Легування напівпровідникових матеріалів

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

РЕФЕРАТ

з дисципліни: «Матеріалознавство»

на тему:

«Легування напівпровідникових матеріалів»

Ростов-на-Дону

2010

З одержание

1. Легування вирощених кристалів

2. Легування об'ємних кристалів з ​​рідкої фази

3. Методи вирівнювання складу вздовж кристала

3.1 Пасивні методи вирівнювання складу

3.2 Активні методи вирівнювання складу кристалів

3.3 Механічна підживлення розплаву

3.4. Зміна умов вирощування

4. Розчинність домішок

4.1 Взаємодія домішок, пов'язане з електронно-дірковим рівновагою

4.2 Взаємодія між домішковими іонами, що приводить до утворення нейтральних пар, стійких при низьких температурах

4.3 Взаємодія між домішковими іонами, що приводить до утворення комплексів, стійких у широкому інтервалі температур

Список літератури

  1. Легування вирощених кристалів

Для виготовлення багатьох напівпровідникових приладів необхідний легований матеріал. Можливі такі способи легування: 1) легування вже вирощених кристалів; 2) легування кристалів у процесі вирощування з рідкої фази; 3) легування кристалів у процесі вирощування з газової фази.

Легування вирощених кристалів здійснюється методом дифузії домішки з зовнішньої газової, рідкої або твердої фаз, методом радіаційного легування і методом іонної імплантації. Метод дифузії в технології виробництва об'ємних легованих матеріалів не отримав поширення через малих швидкостей дифузії в кристалах. Проте самі процеси дифузії грають велику роль в технології отримання та обробки напівпровідникових матеріалів і створення приладів на їх основі.

Суть же радіаційного (або трансмутаціонного) методу легування вирощених кристалів зводиться до наступного. При опроміненні кристалів напівпровідників і діелектриків ядерними частинками (нейтронами, протонами, γ-квантами та ін) в результаті протікання ядерних реакцій може відбуватися перетворення частини атомів основної речовини в атоми інших хімічних елементів, які були відсутні раніше в речовині. Наприклад, при опроміненні Si повільними нейтронами утворюється нестабільний ізотоп 31 Si, який, розпадаючись з періодом напіврозпаду 2.6 години, перетворюється в стабільний ізотоп 31 P. Ці явища знаходять все більш широке застосування для однорідного легування вирощених кристалів. Неоднорідність питомого опору при радіаційному легуванні не перевищує 1% на глибині 50 мм. Це значно перевершує ступінь однорідності легування кристалів іншими методами. В даний час найбільше практичне застосування при радіаційному легуванні набуло використання теплових нейтронів.

Іонною імплантацією називають процес впровадження в кристал іонізованих атомів з енергією, достатньою для проникнення в його приповерхні області. В даний час в електронній промисловості іонна імплантація найбільш широко застосовується для іонного легування кремнію при виготовленні напівпровідникових приладів. Енергія легуючих іонів (бору, фосфору або миш'яку) зазвичай становить 3-500 кеВ, що достатньо для їх імплантації в приповерхневій області кремнієвої підкладки на глибину 10-1000 нм. Глибина залягання імплантованою домішки, що пропорційна енергії іонів, може бути обрана виходячи з вимог конкретного застосування імплантованою структури. Основною перевагою технології іонної імплантації є можливість точного управління кількістю впроваджених атомів домішки. Потрібну концентрацію легуючої домішки (в кремнії в діапазоні жовтні 1914 -10 21 см - 3) одержують після відпалу мішені. Крім того, можна легко керувати профілем розподілу впроваджених іонів по глибині підкладки. Процес іонної імплантації, що проводиться у вакуумі, відноситься до категоріі.чістих і сухих. процесів.

Одним з недоліків іонної імплантації та методу радіаційного легування є одночасне з легуванням освіта в опромінюваних кристалах радіаційних порушень кристалічної решітки, що істотно змінює електрофізичні властивості матеріалу. Тому необхідною стадією процесу при отриманні іонно-легованих та радіаційно-легованих кристалів є термообробка (відпал) матеріалу після опромінення. Відпал іонно-імплантованих шарів проводиться для активування імплантованих атомів, зменшення дефектів кристалічної структури, що утворюються при іонній імплантації та радіаційному легуванні, і в кінцевому рахунку, для створення області із заданим законом розподілу легуючої домішки і певну геометрію. Іншими недоліками даного методу легування є вартість опромінення і необхідність дотримання заходів радіаційної безпеки.

Тим не менш іонна імплантація і радіаційне легування кристалів зараз - важливі і швидко розвиваються галузі технології напівпровідників. Так як йонна імплантація забезпечує більш точний контроль загальної дози легуючої домішки в діапазоні 10 1 1-10 16 см 2, там, де це можливо, нею замінюють процеси дифузійного легування. Дуже інтенсивно іонна імплантація використовується для формування надвеликих інтегральних схем. Метод радіаційного легування використовується для отримання кремнію, необхідного для виробництва силових приладів, де в якості головної вимоги виступає висока однорідність розподілу домішок в кристалі.

