Производство полупроводников

1.

Выполнил студент группы
АЭС-23к
Григорьев Д.С.
Курск, 2023

2.

3.

Все, существующие в природе проводники электрического тока, характеризуются двумя свойствами:
показатель сопротивления; показатель электропроводности. Сопротивление возникает из-за того,
что электроны при движении испытывают столкновение с атомами и ионами, которые являются
своеобразным препятствием. Именно поэтому проводникам присвоена характеристика
электрического сопротивления. Обратной сопротивлению величиной является электропроводность.
Электропроводность – это характеристика (способность) физического вещества проводить
ток. Поэтому свойствами надежного проводника являются низкое сопротивление потоку
движущихся электронов и, следовательно, высокая электропроводность. То есть, лучший
проводник характеризуется большим показателем проводимости. Например кабельная
продукция: медный кабель обладает большей электропроводностью по сравнению с
алюминиевым.

4.

Что представляют собой диэлектрики? Диэлектрики – это такие физические
вещества, в которых при заниженных температурах отсутствуют
электрические заряды. В состав таких веществ входят лишь атомы
нейтрального заряда и молекулы. Заряды нейтрального атома имеют тесную
связь друг с другом, поэтому лишены возможности свободного перемещения по
всему веществу.
Самым лучшим диэлектриком является газ. Другие непроводящие электрический ток
материалы – это стеклянные, фарфоровые, керамические изделия, а также резина,
картон, сухое дерево, смолы и пластмассы. Диэлектрические предметы – это
изоляторы, свойства которых главным образом зависимы от состояния окружающей
атмосферы. Например, при высокой влажности некоторые диэлектрические
материалы частично лишаются своих свойств.

5.

Промежуточное место между диэлектриками и проводниками
занимают полупроводники. Полупроводники – это вещества,
находящиеся по своей удельной проводимости между
проводниками и диэлектриками. В определенных условиях они
приобретают свойства проводника и переносят в
кристаллической решетке электрические заряды, в иных
случаях – блокируют заряженные частицы предельно высоким
сопротивлением.
Главное отличие проводников заключается в зависимости степени
электропроводности от температуры и количества примесей в составе.
При том материалу свойственны характеристики и диэлектрика, и
проводника.

6.

Для получения монокристаллов полупроводников используют
различные методы физического и химического осаждения.
Наиболее прецизионный и дорогой инструмент в руках
технологов для роста монокристаллических плёнок — установки
молекулярно-лучевой эпитаксии, позволяющей выращивать
кристалл с точностью до монослоя.
Полупроводниками являются кристаллические вещества, ширина
запрещённой зоны которых составляет порядка электрон-вольта
(эВ). Например, алмаз можно отнести к широкозонным
полупроводникам (около 7 эВ), а арсенид индия — к узкозонным
(0,35 эВ). Запрещённая зона — область значений энергии,
которыми не может обладать электрон в идеальном
(бездефектном) кристалле. Данный термин используется в физике
твёрдого тела.

7.

Полупроводники характеризуются: типом проводимости
(электронный и дырочный), удельным сопротивлением,
временем существования носителей заряда и плотностью
дислокации. Основное свойство полупроводника это
увеличение проводимости электрического тока при условии
внешнего воздействия.
Электропроводность
В полупроводнике валентные электроны связаны
кристаллической решёткой. Проводимость материала
обусловлена разрывом связей при помощи внешней энергии.
Она должна превышать энергию запрещённой зоны.
Электропроводность зависит от наличия свободных
электронов. Они обладают ещё и дырочной
электропроводностью, что не наблюдается у металлов.
В полупроводниках между валентной зоной и зоной
проводимости находится запрещённая зона. Под
воздействием внешних факторов происходит переход
электронов из валентной зоны в зону проводимости. В
валентной зоне появляются свободные энергетические
уровни. В зоне проводимости образуются свободные
электроны, которые называются электронами проводимости.

8.

В мировой полупроводниковой промышленности доминируют США, Южная
Корея, Япония, Тайвань, Сингапур и Европейский союз.
Согласно отчету аудиторской компании KPMG, объём рынка оценивался в 304 млрд
долларов (в 2010 году).
Крупнейшие компании отрасли на 2011 год (в список не включены компании,
производящие полупроводниковые приборы по заказу компаний-разработчиков, но
включены бесфабричные компании-разработчики, а также компании, которые сами и
разрабатывают, и производят полупроводниковые приборы).
Для создания полупроводниковых приборов часто используют кристаллы с
примесной проводимостью. Такие кристаллы изготавливаются с помощью
внесения примесей с атомами трехвалентного или пятивалентного
химического элемента.

