Materiale semiconductoare

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă revizuită de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 16 iulie 2018; verificările necesită 11 modificări .

Materialele semiconductoare sunt substanțe cu proprietăți semiconductoare  clar definite . Conductivitatea electrică specifică σ la 300 K este 10 −4 - 10 10 Ω −1 cm −1 și crește odată cu creșterea temperaturii. Materialele semiconductoare se caracterizează printr-o sensibilitate ridicată a proprietăților electrofizice la influențele externe (încălzire, iradiere, deformare etc.), precum și la conținutul de defecte structurale și impurități.

Structura

Materialele semiconductoare sunt împărțite după structură în cristaline , solide, amorfe și lichide .

Materiale semiconductoare cristaline

Cea mai mare aplicație practică o găsesc materialele semiconductoare cristaline anorganice , care sunt împărțite în următoarele grupe principale în funcție de compoziția lor chimică.

Materiale semiconductoare necristaline

Reprezentanții tipici ai acestui grup sunt materialele semiconductoare sticloase - calcogenura și oxidul . Primele includ aliajele Tl , P , As , Sb , Bi cu S, Se, Te, caracterizate printr-o gamă largă de valori de conductivitate electrică, temperaturi scăzute de înmuiere, rezistență la acizi și alcaline . Reprezentanți tipici: As 2 Se 3 -As 2 Te 3 , Tl 2 Se-As 2 Se 3 . Materialele semiconductoare sticloase oxidice au o compoziție de tipul V 2 O 5 -P 2 O 5 -RO x (grupa R-metal I–IV) și se caracterizează printr-o conductivitate electrică specifică de 10–4–10–5 Ω – 1 cm – 1 . Toate materialele semiconductoare sticloase au conductivitate electronică, prezintă fotoconductivitate și putere termoelectrică . Când se răcesc lent, se transformă de obicei în materiale semiconductoare cristaline. O altă clasă importantă de materiale semiconductoare necristaline sunt topiturile solide ale unui număr de semiconductori amorfi cu hidrogen , așa-numitele materiale semiconductoare necristaline hidrogenate: a-Si: H, a-Si 1-x C x : H, a -Si 1-x Ge x : H, a-Si 1-x N x :H, a-Si 1-x Sn x :H. Hidrogenul are o solubilitate ridicată în aceste materiale semiconductoare și conține un număr semnificativ de legături „atârnate” caracteristice semiconductorilor amorfi. Ca rezultat, densitatea stărilor de energie în band- gap scade brusc și devine posibilă crearea de joncțiuni pn . Materialele semiconductoare sunt, de asemenea , ferite , feroelectrice și piezoelectrice .

Proprietăți electrice de bază

Principalele proprietăți electrofizice ale celor mai importante materiale semiconductoare ( band gap , mobilitatea purtătorilor de curent , temperatura de topire etc.) sunt prezentate în tabel. 1. Banda interzisă DE g este unul dintre parametrii fundamentali ai materialelor semiconductoare. Cu cât DEg este mai mare, cu atât temperatura de funcționare admisibilă este mai mare și cu atât domeniul de funcționare al dispozitivelor create pe baza materialelor semiconductoare corespunzătoare este mai deplasat către regiunea cu lungime de undă scurtă a spectrului. De exemplu, temperatura maximă de funcționare a dispozitivelor cu germaniu nu depășește 50-60°C, la dispozitivele cu silicon se ridică la 150-170°C, iar la dispozitivele bazate pe GaAs ajunge la 250-300°C; limita lungimii de undă a fotoconductivității intrinseci este: pentru InSb - 5,4 μm (77 K), InAs - 3,2 μm (195 K), Ge - 1,8 μm (300 K), Si - 1 μm (300 K), GaAs - 0,92 um (300 K). Valoarea DE g se corelează bine cu temperatura de topire. Ambele valori cresc odată cu creșterea energiei de legare a atomilor din rețeaua cristalină; prin urmare, materialele semiconductoare cu spații mari se caracterizează prin temperaturi ridicate de topire, ceea ce creează mari dificultăți în calea creării de cristale simple pure și perfecte din punct de vedere structural. a unor astfel de materiale semiconductoare. Mobilitatea purtătorilor de curent determină în mare măsură caracteristicile de frecvență ale dispozitivelor semiconductoare. Pentru a crea dispozitive în domeniul microundelor, sunt necesare materiale semiconductoare cu valori mari de m. O cerință similară se aplică materialelor semiconductoare utilizate la fabricarea fotodetectorilor. Temperatura de topire și perioada rețelei , precum și coeficientul de dilatare termică liniară, joacă un rol esențial în proiectarea compozițiilor heteroepitaxiale. Pentru a crea heterostructuri perfecte , este de dorit să se utilizeze materiale semiconductoare care au același tip de rețea cristalină și diferențe minime în perioada și coeficienții de dilatare termică. Densitatea materialelor semiconductoare determină caracteristici tehnice atât de importante precum consumul specific al materialului, masa dispozitivului.

