У цей час ведуться роботи з одержання нових видів органічних напівпровідникових матеріалів і дослідженню їх електрофізичні властивостей. Відкриття раніше невідомих властивостей цих матеріалів дозволить ще ширше використати їх у народному господарстві.
2. ЗАСТОСУВАННЯ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ МАТЕРІАЛІВ ТА ВИМОГИ ДО НИХ
Більшість приладів виготовляють із напівпровідникових пластин або кристалів, вирізаних з монокристалічних злитків. Монокристалічні злитки круглого перетину одержують методом спрямованої кристалізації розплавів. Останнім часом широке застосування знаходять також монокристалічні епітаксійні плівки.
Легуючі домішки повинні бути розподілені рівномірно але всьому об'єму монокристалічного злитка, що забезпечує однакові параметри всієї партії приладів, виготовлених з одного злитка напівпровідникового матеріалу, і дозволяє налагодити масовий випуск однотипних приладів.
Більшість напівпровідникових матеріалів, такі, як германій, кремній, карбід кремнію й ін., мають високу стійкість до впливу навколишнього середовища. Однак деякі напівпровідникові сполуки типу А111—Bv (антимонід, арсенід і фосфід алюмінію) не стійки у вологій атмосфері, тобто вони гідролізуються, що є серйозною перешкодою для їхнього масового застосування.
Вимоги до температуростійкості диктуються максимальними й мінімальними робочими температурами експлуатації напівпровідникових діодів, транзисторів і інтегральних схем. Верхня межа робітників, температур напівпровідникових матеріалів залежить від ширини їхньої забороненої зони. Нижня межа робочих температур напівпровідникових матеріалів визначається енергією іонізації легуючих домішок.
Верхня межа робочої частоти напівпровідникових діодів, транзисторів і інтегральних схем визначається рухливістю електронів і дірок, а також діелектричною проникністю матеріалів, з яких вони виконані. Для напівпровідникового матеріалу певного типу провідності, рухливість має максимальне значення в некомпенсованому матеріалі. Тому матеріал, застосовуваний для виготовлення приладів, повинен мати яскраво вираженими електронними або дірковими властивості.
Більшість напівпровідникових приладів, за винятком імпульсних, виготовляють із матеріалу з досить більшим часом життя неосновних носіїв зарядів, а імпульсні напівпровідникові діоди - з матеріалу з малим часом життя неосновних носіїв зарядів. Для приладів, що використають ефект Холу, найкраще підходять напівпровідникові матеріали з високою рухливістю й малою концентрацією носіїв заряду, що забезпечують велику холівську напругу. Для виготовлення магнітоелектричних приладів використають арсенід індію й телурид ртуті.
Термоелектричні прилади виготовляють із напівпровідникових матеріалів, що забезпечують максимальний коефіцієнт ефективності, тобто які мають високу і низьку теплопровідність. Такими властивостями володіють антимонід цинку телурид і селенід вісмуту [7].
При виборі матеріалів для фотоприладів керуються в першу чергу спектральною чутливістю напівпровідникового матеріалу. Зменшують інерційність фотоприладів застосуванням матеріалів з малим часом життя неосновних носіїв заряду. При виготовленні фотоперетворювачів (сонячних батарей) особливе значення має ширина забороненої зони, що визначає ефективність роботи цих приладів.
Напівпровідникові матеріали для лазерів повинні мати зроблену структуру, тому що сторонні домішки й дефекти приводять до появи усередині забороненої зони проміжних енергетичних рівнів. Крім того, ці матеріали повинні мати високу рухливість носіїв заряду при даній їхній концентрації.
Люмінесцентні діоди виготовляють із напівпровідників, що володіють здатністю до випромінювальної рекомбінації: арсенідів і фосфідів індію й галію, карбіду кремнію, сульфіду цинку й ін. Основний параметр цих приладів - довжина хвилі випромінювання залежить від властивостей вихідного, напівпровідникового матеріалу й, зокрема, від ширини забороненої зони.
3. ЕЛЕКТРОФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
3.1 Зонна структура напівпровідникових сплавів
На зонній діаграмі бінарної системи Ge-xSi-x в області Ge0.85-Si0.15 виявляється злам. Це було виявлено ще в 1954 році [4], але отримало пояснення пізніше, з розвитком математичного апарату фізики твердого тіла.
Ширина забороненої зони в германії визначається енергетичною щілиною в забороненій зоні між мінімумом у краю зони провідності в напрямі [111] і максимумом валентної зони в крапці [000]. При додаванні кремнію в германій щілина, що визначає ширину забороненої зони, збільшується практично лінійно. Швидкість підйому мінімумів, лежачих в напрямі [111], більше, ніж швидкість пониження мінімумів, лежачих в напрямі [100].
При 15% Si в розчині обидва типи мінімумів (уподовж [100] в кремнії і уподовж [111] (у германії) однаково віддалені від максимуму валентної зони в крапці [000]. Таким чином, в розчинах при концентрації кремнію нижче 15% ширина забороненої зони сплаву визначається мінімумом, лежачим в напрямі [111], а вище за це значення концентрацій - в напрямі [100] [3].
