Каленик Д.В. Технология материалов электроники. Часть 1 (2001) (1152092), страница 20
Текст из файла (страница 20)
Карбид SiC применяется для изготовлениямощных выпрямительных диодов, высокотемпературных резисторов, СВЧдиодов и других приборов, способных работать в агрессивных средах. На основепорошка SiC по керамической технологии изготавливают варисторы,высокотемпературные нагреватели, покрытия графитовых деталей в рабочихкамерах обработки кремния. Такое покрытие выполняет двойную задачу:исключает загрязнение Si углеродом и повышает срок службы графитовыхдеталей при высокой температуре.Соединения типа АIIIBV. После освоения Ge и Si в 50-е годы начался поиск новых полупроводниковых материалов и прежде всего среди соединений АIIIBV.Возможность таких соединений была предсказана нашим ученымГорюновой Н.А.
на основании таблицы Менделеева (табл.1.1, 1.2). Экспериментыпоказали, что элементы III группы – Al, Gа, Jn – образуют с элементами V группы– Р, Аs, Sb – достаточно стабильные соединения – фосфиды, арсениды,антимониды, кристаллизующиеся в решетке кубического типа – сфалерита (см.рис.1.12). Характерное для соединений АIIIBV распределение электронов показанона рис.1.9, в, связь ковалентно–ионная, присущая полупроводникам. Свойства93соединений АIIIBV – см.
таблицу 2.3, из которой видна периодичность свойствсоединений в зависимости от суммарного атомного номера, входящих всоединение элементов (табл.1.1, 1.2). По мере движения вниз по Периодическойтаблице, усиливается металлический характер связи, в частности, уменьшаетсяширина зоны ∆Э.Соединения Al вследствие химической нестабильности самостоятельногозначения не имеют и используются только в виде твердых растворов с другимибинарными соединениями АIIIBV. Диаграммы состояния систем АIIIBV имеютоднотипный эвтектический характер (рис 2.36). Эвтектика вырождена в сторонулегкоплавкого элемента, точки плавления лежат выше температур плавлениясоставляющих элементов. Почти все соединения разлагаются при нагревании:АIIIBV→АIII(ж)+1/2В2V(газ).
Равновесное давление насыщенного пара молекул В2Vрастет с повышением температуры и в точке плавления достигает 104…105 Па(арсениды) и 106…107 Па (фосфиды).Сравнение таблиц 2.1 и 2.3 показывает, что подвижность электронов в GaAsпочти в 7 раз превышает таковую в Si. А соединения In, особенно InSb, обладаютрекордно высокой подвижностью электронов.Таблица 2.3Некоторые свойства полупроводниковых соединений типа А B (Т=300 К)Период решетки ×10,нмПлотность, Мг/м3Температураплавления, °СТвердость поминералогическойТемпературный коэф.линейногорасширения αl⋅106 К–1Ширина запрещеннойзоны, эВПодвижностьэлектронов, м2/(В⋅с)Подвижностьдырок, м2/(В⋅с)Показательпреломления приНизкочастотнаядиэлектрическаяпроницаемостьVСоединениеIIIAlPGaPInPAlAsGaAsInAsAlSbGaSbInSb5,4635,4515,8695,6615,6536,0586,1366,0966,4792,374,074,783,605,325,674,285,655,782000146710701770123894210607105255,55,0–5,04,54,04,84,53,84,25,94,65,26,45,34,26,24,90,0080,0190,4600,0280,9503,3000,0200,4007,8000,0030,0120,015–0,0450,0460,0550,1400,0753,003,453,453,203,653,523,403,804,009,811,112,410,113,114,614,415,717,72,452,261,352,161,430,361,580,720,18Соединения АIIIBV характеризуются строгим стехиометрическим составом ипримеси элементов II группы (Ве, Мg, Zn, Cd) образуют твердые растворызамещения в узлах металлического компонента и являются акцепторами,соответственно элементы VI группы (S, Se, Te) – донорами.94Элементы IV группы проявляют донорные или акцепторные свойства(амфотерное поведение) в зависимости от замещаемого элемента (III или Vгрупп).
