. решётки а, возрастают темп-ра плавления Tпл и ширина запрещённой зоны 4005-95.jpg С увеличением молекулярной (атомной) массы период кристаллич. решётки а возрастает, tпл и4005-96.jpg уменьшаются. Нагрев П. м. приводит к увеличению а; внеш. давление r вызывает уменьшение а. При этом соотв. уменьшаются ил p увеличиваются энергия связи между атомами и ширина запрещённой зоны4005-97.jpg (табл. 1).

Зонная структура. В большинстве практически важных П. м. валентные зоны имеют сходное строение. Они вырождены и состоят из зоны тяжёлых дырок 4005-98.jpg зоны лёгких дырок4005-99.jpgи спиновоотщеплённой зоны 4005-100.jpg (рис. 1).

4005-101.jpg

Рис. 1. Зонная структура: слева - прямозонных полупроводниковых материалов; справа - непрямозонных.


Все зоны имеют максимум в центре Бриллюэна зоны (k = 0). Перенос носителей в П. м. с дырочной проводимостью определяется дырками первых 2 зон, эфф. массы к-рых приведены в табл. 2 (см. Зонная теория).

В зоне проводимости, помимо минимума в центре Бриллюэна зоны (k = 0), есть побочные минимумы, располагающиеся вдоль кристаллография, направлений [100] пли [111]. Электроны в центр, минимуме 4005-102.jpg имеют высокую подвижность m и малую эфф. массу т, в побочных минимумах - низкую подвижность и большую т. Если энергетически наиб, низким является минимум в центре Бриллюэна зоны, то такие П. м. наз. "прямозонными". П. м., где энергетически наиб, низкими являются минимумы в направлениях [100] или [111], относятся к числу "непрямозонных". В прямозонных П. м. электроны проводимости имеют высокую подвижность и малую эфф. массу, в непрямозонных наоборот (табл. 2). Величина коэф. поглощения света вблизи края фундаментального поглощения в прямозонных П. м.4005-103.jpgв непрямозонных П. м.-4005-104.jpg Прямозонные П. м. обнаруживают более высокий коэф. излучат, рекомбинации (табл. 3) (см. Рекомбинация носителей заряда).

Табл. 3. - Коэффициент излучательной рекомбинации Kи

Подупроводнико-вый материал

Тип зонной структуры

Ки см3·с-1

Si

Непрямозонный

1,79·10-15

Ge

- " -

5,25·10-14

GaP

- " -

5,37·10-14

GaAs

Прямозонный

7,21·10-10

GaSb

- " -

2,39·10-10

InAs

- " -

8,5·10-11

InSb

- " -

4,58·10-11

Свойства полупроводниковых твёрдых растворов зависят от их состава и природы составляющих компонентов. Период кристаллич. решётки обычно линейно зависит от концентрации растворённого компонента (правило Вегарда). Концентрац. зависимости подвижности носителей4005-105.jpgвремени их жизни4005-106.jpg интенсивности излучат. рекомбинации4005-107.jpgи оптич. поглощения в твёрдых растворах прямозонных П. м. описываются плавными кривыми между значениями, характерными для составляющих их компонентов (рис. 2).


Рис. 2. Зависимость подвижности4005-108.jpg носителей в растворах прямозонных полупроводников 4005-109.jpg от концентрации компонентов (зс).


4005-110.jpg


В твёрдых растворах, образованных прямозонным и непрямозонным П. м., в области составов, где происходит изменение зонной структуры, наблюдаются резкие изменения свойств (рис. 3).


Рис. 3. Зависимость подвижности m носителей в твёрдых растворах между прямозонным и непрямозонным полупроводниками4005-111.jpg от концентрации компонентов.

4005-112.jpg


Зависимость свойств П. м. от природы и концентрации примесей и дефектов используют для целенаправленного изменения характеристик П. м. путём легирования (см. Легирование полупроводников).

Получение чистых полупроводниковых материалов

Очистка от посторонних примесей в случае Ge и Si осуществляется путём синтеза их летучих соединений (хлоридов, гидридов) с последующей глубокой очисткой методами ректификации, сорбции, частичного гидролиза и термич. обработки. Хлориды подвергают затем высокотемпературному восстановлению водородом, также прошедшим предварит. глубокую очистку, с осаждением восстановленных продуктов на прутках из Ge или Si. Из очищенных гидридов Ge и Si выделяют путём термич. разложения. В результате достигается суммарное содержание остаточных электрически активных примесей4005-113.jpg

Получение особо чистых полупроводниковых соединений осуществляют, применяя для их синтеза очищенные компоненты. Суммарное содержание остаточных примесей в исходных материалах4005-114.jpgСинтез разлагающихся соединений проводят либо в запаянных кварцевых ампулах при контролируемом давлении паров летучего компонента в рабочем объёме, либо под слоем т. н. жидкого флюса (напр., особо чистый обезвоженный борный ангидрид). Синтез соединений, имеющих большое давление паров летучего компонента над расплавом, осуществляют в камерах высокого давления. Часто синтез совмещают с последующей дополнит. очисткой соединения путём направленной или зонной кристаллизации расплава. Направленную кристаллизацию осуществляют перемещением контейнера с расплавом в область (зону) с градиентом темп-ры. При зонной плавке расплавленная зона перемещается вдоль кристалла.

