Материаловедение полупроводников
Материаловедение
полупроводников
Необходимость
получения материалов, обладающих специальными свойствами, выдвигают перед
наукой задачу дальнейшего развития физики и химии твердого тела, призванных
разрабатывать научные основы создания новых конструкционных материалов с
заданными свойствами.
Успех развития
полупроводниковой техники и связанных с ней отраслей (электроники, энергетики и
др.) в значительной мере определяются достижениями в области разработки и
получения полупроводниковых сплавов с определенными стабильными
электрофизическими, механическими и другими свойствами. Поэтому разработка вопросов,
связанных с получением полупроводниковых материалов, обладающих определенным
комплексом свойств, т. е. тех вопросов, круг и задачи которых составляет
предмет материаловедения полупроводников, являются одной из важнейших задач
науки и техники.
Только после
того, как Ge и Si удалось значительно очистить от сопутствующих примесей и
получить в виде монокристаллов, были обнаружены их новые свойства, которые
определили основное направление работ по полупроводниковым материалам [1].
В качестве примера влияния степени чистоты материала на его свойства
можно привести данные [2]. Температура и плавление Al по мере увеличения
степени его чистоты изменяется следующим образом: при 99,2 и 99,5% Al
температура плавления ( Тпл ) равна соответственно 930 и 931 К. При содержании
основного вещества 99,6% Тпл = 931,7 К, а для 99,97%-ного Al температура
плавления равна 932,8 К. В случае Al, содержащего 99,996% основного вещества
Тпл = 933,24 К.
Так же сильно зависит от степени чистоты Al и его плотность ( d ): при
99,25% Al d = 2,727; 99,40% Al - d = 2,706; 99,75% Al - d = 2,703; 99,971% Al -
d = 2,6996; 99,996% Al - d = 2,6989 г/см3.
Подобным образом зависит температура рекристаллизации предварительного
деформированного Al от степени его чистоты: 99,99% Al - Трекр = 373 К; 99,999%
Al - Трекр = комнатной температуре; алюминий чистотой 99,9992% и
деформированный при температуре жидкого азота, рекристаллизуется при Т = 223 К.
К тому же, с повышением чистоты Al увеличивается его электропроводность,
отражательная способность, пластичность и коррозионная стойкость.
Отличительной
чертой полупроводников является их очень сильная чувствительность к
незначительным внешним воздействиям - температуре, электрическому и магнитному
полям, гидростатическому давлению, свету и т. д. [3].
Типичными
представителями полупроводников являются германий и кремний. Тем не менее сами
по себе эти материалы с собственным сопротивлением не могут быть использованы в
технике для создания полупроводниковых приборов [1]. В этом случае
предварительно очищенный материал легируют различными электроактивными
примесями, сообщающими полупроводнику тот или иной тип проводимости и
определенные электрические характеристики. В связи с этим возникла проблема
изучения растворимости различных элементов в полупроводниках (Ge, Si,
соединения АIIIBV, AIIBVI, AIVBVI и т.д.) и детального построения диаграмм
состояния типа полупроводник-легирующий элемент.
При создании
полупроводниковых сплавов в некоторых случаях в основной материал вводят
несколько легирующих элементов. В таких случаях наличие легирующего элемента
одного типа может оказать существенное влияние на поведение элемента другого
типа в связи с возможностью химического взаимодействия между ними [4, 5]. В
этой связи потребовалось установить закономерности поведения легирующих
компонентов при получении сложнолегированных полупроводниковых сплавов.
В разработке
общей проблемы легирования полупроводников и получения полупроводниковых
сплавов на их основе выделяют три основных направления [1]:
исследование
растворимости легирующих элементов и построение соответствующих диаграмм
состояния как двойных, так и тройных систем;
изучение
взаимодействия между легирующими компонентами как в твердых, так и в жидких
растворах на основе полупроводников;
разработка
рациональных методов легирования и термообработки с целью получения сплавов,
обладающих необходимым комплексом электрофизических и физико-химических
свойств.
Высокая
химическая активность и диссоциация ряда полупроводниковых соединений,
усложнение их состава (многокомпонентные полупроводники, например, GaxIn1-xP,
GaPyAs1-y и т.д.), наличие легирующих примесей , изменение типа химической
связи и структуры ближнего порядка при плавлении ставят новые вопросы перед
физико-химическим анализом. Наличие двух- и трехкомпонентных полупроводниковых
соединений привело к необходимости анализа в рамках трех-, четырехкомпонентных
систем так называемых квазибинарных, квазитройных и т.д. систем, что, учитывая
наличие определенной степени диссоциации, делает проблематичным само введения таких
понятий [6]. Данное положение находит свое проявление и в наблюдаемом для ряда
полупроводниковых систем несоответствии между квазибинарным характером диаграмм
состояния систем и диаграммами состав-свойство. Кроме того, значительные
элементы в проблему гетерогенных равновесий вносит и наличие областей
гомогенности на основе полупроводниковых соединений. Термодинамический подход к
описанию и анализу гетерогенных равновесий дает возможность не только оценить
положение линий (поверхностей) фазавого равновесия в системе или значение
термодинамических характеристик процессов плавления (кристаллизации) и смешение
(растворение), но и дает возможность выявить природу поведения химических
компонентов и характер их взаимодействия в полупроводниковых системах.
