5. Новые и перспективные материалы электронной техники

5.1. Общие понятия и проблемы электронного материаловедения

Получением, очисткой, синтезом, кристаллизацией, структурированием и проч. материалов электронной техники занимается раздел электроники, име­нуемый электронным материаловедением.

Основной задачей электронного материаловедения является получение материалов, структур и композиций с наперед заданными физическими свойст­вами.

Материалы электронной техники принято делить на основные и вспомо­гательные.

К основным материалам относят вещественные компоненты производст­ва, используемые для изготовления готовой продукции и образующие её глав­ную субстанцию. В твёрдотельной электронике основными материалами явля­ются преимущественно полупроводники: кремний, германий и различные со­единения. На основе этих материалов формируется приборная структура или чип (базовый, матричный кристалл).

Вспомогательные материалы представляют собой вещественные элемен­ты производства, которые используются (расходуются) при изготовлении гото­вой продукции, но не входят в её состав, а также те, которые не играют ре­шающей роли в готовом изделии. Мы не будем здесь рассматривать расходуе­мые материалы (щёлочи, травители, кислоты, газы и т.д.), а остановимся лишь на тех материалах, из которых формируют навесные компоненты, корпуса и межсоединения.

Как уже указывалось, доминирующим полупроводниковым материалом твердотельной электроники и микроэлектроники является кремний.

Уникальные физико-химические свойства этого материала обеспечивают стабильную работу приборов в широком диапазоне температур от - 40 до + 180 С°. Приемлемые прочностные и другие механические свойства кремния позво­ляют получать пластины и структуры, которые идут на изготовление как дис­кретных приборов, так и интегральных микросхем. Возможность создания изо­лирующих слоев диоксида кремния обеспечивает ведущее положение этого ма­териала в микроэлектронике. В то же время, кремний прочно удерживает ли­дерство и в выпуске дискретных приборов. Вне конкуренции остаются крем­ниевые силовые выпрямительные и опорные диоды, выдерживающие обратные напряжения до 1500 - 2000 В при прямых токах до 1500 А. В основном, только на базе кремния сейчас изготавливают выпрямительные, импульсные и СВЧ -диоды, биполярные транзисторы, приборы с зарядовой связью, стабилитроны, тиристоры. Широко применяются кремниевые фоточувствительные приборы (фотоприёмники, фотодиоды, фототранзисторы, фоторезисторы, фототиристо­ры и проч.). Кремниевые фотоэлементы предназначены для непосредственного преобразования лучистой энергии в электрическую. На их основе создана целая индустрия изготовления солнечных батарей с кпд 15 - 20% и более, широко

50

применяемых в наземных и космических системах. Кремний, производимый в промышленных масштабах, используют также для изготовления детекторов ядерных излучений, тензодатчиков, датчиков Холла, видиконов, оптических преобразовательных систем и т.д.

Германий сыграл свою историческую роль как первый полупроводник, освоенный промышленностью, и постепенно оказался вытесненным кремнием и полупроводниковыми соединениями, оставаясь по-прежнему удобным мо­дельным материалом. Это было обусловлено следующими объективными при­чинами:

• германий не пригоден для изготовления микросхем, так как на нём нельзя создать изоляции активных областей окислом;

• он не пригоден для изготовления высоковольтных приборов, темпера­ турный диапазон его существенно уже, чем у кремния (от -60 до +70 С°) из-за относительно малой ширины запрещённой зоны;

• германий значительно более дорогой элемент, чем кремний, его сред­ нее содержание в земной коре составляет всего 7-10"⁴% по массе, в то время как кремний является вторым по распространенности в природе после кислорода (его содержание в литосфере составляет 29, 5% по массе).

Германий сохранил своё значение для изготовления ограниченной но­менклатуры диодов и транзисторов. В частности, на его основе промышленно­стью выпускаются некоторые типы лавинно-пролётных, туннельных, точечных высокочастотных и импульсных диодов, варикапов, датчиков Холла, детекто­ров ионизирующих излучений и проч.

Пока вне конкуренции остаются две области применения германия: в ви­де монокристаллов большого диаметра для изготовления оптических деталей ИК-диапазона (линзы, фильтры, модуляторы и проч.) и в виде диоксида для ВОЛС, а также в качестве катализаторов и пластификаторов в производстве по­лиэтиленовой тары.

