ГАЛЛИЯ АРСЕНИД - ГА́ЛЛИЯ АРСЕНИ́Д, один из основных полупроводниковых материалов (см. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ), относящийся к классу соединений A^IIIB^V. Благодаря удачному сочетанию свойств занимает второе место (после кремния (см. КРЕМНИЙ)) по своему значению в современной электронной технике. Арсенид галлия имеет неплохие теплофизические характеристики, достаточно большую ширину запрещенной зоны (см. ЗАПРЕЩЕННАЯ ЗОНА), высокую подвижность электронов, благоприятные особенности зонной структуры, обуславливающие возможность прямых межзонных переходов носителей заряда. Разработаны технологии получения материала с хорошими изолирующими свойствами и высокой прозрачностью в инфракрасной области спектра.

Кристаллы арсенида галлия кристаллизуются в решетке сфалерита. Постоянная решетки при 300К равна 5,6533 А, расстояние между ближайшими соседними атомами - 2,45 А; относительная молекулярная масса - 144,63; число атомов в 1 см³ - 4,42·10²²; плотность GaAs в твердом состоянии - 5,32 г/см³, в жидком состоянии - 5,71 г/см³; температура плавления t_пл= 1238^оС; равновесное давление паров мышьяка в точке плавления ГАЛЛИЯ АРСЕНИД 1^.10⁵ Па (0,98 атм), что в значительной мере усложняет технологию его получения. Твердость по минералогической шкале - 4,5; температурный коэффициент линейного расширения t^.= 6,410⁶ К^-1; ширина запрещенной зоны - 1,43 эВ; диэлектрическая проницаемость статическая - 12,9, высокочастотная - 10,89.

Электрофизические свойства нелегированного арсенида галлия в сильной степени зависят от состава и концентрации собственных точечных дефектов (см. ТОЧЕЧНЫЕ ДЕФЕКТЫ), концентрации фоновых примесей и режимов термообработки слитков. Для получения монокристаллов n- и p-типа проводимости с заданной концентрацией носителей заряда используют легирование электрически активными примесями. Основными легирующими примесями при получении монокристаллов n-типа являются S, Se, Te, Si, Sn, а при получении монокристаллов p-типа - Zn.

Арсенид галлия не взаимодействует с водой, но активно разлагается под действием кислот с выделением токсичного арсина (см. МЫШЬЯКА ГИДРИД). Удельная скорость растворения арсенида галлия существенно возрастает в смесях кислот. При нагреве на воздухе до 300 ^оС арсенид галлия не окисляется. Арсенид галлия относится к числу разлагающихся соединений. Начиная с 600 ^оС, разлагается с выделением мышьяка. Расплавленный арсенид галлия очень активен и взаимодействует практически со всеми известными материалами, используемыми для изготовления контейнеров. Наибольшее распространение в технологии арсенида галлия нашел синтетический кварц. Для получения высокочистого полуизолирующего арсенида галлия применяют пиролитический нитрид бора (см. НИТРИДЫ).

Структурные характеристики материала

Одной из основных технологических характеристик GaAs является плотность дислокаций (см. ДИСЛОКАЦИИ) ND. Характер распределения и величина плотности дислокаций оказывает влияние на рабочие параметры изготавливаемых на его основе приборов. В производстве светодиодов применяют кристаллы с ND (5-10)^.10³см^-2, в производстве лазеров - с ND 5^.10²см^-2. Присутствие дислокаций в активных областях светоизлучательных структур, изготовленных на сильно легированных пластинах GaAs n- и p-типа проводимости, приводит к быстрой деградации характеристик прибора. В связи с этим низкая плотность дислокаций является основным требованием к материалу. Характер распределения дислокаций и их плотность влияют также на распределение параметров СВЧ-приборов по площади пластины нелегированного полуизолирующего ПИ-GaAs. Это связано с перераспределением собственных точечных дефектов вблизи дислокаций.

