Загальна характеристика напівпровідникових матеріалів (стр. 2 из 5)
Двоокис германія — порошок білих кольорів, використовуваний для виробництва напівпровідникового полікристалічного й монокристалічного германія, випускають трьох груп: ГД1, ГД2 і ГДЗ, які відрізняються друг від друга змістом основної речовини й домішок.
Моноокис германія Ge утворюються в результаті диспропорційності або в процесі відновлення двоокису германія. У деяких випадках вона утвориться в розчинах. Моноокис германія має аморфну структуру. У воді моноокис германія практично не розчиняється, а в сарною й соляний кислотах розчиняється повільно.
Тетрахлорид германія GeCl4 утвориться в результаті хлорування й солянокислої обробки германієвих продуктів. Твердий тетрахлорид германія існує у двох модифікаціях.
Виготовлення чистого монокристалічного германія складається з наступних основних процесів: одержання тетрахлориду германія і його очищення, гідролізу тетрахлориду германія й одержання з нього двоокису германія, відновлення двоокису германія воднем і одержання полікристалічного злитка, очищення полікристалічного злитка від домішок зонною плавкою, вирощування з розплавленого полікристалічного германія злитка монокристала германія.
Вирощують монокристалічні злитки по методу Чохральского, для чого германій завантажують у графітовий тигель і нагрівають у вакуумі до температури, при якій він переходить у розплав. Потім у тигель до зіткнення з поверхнею розплаву опускають запал (стрижень) з монокристалічного германія й після невеликої витримки в розплаві починають її повільно піднімати з розплаву, одночасно обертаючи.
У міру підйому на торцевій поверхні запалу кристалізується шар розплаву, на якому у свою чергу кристалізується новий шар розплаву. У такий спосіб створюється злиток германія з монокристалічною структурою. Кристалічна структура вирощеного злитка повторює структуру запалу.
Для виробництва різноманітних напівпровідникових приладів необхідний германій електронного й діркового типів провідності, що володіє певним питомим опором. Тип провідності й питомий опір германія визначаються кількістю уведених у вихідний матеріал акцепторних і донорних домішок (рис. 4).
Рисунок 4 - Залежність питомого опору германія від концентрації акцепторних і донорних домішок [2]
Процес введення домішок називають легуванням. Легуючі домішки звичайно вводять у певних кількостях у робочий об’єм розплавленого полікристалічного германія перед вирощуванням монокристалів.
Використання монокристалічних злитків у технології виготовлення напівпровідникових приладів і інтегральних схем сполучено з більшими втратами германія при механічній обробці (різання, шліфування, полірування). Тому в цей час широке застосування знаходять напівпровідникові монокристалічні плівки германія. Види тонких шарів на підкладки з різних матеріалів (кварцу, сапфіра, германія, кремнію), що одержали назву епітаксій них [2].
1.2 Кремній
Кремній Si – елемент IV групи Періодичної системи елементів; після кисню – найпоширеніший елемент у природі: він становить приблизно 1\4 маси земної кори. Численні сполуки кремнію входять до більшості гірських порід і мінералів. Пісок і глина, що утворять мінеральну частину ґрунту, також являють собою сполуки кремнію. Найпоширенішою сполукою цього елемента є двоокис кремнію SiО2. Вільний двоокис кремнію зустрічається – головним чином у вигляді мінералу кварцу. Кремній у вільному стані в природі не зустрічається.
Кремній, як і германій, кристалізується в складній кубічній просторовій решітці типу алмаза. Кристалічний кремній – темно-сіра тверда й тендітна речовина з металевим блиском, хімічно досить інертне.
Кремній добре розчинний у багатьох розплавлених металах. При кімнатній температурі він хімічно стійкий. У воді не розчинний. Не реагує з багатьма кислотами в будь-якій концентрації. Однак добре розчиняється в суміші плавикової й азотної кислот. Менш інтенсивно кремній розчиняється в азотній кислоті з невеликими добавками брому або перекису водню. Кремній добре розчиняється в киплячих лугах; невеликі добавки перекису водню до киплячого водяного розчину лугу прискорюють його розчинення. Ще більш інтенсивно кремній розчиняється в розплавлених лугах.
Основними сполуками, які використаються в напівпровідниковому виробництві для одержання полікристалічного й монокристалічного кремнію, є двоокис кремнію, моноокис кремнію, тетрахлорид кремнію, полікристалічний, монокристалічний і т.д [2].
Двоокис кремнію Si2 – кварцове скло, по зовнішньому вигляді мало відрізняється від звичайного скла й має високу хімічну стійкість до багатьом кислотам, за винятком плавикової, котра, взаємодіючи із кварцом, утворить кремнієву кислоту.
