Глазами Монжа-Бертолле

Подвижное «адское пекло» позволяет получить полупроводниковый кремний с огромным процентом чистоты — семь девяток после запятой.

Если бы знал великий Данте, что химики способны даже ад превратить в чистилище!

Правда, структура тел, очищенных таким способом, получается мелкокристаллической. А для полупроводниковых приборов нужны правильные по форме крупные кристаллы. Пожалуйста: физико-химические методы и тут готовы прийти на выручку.

Вещество, подлежащее очистке, расплавлено в тигле. Температура раскаленной массы всего на несколько градусов выше точки плавления. В расплав вводят затравку — крохотную крупинку чистого вещества. На ее гранях тотчас начинают нарастать новые слои. Чтобы рост шел равномерно, кристаллик приходится вращать. И одновременно вытягивать из тигля, чтобы затравка не нагрелась и сама не расплавилась. Такая процедура идет не намного быстрее, чем растет гриб после хорошего дождя. Зато уж получается великолепный монокристалл — крупный, однородный, правильный. Примеси, которые хуже растворимы в твердой фазе, как и при зонной плавке, не переходят в кристалл.

Признаться, и этот метод небезгрешен. Вращение приводит к винтовым сдвигам в кристаллической решетке вещества. Образуются дислокации.

Представьте себе, что из стены дома вывалился кирпич. Или каменщик по небрежности уложил два соседних кирпича на большем, чем обычно, расстоянии. Ясно, что в этом месте появится нежелательная «слабина». Так и в кристалле. Любое нарушение геометрической правильности в атомной «кладке» ведет к изменению свойств твердого тела. Например, электрических. Полупроводник работает хуже. Кроме всего прочего, изъяны решетки (дислокации) уменьшают прочность материала. А нельзя ли обойтись без каких бы то ни было дефектов?

Очень трудно. Но ученые не устают искать методы получения бездислокационных материалов. И, конечно, находят.

На малюсенькой плиточке чистого кремния лежит золотая крупинка. Оба элемента нагреваются в печи. Образуется капелька сплава Si—Au. Над ней продуваются пары четыреххлористого кремния в смеси с водородом. Течет реакция: SiCl₄ + 2H₂→Si + 4HCl. Элементарный кремний из паров переходит в расплав, пересыщая его и заставляя самого себя выкристаллизовываться. На плиточке под каплей отлагаются все новые наслоения. Медленно, но верно начинает расти столбик чистого кремния, похожий на мачту с жидкой нашлепкой сплава на клотике. В подобных препаратах винтовые дислокации отсутствуют.

В последнее время ученые пристально присматриваются к соединениям, возникающим в сплавах выходцев из III и V групп менделеевской таблицы. Антимониды, арсениды и фосфиды бора, алюминия, индия и галлия могут оказаться серьезными конкурентами многих полупроводниковых материалов, уже ставших традиционными.

Новички подают большие надежды и… внушают немалые опасения.

Некоторые из них оказались прямо-таки с норовом. Например, арсенид бора — BAs. Первый компонент тугоплавок. А второй легколетуч. Как получить их соединения? Сплавить оба вещества? Но ведь первое не успеет расплавиться, как второе уже испарится!

Допустим, что мы синтезировали BAs. Предстоит его лишь очистить. Скажем, зонной плавкой или вытягиванием из расплава. Но как? Ведь если такое соединение нагреть, то при нормальном давлении оно разложится! Получится расплав бора и пары мышьяка. При охлаждении система не возвращается в исходное состояние — компоненты не объединяются вновь. Чтобы этого не произошло, необходимо очень сильное давление. Но очень трудно, а порой и просто невозможно подобрать подходящие материалы для тиглей и ампул, которые выдерживали бы большие давления, обладая одновременно хорошей термической и химической стойкостью.

Подобные фокусы хорошо знакомы и металлургам. Например, нельзя получить сплав вольфрама и меди нагреванием: медь испарится раньше, чем расплавится вольфрам. Приходится идти окольным путем. Смешивают порошки обоих компонентов. Удар штампа — «слиток» готов. К сожалению, методы порошковой металлургии не годятся в технологии полупроводников. Они дают материалы с зернистой структурой. А нам нужны однородные монокристаллы.

Правда, не все соединения оказались отпетыми, «неподдающимися». Например, для GaAs, GaSb, GaP, InAs, InSb, InP, а также AsSb зонная плавка и вытягивание монокристаллов все-таки удаются. Однако и здесь летучесть второго компонента чинит препятствия технологам. Чтобы разработать метод получения или очистки такого соединения, приходится до тонкостей учитывать все его капризы. А это просто немыслимо без детального изучения двойных систем методами физико-химического анализа.