Получение малодислокационных и бездислокационных кристаллов GaAs является сложной технологической задачей, к настоящему времени практически нерешенной. Исключение составляют сильно легированные кристаллы, так как введение легирующих примесей при достижении определенного уровня легирования сопровождается эффектом «примесного упрочнения» - снижения плотности дислокаций - в кристаллах арсенида галлия. Плотность дислокаций в кристаллах полупроводников определяется термопластической деформацией, которая успевает пройти в кристалле в процессе релаксации термоупругих напряжений, т. е. зависит от условий получения (метода выращивания), диаметра кристалла и концентрации легирующей примеси.

Методы получения кристаллов арсенида галлия

В промышленном производстве монокристаллов GaAs используются три метода выращивания:

- метод Чохральского с жидкостной герметизацией расплава слоем борного ангидрида (Liquid Encapsulated Czochralski - LEC), используется, в основном для получения нелегированного ПИ-GaAs;

- метод горизонтальной направленной кристаллизации (ГНК) в вариантах «по Бриджмену» (Horizontal Bridgman - HB) или «кристаллизации в движущемся градиенте температуры» (Horizontal Gradient Freeze - HGF), используется для получения кристаллов n-типа проводимости, легированных Si;

- метод вертикальной направленной кристаллизации в тех же двух вариантах (Vertical Bridgman - VB Vertical и Gradient Freeze - VGF), используется для получения как легированных донорными примесями кристаллов, так и для получения нелегированного арсенида галлия.

Метод LEC является одним из основных в производстве монокристаллов GaAs. При выращивании монокристаллов арсенида галлия методом Чохральского с жидкостной герметизацией расплава необходимо учитывать, что процесс осуществляется при достаточно больших осевых и радиальных градиентах температуры вблизи фронта кристаллизации, т. е. в области максимальной пластичности материала. Очевидным следствием роста кристалла при высоких градиентах температуры при таких условиях является высокая плотность дислокаций, типичные значения которой составляют от 1,10⁴ до 2,10⁵ см^-2 в зависимости от диаметра слитка.

В целях снижения температурных градиентов и соответственно снижения плотности дислокаций было предложено несколько модификаций метода. Одной из таких модификаций является выращивание в условиях полной герметизации растущего кристалла. Однако при малых радиальный градиентах, характерных для этого метода, затруднено поддержание диаметра растущего кристалла. Этот метод не позволяет выращивать достаточно длинные кристаллы, что делает его непригодным для промышленного использования. Более эффективным является метод Чохральского с контролируемым давлением паров мышьяка. В нем исключается разложение выращенного слитка. Использование этого метода позволило значительно снизить плотность дислокаций в монокристаллах арсенида галлия. Недостатком этого метода является высокая стоимость оборудования.

Основным вариантом технологии LEC стал совмещенный процесс синтеза и выращивания монокристалла в установке «высокого давления» (с рабочим давлением (60-70) атм. при синтезе и (20-30) атм. при выращивании). Для получения арсенида галлия с высоким удельным сопротивлением - ПИ-GaAs - используют галлий и мышьяк чистотой не хуже 7N, тигли из пиролитического нитрида бора и управление содержанием фонового углерода, определяющим величину удельного сопротивления и подвижности носителей заряда в материале. При низких концентрациях углерода (1,10¹⁵ ат/см³) обеспечиваются наилучшие с точки зрения использования в технологии ионной имплантации свойства GaAs, при достаточно высоком содержании углерода ( 3,10¹⁵ ат/см³) кристаллы имеют высокое удельное сопротивление ( 10⁸ Ом/см), что важно при использовании ПИ- GaAs в качестве подложек в эпитаксиальных технологиях.

Основным направлением развития технологии LEC является увеличение диаметра выращиваемых монокристаллов при одновременном увеличении массы загрузки, что продиктовано необходимостью повышения экономической эффективности производства. Доминирующее положение в структуре производства LEC-ПИ- GaAs пока занимают монокристаллы диаметром 100 мм, но уже более 20% продаж приходится на пластины диаметром 150 мм.

Монокристаллы GaAs, легированные Si с низкой плотностью дислокаций, выращивают методом горизонтальной направленной кристаллизации (ГНК) в кварцевых контейнерах. Однако используемые контейнерные материалы имеют низкую механическую прочность, что не позволяет получить кристаллы большого диаметра. Применение метода ВНК частично устраняет присущие методу ГНК недостатки и позволяет получать легированные кремнием кристаллы диаметром до 100 мм с низкой плотностью дислокаций.

