11п\п представляют собой очень многочисленный класс материалов. Самым существенным признаком п\п является электропроводность, меньшая, чем у проводников, и большая, чем у ди­электриков. Удельное электросопротивление п\п изменяет­ся а пределах 10^-2 -10⁹ Ω*cм.

П\п-ми св-ми могут обладать как неорга­нические, так и органические вещества. Основу электроники составляют неорганические п\п. Неорг п\п делят­ся на твердые и жидкие. Твердые - на кристаллические, поликристал­лические и аморфные. Кристаллические в свою очередь делятся на эле­ментарные, химические соединения и твердые растворы. К элементар­ным относятся Si и Gе. К химическим соединениям - соединения типа A³B⁵, A²B⁶, A⁴B⁴, A⁴B⁶

П\п яв-ся основой активных приборов, способных усиливать мощность или преобразовывать один в другой различные виды энергии в малом объеме твердого тела без существенных потерь. Это обусловило широкое применение п\п в микроэлектронике и оптоэлектронике.

Различают примесные и собственные (т.е. беспримесные) п\п. В собственных п\п переход электронов в зону проводимости осуществляется только из ВЗ, поскольку в ЗЗ отсутствуют разрешенные уровни, вносимые примесными атомами. Носителями заряда в таком п\п яв-ся электроны в ЗП и дырки в ВЗ. Общее ко­личество носителей в обеих зонах совпадает. Понятие о чистоте материала относительно. В каждом веществе обязательно присутствуют малые количества многих примесей.

Оценка чистоты вещества осуществляется двумя способами: по хи­мическому составу и по физическим свойствам. Первый способ является прямым, а второй - косвенным. При физическом способе о суммарном со­держании примесей судят по величине электросопротивления, подвиж­ности носителей тока, диффузионной длине.

Существует большое количество методов глубокой очистки ве­щества. Как правило, для достижения необходимого предела очистки ис­пользуются несколько стадий очистки разными методами. Очистив п\п материал, далее его начинают снова "загрязнять", так как основным способом придания п\п-м материалам необходимых свойств является введение в них тех или иных примесей. Преднамеренное введение таких примесей называют легиро­ванием, соответствующие примеси - легирующими, а п\п - примесным.

12Легирующие примеси делят на электрически активные и неак­тивные. Характер электрической активности примеси в свою очередь за­висит от соотношения валентностей примеси и п\п-а. Исходя из этого, лег примеси делятся на:1)неизовалентные, т.е. примеси, валентность кот отличается от валентности замещаемых ими атомов основного вещества. Они вносят разрешенные уровни в ЗЗ основного п\п-ка;2)изовалентные, т.е. такие, валентность которых совпадает с ва­лентностью замещаемых ими атомов п\п-а. В состоянии за­мещения они не создают разрешенных уровней.

В тех п\п материалах, в кот осн типом хим связи является ковалентная связь, неизовалентные примеси растворяются в небольших количествах. Предельная растворимость в атом случае составляет 10¹⁷-10²⁰ ат/см³ и редко 10²¹ ат/см³ В примесных п\п электроны в ЗП и дырки в ВЗ поставляются активными примесями. После вве­дения в п\п электрически активных донорных или акцептор­ных примесей в его ЗЗ возникают уровни у дна ЗП (вносят доноры) или у потолка ВЗ (вносят акцеп­торы). Такие мелкие уровни в кремнии создают элементы III и V групп пе­риодической системы, число валентных электронов которых отличается от валентности кремния на +1 (для доноров) и -1 (для акцепторов). Иони­зация таких примесей происходит при очень низких температурах, поэто­му они определяют в основном электропроводимость п\п-в. Примеси I, II, VI, VII групп пер системы имеют большую эн ионизации и их энергетические уровни расположены глубоко в ЗЗ. Легирование п\п осуществляют для достижения сле­дующих целей: изменения положения уровня Ферми; создания разрешен­ных уровней в ЗЗ с целью изменения концентрации и типа носителей заряда; создания центров излучательной и беэызлучательной рекомбинации; изменения подвижности, длины свободного пробега носи­телей зарядов; изменения ширимы ЗЗ; изменения пре­дельной растворимости другой примеси; изменения межатомных рас­стояний с целью уменьшения макронапряжений в гетероэпитаксиальных композициях, на границах р-п переходов; изменения коэффициента тер­мического линейного расширения (КТЛР) с той же целью; создания внут­ренних геттеров в подложках для собственных и примесных точечных дефектов; изменения теплопроводности; изменения механических свойств (упрочнения); улучшения адгезии между слоями разнородных веществ.

13Поведение легирующих примесей даже в элементарных по\п-ах не всегда бывает однозначным, так как определяется большим числом факторов: природой атомов примеси; позицией, занимаемой ато­мами примеси; степенью ионизации примеси; отклонением состава от стехиометрического; взаимодействием этой примеси с дефектами и дру­гими примесями и т.д. Знание этих факторов необходимо для правильно­го выбора лег примеси, ее концентрации, способа введения. Кроме легирующих имеются случайные или фоновые примеси, непреднамеренно вводимые в п\п материалы в процессе их производства и обработки. Фоновые примеси, как правило, ухудшают свойства материала и за­трудняют управление ими. Поэтому необходимы установление природы неконтролируемых примесей, источников их попадания в основной мате­риал, разработка технологии, предотвращающей это попадание.

В абсолютном большинстве случаев легирующая примесь обеспечивает создание необходимых свойств в п\п ма­териале, только будучи растворенной в нем в атомарном (ионизированном) состоянии или в виде комплексов. Легирование в ко­личествах, превышающих предел растворимости и вызывающих образо­вание дополнительных фаз, как правило, отрицательно влияет на основ­ные свойства п\п-в.

14Кремний является базовым материалом при изготовлении интегральных схем. Несмотря на интенсивное развитие интегральной микроэлектроники, в общем объеме выпуска п\п изделий значительную долю составляют кремниевые дискретные приборы. Из него изготавливают выпрямительные, импульсные, СВЧ-диоды, низкочастотные и высокочастотные, мощные и маломощные би­полярные транзисторы, полевые транзисторы, приборы с зарядовой связью. Из кремния изготавливают большинство стабилитронов и тиристоров.

Кремний широко применяется для производства фоточувствитель­ных приборов: фотодиодов и фототранзисторов. Спектр фоточувстви­тельности кремниевых фотодетекторов хорошо согласуется со спектром излучения многих п\п источников света. Кроме того, Si используется для изготовления солнечных батарей, детекторов радиоактивного излучения, датчиков Холла и тенэодатчиков.