Метод радіаційного легування також знаходить все більше застосування і для легування інших напівпровідникових матеріалів. Так, їм здійснюють легування Ge галієм і миш'яком, InSb оловом, GaAs германієм і селеном і т. д.

2. Легування об'ємних кристалів з ​​рідкої фази

Розглянемо особливості легування кристалів у процесі їх вирощування з рідкої фази. Широко застосовуваним методом отримання легованих монокристалів напівпровідників є вирощування їх з розплаву, до якого додана потрібна домішка.

Загальні принципи такого легування полягають у наступному. Навішування домішки p i, що підлягає введенню в розплав або рідку зону для отримання у твердому кристалі концентрації N i, розраховується за формулою, що визначає коефіцієнт поділу домішки.

K 0 = C S / C L = N i M i V L / N A p i,

p i = N i M i V L / K 0 N A, (1)

де M i - Атомна вага домішкового елемента, N A - Число Авогадро, V L - Обсяг розплаву.

При виборі домішок для легування необхідно враховувати величину коефіцієнта розподілу і її зміна при зміні умов вирощування. Ці фактори є надзвичайно важливими для отримання монокристалів з ​​рівномірним розподілом домішок через принципову однократності процесу легування і неможливості виправлення помилок у дозуванні домішки.

Нехай, для визначеності, K 0 <1. Тоді якщо швидкість росту кристала V більше, ніж швидкість вирівнювання складу в рідкій фазі, то через відтискування домішки з твердої фази в рідку і сповільненості дифузійних процесів встановлення рівноваги в рідкій фазі концентрація домішки в розплаві біля кордону розділу буде зростати.

Накопичення надлишку домішки призведе до утворення перед рухомим фронтом кристалізації дифузійного шару δ, з якого домішка шляхом дифузії переходить в об'єм розплаву. Якщо K 0> 1, то поблизу поверхні зростання відчувається брак домішки. Таким чином, від рівноважного коефіцієнта поділу K 0 ми переходимо до ефективного K і враховуємо вплив умов вирощування на процеси легування:

K (f, D, δ) = K 0 / [K 0 + (1 - K 0) exp (- V δ / D)], (2)

де D - коефіцієнт дифузії домішки в розплаві

У деяких випадках, якщо характер перемішування розплаву заданий, визначення значення δ можливо аналітично. Так, якщо при отриманні легованих кристалів методом Чохральського перемішування розплаву здійснюється обертанням кристала і тигля навколо своїх осей у зустрічних напрямках з кутовими швидкостями ω к і ω т, то значення δ при невисоких швидкостях зростання V може бути визначено за формулою

δ = AD 1 / 3 ν 1 / 6 до + ω т) - 1 / 2, (3)

де A - постійна, що приймає значення від 1.3 до 1.6, а ν - кінематична в'язкість розплаву.

Залежність K від V показана на рис.1 для двох швидкостей обертання і трьох значень рівноважного коефіцієнта поділу K 0. Видно, що тільки при швидкостях V <4 · 10 - 3 см / с можна говорити про збіг K і K 0. З малюнка також видно, як важливо обертання розплаву і (або) кристала для вирівнювання концентрації домішки в розплаві.

Особливо це важливо в умовах зонної плавки: без перемішування розплаву δ може досягати розмірів зони. При δ = 1 см K і K 0 стають порівнянні за величиною тільки при V <10 - 4 см / с. Саме тому швидкості вирощування кристалів у методі зонної плавки значно менше, ніж при витягуванні кристала з розплаву.

При виборі домішки надзвичайно важливим є врахування її чистоти, тому що попадання в зростаючий кристал разом з легуючої домішкою неконтрольованих супутніх домішок навіть у дуже малих кількостях може приводити до істотного погіршення параметрів вирощуваних кристалів (наприклад, істотно знижувати час життя неосновних носіїв заряду). Тому перед легуванням оцінюють необхідну чистоту легуючого елемента з урахуванням особливостей використовуваного методу легування і допустимого вмісту в легіруемом кристалі сторонніх домішок.

Рис. 1. Залежність K від швидкості кристалізації V при різних швидкостях обертання розплаву і кристала.

3. Методи вирівнювання складу вздовж кристала

З розглянутого матеріалу можна зробити висновок, що існує кілька факторів, що викликають появу неоднорідностей складу в зростаючому кристалі. Неоднорідності з причин їх виникнення можна розділити на дві групи: сегрегаційні і технологічні.

