Необхідність отримання матеріалів, що володіють спеціальними властивостями, висувають перед наукою завдання подальшого розвитку фізики і хімії твердого тіла, покликаних розробляти наукові засади створення нових конструкційних матеріалів із заданими властивостями.
Успіх розвитку напівпровідникової техніки та пов'язаних з нею галузей (електроніки, енергетики тощо) значною мірою визначаються досягненнями в галузі розробки та отримання напівпровідникових сплавів з певними стабільними електрофізичними, механічними та іншими властивостями. Тому розробка питань, пов'язаних з отриманням напівпровідникових матеріалів, що володіють певним комплексом властивостей, тобто тих питань, коло і завдання яких становить предмет матеріалознавства напівпровідників, є однією з найважливіших завдань науки і техніки.
Тільки після того, як Ge і Si вдалося значно очистити від супутніх домішок та отримати у вигляді монокристалів, були виявлені їх нові властивості, які визначили основний напрямок робіт по напівпровідникових матеріалів [1].
Як приклад впливу ступеня чистоти матеріалу на його властивості можна навести дані [2]. Температура і плавлення Al у міру збільшення ступеня його чистоти змінюється наступним чином: при 99,2 і 99,5% Al температура плавлення (Тпл) дорівнює відповідно 930 та 931 К. При змісті основної речовини 99,6% Тпл = 931,7 К , а для 99,97%-ного Al температура плавлення дорівнює 932,8 К. У випадку Al, що містить 99,996% основної речовини Тпл = 933,24 К.
Так само сильно залежить від ступеня чистоти Al та його щільність (d): при 99,25% Al d = 2,727; 99,40% Al - d = 2,706; 99,75% Al - d = 2,703; 99,971% Al - d = 2,6996; 99,996% Al - d = 2,6989 г/см3.
Подібним чином залежить температура рекристалізації попереднього деформованого Al від ступеня його чистоти: 99,99% Al - Трекр = 373 К; 99,999% Al - Трекр = кімнатній температурі; алюміній чистотою 99,9992% і деформований при температурі рідкого азоту, рекрісталлізуется при Т = 223 К. До того ж, з підвищенням чистоти Al збільшується його електропровідність, відбивна здатність, пластичність і корозійна стійкість.
Відмінною рисою напівпровідників є їх дуже сильна чутливість до незначних зовнішніх впливів - температурі, електричному й магнітному полях, гідростатичного тиску, світла і т. д. [3].
Типовими представниками напівпровідників є германій і кремній. Проте самі по собі ці матеріали з власним опором не можуть бути використані в техніці для створення напівпровідникових приладів [1]. У цьому випадку попередньо очищений матеріал легують різними електроактивні домішками, що повідомляють напівпровідника той чи інший тип провідності і певні електричні характеристики. У зв'язку з цим виникла проблема вивчення розчинності різних елементів у напівпровідниках (Ge, Si, з'єднання АIIIBV, AIIBVI, AIVBVI і т.д.) і детального побудови діаграм стану типу напівпровідник-легуючий елемент.
При створенні напівпровідникових сплавів у деяких випадках в основний матеріал вводять кілька легуючих елементів. У таких випадках наявність легуючого елемента одного типу може зробити істотний вплив на поведінку елемента іншого типу у зв'язку з можливістю хімічної взаємодії між ними [4, 5]. У зв'язку з цим треба було встановити закономірності поведінки легуючих компонентів при отриманні складнолегованих напівпровідникових сплавів.
У розробці загальної проблеми легування напівпровідників та отримання напівпровідникових сплавів на їх основі виділяють три основні напрями [1]:
дослідження розчинності легуючих елементів і побудова відповідних діаграм стану як подвійних, так і потрійних систем;
вивчення взаємодії між легуючими компонентами як в твердих, так і в рідких розчинах на основі напівпровідників;
розробка раціональних методів легування і термообробки з метою отримання сплавів, що володіють необхідним комплексом електрофізичних і фізико-хімічних властивостей.
Висока хімічна активність і дисоціація ряду напівпровідникових сполук, ускладнення їх складу (багатокомпонентні напівпровідники, наприклад, GaxIn1-xP, GaPyAs1-y і т.д.), наявність легуючих домішок, зміна типу хімічного зв'язку та структури ближнього порядку при плавленні ставлять нові питання перед фізико-хімічним аналізом. Наявність двох-і трикомпонентних напівпровідникових сполук призвело до необхідності аналізу в рамках трьох-, чотирьохкомпонентний систем так званих квазібінарних, квазітройних і т.д. систем, що, враховуючи наявність певної міри дисоціації, робить проблематичним саме введення таких понять [6]. Дане положення знаходить свій вияв і в що спостерігається для ряду напівпровідникових систем невідповідність між квазібінарними характером діаграм стану систем та діаграмами склад-властивість. Крім того, значні елементи в проблему гетерогенних рівноваг вносить і наявність областей гомогенності на основі напівпровідникових з'єднань. Термодинамічний підхід до опису та аналізу гетерогенних рівноваг дає можливість не тільки оцінити положення ліній (поверхонь) фазавого рівноваги в системі або значення термодинамічних характеристик процесів плавлення (кристалізації) і змішання (розчинення), але і дає можливість виявити природу поведінки хімічних компонентів і характер їх взаємодії в напівпровідникових системах.
