Материаловедение

Предметный указатель

механизмы, 323 пар (газ) — жидкость —

кристалл, 329 пар (газ) — кристалл, 323

молекулярно-кинетический подход, 327

термодинамический подход, 326

Сингулярные грани, 183 Скорость образования центров

новой фазы, 176 Скрытая теплота кристаллиза-

ции, 142 Соединения, 74 Степень ионности связи, 60

Твердые растворы, 74 внедрения, 75 вычитания, 75 замещения, 74 правило Вегарда, 76 упорядочение, 151

Термодинамическая система гетерогенная, 140 гомогенная, 140 изменение термодинамическо-

го потенциала при смешении, 148

компонент системы, 140 число степеней свободы, 142

Точечные дефекты, 87, 89 антиструктурные, 91 вакансии, 89 влияние условий выращива-

ния, 239 дивакансии, 91 комплексы, 91 междоузельные атомы, 89

механизмы образования, 92 по Френкелю, 89

371

по Шоттки, 89 Тройные полупроводниковые со-

единения, 84 закономерности образования,

85 закономерности образования

соединений с алмазоподобной структурой, 86

Упорядочение в твердых растворах, 151

Фазовое равновесие диаграммы, 139 понятие термодинамической

системы, 139 понятие фазы, 140 правило Гиббса, 141

Химическая связь, 22 водородная связь, 36 ионная связь, 30 классификация, 24 ковалентная связь, 24 металлическая связь, 33 молекулярная связь, 34 энергия, 23

Центр кристаллизации, 173 Центр новой фазы, 173

Электроотрицательность элементов, 57

потенциал ионизации, 58 сродство атома к электрону,

58 шкала по Малликену, 57

шкала по Полингу, 58 Элементарные полупроводники,

42 бор, 51

372	Предметный указатель

висмут, 48 германий, 46 йод, 51 кремний, 46 мышьяк, 48 олово, 46 селен, 49 сера, 49 сурьма, 48 теллур, 50

углерод (алмаз), 43 фосфор, 47

Эпитаксия, 320 гетероэпитаксия, 320, 333 гомоэпитаксия, 320 жидкостная, 336 из газообразной фазы, 338

метод газотранспортных реакций, 341

метод химических реакций, 339

рост из газовой фазы с использованием металлорганических соединений (MOCVD), 344

методы, 336 рост из паровой фазы, 351

метод горячей стенки, 353 молекулярно-лучевая эпитаксия (MBE), 355 структурные дефекты в плен-

ках, 335

Оглавление

1. Основные свойства и группы полупроводников

7

1.1.Отличительные свойства полупроводников . . . . . . . . . . 7

1.2.Основные группы полупроводниковых материалов . . . . . . 11

2. Основы теории химической связи

16

2.1.Электронная конфигурация свободных атомов . . . . . . . . 16

2.2.Типы химической связи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.2.1.Ковалентная связь . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.2.2.Ионная связь . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.2.3.	Металлическая связь . . . . . . . . . . . . . . . . . .	33
2.2.4.	Молекулярная связь (силы Ван-дер-Ваальса) . . . .	34
2.2.5.	Водородная связь . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	36

2.3.Основные свойства ковалентной связи . . . . . . . . . . . . . 37

2.4.Элементарные полупроводники . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 2.4.1. Подгруппа IVA: углерод, кремний, германий, α-олово 42

2.4.2.	Подгруппа VA: фосфор, мышьяк, сурьма и висмут .	47
2.4.3.	Подгруппа VIA: сера, селен, теллур . . . . . . . . . .	49
2.4.4.	Подгруппа VIIA: йод . . . . . . . . . . . . . . . . . .	51

2.4.5.Подгруппа IIIA: бор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

2.5.Атомные и ионные радиусы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

2.6.Полупроводниковые соединения . . . . . . . . . . . . . . . . 57

2.6.1.Электроотрицательность элементов . . . . . . . . . . 57

2.6.2.Степень ионности связи . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

2.6.3.Химическая связь в полупроводниковых соединени-

ях ANB8−N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

2.6.4.Металлическая составляющая связи, ионная составляющая связи и ширина запрещенной

зоны в полупроводниках . . . . . . . . . . . . . . . . 65

374	Оглавление

2.6.5.Ионная составляющая связи и подвижность носителей заряда . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