Сегрегаційні (або як їх часто називають фундаментальні) пов'язані з закономірними змінами складу зростаючого кристала, зумовленими основними законами фазових перетворень в багатокомпонентних системах. Ці закономірні неоднорідності охоплюють весь обсяг вирощеного кристала.

Технологічні неоднорідності мають Незакономірні характер. Вони пов'язані з порушеннями стабільності умов росту кристалів і охоплюють невеликі обсяги кристала. Ясно, що технологічні неоднорідності можуть бути усунені удосконаленнями технологічної апаратури для вирощування монокристалів напівпровідників і підбором оптимальних умов зростання. Подібні способи вже розглядалися в попередньому розділі. У теж час сегрегаційні неоднорідності таким шляхом усунені бути не можуть. Для боротьби з ними необхідно розробляти спеціальні методи.

Методи вирівнювання сегрегаційний неоднорідностей складу кристала діляться на дві групи: пасивні та активні методи. У першому випадку монокристали із заданою однорідністю розподілу домішки одержують без внесення будь-яких змін в кристалізаційний процес, тобто використовуються частини кристала з приблизно рівномірним розподілом домішки. Під активними методами маються на увазі такі, які дозволяють активно впливати на хід процесу легування під час росту, тобто по суті, дозволяють програмувати процес зміни складу.

Ефективність методу вирівнювання складу оцінюють величиною, званої виходом процесу або виходом придатного матеріалу. Виходом прийнято називати відношення частині кількості речовини з необхідними для подальшого використання властивостями до загального його кількості, підданому технологічній обробці. У літературі також часто використовується таке поняття, як теоретичний вихід придатного матеріалу. Маючи аналітичне вираження для розподілу складу в кристалі, вирощуваної будь-яким методом, можна розрахувати значення теоретичного виходу для цього процесу. Оскільки теоретичний розрахунок враховує тільки сегрегаційні неоднорідності складу, то значення теоретичного виходу буде характеризувати максимальна межа, вище якої не можна збільшити реальний вихід придатного матеріалу.

3.1 Пасивні методи вирівнювання складу

Однорідні кристали напівпровідників найпростіше отримати, використовуючи без будь-яких змін звичайні кристалізаційні процеси: нормальну спрямовану кристалізацію і зонну плавку. У цьому випадку використовують приблизно однорідно леговану частина кристала. Аналіз кривих розподілу домішок у цих процесах показує, що найбільш рівномірно легована частина кристала примикає до одного з його кінців, тому доцільно для подальшої роботи використовувати саме ці частини.

При вирощуванні легованих кристалів методом нормальної спрямованої кристалізації склад вихідного розплаву зазвичай задають так, щоб необхідна концентрація домішки опинилася на початку злитка.

Оцінка значення розрахункового виходу з прийнятним (± 10%) розкидом складу по довжині злитку при вирощуванні легованих кристалів методом нормальної спрямованої кристалізації показала низьку ефективність цього методу для отримання однорідного матеріалу (при K = 0.1 теоретичний вихід дорівнює 10.5%). Однак, завдяки своїй простоті цей метод іноді застосовується для отримання легованих монокристалів методом Чохральського.

Розглянемо тепер можливості використання приблизно рівномірно легованої частини кристалів, вирощуваних методом зонної плавки. Теоретичний вихід процесу в цьому випадку, як показують оцінки, залежить від розподілу домішки у вихідному матеріалі. Найбільш поширеним у даній технології є в середньому рівномірний вихідне розподіл домішки.

Аналіз теоретичного виходу процесу зонної плавки при цих умовах показав, що вихід тим більше, ніж коефіцієнт розподілу ближче до 1; він зростає із збільшенням приведеної довжини кристала A = L / l, де L - довжина кристала, l - довжина зони, і в межі прагнути до (A - 1) / A. Вихід у цьому випадку може бути зроблений досить близьким до 100% для разового проходу розплавленої зони через рівномірний в середньому по складу зразок. Таким чином, метод зонної плавки може задовольнити більшості практичних вимог при отриманні однорідних кристалів, якщо тільки наведена довжина злитку досить велика.

Ефективним способом підвищення теоретичного виходу при вирощуванні кристалів методом зонної плавки є вирівнювання істотно неоднорідного розподілу домішок в початковій частині злитка. Для цього в початковій частині кристала довжиною в одну зону створюється середня концентрація домішки в K разів менша, ніж в іншій частині кристала. Такий метод створення вихідного розподілу домішки отримав назву цільової завантаження. Для домішок з K <1 і з рівномірним в середньому початковим розподілом за обсягом кристала необхідний розподіл найпростіше створюється легуванням зони в початковій частині зразка. Після розплавлення зони в неї вводиться домішка в такій кількості, що при русі зони уздовж зразка вона з самого початку має постійний склад: у неї через кордон плавлення входить рівно стільки домішки, скільки йде через кордон кристалізації. Внаслідок цього склад вирощуваного кристала постійний по всій довжині за винятком його кінця, де процес йде за законом нормальної спрямованої кристалізації.