Tabel 1. Principalele proprietăți ale celor mai importante materiale semiconductoare.

Element, tip de conexiune Denumirea materialului Gap de bandă, ev Mobilitatea purtătorului de încărcare, 300 K, cm 2 /(v×s) Structură cristalină Constanta de rețea, A Punct de topire, °С Presiunea aburului la temperatura de topire, atm
la 300 K la 0 K electronii găuri
Element C (diamant) 5.47 5.51 2800 2100 diamant 3,56679 4027 10 −9
GE 0,661 0,89 3900 1900 tip diamant 5,65748 937
Si 1.12 1.16 1500 600 tip diamant 5,43086 1420 10 −6
α-Sn ~0,08 tip diamant 6,4892
IV-IV α-SiC 3 3.1 400 cincizeci tip sfalerit 4.358 3100
III-V AISb 1,63 1,75 200 420 tip sfalerit 6,1355 1050 <0,02
BP 6 tip sfalerit 4.538 >1300 >24
GaN 3.39 440 200 tip wurtzit 3,186 (axa a) 5,176 (axa c) >1700 >200
GaSb 0,726 0,80 2500 680 tip sfalerit 6,0955 706 <4⋅10 −4
GaAs 1.424 1,52 8500 400 tip sfalerit 5,6534 1239 unu
Decalaj 2.27 2.40 110 75 tip sfalerit 5,4505 1467 35
InSb 0,17 0,26 78000 750 tip sfalerit 6,4788 525 <4⋅10 −5
InAs 0,354 0,46 33000 460 tip sfalerit 6,0585 943 0,33
InP 1.34 1.34 4600 150 tip sfalerit 5,8688 1060 25
II-VI CDS 2.42 2,56 300 cincizeci tip wurtzit 4,16 (axa a) 6,756 (axa c) 1750
CdSe 1.7 1,85 800 tip sfalerit 6.05 1258
ZnO 3.36 200 cub 4,58 1975
ZnS 3.6 3.7 165 tip wurtzit 3,82 (axa a) 6,26 (axa c) 1700
IV-VI PbS 0,41 0,34 600 700 cub 5.935 1103
PbTe 0,32 0,24 1700 840 cub 6.460 917

Obținerea

O condiție necesară pentru obținerea unor caracteristici electrofizice ridicate ale materialelor semiconductoare este purificarea profundă a acestora de impuritățile străine . În cazul Ge și Si, această problemă este rezolvată prin sintetizarea compușilor lor volatili ( cloruri , hidruri ) și purificarea ulterioară în profunzime a acestor compuși prin rectificare , sorbție , hidroliză parțială și tratamente termice speciale. Clorurile de înaltă puritate sunt apoi supuse reducerii la temperatură ridicată cu hidrogen, care a suferit o purificare preliminară profundă, cu depunerea de produse reduse pe tije de siliciu sau germaniu. Ge și Si sunt izolate din hidruri purificate prin descompunere termică. Ca rezultat, Ge și Si sunt obținute cu un conținut total de impurități reziduale active electric la un nivel de 10–7–10–9 % . Obținerea compușilor semiconductori deosebit de puri se realizează prin sinteză din elemente care au suferit o purificare profundă. Conținutul total de impurități reziduale din materiile prime nu depășește de obicei 10–4–10–5 % . Sinteza compușilor în descompunere se realizează fie în fiole de cuarț sigilate la o presiune de vapori controlată a componentei volatile din volumul de lucru, fie sub un strat de flux lichid (de exemplu, B 2 O 3 deshidratat foarte pur ). Sinteza compuşilor cu o presiune mare de vapori a componentei volatile deasupra topiturii se realizează în camere de înaltă presiune. Adesea, procesul de sinteză este combinat cu purificarea suplimentară ulterioară a compușilor prin cristalizarea direcțională sau zonală a topiturii.