9.

Полупроводниковые материалы по структуре делятся
на кристаллические, твёрдые, аморфные и жидкие.
Кристаллические:
1) Элементарные полупроводники: Ge, Si,
углерод (алмаз и графит), В, α-Sn (серое олово),
Те, Se. Важнейшие представители этой группы —
Ge и Si имеют кристаллическую решётку типа
алмаза (алмазоподобны).
2) Соединения типа AIIIBV элементов III и V
группы периодической системы имеют в основном
кристаллическую структуру типа сфалерита.
3) Соединения элементов VI группы (О, S, Se, Те) с
элементами I—V групп периодической системы, а
также с переходными металлами и РЗЭ
3) Тройные соединения типа AIIBIVCV2 кристаллизуются в
основном в решётке халькопирита.
3) Карбид кремния SiC — единственное химическое
соединение, образуемое элементами IV группы. Обладает
полупроводниковыми свойствами во всех структурных
модификациях. Один из наиболее тугоплавких и
широкозонных среди широко используемых
полупроводниковых материалов.

10.

Некристаллические полупроводниковые материалы:
Типичными представителями этой группы являются
стеклообразные полупроводниковые материалы —
халькогенидные и оксидные. К первым относятся
сплавы Tl, P, As, Sb, Bi с S, Se, Те, характеризующиеся
широким диапазоном значений удельной электрической
проводимости, низкими температурами размягчения,
устойчивостью к кислотам и щелочам.
Важнейшая область применения полупроводниковых
материалов — микроэлектроника. Полупроводниковые
материалы составляют основу современных больших и
сверхбольших интегральных схем, которые делают главным
образом на основе Si. Дальнейший прогресс в повышении
быстродействия и в снижении потребляемой мощности
связан с созданием интегральных схем на основе GaAs, InP и
их твёрдых растворов с др. соединениями типа АIIIВV. В
больших масштабах используют полупроводниковые
материалы для изготовления «силовых» полупроводниковых
приборов (вентили, тиристоры, мощные транзисторы). Здесь
также основным материалом является Si, а дальнейшее
продвижение в область более высоких рабочих температур
связано с применением GaAs, SiC и др. широкозонных
полупроводниковых материалов.

11.

Необходимым условием достижения высоких электрофизических характеристик полупроводниковых
материалов является их глубокая очистка от посторонних примесей. В случае Ge и Si эта проблема
решается путём синтеза их летучих соединений (хлоридов, гидридов) и последующей глубокой очистки
этих соединений с применением методов ректификации, сорбции, частичного гидролиза и специальных
термических обработок. Хлориды особой чистоты подвергают затем высокотемпературному
восстановлению водородом, прошедшим предварительную глубокую очистку, с осаждением
восстановленных продуктов на кремниевых или германиевых прутках. Из очищенных гидридов Ge и Si
выделяют путём термического разложения. В результате получают Ge и Si с суммарным содержанием
остаточных электрически активных примесей на уровне 10−7−10−9%. Получение особо чистых
полупроводниковых соединений осуществляют синтезом из элементов, прошедших глубокую очистку.
Суммарное содержание остаточных примесей в исходных материалах не превышает обычно 10−4−10−5%.
Синтез разлагающихся соединений проводят либо в запаянных кварцевых ампулах при контролируемом
давлении паров летучего компонента в рабочем объёме, либо под слоем жидкого флюса (например, особо
чистого обезвоженного В2О3). Синтез соединений, имеющих большое давление паров летучего компонента
над расплавом, осуществляют в камерах высокого давления. Часто процесс синтеза совмещают с
последующей дополнительной очисткой соединений путём направленной или зонной кристаллизации
расплава.
Наиболее распространённый способ получения монокристаллов полупроводниковых материалов —
вытягивание из расплава по методу Чохральского (Выращивание монокристаллов). Этим методом
получают монокристаллы Ge, Si, соединения типа AIIIBV, AIIBVI, AIVBVI и т. д. Вытягивание монокристаллов
неразлагающихся полупроводниковых материалов проводят в атмосфере Н2, инертных газов или в
условиях глубокого вакуума. При выращивании монокристаллов разлагающихся соединений
(InAs, GaAs, InP, GaP, CdTe, PbTe и др.) расплав герметизируют слоем жидкого флюса (В2О3) и вытягивают
монокристаллы, погружая затравку в расплав через флюс и поддерживая в рабочем объёме над расплавом
определённое давление инертного газа. Часто процесс вытягивания осуществляют в камерах высокого
давления, совмещая процесс выращивания монокристаллов с предварительным синтезом соединений под
слоем флюса

12.

13.

Спасибо за внимание!