Современные проблемы микро - и наноэлектроники

Введение 
 

1 

Министерство образования и науки Российской Федерации 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
 
 
Г. Н. Шелованова 
 
СОВРЕМЕННЫЕ  ПРОБЛЕМЫ   
МИКРО-  И  НАНОЭЛЕКТРОНИКИ   
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2017 

Современные проблемы микро- и наноэлектроники 
 

2 

УДК 621.38(07) 
ББК 32.85я73 
        Ш445 
 
 
 
 
 
Р е ц е н з е н т ы:  
С. В. Комогорцев, доктор физико-математических наук, старший 
научный сотрудник Института физики имени Л. В. Киренского – обособленного подразделения ФИЦ КНЦ СО РАН; 
Т. Н. Патрушева, доктор технических наук, профессор кафедры 
приборостроения  и наноэлектроники СФУ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Шелованова, Г. Н. 
Ш445          Современные проблемы микро- и наноэлектроники : учеб. пособие / Г. Н. Шелованова. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2017. – 
128 с. 
ISBN978-5-7638-3775-9 
 
Представлены современные тенденции развития электроники в России 
и за рубежом, рассмотрены перспективные направления улучшения параметров 
уже существующих устройств микро- и наноэлектроники, приведены примеры 
появления на рынке электронных устройств принципиально новых разработок, 
решающих задачи фотовольтаики, микроэлектромеханики, сенсорики и оптоэлектроники. 
Предназначено для студентов направления подготовки бакалавров 
11.03.04 «Электроника и наноэлектроника». 
 
 
Электронный вариант издания см.: 
http://catalog.sfu-kras.ru 
УДК 621.38(07) 
ББК 32.85я73 
 
ISBN 978-5-7638-3775-9                                                           © Сибирский федеральный  
                                                                                             университет, 2017 

Введение 
 

3 

 
ВВЕДЕНИЕ 
 
 
Развитие микроэлектроники оказывает решающее влияние на мировой научно-технический прогресс. Оно во многом определяет решение 
проблем глобальной компьютеризации и информатизации, создания новейших систем связи и телевидения, разнообразной бытовой, медицинской 
и специальной электронной аппаратуры. 
Прогресс в области твердотельной электроники в первую очередь 
определяется развитием технологии полупроводниковых материалов и ингральных схем (ИС). Основным базовым материалом электроники является 
кремний. С использование кремниевых подложек производится 95 % полупроводниковых приборов. Уровень качества именно этого материала 
в значительной степени определяет развитие отрасли в целом. 
В мире идет освоение производства пластин кремния диаметром 300 мм 
и прорабатываются основы технологии пластин диаметром 450 мм. За последние 15 лет мировая электронная промышленность преодолела технологический рубеж и с проектной нормы 1 мкм перешла на проектную норму 
0,1 мкм в серийном производстве, что потребовало существенного улучшения основных параметров кремния и материалов, используемых при его 
производстве. 
Обращает на себя внимание огромный масштаб мирового производства материалов для электроники, а также концентрация производства            
на достаточно небольшом количестве крупных предприятий. Так, производство кремниевых пластин и эпитаксиальных структур объемом около            
7 млрд долларов в год контролируют всего 5 фирм, дающих 90 % мирового 
объема производства. При этом более 60 % мирового объема производства 
кремния контролируют японские фирмы.  
Исследования последних лет свидетельствуют о реальных перспективах создания кремниевой оптоэлектроники, о возможностях широкого 
эффективного использования кремния в разнообразных прецизионных 
сенсорных устройствах, уникальных микромеханических системах, а также 
в целом ряде других областей новейшей техники. 
Для применения в электронике новых перспективных материалов 
уже возможно компьютерное конструирование соединений с использованием компьютеров высокой производительности, которые могут рассчитать реакцию для дальнейшей ее оценки. 

Современные проблемы микро- и наноэлектроники 
 

4 

Как правило, открытие нового вещества с некоторым набором 
свойств ведет к интенсивному синтезу и исследованию веществ, по свойствам аналогичных данному. Таким образом, при конструировании неорганических соединений исходной информацией являются данные о свойствах, сведения о которых давно получены. 
 