Примеси элементов переходной группы (Fe, Co, Ni, Cr и др.) являютсяглубокими, служат эффективными центрами рекомбинации (ловушки) икомпенсаторами мелких примесей. Легирование GaAs железом или хромомиспользуется для получения кристаллов с высоким ρ∼107 Oм⋅м (полуизолирующих). Энергия ионизации мелких доноров в InSb, InAs, GaAs составляеттысячные доли эВ, что определяет высокую чувствительность приборов, изготовленных из этих материалов.Особенностью диффузии в полупроводниках АIIIBV является зависимостьпроцесса от давления паров летучего компонента группы ВV.
Для получениявоспроизводимых результатов, диффузию проводят в запаянной кварцевойампуле, в которую, кроме легирующего компонента помещается навеска элементаВV (P, As). Коэффициенты диффузии доноров в соединениях АIIIBV очень малы,требуется длительное время и высокая температура, при которой, на поверхностиобразуются соединения типа Ga2S3. На практике часто используется Zn (акцептор)в виде соединения ZnP2, который диффундирует в GaAs через тонкий защитныйслой SiO2 на поверхности пластины GaAs.Ценным свойством полупроводниковых соединений АIIIBV является высокаяэффективность излучательной рекомбинации неравновесных носителей.
Для генерации излучения в видимой области ширина зоны ∆Э полупроводника должнабыть >1,7 эВ (это GaP). Материалы с более узкой зоной ∆Э способны эффективноизлучать в инфракрасной области (GaAs, ∆Э=1,43 эВ). Излучение фотонов в GaAsпроисходит в результате прямой межзонной рекомбинации (прямозонныеполупроводники, к числу которых относится также JnP).
Эффективнаялюминесценция в GaP возникает лишь при введении специальных примесей (Zn,O) – ловушек. На практике это обычно инжекционная люминесценция(прямосмещенный p–n-переход). Спектры излучения подобны спектрам на рис.2.19. В случае невозможности создания p–n-перехода, для возбуждениялюминесценции, используется эффект туннелирования электронов через областьобъемного заряда.
Излучающие структуры часто изготавливают на основеэпитаксиальных слоев (см. раздел 2.4).Технология получения полупроводниковых соединений усложняетсяналичием операции синтеза, в основе получения – прямой синтез.Неразлагающиеся антимониды – сплавлением (например: Jn+Sb→JnSb),разлагающиеся – под слоем жидкого (покровного) флюса, над которым –атмосфера инертного газа (Ar) под давлением больше давления пара летучегокомпонента соединения в точке плавления. Температура плавления флюса должнабыть меньше температуры плавления летучего компонента, он должен бытьнейтральным к реагентам и соединению.
На рис. 2.37 приведена схема установкисплавлением для арсенидов GaAs и JnAs, в качестве флюса используется В2О3(tпл=5500С). В тигель кладется As, сверху Ga, затем окись бора – в количестве,необходимом для образования слоя ∼25 мм. Камеру (автоклав) сначала95Рис. 2.36. Диаграмма состояния системыиндий − мышьякРис.2.37.Схемаустановки для синтезаарсенидов индия игаллиясплавлениемисходных компонентовпод слоем флюса:1− вентиль; 2− камеравысокогодавления;3−высокочастотный индуктор;4− флюс − оксид бора; 5−кварцевыйтигель;6−графитовая подставка тигля;7− смесь соединения (галлияили индия и мышьяка); 8−шток; 9− уплотнение; 10−термопара96вакуумируют, затем заполняют инертным газом ∼6 МПа. Механизм подъематигля медленно вводит его внутрь индуктора, который должен обеспечить нагревдо температуры ∼8200С: сначала плавится Ga (300C), затем флюс, затем Аs(tпл=8170С), далее выдержка – завершение синтеза и гомогенизация расплава.
Итолько после этого – кристаллизация. В технологии GaAs метод часто используется в варианте, совмещенном с выращиванием монокристалла методомЧохральского (рис.2.30,а). При этом повышается экономичность процесса и чистота материала. Однако, синтез фосфидов, а часто и арсенидов, проводят методомвзаимодействия пара летучего компонента с расплавом нелетучего. В этом варианте синтеза расплав нелетучего компонента (In, Ga) нагревают до температурыплавления соединения и к нему подают пары летучего компонента под давлениемравновесного состояния.