Выращивание полупроводниковых монокристаллов

Наиб. распространённым способом является вытягивание из расплава по методу Чохральского (см. Кристаллизация, Монокристаллов выращивание). Этим методом получают монокристаллы Ge, Si, соединений 4005-115.jpg В4005-116.jpg 4005-117.jpg и т. д. Вытягивание монокристаллов неразлагающихся П. м. проводят в атмосфере водорода, инертных газов или в условиях глубокого вакуума. При выращивании монокристаллов разлагающихся соединений (InAs, GaAs, InP, GaP, CdTe, РЬТе и др.) расплав герметизируют слоем жидкого борного ангидрида (флюс). Монокристаллы вытягивают, погружая затравку в расплав через флюс и поддерживая в рабочем объёме над расплавом определ. давление инертного газа. Часто вытягивание осуществляют в камерах высокого давления; при этом совмещается процесс выращивания монокристалла с предварит. синтезом соединения под слоем флюса (GaAs, InP, GaP и др.).

Для выращивания монокристаллов П. м. также используют методы направленной и зонной кристаллизации в горизонтальном и вертикальном варианте (индукционный или резистивнын нагрев). В случае разлагающихся соединений для получения монокристаллов стехиометрич. состава процесс проводят в запаянных кварцевых ампулах, поддерживая равновесное давление паров летучего компонента над расплавом; часто для этих целей требуются камеры высокого давления, в к-рых поддерживается противодавление инертного газа. При получении монокристаллов необходимой кристаллографич. ориентации используют ориентированные монокристаллич. затравки.

Для выращивания монокристаллов, обладающих благоприятным сочетанием величин плотности и поверхностного натяжения, можно использовать метод бес-тигельной зонной плавки. Отсутствие контакта расплава со стенками контейнера позволяет получать наиб, чистые монокристаллы. Обычно процесс выращивания монокристалла совмещают с предварит. дополнит. зонной очисткой. Для создания расплавленной зоны применяют индукционный нагрев (используется в технологии Si).

Для получения монокристаллов ряда тугоплавких разлагающихся полупроводниковых соединений применяют кристаллизацию из газовой фазы методами сублимации и хим. транспортных реакций (напр., CdS, ZnS, SiC, A1N).

Если при выращивании не удаётся получить соединение стехиометрич. состава, кристаллы разрезают на пластины и подвергают дополнит. отжигу в парах недостающего компонента. Наиб. часто этот приём используют для получения кристаллов узкозонных соединений 4005-118.jpg и 4005-119.jpg где собств. точечные дефекты проявляют высокую электрич. активность (РbТе, 4005-120.jpg Те и др.). Для выращивания про-филиров. монокристаллов П. м. (ленты, прутки, трубы и т. д.) применяют метод Степанова. Процессы получения П. м. в виде монокристаллич. плёнок на различного рода монокристаллич. подложках наз. процессами эпитаксиального наращивания (см. Эпитаксия).

Применение полупроводниковых материалов

Осн. областью применения П. м. является микроэлектроника. П. м. составляют основу современных больших и сверхбольших интегральных схем (ИС), к-рые делаются в осн. на Si. Повышение быстродействия и снижение потребляемой мощности связаны с созданием ИС на основе GaAs, InP и их твёрдых растворов с др. соединениями4005-121.jpg

П. м. используют для изготовления "силовых" электронных приборов (вентилей, тиристоров, мощных транзисторов ).Здесь также осн. П. м. является Si, а дальнейшее продвижение в область более высоких рабочих темп-р связано с применением GaAs, SiC и др. широкозонных П. м. Расширяется применение П. м. в солнечной энергетике. Осн. П. м. для изготовления солнечных батарей являются Si, GaAs, гетерострукту-ры 4005-122.jpg) -

4005-123.jpg С применением некристаллич. гидрированных П. м. связаны перспективы снижения стоимости солнечных батарей.

П. м. используются в произ-ве полупроводниковых лазеров и светоизлучающих диодов. Лазеры изготовляют на основе ряда прямозонных соединений4005-124.jpg

4005-125.jpg4005-126.jpg и др. Важнейшими П. м. для изготовления инжекционных лазеров являются гетероструктуры:

4005-127.jpg

4005-128.jpg

4005-129.jpg

(см.Гетеролазер).

Для изготовления светодиодов используют 4005-130.jpg 4005-131.jpg и др. 11. м. составляют основу фотоприёмных устройств широкого диапазона (Ge, 4005-132.jpg и 4005-133.jpg др.). Полупроводниковые лазеры и фотоприёмники- составляющие элементной базы воло-конно-оптич. линий связи (см. Волоконная оптика ).Широко используются П. м. для создания разл. приборов СВЧ- и радиодиапазонов (биполярные и полевые транзисторы, транзисторы на горячих электронах, лавинопролётные диоды), детекторов частиц (чистые Ge, Si. GaAs, CdTe и др.; см. Полупроводниковый детектор ).На основе П. м. изготовляются термохолодильники, тензодатчики, высокочувствит. термометры, датчики магн. полей, модуляторы и волноводы ИК-излу-чепия, т. н. оптические окна и др.

Лит.: Горелик С. С., Дашевский М. Я., Материаловедение полупроводников и металловедение, М., 1973; Мильвидский М. Г., Полупроводниковые материалы в современной электронике, М., 1986; Нашельский А. Я., Технология полупроводниковых материалов, М., 1987; Мейлихов Е. 3., Лазарев С. Д., Электрофизические свойства полупроводников, (Справочник физических величин), М., 1987.

М. Г, Мильвидский,

  Предметный указатель