15По распространенности в земной коре кремний занимает второе место после кислорода. В свободном состоянии в природе он не встречается. Наиболее распространенным соединением этого элемента является диоксид кремния в основном в виде кварца. Кремний стал широко применяться только во второй половине XX века после разработки эффективных методов его очистки. Элементы IV группы Пер системы, в кот находится Si, образуют чисто ковалентные связи с низким координационным числом, равным 4.

Особенностями строения кремния (сильная ковалентная связь и рыхлая структура) объ­ясняются многие его физико-химические свойства: низкая концентрация свободных носителей заряда и высокая предельная рабочая температу­ра, что обусловлено оптимальным значением ширины ЗЗ;

малая плотность и низкий КТЛР; большой диапазон реально достижимых удельных электросопротивлений; высокая удельная теплопроводность; высокая растворимость примесей без существенного искажения кристал­лической решетки В настоящее время монокристаллический кремний – это самый совершенный кристаллический материал созданный человеком

Ширина ЗЗ при 300 К, эВ = 1,12 эВ

Собственная концентрация носителей заря­да при 300 К = 1,45*10¹⁰ см^-3

Диэлектрическая проницаемость=12

Тип кристал­лической решетки - алмаз

В видимой области спектра Si сильно поглощает свет, в ИК области практически прозрачен. В химическом отношении кристаллический кремний при комнатной температуре является довольно инертным веществом. Он не растворим в воде, не реагирует со многими кислотами. Хорошо растворим лишь в смеси азотной и плавиковой кислот и в кипящих щелочах. Устойчив на воздухе до температуры 900 °С. Выше этой температуры начинает интенсивно окисляться с образованием SiO2. Несмотря на это, на поверхности кремния всегда имеется тонкий слой (~50 А) так называемого естествен­ного оксида. Кремний обладает сравнительно высокой температурой плавления и в расплавленном состоянии имеет высокую химическую ак­тивность, поэтому возникают большие трудности с подбором тигельного материала при выращивании монокристаллов.

16При производстве п/п(а) необходимо обеспечивать очень низкого уровня загрязнения нежелательными примесями. Суммарное содержание быстро диффундир-их Ме(х) примесей должно быть не выше 10¹¹ см^-3, углерода не выше 10¹⁵ см^-3.

Содержание кислорода должно быть минимальным и равномерно распределено по объему слитка. Кислород в Si образует тв. растворы внедрения и явл. примесью отличающейся очень сложным поведением. В выращенном монокристалле 95% атомов кислорода находится в межузельном положении. Изолированные атомы кислорода в решетки Si эл-ки нейтральны .При Т<1000⁰ C тв. раствор становится пересыщенным, что приводит к его распаду и образованию различного рода комплексов и дефектов структуры. В рез-те термической обработки как в процессе выращивания монокристалла так и при изготовлении приборов атомы кислорода могут взаимодействовать между собой, а так же другими примесями и дефектами и образовывать эл. Активные комплексы. Так называемыми термодонорами. Высокая концентрация термодоноров затрудняет получение заданного значения удельного эл. сопротив. А так же получение монокрристалов с удельным эл. сопр. более 20 Ом на см.

С в Si является элетро нейтральной примесью замещения. Эта примесь способна оказывать сильное влияние на состояние комплексов точечных дефектов. И процессы дефектно примесного взаимодействия в Si. В зависимости от содержания С при терм. обработке Si могут существенно изменяться процессы формирования термодоноров. Метод Чохральского является основным методом получения монокристаллов Si (80-90%). В этом случае осн. Источником О₂ для Si явл. раств. в процессе выращивания монокристалла кварцевый тигель. При этом методе концентрация О₂ в Si может достигать 10¹⁸ см^-3 т.е. может быть выше чем концентрация легирующей примеси может оказывать серьезное влияние на Эл-кое и структурное св-во выращенного Si.

Основным источником С в Si явл. исходная загрузка и графитовая оснастка камеры. Обычная величина концентрации С в монокристалл-ом Si выращенном по методу Чохральского составляет (от 2 до 7) * 10¹⁶ см^-3.

В связи с необходимостью обеспечить в выращенном монокристалле минимальное содержание кислорода и углерода в последнее время возрос интерес к получению монокристалл. Si методом безтигельной зонной плавки. Метод позволяет значительно снизить содерж. этих примесей. О₂ например на 2 порядка.

Метод позволяет получать монокристаллы с предельно высоким, близким к собственному удельным эл. сопротивлением до 10⁵ Ом на см.

17100% монокристаллов Si в настоящее время выращивается с бесдислокационной структурой, важнейшей операцией при этом явл. выращивание в начале процесса монокристалла малого диаметра порядка ~3 мм. В этом случае монокристалл становится бездислокационным через несколько сантиметров после начала процесса выращивания, до нее скорость вытяг. монокр. уменьшают и происходит разростание монокрист. до треб. диаметра. Исчезновение дислокаций при выращ. такой узкой шейки монокрист. связанно со следующим.

Для получения бездислокацион. кристаллов Si предпочтитель. направления выращивания это напрвления <111> и <100>.

Одной из наиболее серьезных проблем получения бездислокацион. Si большого диаметра явл. проблема снижения содержания и уменьшения размеров присутствующих в нем микродефектов. Как показывает исследование последних лет именно растовые микродефекты, содержащиеся в пластинах оказывают наибольшее влияние на хар-ки создаваемых интегральных схем в связи с этим, по мере уменьшения топологиских размеров рабочих элементов интеграль. схем требования по допуст. кол-ву дефектов субмикронных размеров на поверхности пласт. сущ. ужесточаются. Основную роль в образовании растовых микродеф. выращ. по методу Чахральского монокристалла играют существен. мододефекты; вакансии между аотмами, а также О₂ .

В реальн. условиях уже на достаточно малых расст. от фронта кристализ. в монокристалл. возникает значтельное пересыщение по собств. точечным дефектам. Резкой температурной завис. их равновесной концентра. образующей избыточные неровности собствен. точечные дефекты аннигилировать стенки в качестве которых выступают боковые поверхности слитка и присутст. В обьеме. крупномасштабные дефекты прежде всего дислокации.

Другим источнтком микродефектов явл. О₂ конц. которого в выращ. монокристаллах как правило достаточна для образов. В процессе охлаждения пересыщ. твердого раствора.

Однако несмотря на то что концентрация О₂ в кристалл. намного выше концентра. собствен. точечных дефектов. Именно последнее играет ключевую роль в процессах дефектообразования, а связанно это с тем что движущей силой агрегации является не обсол. значение конц. точечных дефектов, а пересыщ. твердого раствора., которое существенно выше для собствен. точечных дефектов из-за резкого уменьшения их равновесных концентраций с уменьшением температуры.

Производимые в настоящее время монокристалл. большого диаметра явл. монокристаллы вакансионного типа. Поэтому в настоящее время основной задачей явл. разраб. технологии выращ. кристалла не содержащего вокансионные поры.