Среди бинарных полупроводниковых соединений типа А₃В₅ наибольшее применение находят ОаАз, ОаР, 1п8Ъ и 1пР, которые имеют устойчивые и при­оритетные сферы использования: туннельные и импульсные диоды, лазеры, светоизлучающие диоды, диоды Ганна, фотоэлектронные умножители, детек­торы излучения в рентгеновской, ИК- и видимой областях спектра, низкотем­пературные диоды, датчики Холла и проч. В области оптоэлектроники, поле­вых транзисторов и быстродействующих интегральных микросхем они имеют ольшие достижения и перспективы, чем кремний.

Соединения типа А₂В₆ (Сё8, Сс18е, 2пО, 2л8), обладающие уникальными

птическими свойствами и высокой фоточувствительностью, применяют, глав-

¹ ^образом, в фоторезисторах, фотоэлементах, электронно-лучевых приборах,

Риоорах ночного видения, модуляторах оптического излучения, люминофо-

^^ах' "Риёмниках далёкого ИК-излучения, датчиках Холла, лазерах с электрон-

^1М ^збуждением и проч.

р. _г ^Узкозонные соединения типа А^б (халькогениды свинца - РЬ8, РЬ8е, ' ^пР^именяются, в основном, в детекторах ИК-излучения.

51

Определённое применение находят твёрдые растворы кремния в герма­нии (или наоборот) в качестве материала для термоэлектрических приборов, а также карбид кремния (81С) для терморезисторов, светодиодов и варисторов, которые относят к классу соединений типа А4В₄.

В последнее время всё большее значение приобретает новый класс так назваемых тройных и четверных соединений, а также твёрдых растворов на их основе: СсЩ§Те (КРТ), РЬ8еТе, СаА1А₈-ОаА8, СаГпАз-АПпАз, Оа1пАзР-1пР и др. В частности, КРТ отличается весьма специфическими особенностями зон­ной структуры и фазовой диаграммы, что делает этот материал наиболее пер­спективным для изготовления ИК-приёмных устройств:

• сильным собственным оптическим поглощением в области длин волн 8 - 14 мкм;

• высокой подвижностью электронов при малой подвижности дырок;

• наличием стабильной поверхности, что позволяет использовать КРТ в качестве пассивирующей и изолирующей плёнки и создавать МДП-структуры.

В настоящее время на основе КРТ промышленно выпускаются многоэле­ментные фотоприёмники Эллиота типа 8РШТЕ, которые применяются для счи­тывания оптической информации.

Для получения объёмных кристаллов элементарных полупроводников используют метод выращивания из расплава на затравку (метод Чохральского) и метод бестигельной зонной плавки (только для кремния).

Для получения объёмных кристаллов полупроводниковых соединений применяют методы Бриджмена-Стокбаргера, Чохральского и осаждения из га­зовой фазы. При этом процессы выращивания, как правило, осуществляют в условиях избыточного давления, так как полупроводниковые соединения пред-1 ставляют собой разлагающиеся вещества.

При получении полупроводниковых структур используют преимущест­венно метод газофазной эпитаксии, а в некоторых случаях - диффузии, им­плантации и др.

При получении традиционных полупроводниковых материалов опреде­ляющими являются тенденции, связанные с постоянным ростом их диаметра и возрастающим интересом к поликристаллическим, аморфным и пористым по­лупроводникам.

В технологии получения полупроводниковых структур начинают доми­нировать методы получения многослойных композиций с тонкими и сверхтон­кими слоями ("сверхрешётки").

Появляются новые перспективные материалы, которые представляют ин­терес для электроники. Среди них, в первую очередь, следует назвать фуллере-ны и высокотемпературные сверхпроводники.

Наряду с перечисленными есть ряд неполупроводниковых материалов, представляющих большой интерес для микроэлектроники. В частности, на ос­нове редкоземельных ортоферритов, обладающих доменной природой намаг-] ниченности, созданы малогабаритные устройства памяти, имеющие высокую информационную ёмкость и малое потребление мощности (площадь 3x3 см², ёмкость памяти 1 Мбит). Находят своё применение также жидкие кристаллы

52

элементная база для создания высокоэкономичных систем отображения информации. Они используются в часах, световых микротабло малой вычисли­тельной техники, для измерения температуры и т.д. Жидкие кристаллы уже именюется _{для СОЗД}ания дисплеев и телевизионных приёмников.

