Основные требования к полупроводниковым материалам

Основные требования к полупроводниковым материалам.

К полупроводникам относят большую группу веществ. По своему удельному электрическому сопротивлению они занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Диапазон удельного сопротивления при комнатной температуре условно ограничивают значениями 10-4 и 1010 Ом.см. Отличительными свойствами полупроводников является сильная зависимость их удельного электрического сопротивления от концентрации примесей. У большинства полупроводников удельное сопротивление зависит также от температуры и других внешних энергетических воздействий (свет, электрическое и магнитное поле, ионизирующее излучение и т. д.).

На основе полупроводниковых материалов создано много разнообразных полупроводниковых приборов. Свойства, параметры и характеристики этих приборов в значительной степени определяются свойствами и параметрами исходного полупроводникового материала. Принцип действия большинства полупроводниковых приборов (выпрямительные диоды, стабилитроны, варикапы, биполярные транзисторы, тиристоры и т. д.) основан на использовании свойств выпрямляющего перехода, в качестве которого обычно служит электронно-дырочный переход. Поэтому такие приборы будут работоспособны только при температуре, соответствующей примесной электропроводности. Появление собственной электропроводности при высокой температуре нарушает нормальную работу прибора. Максимальная допустимая температура полупроводникового прибора, в первую очередь, определяется шириной запрещенной зоны исходного полупроводникового материала. Таким образом, использование материала с большой шириной запрещенной зоны позволит увеличить максимальную допустимую температуру прибора. Кроме того, приборы на основе широкозонного полупроводникового материала будут способны работать с большей допустимой удельной мощностью рассеяния, т. е. При нормальных условиях работы могут быть уменьшены габариты прибора или габариты теплоотводящих радиаторов.

В настоящее время основным материалом полупроводниковой электроники является кремний. На разработку технологии изготовления чистого кремния и полупроводниковых приборов на его основе затрачено много сил и средств. Поэтому в ближайшее время мала вероятность замены кремния на другой полупроводниковый материал. Для такой замены необходимы существенные преимущества в свойствах и характеристиках приборов, а также в экономичности производства этих приборов. Может быть, такие преимущества смогут обеспечить некоторые соединения элементов третьей и пятой групп таблицы Д. И. Менделеева. Среди них есть материалы с большей подвижностью носителей заряда. Это, в первую очередь, относится к арсениду галлия. Большая ширина запрещенной зоны арсенида галлия обеспечит большую максимальную допустимую температуру полупроводникового прибора, а, следовательно, допустимую мощность расселения. Большая подвижность носителей заряда должна обеспечить улучшение частотных свойств транзисторных и диодных структур полупроводниковых приборов (в том числе и интегральных микросхем).

Подвижность носителей заряда влияет на частотные свойства выпрямительных диодов, так как эти свойства большинства выпрямительных диодов определяются временем рассасывания не основных носителей в базовой области диодной структуры.

Одна и важнейших задач полупроводниковой электроники - это повышение пробивного напряжения коллекторного перехода транзистора и тиристора, а также пробивного напряжения выпрямляющего электрического переходя диода. Для решения этой задачи необходимо получить равномерное распределение плотности тока по всей площади электронно-дырочного перехода, что снизит вероятность возникновения теплового пробоя. Поэтому особое значение приобретает требование к однородности исходного полупроводникового материала, так как микронеоднородности и другие дефекты значительно снижают пробивное напряжение перехода. Естественно, что наряду с повышением качества исходных материалов необходимо совершенствовать методы контроля их параметров и свойств.

Развитие микроэлектроники, в частности, и вообще электронной техники должно сопровождаться повышением надежности и снижением стоимости электронных схем и устройств. Необходимость повышения надежности вызвана, во-первых, усложнением аппаратуры, увеличением числа элементов установках. Для обеспечения работоспособности всей установки необходима высокая надежность каждого отдельного элемента установки. При этом не всегда можно применять резервирование или дублирование по экономическим и техническим соображениям. Во-вторых, электронная аппаратура стала широко применяться при экстремальных внешних условиях в связи с развитием геофизических исследований, созданием ядерных энергетических устройств, повышением технических параметров авиационной техники и развитием космонавтики. Аппаратура должна теперь работать при высоких и низких температурах, при наличии значительных градиентов температуры, при радиационном облучении, при наличие сильных электромагнитных полей, при больших статических и динамических механических нагрузках, при воздействии микроорганизмов и агрессивных сред. При этом иногда не возможно использовать специальные средства защиты (термостаты, радиационные и электромагнитыне экраны, механическая демпфирование) из-за требования одновременного снижения массы, энергопотребления и стоимости.

Естественный и понятный путь повышения надежности - это повышение общей культуры проектирования и производства приборов. Но необхзожим также глубокий анализ кинетических закономерностей и механизмов старения полупроводниковых и других материалов которые используются в полупроводниковых приборах. В первую очередь, необходимо исследовать физико-химические процессы в полупроводниковых материалах при одновременном воздействии высокой температуры и сильных электрических полей, электрическую и химическую коррозию, окисление, диффузию примесей, накопление деформаций, усталостные явления т. д.

