полупроводниковый материал
Вещества, обладающие электропроводностью между проводниками и изоляторами, называются полупроводниками. Полупроводниковые материалы — это вид электронных материалов с полупроводниковыми свойствами, которые можно использовать для изготовления полупроводниковых приборов и интегральных схем. Их удельное сопротивление находится в пределах 10 (U-3) ~ 10 (U-9) Ом/см. Электрические свойства полупроводниковых материалов очень чувствительны к изменениям внешних факторов, таких как свет, тепло, электричество и магнетизм.Допирование небольшого количества примесей в полупроводниковые материалы может контролировать проводимость таких материалов. Именно используя эти свойства полупроводниковых материалов, можно создавать полупроводниковые приборы с разнообразными функциями.
Полупроводниковые материалы являются основой полупроводниковой промышленности, и их развитие оказывает большое влияние на развитие полупроводниковой технологии. Полупроводниковые материалы можно условно разделить на следующие категории в зависимости от их химического состава и внутренней структуры.
1. К элементарным полупроводникам относятся германий, кремний, селен, бор, теллур, сурьма и т. д. В 1950-е годы в полупроводниках преобладал германий, но германиевые полупроводниковые приборы обладали плохой устойчивостью к высоким температурам и радиации, и к концу 1960-х годов их постепенно заменили кремниевые материалы. Полупроводниковые устройства из кремния обладают хорошей устойчивостью к высоким температурам и радиации и особенно подходят для изготовления мощных устройств. Таким образом, кремний стал наиболее широко используемым материалом для улучшающих проводников, и большинство современных интегральных схем изготовлены из кремниевых материалов.
2. Сложный полупроводник — полупроводниковый материал, состоящий из комбинации двух или более элементов. Существует много его типов, наиболее важными из них являются арсенид галлия, фосфид индия, антимонид индия, карбид кремния, сульфид кадмия и мышьяк-кремний галлия. Среди них арсенид галлия является важным материалом для производства микроволновых устройств и интегральных схем. Карбид кремния широко используется в области аэрокосмической техники благодаря своей высокой радиационной стойкости, высокой термостойкости и хорошей химической стабильности.
3. Аморфный полупроводниковый материал. Стекло, используемое в качестве полупроводника, представляет собой некристаллический аморфный полупроводниковый материал, который делится на два типа: оксидное стекло и неоксидное стекло. Этот тип материала обладает хорошими характеристиками переключения и памяти, а также высокой радиационной стойкостью и в основном используется для изготовления пороговых переключателей, переключателей памяти и твердотельных дисплеев.
4. Органические проводниковые материалы. Известны десятки органических полупроводниковых материалов, в том числе нафталин, антрацен, полиакрилонитрил, фталоцианин и некоторые ароматические соединения, которые до сих пор не использовались.
Свойства и параметры. Проводимость полупроводниковых материалов чрезвычайно чувствительна к некоторым микропримесям. Полупроводниковые материалы высокой чистоты называются собственными полупроводниками.Они имеют высокое удельное сопротивление при комнатной температуре и являются плохими проводниками электричества. После введения соответствующих примесей в полупроводниковые материалы высокой чистоты удельное сопротивление материала значительно снижается, поскольку атомы примесей обеспечивают проводящие носители. Этот тип легированного полупроводника часто называют примесным полупроводником. Примесные полупроводники, проводящие электричество за счет электронов в зоне проводимости, называются полупроводниками N-типа, а те, которые проводят электричество за счет дырок в валентной зоне, — полупроводниками P-типа. При контакте полупроводников разных типов (с образованием PN-перехода) или при контакте полупроводника с металлом происходит диффузия за счет разницы в концентрации электронов (или дырок), образующих на контакте потенциальный барьер, поэтому этот тип контакта имеет однонаправленную проводимость. Используя однонаправленную проводимость PN-перехода, можно изготавливать полупроводниковые приборы различного назначения, например диоды, транзисторы, тиристоры и т. д. Кроме того, проводимость полупроводниковых материалов очень чувствительна к изменению внешних условий (таких как тепло, свет, электричество, магнетизм и др.), на основе этого можно изготавливать различные чувствительные компоненты для преобразования информации.
К характерным параметрам полупроводниковых материалов относятся ширина запрещенной зоны, удельное сопротивление, подвижность носителей, время жизни неравновесных носителей и плотность дислокаций. Ширина запрещенной зоны определяется электронным состоянием и атомной конфигурацией полупроводника и отражает энергию, необходимую для возбуждения валентных электронов в атомах, составляющих этот материал, из связанного состояния в свободное состояние. Удельное сопротивление и подвижность носителей отражают проводимость материала. Время жизни неравновесных носителей отражает релаксационные характеристики перехода внутренних носителей полупроводникового материала из неравновесного состояния в равновесное под действием внешних воздействий (таких как свет или электрическое поле). Дислокации являются наиболее распространенным типом дефектов в кристаллах. Плотность дислокаций используется для измерения степени целостности решетки полупроводниковых монокристаллических материалов.Для аморфных полупроводниковых материалов такого параметра нет. Характеристические параметры полупроводниковых материалов могут не только отражать различия между полупроводниковыми материалами и другими неполупроводниковыми материалами, но, что более важно, могут отражать количественные различия в характеристиках между различными полупроводниковыми материалами и даже одним и тем же материалом в разных обстоятельствах.