В мире интенсивно разрабатываются следующие перспективные материалы:  
● Эпитаксиальные структуры со слоями SiGe для изготовления СВЧтранзисторов и ИС, применяемых в мобильных наземных телефонах, оптоволоконной и спутниковой связи. 
● Кремниевые пластины и структуры для микроэлектромеханических 
систем (датчиков давления, температуры, акселерометров, гироскопов, 
микроклапанов микронасосов микромеханических систем). Структуры характеризуются субмикронной и даже нанометровой неплоскостностью 
с субмикронными и нанометровыми отклонениями толщины от номинала, 
двухсторонними метками совмещения с рассовмещением, не превышающим I мкм. 
● Структуры «кремний на изоляторе» (КНИ). В настоящее время это 
одно из наиболее динамично развивающихся направлений полупроводникового материаловедения в передовых странах. Использование структур 
«кремний на изоляторе» в технологии полупроводниковых приборов позволяет решить целый ряд проблем: повысить радиационную стойкость 
схем, увеличить предельную рабочую температуру, повысить быстродействие приборов, а также существенно упростить технологический процесс 
создания ИС. Быстро развивается технология КНС с использованием пластин 
сапфира диаметром 150 мм с ультратонким слоем кремния (до 0,1 мкм). 
При этом вследствие усовершенствования технологии и увеличения объемов производства она становится экономически конкурентной, особенно 
в области радиационно стойких СВЧ ИС. 
● Полупроводниковые материалы IV группы (твердые растворы 
GeSi, карбид кремния SiC, их нанопористые структуры и гетероструктуры). 
● Автоэпитаксиальные и гетероэпитаксиальные слои алмаза, поликристаллические слои алмаза на различных поверхностях (металлах, пластмассах, диэлектриках, полупроводниках) для множества применений: светодиодов и фотоприемников ультрафиолетового диапазона; силовых транзисторов специального назначения; теплоотводов для СВЧ ИС и приборов; 
прочной химически стойкой защиты поверхностей (например, магнитных 
головок видео- и аудиомагнитофонов). 
● Гетероструктуры InGaAlP/GaP, InGaAIP/Аl2О3, InGaN/Аl2О3 для 
сверхъярких светодиодов красного, оранжевого, зеленого, синего и белого 

Введение 
 

5 

свечения, разработка которых вызвала революционные изменения в оптоэлектронике. 
● Комплекс соединений (ZnTe, ZnCdTe) для светодиодов и лазеров 
голубого свечения, детекторов ионизирующих излучений и инфракрасных 
датчиков. 
● Органические полупроводники, постепенно отвоевывающие позиции рядом с неорганическими полупроводниками. В первую очередь успехи связаны с фотоэнергетикой, где ячейки Гретцеля отмечены Нобелевской премией. 
Перечисленные материалы наряду с пока экзотическими (например, 
углеродными нанотрубками, фуллеренами и т. д.) будут являться основой 
будущей микроэлектроники. Страны, которые не будут обладать технологиями их производства, останутся вдали от прогресса в важнейшей, определяющей экономический потенциал и обороноспособность государства, 
отрасли. Задача состоит в том, чтобы преодолеть отставание Pocсии в области микроэлектроники от ведущих мировых держав, а для этого необходимо развивать весь комплекс технологий, в том числе технологии производства базовых материалов электроники. 

Современные проблемы микро- и наноэлектроники 
 

6 

 
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ  МАТЕРИАЛЫ  
IV ГРУППЫ 
 
  
1.1. Физические, химические свойства 
 
Как и много лет назад, германий (Ge) и кремний (Si) эвляются важнейшими материалами полупроводниковой электроники. Производство 
монокристаллов данных элементов достигает в мире сотен тонн в год. 
Взаимодействие кремния с углеродом приводит к образованию         
соединения SiC (карбид кремния), обладающего рядом ценных свойств, 
благодаря которым карбид кремния находит все большее практическое 
применение. 
Германий с кремнием образуют непрерывный ряд твердых растворов, 
являющихся полупроводниками с промежуточными свойствами между 
свойствами компонентов и поэтому представляющих значительный интерес. 
Кремний (лат. Silicium от silex – кремень) – химический элемент 
с атомным номером 14 и атомной массой 28,0855. Русское название происходит от греческого kremnos – утес, гора. 
Хотя кремний принято относить к неметаллам, он по ряду свойств 
занимает промежуточное положение между металлами и неметаллами. 
В свободном виде – коричневый порошок или светло-серый компактный 
материал с металлическим блеском. Кристаллический кремний при обычных температурах обладает невысокой реакционной способностью. Он 
весьма устойчив на воздухе, покрываясь тонкой пленкой двуокиси кремния. С серой, селеном и теллуром кремний образует соединения, обладающие полупроводниковыми свойствами. Кремний легко растворяется 
или образует соединения (силициды) с большинством расплавленных металлов. В результате взаимодействия кремния с углеродом при высоких 
температурах (больше 1 400 ºС) образуется полупроводниковое соединение – карбид кремния (SiC). Кремний нерастворим в кислотах, включая 
и плавиковую кислоту, но легко растворяется в щелочах [1]. В табл. 1.1 
представлены физические свойства кремния. 
Германий (Ge) (лат. Germanium) – химический элемент с атомным 
номером 32 и атомной массой 72,61.  
Германий образует два ряда химических соединений, соответствующих основным валентностям 2 и 4, причем наиболее устойчивыми при 
обычных условиях являются четырехвалентные соединения. 