Применение арсенида галлия

Основное применение имеет:

1) нелегированный полуизолирующий (ПИ) GaAs с высоким удельным сопротивлением (10⁷ Ом^.см). Используется при изготовлении высокочастотных интегральных схем (ИС) и дискретных микроэлектронных приборов. Помимо высокого удельного сопротивления монокристаллы нелегированного GaAs, применяемые в производстве высокочастотных приборов (особенно с использованием технологий ионной имплантации), должны иметь высокие значения подвижности носителей заряда (см. ПОДВИЖНОСТЬ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА) и высокую макро- и микроскопическую однородность распределения свойств как в поперечном сечении, так и по длине выращенных слитков.

2) Сильнолегированный кремнием GaAs n-типа проводимости с низкой плотностью дислокаций. Применяется при изготовлении светодиодов и лазеров. Монокристаллы сильно легированного кремнием (10¹⁷-10¹⁸ см^-3) GaAs, помимо высокой проводимости, должны обладать достаточно совершенной кристаллической структурой. Они широко используется в оптоэлектронике для изготовления инжекционных лазеров, свето- и фотодиодов, фотокатодов, являются прекрасным материалом для генераторов СВЧ-колебаний (так называемых генераторов или диодов Ганна (см. ГАННА ДИОД)). Применяются для изготовления туннельных диодов, способных работать при более высоких температурах, чем кремниевые, и на более высоких частотах, чем германиевые.

3) Монокристаллы полуизолирующего арсенида галлия, легированные хромом, используют в инфракрасной оптике.

4) Монокристаллы GaAs, легированные цинком или теллуром, применяют в производстве оптоэлектронных приборов

5) Входит в состав многих тройных и четверных твердых растворов (см. ТВЕРДЫЕ РАСТВОРЫ).

Составить слова из слова галлия арсенид

МИКРОДЕФЕКТЫ - МИКРОДЕФЕ́КТЫ в полупроводниках (см. ПОЛУПРОВОДНИКИ), любые локальные нарушения периодичности кристаллической структуры размером от сотых долей до нескольких десятков мкм, выявляемые с помощью прямых методов наблюдения (оптических или дифракционных). Для изучения особенностей распределения, природы и закономерностей образования микродефектов в кристаллах используют методы избирательного химического травления, рентгеновской топографии, просвечивающей и растровой электронной микроскопии. Термин «микродефекты» используется для сохранения общности явления при выявлении и исследовании дефектов структуры такого типа. Природа микродефектов в конкретных случаях может различаться и далеко не всегда установлена.

Наиболее полно микродефекты изучены в кристаллах кремния и арсенида галлия, так как именно эти полупроводники являются основными материалами электронной техники. Присутствие микродефектов в кристалле влияет на рабочие характеристики изготавливаемых из них приборов.

Микродефекты в кристаллах кремния.

Систематическое исследование характера распределения, природы и закономерностей образования микродефектов в кремнии началось с середины 60-х гг. На основе результатов выявления микродефектов с помощью избирательного химического травления и на рентгеновских топограммах декорированных медью или литием образцов бездислокационного кремния были выявлены два типа дефектов: А - (более крупные) и В-дефекты (более мелкие), с характерным слоистым распределением в объеме слитка. Картина распределения микродефектов А-типа в поперечном сечении кристалла обычно имеет вид спирали, поэтому ее называют swirl-картиной, а дефекты - «свирл-дефектами» (от англ. swirl - воронка, спираль). Свирл-распределение дефектов выявляется и в кристаллах выращенных по методу Чохральского, и в кристаллах, полученных методом зонной плавки, независимо от их кристаллографической ориентации. Установлено, что микродефекты А-типа представляют собой отдельные дислокационные петли внедренного типа или их скопления размером (1-10) мкм. Их объемная концентрация может достигать 10⁷-10⁹ см^-3. Предполагается, что дефекты В-типа представляют собой кластеры междоузельных точечных дефектов. Такие кластеры имеют диаметр 0.01-0.1 мкм, а их концентрация может достигать 10⁷-10¹¹ см^-3. Позднее были обнаружены еще два типа микродефектов: С- и D-дефекты. Микродефекты С- и D-типа имеют размеры менее 0.01 мкм, и их концентрация может превышать 10⁹ см^-3. Принципиального морфологического различия между ними не обнаружено. Природа С- и D-дефектов пока окончательно не расшифрована, предполагается , что D-дефекты представляют собой вакансионные поры или кластеры вакансионного типа.