Також на практиці часто використовується метод проходження легуючої зони через чистий вихідний зразок для отримання рівномірно легованих кристалів. Суть методу зводиться до наступного. У розплавлену на початку чистого кристалу зону вводять легувальну домішка. Для домішки з K <<1 при кристалізації розплаву із зони йде настільки мало домішки, що склад рідкої фази практично не змінюється і, таким чином, виходить однорідний легований матеріал.

Тому цей метод найбільш ефективний для домішок з K <<1.

3.2 Активні методи вирівнювання складу кристалів

Ці методи служать для підвищення виходу матеріалу з рівномірним розподілом домішки. Їх відмітною особливістю є те, що протягом всього кристаллизационного процесу в нього вводяться певні зміни. Активні методи вирівнювання складу поділяються на дві основні групи.

Перша - включає методи, в яких з метою підтримки концентрації домішки в розплаві протягом всього процесу вирощування монокристалу постійно проводять підживлення розплаву або нелегованої твердої, рідкої або паровою фазою (якщо K <1), або фазою, яка містить легувальну домішка (якщо K> 1 ). У цих методах в процесі кристалізації мають дотримуватися такі умови: C L = Const, K = Const, V = Const, C S = KC L = Const. Система процесу вирощування однорідного кристала в найбільш загальному вигляді включає в себе наступні елементи: зростаючий кристал, розплав і надходить у нього підживлюють масу.

Друга - методи, в яких змінюються самі умови росту монокристалів. Процеси вирощування однорідних кристалів цими методами протікають при наступних умовах: C L ≠ const; K ≠ const; f ≠ const; C S = K н C н L = K до C до L = Const, де н - початок, а до - кінець. При цьому програма зміни кристаллизационного процесу забезпечує сталість швидкості захоплення домішки протягом всього процесу вирощування монокристала.

Крім цих двох груп методів можливі і їх комбінації. Розглянемо спочатку першу групу методів більш докладно.

3.3 Механічна підживлення розплаву

Механічна підживлення розплаву твердою фазою

Можливі два способи:

Ідея першого способу полягає в опусканні в розплав живить стрижня (рис. 2). Процесом підживлення можна управляти, змінюючи площа поперечного перерізу живить стрижня, його склад і механічну швидкість його подачі. При необхідності в розплав може одночасно вводитися кілька стержнів. Для того, щоб отримати математичне вираз, що описує процес вирівнювання складу в даному методі, необхідно скласти рівняння балансу домішки в розплаві і прирівняти зміна концентрації домішки нулю. З цього рівняння для будь-якого варіанту механічної підживлення розплаву опускається стрижнем легко знайти умови, що забезпечують отримання однорідного кристала. Так, для найбільш цікавого з практичної точки зору режиму отримання легованих кристалів рішення рівняння зводиться до відшукання або потрібної концентрації живить стрижня при заданих інших параметрах, або до відшукання його площі поперечного перерізу. Зокрема, якщо перетину витягається кристала і стрижня підживлення рівні, і рівні їх щільності, то склад живить стрижня повинен бути рівний складу зростаючого кристала. Цей спосіб вирівнювання складу дозволяє отримувати однорідні монокристали з високим виходом і великим діапазоном рівнів легування. Він використовується і для вирощування монокристалів твердих розчинів, наприклад, в таких системах як Ge-Si, Bi - Sb, InAs - GaAs і т.д.

Рис. 2. Схема методу механічної підживлення розплаву твердою фазою: 1 - живильний кристал; 2 - нагрівач для підігріву живлячої кристала; 3 - тигель; 4 - вирощуваний кристал, 5 - розплав; 6 - основний нагрівач.

2. Другий спосіб підживлення - метод розплавленого шару (рис. 3). У цьому випадку злиток живить матеріалу поміщають в нижній частині кристала, вирощування якого ведуть з вершини живить злитку, подплавляемого спеціальним нагрівачем. Зростання кристала в цьому випадку супроводжується синхронним переміщенням живить злитку вгору.

Рис. 3. Схема методу підживлення розплаву твердою фазою (метод розплавленого шару): 1 - живильний кристал; 2 - нагрівач, 3 - вирощуваний кристал, 4 - розплав.



Аналіз умов вирощування однорідного за складом кристала і виходу придатного матеріалу в методі розплавленого шару проводиться аналогічно попередньому випадку. Однак цей метод має певні переваги: ​​а) виникають у розплаві концентраційні і теплові потоки симетричні; б) процес вирощування проводиться в бестігельной умовах. Ці переваги послужили стимулом для розвитку цього методу і виготовлення легованих бездислокаційних кристалів напівпровідників.

