Полупроводниковые материалы

Полупроводниковые материалы

 

КАРБИД КРЕМНИЯ (карборунд), SiC. Чистый карбид кремния стехиометрического состава — бесцветные кристаллы с алмазным блеском. Технический SiC может иметь разнообразную окраску: белую, серую, желтую, зеленую и черную. Цвет материала зависит от сырья и технологии получения кристаллов и определяется как типом и количеством примеси, так и степенью отклонения состава от стехиометрического. Карбид кремния кристаллизуется в двух модификациях: при температурах менее 2000оС — в кубической типа сфалерита (b-SiC), и при более высоких температурах — в гексагональной (a-SiC).

Свойства карбида кремния

Карбид кремния — единственное полупроводниковое бинарное соединение АIVВIV. Ширина запрещенной зоны для кристаллов SiC составляет 2,39 эВ, для различных модификаций SiC ширина запрещенной зоны может иметь значение в пределах от 2,8 до 3,1 эВ. Большие значения ширины запрещенной зоны позволяют создавать на его основе полупроводниковые приборы, сохраняющие работоспособность при температурах до 600оС. Собственная электропроводность из-за большой ширины запрещенной зоны наблюдается лишь при температурах выше 1400оС. Подвижность носителей заряда низкая. В случае отклонения состава от стехиометрического в сторону кремния кристаллы обладают электропроводностью n-типа, в случае избытка углерода — p-типа.

Карбид кремния тугоплавок (tпл 2730°С), химически стоек, по твердости уступает лишь алмазу и нитриду бора: твердость по — 9,1 — 9,5; микротвердость 3300-3600 кгс/мм2. Карбид кремния обладает высокой термической, химической и радиационной стойкостью, выделяется своей устойчивостью к окислению среди многих окалиностойких сплавов и химических соединений. Заметно окисляется только при температурах выше 800оС. Карбид кремния химически стоек и в других средах. Благодаря высокой химической стабильности, огнеупорности и износостойкости карбид кремния находит широкое применение в качестве огнеупора в металлургической промышленности.

Одно из важнейших свойств карбда кремния – его способность к люминесценции в видимой области спектра

Получение карбида кремния

Поликристаллический карбид кремния получают в электрических печах при температуре 1800-2300оС путем восстановления двуокиси кремния углеродом:

В качестве сырья при производстве технического карбида кремния используется кварцевый песок с минимальным содержанием примесей и малозольный кокс или антрацит, или нефтяной кокс. Для повышения газопроницаемости шихты в нее иногда вводят древесные опилки. В шихту также вводят поваренную соль, количество которой влияет на цвет карборунда.

Большое распространение получил метод сублимации. В этом методе рост кристаллов карбида кремния происходит из газовой фазы в графитовых тиглях в атмосфере инертных газов при температуре 2500-2600оС.

Применение карбида кремния

Карбид кремния применяется в электротехнике для изготовления резисторов вентильных разрядников, защищающих линии передачи высокого напряжения и аппаратуру. Для производства различных низковольтных варисторов, используемых в автоматике, вычислительной технике, электроприборостроении, в технике получения высоких температур. А также для изготовления радиационностойких светодиодов, терморезисторов и т.д.

Благодаря высокой твердости, химической устойчивости и износостойкости карбид кремния широко применяется как абразивный материал (пришлифовании), для резания твердых материалов, точки инструментов.

Нелинейный резистор, называемый варистором, состоящий из конгломерата зерен карбида кремния, показан на рис. а. Электропроводность варистора определяется многими параллельными цепочками контактирующих зерен, причем пробивное напряжение контактов в различных цепочках (б) имеет большой разброс. Так, до значения приложенного напряжения U1 (в) ток идет только через сопротивление R, после чего при напряжениях U1, U2, U3 и последующих включаются друг за другом остальные параллельные цепочки зерен, и ВАХ представляет собой ломаную линию. В реальном варисторе таких цепочек может быть очень много, поэтому реальная ВАХ представляет собой плавную кривую (г).

