ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ, полупроводники, применяемые для изготовления электронных приборов и устройств. В полупроводниковой электронике используют гл. обр. кри-сталлич. П. м. Большинство из них имеет кристаллич. структуру с тетраэдрич.

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 нач. 70-х гг. 20 в. наиболее распространённые П. м.- кремний и германий. Обычно их изготовляют в виде массивных монокристаллов, легированных различными примесями. Легированные монокристаллы Si с удельным сопротивлением 10^-3-10⁴ом * см получают преим. 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 периодич. системы (Р, As и Sb) сообщают кремнию и германию электронную проводимость, а примесные атомы III группы (В, А1, Ga, In) - дырочную. Si и Ge обычно используют для изготовления полупроводниковых диодов, транзисторов, интегральных микросхем и т. д.

Большую группу П. м. составляют химич. соединения типа А^III B^v (элементов III группы с элементами V группы) -арсениды, фосфиды, антимониды, нитриды (GaAs, InAs, GaP, InP, 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 П. м., как правило, дырочную проводимость, а элементов IV группы - электронную. П. м. 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.

П. м. типа A^IIB^VI, из к-рых наиболее широко применяют соединения ZnO, ZnS, CdS, CdSe, ZnSe, HgSe, CdTe, ZnTe, HgTe, получают преим. с помощью химических реакций в газовой фазе или сплавлением компонентов. Удельное сопротивление и тип проводимости этих П. м. определяются не столько легирующими примесями, сколько характерными для них структурными дефектами, связанными с отклонением их состава от стехиометрического (см. Стехиометрия). Использование П. м. этого типа связано гл. обр. с их оптич. свойствами и фоточувствительностью. Поэтому их применяют в фоторезисторах, фотоэлементах, электроннолучевых приборах и приборах ночного видения, модуляторах оптич. излучения (см. Модуляция света) и т. д.

К П. м. относят также нек-рые аморфные стеклообразные халькогенидные системы, напр, сплавы Р, As, Sb, Bi с Ge, S, Se, Те, и оксидные системы, напр. V₂O₅ - Р₂О₅ - R_xО_y, где R - металлы I - IV групп, х - число атомов металла и y - число атомов кислорода в окисле. Их используют гл. обр. в качестве оптич. покрытий в приборостроении.

П. м. в широких пределах изменяют свои свойства с изменением темп-ры, а также под влиянием электрич. и магнитных полей, механич. напряжений, облучения и др. воздействий. Этим пользуются для создания различного родадатчиков.

П. м. характеризуются след. осн. параметрами: удельным сопротивлением, типом проводимости, шириной запрещённой зоны, концентрацией носителей заряда и их подвижностью, эффективной массой и временем жизни. Ряд характеристик П. м., напр, ширина запрещённой 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 П. м. приведены в таблице.

В электронных приборах П. м. используют как в виде объёмных монокристаллов, так и в виде тонких моно- и поли-кристаллич. слоев . (толщиной от долей мкм до неск. сотен мкм), нанесённых на различные, напр, изолирующие или полупроводниковые, подложки (см. Микроэлектроника). В таких устройствах П. м. должны обладать определёнными электрофизич. свойствами, стабильными во времени и устойчивыми к воздействиям среды во время эксплуатации. Большое значение имеют однородность свойств П. м. в пределах монокристалла или слоя, а также степень совершенства их кристаллич. структуры (плотность дислокаций, концентрация точечных дефектов и др.).

В связи с высокими требованиями к чистоте и совершенству структуры П. м. технология их производства весьма сложна и требует высокой стабильности тех-нологич. режимов (постоянства темп-ры, расхода газовой смеси, продолжительности процесса и т. д.) и соблюдения спец. 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 П. м. составляет от неск. десятков мин до неск. сут. При обработке П. м. в пром. условиях используют процессы резания П. м. алмазным инструментом, шлифовки и полировки их поверхности абразивами, термич. обработки, травления щелочами и кислотами.

Контроль качества П. м. весьма сложен и разнообразен и выполняется с помощью специализированной аппаратуры. Осн. контролируемые параметры П. м.: химич. состав, тип проводимости, удельное сопротивление, время жизни носителей, их подвижность и уровень легирования. Для анализа состава П. м. обычно пользуются оптич., спектральными, масс-спектроскопическими и ак-тивационными методами. Электрофизич. характеристики измеряют т. н. зондо-выми методами или используют Холла эффект. Совершенство структуры монокристаллов исследуют методами рентге-ноструктурного анализа и оптич. микроскопии. Толщину слоев измеряют либо бесконтактными оптич. методами, либо методами сошлифовки слоя.

Лит.: Технология полупроводниковых материалов, пер. с англ., М., 1961;

Таблица некоторых физических свойств важнейших полупроводниковых материалов

Элемет, тип соединения

Наименование материала

Ширина запрещённой зоны, эв

Подвижность носителей заряда при 300К, см²/(в * сек)

Кристаллическая структура

Постоянная решётки, А

Температура плавления, °С

Упругость пара при температу-ре плавления, атм

при 300 К

при 0 К

электроны

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

а-SiC

3

3,1

400

50

типа сфалерита

4,358

3100

III-V

AlSb

1,63

1,75

200

420

типа сфалерита

6,1355

1050

<0,02

ВР

6

"

4,538

>1300

>24

GaN

3,5

типа вюрт-цита

3,186

(по оси а) 5,176 (по оси с)

>1700

>200

GaSb

0,67

0,80

4000

1400

типа сфалерита

6,0955

706

<4Х10^-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

<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

H-VI

CdS

2,42

2,56

300

50

типа вюртцита

4,16 (по оси а)

6, 756 (по оси с)

1750

CdSe

1,7

1,85

800

типа сфалерита

6,05

1258

ZnO

3,2

200

кубич. типа вюртцита

4,58 3,82 (по оси а)

6,26 (по оси с)

1975

ZnS

3,6

3,7

165

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

М., Полупроводниковые материалы, пер. с франц., М., 1971; 3 и С. М., Физика полупроводниковых приборов, пер. с англ., М., 1973; Палатник А. С., Сорокин В. К., Основы пленочного полупроводникового материаловедения, М., 1973; Кристал-лохимические, физико-химические и физические свойства полупроводниковых веществ, М., 1973.

Ю. Н. Кузнецов, А. Ю. Малинин.