Развитие
полупроводниковой опто- и микроэлектроники привело к широкому использованию
полупроводниковых соединений. Взаимодействие различных соединений друг с другом
приводит к образованию твердых растворов, что дает возможность путем изменения
состава раствора получать материалы с наперед заданными свойствами.
Расчеты
процессов кристаллизации легированных монокристаллов полупроводников
основываются на знании элемента между твердой и жидкой фазами, который
непосредственно вытекает из диаграммы состояния полупроводник-легирующий
элемент [1, 7, 8]. При этом нужно исходить из того, что коэффициент
распределения является таким параметром, анализ которого позволит установить
физико-химическую природу взаимодействия между компонентами [8, 9].
Довольно сложно
решается задача воспроизводимого легирования полупроводниковых соединений с
целью получения кристаллов с необходимыми свойствами. Это связано с тем, что
сами задаваемые свойства варьируются в очень широких пределах и при этом, как
правило, необходимо выращивать такие кристаллы с определенным сочетанием
различных свойств (например, оптических и электрофизических) с учетом высокой
однородности распределения последних в объеме. Более того, многие примеси в
полупроводниковых соединениях обнаруживают довольно сложное поведение, а,
следовательно, правильный выбор оптимальной легирующей добавки зависит в этом
случае от результатов предварительных исследований влияние примесей на
электрофизические и оптические свойства таких кристаллов [10].
Изменение
химического состава по-разному влияет на свойства в зависимости от того, какими
изменениями в фазовом составе оно сопровождается. Следовательно, важно не
только знать какие фазы образуются при взаимодействии элементов, но и уметь
прогнозировать фазовый состав и пути воздействия на него. При внешнем
воздействии можно получить фазовые состояния с различной степенью отклонения от
равновесного, что дает дополнительные возможности для управления свойствами
[11].
Точечные
дефекты, дислокации, дефекты упаковки и другие нарушения структуры, управляют
процессами диффузии, а также влияют на электрические, тепловые и другие
свойства кристаллов. Без достаточно глубокого понимания дефектов
кристаллической структуры и знания процессов их влияния на свойства
полупроводниковых материалов невозможно использование полезных свойств таких
кристаллов и тем более получение кристаллов с наперед заданными свойствами
[12]. К настоящему времени в изучении дефектов накоплен большой материал,
причем их изучение позволило не только выявить целый ряд новых, ранее не
известных явлений, но и выработать рекомендации по управлению свойствами
полупроводниковых материалов.
Подводя итоги
сказанному выше можно заключить, что материаловедение полупроводников - это
научная дисциплина, изучающая закономерности образования металлических и
полупроводниковых фаз (элементарных веществ, растворов, соединений, сплавов), в
равновесных и неравновесных условиях, влияние химического и фазового состава,
атомной структуры и структурных дефектов фаз на свойства материалов, а также
разрабатывающая научные и практические пути воздействия на их фазовый состав,
структуру и физико-химические свойства.
Список
литературы
Глазов В. М.,
Земсков В. С. Физико-химические основы легирования полупроводников. -М.: Наука,
1967. -С. 371.
Беляев А. И.
Физико-химические основы очистки металлов и полупроводниковых материалов. -М.:
Металлургия, 1973. -С.224.
Фистуль В. И.
Физика и химия твердого тела. Т. 2. -М.: Металлургия, 1995. -С. 320.
Милнс А.
Примеси с глубокими уровнями в полупроводниках. -М.: Мир, 1977. -С. 562.
Самсонов Г. В.,
Бондарев В. Н. Германиды. -М.: Металлургия, 1968. -С. 220.
Уфимцев В. Б.,
Лобанов А. А. Гетерогенные равновесия в технологии полупроводниковых
материалов. -М.: Металлургия, 1981. -С. 216.
Пфанн В. Зонная
плавка. -М.: Мир, 1970. -С. 366.
Нисельсон Л.
А., Ярошевский А. Г. Межфазовые коэффициенты распределения. Равновесия
кристалл-жидкость и кристалл-пар. -М.: Наука, 1992. -С. 390.
Вигдорович В.
Н., Вольпян А. Е., Курдюмов Г. М. Направленная кристаллизация и физико-химический
анализ. -М.: Химия, 1976. -С. 198.
Мильвидский М.
Г., Пелевин О. В., Сахаров Б. А. Физико-химические основы получения
разлагающихся полупроводниковых соединений. -М.: Металлургия, 1974. -С. 392.
Горелик С. С.,
Дашевский М. Я. Материаловедение полупроводников и металловедение. -М.:
Металлургия, 1973. -С. 496.
Левицкий Ю. Т.
Макроскопические дефекты кристаллической структуры и свойства материалов. -М.:
Наука, 1988. -С. 200.
Для подготовки
данной работы были использованы материалы с сайта http://kristall.lan.krasu.ru/