Материалы микро- и наноэлектроники

 

Характерной особенностью современного этапа развития электронной техники является вовлечение в сферу ее непосредственных интересов широкой номенклатуры полупроводниковых материалов. Важнейшими из них являются: кремний, арсенид галлия и большая группа других бинарных соединений и многокомпонентных твердых растворов на основе соединений на основе А3В5: германий, карбид кремния, бинарные соединения и твердые растворы на основе узкозонных и широкозонных соединений А2В4, разнообразные термоэлектрические и сенсорные материалы.

Материалом № 1 современной твердотельной электроники является кремний [1]. Мировое производство монокристаллов кремния составляет 8…10 тыс. т/г. Сегодня монокристаллический кремний – это самый совершенный кристаллический материал из огромного многообразия материалов, созданных когда-либо человеком или природой [2].

Высокий уровень качества характерен и для ряда других хорошо освоенных полупроводниковых материалов. Современная полупроводниковая индустрия – это яркий пример выдающихся достижений человеческой мысли на пути развития мировой цивилизации, и ее дальнейший прогресс связан с решением непрерывно усложняющихся научно-технических задач.

Основной тенденцией в развитии технологии получения монокристаллов широкого круга полупроводников является увеличение диаметра выращиваемых слитков при одновременном непрерывном ужесточении требований к совершенству кристаллической структуры и однородности распределения задаваемых электрофизических характеристик в объеме материала. В случае кремния речь идет о получении бездислокационных монокристаллов диаметром до 450 мм, в случае GaAs2, InP, Ga Sb. InSb, CdTe и др. – малодислокационных (Nд £ 1·103 см-2) монокристаллов диаметром 100…150 мм.

В табл. 1.1 представлен рост качества монокристаллов полупроводников кремния за прошедшие годы.

 

Таблица 1.1 – Показатели качества монокристаллов кремния

Показатели качества	Годы
Объем динамической памяти Диаметр пластин, мм	256М/1G 200/300	1G/4G 300/400	4G/16G 300/400	16G/64G

 

Гидрированные полупроводники – это новый класс некристаллических полупроводниковых материалов, начало которым положено с середины 70-тых годов работами по гидрированному аморфному кремнию. Пленки амор-фных Si, Ge и ряда других известных полупроводниковых материалов представляют чрезвычайный интерес для науки и техники.

По прогнозам, чрезвычайно перспективны в электронике, приборостроении, медицине и других областях фуллерены, фуллериты и нанотрубки.

Фуллерены и карбины – еще одни разновидности углерода, кроме графита и алмаза [13]. Молекула фуллерена состоит, чаще всего, из 60 атомов углерода и имеет замкнутую форму с внутренней полостью диаметром 0,5 нм и внешним диаметром 0,71 нм. По своей структуре молекула фуллерена С₆₀ (а есть фуллерены с числом атомов углерода 32, 70 и 100) является усеченным икосаэдром. Атомы углерода располагаются на сферической поверхности в вершинах 20 правильных шестиугольников и 12 правильных пятиугольников.

Молекулы С₆₀ могут образовывать твердые кристаллы – фуллериты. При этом молекулы С₆₀ связаны между собой ван-дер-ваальсовыми силами.

Плотность фуллерита составляет 1,698 г/см³, что значительно меньше, чем у графита (2,3 г/см³) и алмаза (3,5 г/см³). Фуллериты – полупроводники с шириной запрещенной зоны от 1,5 до 1,95 эВ. Легировании е фуллеритов сопровождается изменением электронного энергетического спектра. При определенных концентрациях легирующего элемента в фуллерите наблюдается переход полупроводник-металл. Соединения фуллерита с щелочными и щелочноземельными металлами называются фуллеридами.

Пленки фуллеритов будут очень эффективны как новый полупроводниковый материал нанометровых размеров для традиционных областей электроники в качестве полевых транзисторов, фотодиодов, в приборах нелинейной оптики [11-13].

Особое значение имеют использование фуллеренов для увеличения быстродействия электронных приборов при повышенных температурах на основе широкозонных полупроводников (алмаза, SiC и др.), для существенного их использования при повышении теплопроводности – необходимого условия дальнейшей минитюаризации элементов и интегральных схем.

 

Магнитные материалы

 

Магнитные материалы подразделяются на магнитотвердые и магнитомягкие. Магнитотвердые материалы находят свое применение в постоянных магнитах на основе Fe-Ni-Al-Co, Fe-Cr-Co. Получение этих материалов подразумевает схему: старение + интенсивная пластическая деформация + отпуск.

Гораздо чаще в обработке давлением приходится иметь дело с магнитомягкими материалами – ферромагнетиками, легко (в малых магнитных полях) намагничивающихся и перемагничивающихся, то есть обладающих высокой магнитной проницаемостью и низкой коэрцитивной силой Нс. Количественным критерием отнесения ферромагнетика к магнитомягкому материалу является условие малой коэрцитивной силы: Нс £ 4 кА/м (50 Э).

