Введение
Актуальность
работы.
Исследования
полупроводниковых твердых растворов
связаны с практическим интересом
получения новых материалов с более
высокими физико-механическими свойствами
в сравнении с исходными соединениями.
Особый интерес в этом ключе представляют
твердые растворы на основе карбида
кремния, что обусловлено уникальными
свойствами SiC, наследуемыми создаваемыми
твердыми растворами на его основе.
Специфика термомеханических,
электрофизических, физико-химических
свойств SiC предопределила разнообразие
областей применения материалов на
основе этого соединения. Развитие и
широкое применение электронной техники
в промышленности вызвало необходимость
в создании нового вида керамических
композиционных материалов, проявляющих
различные электрофизические свойства.
Сознательное управление процессами их
синтеза должно основываться на
всестороннем физико-химическом
исследовании свойств индивидуальных
компонентов, а также позволять проводить
модифицирование свойств с точным
количественным учетом влияния искусственно
вводимых добавок.
Создание
непрерывных твердых растворов карбида
кремния с нитридами алюминия и галлия
представляет большой интерес в связи
с возможностями получения прямозонного
материала для полупроводниковых
инжекционных лазеров. В свою очередь
твердые растворы карбида кремния с
карбидами переходных металлов могут
привести к получению узкозонных
материалов, также расширяющих класс
материалов электронной техники. Керамика
основе этих материалов также является
весьма перспективным материалом для
подложек интегральных микросхем,
благодаря высокому электросопротивлению
и теплопроводности.
Поликристаллические
твердые растворы на основе SiC (карбид
кремния) являются перспективными
материалами для электронной техники.
Наличие качественных подложек SiC
позволило бы изготавливать приборы,
которые применялись бы в таких сферах
деятельности как атомная энергетика,
топливно-энергетический комплекс,
военная техника.
Во
многих случаях применения полуп??оводниковых
твердых растворов, в нашем случае на
основе карбида кремния, большое значение
имеет величина их электропроводности
(удельного сопротивления).
Вводя
различные добавки в состав керамики на
основе SiC возможно управлять различными
электрофизическими свойствами, в
частности, теплопроводностью,
электропроводностью, удельным
сопротивлением, энергией активации и
т.д.
Важность
и актуальность отмеченной проблематики
определили цель работы.
Целью
данной работы было исследование
растворимости примесей в SiC и их влияние
на электрофизические свойства (в
частности, электропроводность) твердых
растворов на его основе, наследующих
свойства, и значительно расширяющих
класс материалов для электронной
техники.
Для
достижения поставленной цели
проведены:
Подборка
и анализ экспериментальных и справочных
данных в рамках компенсационной
теории.
Оценка
возможности образования твердых
растворов на основе карбида кремния и
соединений типа А3В5 и некоторых карбидов
переходных металлов.
Изучение
влияния различных примесей на
электрофизические свойства твердых
растворов на основе SiC.
На
защиту выносятся результаты анализа
растворимости элементов в карбиде
кремния в рамках компенсационной теории
и ее влияние на электрофизические
свойства твердых растворов на основе
карбида кремния.
В
магистерской работе использовались
следующие методы исследований:
-
четырехзондовый метод исследования
температурной зависимости удельного
сопротивления твердых растворов на
основе SiC;
-
определение удельного сопротивления
керамики на основе карбида кремния и
расчеты температурных коэффициентов
удельного сопротивления твердых
растворов на основе SiC с различными
добавками;
-
определение оптимальных составов
твердых растворов на основе SiC с различными
добавками, имеющих минимальные .
При
анализе температурных зависимостей
удельного сопротивления использовались
метод наименьших квадратов для определения
энергий активации проводимости и
уравнения Аррениуса для коэффициента
диффузии.
Практическая
значимость работы заключается в создании
научно – технологического задела в
области разработок и создания устройств
на твердых растворов на основе
SiC:
Получены
образцы твердых растворов на основе
SiC.
Исследованы
некоторые электрофизические свойства
твердых растворов на основе SiC, в частности
величина удельного сопротивления.
Определены
составы твердых растворов на основе
SiC;, обладающие минимальным значением
, т.е. керамические материалы, обладающие
термостабильными свойствами
В
настоящее время развитие электроники
направлено на исследование и применение
материалов, обладающих необходимыми
свойствами, такими как высокая термическая,
химическая и радиационная стойкость.
Причем наряду с этим они должны отличаться
доступностью и низкой стоимостью, быть
нетоксичными и невзрывоопасными. Одним
из таких материалов являются твердые
растворы на основе SiC;, позволяющая
управлять, в частности, величиной
удельного сопротивления в широких
пределах.
Научная
новизна работы состоит в том, что в ней
впервые в рамках теории компенсационных
уравнений проведены оценка диффузии и
растворимости и определены условия
образования твердых растворов на основе
SiC с соединениями типа А3В5 и некоторых
карбидов переходных металлов.
Защищаемые
положения:
1.
В системе SiC - АlN образуются упорядоченные
твердые растворы с упорядочением
кристаллической структуры при 70% АlN.
2.
Добавки NbС в карбидкремниевую керамику
приводят к образованию неупорядоченных
твердых растворов с максимумом удельного
сопротивления при 30%NbС в керамике,
спеченной при температуре 2200оС.
3.