Механічна підживлення розплаву рідкою фазою

Механічну підживлення кристаллизуемой розплаву рідкою фазою найчастіше здійснюють при вирощуванні кристалів методом Чохральського. Найбільшого поширення набули дві модифікації цього методу: перший - витягування монокристала з розплаву в плаваючому тиглі або в тиглі, механічно переміщається щодо зовнішнього контейнера, з яким вони пов'язані капілярним каналом (мал. 4); другий метод - витягування кристала з тигля, розділеного перегородкою, через яку робочий й підживлюються частини тигля з'єднані капілярним каналом (мал. 5). В обох модифікаціях в робочому режимі в соединительном каналі йде безперервний потік розплаву у напрямку до робочого обсягу. При цьому перенесення домішкового компонента в каналі складається з двох частин: потоку, викликаного потоком рідини, і потоку, зумовленого молекулярної дифузією. Для управління процесом вирівнювання складу витягається кристала необхідно, щоб перенесення домішки в каналі здійснювався тільки механічним перетіканням розплаву, а компенсаційна дію молекулярної дифузії було придушене. Ця умова найлегше виконується при використанні довгих і вузьких з'єднувальних каналів-капілярів.

У процесах з плаваючим або механічно переміщуваним робочим тиглем найбільшого поширення набули режими вирощування, при яких забезпечується сталість робочого об'єму розплаву. Тому розподіл домішкового складу в кристалі, вирощуваної цим методом, аналогічно розподілу складу в кристалі, одержуваному з допомогою методу зонної плавки. Однак розглянутий метод отримання однорідно легованих кристалів має ряд важливих переваг порівняно з методом зонної плавки: 1) відсутність необхідності приготування вихідних зразків потрібного складу, 2) можливість безпосереднього спостереження за процесом витягування; 3) сталість робочого розплаву (у випадку з плаваючим тиглем) або можливість його варіювання в широких межах у випадку з механічним переміщенням тигля.

Рис. 4. Основні варіанти капілярної підживлення: а - плаваючий тигель, б-механічно опускається тигель (1 - розплав; 2 - кристал, 3 - внутрішній тигель; 4 - капіляр трубка; 5 - зовнішній тигель; 6 - тримач внутрішнього тигля; 7 - двигун, 8 - тримач кристала).

Рис. 5. Схема капілярного подвійного тигля: 1 - капілярний канал, 2-розплав; 3 - кристал.



Процес вирощування легованих кристалів з ​​капілярного подвійного тигля є своєрідною комбінацією процесів зонної плавки і нормальної спрямованої кристалізації. Для забезпечення сталості складу кристалів, вирощуваних цим методом, достатньо, щоб протягом усього процесу росту при зміні висоти розплаву відношення площі робочої частини тигля до всієї його площі зберігалося постійним. Ця вимога легко реалізувати, наприклад, в тиглі всередині якого коаксіально встановлюється циліндрична перегородка з капілярним каналом (мал. 5). Даний метод успішно застосовується для легування кристалів домішками з K> 1 і K <1. Однак аналіз теоретичного виходу придатного матеріалу показав, що для домішок з K <<1 застосування капілярних тиглів з ​​метою отримання однорідно легованих кристалів недоцільно.

Механічна підживлення розплаву газовою фазою

Механічну підживлення кристаллизуемой розплаву газовою фазою здійснюють як при вирощуванні кристалів методом Чохральського, так і при вирощуванні методом зонної плавки. Підживлення може проводитися як нелетучей, так і летючої домішкою.

У разі нелетучей домішки зазвичай ця домішка підводиться до розплаву у вигляді летючого хімічної сполуки. Останнє, взаємодіючи з розплавом, розкладається, що вводиться домішка виділяється і легуючих розплав. Такий процес виділення домішки в результаті хімічних реакцій використовується лише для домішок з K> 1.

При легуванні кристалів летючими домішками, що володіють при температурі розплаву високим тиском пари, необхідно враховувати взаємодію розплаву з паровою фазою. Процес підживлення кристаллизуемой розплаву паровою фазою може здійснюватися як шляхом поглинання домішки (K> 1) з газової фази, так і шляхом її випаровуванні (K <1) з розплаву. Перехід летючого компоненту через поверхню розділу розплав-газ буде відсутній тільки в тому випадку, коли концентрація розчиненої в розплаві летючої домішки знаходиться в рівновазі із концентрацією кислоти у газовій фазі. Зміна складу розплаву за рахунок сегрегації викликає обмін летючим компонентом між розплавом і газом. Процес міжфазного обміну, який врешті-решт призводить концентрації домішки в розплаві і газ до рівноважним значенням, припиниться тільки тоді, коли припиниться зміна складу розплаву.



Рис. 6. Схема підживлення кристала за допомогою випаровування летючого домішки з K <1 з розплаву: 1-тигель; 2 - вирощуваний кристал, 3 - розплав; 4 - нагрівач.