Это требует проведения процесса в реакторах герметичной конструкции, тогда поддержание постоянства давления и его изменение обеспечиваются поддержанием постоянства и изменением температуры. В качествепримера, на рис.2.38, представлена схема установки для синтеза и выращиваниямонокристалла GaAs методом горизонтальной направленной кристаллизации(ГНК). Современные установки позволяют вырастить монокристаллы GaAsмассой несколько килограммов.
После загрузки кварцевой ампулы ееподсоединяют к вакуум–насосу (∼10–4Па) и при нагреве очищают материалы отокислов, после чего ампулу запаивают. Печной блок (рис.2.38,а) представляетсобой совокупность резистивных печей, создающих по длине ампулы требуемоераспределение температуры (рис.2.38,б). После выдержки, в течение которойобразуется соединение, объем расплава в лодочке увеличивается, уровень егоповышается и он смачивает затравку в торце лодочки.
После затравливаниявключается механизм движения печного блока и происходит кристаллизация соскоростью 0,25…0,40 мм/мин. Если давление пара летучего компонента высокое(например, у фосфидов), процесс производится в реакторах, помещаемых вавтоклавы, где создается соответствующее противодавление нейтральных газов,иначе реактор разрушается. Для регулирования возможных перепадов давлений, креактору привариваются кварцевые сильфоны или диафрагмы. Рассмотренныеспособы очень дороги и малопроизводительны, не всегда обеспечиваюттребуемые характеристики.
Поэтому, в последнее время большинствополупроводниковых приборов изготавливают на основе эпитаксиальных слоев.Многообразие свойств материалов типа АIIIBV обуславливает их широкоеприменение в приборах и устройствах различного назначения. Особый интерес кэтой группе материалов вызван потребностями оптоэлектроники в быстродействующих источниках и приемниках излучения (инжекционные лазеры исветодиоды).
Преимущества таких приборов: малые габариты, простотаконструкции, возможность внутренней модуляции излучения, совместимость сэлементами интегральных микросхем по рабочим параметрам и технологическимоперациям. GaAs явился первым полупроводником, на котором был созданинжекционный лазер (осуществлена генерация когерентного излучения спомощью p–n-перехода). Экспериментальные исследования показали, чтоквантовый выход растет с увеличением длины волны. Поэтому в устройствах97оптоэлектроники используют в основном излучатели инфракрасного диапазона(GaAs и твердые растворы на его основе). На основе материалов АIIIВV созданыфотоприемники, перекрывающие широкий диапазон спектра излучения. GaAsявляется одним из лучших фоточувствительных материалов.
Фотокатоды GaAs p–типа, активированные пленкой СsO2 для снижения работы выхода электронов,обладают квантовым выходом на несколько порядков выше, чем у традиционныхфотокатодов. Прогресс в технологии GaAs последнего десятилетия открылперспективы применения этого материала для создания полевых транзисторов ибыстродействующих интегральных микросхем. Но освоение производства любогоиз соединений АIIIBV является технологической задачей высшей сложности.Соединения АIIBVI и другие халькогениды (соединения серы, селена, теллура).Почти все металлы образуют соединения с халькогенами, соответственно сульфиды, селениды, теллуриды, большинство из них – полупроводники, причемполупроводниковые свойства проявляются не обязательно в особо чистомсостоянии.
Многие из них находили промышленное применение задолго довведения термина “полупроводник”, еще в 1833 году обнаружил эти свойства уАg2S Фарадей. Несмотря на нестабильность свойств и невоспроизводимостьконтактадетекторныхрадиоприемниковнаРbS–кристаллах,полупроводниковые свойства сульфидов продолжали интенсивно изучаться инаходили широкое применение: твердотельный преобразователь тепла вэлектричество на РbS (Иоффе, начало 40-х гг.), СdS – в фоторезисторах, ZnS – влюминофорах.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