Вентильным разрядником называют разрядник, имеющий однократный или многократный искровой промежуток, в комплекте с варисторами. При перенапряжении на высоковольтной лини пробивается искровой промежуток, нелинейные диски (2) оказываются под большим напряжением, сопротивление их резко падает, линия оказывается заземленной, и через разрядник течет импульсный ток. Помимо этого импульсного тока рабочее напряжение линий переменного тока поддерживает протекающий через разрядник «сопровождающий» ток, однако в первый же момент прохождения этого тока через нулевое значение линия отключается от земли, вилитовые диски восстанавливают свое сопротивление, а разрядные промежутки деионизируются. Защита линии автоматически восстанавливается. (Силитовые стержни изготавливаются на основе карбида кремния, кристаллического кремния и углерода).

Структуры основных политипов SiC

Известно примерно 250 кристаллических форм карбида кремния. Полиморфизм SiC характеризуется большим количеством схожих кристаллических структур, называемых политипами. Они являются вариациями одного и того же химического соединения, которые идентичны в двух измерениях, но отличаются в третьем.

Альфа карбид кремния (α-SiC) является наиболее часто встречающимся полиморфом. Эта модификация образуется при температуре свыше 1700 °C и имеетгексагональную решётку, кристаллическая структура типа вюрцита.

Бета-модификация (β-SiC), с кристаллической структурой типа цинковой обманки (аналог структуры алмаза), образуется при температурах ниже 1700 °C. Нагревание бета-формы до температур свыше 1700°С способно приводить к постепенному переходу кубической бетаформы в гексагональную (2Н,4Н,6Н,8Н) и ромбичекую (15R). При повышении температуры и времени процесса все образующиеся формы переходят в конечном итоге в гексагональный альфа-политип 6Н.

Свойства основных политипов карбида кремния (слайд).

 

АРСЕНИД ГАЛЛИЯ, химическое соединение галлия и мышьяка, один из основных полупроводниковых материалов, относящийся к классу соединений AIIIBV. Благодаря удачному сочетанию свойств занимает второе место (после кремния) по своему значению в современной электронной технике. Арсенид галлия имеет хорошие теплофизические характеристики, достаточно большую ширину запрещенной зоны, высокую подвижность электронов и дырок, благоприятные особенности зонной структуры, обуславливающие возможность прямых межзонных переходов носителей заряда. По физическим характеристикам GaAs — более хрупкий и менее теплопроводный материал, чем кремний. Подложки из арсенида галлия гораздо сложнее для изготовления и примерно впятеро дороже, чем кремниевые, что ограничивает применение этого материала.

Структура: темно-серые с фиолетовым оттенком и металлич. блеском кристаллы, решетка кубическая типа сфалерита (цинковой обманки).

Одной из основных технологических характеристик GaAs является плотность дислокаций ND. Характер распределения и величина плотности дислокаций оказывает влияние на рабочие параметры изготавливаемых на его основе приборов.

Электрофизические свойства нелегированного арсенида галлия в сильной степени зависят от состава и концентрации собственных точечных дефектов, концентрации фоновых примесей и режимов термообработки слитков.

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 (синтетический кварц). Для получения высокочистого полуизолирующего арсенида галлия применяют пиролитический нитрид бора.

Наиболее распространенными методами получения монокристаллов арсенида галлия являются зонная плавка, направленная кристаллизация (по Бриджмену), метод Чохральского.

Направленная кристаллизация – монокристалл растет за счет движения расплавленного образца вдоль высокого градиента температур.

Зонная плавка - процесс получения металлов и их сплавов в жидком виде в горшках из огнеупорных материалов – тиглях, или бестигельная.

При зонной плавке расплавленная зона делит слиток на две твердые части. Зонная плавка реализуется в горизонтальной или вертикальной компоновке оборудования, а также может быть бестигельной (так выращивают кремний).

В качестве нагревателя обычно используют высокочастотный индуктор, или в некоторых случаях электронно-лучевой или лазерный нагрев. В начале процесса расплавленная зона создается на границе монокристаллическая затравка – поликристаллическая заготовка (затравка - это затравочный материал, на котором начинается рост). При этом затравка частично расплавляется. Далее расплавленная зона начинает двигаться к другому концу заготовки за счет относительного движения контейнера (заготовки) и индуктора, обеспечивая очистку и рост монокристалла.