Якщо в системі є летючий компонент, то при наявності вільних поверхонь розплаву обов'язково відбувається обмін летючим компонентом між розплавом і газом і рівноважна підживлення розплаву цим компонентом.

При роботі з леткими компонентами використання рівноважної газової підживлення можна вести за двома схемами. У першій з них лиштви установки для вирощування кристала спеціально не підігріваються, та їх температура, як правило, близька до кімнатної. У стаціонарних умовах вся домішка повинна випаруватися з розплаву і осісти на холодних стінках системи. При вирощуванні ж легованих кристалів все відбувається по-іншому. Рівноважний випаровування домішки компенсується механічною подачею в розплав летючого компоненту. Наприклад, найпростіший варіант такого процесу реалізується при рівності відтісняється на фронті кристалізації в розплав в одиницю часу кількості домішки і кількості домішки, що випаровується за цей же час з вільної поверхні розплаву (рис. 6). Необхідна для цього процесу швидкість росту кристала знаходиться з рівняння балансу домішки в розплаві.

За другою схемою вирощування кристалів ведуть в установці із спеціально підігріваються стінками робочої камери. У цьому випадку сі стема є замкнутим, попередньо вакуумованих обсяг з певним температурним полем (рис. 7). У зоні знижених температур поміщають надмірна кількість летючого компоненту (джерело). Температуру основної частини системи, в якій відбувається зростання легованого кристала, вибирають проміжною між температурою джерела і температурою розплаву. Процес кристалізації ведуть так, щоб зміна складу розплаву, викликане сегрегаційний явищами, компенсувалося поглинанням домішки з газової фази розплавом (має встановитися рівноважний розподіл домішки в системі розплав-підживлюються газова фаза). Для отримання однорідного за складом кристала необхідно, щоб рівновага в системі встановлювалися зі швидкістю більшою, ніж швидкість сегрегаційний змін складу рідкої фази. Це можливо тільки при дуже малих швидкостях росту кристала, значно менших, ніж зазвичай використовують на практиці. Тому цей метод при вирощуванні однорідних об'ємних кристалів застосовують порівняно рідко (зазвичай для вирощування концентрованих твердих розчинів тугоплавких матеріалів і диссоциирующих сполук).

Рис. 7. Схема механічної підживлення розплаву парової фазою: 1 - вирощуваний кристал; 2 - розплав; 3 - основний нагрівач; 4 - посудина з летючою домішкою; 5 - допоміжний нагрівач, що регулює тиск пари, швидкість його подачі до поверхні розплаву; 6 - конденсат летючої домішки; 7-термопара.



3.4 Зміна умов вирощування



Вирівнювання складу вирощуваного кристала за допомогою програмного зміни умов росту можна побудувати, виходячи з двох принципів.

Процеси, засновані на першому принципі, зводяться до програмного зміни швидкості витягування і обертання кристала. Ця методика отримала досить широке розповсюдження і має багато модифікацій. Суть методів, заснованих на цьому принципі, зводиться до наступного. Якщо легування кристала проводиться нелетучей домішкою з K <1, то в міру витягування монокристала концентрація домішки в розплаві безперервно збільшується і для отримання рівномірно легованого кристала режим вирощування повинен бути побудований так, щоб у міру росту кристалу коефіцієнт поділу домішки безперервно зменшувався. Управляти зміною K від Kmax до Kmin можна зміною швидкості вирощування кристала V, частоти його обертання ω, а також вибором кристалографічної орієнтації початку і, відповідно, напрямком вирощування.

Згідно з другим принципом параметри системи змінюються так, що склад розплаву протягом процесу вирощування кристала залишається постійним. Цього можна домогтися у випадку, коли підживлення не виробляється і легування кристала здійснюється нелетучей домішкою, зміною обсягу розплаву в ході процесу, тобто або зміною довжини розплавленої зони, або застосовуючи злитки змінного перерізу.

Однак внаслідок складності практичного здійснення ці методи вирівнювання складу на практиці не застосовуються.

У висновку слід зазначити, що з точки зору отримання високо досконалих кристалів, підживлюючий методи внаслідок стаціонарності умов росту кристалів мають істотні переваги перед методами програмного зміни умов росту, при використанні яких, в принципі, важко очікувати отримання досконалих кристалів. Це, у свою чергу, і обумовлює більш широке застосування підживлювальних методів для отримання однорідних кристалів.