Основную роль в образовании ростовых микродефектов в выращиваемых кристаллах кремния играют собственные точечные дефекты (см. ТОЧЕЧНЫЕ ДЕФЕКТЫ)- вакансии и междоузельные атомы. В процессе выращивания в объеме кристалла образуются пересыщенные твердые растворы собственных точечных дефектов, которые во время посткристаллизационного охлаждения распадаются с образованием специфических агрегатов микронных и субмикронных размеров, получивших название микродефекты. Другим источником ростовых точечных дефектов или примесей, образующих микродефекты, является кислород, концентрация которого достаточна для образования в процессе посткристаллизационного охлаждения пересыщенного твердого раствора, а также углерод, концентрация которого влияет на объемную плотность дефектов С-типа. Примеси, как фоновые, так и легирующие, могут являться центрами гетерогенного зарождения микродефектов.

В бездислокационных монокристаллах кремния методом малоуглового рассеяния света обнаружены «примесные облака», представляющие собой локальные примесные скопления размером до 10 мкм, слабо деформирующие кристаллическую решетку. Примесные облака не обнаруживаются с помощью прямых дифракционных методов.

Существенную роль в образовании микродефектов играют процессы, происходящие при термообработке бездислокационных кристаллов на различных стадиях изготовления приборов. В процессе таких термообработок может продолжаться развитие «ростовых» и образование новых микродефектов, обусловленное распадом пересыщенного собственными точечными дефектами твердого раствора и коалесценцией микродефектов. Возможен также процесс их растворения в результате ухода собственных точечных дефектов или примесей, образующих микродефекты, на поверхность кристалла (пластины).

Микродефекты в кристаллах полупроводниковых соединений

При избирательном химическом травлении в кристаллах полупроводниковых соединений, как легированных, так и нелегированных, выявляются мелкие недислокационные ямки (редко - бугорки), обусловленные наличием характерных микродефектов в объеме кристалла. Плотность и размер этих дефектов, вероятность их образования и характер распределения закономерно изменяются при увеличении уровня легирования и зависят от условий выращивания кристалла. В бездислокационных сильно легированных донорными примесями кристаллах соединений А^IIIВ^V часто наблюдается типичная свирл-картина, характерная для бездислокационного кремния.

Наиболее подробно микродефекты исследованы в выращенных и термообработанных кристаллах арсенида галлия, легированных донорными примесями, с использованием методов избирательного химического травления и просвечивающей электронной микроскопии. Микродефекты, выявляемые по ямкам травления, наблюдались в объемных кристаллах арсенида индия, фосфидов галлия и индия, антимонида галлия.

Согласно результатам электронно-микроскопического исследования, основными типами микродефектов в сильно легированных кристаллах соединений А^IIIВ^V являются:

- относительно крупные (размером 0,1 - 1 мкм) дефекты упаковки, как однослойные, так и многослойные;

- мелкие (размером от нескольких единиц до десятков нанометров) призматические дислокационные петли;

- мелкие частицы выделений, расположенные обычно в площади дефекта упаковки или на дислокационной петле.

В нелегированных кристаллах арсенида галлия выявлены два типа микродефектов: в матрице и на дислокациях. Образование микродефектов в матрице кристалла связывают с процессами распада пересыщенного твердого раствора галлия в арсениде галлия, микродефекты на дислокациях идентифицированы как выделения гексагонального мышьяка.

Практически во всех случаях определяющую роль в образовании микродефектов в кристаллах полупроводников играют собственные точечные дефекты. Эта закономерность наблюдается как в случае кремния, так и для кристаллов полупроводниковых соединений.

