3. Особенности и получение реальных р-п-переходов

В идеальном р-п-переходе обратный ток [см. (1.20)1 уже при срав­нительно небольшом обратном напряжении не зависит от значения последнего. Однако при исследованиях реальных р-п-переходов на­блюдается достаточно сильное увеличение обратного тока при увели­чении приложенного напряжения, причем в кремниевых структурах обратный ток на 2—3 порядка превышает тепловой ток. Такое отличие экспериментальных данных от теоретических объясняется термоге­нерацией носителей заряда непосредственно в области р-п-перехода и существованием канальных токов и токов утечки.

Канальные токи обусловлены наличием поверхностных энерге­тических состояний, искривляющих энергетические зоны вблизи поверхности и приводящих к появлению инверсных слоев. Эти слои называют каналами, а токи, протекающие через переход между ин­версным слоем и соседней областью, — канальными токами.

Емкости р-п-перехода. Наряду с электропроводностью, которой обладает р-п-переход, он имеет определенную емкость. Емкостные свойства обусловлены наличием по обе стороны от границы электри­ческих зарядов, которые созданы ионами примесей, а также подвиж­ными носителями заряда, находящимися вблизи границы р-п-пере­хода.

Емкость р-п-перехода подразделяют на две составляющие: барь­ерную емкость, отражающую перераспределение зарядов в р-п-пере­ходе, и диффузионную емкость, отражающую перераспределение за­рядов вблизи р-п-перехода. При прямом смещении перехода в основ­ном проявляется диффузионная емкость. При обратном смещени

и

(режим экстракции) заряды вблизи р-п-перехода (в базе) меняются мало и главную роль играет барьерная емкость.

Так как внешнее напряжение влияет на ширину р-п-перехода, значение пространственного заряда и концентрацию инжектирован­ных носителей заряда, емкость р-п-перехода зависит от приложенного

напряжения и его полярности.

Барьерная емкость C_Gap обусловлена наличием в р-п-переходе ионов донорной и акцепторной примесей, которые образуют как бы две за­

ряженные обкладки конденсатора. При изменении запирающего на­пряжения, например увеличении, ширина р-п-перехода увеличивает­ся и часть подвижных носителей заряда (электронов в области п и дырок в области р) отсасывается электрическим полем от слоев, при­легающих к переходу. Перемеще-

Ние тока при изменении полярности напряжения (б):

1 — плавный переход; 2 — резкий переход

ние этих носителей заряда вызы­вает в цепи ток

. ^Qnep dt

^С^- (1.21)

Рис. 1.11. Вольт-фарадные характе­ристики р-н-перехода (а) и измене­

где dQ^ldt — изменение заряда обедненного слоя р-п-перехода. Этот ток становится равным нулю по окончании переходного процес­са изменения границ р-п-перехода.

Величину С_бар для резкого перехода можно определить из при­ближенного выражения

где 1₀ — толщина р-п-перехода при С/ = 0.

С увеличением приложенного обратного напряжения U барьер­ная емкость уменьшается из-за увеличения толщины перехода ! (рис. 1.11, а). Зависимость С_6ЛР = f (U) называют вольт-фарадной характеристикой.

При подключении к р-п-переходу прямого напряжения барьерная емкость увеличивается вследствие уменьшения I. Однако в этом слу­чае приращение зарядов за счет инжекции играет большую роль и емкость р-п-перехода определяется в основном диффузионной состав­ляющей. . емкости.

Диффузионная емкость отражает физический процесс изменения концентраций подвижных носителей заряда, накопленных в областях, вследствие изменения концентрации инжектированных носителей.

Влияние диффузионной емкости можно пояснить следующим при­мером. Пусть через р-п-переход протекает прямой ток, обусловлен­ный инжекцией дырок в базовую область. В базе накоплены избыточ­ный заряд неосновных носителей, пропорциональный этому току, и 30заряд основных носителей, обеспечивающий электронейтральность полупроводника. При быстром изменении полярности приложенного напряжения инжектированные дырки не успевают рекомбинировать и под действием обратного напряжения переходят назад в область эмиттера. Основные носители заряда движутся в противоположную сторону и уходят по шине питания. При этом обратный ток сильно увеличивается. Постепенно избыточный заряд дырой в базеГисчезает (рассасывается) за счет рекомбинации их с электронами и возвраще­ния в p-область. Обратный ток уменьшается до статического значения (рис. 1.11, б).

