Кремний

Кремний очень широко распространен в земной коре (до 29,5%). Как материал электроники кремний нашел широкое применение только во второй половине двадцатого столетия, после разработки эффективных способов его очистки.

Кремний имеет кристаллическую решетку типа алмаза, в которой все атомы расположены на одинаковом расстоянии друг от друга. Число атомов кремния в единице объема равно 5×10²⁸ в 1 м³. На внешней валентной обо­лочке атома кремния расположены 4 электрона. Основной параметр полупроводниковых материалов - ширина запрещенной зоны достаточно велика (1,12 эВ), вследствие чего он имеет достаточную температурную стабильность. Кремний непрозрачен для видимого света, но для инфракрасных лучей с длиной волны более 1,2 мкм чистый кремний становится сравнительно прозрачным. Наличие примесей ведет к увеличению коэффициента поглощения электромагнитного излучения.

Внешне кремний представляет собой темно-серый материал с металлическим блеском, довольно твердый и хрупкий.

К недостаткам кремния относится высокая температура плавления, а также высокая реакционная способность, которая затрудняет его получение. Но в настоящее время технология получения кремния хорошо разработана. Вследствие большой ширины запрещенной зоны он имеет достаточно высокое удельное сопротивление, что позволяет использовать его для создания ИМС. Этому способствует также наличие стабильного окисла на его поверхности, что позволяет широко использовать планарную технологию.

Кремний является базовым материалом при изготовлении планарных транзисторов, диодов, ИМС и устройств силовой микроэлектроники. Так, кремниевые диоды могут выдерживать ток до 1500 А при напряжении до 1500В. Кроме того, кремний используют как материал для фотоприемников, солнечных батарей, датчиков Холла, тензодатчиков. Верхняя граница рабочей температуры кремниевых устройств достигает 180-200 ⁰С.

Кроме самого кремния в полу­проводниковом производстве находит применение ряд его соеди­нений: двуокись кремния SiO2, моноокись кремния (SiO), нитрид кремния Si3N4.

Получение и очистка кремния. В чистом виде кремний в природе не встречается, а входит в виде оксидов в большинство пород и минералов, и выде­лить его довольно трудно. Основными способами получения поли­кристаллического кремния являются восстановление тетрахлорида кремния парами водорода и термическое разложение моносилана SiH₄. Промышленность выпускает поликристаллический кремний семи марок КП-1 - КП-7, отличающихся содержанием примесей и размерами слитков.

Полученный поликристаллический кремний содержит 1 - 5% примесей, что слишком много для непосредственного ис­пользования в полупроводниковом производстве. Для получения кремния с удельной проводи­мостью, близкой к собственной, необходимо снизить содержание примесей в нем до 10¹⁹ - 10¹⁸ атомов на кубический метр.

Задача очистки крем­ния успешно решается методом зон­ной плавки. Очищенный поликристаллический кремний служит сырьем для выращивания монокристаллов и эпитаксиальных слоев крем­ния, а также применяется для изготовления некоторых типов полупроводнико­вых приборов (например, солнечных батарей).

Для получения объемных монокристаллов кремния используют три основных мето­да: метод бестигельной зонной плавки, метод вытягивания из расплава (метод Чохральского) и метод гарниссажной плавки.

Использование монокристаллических слитков в полупроводниковом производ­стве сопряжено с большими потерями материала. Ведь действие большинства полупроводниковых прибо­ров основано на процессах, происходящих в очень узких граничных или поверхностных слоях полупроводника. Остальной объем моно­кристалла чаще всего только ухудшает параметры прибора и явля­ется паразитной частью. К тому же большая часть материала теря­ется при механической обработке слитков (резке, шлифовке и т.д.).

Поэтому в настоящее время в полупроводниковом производстве наиболее широкое применение кремний находит в виде тонких мо­нокристаллических слоев, получаемых осаждением на объемных монокристаллах, называемых подложками. Такие монокристалли­ческие слои, сохраняющие кристаллографическую ориентацию подложки, называют эпитаксиальными. В качестве подложек используют монокристаллы самого кремния, а также сапфира, ко­рунда и др.

Такие эпитаксиальные слои очень удобны при массовом произ­водстве полупроводниковых приборов по наиболее распространен­ной планарной технологии. При использовании эпитаксии резко снижаются требования к чистоте и совершенству кристаллов, ис­пользуемых в качестве подложек, а параметрами эпитаксиальных слоев легко управлять в процессе их выращивания.