18Осн объем монокристаллического кремния, потребляемого микроэлектроникой, выращивается по методу Чохральского

Очищенный поликристаллический кремний помещают во вкладыш из кварцевого стекла, производится вакуумирование рабочей камеры до давления ~10^-4 Па и плавление Si. Монокристаллическая затравка приво­дится в соприкосновение с расплавом и из расплава с высокой скоростью вытягивается кристалл малого диаметра. Эта операция в начале процесса выращивания монокристаллического крем­ния необходима для уменьшения образования дефектов. Затем скорость подъема затравки снижается, происходит разрастание выращиваемого кристалла до необходимого диаметра. Заканчивается процесс выращивания оттяжкой на конус и отрывом кристалла от остатков расплава. Выращенные таким образом монокристаллы диаметром до 200 мм. Основным недостатком этого метода является загрязнение монокристаллов кислородом (до 10¹⁸ см^-3), источником которого является кварцевый вкладыш. Кроме того, наблюдается неоднородность в распре­делении дефектов и примесей по диаметру и длине слитка.

Для выращивания высокочистых монокристаллов кремния с малым содержанием кислорода и большим временем жизни носителей заряда применяют метод вертикальной бестигельной зонной плавки

Бестигельная зонная плавка обычно проводится в вакууме, при ле­гировании - в атмосфере водорода, который является газом-носителем. В результате зонной плавки содержание примесей в кремнии уменьшается за счет частичного испарения. Особенно существенна разница в концент­рации кислорода (на два порядка).

Этим методом могут быть получены монокристаллы с предельно высоким, близким к собственному, удельным электросопротивлением (до 10⁵ Ω*см). Скорость выращивания кристаллов таким методом вдвое больше, чем методом Чохральского, однако из-за технических трудностей диаметр кристаллов меньше, чем в методе Чохральского.

19Осн преиму­щество использования поликремния в технологии ИС - возможность формирования второго и даже третьего слоев, в которых создаются ак­тивные и пассивные элементы, и их изоляция от монокристаллической подложки и друг от друга. Применение поликр кремния в технологии изготовления ИС открывает путь к созданию многослойных (трехмерных структур). Возможность получения поликр кремния с раз­личным электросопротивлением, отличающимся на несколько порядков, а также простота технологии сделали его очень перспективным материа­лом для использования во многих интегральных схемах - с одной сторо­ны, в качестве высоомного материала затворов, нагрузочных резисторов, а с другой - в качестве низкоомного материала межсоединений.

Сопротивление резисторов может изменяться в очень широких пределах. При высоких напряжениях поликремниевые резисторы приобре­тают нелинейные характеристики. Для обеспечения хорошей линейности необходима мелкозернистая структура пленок.На поликремниевых пленках изготавливают также и диоды Шоттки, хар-ки кот близки к хар-кам диодов с р-n перехо­дом. Поликремниевым эмиттерам присущ высокий коэф­фициент инжекции. Поликремний используется и при создании туннель­ных эмиттеров для вертикальных биполярных тр-ов. Однако хар-ки активных приборов, изготовленных на поликремнии (диодов, тонкопленочных транзисторов), сопоставимы с хар-а­ми приборов, изготовленных на монокристаллическом материале, только в том случае, когда поликремний подвергают рекристаллизации. На фор­му ВАХ активных элементов существенно влияют состояния на межзеренной границе. Специфическое свойство высокоомного (>103 Ω*см) поликремния заключается в возможном необратимом понижении его удельного сопротивления на несколько порядков при пропускании импульса; тока высокой плотности (~10⁴ А/см²). Этот эффект можно использовать в схемах ППЗУ, Поликремний применяется В качестве диффузионных источников при создании мелких р-n переходов, для обеспечения невыпрямляющиж контактов к монокристаллическому кремнию.

В структурах КСДИ (кремний с диэлектрической изоляцией) по­ликристаллический кремний играет роль несущей подложки для монокри­сталлических карманов.

Иногда для изоляции элементов ИС используют V-обраэные канавки. Для получения более гладкой поверхности канавку после окисления заполняют поликремнием.

Замена монокристал­лического кремния на поликристаллический в качестве активного элемен­та в солнечных батареях позволяет существенно снизить их стоимость, при этом поликристаллический кремний обеспечивает высокий КПД (10-12%).

20Атомная структура п\п-х материалов, в частности кремния, может различаться очень сильно: от строго упорядоченного расположения атомов в монокристаллах до разупорядоченного аморфно­го состояния. Поликр кремний в этом ряду занимает про­межуточное положение. Его хим и физ свойства в значительной степени зависят от структуры, типа и размера зерен, кото­рые в свою очередь сильно зависят от технологии получения материала. Высокая чувствительность свойств поликр кремния к из­менению технологических параметров, с одной стороны, позволяет в ши­роких пределах варьировать свойства материала, а с другой - затрудняет получение материала с воспроизводимыми свойствами. Получение необ­ходимых и главное стабильно воспроизводимых свойств поликр кремния резко осложняется наличием межзеренных границ (МЗГ).

МЗГ представляет собой регулярное множество дислокаций и свя­зана с локальными искажениями решетки вблизи поверхности раздела внутри поликристалла. Такие локальные искажения приводят к образова­нию оборванных связей. Состояния на МЗГ могут действовать в качестве ловушечных центров, а также центров рекомбинации и рассеяния. Имен­но из-за сильной рекомбинации до настоящего времени не реализованы бип тр-ры на поликремнии. Повышенное рассеяние сни­жает подвижность носителей заряда, что ограничивает быстродействие тонкопленочных тр-ров. Наличие потенциального барьера на МЗГ является причиной нели­нейности хар-тик резисторов, изготавливаемых на основе по­ликр кремния. Возникновение потенциального барьера связано с захватом подвижных носителей заряда на состояния МЗГ. При этом уменьшение конц носителей заряда в пограничном слое приводит к образованию области пространственного заряда нескомпен­сированных ионизированных доноров или акцепторов (в случае материа­ла п- или р-типа соответственно) и вследствие этого к искривлению зон. Вид зонной диаграммы для случая, когда граница раздела в поликремнии образована кристаллитами п-типа, показан на рис

Так как вклад в проводимость вносят только те электроны, которые в состоянии преодо­леть потенциальный барьер ∆Евс, то среднюю электропроводность о по­ликремния можно записать в виде

где σ_V - электропроводность основной массы зерна.