4. Розчинність домішок



Для ряду практичних застосувань (створення тунельних діодів, світлодіодів та інших напівпровідникових приладів) необхідно отримувати сильно леговані напівпровідники. Тому є важливим знання граничної розчинності CSmax домішок у матеріалі (у твердій фазі). Під цим терміном мається на увазі концентрація домішки в насиченому твердому розчині, утвореному основною речовиною і даної домішкою. Якщо концентрація домішки в напівпровіднику менше CSmax, то домішка розподіляється в кристалічній решітці моноатомних; якщо перевищує CSmax, то, як показують дослідження, в вирощуваних кристалів з'являються структурні порушення, наприклад, макроскопічні частинки чужорідної фази, що супроводжується різким зростанням, в першу чергу, щільності дислокацій. При легуванні кристалів великими концентраціями домішок важливо мати запас в розчинності, щоб убезпечити кристал від появи подібних структурних порушень.



Рис.8. Залежність Ci і CS від CL.



Крім того, коли мова йде про сильного легуванні напівпровідників електрично активної домішкою (легуючі домішки), то треба мати на увазі, що, наприклад, в елементарних напівпровідниках досить часто спостерігається невідповідність між концентраціями носіїв заряду і електрично активної домішки n (p) <C Smax . Тому було введено також поняття граничної розчинності електрично активної домішки.

Граничною розчинністю електрично активної домішки C im називають максимальну концентрацію електрично активної домішки у твердій фазі, яку можна створити введенням даної домішки. Експериментально C im можна визначити вимірюючи залежність концентрації електрично активної домішки у твердій фазі C i від концентрації домішки в розплаві C L. Якщо C i виміряти за допомогою ефекту Холла, тобто електричним методом, а повну концентрацію домішки у твердій фазі C S виміряти будь-яким іншим методом, наприклад, радіоактивним або мас-спектроскопическим, то загальний вигляд залежностей C i і C S від C L може бути представлений графіком, зображеним на рис. 8. В області досить малих C L значення C S і C i збігаються, а проте, починаючи з деяких C L, крива C i (C L) виявляє тенденцію до насичення, у той час як C S (C L) продовжує рости. Значення C im і є гранична розчинність електрично активної домішки.

При C S <C im домішка розподіляється в решітці моноатомних, створюючи в забороненій зоні локальні енергетичні рівні. При C S > C im розподіл домішки по кристалу перестає бути однорідним. Причому на початку спостерігається невелике розходження в значеннях C i і C S, але незабаром C i досягає свого максимального значення C im, а C S продовжує зростати із зростанням C L. Цей ефект пов'язаний з тим, що при великих концентраціях домішки домішкові атоми, мабуть, можуть утворювати асоціації (комплекси, кластери), що складаються з декількох атомів, а в межі навіть частинки чужорідної фази. Атоми, що утворюють асоціацію, іонізуються лише частково (звідси бачимо невелике розходження в значеннях C i і C S на початку). Можливі й інші причини. Зокрема, при значних концентраціях донорної добавки в напівпровіднику можуть виникати компенсуючі дефекти акцепторного типу (в силу умови електронейтральності кристала).

Таким чином, в сильно легованому напівпровіднику електрично активна домішка може існувати в декількох формах: поодинокі домішкові атоми (іони); асоціації домішкових атомів різного типу; асоціації, що складаються з домішкових атомів і власних дефектів.

При одночасному введенні в напівпровідник двох електроактивних добавок вони за певних умов взаємно впливають на свою граничну розчинність в напівпровіднику. Можливі різні випадки взаємодії домішок при спільному легуванні.



4.1 Взаємодія домішок, пов'язане з електронно-дірковим рівновагою



В якості прикладу розглянемо напівпровідник, який легується донорной домішкою в присутності акцепторної. Якщо в результаті електронно-діркового взаємодії при такому легуванні виникають недиссоциированной або слабодіссоціірованние електронно-діркові пари, то розчинність донора в присутності акцептора зростає. Дійсно,



[C d] ↔ [C + d ] + E (4.1),

[C a] ↔ [C - a ] + H (4.2),

e + H ↔ (eh) (4.3)



Із закону діючих мас слід, що дірки h, утворені внаслідок реакції (4.2), можуть взаємодіяти з електронами e (відповідно до реакції (4.3)), і це змінить рівновагу реакції (4.1) в бік більших значень [C + d ], А отже, і [C d]. Цей процес є ефективним при низьких температурах.

Очевидно, що введення в кристал двох добавок одного знака призводить до взаємного зниження розчинності. Розгляд процесу легування напівпровідника акцепторними домішками в присутності донорной призводить до результатів, аналогічним отриманим для випадку легування напівпровідника донорной домішкою в присутності акцепторної.



4.2 Взаємодія між домішковими іонами, що приводить до утворення нейтральних пар, стійких при низьких температурах



Зазвичай така взаємодія реалізується, якщо один з іонів рухливий. Рухливими іонами в напівпровіднику можуть бути, наприклад, іони домішок впровадження з малими іонними радіусами; таким чином, нейтральні пари можуть утворюватися при взаємодії іона домішки впровадження з іоном домішки заміщення. Реакція взаємодії може бути записана наступним чином:



[A -] + [D +] ↔ [A - D +], (5)



де A - - іон акцептора; D + - іон донора; [A - D +] - нейтральна іонна пара.