Двоокис кремнію реагує з розплавленими металами: літієм, натрієм, калієм, кальцієм, стронцієм, барієм, магнієм, алюмінієм, лантаном, церієм, кремнієм і марганцем. При високих температурах двоокис кремнію взаємодіє із твердими елементами: залізом, титаном, танталом, вольфрамом і бором, а також з газоподібним фтором.
При сплавці двоокису кремнію одержують кварцове скло, що широко застосовують при виробництві напівпровідникових матеріалів для виготовлення робочих камер, ампул і касет.
Моноокис кремнію Si у природі не зустрічається й може бути отримана відновленням двоокису при 13,50°С кремнієм або при 1500°С вуглецем. Моноокис кремнію при кімнатній температурі являє собою аморфна речовина у вигляді порошку, гранул або спечених шматочків від бежевого до чорного квітів. Навіть при високих температурах моноокис кремнію не проводить електричний струм, тому неї використають в інтегральній мікроплівковій технології для виготовлення ізоляційних покриттів, діелектричних і плівок, що просвітлюють. Моноокис кремнію знаходить застосування також світлотехнічний і оптичної промисловості.
Випускається моноокис кремнію двох категорій. Моно окис першої категорії використають для напилювання діелектричних плечей нок і шарів плівкових конденсаторів, а також для одержання ізоляційних покриттів інтегральних схем, а другої категорії – для утворення захисних шарів на напівпровідникових кристалах.
Тетрахлорид кремнію SiCl4 одержують хлоруванням при 250—600° С технічного кремнію або одного з його сплавів – феросіліція, що містить 60—90% кремнію. При кімнатній температурі тетрахлорид кремнію являє собою прозору безбарвну рідину. Тетрахлорид кремнію добре змішується з органічними речовинами: ефіром, хлороформом, бензолом і бензином. При взаємодії з водою й у вологому повітрі він розкладається на хлористий водень і силікагель.
Полікристалічний кремній одержують двома основними способами: водневим відновленням з галоїдних сполук (хлорсиланів) і термічним розкладанням гідридів (моносилана) і випускають у вигляді стрижнів, діаметр яких залежить від подальшого застосування. Стрижні великого діаметра (до 100 мм) використають для мірних завантажень у тиглі установок при вирощуванні монокристалічного кремнію по методу Чохральского, а малого (до 40 мм) – як заготівлі для бестигельної зонної плавки.
Монокристалічний кремній одержують із полікристалічного вирощуванням з розплаву по методу Чохральского або бестигельною зонною плавкою. Перший метод застосовують, як правило, для одержання низькоомних злитків з питомим опором, що не перевищує 250 Ом-см. Отримані цим методом злитки мають великий діаметр (до 60-80 мм). Другий метод використають для одержання високоомних монокристалічних злитків з питомим опором до 2000 Ом-см. Діаметр цих злитків звичайно менше (до 30 мм).
Рисунок 5 - Залежність питомого опору кремнію від концентрації акцепторних і донорних домішок [2]
Промисловість випускає різні марки монокристалічного кремнію, тому що в цей час він, володіючи рядом спеціальних властивостей, займає провідне місце серед інших матеріалів, застосовуваних для виготовлення напівпровідникових приладів. Кремнієві прилади мають малі зворотні струми, працюють при підвищених температурах, допускають високі питомі навантаження. Питомий опір кремнію, як і германія, залежить від концентрації акцепторних і донорних домішок (рис. 5).
1.3 Селен
Селен Se – елемент VI групи Періодичної системи елементів Д. И. Менделєєва широко розповсюджений у земній корі, але в малих концентраціях. Зміст його не перевищує 6• 10-5% ,(по масі) і приблизно дорівнює змісту в земній корі сурми, кадмію, срібла. Однак власних руд промислового типу мінерали селен не утворять, тому його відносять до числа рідких неуважних елементів. Селен – супутник сульфідних руд важких кольорових металів. Основними джерелами його одержання служать анодні шлаки мідних і, нікелевих електролітних виробництв.
Атомна маса 78,96. Існує кілька різновидів селен різних кольорів аморфного й кристалічного (рис. 6) будови.
Рисунок 6 - Структура селена [1]
По хімічних властивостях селен близький до сірки, але менш активний. При кімнатній температурі він не взаємодіє з киснем повітря, а при нагріванні на повітрі згоряє з утворенням двоокису селен.. Соляна й розведена сірчана кислоти на селен не діють. Азотна кислота окисляє його до двоокису селен, а лугу розчиняють із утворенням солей.
Селен при температурі 200° С реагує з воднем з утворенням селенистого водню, з киснем утворить ряд сполук (Se, Se02, Se03), а з галогенами — кілька сполук типу SeCl4. Селен утворює сполуки із сіркою, азотом, фосфором і багатьма металами.
Залежно від способу одержання, а також режиму проведення процесу (температури, тиску, швидкості охолодження розплаву) селен може існувати в чотирьох алотропічних формах: склоподібний, аморфної, моноклінної й гексагональної [4].