2.6.6.Химические связи в полупроводниках, производных

от ANB8−N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

2.6.7.Полупроводниковые соединения других групп . . . . 81

2.6.8.Тройные полупроводниковые соединения . . . . . . . 84

3. Дефекты в полупроводниковых материалах

87

3.1.Собственные дефекты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

3.1.1.Точечные дефекты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

3.1.2.Дислокации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

3.1.3.Двумерные дефекты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

3.1.4.Объемные нарушения . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

3.2.Примеси . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

3.2.1.Примеси в элементарных полупроводниках . . . . . . 120

3.2.2.Примеси в полупроводниковых соединениях . . . . . 132

4. Фазовые равновесия и элементы теории образования фаз 138

4.1. Фазовые равновесия в полупроводниковых системах . . . . 139

4.1.1.Диаграммы фазового равновесия . . . . . . . . . . . . 139

4.1.2.T − X диаграммы состояния бинарных систем . . . . 145

4.1.3.Кристаллизация в неравновесных условиях . . . . . . 162

4.1.4.P −T − X диаграммы состояния . . . . . . . . . . . . 167

4.2.Элементы общей теории образования фаз . . . . . . . . . . . 171

4.2.1.Образование центров новой фазы . . . . . . . . . . . 173

4.2.2.Рост центров новой фазы . . . . . . . . . . . . . . . . 183

5. Получение чистых полупроводниковых материалов

190

5.1.Кристаллизационные методы очистки . . . . . . . . . . . . . 190

5.2.Коэффициент разделения примесей . . . . . . . . . . . . . . 195

5.2.1.Равновесный коэффициент разделения . . . . . . . . 196

5.2.2.Эффективный коэффициент разделения примесей . . 201

5.3.Методы кристаллизационной очистки . . . . . . . . . . . . . 204

5.3.1.Распределение примесей при нормальной направленной кристаллизации . . . . . . . . . . . . . 207

5.3.2. Распределение примесей при зонной плавке . . . . . 209

5.3.3.Модификация метода очистки зонной плавкой. Контроль чистоты материала и оценка содержания в нем примесей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213

Оглавление	375
6. Выращивание объемных кристаллов полупроводников	219
Получение кристаллов из жидкой фазы . . . . . .	. . . . 219

6.1.Выращивание кристаллов из расплава . . . . . . . . . . . . . 221

6.1.1.Методы нормальной направленной кристаллизации . 222

6.1.2.Методы вытягивания кристаллов из расплава . . . . 225

6.1.3.Выращивание кристаллов методами зонной плавки . 232

6.2.Выращивание монокристаллов из раствора . . . . . . . . . . 235

6.3. Условия выращивания и дефектность монокристаллов .	.	. 239
Выращивание кристаллов из газообразной фазы . . .	.	. 250

6.4.Метод сублимации–конденсации . . . . . . . . . . . . . . . . 257

6.5.Метод химических реакций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259

6.6.Метод химического транспорта (реакций переноса) . . . . . 261

7.	Легирование полупроводниковых материалов			264
	7.1.	Легирование объемных кристаллов из жидкой фазы . . . . 266
	7.2.	Методы выравнивания состава вдоль кристалла		. . . . . . . 268
		7.2.1.	Пассивные методы выравнивания состава	. . . . . . 269
		7.2.2.	Активные методы выравнивания состава кристаллов 271
	7.3.	Растворимость примесей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
8.	Диффузия примесей в кристаллах			283

8.1.Возможные механизмы диффузии в твердых телах . . . . . 286 8.1.1. Междоузельный механизм . . . . . . . . . . . . . . . 287

8.1.2.	Вакансионный механизм . .	. . . . . . . . . . . . . . 289
8.1.3.	Обменный механизм . . . . .	. . . . . . . . . . . . . . 290
8.2. Основные параметры диффузии . .		. . . . . . . . . . . . . . 292

8.3.Распределение диффундирующих атомов по глубине . . . . 294

8.3.1.Диффузия из бесконечно тонкого слоя (из ограниченного источника) . . . . . . . . . . . . . 294

8.3.2. Диффузия из постоянного источника . . . . . . . . . 296

8.4.Экспериментальное определение коэффициентов диффузии 297

8.5. Диффузия в германии и кремнии . . . . . . . . . . . . . . . 301

8.6.Зарядовое состояние диффундирующих примесей . . . . . . 304

8.6.1.Диффузия Li в Ge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304

8.6.2.Диффузия Cu в Ge. Диссоциативный механизм диффузии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305

8.7.Скорость и параметры диффузии . . . . . . . . . . . . . . . . 309

8.7.1.Самодиффузия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309

8.7.2.Гетеродиффузия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310

8.8. Диффузия и растворимость газов . . . . . . . . . . . . . . . 312

376 Оглавление

8.9. Температурные зависимости растворимости примесей . . . . 313

9. Монокристаллические пленки

320

9.1.Эпитаксия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320

9.2.Рост эпитаксиальных пленок из газообразной фазы . . . . . 323

9.3.Процессы зародышеобразования и структура пленок . . . . 330

9.4.	Особенности гетероэпитаксии . . . . . . . . .	. .	. . .	. .	. 333
9.5.	Причины образования структурных дефектов	. .	. . .	. .	. 335

9.6.Методы эпитаксии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336 9.6.1. Жидкостная эпитаксия . . . . . . . . . . . . . . . . . 336

9.6.2.	Эпитаксия из газообразной фазы	.	. .	. .	.	. .	. .	. 338
9.6.3.	Конденсация из паровой фазы .	. .	. .	. .	.	. .	. .	. 351