Снижение стоимости изделий не только микроэлектроники, но и всей полупроводниковой электроники в сильной степени зависит от процента выхода годных приборов, который оказывается иногда очень низким (особенно для больших интегральных микросхем) из-за недостаточного качества исходного полупроводникового качества исходного полупроводникового материала и недостаточной однородности по кристаллу.

С появлением полупроводниковых приборов возникла сразу же необходимость в улучшении их частотных свойств, в повышении допустимой мощности рассеяния. Рабочие частоты современных кремниевых биполярных транзисторов СВЧ приближаются уже к теоретическому пределу. Поэтому, чтобы еще улучшить частотные свойства, нужно использовать другой материал (о чем уже было сказано ранее), а также разрабатывать полупроводниковые приборы с другим принципом действия.

Так, для генерации СВЧ электромагнитных колебаний разрабатываются и выпускаются лавинно-пролетные диоды и генераторы Ганна, (генераторы Ганна, хотя в структуре этих приборов нет выпрямляющего электрического перехода).

Принцип действия лавинно-пролетных диодов основан на инерционности лавинного умножения носителей зарядов в электронном переходе при лавинном пробое и на существование некоторого времени пролета возникающих в переходе носителей через этот переход. Поэтому к однородности и качеству исходного полупроводникового материала лавинно-пролетных диодов предъявляются жесткие требования.

Выпускаемые промышленностью лавинно-пролетные диоды и генераторы Ганна рассчитаны на выходную СВЧ мощность в непрерывном режиме в несколько десятков милливатт. В импульсном режиме эта мощность может быть повышена на несколько порядков. Для увеличения выходной мощности нужны лавинно-пролетные диоды и генераторы Ганна с большей площадью электронно-дырочного перехода и большей площадью тонкой пленки полупроводника. При этом они должны быть однородны не только по толщине, но и по площади.

В качестве исходных материалов для фоточувствительных и фото преобразовательных полупроводниковых приборов - фоторезисторов, фотодиодов и фотоэлементов, целесообразно использовать полупроводники с различной шириной запрещенной зоны, имеющие максимум спектральной характеристики при различных длинах волн. Особый интерес представляет полупроводниковые многокомпонентные твердые растворы, у которых ширина запрещенной зоны и максимум спектральной характеристики изменяются в широких пределах в зависимости от содержания отдельных компонентов.

В частности, для непосредственного преобразования энергии солнечного света в электрическую энергию используют кремневые фотоэлементы - солнечные батареи, являющиеся основными источниками питания электронной аппаратуры на космических кораблях и спутниках. Однако для повышения КПД фотоэлементов, предназначенных для преобразования энергии солнечного света, с учетом спектрального распределения энергии в солнечном спектре необходим полупроводниковый материал с несколько большей шириной запрещенной зоны, чем у кремния (например, арсенид галлия).

Естественно, что к исходному полупроводниковому материалу каждого прибора предъявляются требования, связанные с принципом действия и условиями работы этого прибора. Так, солнечные батареи должны длительное время работать в условиях космической радиации. По этой причине необходимым свойством исходного полупроводникового материала таких приборов является его радиационная стойкость. Радиационная стойкость фото преобразователей на основе арсенида галлия более высокая, чем кремниевых преобразователей. Экспериментально выявлена в несколько раз большая радиационная стойкость к облучению электронами и протонами фотоэлементов на основе кремния с p-типом электропроводимости, чем на основе кремния с n-типом электропроводимости.

Коэффициент полезного действия фотоэлемента, в частности, зависит от места возникновения новых носителей заряда: они могут возникать на относительно большой глубине от электронно-дырочного перехода в базе, или непосредственно в переходе, или в близи поверхности кристалла полупроводника.

При выборе исходного материала для фотоэлемента необходимо учитывать изменения показателя поглощения света в зависимости от длины волны.

При производстве фоторезисторов не требуется столь высокой степени очистки полупроводниковых материалов и совершенства их структуры. В связи с этим для изготовления фоторезисторов обычно используют селениды, сульфиды и другие соединения в аморфном состоянии, что значительно снижает себестоимость приборов.

Широкое практическое применение получило свойство различных возбужденных систем эффективно излучать электромагнитную энергию при самопроизвольной или вынужденной рекомбинации. На основе этого свойства созданы излучающие полупроводниковые приборы - светодиоды и полупроводниковые лазеры. В исходном материале таких приборов излучательная рекомбинация носителей зарядов должна преобладать над безызлучательной.

Полупроводниковый материал для лазеров должен иметь структуру энергетических зон, обеспечивающую прямые излучательные переходы электронов между энергетическими уровнями. Перспективным является синтез и подбор полупроводниковых материалов с одинаковыми параметрами кристаллической решетки, что дает возможность создавать гетеропереходы на контактах двух полупроводников с различной шириной запрещенной зоны. Использование гетеропереходов в инжекционных лазерах позволяет относительно просто получать инверсную населенность энергетических уровней в относительно узкой области лазерной структуры.