В использовании материалов для межсоединений наблюдается тенденция к замене алюминиевой металлизации медной. Одним из важнейших направле­ний в производстве приборов и микросхем является переход на использование в качестве материала для корпусов новых поколений полимерных пресскомпо-зиций на основе эпоксидно-новолачных смол и кремнийорганических соедине-

НИИ

Раскрытию вышеуказанных тенденций в электронном материаловедении посвящено дальнейшее изложение.

5.2. Монокристаллы кремния большого диаметра

Повышение степени интеграции и улучшение других параметров крем­ниевых дискретных приборов и, особенно, интегральных микросхем требует постоянного увеличения диаметра и снижения стоимости исходных кристаллов при одновременном ужесточении требований к качеству. В таблице 5.1 пред­ставлены некоторые прогнозные тенденции, которые были опубликованы ещё в 1994 году.

Таблица 5.1.

Перспективы развития УСБИС динамической памяти

Планируемый				Год
Параметр	1995	1998	2001	2004	2007	2010
Объём памяти, Гбит	0,64	0,256	1,0	4,0	16,0	64/256
МТР, мкм	0,35	0,25	0,18	0,13	0,10	0,07/0,05
Диаметр пластин, мм	200	200	300	300	400	400/500
Число частиц на поверх­ности пластины	50	40	50	40	35	20
Размер частиц, мкм	0,12	0,08	0,06	0,04	0,03	0,02

В графе 2010 год в знаменателе проставлены цифры, опирающиеся на Фактически достигнутые результаты и более точные прогнозы. Ожидается, что ^к 2015 году произойдёт увеличение диаметра до 675 мм. Таким образом, тен­денции увеличения диаметра с ростом степени интеграции, а также темпы этого >аеличения являются более сильными, чем это предполагалось ранее.

Основные требования к качеству объёмных монокристаллов кремния '°*^н° сформулировать следующим образом:

1. Монокристаллы должны быть легированы определённой примесью для ^печения заданного типа проводимости.

53

2. Величина удельного электрического сопротивления при комнатной температуре должна иметь определённое значение (номинал) с заданным до­ пуском разброса этой величины.

3. Монокристаллы должны выращиваться в заданном кристаллографиче­ ском направлении.

4. Время жизни неравновесных носителей заряда должно иметь, как пра­ вило, значения, превышающие некоторую заданную величину.

5. Монокристаллы должны иметь совершенную структуру (чаще всего они должны быть бездислокационными).

6. Содержание примесей кислорода и углерода, а также примесей тяжё­ лых металлов должно быть лимитировано.

7. Количество микродефектов или свирлевых дефектов должно быть ми­ нимальным.

Очень важным параметром является число и размер частиц, осаждённых на поверхности пластины. Как видно из таблицы 5.1, невзирая на увеличение площади пластин, применением специальных технологий удаётся улучшать эти показатели. Требования по допустимому уровню плотности поверхностных за­грязнений пластин выглядят примерно так: 1995 г. - 5-10¹⁰ см "²; 1998 г. -2,5-10'° см'²; 2000 г. - 1-Ю¹⁰ см'²; 2004 г. - 5-Ю⁹ см"².

Эти требования в сущности одинаковы как для кристаллов малых, так и для кристаллов больших диаметров. Однако с увеличением диаметра монокри­сталлов в силу технических причин без принятия специальных мер выход "ма-^ рочного" материала уменьшается. Применение специальных технологических процессов с целью обеспечения выпуска высококачественных монокристаллов большого диаметра приводит к существенному росту затрат на их производст­во. Так, переход от диаметра 150 мм к диаметру 200 мм привёл к удорожанию пластин примерно на 30%.

Эти потери перекрываются экономическим эффектом от применения пла­стин увеличенного диаметра в производстве СБИС и УСБИС. В результате пе­рехода микроэлектроники на диаметр 300 мм рентабельность производства су­щественно возросла, а дополнительные прибыли превысили 25%. Связанные с этим огромные финансовые вложения полностью себя оправдали.

Основным методом получения монокристаллов кремния большого диа­метра является метод Чохральского.

К достоинствам этого метода относятся:

• относительная простота и универсальность установки для выращива­ ния монокристаллов в широком диапазоне значений диаметров (50 ч- 300 мм и более);

• высокая производительность;

• возможность получения сравнительно сильно легированных и мало­ дислокационных монокристаллов.