Метод Чохральского — метод выращивания кристаллов путём их вытягивания, выращивания из расплава.

Исходный материал (шихту) загружают в тугоплавкий тигель (1) и нагревают до расплавленного состояния. Затем затравочный кристалл в виде тонкого стержня диаметром в несколько мм устанавливают в охлаждаемый кристаллодержатель (4) и погружают в расплав. Между поверхностью расплава и растущим кристаллом формируется мениск. При этом граница расплав-кристалл оказывается расположенной над поверхностью расплава. После частичного оплавления торца затравки ее вместе с растущим на ней кристаллом вытягивают из расплава. Диаметр растущего кристалла регулируется путем подбора скорости вытягивания и температуры расплава. В процессе вытягивания кристалл вращают с целью перемешивания расплава и выравнивания температуры на фронте кристаллизации.

Диаграмма плавкости (T - X) арсенида галлия. При нагреве кристаллы арсенида галлия разлагаются на жидкий галлий и газообразный мышьяк (молекулы As4). Очень медленный процесс диссоциации начинается примерно с 600° С. Образовавшаяся на поверхности кристалла пленка жидкого галлия находясь в контакте с твердым кристаллом GaAs и паровой фазой, стремится образовать раствор с мышьяком, состав которого при любой температуре определяется кривой ликвидуса рис.2.2 Если нагрев кристалла происходит в герметичной, равномерно нагретой ампуле, то между всеми тремя фазами устанавливается равновесие, для достижения которого происходит растворение кристалла в жидком галлии.

Применение:

Используется для создания сверхвысокочастотных интегральных схем и транзисторов, полупроводниковых лазерах, радарных систем, светодиодов, лазерных диодов, (СВЧ – колебаний), фотоприемников и детекторов ядерных излучений.

Сильнолегированный кремнием GaAs n-типа проводимости с низкой плотностью дислокаций используется в оптоэлектронике для изготовления инжекционных лазеров, свето- и фотодиодов, фотокатодов, являются прекрасным материалом для генераторов СВЧ-колебаний (диодов Ганна).

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

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

В отличие от кремниевых приборов полупроводниковые приборы на основе GaAs генерируют меньше шума, чем кремниевые приборы на той же частоте, они могут работать при большей мощности, а также они имеют более высокую радиационную стойкость, поэтому могут использоваться в условиях радиационного излучения (например, в солнечных батареях, работающих в космосе).

Рассмотрим основные марки арсенида галлия и их электрофизические свойства.

Выпускается четыре группы арсенида галлия:

АГЭ — арсенид галлия с электронной электропроводностью, нелегированный;

АГЭТ — арсенид галлия с электронной электропроводностью, легированный теллуром; АГДЦ—арсенид галлия с дырочной электропроводностью, легированный цинком;

АГП — арсенид галлия полуизолирующий.

И 2 группы для эпитаксиальных структур монокристаллического арсенида галлия (получают методом жидкостной эпитаксии, основанным на кристаллизации расплавов галлий — мышьяк):

ЭАГЭТ и ЭАГЭО. Первая буква Э указывает на применение арсенида галлия, в данном случае для эпитаксиального наращивания; буквы АГ указывают материал — арсенид галлия; буква Э,. стоящая после буквы Г, означает электронный тип электропроводности арсенида галлия; буква Т показывает, чем легирован арсенид. галлия (теллур); буква О означает легирование арсенида галлия оловом.

В буквенном обозначении группы добавляют две цифры: первая показывает номинальную концентрацию основных носителей заряда, вторая является показателем степени десятичного порядка концентрации основных носителей заряда. Основные марки арсенида галлия: АГЭ 1-15, АГЭ 1-16, АГЭ 4-16,…

Марки арсенида галлия Допустимый предел концентрации, см-з Плотность дислокаций, cm-2 Подвижность, Ом/(В·с) Кристаллографическая ориентация