Полупроводниковые материалы

Определение "Полупроводниковые материалы" в Большой Советской Энциклопедии

Полупроводниковые материалы, полупроводники, применяемые для изготовления электронных приборов и устройств. В полупроводниковой электронике используют главным образом кристаллические Полупроводниковые материалы 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 Полупроводниковые материалы — 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 Полупроводниковые материалы 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 Полупроводниковые материалы, как правило, дырочную проводимость, а элементов IV группы — электронную. Полупроводниковые материалы 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.

Полупроводниковые материалы 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 Полупроводниковые материалы определяются не столько легирующими примесями, сколько характерными для них структурными дефектами, связанными с отклонением их состава от стехиометрического (см. Стехиометрия). Использование Полупроводниковые материалы 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 Полупроводниковые материалы 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

Элемент, тип соедине- ния	Наиме- нование материа- ла	Ширина запрещенной зоны, эв		Подвижность носителей заряда, 300 K, см2/(в×сек)		Кристал-лическая структура	Постоян- ная решётки,	Темпера- тура плавле- ния, °С	Упругость пара при темпера- туре плавле- ния, атм
		при 300 К	при 0 К	элек- троны	дырки
Элемент	С (алмаз)	5,47	5,51	1800	1600	алмаз	3,56679	4027	10-9
	Ge	0,803	0,89	3900	1900	типа алмаза	5,65748	937
	Si	1,12	1,16	1500	600	»	5,43086	1420	10-6
	a—Sn		~0,08			»	6,4892
IV—IV	a—SiC	3	3,1	400	50	типа сфалерита	4,358	3100
III—V	AISb	1,63	1,75	200	420	типа сфалерита	6,1355	1050	<0,02
	BP	6				»	4,538	>1300	>24
	GaN	3,5				типа вюртцита	3,186 (по оси a) 5,176 (по оси с)	>1700	>200
	GaSb	0,67	0,80	4000	1400	типа сфалерита	6,0955	706	<4×10-4
	GaAs	1,43	1,52	8500	400	то же	5,6534	1239	1
	GaP	2,24	2,40	110	75	»	5,4505	1467	35
	InSb	0,16	0,26	78000	750	»	6,4788	525	<4×10-5
	InAs	0,33	0,46	33000	460	»	6,0585	943	0,33
	InP	1,29	1,34	4600	150	»	5,8688	1060	25
II—VI	CdS	2,42	2,56	300	50	типа вюртцита	4,16 (по оси a) 6,756 (по оси с)	1750
	CdSe	1,7	1,85	800		типа сфалерита	6,05	1258
	ZnO	3,2		200		кубич.	4,58	1975
	ZnS	3,6	3,7	165		типа вюртцита	3,82 (по оси a) 6,26 (по оси с)	1700
IV—VI	PbS	0,41	0,34	600	700	кубич.	5,935	1103
	PbTe	0,32	0,24	6000	4000	то же	6,460	917

  Полупроводниковые материалы 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.

  Полупроводниковые материалы характеризуются следующими основными параметрами: удельным сопротивлением, типом проводимости, шириной запрещенной зоны, концентрацией носителей заряда и их подвижностью, эффективной массой и временем жизни. Ряд характеристик Полупроводниковые материалы, 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 Полупроводниковые материалы приведены в таблице.

В электронных приборах Полупроводниковые материалы 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 Полупроводниковые материалы должны обладать определёнными электрофизическими свойствами, стабильными во времени и устойчивыми к воздействиям среды во время эксплуатации. Большое значение имеют однородность свойств Полупроводниковые материалы 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 Полупроводниковые материалы 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 Полупроводниковые материалы составляет от нескольких десятков мин до нескольких сут. При обработке Полупроводниковые материалы в промышленных условиях используют процессы резания Полупроводниковые материалы алмазным инструментом, шлифовки и полировки их поверхности абразивами, термической обработки, травления щелочами и кислотами.

Контроль качества Полупроводниковые материалы весьма сложен и разнообразен и выполняется с помощью специализированной аппаратуры. Основные контролируемые параметры Полупроводниковые материалы: химический состав, тип проводимости, удельное сопротивление, время жизни носителей, их подвижность и уровень легирования. Для анализа состава Полупроводниковые материалы 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. с англ., М., 1961; Родо М., Полупроводниковые материалы, пер. с франц., М., 1971; Зи С. М., Физика полупроводниковых приборов, пер. с англ., 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.