Cea mai obișnuită modalitate de a obține monocristale de materiale semiconductoare este prin extragerea din topitură conform metodei Czochralski ( Growing single crystals ). Această metodă produce monocristale de Ge, Si, compuși de tip A III B V , A II B VI , A IV B VI etc. Desenarea monocristalelor de materiale semiconductoare nedescompuse se realizează într-o atmosferă de H. 2 , gaze inerte sau în condiţii de vid înalt . La creșterea monocristalelor de compuși în descompunere ( InAs , GaAs , InP , GaP , CdTe , PbTe , etc.), topitura este etanșată cu un strat de flux lichid (B 2 O 3 ) și monocristalele sunt extrase, scufundând sămânța. în topitură prin flux și menținând o anumită presiune a gazului inert. Procesul de extragere se desfășoară adesea în camere de înaltă presiune, combinând procesul de creștere a monocristalelor cu sinteza preliminară a compușilor sub un strat de flux (GaAs, InP, GaP etc.).

Pentru a crește monocristale de materiale semiconductoare, metodele de cristalizare direcțională și zonală a unei topituri într-un recipient sunt, de asemenea, utilizate pe scară largă. În cazul compușilor în descompunere, pentru a obține monocristale cu compoziția stoechiometrică necesară, procedeul se realizează în fiole de cuarț etanșate, menținând o presiune de vapori de echilibru a componentului volatil peste topitură; aceasta necesită adesea camere de înaltă presiune în care se menține o contrapresiune a gazului inert. La obținerea monocristalelor cu orientarea cristalografică necesară, se folosesc semințe monocristaline orientate corespunzător.

Pentru a crește monocristale de materiale semiconductoare cu o combinație adecvată de densitate și tensiune superficială a topiturii, se utilizează metoda de topire a zonei fără creuzet . Această metodă este cea mai utilizată în tehnologia de obținere a monocristalelor de Si, care are o densitate relativ scăzută și o tensiune superficială destul de mare a topiturii. Absența contactului dintre topitură și pereții recipientului face posibilă obținerea celor mai pure monocristale prin această metodă. De obicei, procesul de creștere a unui singur cristal este combinat cu purificarea suplimentară preliminară a materialelor semiconductoare prin topirea zonei.

Pentru a obține monocristale dintr-un număr de compuși semiconductori refractari care se descompun (de exemplu, CdS , ZnS , SiC , AlN etc.), se utilizează cristalizarea din fază gazoasă (metode de sublimare și reacții de transport chimic). Dacă, în timpul creșterii monocristalelor, nu este posibil să se obțină un compus cu compoziția stoechiometrică necesară, cristalele sunt tăiate în plăci, care sunt supuse recoacerii suplimentare în vaporii componentei lipsă. Cel mai adesea, această tehnică este utilizată în tehnologia de obținere a monocristalelor de compuși cu decalaj îngust de tip A II B VI și A IV B VI , unde defectele intrinseci ale punctului afectează puternic concentrația și mobilitatea purtătorilor de curent, adică ei. prezintă activitate electrică ridicată ( PbTe , Pb x Sn 1-x Te, Cd x Hg 1-x Te etc.). În acest caz, este posibil să se reducă concentrația purtătorilor de sarcină în cristale cu mai multe ordine de mărime. Pentru a crește monocristalele profilate, materialele semiconductoare (benzi, tije, țevi etc.) folosesc metoda Stepanov.

Este larg răspândită obținerea de materiale semiconductoare sub formă de pelicule monocristaline pe diferite tipuri de substraturi monocristaline. Astfel de filme se numesc epitaxiale, iar procesele producției lor se numesc creștere epitaxială. Dacă un film epitaxial este crescut pe un substrat din aceeași substanță, atunci structurile rezultate se numesc homoepitaxiale; la creșterea pe un substrat dintr-un alt material - heteroepitaxial. Posibilitatea de a obține structuri subțiri și ultrasubțiri, monostrat și multistrat, de diverse geometrii, cu o mare variație a compoziției și proprietăților electrice pe grosimea și suprafața stratului crescut, cu limite clare ale joncțiunilor p-n și heterojoncțiilor, determină utilizarea pe scară largă. a metodelor de creștere epitaxială în microelectronică și optică integrată , în practica creării de circuite integrate mari și de mare viteză și dispozitive optoelectronice (vezi tehnologia plană ).