Для изготовления термисторов применяют различные полупроводниковые материалы, но наибольшее распространение получили оксиды металлов переходной группы Д. И. Менделеева [от титана (порядковый номер 22) до меди (порядковый номер 29)].

Основные требования, предъявляемые к полупроводниковым материалам таких термисторов, определяются необходимостью обеспечить широкий диапазон номинальных сопротивлений, различный температурный коэффициент сопротивления, малый разброс параметров и т. д. Поэтому желательно иметь возможность изменять удельное сопротивление и температурный коэффициент удельного сопротивления исходного материала в широких пределах путем изменения соотношения составляющих компонентов. Наибольший интерес представляют полупроводники, у которых малое удельное сопротивление сочетается с большим температурным коэффициентом удельного сопротивления. Кроме того, для массового производства термисторов желательно иметь полупроводниковый материал с меньшей чувствительностью параметров к посторонним примесям и малейшим отклонениям от заданных режимов термообработки.

Перспективными для термисторов являются материалы со структурными фазовыми переходами, происходящими в определенном диапазоне температуры и сопровождающимися резким изменением удельного сопротивления. Так, в оксидах ванадия с увеличением температуры области фазовых превращений наблюдается уменьшение удельного сопротивления на несколько порядков. Для изготовления варисторов прежде всего необходимы материалы, обладающие химической стабильностью при высоких температурах, так как при работе варистора почти вся мощность выделяется в малом объеме активных областей под точечными контактами между отдельными кристаллами или зернами полупроводника. Нелинейность вольт-амперных характеристик варисторов может быть существенно увеличено при увеличении температурного коэффициента сопротивления поверхностных слоев кристаллов, из которых состоит варистор.

Для того чтобы варистор обладал хорошими частотными свойствами, необходимо малое время релаксации тепловых процессов в активных областях под точечными контактами, а значит, малая площадь точечных контактов, что может быть получено при большой твердости кристаллов полупроводника. Всем этим требованиям пока от части удовлетворяет карбид кремния, из которого и делают основную часть варисторов.

В последнее время налажено массовое производство варисторов из оксидных полупроводников, основой которых является оксид цинка. Принцип действия таких варисторов имеет свои особенности, но требования к исходному материалу, перечисленные выше, справедливы и для оксидных варисторов.

При разработке материалов для термоэлектрических приборов важное значение имеет температурная зависимость эффективности и определяющих ее параметров. С увеличением температуры в области примесной электропроводимости удельное сопротивление полупроводника растет в связи с уменьшением подвижности носителей зарядов из-за увеличения теплового рассеяния кристаллической решеткой. По этой причине уменьшается эффективность материала. Таким образом, в материалах для термоэлементов должно быть по возможности более слабое падение подвижности носителей зарядов при средних и высоких температурах.

Основным требованием к исходному материалу преобразователей ЭДС Холла является высокая подвижность носителей заряда, так как при этом ЭДС Холла соизмерима с выходным напряжением. Однако выходное напряжение должно быть достаточно большим, чтобы полезный сигнал имел необходимое значение. Максимальное допустимое входное напряжение ограничивается максимальной допустимой мощностью. Таким образом, при большой подвижности носителей заряда материал должен иметь выходное удельное сопротивление. Например, преобразователь ЭДС Холла из антимонида индия имеет меньшую максимальную ЭДС Холла, чем преобразователь из германия, у которого подвижность электронов почти в 20 раз меньше.

ЭДС Холла обычно пропорциональна толщине кристаллов полупроводника. Поэтому исходный материал должен обеспечивать создание преобразователей ЭДС Холла, имеющих малую толщину.

Аналогичные требования предъявляются к исходным материалам для магниточувствителных полупроводниковых приборов - полупроводниковых магниторезисторов.

Для тензочувствительных полупроводниковых приборов - тензорезисторов и тензодиодов нужны полупроводниковые материалы характеризующиеся много долинными энергетическими зонами с возможно большей анизотропией эффективных масс или подвижностей носителей заряда по различным кристаллографическим осям. Так как структура и свойства зоны проводимости и валентной зоны одного и того же полупроводника могут существенно отличаться, то характер и значение тензочувствительности в полупроводнике с n- и p-типом электропроводимости могут быть различны. Поэтому малая тензочувствительность в n-полупроводнике еще не означает, что она не может быть большой в p-полупроводнике того же самого материала.

Кроме большой тензочувствительности, материал для тензочувствительных полупроводниковых приборов должен обладать химической инертностью, иметь высокое значение разрушающего механического напряжения, т. е. быть механически прочным, иметь большую ширину запрещенной зоны, позволяющую делать тензоприборы с большой максимальной допустимой температурой.

Основным материалом для изготовления полупроводниковых тензорезисторов в настоящее время является кремний. Это объясняется не только тем, что кремний лучше других полупроводников удовлетворяет перечисленным требованиям для изготовления тензорезисторов, но и тем, что свойства кремния исследованы наиболее детально, налажена промышленная технология получения однородных монокристаллов кремния с малым числом дефектов, что, в свою очередь, позволяет выбирать материал с нужными параметрами и известной температурной зависимостью удельного сопротивления, а также облегчает создание невыпрямляющих контактов.