Кремний

Кристаллический кремний имеет решетку типа алмаз. Каждый его атом соединен валентными связями с четырьмя соседними, расположенными в вершинах тетраэдра.

Кремний в отличие от Ge является одним из самых распростра­ненных элементов в земной коре (29,5%), занимая второе место по­сле кислорода. Кремний, как и Ge, темно-серого цвета, с метал­лическим блеском, твердый, хрупкий, хорошо шлифуется, полируется, но в отличие от Ge является легким веществом (плотность 2,33 г/см³).

Атомы в кристалле кремния расположены так просторно, а объем междоузельных пустот настолько велик (~75%), что при плавлении происходит не увеличение объема, как у всех металлов, а значительное, на 9%, его уменьшение.

Рыхлая, открытая структура и достаточно сильная ковалентная связь - особенности строения кремния, которые объясняют многие его физико-химические свойства, приведенные ниже.

1. Оптимальное значение ширины запрещенной зоны, которая обусловила достаточно низкую концентрацию собственных носителей и высокую рабочую температуру.

2. Большой диапазон реально достижимых удельных сопротивлений в пределах от 10^-3 Ом∙см (вырожденный) до 1x 10⁵ (близкий к собственному).

3. Высокое значение модуля упругости, значительная жесткость (большая, чем, например, у стали).

4. Оптимально высокая температура плавления, следующая из высокого значения модуля упругости и энергии связи (Т_ПЛ = 1412°С).

5. Малая плотность (2,3 г/см³) и низкий ТКЛР 3 10^-6 К^-1.

6. Высокая теплопроводность (до 80 Вт/К∙м, что близко к коэффициенту теплопроводности железа).

7. Тензочувствительность - существенное изменение удельного сопротивления при упругой деформации.

8. Высокая растворимость примесей, причем примеси несильно искажают решетку кристалла.

Основной акцепторной примесью для Si является бор, так как обладает относительно малым коэффициентом диффузии в SiO₂. Основной донорной при­месью является фосфор, хотя SiO₂ маскирует Si и от проникно­вения мышьяка As, сурьмы Sb. Но фосфор имеет в Si более вы­сокий коэффициент диффузии, чем As и Sb и более высокую пре­дельную растворимость, чем Sb.

Основными материалами для получения чистого кремния является галогены: тетрахлорид кремния SiCl₄, моносилан SiH₄. Чаще всего используют метод восстановления парами тетрахлорида кремния при температуре 1000 ^◦С и метод термического разложения моносилана (пиролиз).

33. Полупроводниковые соединения A^III B^V

Эти соединения образуются на основе элементов III группы табли­цы Д.И.Менделеева (В, Al, Ga, In) и элементов У группы - N, Р, As, Sb.

Изучение этих соединений ведется с 60-х годов XX века, и к настоящему времени наибольший интерес представляют: GaAs - арсенид галлия, GaP - фосфид галлия, InSb - антимонид индия, InAs - арсе­нид индия, InР - фосфид индия.

Освоение производства любого из соединений A^IIIB^V является слож­ной технологической задачей, так как этим соединениям присущ ряд недостатков.

1) Низкая растворимость легирующих примесей не более 1.10¹⁸ см^-3
не обеспечивает достаточного уровня инжекции из эмиттерной области транзистора. Биполярные транзисторы на соединениях A^IIIB^V не эффективны из-за низкой подвижности дырок.

2) Отсутствие собственных оксидов на поверхности исключает возможность изготовления из соединений A^IIIB^V МОП-транзисторов. Единственной конструкцией полевого транзистора является транзистор
на барьере Шотки (рисунок 3.16).

Рисунок 3.16

3) Токсичность реагентов AsCl₃, AsH₃, PH₃, используемых
для выращивания монокристаллов A^IIIB^V и эпитаксии в сочетании с
взрывоопасностью водорода создает напряженную обстановку на производстве, требует повышенных мер безопасности, серьезно усложняет аппаратуру и технологию.

Образование в процессах обработки арсенидов и фосфидов,

вредных для окружающей среды отходов, требует необходимости их тщательного улавливания и обезвреживания. Например, при шлифовке фосфидов может образовываться чрезвычайно ядовитый газ - фосфин, а при растворении арсенидов в присутствии восстановителей - арсин.

5) Все фосфиды и арсениды при нагреве с большей или меньшей скоростью теряют летучие компоненты B^y - As или Р, т.е. являют­ся разлагающимися по схеме:

А^III B^V - А^III _{(Ж) +} 1/2 В₂ (газ).

Это создает трудности при проведении отжига, диффузии.

В области применения наиболее универсальным является арсенид галлия GaAs. Это один из основных материалов СВЧ-техники и оптоэлектроники (рисунок 3.17).

Арсенид галлия   СВЧ техника Оптоэлектроника

Рисунок 3.17

Арсенид галлия был первым ПП, на котором в 1962г. был создан

инжекционный лазер, т.е. осуществлена генерация когерентного излучения (одной длины волны) с помощью р-n перехода. Лазерный эффект возникает лишь в случае, если плотность тока через р-n переход превышает некоторое пороговое значение. На GaAs за счет электролюминесценции создаются светодиоды ИК-излучения, ко­торые наиболее эффективны в оптронах и волоконно-оптических ли­ниях связи. Светодиоды видимой области, обеспечивающие в инфор­мационных каналах связь аппаратуры с ее пользователями, изготов­ляются на фосфиде галлия GaP, имеющем ширину запрещенной зоны больше 1,7 эВ.

Широкозонные A^III B^V (см. таблицу 3.2) являются материалами для СВЧ-техники, благодаря высокой подвижности электронов. ИМС на GaAs обладают большим быстродействием, чем ИМС на кремнии. Но техно­логия ИМС на GaAs требует совершенствования техники эпитаксии, освоения технологии ионного легирования вместо диффузии, лазер­ного отжига вместо термического, электронно-лучевой литографии вместо фотолитографии и разработки новых методов осаждения защитных покрытий.

Узкозонные A^IIIB^V (InSb, InAs), обладающие высокой подвижно­стью электронов, служат для изготовления магниторезисторов и преобразователей Холла.