Кремний

По распространенности в природе 2 место после кислорода. Основной полупроводниковый материал микроэлектроники. Атомный номер 14.

Применение:

-интегральные микроэлектронный схемы (ИМС) с очень малыми размерами для электронной аппаратуры и вычислительной техники.

-биполярные, полевые транзисторы и ПЗС (рабочие частоты планарных транзисторов достигают 10 ГГц).

-выпрямительные плоскостные диоды могут пропускать ток в прямом направлении до 1500 А.

-стабилитроны (стабилизация напряжения до 400 В) и тиристоры.

-быстродействующие фотодиоды ( мкм).

-солнечные батареи (КПД 10-12%).

-детекторы ядерного излучения, датчики Холла, тензодатчики.

Кремниевые приборы могут работать до температуры 180-200⁰С.

Получение Si. Исходным сырьем является кремнезем (SiO₂), из которого в электрических печах Si восстанавливается углеродосодержащими материалами. Технический Si – представляет собой мелкокристаллический спек, имеющий 1% примеси. Технология получения Si полупроводниковой чистоты включает следующие операции:

1) превращение технического Si в легколетучее соединение (SiHCl₃).

2) очистка этого соединения химическими и физическими методами.

3) восстановление этого соединения.

4) окончательная кристаллизационная очистка и выращивание монокристалла.

Легколетучим соединением является, как правило, трихлорсилан SiHCL₃ . Его получают по реакции:

Si + 3HCl SiHCl₃ + H₂ при 300-400⁰С.

Это жидкость с Т_кип=32⁰С. Очищают ее методами экстракции, адсорбции, ректификации. Далее SiHCl₃ восстанавливают H₂ и Si осаждается в специальных камерах на стержнях- затравках, нагретых до температуры 1200-1300⁰С.

Объемные монокристаллы Si выращивают методами вытягивания из расплава и бестигельной зонной плавкой. Первый метод применяется для получения крупных монокристаллов с <2,5 Ом·м, а второй для получения высокоомных монокристаллов с 200 Ом·м с малым содержанием примесей, особенно О₂.

При вытягивании из расплава тигель из оптического кварцевого стекла нагревают индукционным путем. Скорость вытягивания примерно 20-40 мкм/с в атмосфере инертного газа или в вакууме. Основной недостаток метода- загрязнение Si кислородом. О₂ поступает из тигля

SiO_{2 ТВ} + Si_ж 2SiO_газ

до 10²³-10²⁴ ат/м³.В качестве легирующей примеси используют фосфор или бор ( КЭФ и КДБ, э - электронный тип, д - дырочный тип).Слитки могут быть диаметром до 150 мм и длиной до 1м. В вертикальной бестигельной зонной плавке получают бескислородный Si с большим временем жизни неосновных носителей (тысячи мкс). В этом методе узкая расплавленная зона удерживается между твердыми частями слитка силами поверхностного натяжения . Нагрев – высокочастотный индуктор 5 МГц. Атмосфера – вакуум или защитные газы.

Верхняя и нижняя части кристалла вращаются в разные стороны со скоростью 30 об/мин. Диаметр монокристаллов 30-60 мм (может быть до 100 мм).

В планарной технологии Si – приборов и ИС важную роль имеют процессы эпитаксиального осаждения тонких слоев Si. Эпитаксия – ориентированное наращивание одного кристаллического вещества на подложке из другого кристалла. Наиболее распространенная технология основана на H₂ – восстановлении SiCl_{4 газ:}

SiCl₄ (газ) + 2H₂ (газ) Si (тв) +4HCl (газ).

Реакция проходит в кварцевых реакторах при 1200⁰С. Подложки – монокристаллические пластины Si, подвергнутые механической и химической полировке. Перед осаждением подложки подвергают химическому травлению c добавкой HCl. Скорость эпитаксиального наращивания 15-20 нм/с. Слои имеют кристаллографическую ориентацию подложки , мкм. Легируют из паров соединений PCl₃, BBr₃, AsH₃ и т.п. Малые скорости процесса обеспечивают высокую чистоту и структурное совершенство слоев. При изготовлении ИМС слои Si наращивают также на диэлектрические подложки: сапфир (Al₂O₃), BeO, SiO₂ и другие. Это позволяет создавать ИМС с идеальной изоляцией элементов.