Составить слова из слова микродефекты

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ - ЭЛЕМЕНТА́РНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКО́ВЫЕ МАТЕРИА́ЛЫ (простые полупроводники), химические элементы, простые вещества которых проявляют полупроводниковые свойства (см. ПОЛУПРОВОДНИКИ).

Полупроводниковые свойства проявляют 12 химических элементов, находящихся в средней части Периодической системы Д. И. Менделеева (см. ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ МЕНДЕЛЕЕВА). К ним относятся: элементы IVА подгруппы - углерод (алмаз), кремний, германий, олово; элементы VА подгруппы - фосфор, мышьяк, сурьма и висмут; элементы VIА подгруппы - сера, селен, теллур; элементы VIIА подгруппы - иод. Все они являются p-элементами, в атомах которых постепенно заполняются электронами p-орбитали. В простых веществах с валентными s- и p-электронами выполняется правило Юм-Розери (правило октета), согласно которому координационное число (см. КООРДИНАЦИОННОЕ ЧИСЛО) К = (8 - N) , где N - номер группы в Периодической системе. В полупроводниках группы IVА координационное число равно четырем (тетраэдр). У полупроводниковых модификаций простых веществ группы VА - фосфор, мышьяк, сурьма - координационное число равно трем, что способствует формированию слоистых структур. S, Se, Te (группа VIА) в полупроводниковом состоянии имеют координационное число 2 и образуют линейные и цепочечные структуры, связанные в трехмерную решетку силами Ван-дер-Ваальса (см. МЕЖМОЛЕКУЛЯРНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ). У полупроводниковой модификации йода (группа VIIА) координационное число равно единице. Из 12 элементарных полупроводниковых элементов приборное применение имеют только три - кремний, германий и селен.

Элементы VII А подгруппы

Из элементов этой группы к полупроводникам относится только йод. В твердом состоянии он обладает полупроводниковыми свойствами, в нем реализуются р-связи.

Элементы VI А подгруппы

Полупроводниковыми свойствами обладают сера, селен и теллур. Кристаллы этих элементов состоят из спиральных цепочек или колец, в которых каждый атом имеет две ковалентные связи с атомами той же цепочки. Между собой цепочки связаны силами Ван-дер-Ваальса. Ширина запрещенной зоны (см. ЗАПРЕЩЕННАЯ ЗОНА) убывает с увеличением порядкового номера и составляет у серы - 2,4 эВ, у селена 1,7 эВ, у теллура 0,35 эВ. Элементы этой подгруппы входят в качестве основных компонентов в полупроводниковые соединения, а также используются в качестве донорных примесей в соединениях A^IIIB^V.

В качестве полупроводникового материала в микроэлектронике из элементов VIА подгруппы используется гексагональная модификация селена. Это полупроводник p-типа проводимости, полупроводниковые свойства которого проявляются и используются и в поликристаллических структурах. Ширина запрещенной зоны 1,8 эВ. Монокристаллы гексагонального селена получают выращиванием из расплава или осаждением из газовой фазы. Испарением Se в вакууме на подложку можно получать пленки толщиной 50-100 мкм, которые применяют для производства полупроводниковых приборов. Гексагональный селен используется для изготовления полупроводниковых выпрямителей фотоэлементов, солнечных батарей.

Для селена характерен внутренний фотоэффект: под действием света растет число дырок и увеличивается собственная электропроводность. На этом свойстве основано действие селеновых фотоэлементов и многих других приборов. Влияние света на электрические свойства селена двояко. Первое - это уменьшение его сопротивления на свету. Второе, не менее важное - фотогальванический эффект, т. е. непосредственное преобразование энергии света в электроэнергию в селеновом приборе. Для осуществления фотогальванического эффекта необходимо, чтобы энергия фотонов была больше некоей пороговой, минимальной для данного фотоэлемента, величины. Простейший прибор, в котором используется именно этот эффект, - экспонометр. Более сложные устройства - солнечные батареи, работающие на Земле и в космосе.

