Полупроводники

Процесс характеризуется  смещением уровня Ферми от дна  зоны проводимости к валентной зоне. В области температур Т>Т₂ увеличение концентрации свободных электронов происходит за счет перехода их из валентной зоны в зону проводимости (происходит ионизация атомов основного вещества). При этом уровень Ферми располагается, как и в собственном полупроводнике, посередине запрещенной зоны. С увеличением концентрации примеси участка кривых, соответствующие примесной проводимости, смещаются вверх, что следует из формулы (1.6). Кроме того, с увеличением уменьшается расстояние между примесными атомами, что приводит к более сильному взаимодействию электронных оболочек примесных атомов и расщеплению дискретных энергетических уровней в примесные зоны. Соответственно уменьшается энергия ионизации примесей . При достаточно большой концентрации доноров () их энергия ионизации обращается в нуль, так как образовавшаяся примесная зона перекрывается зоной проводимости. Такой полупроводник является вырожденным. Концентрация электронов в вырожденном полупроводнике n - типа постоянна во всем диапазоне примесной проводимости. Вырожденный полупроводник способен проводить электрический ток даже при очень низких температурах. Перечисленные свойства роднят вырожденные полупроводники с металлами. Поэтому их иногда называют полуметаллами.

Все рассмотренные  закономерности аналогичным образом  проявляются в полупроводниках  р-типа.

1.3 Температурная зависимость  подвижности носителей  заряда

Температурную зависимость подвижности носителей ?(Т) определяют различные механизмы рассеяния:

v на тепловых  колебаниях атомов или ионов  кристаллической решетки

(на фононах);

v на примесных  атомах (ионизированных и нейтральных);

v на дефектах  кристаллической структуры (дислокациях,  вакансиях, границах зерен и т.п.);

v на поверхности  материала (механизм, имеющий основное  значение для тонких пленок).

Основными механизмами  рассеяния являются первые два.

Рассеяние носителей заряда на фононаx

При этом механизме  рассеянии длина свободного пробега обратно пропорциональна температуре ~. В соответствии с классической статистикой тепловая скорость носителей заряда определяется выражением <V>~. Обозначив через ?_T подвижность, обусловленную рассеянием носителей заряда на фононах, получим ?_T~, т.е. подвижность уменьшается с ростом температуры.

Рисунок 1.4 - Подвижность  носителей заряда для собственного полупроводника

Рассеяние на тепловых колебаниях решетки играет доминирующую роль при повышенных температурах. В области пониженных температур основное значение имеет рассеяние на примесных атомах.

Рассеяние на ионизированных примесных  атомах

При этом каждый ионизированный атом создает вокруг себя кулоновское поле, ослабленное  по сравнению с вакуумом в раз. Движущиеся носители заряда, попадая  в область действия этого поля, испытывают кулоновское взаимодействие, вследствие чего искривляют свою первоначальную траекторию. Чем больше суммарная скорость движения носителей, тем меньше времени он пребывает вблизи заряженного атома, тем ниже эффективность рассеяния. Длина свободного пробега носителей растет с увеличением скорости их движения по закону

(1.8)

Существенное  влияние на рассеяние оказывает  и концентрация ионизированных примесей N_n. Чем больше количество ионов, тем меньше расстояние между ними и тем ближе должны проходить носители относительно заряженного центра. Поэтому обратно пропорциональна концентрации примеси

?_n~ (1.9)

В случае преобладания рассеяния носителей заряда на ионизированных примесях подвижность u_n возрастает с ростом температуры. Если в рассеянии носителей заряда участвуют оба механизма, то результирующая подвижность может быть найдена с помощью соотношения .

В диапазоне  малых температур с повышением температуры  уменьшаются тепловые скорости хаотического движения носителей заряда, что приводит к увеличению времени пребывания носителя вблизи иона примеси, т.е. увеличивается длительность воздействия электрического поля иона примеси на носитель заряда. Поэтому в диапазоне малых температур с уменьшением температуры подвижность носителей также уменьшается

Рисунок 1.5 - Температурная  зависимость подвижности при  различных концентрациях примеси.

Температурная зависимость подвижности ?(T) выражается кривой с отчетливо выраженным максимумом, как показано на рисунке 1.5 для различных  концентраций примесных атомов. С увеличением концентрации примесей максимум подвижности уменьшается и смещается в сторону более высоких температур.

При очень низких температурах, когда примеси слабо  ионизированы, рассеяние носителей  заряда происходит на нейтральных атомах примеси. При наличии только этого механизма рассеяния подвижность не зависит от температуры, а определяется только концентрацией примеси.

Использовались  источники [1, 2].

2. Полупроводниковые  материалы Si и  Ge

2.1 Основные сведения  о кристаллическом  строении

Германий(Ge) и  кремний(Si) - элементы 4-й группы периодической  системы элементов - образуют кристаллы  по правилу 8-N. Следовательно, по правилу 8-N для насыщения связей каждый атом в кристалле должен быть связан с  четырьмя соседними атомами (рис. 2.1).

Рисунок 2.1 - Кристаллическое строение кремния

Каждые два  соседних атома имеют два общих  электрона, вращающихся вокруг обоих  ядер.

Для материалов характерен ковалентный тип связи, которая прочна и поэтому валентные  кристаллы отличаются высокой температурой плавления, большой твердостью и малой летучестью.

Кремний является вторым по распространенности элементом  земной коры - его содержание в ней  по массе составляет 27,6%. В природе  кремний встречается

только в соединениях  в виде окисла и в солях кремниевых кислот. Чистота природной окиси  кремния в виде монокристаллов кварца достигает 99,99%; в ряде месторождений  чистота песка - 99,8…99,9%.