Рис. 1.12. Энергетическая зонная диаграмма, поясняющая туннель­ный р-п-переход электрона (а); вольт-амперная характеристика р-п-перехода (б):

1 — лавинный пробой; ^— туннельный пробой; 3 —тепловой пробой

Переход р-п ведет себя подобно емкости, причем заряд диффузион­ной емкости прямо пропорционален прямому току, протекавшему ранее через р-п-переход.

Пробой р-л-перехода. Под пробоем р-п-перехода понимают значи­тельное уменьшение обратного сопротивления, сопровождающееся возрастанием обратного тока при увеличении приложенного напря­жения. Различают три вида пробоя: туннельный, лавинный и тепло­вой.

В основе туннельного пробоя лежит туннельный эффект, т. е. «про­сачивание» электронов сквозь потенциальный барьер, высота кото­рого больше, чем энергия носителей заряда. Иными словами, туннель­ный пробой наступает тогда, когда напряженность электрического поля возрастает настолько, что становится возможным туннельный переход электронов из валентной зоны полупроводника с электро­проводностью одного типа в зону проводимости полупроводника с электропроводностью другого типа (рис. 1.12, а). Туннельный пробой чаще всего возникает у полупроводниковых приборов, имеющих уз­кий р-п-переход и малое значение удельного сопротивления, причем напряженность электрического поля должна быть достаточно высо­кой (более 10® В/см). При такой напряженности энергетические зоны искривляются настолько, что энергия электронов валентной зоны полупроводника p-типа становится такой же, как и энергия сво-

бодных электронов зоны проводимости полупроводника n-типа. В ре зультате перехода электронов «по горизонтали» из области р в область п возникает туннельный ток. Начало туннельного пробоя оценивается по десятикратному превышению туннельного тока над обратным. При увеличении температуры напряжение, при котором возникает тун­нельный пробой, уменьшается. Вольт-амперная характеристика 2 туннельного пробоя представлена на рис. 1.12, б.

Лавинный пробой вызывается ударной ионизацией. Ударная ио­низация происходит, когда напряженность электрического поля, выз­ванная обратным напряжением, достаточно велика и неосновные но­сители заряда, движущиеся через р-п-переход, ускоряются настоль­ко, что при соударении с атомами в зоне р-п-перехода ионизируют их. В результате появляется пара электрон —⁷дырка. Вновь появившие­ся носители заряда ускоряются электрическим полем и в свою оче­редь могут вызвать ионизацию следующего атома и т. д. Если процесс ударной ионизации идет лавинообразно, то по тому же закону увели­чиваются количество носителей заряда и обратный ток. При лавинной ионизации ток в цепи ограничен только внешним сопротивлением. Для количественной характеристики этого процесса используется коэффициент лавинного умножения М_л, который показывает, во сколько раз ток, протекающий через р-п-переход, больше обратного тока:

I = М _л1₀§р.

Коэффициент Мд можно определить из эмпирического выражения

Мл = - ⁵ —. (1.23)

1. (^/^проб. лав)

где ^проб лав — напряжение, при котором возникает лавинный про­бой и Мд оо; п = 3 для p-Si и n-Ge, п = 5 для p-Ge и n-Si.

Лавинный пробой возникает в сравнительно высокоомных полу­проводниках, имеющих достаточно большую ширину п-п-перехода. Напряжение лавинного пробоя зависит от температуры полупровод­ника и увеличивается с ее увеличением из-за сокращения длины сво­бодного пробега носителей заряда. При лавинном пробое падение на­пряжения на р-п-переходе остается постоянным (/ на рис. 1.12, б).

Тепловой пробой возникает в результате разогрева р-п-перехода,' когда количество теплоты, выделяемой током в р-п-переходе, больше количества теплоты, отводимой от него. При разогреве р-п-перехода происходит интенсивная генерация электронно-дырочных пар и уве­личение обратного тока через р-п-переход. Это, в свою очередь, при­водит к дальнейшему увеличению температуры и обратного тока. В итоге ток через р-п-переход лавинообразно увеличивается и насту­пает тепловой пробой (3 на рис. 1.12, б).

5. Следует заметить, что один вид пробоя может наступать как след­ствие другого вида пробоя.ОСНОВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ И ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

Рассмотрим некоторые технологические процессы, применяемые при изготовлении полупроводниковых приборов и интегральных мик­росхем.