Элементы VА подгруппы

У полупроводниковых элементов VА подгруппы - фосфора, сурьмы, мышьяка и висмута - химические связи реализуются за счет образования р³-орбит, они имеют структуры с координационным числом =3, относящимся к ромбоэдрической сингонии. Такие кристаллы можно представить состоящими из двухслойных пластин. Каждый атом имеет в соседнем слое той же пластины трех ближайших соседей, с которыми он связан ковалентными связями. Соседние пластины связаны между собой слабыми силами Ван-дер-Ваальса. Элементы этой подгруппы входят в качестве основных компонентов в полупроводниковые соединения, а также используются в качестве донорных примесей в соединениях A^IIIB^V.

Элементы IVА подгруппы

К полупроводниковым элементам IVА подгруппы относятся основные полупроводниковые материалы германий и кремний, а также углерод (алмаз) и полиморфная -модификация олова. Эти элементы имеют кристаллическую решетку типа алмаза. Связи между атомами sp3-гибридные, тетраэдрические.

Недостатком германия и кремния как полупроводниковых материалов, являются малая ширина запрещенной зоны, поэтому рабочая температура германиевых приборов не превышает 60-80 ^оC. Германий относится к числу редких и очень рассеянных химических элементов. Кремний не имеет указанных недостатков, а по распространенности занимает второе место после кислорода. Ширина запрещенной зоны кремния значительно больше, чем у германия, поэтому кремниевые приборы могут функционировать при более высокой температуре (200-220 ^оC), однако подвижности носителей тока у кремния меньше, чем у германия. Поэтому частотный предел кремниевых полупроводниковых приборов ниже германиевых. Технологически кремний труднее получить в чистом состоянии, чем германий. Поэтому один из самых распространенных элементов в виде простого вещества нужной чистоты становится дороже редкого и рассеянного германия.

Германий полупроводниковый. Кристаллизуется в решетке типа алмаза (см. Типы кристаллических структур (см. СТРУКТУРНЫЕ ТИПЫ КРИСТАЛЛОВ)). Связь между атомами в решетке германия - ковалентная. Число атомов Ge в единице объема - 4,45^.10²²атом/см³. Ширина запрещенной зоны небольшая и равна 0,72эВ. Германий прозрачен в ИК-области спектра, начиная с длины волны 1,8 мкм.

Одно из преимуществ технологии германия - относительно невысокая температура плавления (936 ^оС) и ничтожно малое давление насыщенного пара при этой температуре, что существенно упрощает процесс кристаллизационной очистки и выращивания монокристаллов. Кроме этого германий даже в расплавленном состоянии практически не взаимодействует с кварцем, из которого изготавливают тигли. Монокристаллический германий получают методом Чохральского (см. Методы выращивания кристаллов (см. МЕТОДЫ ВЫРАЩИВАНИЯ КРИСТАЛЛОВ)), реже - методом зонной плавки (см. ЗОННАЯ ПЛАВКА). Основной фоновой загрязняющей примесью в германии является кислород. Для некоторых приборов (например, для счетчиков ядерных излучений) требуются монокристаллы германия с пониженным содержанием кислорода. Монокристаллы германия с малым содержанием кислорода выращивают методом Чохральского на высоковакуумных установках при остаточном давлении 10^-5Па. В связи с сильным испарением германия в таких условиях процесс проводят в атмосфере высокочистого водорода или в смеси водорода с инертными газами.

Для получения необходимых электрофизических свойств германий легируют различными примесями. В качестве доноров и акцепторов в германии используют соответственно элементы V и III групп Периодической системы. Эти примеси создают мелкие уровни в запрещенной зоне с энергией ионизации порядка 0,01 эВ. Большинство примесей других групп проявляют свойства многозарядовых центров (создают несколько уровней в запрещенной зоне (см. ЗАПРЕЩЕННАЯ ЗОНА)). Мелкие доноры и акцепторы при температуре выше 90 К полностью ионизованы, поэтому в нормальных условиях концентрация носителей заряда в германии определяется концентрацией примеси. В слаболегированном германии в достаточно широком диапазоне температур наблюдается положительный температурный коэффициент удельного сопротивления. Температура, при которой начинает проявляться собственная электропроводность, зависит от концентрации легирующей примеси.