З цього виходить, що при виготовленні електронних приладів бажано уникати використання сплавів складу Si0.15Ge0.85, оскільки мабуть поява в матеріалі (в результаті обробки і пов'язаних з нею процесів) острівців з параметрами, що відрізняються від параметрів решти об'єму матеріалу. Особливо це може бути помітно при створенні елементів на пластинах, вирощених методом Чохральського, як буде показано нижче.
3.2 Методи виробництва кремній германієвих сплавів
Виробництво Si1-xGex сплавів і структур можливо різними методами, такими як кристалізація з розплавів, метод БЗП (бестигельной зонної плавки), жидкофазная эпитаксия і ін. Технології виробництва, як правило, не освітлюють у пресі, але із статей можна прослідкувати основні джерела матеріалів.
Наприклад:
- монокристали Si1-xGex p-типа провідності вирощувалися в інституті зростання кристалів (Берлін, Німеччина) методом Чохральського [4];
- монокристали твердих розчинів Si1-xGex були вирощені методом електронно-променевої бестигельной зонної плавки [5];
- тверді розчини Si1-xGex вирощені методом ЖФЕ на монокристалічних підкладках мазкі КЕФ-5 з питомим опором і кристалографічною орієнтацією (111) [6].
Перш за все це означає, що розвернути виробництво кремній-германієвих злитків і пластин на наявному в Росії парку устаткування – це питання невеликого часу. Для цих матеріалів можливо використовувати наявні установки зростання, різкі шліфовки епітаксіального нарощування і тому подібне без змін конструкції і, можливо, без значного втручання в технології, що діють.
3.3 Дислокації в місцях концентраційних флуктуацій
У монокристалах германієвих сплавів, вирощених з розплаву, виявлені ряди краєвих дислокації, розташованих паралельно тим послідовним положенням, які приймає поверхня розділу жидкость-твердая фаза в процесі твердіння [7]. Дислокації, мабуть, утворюються тому, що вони знижують енергію пружної напруги між сусідніми шарами кристала, що мають різні параметри грат.
Ямки розташовуються строго паралельно смугам флуктуації складу, з чого зрозуміла причина їх виникнення. Ряди виявляються парами, що пов'язане із смужчатістю складу сплаву, що формується при зростанні злитка; при цьому вони з'являються тільки уздовж деяких смуг, це обумовлено тим, що дислокації утворюються лише тоді, коли градієнт концентрації досягає критичного значення, пов'язаного з пружною напругою, необхідною для утворення дислокації. Ці дислокації можуть значно знижувати час життя носіїв заряду в германієво-кремнієвих сплавах і негативно позначатися на параметрах приладів, виготовлених з таких сплавів.
ВИСНОВКИ
1 Швидке зростання виробництва й підвищення надійності виробів електронної техніки залежать не тільки від методів їхнього виготовлення й культури, але й у значній мірі від електрофізичних й інших властивостей застосовуваних матеріалів, які в багатьох випадках визначає параметри напівпровідникових приладів й інтегральних мікросхем і впливають на стабільність їхньої роботи в електричних і теплових режимах, а також при тривалому зберіганні.
2 Властивості напівпровідникових матеріалів дозволяють отримувати монокристали із заданими параметрами шляхом апроксимації залежності властивостей від складу. Можливе використання установок, що діють, для всіх етапів виробництва злитків, пластин і епітаксіальних композицій.
3 Хороші частотні властивості приладів, виготовлених за кремній - германієвою технологією, дозволяють застосовувати їх в області ВЧ і СВЧ частот замість приладів на арсеніді галію.
4 Широке застосування знаходять напівпровідникові монокристалічні плівки германія. Використання монокристалічних плівок у технології виготовлення напівпровідникових приладів і ІМС сполучено з більшими втратами германія при механічній обробці (різання, шліфування, полірування).
ЛІТЕРАТУРА
1 Курносов А.И. Материалы для полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. – М.: Высш. школа, 1989. – 327 с.
2 Ефимов И.Е., Козырь И.Я.. Основы микроэлектроники. – Москва: Высшая школа, 1983. –384с .
3 Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. – М.: Советское радио, 1986. – 424с.
4 Методичні вказівки до лабораторних робіт із курсу «Технологічні основи електроніки». І.Ю. Проценко, А.М. Черноус, Л.В. Однодворець. Суми: СумДУ, 1988. – 43с.
5 #"#">http://www.phys.msu.ru/rus/struct/div/div-geophys
7 Физическое металоведение . Вып. I. Атомное строение металов и сплавов /Под ред. Новикова И.И.- Москва: Мир, 1967. – 335с.
8 Закалик Л.І., Ткачук Р.А. Основи мікроелектроніки. – Тернопіль: ТДТУ ім.. І.Пулюя, 1998. – 352 с.