Главным недостатком метода Чохральского, препятствующим его рас­пространению на всю номенклатуру монокристаллов для электроники, является загрязнение примесями, переходящими в кристалл из кварцевого тигля и осна-

стки, что, в частности, определяет повышенное содержание в них примесей ки­слорода и углерода. Кроме того, ввиду неконтролируемости температурных и динамических условий ведения процесса выращивания, слитки кремния отли­чаются непостоянством диаметра по их длине, а это вызывает необходимость дополнительной операции механической калибровки и приводит к существен­ному увеличению потерь материала, а также к нарушению совершенства струк­туры поверхности монокристаллов.

Попытки уменьшения влияния указанных фактов, в свою очередь, неиз­бежно ведут к усложнению применяемой ростовой аппаратуры и удорожанию материала. Кроме того, для эффективного выращивания крупногабаритных кристаллов требуется, чтобы их длина была не менее 100 мм, а диаметр тигля вдвое превышал диаметр монокристалла. Это означает, что при выращивании монокристалла диаметром 200 мм загрузка в тигель составит 110 кг, диаметром 300 мм - 250 - 300 кг, диаметром 400 мм - 450 кг. В отдельных случаях диа­метр кварцевых тиглей приближается к одному метру. Такое увеличение габа­ритов и массы слитков вызывает дополнительные трудности и ставит новые технологические задачи:

• необходимость применения специального механического оборудования для резки слитков на пластины с последующей их шлифовкой и полировкой;

• необходимость создания и применения автоматизированных и механи­ зированных систем удержания слитков на затравке, управления диаметром, взвешивания, транспортировки и т.д.;

• разработки и применения специального метрологического оборудова­ ния.

Методом Чохральского получают легированные монокристаллы кремния с удельным электрическим сопротивлением при комнатных температурах не более 50-100 Ом-см и с концентрацией оптически активного кислорода не ме­нее 1-Ю¹⁷ -г 1-Ю¹⁸ см"⁵. Кремний по Чохральскому предназначается для подав­ляющего большинства СБИС и УСБИС, дискретных среднемощных и средне-частотных транзисторов и диодов широкой номенклатуры, а также для фото­электрических преобразователей (солнечных батарей).

В отечественной полупроводниковой промышленности освоен выпуск монокристаллов кремния по Чохральскому диаметром 100 ч- 150 мм. Для полу­чения монокристаллов диаметром 200 мм и более созданы промышленные ус­тановки "Редмет - 30" (Россия) и "Деймос" (Украина, Луганский завод элек­тронного машиностроения).

Метод Чохральского не позволяет получать кремний с высокими значе­ниями удельного электрического сопротивления, большими временами жизни "е равновесных носителей заряда и с пониженным содержанием кислорода и У^г;!<грода, который крайне необходим для производства силовых полупровод-чковых приборов, фотоприёмников и детекторов ионизирующих излучений.

Поэтому для этих целей используют преимущественно метод бестигель-^нои зонной плавки (БЗП).

Достоинствами этого метода являются:

54

55

• монокристаллы БЗП, в отличие от монокристаллов по Чохральскому, не испытывают загрязняющих действий тигля, т.е. они более стерильны;

• монокристаллы БЗП отличаются повышенной термостабильностью;

• метод БЗП позволяет получать монокристаллы с контролируемой плотностью микродефектов.

Методом БЗП получают монокристаллы диаметром 40 - 50 мм (в пре­дельных случаях до 100 - 150 мм), которые отличаются высокими значениями величины удельного электрического сопротивления (иногда 1 кОм-см и более), большими временами жизни (более 100 мкс) и пониженным содержанием при­меси кислорода (меньше 1-10¹⁶ н- 1-Ю¹⁷ см ~³, а в некоторых случаях меньше 1-10¹⁴см ³).

Метод БЗП, в отличие от метода Чохральского, не применим для выра­щивания крупногабаритных и сверхкрупногабаритных монокристаллов (диа­метром более 200 мм). Он характеризуется более сложной системой нагрева и расплавления (высокочастотный генератор) и более выраженной неравномер­ностью распределения примесей и дефектов структуры в объёме монокристал­ла.

5.3. Сверхкрупногабаритные оптические монокристаллы германия

Германий занимает исключительное положение среди материалов, кото­рые применяются в качестве оптических преобразующих сред (стекол) в ИК-диапазоне спектра электромагнитного излучения.

