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.