Рівняння рівноваги реакції (5)



[C d] ↔ [C + d ] + E (6.1),

[C a] ↔ [C - a ] + H (6.2),

e + H ↔ (eh) (6.3),

[C + d ] + [C - a ] P (6.4),



Освіта нейтральних пар призводить до зміщення рівноваг (6) вправо, а отже, до взаємного збільшення розчинності донора і акцептора.

4.3 Взаємодія між домішковими іонами, що приводить до утворення комплексів, стійких у широкому інтервалі температур



Стійкими можуть бути комплекси, що мають структуру, подібну структурі матриці. Такі комплекси виникають при взаємодії домішок, що утворюють подвійну фазу, подібну за структурою матриці. У потрійній системі елементарний напівпровідник - перша домішка - друга домішка ця фаза знаходиться в рівновазі з елементарним напівпровідником. Протяжність області твердих розчинів на основі елементарного напівпровідника, як правило, найбільша у напрямку ізоструктурного фази.

Присутність дефектів в кристалі звичайно підвищує граничну розчинність домішки в ньому. Так, якщо розчинність обраної домішки збільшується поблизу дислокацій, то в кристалі, що містить дислокації, рівноважна розчинність домішки також буде більше:



C д = C 0 exp (W д / kT), (7)



де C д - рівноважна концентрація домішки поблизу дислокації, C 0-рівноважна концентрація домішки далеко від дислокації, а W д - енергія взаємодії домішкового атома з дислокацією.

З граничною розчинністю електрично активної домішки в кристалах тісно пов'язаний і її коефіцієнт поділу K 0. Аналіз кореляції між граничною розчинністю і коефіцієнтом поділу K 0 електрично активної домішки в германії і кремнії показує зв'язок типу:



X m C im / N 0 ≈ 0.1 K 0, (8)

де X m - Відносна гранична розчинність електрично активної домішки в атомних частках, а N 0 - концентрація атомів основної речовини.

Таким чином, граничні розчинності електрично активних домішок і їх коефіцієнти поділу пов'язані прямо пропорційною залежністю і відображають один і той же процес входження та стійкість положення домішкових атомів у вузлах або міжвузлях кристалічної решітки основної речовини. Зі співвідношення (8) і значень K 0, наведених на рис. 4, можна визначити значення C im, враховуючи, що N 0 для германію і кремнію рівні відповідно 4.5 · 10 22 см - 3 та 5 · 10 22 см - 3.

Широкий діапазон K 0 і C im для різних домішок вказує на одну дуже важливу проблему легування напівпровідникових матеріалів домішками з малою розчинністю і малими K 0: високу вимогу до чистоти самих домішок. Для прикладу порівняємо легування германію галієм, що містить домішка індію у кількості 10 - 4 атомних часток; і легування золотом, що містить домішка галію в тій же кількості. У першому випадку співвідношення концентрацій основної та неосновної домішок у легованому кристалі (з урахуванням відповідних K 0) буде C Ga / C In ≈ 10 6, тобто забрудненням галію індієм можна повністю знехтувати. У другому випадку C Au / C Ga ≈ 1 і, таким чином, саме поняття "основна домішка" втрачає сенс. Особливі вимоги до чистоти золота диктуються ще й тим, що галій (супутня домішка в золоті) відноситься до групи дрібних домішок, тому багатозарядна система глибоких рівнів, створюваних золотом, може бути повністю або частково спотворена.

Список літератури



  1. Горелік С.С., Дашевський М.Я. Матеріалознавство напівпровідників та металознавство. - М., 2008.

  2. Медведєв С.А. Введення в технологію напівпровідникових матеріалів. - М.: Вища школа, 2004.

  3. Омельяновський Е.М., Фістули В.І. Домішки перехідних металів у напівпровідниках. - М., 2003.

  4. Таїров Ю.М., Цвєтков В.Ф. Технологія напівпровідникових і діелектричних матеріалів. - М.: Вища школа, 2007.

  5. Остробородова В.В. Основи технології і матеріалознавства напівпровідників. - M.: Вид. Моск. ун-ту, 2008.

Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Виробництво і технології | Реферат
145.6кб. | скачати


Схожі роботи:
Дослідження процесів іонного легування напівпровідникових матеріалів
Вплив легування цинком на властивості МОН структур
Застосування напівпровідникових приладів
Синтез нанокристалічних напівпровідникових частинок
Фізичні основи напівпровідникових приладів
Ознаки класифікації напівпровідникових приладів
Застосування напівпровідникових діодів і стабілітронів
Оптичні властивості некристалічних напівпровідникових халькогенід
Оптичні властивості некристалічних напівпровідникових халькогенідів
© Усі права захищені
написати до нас