Германий - один из первых полупроводниковых материалов, который широко использовался для изготовления большого количества приборов. На его основе можно изготавливать выпрямительные плоскостные диоды, низко- и высокочастотные, мощные и маломощные транзисторы, лавинно-пролетные и туннельные диоды, варикапы, точечные высокочастотные импульсные и СВЧ-диоды. В импульсных диодах для достижения высокой скорости переключения требуется материал с малым временем жизни неравновесных носителей заряда. Этому требованию удовлетворяет германий, легированный золотом. Благодаря относительно высокой подвижности носителей заряда германий применяют для изготовления датчиков Холла (см. ХОЛЛА ЭДС ДАТЧИК) и других магниточувствительных приборов.

В последние годы основное применение германий находит в производстве оптических приборов. Оптические свойства германия позволяют использовать его для изготовления фототранзисторов и фотодиодов, оптических линз и фильтров инфракрасной техники, модуляторов света и коротковолнового радиоизлучения. Он не имеет конкуренции в счетчиках ядерных частиц. Недостаточно высокое значение ширины запрещенной зоны позволяет изготовленным из германия приборам работать при относительно невысоких температурах (до 60-70 ^оС). Это явилось основной причиной вытеснения его из многих приборов более широкозонным кремнием и арсенидом галлия (см. ГАЛЛИЯ АРСЕНИД).

Кремний полупроводниковый, монокристаллический - основной материал для твердотельной электроники. Ежегодно в мире производится около 9000 тонн высокосовершенных бездислокационных монокристаллов кремния. Кремний находит широкое применение в микроэлектронике, силовой электронике, солнечной энергетике, кремниевой оптоэлектронике.

Кремний, как и германий, кристаллизуется в решетке типа (см. СТРУКТУРНЫЕ ТИПЫ КРИСТАЛЛОВ) алмаза. Связь между атомами в решетке германия - ковалентная. Число атомов Si в единице объема - 5,0^.10²²атом/см³. Ширина запрещенной зоны равна 1,12 эВ.

Получение монокристаллов кремния

В качестве исходного материала при производстве монокристаллов используется поликристаллический кремний высокой чистоты, полученный путем водородного восстановления прошедших глубокую очистку хлорсиланов или путем термического разложения особо чистого моносилана. Оба метода обеспечивают получение исходного кремния с суммарным содержанием остаточных примесей 10¹¹-10¹² ат.см^-3. Для получения монокристаллов используют метод (см. МЕТОДЫ ВЫРАЩИВАНИЯ КРИСТАЛЛОВ) Чохральского и бестигельную зонную плавку (см. ЗОННАЯ ПЛАВКА). Процесс бестигельной зонной плавки, в котором предварительно проводится дополнительная глубокая зонная очистка исходной поликристаллической заготовки от остаточных примесей, используют для получения наиболее чистых и обладающих высоким удельным сопротивлением монокристаллов. Монокристаллы, полученные таким способом, обладают удельным сопротивлением до 100 кОм.см и большой диффузионной длиной носителей заряда, имеют низкое содержание кислорода, но однородность распределения электрофизических свойств в объеме такого материала ниже, чем в случае выращивания методом Чохральского. Метод Чохральского является основным методом получения монокристаллов кремния. Установки для выращивания кристаллов кремния полностью автоматизированы и снабжены системами прецизионного поддержания постоянного диаметра слитка. Основным недостатком метода Чохральского при выращивании полупроводникового кремния является загрязнение выращиваемых монокристаллов кислородом и примесями, содержащимися в кварцевых тиглях, из которых обычно производится вытягивание слитка. Для управления электрофизическими свойствами (тип проводимости, удельное сопротивление, время жизни носителей заряда) широко используют процессы легирования электрически активными примесями. Основными легирующими примесями при получении монокристаллов электронного типа проводимости являются P, As, Sb, а при получении монокристаллов дырочного типа проводимости - B и Al. Эти примеси образуют в кремнии твердые растворы замещения и обладают достаточно высокой растворимостью (10¹⁸-10¹⁹ ат.см^-3) в широком интервале температур. Растворимость их носит ретроградный характер с максимумом при температурах 1200-1350 ^оС. Легирование может быть осуществлено как непосредственно в процессе выращивания, так и на стадиях последующих обработок. Легирование в процессе выращивания производят либо с помощью специальных лигатур сплавов кремния с легирующей примесью, либо из паровой фазы легколетучих соединений легирующей примеси. Для обеспечения равномерного распределения легирующей примеси в объеме кристалла применяют вытягивание из двойного (плавающего) тигля, эффект компенсации накопления примеси в расплаве ее испарением (для летучих примесей), а также различные варианты магнитогидродинамического (МГД) воздействия на расплав с целью управления массопотоками в расплавленной ванне.