1. Полупроводниковые материалы IV группы 
 

7 

Таблица 1.1 
 
Параметр 
Значение 

Атомный номер 
14 

Атомный вес 
28,08 

Параметры решетки при 298 K 
5,43072 ± 0,00001Å 

Удельный вес при 298 K 
2,3283 ± 0,0003 г/см3 

Число атомов на 1 см3 
5,00 ·1022 

Подвижность дырок при 300 K 
480 см2/(в·с) 

Удельное сопротивление кремния собственной проводимости при 300 K 

 
~250 000 Ом·см 
 

Концентрация собственных носителей 
при 300 K 

2
33
3
1,21
1,5 10
exp (
)
in
Т
kT


см–6 

2
in  1,5·1010см–3 

Диэлектрическая проницаемость 
11,7 ± 0,2 

Коэффициент преломления при λ = 589 мкм, 298 K 
3,42 

Коэффициент линейного расширения при 300 K 
+2,33·10–6 град–1 

Теплопроводность при 300 K 
0,26 кал/(с·см·град) 

Температура плавления 
1417 ± 4º С 

Температура кипения 
~2 600 ºС 

Ширина запрещенной зоны: 
при 0 K 
при 295 K 

 
1,21 эВ 
1,105 эВ 

Температурная зависимость ширины запрещенной 

зоны dE
dT при 300 K 
–2,3·10–4 

Подвижность электронов при 300 K 
1 450 см2/(В·с) 

 
При обычных температурах германий вполне устойчив на воздухе. 
Измельченный в порошок германий при нагревании на воздухе до температур порядка 700 ºС легко образует двуокись германия GeO2. 
Германий очень слабо растворим в воде, практически нерастворим 
в соляной и разбавленной серной кислотах. Азотная кислота окисляет его 
до GeO2. Германий очень легко растворяется в царской водке и в 3%-ном 
растворе перекиси водорода. Германий не реагирует с графитом даже 
в расплавленном состоянии, что позволяет использовать графитовые тигли 
и лодочки при проведении металлургических процессов. Он также не 
взаимодействует с кварцем. 
В расплавленном состоянии германий растворяет довольно значительные количества водорода, концентрация которого в твердом германии 
не превышает (1–4)·1018 ат/см3, причем водород является электрически 
нейтральной примесью. Металлургический германий не реагирует с азотом 

Современные проблемы микро- и наноэлектроники 
 

8 

даже в расплавленном состоянии. В табл. 1.2 представлены физические 
свойства германия. 
 
Таблица 1.2 
 
Параметр 
Значение 

Атомный номер 
32 

Атомный вес 
76,60 

Параметры решетки 
5,65754 Å 

Удельный вес при 25 ºС 
5,33 г/см3 

Число атомов на 1см3 
4,45·1022 

Диэлектрическая проницаемость 
16 

Коэффициент преломления при λ = 2,6 мк, 300 K 
4,068 

Коэффициент линейного расширения при 300 K 
6,1·10–6 град–1 

Теплопроводность при 300 K 
0,14 кал/(с·см·град) 

Температура плавления 
937 ºС 

Температура кипения 
2 700 ºС 

Ширина запрещенной зоны: 
при 300 K 
при 0 K 

 
0,65665 эВ 
0,756 эВ 

Подвижность электронов при 290 K 
3 900 ± 100 см2/(В·с) 

Подвижность дырок при 290 K 
1 900 ± 50 см2/В·с) 

Удельное сопротивление германия собственной проводимости при 300 K 
47 Ом·см 

Концентрация собственных носителей заряда при 300 К 
1,2·1013 см–3 

 
 