Pentru a obține structuri epitaxiale ale materialelor semiconductoare, se folosesc metode de epitaxie lichidă, în fază gazoasă și cu fascicul molecular . Epitaxia lichidă este utilizată pentru a obține structuri homo- și heteroepitaxiale pe bază de compuși de tip A III B V , A II B VI , A IV B VI și topiturile lor solide. Solventul este de obicei o topitură a componentei nevolatile a compusului corespunzător. Creșterea stratului epitaxial se realizează fie în modul de reducere programată a temperaturii, fie dintr-o topitură pre-răcită. Această metodă poate fi utilizată pentru a obține în mod reproductibil structuri multistrat cu grosimi ale straturilor individuale de până la ~ 0,1 μm cu grosimi ale straturilor de tranziție la heterointerfețe de ordinul zecilor de nm.

Aliere

Pentru a obține materiale semiconductoare de tip electronic de conductivitate (tip n) cu o concentrație foarte variată de purtători de sarcină (electroni), se folosesc de obicei impurități donatoare care formează niveluri de energie „superficială” în banda interzisă de lângă partea inferioară a benzii de conducere. (energie de ionizare ≤ 0,05 eV) . Pentru materialele semiconductoare de tip p, o problemă similară este rezolvată prin introducerea de impurități acceptoare care formează niveluri de energie „superficială” în banda interzisă din apropierea vârfului benzii de valență. Astfel de impurități la temperatura camerei sunt aproape complet ionizate, astfel încât concentrația lor este aproximativ egală cu concentrația purtătorilor de sarcină, care este legată de mobilitatea purtătorilor prin relațiile: s n \u003d em n n pentru materiale semiconductoare de tip n și s p \u003d em p p pentru tipul de materiale p- semiconductoare (s n și s p  sunt conductivitatea; m n și m p  sunt mobilitățile electronilor și, respectiv, ale găurilor). Pentru Ge și Si, dopanții principali donatori sunt elementele V gr. sistem periodic: P, As, Sb, și acceptor - elemente din grupa III: B, Al, Ga. Pentru conexiuni de tip A III B V  - resp. elemente de impuritate VI gr. (S, Se, Te), precum și Sn, și elemente de II gr. (Be, Mg, Zn, Cd). Elementele IV gr. (Si, Ge) în funcție de condițiile de obținere a cristalelor și a straturilor epitaxiale Comm. tipul A III B V poate prezenta atât proprietăți de donor, cât și de acceptor. În conn. tip A II B VI și A IV B VI comportamentul impurităților introduse este foarte complicat de prezența acestora. defecte structurale punctuale. Tipul și valoarea de conductivitate necesare în ele sunt de obicei realizate prin controlul precis al abaterii compoziției față de cea stoechiometrică, care asigură o concentrație dată a unui anumit tip de defecte intrinseci de structură punctuală în cristale.

Dopanții enumerați mai sus formează, de regulă, soluții solide de substituție și au o solubilitate destul de mare (10 18 −10 20 atomi / cm³) într-un interval larg de temperatură. Solubilitatea lor este retrogradă, solubilitatea maximă având loc în intervalul de temperatură 700–900°C în Ge, 1200–1350°C în Si și 1100–1200°C în GaAs. Aceste impurități sunt centre de recombinare a purtătorilor ineficienți și le afectează relativ slab durata de viață.

Impuritățile metalelor grele și nobile (Fe, Ni, Cr, W, Cu, Ag, Au etc.) în majoritatea materialelor semiconductoare formează niveluri de donor sau acceptor profund, adesea încărcate multiplicate în band-gap, au secțiuni transversale mari de captare a purtătorului de sarcină. și sunt centre eficiente de recombinare a purtătorilor, ducând la o scădere semnificativă a duratei de viață a acestora. Aceste impurități au o solubilitate retrogradă scăzută și de obicei pronunțată în materialele semiconductoare și au valori foarte scăzute ale coeficientului de distribuție între cristal și topitură. Dopajul cu acestea se realizează în acele cazuri când este necesară obținerea de materiale semiconductoare cu o durată de viață scurtă a purtătorului sau cu rezistivitate electrică ridicată, realizată prin compensarea unor niveluri de energie mici de natură opusă. Acesta din urmă este adesea folosit pentru obținerea de cristale semi-izolante din materiale semiconductoare cu decalaj larg de tip A III B V (GaAs, GaP, InP); dopanții sunt Cr, Fe, Ni. Principalele caracteristici ale celor mai comune impurități din cele mai importante materiale semiconductoare sunt prezentate în Tabel. 2.

