Технологии получения полупроводниковых материалов

Зависимость проводимости от напряженности электрического поля

Характер зависимости удельной электропроводности у полупро­водников от напряженности электрического поля Е в широком ин­тервале, представленной на рис. 16.4, такой же как и в случае твердых и жидких диэлектриков.

До напряженности электрического поля, называемой критической E_кр, удельная элек­тропроводность σ не зависит от напряженности поля, т.е. соблюдает­ся закон Ома - j = σ Е. Выше Е _кр удельная электропроводность σ с увеличением напряженности поля возрастает по экспоненциальному закону σ= σ_0··ехр·β√ Е, где β - коэффициент, зависящий от природы по­лупроводника. При Е = Е_пр наступает пробой. С повышением темпе­ратуры кривая зависимости у = «J(E) перемещается вверх, а наклон возрастающей части становится меньше,

Рис. 16.4.  

Исходя из того, что удельная элек­тропроводность у полупроводников определяется концентрацией свободных носителей заряда п и их подвижностью а, мож­но заключить следующее.

В области слабых электрических полей п и а не зависят от напря­женности поля. В этой области под действием электрического поля изменяются только направления скоростей носителей заряда.

В области сильных электрических полей с увеличением напря­женности поля подвижность свободных носителей заряда а может как уменьшаться (чаще всего), так и возрастать; концентрация носи­телей заряда п и, следовательно, электропроводность всегда возрас­тают.

Различают несколько механизмов увеличения концентрации но­сителей заряда - термоэлектронную ионизацию, туннельный эф­фект и ударную ионизацию.

Глубина очистки полупроводникового материала должна быть такой, чтобы очищенный материал имел удельное сопротивление, близкое собственному сопротивлению. Для этого требуется снизить в нем содержание случайных примесей до очень низкой концентра­ции, например у Ge и Si до 10¹⁹-10¹⁷ атомов на кубический метр.

Один из эффективных методов глубокой очистки полупроводни­ковых материалов - метод зонной плавки - состоит из следующих основных операций. Поликристаллический полупроводниковый ма­териал, полученный после предварительной очистки, помещают в графитовую или кварцевую лодочку (тигель), которую затем медлен­но перемещают сквозь виток высокочастотного (ВЧ) индуктора либо виток индуктора перемещают вдоль лодочки с материалом (рис. 16.5, а). Зонная плавка проводится в вакууме или в защитной (инертной) среде. Под действием тока высокой частоты материал под витком индуктора расплавляется и образуется узкая расплавлен­ная зона шириной обычно не более 0,1 длины слитка. Примеси,

содержащиеся в полупроводниковом материале, лучше растворяются в жидкой фазе, чем в твердой.

Рис. 16.5.  

Поэтому при перемещении индуктора вдоль всей длины лодочки примеси вместе с расплавленной зоной будут также перемещаться в противоположный конец слитка и там концентрироваться. Индуктор перемещают с определенной скоро­стью, примерно равной 0,1-2 мм/мин. При повторении этой опера­ции несколько раз (иногда несколько десятков раз) полупроводник приобретет необходимую степень чистоты. На практике обычно де­ лают несколько витков УВЧ индуктора и тем самым создают не­сколько расплавленных зон. Каждая зона захватывает определенное количество примесей и пере носит их в конец слитка, который затем отрезают и направляют на повторную очистку. Длина отрезанной части слитка обычно составляет 20-25 мм. Этим методом очищают германий.

Глубокую очистку полупроводников (например, кремния), которые в расплавленном состоянии химически взаимодействуют с материалом лодочки (тигля) - графитом, производят методом бестигельной зонной плавки (см. рис. 31.5, 6). в этом случае слиток закрепляют в вертикальном положении, а расплавленную зону, образовавшуюся под витком ВЧ индуктора, перемещают вдоль слитка вниз или вверх, концентрируя примеси в одном из концов слитка. Образовавшаяся узкая расплавленная зона удерживает между собой твердые части слитка за счет сил поверхностного натяжения. Поэтому этот метод очистки можно при менять только для материалов, имеющих достаточно высокое поверхностное натяжение (кремний, германий).

Методы зонной плавки сочетают высокую производительность с глубокой очисткой материала. Эффективность процесса определяет­ся шириной расплавленной зоны и скоростью ее перемещения.

Из поликристаллического слитка, очищенного с помощью одного из рассмотренных методов зонной плавки, выращивают совершенные монокристаллы (нелегированные или легированные), производят эпитаксиальные слои или непосредственно используют в производстве некоторых типов полупроводниковых приборов (например, солнечных батарей из кремния).

Для получения объемных монокристаллов используют следующие основные способы: 1) вышерассмотренные методы зонной плавки (тигельный и бестигельный); 2) метод вытягивания монокри­сталла из расплава; 3) метод гарниссажной плавки. Эти методы применяют для получения как легированных, так и нелегированных монокристаллов из полупроводников как простых, так и химических соединений. Чтобы исключить влияние воздушной среды, производство монокристаллов всеми перечисленными методами осуществляют в вакууме, в защитной газовой среде или под флюсом.