В полупроводниковом производстве чистый монокристаллический кремний применяют редко. Действие большинства полупроводниковых приборов осно­вано на использовании примесной электропроводности. Для прида­ния кремнию примесной электропроводности в него вводят строго контролируемое количество необходимой примеси. В зависимости от характера влияния примеси на тип электропроводности все при­месные элементы можно разделить на нейтральные, акцепторные, донорные и создающие в запрещенной зоне кремния глубокие энер­гетические уровни.

Промышленность выпускает большое количество разнообразных марок монокристаллического кремния, отличающихся по типу электропроводности, виду легирующих примесей, размерам слитков, величине удельного сопротивления и другим параметрам. В обозначении марок используют некоторые единицы, от­личающиеся от рекомендуемых системой СИ (см. примеры).

Условные обозначения марок кремния, а также всех других по­лупроводниковых материалов обязательно сопровождают номером соответствующих ГОСТов или технических условий, в которых ого­ворены требования ко всем параметрам и характеристикам мате­риала, методы испытаний, приемки, маркировки и т. д.

Германий

Германий очень рассеянный элемент, его наличие в земной коре около 7^.10^-4 %. Но добывать его тяжело, поскольку минералов с большим содержанием германия немного. Чистый германий имеет металлический блеск, большую твердость и хрупкость и кри-­ сталлизуется в виде кубической решетки типа алмаза. Ширина запрещенной зоны невелика, поэтому температурная стабильность германия мала. С этим связано и малое значение удельного сопротивления, что не позволяет изготавливать из него ИМС. Но подвижность носителей заряда у германия высока, и это позволяет использовать его при изготовлении высокочастотных приборов.

Двуокись германия соединение слабо устойчивое, растворяется даже в воде, по­этому использовать его в качестве защитной пленки невозможно. Это обстоя­тельство и обусловило непригодность германия для производства интегральных микросхем по планарной технологии.

В настоящее время германий используют в плоскостных диодах на токи от 0,3 до 1000А, при падении напряжения на переходе не более 0,5В. Также его используют в сплавных транзисторах, варикапах, лавинно-пролетных диодах, диодах СВЧ. Большую подвижность носителей заряда используют в датчиках (пребразователях)Холла.

Электрические свойства германия очень сильно зависят от ко­личества содержащихся в нем примесей. На рис.4.18 приведена зависимость удельного сопротивления германия от концентрации примесей.

Для видимого света германий не прозрачен, для инфракрасных лучей относительно прозрачен при длине волны более 1,8 мкм. Оптические свойства германия используют при изготовлении фототранзисторов, фотодиодов, счетчиков ядерных частиц. Рабочий интервал температур у германиевых приборов -60 ... +70 ⁰С. Наиболее выгодно германиевые приборы использовать при низких температурах.

Для получения монокристаллического германия используют те же способы, что и для получения кремния: метод зонной плавки и вытягивание из расплава. Однако, в связи с тем, что германий даже в расплавленном состоянии не взаимодействует с углеродом и кварцем, позволяет в технологических процессах использовать тигли из графита и кварца.

Легирующие примеси в германии (как и в кремнии) делят на нейтральные, акцепторные, донорные и создающие глубокие энер­гетические уровни. К нейтральным примесям относятся инертные газы, азот и элементы IV группы: кремний, свинец, олово. Основ­ными акцепторными примесями в германии являются элементы III группы: галлий, индий, алюминий. Для создания донорных уровней в германии используют элементы V группы: мышьяк, сурь­му, висмут, фосфор, а также элемент I группы -литий. Глубокие энергетические уровни в запрещенной зоне германия образуют многие элементы I, II, VI, VII и VIII групп периодической системы элементов Д. И. Менделеева, но растворимость этих элементов в германии, как правило, значительно меньше растворимости до­норов и акцепторов. Промышленность выпускает большое количество различных марок германия с электронным и дырочным типом электропровод­ности, легированных различными примесями с величиной удельно­го сопротивления 0,0001—45 Ом×см.

В связи с преимущественным развитием микроэлектроники гер­маний все больше вытесняется кремнием и другими полупроводни­ковыми материалами. Но дискретные полупроводниковые приборы на основе германия (высокочастотные транзисторы, импульсные диоды, фотодиоды, тензорезисторы, датчики Холла и др.) по-преж­нему находят широкое применение.

Обозначение полупроводниковых приборов, изготовленных из германия, начинается с буквы Г или цифры 1, например транзи­стор ГТ402, диод 1Д508.