Dopajul materialelor semiconductoare se realizează de obicei direct în procesele de obținere a monocristalelor și a structurilor epitaxiale. Impuritatea este introdusă în topitură fie sub formă de element, fie sub formă de aliaj cu un material semiconductor dat (ligaturi). Adesea, dopajul se efectuează din faza gazoasă (vapori) a unui element dat sau a compușilor săi volatili. Aceasta este principala metodă de dopaj în procesele de epitaxie în timpul cristalizării din faza gazoasă. În epitaxia fasciculului molecular, sursa dopantului este de obicei impuritatea elementară în sine. Calculul conținutului de dopant necesar necesită cunoașterea relației cantitative exacte dintre concentrația sa și proprietățile specificate ale materialelor semiconductoare, precum și caracteristicile fizico-chimice de bază ale dopantului: coeficientul de distribuție între faza gazoasă și cristal (K), presiunea vaporilor și viteza de evaporare într-un interval larg de temperatură, solubilitate în fază solidă etc.

Una dintre sarcinile principale ale dopajului este de a asigura o distribuție uniformă a impurității introduse în volumul cristalului și pe grosimea stratului epitaxial. Odată cu cristalizarea direcțională din topitură, se realizează o distribuție uniformă a impurităților de-a lungul lungimii lingoului fie prin menținerea concentrației sale constante în topitură datorită reumplerii acesteia din faza solidă, lichidă sau gazoasă, fie printr-o modificare programată a efectului efectiv. coeficientul de distribuție a impurităților cu o modificare corespunzătoare a parametrilor procesului de creștere. În recristalizarea zonei, pentru impuritățile cu K << 1, se utilizează de obicei o încărcare țintă a impurităților în zona topită inițială, urmată de trecerea acesteia prin întreaga țagla. O modalitate eficientă de a crește omogenitatea volumetrică a monocristalelor este de a influența transferul de masă în topitură prin aplicarea unui câmp magnetic. Distribuția uniformă a impurităților pe grosimea stratului în procesul de epitaxie în fază lichidă se realizează prin cristalizare la o temperatură constantă în condiții de alimentare cu topitură, iar în epitaxie în fază gazoasă, prin menținerea unei concentrații constante de dopant în faza gazoasă deasupra substratului pe tot parcursul întregul proces de creștere.

Doparea materialelor semiconductoare poate fi efectuată și prin expunerea la radiații la cristal, atunci când se formează impurități electrice active ca urmare a reacțiilor nucleare cu participarea atomilor proprii ai substanței . De cel mai mare interes pentru dopajul cu radiații este efectul neutronilor termici , care au o putere mare de penetrare, ceea ce asigură o uniformitate sporită a dopajului. Concentrația de impurități formate ca urmare a iradierii cu neutroni este determinată de relația: N pr \u003d N 0 s i C i c p t, unde N 0  este numărul de atomi pe unitatea de volum a materialului semiconductor; s i  este secțiunea transversală de absorbție a neutronilor termici ; C i  este conținutul (%) al nuclidului corespunzător din amestecul natural; cp este densitatea fluxului  de neutroni termici; t este timpul de expunere. Dopajul prin iradiere cu neutroni termici asigură o introducere strict controlată a concentrațiilor specificate de impurități și distribuția sa uniformă în cea mai mare parte a cristalului. Cu toate acestea, în timpul iradierii, în cristal se formează defecte de radiație, care necesită o recoacere ulterioară la temperatură înaltă pentru a le elimina. În plus, poate apărea radioactivitate indusă , necesitând expunerea probelor după iradiere. Dopajul prin iradiere cu neutroni termici este de obicei utilizat pentru a obține monocristale de Si dopate uniform cu fosfor, cu rezistivitate electrică ridicată. În acest caz, au loc următoarele reacții nucleare:

La crearea structurilor cu joncțiuni pn pentru dispozitive semiconductoare, dopajul prin introducerea de difuzie a impurităților este utilizat pe scară largă. Profilul concentrației de impurități în timpul difuziei este de obicei descris printr-o funcție de eroare și are forma unei curbe netede, a cărei natură este determinată de următorii factori: temperatura și timpul procesului; grosimea stratului din care se efectuează difuzia; concentrația și forma impurității din sursă, precum și sarcina electrică a acesteia și posibilitatea de interacțiune cu impuritățile și defecte însoțitoare ale materialului semiconductor. Datorită valorilor scăzute ale coeficientului de difuzie al dopanților principali, dopajul prin difuzie se efectuează de obicei la temperaturi ridicate (pentru Si, de exemplu, la 1100–1350 ° C) și pentru o perioadă lungă de timp; în acest caz, de regulă, este însoțită de generarea în cristal a unui număr semnificativ de defecte structurale, în special dislocații . Odată cu dopajul prin difuzie, apar dificultăți în obținerea de straturi subțiri dopate și joncțiuni pn suficient de ascuțite.

Pentru a obține straturi subțiri dopate, sunt promițătoare procesele de dopaj ionic (implantare ionică ), în care introducerea atomilor de impurități în stratul apropiat de suprafață al materialului se realizează prin bombardare cu ionii corespunzători cu energii de la câțiva keV la câțiva MeV. Posibilitatea introducerii aproape oricărei impurități în orice material semiconductor, temperaturile scăzute de funcționare ale procesului, controlul flexibil al profilului de concentrație și distribuție a impurității introduse, posibilitatea de dopare prin acoperiri dielectrice pentru a obține straturi subțiri, puternic dopate, au asigurat utilizarea pe scară largă. a acestei metode în tehnologia dispozitivelor semiconductoare. Cu toate acestea, în procesul de dopaj ionic, se generează defecte structurale punctuale intrinseci, apar regiuni de dezordine a rețelei, iar la doze mari apar straturi amorfe. Prin urmare, pentru a obține straturi aliate de înaltă calitate, este necesară recoacerea ulterioară a defectelor introduse. Recoacerea se efectuează la temperaturi mult mai mici decât în ​​difuzie (pentru Si, de exemplu, nu mai mare de 700–800°C). După recoacere, proprietățile straturilor implantate sunt apropiate de cele ale materialului aliat la aceleași concentrații prin metode tradiționale.

Defecte structurale

Principalele defecte structurale ale monocristalelor și straturilor epitaxiale ale materialelor semiconductoare sunt dislocațiile, defecte intrinseci punctuale și clusterele acestora, greșelile de stivuire. La creșterea monocristalelor apar dislocații sub acțiunea tensiunilor termice din cauza distribuției neomogene a temperaturii în cea mai mare parte a lingoului. Alte surse de dislocări în monocristalele sunt dislocațiile care cresc din sămânță, neomogenitățile de impurități și abaterile de la compoziția stoichiometrică. Dislocațiile formează adesea grupuri stabile în cristale – limite cu unghiuri mici. Principalele modalități de reducere a densității dislocațiilor în monocristalele sunt: ​​reducerea nivelului tensiunilor termice prin selectarea condițiilor adecvate de creștere termică, asigurarea unei distribuții uniforme a compoziției în volum, controlul strict al compoziției stoichiometrice, introducerea " întărire” impurități care împiedică deplasarea luxațiilor și înmulțirea lor. În prezent, chiar și în condiții industriale, sunt cultivate monocristale de Si fără dislocare de până la 250 mm în diametru. Problema obținerii de monocristale fără dislocare de Ge, GaAs, InSb și alte materiale semiconductoare este rezolvată cu succes.

În compoziţiile epitaxiale, principalele surse de dislocare sunt: ​​tensiunile de nepotrivire datorate diferenţei perioadelor de reţele ale materialelor de împerechere; tensiuni termice datorate diferentei de coeficient. dilatarea termică a materialelor de împerechere sau distribuția neuniformă a temperaturii pe grosimea și suprafața stratului care se formează; prezența unui gradient de compoziție pe grosimea stratului epitaxial. Problema obținerii heterocompozitelor cu dislocare scăzută este deosebit de dificilă. Pentru a reduce densitatea de dislocare în stratul de lucru al unei anumite compoziții, se utilizează tehnica de creare a straturilor „gradient” intermediare în compoziție sau se selectează heteroperechi izoperiodice (cu valori apropiate ale perioadelor rețelei cristaline). Când compușii binari sunt cultivați pe un substrat monocristal, heteroperechi izoperiodice sunt create folosind soluții solide cuaternare, care includ și materialul substratului.