Эта уникальность германия определяется несколькими причинами. Пре­жде всего, германий прозрачен в диапазоне длин волн 8-12 мкм, что соответ­ствует естественным окнам прохождения солнечного излучения через земную атмосферу. Максимальное поглощение наблюдается в германии с растворён­ным в нём кислородом при длине волны 10,6 мкм. На этой длине волны показа­тель преломления достигает значения 4, что намного больше, чем у других ве­ществ, в частности, у кремния (0,3 •*• 1,2). Благодаря этому, германиевая оптика является наиболее компактной и малогабаритной.

Для ряда применений германия (особенно военных) важ^Щ0ву«то в срав­нении с другими керамическими оптическими материалами, он является более термически, механически и химически устойчивым к внешним воздействиям. Наконец, германий можно получить в виде монокристаллов, что значительно улучшает его физические свойства.

Поликристаллические образцы германия имеют значительно худшие по­казатели качества.

Поскольку разрешающая способность и светосила оптических деталей из одного и того же материала тем больше, чем больше их габариты, в технологии полупроводников решается задача получения крупногабаритных и сверхкруп­ногабаритных монокристаллов германия для применения их в качестве линз, стекол, фильтров, модуляторов и т.д. в ИК-диапазоне спектра.

56

Показатели качества оптических монокристаллов германия представлены

в таблице 5.2.

Таблица 5.2.

Характеристики оптических монокристаллов германия

| Параметры	Значения
ЧГюказатель ослабления (А,= 10,6 мкм), см^1	Менее 0,002
Показатель преломления (А= 10,6 мкм) ; 4,0022
Температурный коэффициент линейного | Расширения при 300 К, град^'	5,6-10"*
Модуль Юнга, Гпа	151,5
Предел прочности на изгиб, кг/м2	14,5

Метод Чохральского в его обычном варианте не позволяет получать мо­нокристаллы германия диаметром более 100 мм. Поэтому для получения моно­кристаллов германия особо крупных размеров предложен так называемый мо­дифицированный способ Степанова, суть которого состоит в применении по­гружаемого в расплав вращающегося кристаллизатора - формообразователя (способ ПВФ). Этим способом промышленно получают монокристаллы герма­ния в форме таблеток толщиной 20 - 25 мм и диаметром более 200 мм. Для специальных применений получены монокристаллы диаметром 300, 420 и 500 мм.

Монокристаллы оптического германия используются в приборах ночного видения и наведения на цель, в дальномерах, перископах, тепловизорах и т.д. США широко применяют германиевую оптику в системах стратегической обо­ронной инициативы (СОИ).

5.4. Поликристаллические материалы и альтернативные к ним

Поликристалл представляет собой монолитное образование, состоящее из отдельных разориентированных монокристаллических зёрен, отделённых друг от друга границами.

Сложилос*ь в целом достаточно справедливое мнение о том, что поликри­сталлы - это менее качественный материал с точки зрения использования в электронике, нежели монокристаллы.

Тем не менее, ряд особенностей поликристаллических полупроводников привлекает к ним внимание разработчиков современной электронной техники.

Прежде всего, это обусловлено особым строением и специфическими фи­зическими свойствами границ зёрен, совокупность которых вместе с монокри­сталлическими блоками образует некоторую естественную многослойную ком­позицию, и если научиться управлять этими структурами, можно открыть пер­спективы для новых и интересных применений. В частности, границы зёрен об­ладают геттерирующими способностями, что содействует очистке материала от

57

остаточных примесей и точечных дефектов(внутрегшее геттерирование), по­вышая тем самым тепловую и радиационную устойчивость соответствующих полупроводниковый устройств.

Кроме того, получение поликристаллических кристаллов и слоев не тре-бует дорогостоящего аппаратурно-технологического обеспечения, что создай! предпосылки для существенного удешевления как самого материала, так и из­готавливаемых на его основе приборов.

Наибольший интерес для практических применений представляют собой поликристаллическ^е слои, входящие в структуру приборных композиций. По­ликристаллические слитки в приборостроении используются значительно реже (в основном, для изготовления подложек).

Главным полукристаллическим материалом электроники является крем­ний. Своё применение находят также поликристаллические слои ОаАз и других соединений типа А₃В₅, РЪ8, РЪ8е, РЬТе, СМ5, Си₂8 и 8Юе.