Монокристаллические слитки можно получать непосредственно I в процессе их очистки методом зонной плавки. Для этого в образовавшуюся начальную расплавленную зону помещают затравку - кусочек кристалла данного полупроводника. По мере перемещения индуктора расплавленная зона, затвердевая, будет повторять кристаллографическую структуру затравки.

Метод получения монокристаллов путем вытягивания их из расплава (метод Чохральского) заключается в следующем (рис. 16.6).

Рис. 16.6.  

Затравку из кусочка монокристалла закрепляют на конце штока, ориентируя его в нужном кристаллографическом направлении. Шток осуществляет два вида движения: поступательное (вверх - вниз) и вращательное вокруг собственной оси. Поликристаллический по­лупроводник, предварительно подвергнутый глубокой очистке, по­мещают в тигель. Создав в камере вакуум (или защитную среду), полупроводник расплавляют. Затем приводят в движение шток, и за­травку вводят в соприкосновение с поверхностью расплава. Когда затравка оплавится и обеспечится ее смачивание расплавом, шток с затравкой начинают поднимать со скоростью 10-5-10-4 м/с. Одно­временно шток вращают вокруг оси для лучшего перемешивания расплава и выравнивания температуры, чтобы избежать преимущест­венного роста монокристалла в какую-либо сторону. По мере подъе­ма затравки столбик расплава, тянущийся за ней, попадая в область более низких температур, остывает и направленно кристаллизуется. Кристаллизация происходит с той же ориентацией, которую имела затравка. Диаметр образующегося слитка можно регулировать с по­мощью температуры: при небольшом понижении температуры диа­метр слитка увеличивается, а при повышении - уменьшается. Чтобы монокристаллы имели строго постоянный диаметр по всей длине, необходимо температуру расплава поддерживать постоянной с точностью до десятых долей градуса.

Монокристаллы можно получать гарниссажным методом Чохральского, являющимся разновидностью бестигельной зонной плавки. Этот метод предусматривает расплавление не всего объема полу­проводника, а только его части (рис. 31.7).

Рис. 16.6.  

Расплавленная зона образуется под действием электронннолучевого нагрева в вакууме. Из этой расплавленной зоны и вытягивают монокристалл примерно таким же образом, как и в методе Чохральского. Преимуществом Гарниссажного метода является большая однородность получаемых монокристаллических слитков и малое содержание в них кислорода, а недостатком - повышенная плотность дислокаций.

Для очистки и направленной кристаллизации полупроводни­ковых химических соединений А^ШВ^V (GaP и 1пР, GaAs и InAs) получил распространение метод газовых транспортных реакций. Сущность метода заключается в том, что очищаемый твердый полу­проводник, взаимодействуя с определенным газообразным веществом, образует газообразные продукты. Образовавшиеся газообраз­ные продукты перемещаются в другую часть системы, в которой иные условия равновесия (Т и Р); там они разлагаются с выделени­ ем из газовой среды исходного твердого полупроводника, но уже в виде крупных кристаллов высокой степени чистоты. Этот метод можно также использовать для глубокой очистки простых по­лупроводников и производства эпитаксиальных слоев.

Эпитаксиальные слои (структуры) - это тонкие (20-100 мкм) монокристаллические слои полупроводника, осажденные на поверх­ности кристалла-подложки и сохранившие кристаллографическую ориентацию последнего.

Про­цесс осаждения полупроводникового материала получил название эпuтаксuu.

В качестве кристалла-подложки используют полупроводник или диэлектрик толщиной 200-300 мкм. Эпитаксия атомов простых полупроводников происходит в результате их испаре­ния или сублимации, или распыления в разряде и т.д. и осаждения на подложке. Эпитаксиальные пленки из полупроводников простых и химических соединений получают также с помощью газовых транспортных реакций. Например, для получения эпитаксиального слоя из кремния обычно используют хлоридный способ, основанный на следующей реакции:

SiCI₄ + 2Н₂ → 4НСl + Si

Газ Газ Газ Тверд.

Из газовой фазы кремний непосредственно кристаллизуется на под­ложке, образуя эпитаксиальный слой.

Разработка технологии получения эпитаксиальных слоев была стимулирована интенсивным развитием микроэлектроники. Исполь­зование эпитаксиальных слоев выгодно потому, что электрофизиче­ские процессы в большинстве полупроводниковых приборов проте­кают в очень узких граничных или поверхностных слоях. Остальная же часть монокристалла не только не участвует в работе прибора, но увеличивает его массу и стоимость и обычно ухудшает параметры са­мого полупроводникового прибора.

РАЗДЕЛ 12. «МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ»

Дата добавления: 2017-01-13