Основными структурными дефектами в монокристаллах бездислокационного кремния являются микродефекты (см. МИКРОДЕФЕКТЫ). Именно ростовые микродефекты, содержащиеся в пластинах кремния, оказывают наиболее существенное влияние на рабочие характеристики ультра сверхбыстрых интегральных схем (УСБИС). Наибольшее отрицательное влияние на параметры УСБИС оказывают межузельные дислокационные петли и поры. Основную роль в образовании ростовых микродефектов выращиваемых методом Чохральского монокристаллах играют собственные точечные дефекты (см. ТОЧЕЧНЫЕ ДЕФЕКТЫ) (СТД) - вакансии и междоузельные атомы, а также кислород. Наличие преципитатов, например, фазы SiO₂ в Si приводит к образованию механических напряжений и, следовательно, возможному появлению микротрещин.

Применение полупроводникового кремния

Кремний находит широкое применений в микроэлектронике (см. МИКРОЭЛЕКТРОНИКА). На его основе осуществляется производство УСБИС с динамической памятью на 256 Мбит-1Гбит и микропроцессоры с тактовыми частотами на уровне 0,5-1,0 ГГЦ. Усложнение УСБИС сопровождается ужесточением требований к качеству пластин (общая и локальная плоскостность, снижение уровня поверхностного загрязнения, повышение структурного совершенства и однородности исходного материала) при одновременном увеличении их диаметра и снижении стоимости. Резкое увеличение плотности монтажа и уменьшение размеров рабочих элементов УСБИС обусловливает необходимость снижения рабочих токов и напряжений. В этих условиях существенно возрастает роль посторонних шумов. В связи с этим возрастают требования к чистоте, структурному совершенству и микронеоднородности активной области приборной композиции. Особенно высоки требования по содержанию примесей, способных образовывать электрически- и рекомбинационноактивные центры.

В силовой электронике к мощным диодам и тиристорам на основе кремния добавилась широкая гамма мощных транзисторов и разнообразных «силовых» интегральных схем. Сильноточные кремниевые электронные устройства успешно используются для передачи электроэнергии на большие расстояния с минимальными потерями, в энергоемких металлургических и химических производствах, на транспорте, в системах электропривода и электропитания. В солнечной энергетике используются солнечные батареи на основе кремния. Суммарная мощность электроэнергии, вырабатываемой кремниевыми солнечными батареями, превысила уровень тысячи мегаватт. В оптоэлектронике кремний используется в разнообразных сенсорных устройствах, прецизионных микромеханических системах.

Кремний является непрямозонным полупроводником, эффективность межзонной излучательной рекомбинации в нем очень низка. Легирование кремния эрбием позволяет формировать в кристаллической решетке эффективные центры излучательной рекомбинации. Одним из направлений создания эффективных излучателей является наращивание на кремниевые подложки гетероэпитаксиальных структур прямозонных соединений А^IIIВ^V (GaAs, InGaAs).

Для изготовления волноводов используют структуры Si/SiO₂, имеющие разницу в величинах коэффициентов преломления составляющих компонентов равную 2, что обеспечивает условие надежного оптического ограничения. В таком волноводе свет распространяется по тонкому слою монокристаллического кремния, который прозрачен для излучения с длиной волны =1,3-1,55 мкм. Данная волноводная структура обеспечивает надежную связь (с минимальными оптическими потерями) с излучателем и фотоприемником.

Составить слова из слова элементарные полупроводниковые материалы