Для получения поликристаллических слоев кремния обычно используют процессы осаждения из газовой фазы с применением в качестве исходных кремнийсодержащи* веществ различных силанов: моносилана, дихлорсилана, трихлорсилана и те-грахлорсилана. Наиболее низкотемпературным является ме­тод термического разложения моносилана, обеспечивающий получение поли­кристаллических плёнок с большим и регулируемым размером зерна при тем­пературах не выше 725 С°.

Поликристаллические плёнки полупроводниковых соединений получают с использованием МОС-гидридной эпитаксии (с применением металлооргани-ческих соединений), наращивая их на металлические, графитовые, кварцевые или алундовые подложки.

В ряде случае? Поликристаллические слои наносят в процессе вакуумного или плазменного наПЫления.

Управление размерами зёрен и текстурой плёнок осуществляют путём их направленных термообработок. Например, после нескольких часов отжига при температурах более 1 350 С° размер зерна в слоях поликремния увеличивается от 3 ч- 4 мкм до 20 -ь 100 мкм.

Гидрогенизация (насыщение водородом) поликристаллических плёнок приводит к уменьшению плотности состояний и высоты потенциальных барье­ров на границах зёрен, что существенно улучшает их качество. Чаще всего во­дород в атомарном состоянии вводится в плёнки путём их обработки в тлею­щем разряде при температуре около 400 С°.

Напротив, увеличение высоты потенциальных барьеров осуществляют обработкой в плазме Кислорода или в атмосфере хлора, фтора, селена, азота.

Поликристаллические слои кремния наиболее часто используют для фор­мирования активных и пассивных элементов интегральных схем - резисторов, диодов, полевых и биполярных транзисторов. Поликремниевые затворы в би­полярных транзисторах отличаются в лучшую сторону от металлических, так как они обеспечивают снижение ёмкости и пороговых напряжений. Низкоом-ные сильно легированные слои также успешно используются для создания вы­сокоэффективных эМИттеров.

58

Высокоомные поликристаллические слои кремния широко применяются

структурах типа КСДИ (кремниевые структуры с диэлектрической изоляцией)

изоляции активных элементов микросхем. Этот вид изоляции отличается в

лучшую сторону от изоляции р-п-переходами, обеспечивая высокий уровень

работоспособности микросхем, а главное - их повышенную радиационную

стойкость.

Перспективным представляется использование поликристаллического кремния (в частности, полученного методом литья) в фотоэлектрических пре­образователях. Это позволяет при не слишком высоком кпд (10 - 15%) добить­ся значительного удешевления солнечных батарей, что открывает новые воз­можности их применения в наземной энергетике и бытовых целях.

Поликристаллический кремний является также наиболее предпочтитель­ным материалом для прозрачных электродов при создании кристаллов со структурами, используемыми для преобразования изображений в электриче­ские сигналы. Этот материал легко обрабатывается, и его осаждением на окис­ленные кремниевые пластины легко управлять. Однако серьёзный недостаток такого кремния заключается в том, что он достаточно сильно поглощает излу­чение, а это приводит к уменьшению чувствительности датчиков изображений.

Крист Вейтенс (РЫПрз, Нидерланды) показал, что в качестве альтерна­тивного материала для прозрачных электродов можно использовать поликри­сталлы широкозонных полупроводников в виде оксидов индия-олова (у нас они получили название ГГО-слоёв). Структура прибора Вейтенса выглядит сле­дующим образом: на кремниевую подложку наносится слой оксида кремния толщиной 100 нм, поверх него наращивается плёнка поликремния толщиной 20 им и, наконец, ТТО-слой толщиной 130 нм.

Использование поликристаллических материалов представляет собой перспективное и динамично развивающееся направление в электронике. По ме­ре проникновения в физическую природу межзёренных границ и происходящих в поликристаллических структурах процессов значимость и применение этих материалов будет возрастать.

5.5. Аморфные и пористые полупроводники

Классическая физика и традиционные технологии полупроводниковых приборов практически исключают из сферы своих интересов аморфные полу­проводники, поскольку они не обладают упорядоченной структурой и анизо­тропией свойств. Плёночные аморфные материалы долгое время находили лишь ограниченное применение в электрофотографии, ксерографии, системах ⁰¹ "Сражения и записи информации, т.е. в далеко не самых актуальных для со-^вРеменной электроники областях.

Аморфное (стеклообразное) состояние твёрдого тела, в том числе и полу-роводников, характеризуется отсутствием дальнего порядка в расположении томов, наличием большого количества дефектов в виде микропор и изотропи-свойств. Полупроводники в аморфном состоянии имеют чрезвычайно высо-° плотность локализованных состояний в запрещённой зоне (более 10²⁰ см"³).