Чистый карбид кремния (SiC) стехиометрического состава – бесцветные кристаллы с алмазным блеском. Технический SiC может иметь 
разнообразную окраску: белую, серую, желтую, зеленую и черную. Цвет 
материала зависит от сырья и технологии получения кристаллов и определяется как типом и количеством примеси, так и степенью отклонения         
состава от стехиометрического. Карбид кремния кристаллизуется в двух 
модификациях: при температурах менее 2 000 оС – в кубической форме типа сфалерита (β-SiC), при более высоких температурах – в гексагональной           
(α-SiC). Для высокотемпературной гексагональной модификации карбида 
кремния характерно явление политипизма: обнаружено более 50 политипных модификаций α-SiC. 
Карбид кремния исключительно инертное вещество; даже при высоких 
температурах SiC практически не реагирует ни с кислородом, ни с серой; 
хлор также очень медленно взаимодействует с нагретым SiC. Он нерастворим в кислотах (даже смесь HCl + HF не растворяет SiC), но довольно легко растворяется в расплавленных щелочах в присутствии воздуха. Карбид 
кремния растворим в расплавах кремния и многих металлах, в частности 

1. Полупроводниковые материалы IV группы 
 

9 

железе и хроме. Исследования и практические применения относятся почти 
все к α-SiC, который характеризуется политипией. 
 
Таблица 1.3 
 
Параметр 
Значение 

Коэффициент преломления 
2,63 

Плотность 
3,2128 г/см3 

Ширина запрещенной зоны: 
α-SiC 6Н 
α-SiC 4Н 
β-SiC 

2,9 эВ 
3,3 эВ 
2,2 эВ 

Диэлектрическая проницаемость: 
статическая 
оптическая 

 
10,2 
6,8 

Подвижность дырок при 300 К 
50 см2/(В·с) 

Подвижность электронов при 300 К 
500 см2/(В·с) 

 
В табл. 1.3 представлены физические свойства кристаллов SiC. 
 
 
 
1.2. Технологии получения материалов IV группы 
 
1.2.1. Кремний полупроводникового качества 

Во всех технологических процессах исходным сырьем является технический кремний, который хлорируется с целью получения хлоридов 
кремния. Кремний-сырец или эпитаксиальные пленки после проведения 
очистки того или другого хлорида получают путем обращения реакций А 
и В, проводя процесс при высокой температуре (выше 1 000 ºС) в присутствии избытка водорода: 

SiCl4 + nH2 → Si + 4HCl + nH2 

SiHCl3 + nH2 → Si + 3HCl + nH2 

Другой технологический метод заключается в том, что образовавшиеся хлориды кремния после соответствующей очистки используют для 
получения моносилана, который после дополнительной очистки подвергают диссоциации: 

SiH4 → Si + 2H2 

В промышленном производстве кремния используют в основном 
процесс водородного восстановления хлоридов кремния; силановый процесс имеет значительно меньшее распространение главным образом из-за 
взрывоопасности силана. 

Современные проблемы микро- и наноэлектроники 
 

10 

1.2.2. Германий полупроводникового качества 

В качестве исходного сырья для получения германия используют 
первичный технический германиевый концентрат и отходы электронной 
промышленности. 
Так как природные ресурсы германия весьма ограничены, его получают с помощью реакции восстановления двуокиси германия водородом, 
которая обеспечивает наиболее полное (почти 100 %) извлечение германия. 
Двуокись германия получают в результате гидролиза (избыток воды) 
очищенного четыреххлористого германия по обратимой реакции: 

GeCl4 + 2H2O ↔ GeO2 + 4HCl 

Первым этапом технологического цикла является получение четыреххлористого германия. Германиевые концентраты, содержащие германий в виде двуокиси, обрабатывают концентрированной соляной кислотой 
в токе хлора по реакции 

GeO2 + 4HCl → GeCl4 + 2H2O 

Отходы элементарного германия сжигают в токе хлора: 

Ge + 2Cl2 → GeCl4 

Образующийся тетрахлорид германия отгоняют при температуре  
85–90 ºС и освобождают его таким образом от хлоридов металлов, имеющих более высокие температуры кипения. 
 
Элементарный германий получают восстановлением очищенной 
и просушенной двуокиси чистым водородом по реакции 

GeO2 + 2H2 → Ge + 2H2O 

Двуокись германия загружают в графитовую лодочку и помещают 
в кварцевую трубу, через которую проходит поток чистого водорода. Восстановление происходит при 650 ºС; полученный порошкообразный германий постепенно нагревается до расплавления, после чего осуществляется 
его направленная кристаллизация. Очищенный германий затем используют 
для выращивания легированных монокристаллов обычно методом Чохральского. При этом материал содержится в графитовом тигле, а процесс 
проводится в атмосфере чистого водорода. Получение бездислокационных 
монокристаллов германия значительно труднее, чем получение бездислокационных монокристаллов кремния [2]. 
 
1.2.3. Карбид кремния и его политипы 

Получение чистого α-SiC сопряжено с большими трудностями в связи 
с большой реакционной способностью кремния, очень высокими температурами, при которых необходимо проводить процессы синтеза и перекри