Полупроводниковые материалы

Полупроводниковые материалы, полупроводники, применяемые для изготовления электронных приборов и устройств. В полупроводниковой электронике используют главным образом кристаллические П. м. Большинство из них имеет кристаллическую структуру с тетраэдрической координацией атомов, характерной для структуры алмаза.

  Значительную роль в развитии полупроводниковой техники сыграл селен: селеновые выпрямители долгое время оставались основными полупроводниковыми приборами, получившими массовое применение.

  В начале 70-х гг. 20 в. наиболее распространённые П. м. — кремний и германий. Обычно их изготовляют в виде массивных монокристаллов, легированных различными примесями. Легированные монокристаллы Si с удельным сопротивлением 10^-3—10⁴ ом×см получают преимущественно методом вытягивания из расплава (по Чохральскому), а легированные монокристаллы Ge с удельным сопротивлением 0,1—45 ом×см получают, кроме того, зонной плавкой. Как правило, примесные атомы V группы периодической системы (Р, As и Sb) сообщают кремнию и германию электронную проводимость, а примесные атомы III группы (В, Al, Ga, In) — дырочную. Si и Ge обычно используют для изготовления полупроводниковых диодов, транзисторов, интегральных микросхем и т.д.

  Большую группу П. м. составляют химические соединения типа A^III B^V (элементов III группы с элементами V группы) — арсениды, фосфиды, антимониды, нитриды (GaAs, InAs, GaP, lnP, InSb, AlN, BN и др.). Их получают различными методами изготовления монокристаллов как из жидкой, так и из газовой фазы. Синтез и выращивание монокристаллов обычно производят в замкнутых сосудах из высокотемпературных химически инертных материалов, обладающих высокой прочностью, поскольку давление насыщенного пара над расплавом таких элементов, как Р и As, сравнительно велико. Примеси элементов II группы придают этим П. м., как правило, дырочную проводимость, а элементов IV группы — электронную. П. м. этой группы используют в основном в полупроводниковых лазерах, светоизлучающих диодах, Ганна диодах, фотоэлектронных умножителях, в качестве плёночных детекторов излучения в рентгеновской, видимой и инфракрасной областях спектра электромагнитных волн.

  П. м. типа AⁱⁱB^vi из которых наиболее широко применяют соединения ZnO, ZnS, CdS, CdSe, ZnSe, HgSe, CdTe, ZnTe, HgTe, получают преимущественно с помощью химических реакций в газовой фазе или сплавлением компонентов. Удельное сопротивление и тип проводимости этих П. м. определяются не столько легирующими примесями, сколько характерными для них структурными дефектами, связанными с отклонением их состава от стехиометрического (см. Стехиометрия). Использование П. м. этого типа связано главным образом с их оптическими свойствами и фоточувствительностью. Поэтому их применяют в фоторезисторах, фотоэлементах, электроннолучевых приборах и приборах ночного видения, модуляторах оптического излучения (см. Модуляция света) и т.д.

  К П. м. относят также некоторые аморфные стеклообразные халькогенидные системы, например сплавы Р, As, Sb, Bi с Ge, S, Se, Te, и оксидные системы, например V₂O₅ — P₂O₅ — R_xO_y, где R — металлы I — IV групп, х — число атомов металла и у — число атомов кислорода в окисле. Их используют главным образом в качестве оптических покрытий в приборостроении.

Таблица некоторых физических свойств важнейших полупроводниковых материалов

  П. м. в широких пределах изменяют свои свойства с изменением температуры, а также под влиянием электрических и магнитных полей, механических напряжений, облучения и др. воздействий. Этим пользуются для создания различного рода датчиков.

  П. м. характеризуются следующими основными параметрами: удельным сопротивлением, типом проводимости, шириной запрещенной зоны, концентрацией носителей заряда и их подвижностью, эффективной массой и временем жизни. Ряд характеристик П. м., например ширина запрещенной зоны и эффективная масса носителей, относительно слабо зависит от концентрации химических примесей и степени совершенства кристаллической решётки. Но многие параметры практически полностью определяются концентрацией и природой химических примесей и структурных дефектов. Некоторые физические свойства важнейших П. м. приведены в таблице.

  В электронных приборах П. м. используют как в виде объёмных монокристаллов, так и в виде тонких моно- и поликристаллических слоев (толщиной от долей мкм до нескольких сотен мкм), нанесённых на различные, например изолирующие или полупроводниковые, подложки (см. Микроэлектроника). В таких устройствах П. м. должны обладать определёнными электрофизическими свойствами, стабильными во времени и устойчивыми к воздействиям среды во время эксплуатации. Большое значение имеют однородность свойств П. м. в пределах монокристалла или слоя, а также степень совершенства их кристаллической структуры (плотность дислокаций, концентрация точечных дефектов и др.).

  В связи с высокими требованиями к чистоте и совершенству структуры П. м. технология их производства весьма сложна и требует высокой стабильности технологических режимов (постоянства температуры, расхода газовой смеси, продолжительности процесса и т.д.) и соблюдения специальных условий, в частности т. н. полупроводниковой чистоты аппаратуры и помещений (не более 4 пылинок размером свыше 0,5 мкм в 1 л воздуха). Продолжительность процесса выращивания монокристаллов в зависимости от их размеров и вида П. м. составляет от нескольких десятков мин до нескольких сут. При обработке П. м. в промышленных условиях используют процессы резания П. м. алмазным инструментом, шлифовки и полировки их поверхности абразивами, термической обработки, травления щелочами и кислотами.

  Контроль качества П. м. весьма сложен и разнообразен и выполняется с помощью специализированной аппаратуры. Основные контролируемые параметры П. м.: химический состав, тип проводимости, удельное сопротивление, время жизни носителей, их подвижность и уровень легирования. Для анализа состава П. м. обычно пользуются оптическими, спектральными, масс-спектроскопическими и активационными методами. Электрофизические характеристики измеряют т. н. зондовыми методами или используют Холла эффект. Совершенство структуры монокристаллов исследуют методами рентгеноструктурного анализа и оптической микроскопии. Толщину слоев измеряют либо бесконтактными оптическими методами, либо методами сошлифовки слоя.

  Лит.: Технология полупроводниковых материалов, пер.(перевод) с англ.(английский), М., 1961; Родо М., Полупроводниковые материалы, пер.(перевод) с франц.(французский), М., 1971; Зи С. М., Физика полупроводниковых приборов, пер.(перевод) с англ.(английский), М., 1973; Палатник А. С., Сорокин В. К., Основы пленочного полупроводникового материаловедения, М., 1973; Кристаллохимические, физико-химические и физические свойства полупроводниковых веществ, М., 1973.

  Ю. Н. Кузнецов, А. Ю. Малинин.