59

^

По этой причине носители заряда обладают низкой подвижностью (0,01 - 0,1 см²/В-с) и ничтожно малыми временами жизни. Положение уровня Ферми в не­посредственной близости от середины запрещённой зоны определяет исключи­тельно высокие значения удельного электрического сопротивления (10⁸ - 10'° Ом-см). Электрические свойства таких материалов трудноуправляемы и, есте­ственно, не представляют интереса для электроники.

Качественный скачок в применении аморфных материалов в электронике произошёл в конце 70-х годов, и это было связано с получением так называемо­го гидрированного (или гидрогенизированного) кремния, который стали обо­значать символом а-81. В дальнейшем были получены плёнки и других гидро-генизированных полупровдников: Се, ОаАз, 81С, 8ьСе, 8ь8п и проч.

Ввиду высокой плотности локализованных состояний и наличия пор, аморфный кремний насыщается водородом, который замыкает нескомпенсиро-ваннные связи, снижая тем самым плотность свободных состояний в запрещён­ной зоне на несколько порядков (до 10¹⁶ * 10¹⁷ см ~³). Аналогичный эффект мо­жет быть достигнут насыщением плёнки аморфного кремния атомами фтора.

Такой кремний, "компенсированный "водородом", становится электриче­ски управляемым как обычный классический полупроводник. Легированием можно варьировать в широких пределах его тип электропроводности и диапа­зон значений величины удельного электрического сопротивления, а также соз­давать в материале устойчивые электронно-дырочные переходы и другие ак­тивные структуры.

-Для получения а-81 чаще всего используется термическое разложение моносилана в плазме высокочастотного тлеющего разряда при избытке водоро­да. Аналогичными методами получают гидрогенизированные плёнки типа а-8н._хСх, а-81|._хК_х, а-81,._хСе_х, а-81]__х8п_х с шириной запрещённой зоны от 1,1 до 5,5 эВ.

В Японии, США и других передовых странах сейчас уже получают слои а-81 в промышленных масштабах на подложках большой площади в виде фоль­ги из нержавеющей стали или полиамидной плёнки, непрерывно наматываемых на барабан.

В ряде случаев аморфным полупроводниковым плёнкам отдаётся пред­ почтение даже в сравнении с их кристаллическими аналогами, так как техноло­ гия их получения проста, не предусматривает использования дорогостоящих оборудования и материалов, слои отличаются высокой однородностью распре­ деления по толщине, невысокой плотностью структурных дефектов ввиду низ­ ких температур осаждения, большой площадью съёма и т.д. 1;

Основная реальная и потенциально расширяющаяся область применения | а-81- это фотопреобразователи для наземной и бытовой солнечной энергетики. Главное достоинство этих материалов заключается в том, что ширину их за­прещённой зоны удаётся "подстроить" под положение энергетического макси­мума в спектре солнечного излучения. Однако эффективность преобразования солнечной энергии при этом несколько снижается из-за малых значений време­ни жизни. Поэтому фотопреобразователи на основе а-81 отличаются простотой

60

изготовления и дешевизной, но имеют относительно невысокий кпд (до 15%), что препятствует их использованию в космических и военных целях.

Второе важное направление в применении а-81 связано с созданием тон­коплёночных полевых транзисторов и логических интегральных схем, в кото­рых используется присущий аморфным полупроводникам эффект возникнове­ния приповерхностных индуцированных электрическим полем каналов с плот­ностью зарядов в 10³ -ь 10⁴ раз большей, чем в остальном объёме. При этом толщина плёнки составляет всего около 1 мкм, а ширина канала - 100 мкм.

Благодаря свой высокой светочувствительности, аморфные полупровод­ники являются также весьма перспективным материалом для создания датчиков первичного изображения (сенсоров), для ксерографии, для мишеней видиконов и проч.

На основе а-81, входящего в гетерокомпозиции, создаются элементы па­мяти, светоизлучающие диоды и тензодатчики.

Кроме того, плёночные а-81-термоэлементы по своей чувствительности в десятки раз превосходят стандартные биметаллические термопары.

Класс аморфных полупроводников (точнее полупроводников, пребываю­щих в аморфном состоянии) рассматривается как один из важнейших и пер­спективных в электронном материаловедении.