∆Еbf и ∆Евс - вы­соты потенциального барьера по отношению к уровню Ферми Е_F и дну ЗП Еc соответственно; Еv - потолок ВЗ; ∆Е_G ширина ЗЗ; <а> - размер зерна

21Стандартным методом получения полукр пленок кремния при изготовлении ИС является химическое газофазное осаждение при низком давлении. Обычно используются два вида процессов осаждения при пони­женном давлении: в одном используется 100%-ный силен при давлении в реакторе 25-130 Па, в другом - 20 - 30%-ная смесь силана с азотом при том же давлении. При повышении температуры осаждения более важную роль изминают играть химические процессы не на поверхности подложки, а в газовой фазе, что приводит к образованию рыхлого, беспорядочно осаж­дающегося слоя. Пленки поликристаллического кремния, осаждаемого этим спосо­бом, имеют характерную шероховатость поверхности, что создает про­блемы при проведении последующих технологических операций изготов­ления ИС. Шероховатость исходной поверхности кремниевых слоев мо­жет привести к понижению пробивных напряжений и повышению тун­нельных токов в граничащих с поликристаллическим кремнием диэлек­триках, В результате морфология и рельеф поверхности этих слоев ока­зывают существенное влияние на характеристики приборов, изготовлен­ных на основе тонкопленочных слоистых структур, а также с малыми раз­мерами элементов.

В этой связи практический интерес представляют пленки поликри­сталлического кремния, получаемые кристаллизацией аморфных слоев. Такие пленки являются структурно более совершенными, а их поверх­ность менее шероховатой.

Структура поликремниевых пленок сильно зависит от температуры осаждения и последующих термообработок пленок, а также от вида ле­гирующей примеси. Поликремний может быть легирован путем диффузии, ионной им­плантации или введения легирующих добавок в газовую смесь в ходе осаждения пленок. Все эти методы используются при формировании по­лупроводниковых приборов.

Легирование в процессе осаждения осуществляют за счет добавле­ния в реакционную смесь фосфина, арсина или диборана. При этом диборан вызывает сильное увеличение скорости осаждения, а добавление арсина или фосфина резко снижают ее. Кроме того, при введении леги­рующих добавок уменьшается равномерность толщины осаждаемых пле­нок по поверхности пластины.

Сильно легированный фосфором поликремний травится и окис­ляется быстрее, чем нелегированный. От структуры пленки поликремния

и уровня легирования зависят химические и физические свойства поли­кремния, в частности, оптические свойства, такие как коэффициенты пре­ломления и поглощения.

22Эффективное легирование а-Si:Н открыло ин­тересные возможности для использования этого материала в различных устройствах. Особенно привлекает возможность создания дешевых фо­тоэлектрических устройств большой площади. Основными фо­точувствительными структурами на основе а-Si:Н являются: фоторе­зисторы; элементы с барьером Шоттки; элементы с МДП-структурой; р-i-п структуры; элементы на гетеропереходах; элементы на основе сверхре­шеток.

Солнечные элементы на основе а-Si:Н. Впервые солнечные элементы на основе а-Si:Н были созданы в 1975 г., после чего началось быстрое развитие этой области применения неупорядоченных полупроводников. Важнейшую роль в исполь­зовании а-Si:Н для создания солнечных элементов сыграл тот факт, что оптическое поглощение в а-Si:Н в 20 раз превышает оптическое поглоще­ние в кристаллическом кремнии. Поэтому для существенного поглощения видимого солнечного света достаточно получить пленки а-Si:Н толщиной 0.5 - 1,0 мкм. Кроме того, перспективным является и технологическая возможность получать слои аморфного кремния в виде тонких пленок большой площади. При данной технологии отсутствуют и технические по­тери, связанные с резкой, шлифовкой и полировкой, что имеет место в случае изготовления элементов солнечных батарей на основе монокри­сталлического кремния. Преимущества солнечных элементов на основе а-Si:Н перед аналогичными поликристаллическими кремниевыми эле­ментами связано с более низкими температурами их изготовления (300 °С), что позволяет использовать дешевые стеклянные подложки. К настоящему времени максимальный КПД (12 %) эксперименталь­ных элементов, приготовленных в лабораторных условиях, несколько ни­же КПД кристаллических кремниевых солнечных элементов (≈15 %).Поглощение излучения в полупроводниках вызывает переход элек­тронов из валентной зоны в зону проводимости, т.е. при этом генериру­ются электронно-дырочные лары. Свободные носители заряда и обус­ловливают фототек в солнечных элементах. Наибольшей эффективности солнечных элементов удалось до­стичь при использовании р-i-n структур.

28мкр Si м.б получен практически на том же оборудовании что и аморфный кремний

Впервые мкр Si получен в 1968. Использовалось водородная плазма и метод хим транспорта.

Наиболее распр. метод – осаждение в плазме тлеющего разряда с использованием высоких частот. При этом исп высокое разбавление моносилана водорордом

В последнее время исп целый ряд др способов.

Метод термического химического осаждения из газовой фазы

Метод электронно-циклотроонного резонанса

23В неупорядоченных п\п-х дальний порядок отсутствует, и потому основные положения зонной теории кристаллов в этом случае оказываются неприменимыми..Иоффе сформулировал эмпи­рическое правило, согласно которому за п\п-е свойства в материалах отвечает ближний порядок. В соответствии с этим правилом, если ближний порядок при переходе материала в неупорядоченное со­стояние не изменяется, то в нем сохраняются основные черты плотности состояний соответствующего кристаллического аналога. Аморфные материалы также имеют нелокализованные состояния, посредством которых электроны и дырки могут свободно двигаться. Од­нако отсутствие дальнего порядка приводит к тому, что для них длина свободного пробега значительно ниже, чем в кристаллическом материа­ле. Длина свободного пробега электрона зависит от энергии. Когда длина свободного пробега становится сравнимой с межатомным расстоянием, носители заряда локализуются. Следовательно, для аморфных полупро­водников имеется некая граница между нелокализованными и локализо­ванными состояниями. В результате в аморфном кремнии существует так называемая щель по подвижности. В настоящее время можно выделить несколько моделей, позво­ляющих удовлетворительно объяснять электрофизические свойства не­упорядоченных материалов.

Наибольшее распространение получили представления, основан­ные на зонной модели распределения энергетических состояний с четко выраженным краем подвижности, разделяющим локализованные состоя­ния на хвостах зон от делокализованных. Эта модель была предложена Моттом.На основе этих представлений Мотта было разработано несколько моде­лей структуры энергетических зон в неупорядоченных полупроводниках.

В модели Коэна-Фрицше-Овшинского (рис) принимается, что хвосты плотности состояний перекрывают всю запрещенную зону. Состояния в запре­щенной зоне локализованы, причем существуют критические энергии, от­деляющие эти состояния от распространенных состояний в зонах. Эти критические энергии называются порогами подвижности, а область энер­гии между ними - щелью по подвижности.Согласно Мотгу и Дэвису (рис), хвосты локализованных состоя­ний довольно узкие и распространяются в ЗЗ на несколь­ко десятых электронвольта. Уровень Ферми закрепляется в узкой зоне компенсированных уровней вблизи середины ЗЗ, обязан­ных своим происхождением дефектам случайной сетки атомов, т.е. обо­рванным связям, вакансиям и т.д. В этой модели концепция порогов по­движности сохраняется. Предлагались и другие аналогичные модели, в кот одна зона дефектных уровней заменялась двумя или нескольки­ми зонами, расположенными на приблизительно равных расстояниях по обе стороны от уровня Ферми.