Магнитомягкие материалы традиционно делят на электротехнические стали и прецизионные магнитомягкие сплавы. Из-за особенностей получения и способов формирования оптимальных магнитных свойств в особую группу выделяют аморфные и нанокристаллические магнитомягкие сплавы.

В табл. 1.2 указаны основные требования к промышленным магнитомягким материалам.

Электротехнические стали. Эта группа материалов применяется преимущественно в трех видах изделий: электрические машины (генераторы и электродвигатели); трансформаторы (преимущественно силовые, работающие при низких частотах); выключающие устройства (электромагнитные реле). Поэтому электротехнические стали в соответствии с тремя названными случаями подразделяют на динамные, трансформаторные и релейные стали.

 

Таблица 1.2 – Требования к магнитным свойствам магнитомягких материалов при использовании в различных электротехнических устройствах

Применение	Требования к магнитным свойствам магнитопровода
Силовые трансформаторы Согласующие трансформаторы Широкополостные трансформаторы Трансформаторы питания Электрические машины	Низкие удельные магнитные потери, высокая магнитная индукция
Электромагнитное реле	Высокая индукция, низкая коэрцитивная сила
Измерительные трансформаторы тока и напряжения	Высокая начальная магнитная проницаемость
Насыщающиеся реакторы Задающие трансформаторы Магнитные усилители Магнитные ключи	Высокий коэффициент прямоугольности петли магнитного гистерезиса, низкая динамическая коэрцитивная сила
Импульсные трансформаторы Сигнальные трансформаторы	Низкий коэффициент прямоугольности петли магнитного гистерезиса, высокая магнитная индукция
Накопительные трансформаторы Накопительные реакторы Токоограничивающие реакторы Сглаживающие реакторы Реакторы помехоподавления	Высокая запасенная магнитная энергия
Магнитомеханические преобразователи (вибраторы)	Высокая магнитострикция, высокий коэффициент магнитомеханической связи
Магнитные экраны	Высокая магнитная проницаемость в заданном поле

 

Для динамных и трансформаторных сталей требуется высокое значение индукции насыщения и малые потери на перемагничивание. Различие применения этих сталей в том, что в трансформаторных сталях направление магнитного поля неизменно, а динамные стали используются в магнитопроводах, где магнитный поток либо вращается, либо охватывает все направления в плоскости листа. Поэтому трансформаторные стали могут быть текстурованными. Более того, в трансформаторных сталях создание кристаллической текстуры является способом снижения магнитных потерь. В динамных сталях такой способ неприемлем, они должны быть изотропными.

Современные электротехнические стали представляют собой сплавы железа с кремнием и иногда с алюминием при малом содержании углерода (углерод является вредной примесью, снижающей магнитные свойства). Добавка кремния к железу уменьшает магнитную анизотропию, препятствующую легкому перемагничиванию материала.

Электротехнические стали потребляются промышленностью чаще всего в виде листов, которые получают обработкой давлением на прокатных станах. В части кузнечно-штамповочного производства эти листы подвергают разделительным операциям: вырубке, пробивке для получения пластин сердечников трансформаторов.

Маркировка электротехнических сталей отличается от общепринятой и состоит из 4-х цифр и, если есть покрытие, – из одной буквы:

· первая цифра обозначает класс стали: 1 – горячекатаная, 2 – холоднокатаная изотропная, 3 – холоднокатаная анизотропная;

· вторая цифра обозначает степень легирования: 0 – нелегированная, 1…5 – высоколегированная, т.е Si + 3,8…4,8 %Al $

· по третьей цифре судят о магнитных свойствах стали; вместе три цифры определяют тип стали;

· четвертая цифра определяет порядковый номер типа стали и уровень основной нормирующей характеристик: 1 – норм., 2…8 – выше;

· буквы в маркировке стали обозначают: Т – термостойкое покрытие, Ш- штампуемость хорошая, Н – нетермостойкое покрытие.

Нанокристаллические магнитомягкие материалы имеют близость к нулю магнитострикции, наиболее известен среди них сплав 5БДСР.

Ферриты – оксидные соединения, получаемые спеканием с оксидами других металлов. У них очень высокое омическое сопротивлением, большая скорость перемагничивания. Ферриты применяют в высокочастотных установках.

 

Контрольные вопросы

1. Привести классификацию новых материалов.

2. Что такое фуллерены?

3. Что такое фуллериты?

4. Как маркируют трансформаторные стали?

5. Что собой представляют динамные стали?

6. Что такое гидрированные полупроводники?

7. В чем различия магнитотведых и магнитомягких сталей?