Типы Обычно используемые полупроводниковые материалы делятся на элементарные полупроводники и сложные полупроводники. Элементарные полупроводники — это полупроводниковые материалы, состоящие из одного элемента. К основным из них относятся кремний, германий, селен и др., причем наибольшее распространение получили кремний и германий. Сложные полупроводники делятся на бинарные системы, тройные системы, многокомпонентные системы и полупроводники органических соединений. К полупроводникам бинарных соединений относятся группы III-V (например, арсенид галлия, фосфид галлия, фосфид индия и т. д.), группы II-VI (например, сульфид кадмия, селенид кадмия, теллурид цинка, сульфид цинка и т. д.), IV- группа. Соединения VI (например, сульфид свинца, селенид свинца и др.), IV-IV группы (например, карбид кремния). Трехкомпонентные и многокомпонентные полупроводники представляют собой в основном тройные и многокомпонентные твердые растворы, такие как твердый раствор галлия-алюминия-мышьяка, твердый раствор галлия-германия-мышьяка-фосфора и т. д. К органическим соединениям-полупроводникам относятся нафталин, антрацен, полиакрилонитрил и др., которые пока находятся на стадии исследований. Кроме того, существуют аморфные и жидкие полупроводниковые материалы.Самое большое отличие этих полупроводников от кристаллических полупроводников состоит в том, что они не имеют строго периодического расположения кристаллических структур.
Подготовка. Различные полупроводниковые устройства предъявляют разные морфологические требования к полупроводниковым материалам, включая нарезку монокристаллов, шлифование пластин, полировку пластин, тонкие пленки и т. д. Различные формы полупроводниковых материалов требуют разных методов обработки. Обычно используемые процессы подготовки полупроводниковых материалов включают очистку, подготовку монокристаллов и эпитаксиальный выращивание тонких пленок.
Все полупроводниковые материалы требуют очистки сырья, а требуемая чистота составляет от 6 «9» до 11 «9» и выше. Методы очистки делятся на две категории: одна заключается в очистке без изменения химического состава материала, называемой физической очисткой; другая заключается в том, чтобы сначала очистить элементы до соединений, а затем восстанавливать очищенные соединения до элементов, что называется физическая очистка Химическая очистка. Методы физической очистки включают вакуумное испарение, региональное рафинирование, очистку кристаллами и т. д. Наиболее часто используемый метод - региональное рафинирование. К основным методам химической очистки относятся электролиз, комплексообразование, экстракция, дистилляция и др. Наиболее часто используемый метод — перегонка. Поскольку каждый метод имеет определенные ограничения, для получения качественных материалов часто используется процесс, сочетающий в себе несколько методов очистки.
Большинство полупроводниковых устройств изготавливаются на одной пластине или на эпитаксиальной пластине на основе одной пластины. Серийные партии полупроводниковых монокристаллов производятся методом выращивания из расплава. Наибольшее распространение получил метод Чохральского. Этим методом получают 80% монокристаллов кремния, большинство монокристаллов германия и монокристаллов антимонида индия. Максимальный диаметр монокристаллов кремния достигал 300 мм. Метод Чохральского введения магнитного поля в расплав называется магнетронным вытягиванием.Этот метод позволил получить монокристаллы кремния с высокой однородностью. Добавление жидкого покрывающего агента на поверхность расплава тигля называется методом Чохральского с жидкостной герметизацией. Этот метод используется для вытягивания монокристаллов с большими давлениями разложения, таких как арсенид галлия, фосфид галлия и фосфид индия. При методе плавки во взвешенной зоне расплав не контактирует с контейнером, и этим методом выращиваются монокристаллы кремния высокой чистоты. Методом горизонтально-зонной плавки применяют монокристаллы германия. Метод горизонтально ориентированной кристаллизации в основном используется для получения монокристалла арсенида галлия, а метод вертикально ориентированной кристаллизации используется для получения теллурида кадмия и арсенида галлия. Массивные монокристаллы, полученные различными методами, затем подвергаются всем или части процессов ориентации кристаллов, прокатки, изготовления контрольной поверхности, нарезки, шлифования, снятия фасок, полировки, травления, очистки, тестирования и упаковки для получения соответствующих пластин.
Рост тонких монокристаллических пленок на монокристаллических подложках называется эпитаксией. Методы эпитаксии включают газофазную, жидкофазную, твердофазную, молекулярно-лучевую эпитаксию и т. д. В промышленном производстве в основном используется химическая парофазная эпитаксия, а затем жидкофазная эпитаксия. Эпитаксия из паровой фазы металлоорганических соединений и молекулярно-лучевая эпитаксия используются для приготовления микроструктур, таких как квантовые ямы и сверхрешетки. Аморфные, микрокристаллические и поликристаллические пленки чаще всего изготавливаются на стеклянных, керамических, металлических и других подложках с использованием различных видов химического осаждения из паровой фазы, магнетронного распыления и других методов.