М(Е)Все перечисленные модели различным образом отражают струк­турные особенности неупорядоченных п\п-в, приводящие к появлению локализованных состояний в ЗЗ.

24Наиболее существенным эффектом, связанным с легированием а-Si:Н, является изме­нение его проводимости на шесть - десять порядков при контролируемом ведении примесей бора или фосфора.

В настоящее время существует несколько вариантов интерпрета­ции механизма легирования. Наиболее распространенное объяснение заключается в том, что изменение электрических свойств вызывается в основном изменением степени заполнения состояний в щели подвиж­ности. При этом условии электрическая активность вводимых примесей и смещение уровня Ферми под действием добавок пропорциональны ве­личине N_D/g(Еf), где N_D - концентрация примеси; g(Еf) - плотность состоя­ний на уровне Ферми легируемого образца. Другими словами, механизм легирования связан с тем, что избыточные электроны и дырки примеси заполняют состояния в середине щели подвижности, действуя как компенсирующая примесь для глубоких уровней. После того, как все состоя­ния заполнены, дополнительное легирование приводит к сдвигу уровня Ферми в направлении к зонам. Очевидно, что при фиксированной ве­личине N_D величина ∆Ef тем меньше, чем выше исходная плотность со­стояний на уровне Ферми. В негидрогенезированном а-Si:Н g(Еf) достигает 10¹⁹ -10²⁰ см^-3 и в этой связи этот материал не легируется традиционны­ми примесями.

25 Многие физические свойства неупорядоченных полупроводников определяются термодинамической особенностью этого класса материалов, а именно, их удаленностью от состояния равновесия, характерного для кристаллов.

В 1977 г. Стэблер и Вронски обнаружили, что после длительного освещения пленок a-Si:Н белым светом величина проводимости умень­шается почти на четыре порядка. Все эти изменения являются, однако, обратимыми и после отжига при Т = 150 °С в течение одного часа свойства образца могут быть полностью восстановлены.

Совокупность проведенных на материале исследований свидетель­ствует о возникновении под действием освещения нового метастабильного состояния, обусловленного дефектами.

При изучении транзисторных структур, изготовленных на основе a-Si:Н было обнаружена влияние электрических полей, приложенных в прямом и обратном направлении, на свойства материала. В частности, смещение порогового напряжения U_пор, тонкопленочных полевых транзи­сторов, изготовленных на основе a-Si:Н под действием поля связывается с образованием дополнительного числа дефектов, метастабильных по своей природе.

Стимулирование работ в этой области непосредственно связано с проблемами практического характера, а именно, с временной и темпера* турной деградациями характеристик приборных структур, изготовленных на основе a-Si:Н.

26 В отличие от монокристаллических полупроводников, у которых различные технологии их синтеза обеспечивают получение сопоставимых свойств, у аморфных полупроводников, в частности у а-Si:Н, наблюдается прямая зависимость между структурными, электрофизическими и термо­динамическими свойствами и способом получения. В этой связи для раз­личных практических приложений материала находят распространение различные технологии синтеза а-Si:Н. В настоящее время основными ме­тодами получения пленок являются: 1)метод тлеющего разряда силаносодержащих смесей; 2)химическое осаждение из газовой фазы (ХОГФ); 3)рас­пыление;

Метод тлеющего разряда используется в большинстве промышлен­ных установок. Сущность метода состоит в разложении силаносодержащих смесей в плазме тлеющего разряда до образования активных компо­нентов с последующим их осаждением на поверхности роста.

Установки, реализующие метод тлеющего разряда, разделяются на две группы в зависимости от способа подачи высокочастотной мощности в плазму: с индуктивной связью и емкостной связью. В подавляющем большинстве случаев используются установки с емкостной связью. Они имеют очевидное преимущество перед индуктивной системой, которое заключается в возможности увеличения размеров электродов И по­лучения образцов большой площади.

Рабочие газы представляют собой смеси силана SiН4 с различными разбавителями: Н2, Аr, Nе, Кr, Хе. Однако наиболее часто используются смеси силана с молекулярным водородом. Это связано с тем, что в дан­ном случае получают материал с лучшими электрофизическими характе­ристиками. Для легирования бором и фосфором используют диборан В₂Н₆ и фосфин РН₃ соответственно.

Оптимальные условия роста являются индивидуальными и харак­терными только для конкретной установки.

Основной особенностью промышленных и полупромышленных установок по производству пленок а-Si:Н является наличие последова­тельно соединенных камер, в каждой из которых получается определен­ный тип материала.

Метод ХОГФ аналогичен методу получения поликристаллического кремния за тем исключением, что температура подложки не превышает 600 °С. Считается, что основным компонентом, формирующим слой а-Si:Н, является группа SiН2

Наиболее важными технологическими параметрами процесса ХОГФ являются температура газа и подложки, парциальное давление газа. Пленки а-Si:Н полученные этим методом, термически стабильны, однако, как правило, содержат низкую концентрацию водорода, недоста­точную для пассивации высокой концентрации оборванных связей. По­этому метод ХОГФ часто комбинируют с последующей постгидрогениза­цией в водородной плазме для уменьшения плотности дефектов в мате­риале.

53Диэл-вещ, плохопроводящие эл ток.

Электропроводность диэле по сравнению с ме очень мала. Их удельное эл сопротивление р > 108-109 Ωсм. Осн эл свойством диэл явл способность к поляризации, в них возможно существование электростатического поля.К диэл относят вещества, у которых ширина ЗЗ Ем > 3 эВ. Эл-ны под действием обычных эле-х полей преодолеть ее не могут. Действие эл поля сводится к перераспределению электронной плотности, что приво­дит к поляризации. Механизмы поляриз диэл-в различны и зависят от ха­рактера хим связей. В ионных кристаллах поля­риз явл результатом сдвига ионов др относит др (ионная поляриз) и деформации электронных оболочек отдельных ионов (электронная поляриз). В кристаллах с ковалентной связью (алмаз) поляриз обусловлена смещением электронов, осуществляющих хим связь.По функциям, выполняемым в приборах электронной техники, диэл можно разделить на пассивные и активные. Пас - это электроизоляционные и конденсаторные материа­лы. Электроизоляционные диэл используют для создания элек­трической изоляции, кот окружает токоведущие части элект устройств и отделяет друг от друга элементы схем, находящиеся под различными электрическими потенциалами.