Сплавление полупроводника с металлами или их сплавами — это технологический процесс, который состоит в том, что в пластину по­лупроводника вплавляют металл или сплав металла, содержащий примеси, необходимые для образования зоны с электропроводностью требуемого типа. Для сплавления полупроводника с металлами на пластину полупроводника помещают таблетку примеси. Затем систе­му нагревают до температуры, при которой примесь расплавится и начнется частичное растворение материала полупроводника в примес­ном материале. После охлаждения в полупроводнике образуется об­ласть с электропроводностью требуемого типа. Сплавные р-п-пере- ходы относятся к числу резких (ступенчатых). Они имеют высокую надежность, работоспособны при больших обратных напряжениях, имеют малое собственное сопротивление областей р и п, что при пря­мом смещении р-^-перехода обеспечивает малое падение напряжения на них. Этот технологический процесс широко применяют при массо­вом изготовлении сплавных диодов и транзисторов.

Электрохимические методы получения р-п-переходов применяют, когда необходимы малые расстояния между областями р и п (на­пример, в транзисторе можно получать расстояние между эмиттером и коллектором порядка 3—4 мкм). Сущность метода состоит в элект­рохимическом осаждении металла на поверхность полупроводника. В результате реакции образуется контакт металл — полупровод­ник, свойства которого зависят от физических характеристик мате­риалов.

В некоторых случаях применяют комбинирование электрохими­ческого осаждения и сплавления. Для этого полупроводник, в лун­ках которого произведено осаждение металла, нагревают до темпе­ратуры, необходимой для вплавления последнего в полупроводник. Такую технологию создания р-п-переходов называют микросплавной.

Переходы р-п, полученные электрохимическим осаждением и сплавлением, обычно используют при производстве высокочастотных полупроводниковых приборов.

Диффузия — это процесс, с помощью которого на поверхности или внутри пластины полупроводника получают области р или п путем введения акцепторных или донорных примесей. Проникновение примесей внутрь пластины полупроводника происходит за счет диф­фузии атомов, находящихся в составе паров, в атмосферу которых помещена нагретая до высокой температуры полупроводниковая пла­стина.

Так как атомы примеси диффундируют из области высокой кон­центрации со скоростью, определяемой коэффициентом диффузии, то наибольшая концентрация примесей наблюдается у поверхности

Зак. 981 33полупроводника. С увеличением расстояния от поверхности в глубь полупроводника концентрация примесей монотонно убывает.

Переход р-п возникает в области, где концентрация носителей за­ряда близка к той, которая имеется у материала без примеси (при собственной электропроводности). Ввиду неравномерного распреде­ления примеси по толщине в области, полученной диффузией, будет действовать собственное электрическое поле.

Разница в значении коэффициентов диффузии для применяемых материалов использована для одновременного получения двух об­ластей с разным типом электропроводности. Так, для германия ко­эффициент диффузии донорных примесей на несколько порядков выше коэффициента диффузии акцепторных примесей, а в кремнии наблю­дается обратная картина. Поэтому, если пластину полупроводника поместить в высокотемпературную среду газа, содержащего пары как донорных, так и акцепторных примесей, атомы примесей с боль­шим коэффициентом диффузии проникнут глубже внутрь полупро­водника и создадут область с соответствующей электропроводностью, атомы примесей с меньшим коэффициентом диффузии образуют вбли­зи поверхности полупроводника область с противоположным типом электропроводности. При этом необходимо, чтобы концентрация при­месей с малым коэффициентом диффузии была значительно больше концентрации примеси с ббльшим коэффициентом диффузии. Качест­во процесса диффузионного получения переходов во многом зависит от точности поддержания требуемой температуры. Например, при температуре 1000—1300° С изменение ее на несколько градусов может в два раза изменить коэффициент диффузии.

Двухстадийную (двухэтапную) диффузию применяют для умень­шения влияний изменения температуры на качество полупроводнико­вых приборов, получаемых методом диффузии. В первой стадии на поверхности полупроводниковой пластины при сравнительно низкой температуре получают стеклообразный слой, содержащий легирующие примеси. Во второй — полупроводниковую пластину помещают в печь с более высокой температурой, при которой диффузия примесей происходит из стеклообразного слоя в глубь пластины, а на поверх­ности полупроводника остается диэлектрическая пленка окисла. Двухстадийный процесс диффузии часто используют при введении примесей бора в кремний. В качестве источника примесей использу- ешя борный ангидрид В₂О₈. Нагревая пластину и борный ангидрид в атмосфере водорода, на поверхности ее получают слой боросили­катного стекла. Нагрев пластины до более высокой температуры обес­печивает диффузию бора из слоя стекла внутрь пластины. При этом поверхность оказывается покрытой окислом SiO₂, который является диэлектриком. Таким образом, при двухстадийной диффузии осущест­вляется дозированное введение примесей из стеклообразного слоя в полупроводник.