Электрофизические свойства керамики
с добавками бора зависит от политипа
карбида кремния, формы вхождения добавки
в керамику и содержания.
4.
Определены составы твердых растворов
на основе SiC, обладающие минимальным
значением , т.е. керамические материалы,
обладающие термостабильными
свойствами.
Реализация
результатов работы.
Теоретические
и практические результаты, полученные
в магистерской работе могут быть
использованы при разработке устройств
на основе карбидкремниевой
керамики.
Апробация
работы. Материалы, содержащие в дипломной
работе, докладывались и обсуждались на
научно – практической конференции
преподавателей и студентов ДГУ 2013
г.
Объем
работы. Дипломная работа состоит из 3
глав, общих выводов, списка литературы
и приложений. Работа изложена на 40 стр.
текста; содержит 21 рисунков; 9 таблиц.
Список литературы содержит 46
наименований.
Глава
1. Обзор литературы
Материалы
на основе SiC очень широко применяются
в современной технике в качестве
огнеупоров, активных элементов электронных
и электротехнических устройств,
конструкционных элементов химической
и энергетической аппаратуры.
Процесс
растворимости элементов связан
непосредственно с диффузией атомов в
веществе. Процессы диффузии наиболее
ярко проявляются при окислении металлов,
образовании интерметаллических
соединений и в реакциях твердофазного
синтеза многокомпонентных соединений.
В ряде случаев, чаще всего проявляющиеся
в тонких пленках, определяющую роль
могут играть гетерогенные реакции на
межфазных границах. Диффузия очень
распространена и играет важную роль во
многих технологических процессах
(кристаллизация, легирование и т.д.), а
также в фазовых и структурных превращениях
(распад пересыщенных растворов,
растворение и коагуляция части дисперсных
фаз, синтез сложных соединений спеканием
порошков и т.д.). Особо важное значение
имеют диффузионные процессы, протекающие
в тонкопленочных композициях, состоящие
из нескольких материалов.
§1.
Центры с глубокими уровнями в карбиде
кремния.
Авторы
[1] обобщение имеющихся в настоящее время
данных по параметрам ГЦ в 6Н-, 4Ни 3C-SiC и
анализ их свойств с точки зрения
возможного влияния на характеристики
разрабатываемых на основе карбида
кремния приборных структур.
Карбид
кремния относится к наиболее ярким
представителям политипных соединений.
Собственно термин ”политипизм” был
специально введен для карборунда,
вследствие того, что различные
кристаллические формы SiC структурно
очень близки друг к другу. В настоящее
время известно свыше 140 кристаллических
модификаций SiC
Рис.1.
Расположение атомов Si и C (светлые и
темные кружки соответственно) в плоскости
(1120) для политипов SiC 3C, 4Н и 6Н. Обозначения
А, В, C соответствуют различным положениям
атомов в плотноупакованной гексагональной
структуре. Значки h и к отмечают
гексагональные и кубические положения
атомов в решетке соответственно.
Все
известные политипы карбида кремния
кристаллизуются по законам плотной
шаровой упаковки и представляют собой
бинарные структуры, построенные из
идентичных слоев, отличающихся как
порядком расположения кубического C
или гексагонального Н слоя, так и числом
этих слоев в элементарной ячейке. Для
характеристики политипа часто используют
обозначения Рамсдела, состоящие из
натурального числа, равного числу слоев
в периоде, в направлении, перпендикулярном
базовой плоскости, и буквенного символа,
характеризующего сингонию решетки
Браве: C — кубическая, Н — гексагональная,
R — ромбоэдрическая. Наиболее
распространенными являются политипы
6Н, 4Н, 15R, 3C (рис. 1). Хотя расположение
ближайших из соседних атомов одинаково
для каждого атома кремния или углерода
во всех политипах, расположение более
далеких соседей отличается, что приводит
к наличию кристаллографически
неэквивалентных положений в решетке
SiC (4Н — одно кубическое и одно
гексагональное, 6Н — два кубических и
одно гексагональное). В настоящее время
не существует удовлетворительной во
всех отношениях теории, способной
объяснить, почему SiC кристаллизуется в
виде большого количества политипов.
Нет полной ясности и в том, какие факторы
благоприятствуют образованию того или
иного политипа.
Известно,
что карбид кремния представляет собой
полупроводник с непрямой зонной
структурой. При этом величина запрещенной
зоны существенно зависит от политипа
и изменяется от 2.39 эВ для 3C-SiC и до 3.3 эВ
для 2Н -SiC. Согласно результатам
экспериментальных и теоретических
работ, максимум валентной зоны находится
в центре зоны Бриллюэна, а минимум зоны
проводимости расположен на ее границе.
С этим связывается сильная зависимость
ширины запрещенной зоны от структуры
политипа. Согласно спиноорбитальное
расщепление валентной зоны составляет
10мэВ.
В
более сложных политипах, чем 2Н и 3C,
существует еще одна особенность зонной
структуры. При анализе электронных
спектров чередование слоев в длиннопериодных
политипах можно рассматривать как
действие на электрон, помещенный в
кристалл кубической модификации, некоего
сверхпериодического потенциала. При
таком рассмотрении зона проводимости
разбивается на серию подзон. На основании
таких представлений может быть объяснена
анизотропия эффективных масс в политипах,
ее зависимость от конкретной структуры
кристалла.