История химии с древнейших времен до конца XX века. В 2 т. Т. 2

Именно к этому периоду относятся пророческие высказывания У. Шокли, в которых он предсказал новому классу материалов большое будущее. За изобретение транзистора в 1956 г. У.Б. Шокли вместе с коллегами Дж. Бардином и У. Брэттейном были удостоены Нобелевской премии по физике (см. цв. иллюстрации к данной главе).

Изобретение транзистора обеспечило широкий выход полупроводникам в радиоэлектронику. C этого момента стартовало бурное развитие физики и химии полупроводников. В то время как первая отрасль науки изучала физические процессы в полупроводниках и механизмы функционирования приборов на их основе, вторая была нацелена на разработку методов выращивания кристаллов, их очистку и легирование, а также синтез новых сложных полупроводниковых материалов. Химия полупроводников и химия твердого тела с этого момента развивались в тесном сотрудничестве, взаимно обогащая друг друга теоретическими положениями и экспериментальными методами.

В это время особенно актуальной стала задача контроля содержания примесных атомов в полупроводниковых кристаллах. C одной стороны, было необходимо научиться получать особо чистые материалы с низкими концентрациями чужеродных атомов, а с другой стороны, разработать методы введения нужных примесей в кристалл полупроводника. Таким образом, еще отчетливей проявилась одна из важнейших задач химического материаловедения — целенаправленное получение веществ с заранее заданными свойствами.

^{Уильям Брэдфорд Шокли (1910–1989)}

^{Джон Бардин (1908–1991)} 

Как было установлено ранее, свойства полупроводников зависят от способа их получения. Одним из наиболее распространенных технологий выращивания монокристаллов полупроводников в промышленных масштабах стал метод Чохральского[86]

в различных его модификациях. Способ, разработанный польским химиком Яном Чохральским, первоначально использовался автором для измерения степени кристаллизации легкоплавких металлов.

^{Основные стадии процесса выращивания кристаллов по методу Чохральского}

По некоторым источникам, польский ученый открыл свой знаменитый метод в 1916 г., когда случайно уронил свою ручку в тигель с расплавленным оловом. Вынимая ручку из тигля, он обнаружил, что вслед за металлическим пером тянется тонкая нить закристаллизовавшегося олова. Заменив перо ручки микроскопическим кусочком металла, Чохральский убедился, что образующаяся таким образом металлическая нить имеет монокристаллическую структуру. При помощи своего метода польский ученый получил монокристаллы металлов диаметром около 1 мм и длиной до 150 см.

В 40-х гг. XX столетия был изобретен еще один эффективный способ получения монокристаллов — метод направленной кристаллизации. Его авторами являются профессор Гарвардского университета

П.У. Бриджмен и сотрудник Массачусетского технологического института Д.К. Стокбаргер. Этот метод оказался особенно полезным при выращивании слитков многокомпонентных полупроводниковых соединений, например, антимонида индия или арсенида галлия. Технологии, предложенные американскими учеными, различаются только в деталях. В их основе заложен один и тот же физический принцип — кристаллизация расплава с постоянной скоростью в контролируемом градиенте температур. Поликристаллический образец полупроводникового материала нагревали выше его точки плавления и медленно охлаждали с того конца контейнера, где располагался затравочный монокристалл. Процесс направленной кристаллизации можно осуществлять в горизонтальном или вертикальном вариантах.

В 1950 г. сотрудники американской корпорации Bell Labs под руководством Гордона Кидда Тила применили метод Чохральского для выращивания монокристаллов германия высокой чистоты. Этот удачный эксперимент положил начало использованию метода Чохральского для промышленного производства полупроводниковых материалов. В апреле 1954 г. Г. Тилу взамен германиевых транзисторов удалось изготовить аналогичные устройства из более дешевого кремния, что снизило их себестоимость и положило начало процессу миниатюризации в электронике^{689}

(см. цв. иллюстрации к данной главе).

Второй задачей химии полупроводников явилась разработка эффективных методов очистки полученных монокристаллов. C этой целью применяли метод направленной кристаллизации. По мнению целого ряда специалистов, настоящим прорывом в области очистки полупроводниковых материалов явился метод зонной плавки (ЗП)[87]. Эту технологию в 1952 г. предложил сотрудник Bell Labs У.Г. Пфанн^{690}. По сравнению с направленной кристаллизацией метод ЗП обладает большей эффективностью. В настоящее время его используют для очистки более 1500 веществ^{691}.