Пас неорганич диэл, применяемые в микро­электронике, представляют собой очень большой класс мат-в, ко­т можно разделить на стекловидные диэл, керамику, моно­кристаллические диэлектрические материалы.

Акт диэл - это мат-лы, св-ми кот мож­но управлять в широком диапазоне с помощью внешних энергетических воздействий и использовать эти воздействия для создания функциональ­ных элементов электроники. Таким внешним воздействием может быть эл поле, механическое усилие, излучение, тепло.К числу акт диэл относят свгнето-, пьеэо- и пироэлек-трики; электреты; материалы для квантовой электроники; жидкие кри­сталлы; электро-, магнито- и акустооптические материалы; диэлек­трические кристаллы с нелинейными оптическими свойствами и др. По строению и св-вам их можно подразделить на кристаллические и аморфные, полярные и неполярные диэл. Акт диэл позволяют осущ генерацию, усиле­ние, модуляцию электрических и оптических сигналов, запоминание или преобразование информации. Резкой границы, однако, между активными и пассивными диэлектриками не существует. Один и тот же материал в различных условиях эксплуатации может выполнять либо пассивные функции изолятора или конденсатора, либо активные функции управ­ляющего или преобразующего элемента.

Стекловидные диэлектрические материалы Среди пассивных диэлек наиболее важными в практическом отношении являются стекловидные диэлектрические материалы: стекло, ситаллы, ситаллоцементы и композиционные материалы на основе стек­лянной матрицы и неорганического наполнителя.

54Стеклами называются все аморфные материалы полученные путем переохлаждения расплава независимо от их хим состава и температуры затвердевания и обладающие в результати увеличения вязкости механическими свойствами тв тел. Причем переход из жидкого состояния в стеклообразное явно обратим.У стекол отсутствует определенная температура плавления. При охлаждении расплава стекла, его взкость начинает плавно возрастать и при значении 108 Па*С на кривой вязкости (Ln() от t)появляется первый перегиб. Температура соответствующая этой вязкости обозначается t_F и называется температурой текучести. Выше этой температуры Стекло имеет свойства жидкости, при дальнейшем охлаждении при вязкости 1012 Па*С на кривой наблюдается второй перегиб. Температура соответствующая такой вязкости обозначается tg и называется температурой стеклования. Ниже этой температуры стекло приобретает свойство твердого тела. А в интервалах этих температур стекло находится в высокоэластичном состоянии.Стекло как переохлажденный расплав находится в неравновесном метастабильном состоянии, однако вследствие высокой вязкости препятствующей кристаллизации стекло может существовать очень долго. В стеклообразном состоянии могут находитья вещества как органические так и неорганические.

Органические стекла представляют собой органические полимеры. Наибольшее практическое применение нашли органические стекла на осонове полиметилметакрылата. Среди неорганических веществ в стеклообразном состоянии могут находиться как простые S,Se,Te,P так и сложнве соединения.

В результате неорганические стекла разделяются на элементарные, оксидные, галогенидные, халькогенидные.Самый большой класс неорганических стекол составляют оксидные стекла, по виду стеклообразующего оксида эти стекла –классифицируют на силикатные, боратные, фосфатные, перманатные и.т.д. Только оксидные стекла обладают диэлектрическими свойствами.Силикатные стекла самый распространенный класс оксидных стекол они широко применяются в электронике.Большинство свойств стекол аддитивны, т.е. плавно изменяются при изменении концентрации компонентов. Это позволяет с достаточной точностью заранее прогнозировать свойства стекла того или иного соста­ва и изготавливать материалы с заранее заданными свойствами.

29Пленки мкр Si представл. Собой аморфно-кристаллич материал, Н сосредоточен в аморфной матрице в обл на границе зерен. Пленки облад ограниченным дальным порядком. Доля микр-ой фазы м.б. от нескольких до 100%. В зав-ти от этого св-ва будут опр-ся либо аморфной либо кристаллич-ой фазой(в мкрSi приборного качества доля мкр-ой фазы 90% ) С ↑ долм аморфн фазы

ширина ЗЗ ↑Значение ширины ЗЗ<чем у монокр. Si

55Теория строения стекла наибольшее распространение получили представления о существовании в стекле непрерывной беспорядочной сетки. Согласно этой гипотезе стекло рассматривается как сплошная атомная 3-хмерная сетка лишенная симметрии и периодичности.

Основой строения силикатных стекол являются комплексы SiO4- -тетраэдры с очень прочными связями Si-О. Отдельные тетраэдры могут быть скреплены в цепи "мостиковым" кислородом. Таким образом об­разуется непрерывная сетка, имеющая ближний порядок, но у которой от­сутствует дальний порядок.

Компоненты стекла, не способные самостоятельно образовывать непрерывную структурную сетку, называются модификаторами. К группе модификаторов относятся, например, оксиды элементов I и II групп Пе­риодической системы. При введении в состав стекла модификаторов происходит разрушение некоторой части мостиковых связей, что сопро­вождается дроблением пространственной сетки. Вследствие этого свойства стекла меняются, модифицируются.

56Ситаллы или стеклокристаппические материалы - поликристаллические вещества, получаемый регулируемой кристаллизацией стекла. Для получения ситаллов в расплавленное стекло вводят катализаторы кристаллизации, на которых происходит рост кристаллов основной фазы.

В качестве кристаллизаторов (нуклеаторов) чаще всего применяют: TiO2, Р2О5, Сr2О3, V2O5, ВзОз, ZrO2, SnO2, WOз. МоОз и т.д.

Технология получения ситалов состоит из нескольких стадий.

Главные из которых формирование изделий и двуступенчатая термообработка.

1) ступень 500-700 С – образование зародышей кристаллизации.

2) ступень 900 – развитие кристаллических фаз.

В результате кри­сталлизации содержание остаточной стекловидной фазы в ситалле мо­жет колебаться от 2 до 50 %. Размеры кристаллов в стеклокристаллических материалах не более 1 мкм. Изменяя состав исходного стекла, тип кристаллизатора и режим термообработки, можно получать ситаллы с определенными свойствами.

Фх свойства опеделяются содержанием кристаллической фазы и могут изменяться в очень широких пределах. Все ситалы превосходят стекла по прочности и термостойкости, их хрупкость значительно меньше чем у исходных стекол.

Стекпокристаллические цементы или ситалпоцеиенты - от­личаются от ситаллов содержанием кристаллической фазы. У ситаллоцементов количество кристаллической фазы значительно меньше, т.е. больше стеклофазы.

Ситалоцементы характеризуются после нагрева до тем-ры превышающей тем-ру размягчения стекла.

57Основные пассивные функции, которые выполняют диэлектрики в соста­ве полупроводниковых интегральных схем, следующие.