Германий является редким сильно рассеянным элементом; германий не имеет своих руд; в ничтожных количествах германий содержится в цинковых рудах, в каменном угле, золе, саже и морской воде.

Содержание его  в земной коре ~710^-4 %.

2.2 Получение и выращивание  монокристаллов

Существование и основные свойства германия предсказал в 1870 г. Д.И. Менделеев, назвал его экасилицием. В 1886 г. немецкий химик К. Винклер обнаружил в минеральном сырье новый элемент, который назвал германием. Германий оказался тождественным экасилицию. Открытие германия явилось торжеством Периодического закона Д.И. Менделеева.

Германий относится  к числу сильно рассеянных элементов, т.е. часто встречается в природе, но присутствует в различных минералах  в очень небольших количествах. Получение Ge в элементарном виде вызывает большие затруднения. В настоящее время источником промышленного получения Ge являются побочные продукты цинкового производства, коксования углей, а также германиевые концентраты, получаемые из медных, свинцовых, цинковых руд.

В результате химической переработки исходного сырья  образуется тетрахлорид германия GeCI₄, который представляет собой жидкость с невысокой температурой кипения Т_кип= 83 °С. Жидкость подвергают глубокой очистке, используя методы экстракции и ректификации, после чего очищенный GeCl₄ путем гидролиза

переводят в  двуокись согласно реакции:

GeCl₄+2H₂O - GeO₂ + 4HC1.

Элементарный Ge получают путем восстановления двуокиси чистым водородом:

GeO₂ + 2Н₂ - Ge +2Н₂О.

Процесс водородного  восстановления проводят в электрических  печах при Т=650…700 °С с использованием графита в качестве тигельного материала.

2.3 Метод Чохральского  и метод зонной  плавки

Монокристаллы кремния для микроэлектроники и  приборостроения в основном получают методами Чохральского и бестигельной зонной плавки (БЗП).

По методу Чохральского производят вытягивание вверх на затравку монокристалла из ванны с расплавом. Нагрев обычно осуществляют при помощи СВЧ излучения. Для снятия возникающих напряжений используют дополнительную печь, через которую проходит выращиваемый кристалл и отжигается.

Зонная плавка заключается в прогонке зоны расплава по длине заготовки монокристалла, одновременно в зоне расплава концентрируются примеси и происходит очистка кристалла, конечную часть которого затем удаляют. Нагрев осуществляется индукционным, радиационно-оптическим или другим методом.

Перспектива дальнейшего  развития обоих методов не вызывает сомнения. Первый обеспечивает высокую  степень кристаллического совершенства и отличается достаточно простым оборудованием и технологией. Второй при довольно сложном aппapaтуpнoм оформлении позволяет получать суперчистые монокристаллы. Последние применяют для спецприборов и в качестве исходного материала для нейтронной: легирования, в результате чего получают кремний n_типа проводимости с чрезвычайно высокой степенью однородности (-3%) удельного сопротивления по объему монокристалла.

Несмотря на очевидные преимущества монокристаллов, выращенных методом БЗП, большую  часть кремния для ИС производят методом Чохральского, хотя при выращивании монокристаллов из кварцевого тигля кремний насыщается кислородом и другими примесями. Преимущества метода Чохральского обусловлены возможностью увеличения размеров кристаллов, достижением повышенных требований к и структурному совершенству.

2.4 Основные физико-химические  и электрофизические  свойства

Чистый германий обладает металлическим блеском, характеризуется  относительно высокими твердостью и  хрупкостью. Подобно кремнию он кристаллизуется  в структуре алмаза.

Кристаллический германий химически устойчив на воздухе при комнатной температуре. При нагревании на воздухе до температуры выше 650 °С он окисляется с образованием двуокиси GeO₂. В большинстве случаев образующаяся двуокись германия представляет собой смесь аморфной и гексагональной модификаций, которые обладают заметной растворимостью в воде. Из-за нестабильности свойств собственный окисел на поверхности германия, в отличие от собственной окисла кремния, не может служить надежной защитой материала при проведении процессов планарной технологии (фотолитографии и локальной диффузии).

Германий обладает относительно невысокой температурой плавления (936 °С) и ничтожно малым давлением насыщенного пара при этой температуре. Отмеченное обстоятельство существенно упрощает технику кристаллизационной очистки и выращивания монокристаллов. Даже в расплавленном состоянии германий практически не взаимодействует с графитом и кварцевым стеклом, что позволяет использовать их в качестве тиглей и лодочек при проведении металлургических процессов.

 

Таблица 2.1 - Основные свойства германия и кремния гексагональной модификации

Жидкий германий обладает способностью интенсивно поглощать  водород, предельная растворимость  которого в твердой фазе не превышает, однако, 4-10²⁴м~³, причем водород является электрически нейтральной примесью.

Ширина запрещенной  зоны германия и кремния изменяется с температурой по линейному закону: (Эв). В нормальных условиях чистый Ge прозрачен для электромагнитного  излучения с , чистый Si - для излучения  с .

2.5 Осаждение эпитаксиальных слоев кремния

В планарной  технологии кремниевых приборов и интегральных микросхем важную роль играют процессы эпитаксиального осаждения тонких слоев. Наиболее распространенный вариант  промышленной технологии получения  кремниевых эпитаксиальных слоев базируется на процессе водородного восстановления тетрахлорида кремния в соответствии с реакцией