УДК 621.315.592 АРЕНДАРЕНКО А.А.
ВИГДОРОВИЧ Е.Н.
СВЕШНИКОВ Ю.Н.

МАТЕРИАЛОВЕДЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
ШИРОКОЗОННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ ДЛЯ ПРИБОРОВ
ЭКСТРЕМАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

ЗАО"Элма-Малахит"
124460, Россия, Москва-Зеленоград, Южная промзона

Существуют различные способы улучшения функциональных
характеристик. Например, анализируется влияние ионизирующего
излучения на МОП транзисторы и ИС на их основе и предлагается способ
радиационной отбраковки полупроводниковых приборов, предлагается
осуществлять отбор приборов путем моделирования переходных
ионизационных эффектов в ИС лазерными методами. Кроме этого
анализируются схемотехнические, конструкторские и технологические
способы повышения устойчивости биполярных и полевых транзисторов.
Однако все эти методы не позволяют существенным образом изменить
функциональные характеристики приборов. Наиболее перспективными
для этих целей являются разработка принципиально новых материалов,
структур и приборов. Перспективность использования различных
материалов для новых разработок, как правило, определяется их
фундаментальными свойствами.
Деградация свойств приборов под воздействием радиации.. В
качестве критерия Болтакс Б.И предложил значение молекулярной массы
исходного вещества, которая определяет энергию дефектообразования
при облучении. Исходя из этого, например, при изменении молекулярной
массы от 28,06.(Si) до 144,64.(GaAs) пороговое значение при облучении
электронами изменяется от 0,1 до 1,1 МэВ. Параметром, определяющим
процесс генерации электронно-дырочных пар, является средняя энергия
их
образования,
а
параметром,
определяющим
деформацию
кристаллической решетки является энергия смещения атомов из узла
решетки в междоузлие
а) Энергия образования электронно-дырочных пар . В соответствии с
моделью Шокли
= Ei + 2Ef + rEr
где Ei - уменьшение энергии носителей при ударной ионизации;
Ef - кинетическая энергия носителей;
Er - энергия рассеяния носителей на оптических фононах.

Предположив, что Ei = Eg а Ef =0,6Ei ( что соответствует однородному
распределению горячих носителей в пространстве) получим
= 2,2Eg + r(hr)
где Eg - ширина запрещенной зоны; hr - энергия оптического фотона;
r - число фотонов
Это выражение отражает основную особенность - линейную зависимость
пороговой энергии образования электронно-дырочных пар от ширины
запрещенной зоны. Для элементарных п/п и соединений A111BV расчет
дает следующие значения для Ge -2,8, Si - 3,6, GaAs - 4,8, GaP - 7,8, GaN
- 10,1эВ.
б) Энергия смещения атомов. Теория радиационных нарушений
основывается на предположении, что минимальная энергия Ed,
необходимая для смещения атома из узла решетки не зависит от вида
излучения, а зависит только от свойств кристалла. Существуют некоторые
полуколичественные соотношения, например,

E
2
d = Sk (Eат/а0 ) + Z (Eg/2) + 4Eb + EL
где Sk - коэффициент, отражающий тип кристаллической решетки;
Eат - энергия атомизации; а0 - параметр решетки; Z - число валентных
электронов смещаемого атома; Eg - ширина запрещенной зоны; Eb -
энергия ковалентной связи; EL - энергия искажения решетки.
Основной вклад дают связанные друг с другом энергия атомизации и
ширина запрещенной зоны. Расчет дает следующие значения Ed - для Ge -
11, Si-13, GaAs -10, GaP-17 и GaN - 28 эВ. Исходя из этих представлений,
можно предположить, что и для твердых растворов Ga1-x Alx N и Ga1-xInxN
значение Ed будет больше и соответственно выше и радиационная их
стойкость.
Термоустойчивость материалов. Термоустойчивость веществ
связана с тепловыми колебаниями решетки. Амплитуда тепловых
колебаний зависит от температуры. Полную энергию решетки можно
выразить как ]
E=[(hmax/2)( +0,5)]
где max-максимальная частота колебаний решетки - число квазичастиц.
Известно, что hmax / 2 = к D, где D - характеристический параметр,
называемый температурой Дебая.. Таким образом совокупность фононов
образует фононный газ, свойства которого( в частности D) адекватно
определяют свойства колебаний и устойчивость кристаллической
решетки.
Влияние электромагнитных полей. Как следует из физики
полупроводников, при слабых электрических полях дрейфовая скорость в
полупроводнике пропорциональна электрическому полю, а коэффициент
пропорциональности - подвижность носителей - не зависит от

электрического поля. Однако если поле велико, то наблюдается
нелинейность изменения подвижности и в некоторых случаях насыщение
дрейфовой скорости.
Обоснование требований к материалам для экстремальной
электроники.
Перечень
фундаментальных
свойств
материалов,
определяющих необходимые функциональные характеристики приборов,
можно сформулировать в следующем виде:
1. Ширина запрещенной зоны(Eg) - определяет максимальную рабочую
температуру;
2. Температура Дебая(D) - определяет общую устойчивость элементов к
внешнему воздействию ( температура, радиация, электромагнитные поля);
3. Скорость насыщения дрейфа носителей(H) - определяет допустимую
плотность тока, рабочее напряжение и соответственно мощность
устройства;
4. Подвижность носителей заряда () - совместно с шириной
запрещенной зоны определяет частотные и усилительные свойства;
5. Критическая напряженность электрического поля (Em) - Определяет
максимальную электрическую нагрузку.
При обосновании перспективности использования материалов
иногда используют метод определения коэффициентов улучшения
свойств. Если за основу взять кремний, то, используя известные
фундаментальные соотношения и параметры, можно получить
следующую картину, приведенную в таблице.
Таблица
Коэффициенты улучшения свойств
Свойства Si
GaAs
SiC
GaN
Частота, [ Eg ] 1
1,1
27
178
Мощность, [(Em H) 2] 1
1,7
178
272
Тепловая нагрузка, [ (Н / ) ] 1 0,32
4,6 1,4
Устойчивость к внешнему
1 1,33 9,4 10,1
воздействию, [2,2Eg + rD ]
Рабочая температура, [ Eg] 1
1,27 2,6
9
3,07

Полученная картина, в принципе, относиться, как для
приборов СВЧ -техники, так и для элементов оптоэлектронных
устройств. Как видно из таблицы наиболее высокие свойства в
перспективе можно получит на изделиях, изготовленных на основе
нитрида галлия. Если использовать твердые растворы Ga1-xAlx N , то в
связи с увеличением для твердого раствора значения теплопроводности,
возможно и по тепловой нагрузке достигнуть самых высоких значений.