1. Подложки для ИС, изготавливаемых по тонко- и толстопленочной технологии.

2. Диэлектрические детали корпуса и кристаллодержатели. Приме­няются бериллиевая керамика, ситаллы, композиционные материалы.

3. Структуры КНИ (кремний на изоляторе), которые позволяют изго­тавливать ИС с полной диэлектрической изоляцией.

4. Конденсаторы и резисторы для толстопленочной технологии. Пленки стекол используются и в качестве диэлектриков тонкопленочных конденсаторов (SiO2, Si₃N4, Al2O3, Та2О5).

5. Защитные пленки для бескорпусной защиты СБИС и толстоплв-ночных БГИС. Используют стекла БСС, ФСС, БФСС и другие легкоплав­кие стекла, SiO2 + Si3N4

6. Межслойная изоляция. Используются SiO2, те же диэлектрики, что и в предыдущем пункте.

7. Пассивация и стабилизация полупроводниковой поверхности. В технологии СБИС применяют стекловидные диэлектрические пленки ФСС, БСС и БФСС, которые способны выполнять роль геттеров нежела­тельных легкоподвижных ионов (Na*, К*,Сu²*, Аg*), блокируя их в своем объеме и стабилизируя тем самым параметры приборов.

8. Планаризация развитого рельефа. Используются пленки БСС и ФСС. Размягчаясь при 1000 - 1100 °С, такие пленки формируют гладкий рельеф, что применяется для сглаживания развитого рельефа в много­уровневых СБИС. Использование БФСС позволяет снизить температуру оплавления ниже 1000 ⁶С, при этом геттерирующие свойства сохраня­ются.

9. Маскирующие покрытия. Сквозь специально сформированные окна в таких покрытиях осуществляется диффузия в полупроводник леги­рующей примеси. Используются SiO2, Si3N4

10. Подзатворный диэлектрик в МОП-транзисторах. Важнейшее требование в данном случае - качество границы полупроводник - диэлек­трик, минимальная плотность зарядов на ней. Именно поэтому обычно используют тонкий слой термически выращенного SiO2

11. Источник диффузионного легирования. Используют стекла БСС, ФСС

27В основном применяется в сочетании с аморфными матер.

Высоколегиророванные слои применяются при изготовл p-i-n структур в солнеч эл-ах

Исп. в солнечн элементах. мкр Si явл более прозрачным чем аморфный

Пленки мкр Siисп в качестве эммитерных слоев в солнечн батареях на основе монокр Si ,

В гетерогенных биполярных транзисторах, тонкопленочн транз, светодиодов

Солнечн бытареи из мкр Si обладают стабильностью хар-к по сравнению с аморфным Si

=> имеют более высокий КПД. Недостаток: низкая скорорсть

осаждения слоев мкр Si

30Такие гетероструктуры обеспечивают принципиально новые возможности для создания сверхбыстродействующих тр-ов на основе гетеропереходов Si-Ge/Si.

Большие возможности вариаций с зонной структурой в многослойных гетероэпитаксиальных композиций позволяет резко увеличить эф-ть инжекции дрейфовую подвижность и простр-но увел-е носит-й заряда в тр-ных стр-ах эпитаксиальное наращивание слоя Si-Gе/Si приводит к формированию слоев Si-Ge со значит-ым напряжением сжатия. Это связанно с большим размером ат-в Ge по сравнению с ат Si. В таких напряженных слоях повыш-ся подвижность носителей заряд, что увеличивает быстродействие приборов, кроме того при формировании тр-ов, эмиттер на основе Si имеют большую ширину З.З. чем база на основе твердого раствора Si-Ge. В результате на эмитерном переходе образуется высокий потенциальный барьер по отношению к основным носителям базы. В результате инжекция носителей заряда из эмиттера возрастает. Технология гетероэпитакс. структур SiGe/Si, хорошо вписывается в базовые Siие эпитаксиальные технологические процессы в отличие от технологии соединения А^IIIВ^V . Высокий уровень развития этих технологий позволяет достаточно воспроизводимо получать гетерокомпозиции нанометровых размеров и создавать квантово размерные структуры типа структур с квантовыми ямами и напряженными сверх решетками в том числе позволяет создавать гетероструктуры с двухмерным электронным газом подвижность такого электронного газа очень высока, что позволяет изготавливать приборы с очень высоким быстродействием. Для формирования гетероструктур с 2-х мерным электронным газом необх обеспечивать значительную величину разрыва в ЗП. В настоящее время уже изготавливаются гетеропереходные, бип-е,полевые тр-ры с нанометровыми раб слоями, которые работают на частотах порядка 200 ГГц. Такие тр-ры обладают хорош шумовыми хар-ами. Многослойные квантоворазмерные стр-ры SiGe/Si явл. перспективными для изгот-я быстродейст-х высокочувств-х фотоприемников ИК диапазона.При изготовлении гетеропереходного тр-ра гетероэпитаксия в слое SiGe осущ-ся после того как сформирована полная изоляция приборов. Быстродействие гетеропереходных бип тр-ов значиn повышается за счет формирования базы с изменяющейся шир З.З. Этого удается добиться из-за наличия напр-й в слое Si-Ge при этом увеличение напр-й приводит к сниж шир З.З., и с помощью изменения содержания Ge в сплаве

зонная диаграмма таких тр-ов выгл-ит след образом:

Ес

Еf

Ev

В такой базе эн эл-в соответствующая дну ЗП умен-ся в направлении коллектора, что эквивалентно созданию внутреннего эл. поля ускоряющего эл-на в направлении от эмиттера к коллектору в рез-те быстрод-е приборов значит возрост.

31Для получения тонкопленочных гетероэпитаксиальных структур на основе тв растворов SiGe используют традиционно газообразную гибридную эпитаксию а также молекулярно лучевую эпитаксию при Т=750-800⁰ С. Осн проблемой в получении высококач-х гетеростр-р стала необходимость резкого снижения плотности дислокаций в рабочих слоях приборных композиций а также устранение шероховатости гетерограниц, что вызывает сильное рассеяние носителей заряда. В следствии значительного различия в размерах атома рассогласование кристаллических решёток в Si и Ge оставляет 4%. Это является причиной появления в эпитаксиальных гетерокомпозициях в процессе их выращивания достаточно больших напряжений несоответствия. По мере увеличения толщины эпитаксиального слоя наблюдается частичная и полная релаксация этих напр-й, кот может происходить либо за счет образования характерных шероховатостей на поверхности растущего слоя либо за счет генерации в слое дислокации несоответствия. Эти два механизма релаксации могут действовать одновременно, значение критической толщины слоя выше которой происходит образование дислокации несоответствия в эпитаксиальных структурах SiGe/Si очень малы.. В случае полной релаксации напряжение несоответствия плотности дислокаций в Si (ых) Ge слоях может достигать 10¹²-10¹¹ см^-2 это исключает возможность их использовании в приборах, поскольку для создания высококачественных тр-в плотность дислокации в эпитаксиальной приборной композиции не должна превышать 10⁴ см^-2.

