Кремний. Получение монокристаллического кремния

В настоящее время кремний является базовым материалом для изготовления дискретных приборов и интегральных схем. Несмотря на интенсивное развитие интегральной микроэлектроники, в общем объеме выпуска полупроводниковых изделий значительную долю составляют кремниевые дискретные приборы. Из кремния изготавливают выпрямительные, импульсные и СВЧ-диоды, низкочастотные и высокочастотные, мощные и маломощные биполярные транзисторы, полевые транзисторы и приборы с зарядовой связью, а также большинство стабилитронов и тиристоров. Широко применяются кремниевые фотоэлементы (солнечные батареи) и фотодиоды.

Кремний кристаллизуется в структуре алмаза, имеет ширину запрещенной зоны 1,12 эВ, благодаря чему удельное сопротивление кремния на три с лишним порядка превышает собственное сопротивление германия. Кремний устойчив на воздухе и при нагревании до 900 °С, выше этой температуры он начинает интенсивно окисляться с образованием оксида SiO₂.

Монокристаллы кремния выращивают методами вытягивания из расплава и бестигельной зонной плавки. Первый метод применяется, как правило, для получения крупных монокристаллов с относительно небольшим удельным сопротивлением (менее 2,5 Ом×м). Метод заключается в том, что в расплав медленно вводится монокристаллическая затравка, закрепленная на вращающемся держателе. Затравка выдерживается в расплаве, пока не оплавится с поверхности, а затем, вращаясь, начинает медленно подниматься. За затравкой тянется жидкий столбик расплава, который при вытягивании над поверхностью расплава затвердевает, образуя единое целое с затравкой. Процесс выращивания монокристаллов сопровождается их одновременным легированием, причем примеси вводят в строго контролируемом количестве непосредственно в расплав. В качестве легирующих примесей наиболее часто используют фосфор и бор. Методом вытягивания из расплава в промышленных условиях получают монокристаллы кремния диаметром до 150 мм и длиной до 1 м с широким диапазоном удельного сопротивления.

Метод вертикальной бестигельной зонной плавки используется для получения высокоомных монокристаллов кремния (с удельным сопротивлением до 200 Ом×м) и с малым содержанием остаточных примесей. Этот метод обеспечивает выращивание монокристаллов с одновременной кристаллизационной очисткой. При этом узкая расплавленная зона удерживается между твердыми частями слитка за счет сил поверхностного натяжения и постепенно перемещается вверх по слитку.

4.3.2. Соединения группы А^ШВ^V

Ближайшими электронными аналогами кремния являются соединения группы А^ШВ^V, которые образуются в результате взаимодействия элементов Ш группы Периодической таблицы (бора, алюминия, галлия, индия) с элементами V группы (азотом, фосфором, мышьяком и сурьмой. Соответственно различают нитриды, фосфиды, арсениды и антимониды. Самым малым значением ширины запрещенной зоны характеризуется InSb (0,18 эВ), у арсенида галлия она превышает ширину запрещенной зоны кремния и составляет 1,43 эВ, а у фосфида галлия составляет 2,26 эВ. Среди всех полупроводников антимонид индия обладает рекордно высокой подвижностью электронов. Ценным свойством многих полупроводников типа А^ШВ^V является высокая эффективность излучательной рекомбинации неравновесных носителей заряда. Для генерации излучения в видимой области спектра ширина запрещенной зоны полупроводника должна быть больше 1,7 эВ, этому условию удовлетворяют только фосфид галлия GaP и нитрид галлия GaN. Материалы с более узкой запрещенной зоной способны эффективно излучать в инфракрасной области. К их числу относится арсенид галлия.

Многообразие свойств полупроводников типа А^ШВ^V обусловило их широкое применение в приборах и устройствах различного технического назначения. Инжекционные лазеры и светодиоды, а также другие элементы оптоэлектроники созданы на основе материалов этой группы. Большой набор значений ширины запрещенной зоны позволяет создать различные виды фотоприемников, перекрывающих широкий диапазон спектра, это фотодиоды и фотоэлементы. Также соединения группы А^ШВ^V демонстрируют возможность плавно управлять их шириной запрещенной зоны путем изменения компонентного состава, например, замещая часть атомов галлия индием в GaAs или часть атомов мышьяка фосфором в арсениде индия. Это открывает широкие возможности для создания гетеропереходов и приборов на их основе.

4.3.3. Соединения группы А^ПВ^V1

Соединения типа А^ПВ^V1 также широко используются в оптоэлектронике. К ним относят халькогениды (сульфиды, селениды, теллуриды) цинка, кадмия и ртути. Большая доля ионной связи в соединениях этого типа приводит к большим значениям ширины запрещенной зоны и заниженным подвижностям носителей заряда. Важной особенностью является то, что многие из полупроводников типа А^ПВ^V1 проявляют электропроводность только одного типа. Так сульфиды и селениды цинка, кадмия и ртути всегда являются полупроводниками n-типа. По масштабам применения из всех соединений данной группы выделяют сульфид цинка и сульфид кадмия. Первый является основой многих промышленных люминофоров, а второй - для изготовления фоторезисторов для видимой области спектра.

Вопросы для самопроверки

1. Что такое собственный полупроводник? Какими свойствами он обладает?

2. Обладает ли примесный полупроводник собственной электропроводностью?

3. Какие примеси в ковалентных полупроводниках являются донорами, а какие – акцепторами?

4. Каким соотношением связаны концентрации электронов и дырок в невырожденном полупроводнике?

5. При каких условиях полупроводник называется вырожденным?

6. Поясните температурную зависимость концентрации носителей заряда в полупроводнике..

7. Какие основные механизмы рассеяния ограничивают подвижность носителей заряда в полупроводниках?

8. Может ли проводимость полупроводника уменьшаться при повышении температуры?

9. Каким образом зависит подвижность носителей заряда от температуры?

10. Какой метод получил наиболее широкое распространение для выращивания крупных монокристаллов кремния?

11. Возможно ли изменение ширины запрещенной зоны полупроводников путем изменения их химического состава?

12. Какие полупроводниковые материалы используются для изготовления инжекционных лазеров и светодиодов?