Cele mai importante defecte intrinseci punctuale în Ge și Si sunt vacante și atomii interstițiali, precum și diferite tipuri de complexe formate ca urmare a interacțiunii acestor defecte între ele sau cu atomi de impurități reziduale și dopante. În compușii binari, defectele punctuale pot fi vacante în oricare dintre subrețele, atomi interstițiali ai ambelor componente, care pot fi în poziții diferite în rețea, atomii componentei B în locurile atomilor A și invers. Ca și în materialele semiconductoare elementare, aceste defecte punctuale intrinseci „simple” pot interacționa între ele și cu impuritățile pentru a forma diferite complexe. Și mai complexă este imaginea formării defectelor în compușii multicomponent și topiturile solide. Defecte punctuale proprii se formează în timpul încălzirii, iradierii cu particule de mare energie, deformărilor plastice; un rol semnificativ îl joacă abaterea compoziţiei de la cea stoichiometrică. Cele mai eficiente modalități de reducere a concentrației de defecte intrinseci punctuale în materialele semiconductoare este tratamentul termic în diverse medii. În cazul compușilor chimici, tratamentul termic se efectuează de obicei într-o atmosferă de vapori a componentei lipsă, alegând temperaturile de funcționare ținând cont de configurația regiunii de omogenitate.

Aplicație

Cel mai important domeniu de aplicare al materialelor semiconductoare este microelectronica . Materialele semiconductoare formează baza circuitelor integrate moderne mari și foarte mari, care sunt realizate în principal pe baza de Si . Progresele suplimentare în creșterea vitezei și reducerea consumului de energie sunt asociate cu crearea de circuite integrate bazate pe GaAs , InP și soluțiile solide ale acestora cu alți compuși de tip A III B V. Materialele semiconductoare sunt utilizate pe scară largă pentru fabricarea dispozitivelor semiconductoare „de putere” (supape, tiristoare, tranzistoare de putere). Și aici, materialul principal este Si, iar avansarea ulterioară în regiunea temperaturilor de funcționare mai ridicate este asociată cu utilizarea GaAs, SiC și a altor materiale semiconductoare cu decalaj larg. În fiecare an, utilizarea materialelor semiconductoare în energia solară se extinde. Principalele materiale semiconductoare pentru fabricarea celulelor solare sunt Si, GaAs, heterostructuri Ga x Al 1-x As/GaAs, Cu 2 S/CdS, α-Si:H, heterostructuri α-Si:H/α-Si x C 1-x :H. Cu utilizarea materialelor semiconductoare hidrogenate necristaline în celulele solare, sunt asociate perspectivele unei scăderi accentuate a costului celulelor solare. Materialele semiconductoare sunt folosite pentru a crea lasere și LED-uri semiconductoare . Laserele sunt realizate pe baza unui număr de compuși cu gol direct de tip A III B V , A II B IV , A IV B VI etc. Cele mai importante materiale pentru fabricarea laserelor sunt heterostructurile: Ga x Al 1 -x As / GaAs, Ga x In 1-x As y P 1-y /InP, Ga x In 1-x As/InP, Ga x In 1-x As y P 1-y /Ga x As 1-x P x , GaN/Al x Ga 1-x N. Pentru fabricarea LED-urilor sunt utilizate pe scară largă următoarele: GaAs , GaP, GaAs 1-x P x , Ga x In 1-x As, Ga x Al 1-x As, GaN , etc. Materialele semiconductoare formează baza detectorilor moderni de radiații optice (fotodetectoare) pentru o gamă spectrală largă. Sunt realizate pe baza de Ge , Si , GaAs , GaP , InSb , InAs , Ga x Al 1-x As, Ga x In 1-x As, Ga x In 1-x As y P 1-y , Cd x Hg 1- x Te, Pb x Sn 1-x Te și o serie de alte materiale semiconductoare. Laserele semiconductoare și fotodetectoarele sunt cele mai importante componente ale elementelor de bază ale liniilor de comunicație cu fibră optică. Materialele semiconductoare sunt folosite pentru a crea diverse dispozitive cu microunde (tranzistoare bipolare și cu efect de câmp, tranzistoare pe electroni „fierbinți”, diode de avalanșă etc.). Alte domenii importante de aplicare a materialelor semiconductoare: detectoare de radiații nucleare (se folosesc în special Ge, Si, GaAs, CdTe , etc.), fabricarea de termofrigidere (telururi și seleniduri de bismut și antimoniu), tensometre, termometre foarte sensibile, senzori de câmp magnetic etc.

Literatură