Розвиток напівпровідникової опто-та мікроелектроніки призвело до широкого використання напівпровідникових сполук. Взаємодія різних з'єднань один з одним призводить до утворення твердих розчинів, що дає можливість шляхом зміни складу розчину отримувати матеріали з наперед заданими властивостями.
Розрахунки процесів кристалізації легованих монокристалів напівпровідників грунтуються на знанні елемента між твердою і рідкою фазами, що безпосередньо випливає з діаграми стану напівпровідник-легуючий елемент [1, 7, 8]. При цьому потрібно виходити з того, що коефіцієнт розподілу є таким параметром, аналіз якого дозволить встановити фізико-хімічну природу взаємодії між компонентами [8, 9].
Досить складно вирішується завдання відтвореного легування напівпровідникових сполук з метою отримання кристалів з необхідними властивостями. Це пов'язано з тим, що самі задаються властивості варіюються в дуже широких межах і при цьому, як правило, необхідно вирощувати такі кристали з певним поєднанням різних властивостей (наприклад, оптичних та електрофізичних) з урахуванням високої однорідності розподілу останніх в об'ємі. Більш того, багато домішки в напівпровідникових з'єднаннях виявляють досить складну поведінку, а, отже, правильний вибір оптимальної легуючої добавки залежить у цьому випадку від результатів попередніх досліджень вплив домішок на електрофізичні та оптичні властивості таких кристалів [10].
Зміна хімічного складу по-різному впливає на властивості в залежності від того, якими змінами у фазовому складі воно супроводжується. Отже, важливо не тільки знати які фази утворюються при взаємодії елементів, але і вміти прогнозувати фазовий склад і шляхи впливу на нього. При зовнішньому впливі можна отримати фазові стани з різним ступенем відхилення від рівноважного, що дає додаткові можливості для керування властивостями [11].
Точкові дефекти, дислокації, дефекти упаковки і інші порушення структури, управляють процесами дифузії, а також впливають на електричні, теплові та інші властивості кристалів. Без достатньо глибокого розуміння дефектів кристалічної структури та знання процесів їх впливу на властивості напівпровідникових матеріалів неможливе використання корисних властивостей таких кристалів і тим більше отримання кристалів з наперед заданими властивостями [12]. До теперішнього часу у вивченні дефектів накопичений великий матеріал, причому їх вивчення дозволило не тільки виявити цілий ряд нових, раніше не відомих явищ, а й виробити рекомендації щодо управління властивостями напівпровідникових матеріалів.
Підводячи підсумки сказаного вище можна зробити висновок, що матеріалознавство напівпровідників - це наукова дисципліна, що вивчає закономірності утворення металевих і напівпровідникових фаз (елементарних речовин, розчинів, з'єднань, сплавів), в рівноважних та нерівноважних умовах, вплив хімічного та фазового складу, атомної структури і структурних дефектів фаз на властивості матеріалів, а також розробляє наукові та практичні шляхи впливу на їх фазовий склад, структуру та фізико-хімічні властивості.
Список літератури
Глазов В. М., Земсков В. С. Фізико-хімічні основи легування напівпровідників. -М.: Наука, 1967. -С. 371.
Бєляєв А. І. Фізико-хімічні основи очищення металів і напівпровідникових матеріалів. -М.: Металургія, 1973. -С.224.
Фістули В. І. Фізика і хімія твердого тіла. Т. 2. -М.: Металургія, 1995. -С. 320.
Мілнс А. Домішки з глибокими рівнями в напівпровідниках. -М.: Світ, 1977. -С. 562.
Самсонов Г. В., Бондарєв В. М. германіда. -М.: Металургія, 1968. -С. 220.
Уфімцев В. Б., Лобанов А. А. Гетерогенні рівноваги в технології напівпровідникових матеріалів. -М.: Металургія, 1981. -С. 216.
Пфанн В. Зонна плавка. -М.: Світ, 1970. -С. 366.
Нісельсон Л. А., Ярошевський А. Г. межфазовие коефіцієнти розподілу. Рівноваги кристал-рідина і кристал-пар. -М.: Наука, 1992. -С. 390.
Вігдоровіч В. Н., Вольпян А. Є., Курдюмов Г. М. Спрямована кристалізація і фізико-хімічний аналіз. -М.: Хімія, 1976. -С. 198.
Мільвідскій М. Г., Пєлєвін О. В., Сахаров Б. А. Фізико-хімічні основи одержання розкладаються напівпровідникових сполук. -М.: Металургія, 1974. -С. 392.
Горелік С. С., Дашевський М. Я. Матеріалознавство напівпровідників та металознавство. -М.: Металургія, 1973. -С. 496.
Левицький Ю. Т. Макроскопічні дефекти кристалічної структури та властивості матеріалів. -М.: Наука, 1988. -С. 200.