Эпитаксией называют процесс выращивания одного монокристалла на грани другого. Полупроводниковые эпитаксиальные пленки могут быть получены различными способами: термическим испарением в вакууме, осаждением из парообразной фазы, распылением в газовом

промежутке. Изменяя тип примеси и условия выращивания, можно в широких пределах изменять электрические свойства эпитакси­альной пленки. Следует отметить, что процесс эпитаксии при изго­товлении полупроводниковых элементов может заменить процесс диф­фузии. Однако он существенно дороже последнего. Тем не менее этот технологический процесс используют при изготовлении полупро­водниковых приборов, когда из-за ограниченной предельной раство­римости примесей нельзя провести более трех диффузий.

Ионное легирование сводится к бомбардировке в вакууме нагре­той полупроводниковой пластины ионами примеси, ускоренными до определенной скорости. Ионы, внедрившиеся в полупроводниковую пластину, играют роль донорных или акцепторных примесей. Это позволяет., не прибегая к процессу диффузии, получать зоны, имею­щие определенный тип электропроводности.

В настоящее время в производстве полупроводниковых приборов используют ионную имплантацию — легирование примесями одного из изотопов бора. При этом для маскирования используют или тон­кий слой алюминия, или толстый слой двуокиси кремния.

Вакуумное напыление заключается в следующем. Напыляемый металл нагревают в вакууме до температуры испарения. Затем его осаждают на покрываемую поверхность, имеющую сравнительно низ­кую температуру. Для получения требуемого «рисунка» напыление производят через металлические маски, имеющие соответствующие прорези.

Катодное распыление применяют для осаждения тугоплавких соединений. Процесс основан на явлении разрушения катода при бом­бардировке его ионизированными атомами разреженного газа. Инерт­ный газ, например аргон, вводят в испарительную камеру под давле­нием 1—10³ Па. В системе создают тлеющий разряд. Ионы газа ин­тенсивно бомбардируют катод, в результате чего его атомы приобре­тают необходимую энергию и вылетают с поверхности катода. Затем они попадают на полупроводниковые пластины и, оседая на них, по­крывают полупроводник слоем металла.

Электролитическое и химическое осаждение применяют при на­личии электропроводной подложки из инертного по отношению к электролиту материала. На нее электролитическим или химическим путем осаждается пленка из водного раствора солей металлов (элект­ролита).

Окисное маскирование используют для того, чтобы обеспечить диффузию только в определенные участки пластины, а остальную поверхность защитить от проникновения атомов примеси. Хорошей маской, ограничивающей области диффузии, является двуокись крем­ния SiO₂. Это объясняется тем, что скорость диффузии примесей в дву­окиси кремния значительно меньше, чем в чистом кремнии. Кроме то­го, двуокись кремния является хорошим диэлектриком. Поэтому окис­ление — неотъемлемый этап технологического процесса изготовле­ния интегральных микросхем. Для получения окисла пластину на­гревают до температуры 900—1200° С в атмосфере влажного кисло­рода. В полученной пленке окисла согласно схеме в последующем вы-

травливают окна. Этот процесс обычно применяют при изготовлении кремниевых интегральных микросхем.

Фотолитография — это процесс получения на поверхности пла­стины требуемого рисунка. Поверхность полупроводника, маскиро­ванного окисной пленкой, покрывают фоторезистом (светочувстви­тельным слоем). Затем для обеспечения равномерности покрытия пластину помещают на центрифугу и сушат. Следующий этап — экс­понирование поверхности ультрафиолетовым излучением через мас­ку, на которой выполнен требуемый рисунок в виде прозрачных и непрозрачных участков. Участки фоторезиста, оказавшиеся освещен­ными, будут задублены, а с неосвещенных (незадубленных) участков фоторезист удаляют специальным составом.

Травление используют для того, чтобы с участков, не защищен­ных задубленным фоторезистом, двуокись кремния стравить плави­ковой кислотой. В результате в окисной пленке образуются окна, че­рез которые и производится диффузия.