При формировании гетеропереходных бип тр-в выращивание напряженных эпитаксиальных слоев SiGe позволяет уменьшить его ширину З.З. однако напряжения в слое д.б. достаточно малыми, чтобы не происходило генерации дислокации в этих слоях.

32Основу приоритетных направлений развития науки составляют так называемые критические технологии, вносящие осн вклад в решение ключевых проблем. К их числу можно отнести интенсивно развивающуюся оптоэлектронику, которая оказывает сущ влияние на развитие информ-ых технологий и эл.техники. Увеличение плотности упаковки раб элементов ИС ведет к резкому возрастанию протяженности и усложнение архитектуры традиционных межсоединений. В результате меж соединения превращается в одно из осн препятствий на пути дальнейшего увеличения быстродействия ИС. А их изготовление становится все более дорогостоящей операцией, оказывающей серьезное влияние на стоимость ИС. Поэтому крайне актуально становится поиск новых принципов осуществления связи между отдельными эл-ми ИС и между чипами. Возможными альтернативами традиционных межсоединений явл. оптоэлектронные системы, обеспечивающие возможность генерации модуляции усилия, передачи и детектированию сигнала.

Оптоэлектронные приборы обеспечивают высокоскоростную передачу больших массивов информаций, динамическое и долговременное хранение этой информации, сверхбыструю обработку сигналов и высококачественное отображение сигналов. Под оптоэл-й на основе Si подразумевают интеграцию фотонных и электронных компонент на кремниевом чипе. Технология изготовления фотонных компонент должна хорошо совмещаться с технологией изготовления самой ИС. Кремниевая оптоэлектроника явл. бысторазвивающ. областью техники. Осн проблемой кремниевой оптоэлектр. явл. проблема создания эффективного источника излучения, роль которого выполняет светодиод или лазер. Проблема состоит в том что Si не является прямозонным п/п(ом) поэтому эффективность межзонной рекомбинации в кремнии очень низка. Излучательная рекомбинация в Si на 5 порядков менее вероятна чем в GаAs. Нашли возможности реализации оптических функций на Si обуславливающие интенсивное исследование большого кол-ва материала и приборных структур. Можно выделить след-ие основные направления поиска.

Светоизлучающие структуры на основе Si легированного эрбием.

Выращивание на кремниевых подложках гетероэпитаксиальных структур на основе прямозонных соединений A^IIIB^V .

Наращивание на кремниевых подложках эпитаксиальных слоев тв. р-ров эл-тов 4 группы.

33Эрбий явл. резкоземельным эл-том, который в ионизированном состоянии Эрбий³⁺ может испускать фотон с длинной волны 1,54 мкм. Это происходит в результате перехода электрона внутри оболочки 4f между первым возбужденным состоянием и основным состоянием. Перспектива использования такой люминесценцией связанно с тем что длинна волны испускаемого фотона попадает в обл. макс. пропускания оптических волноводов на основе оксида Si. При введении ионов эрбия в кремниевую матрицу необходимое возбуждение может быть достигнуто за счет носителей исходного материала. При этом последующий переход в невозбужденное состояние м. привести к эмиссии света атомного типа в узкой области спектра. Впервые люминесценция Si легир. эрбием при Т=77 К (темп. жидкого азота) были продемонстрированы в 83-85 гг. Однако последующие исследования проводимые до 93 г. Показали, что изготовление приборов на основе легированного кремния эрбием с эфф-ой эмиссией света при контактной температуре нефизич. по соед. причинам.

1.Низкая раств-ть эрбия в кремнии препятствует введению большого количества атомов кремния.

2.Сильное безизлучательная рекомбинация уменьшает эфф-ть люминесценции более чем на три порядка при увеличении Т от 77 К до комнатной температуры.

3.Время излучения Si легированного эрбием составляет ~1 милисек, что не позволяло модулировать сигнал на частотах более 1кГц.

35Основана на возм-ти оптическ или электрич накачки эрбия приводящей к его переходу в первое возбужденное состояние с последующ излучательн рекомбинацией с испусканием фотона. Сущ 2 осн процесса возбуждения обусловленных носителями заряда Один из них связан с возбуждением иона эрбий³⁺ за счет рекомбинации электрон-дырочных пар на уровне в ЗЗ кремния вносимом эрбием. Этот уровень служит т.о каналом перекачки энергии от электронной подсистемы п/п(а) в оболочку эрбия.

Другой механизм обусловлен горячими носителями заряда, передающими энергию иону за счет непостредственного столкновения

34Для практич. применения в системах Si- эрбий в приборной оптоэл-ке эфф-ые светодиоды, лазеры, оптич усилители, необходимо чтобы концентрация эрбия в Si превышала порядка 10¹² см^-3. Однако пределы его растворимости 10¹⁶ см^-3 приТ=1300⁰ С, что недостаточно для получения интенсивного излучения. Конц эрбия в Si значительно превышающая предел его растворимости в тв. состоянии была получена за счет использования неравновесных технологий, таких как ионная имплантация, молекулярно лучевая эпитаксия, ионнолучевое распыление, хим соединения из газ фазы.При использ ионной имплантации на начальной стадии формирующейся амортизированный слой содерж. высокую конц эрбия. В процессе последующего обжига происходит тв. тельная эпитаксия амортизирующего слоя, сопровождающаяся сегрегацией эрбия на границе раздела и приводящая к уменьш содержания эрбия в рекристализированном слое. Это долгое время определяло проблему получения Si с высокой конц эрбия. В наст время одним из осн методов получ-я Si с высок конц эрбия, достаточной для возникнов-я интенсивной поликристализации явл. совместное введение эрбия с такими эл-ми как О₂ и F₂. Введение О₂ подавляет сегригацию эрбия во время рекристал. из-за формирования малоподвижных комплексов эрбий-кислород. Для получения однородного распределения примесей эрбия и кислорода используется многократная имплантация эрбия и кислорода. Получен-й в рез-те такой имплантации амортизированный слой, затем рекристаллизуется при Т=620⁰ С в течении трех часов. После рекристаллизации проводится быстрый термический отжиг при Т=900⁰ С. для отжига остаточных эл-в в некристал. слое. В результате совместимости имплантации монокристаллов эрбия и кислорода в соотношении 1 к 10 конц. эрбия в кристалич. Si может достигать10²⁰см^-3.

Совместное легир-е эрбия с кисл-м или фтором сопровождается также рядом важныхфиз эф-вМодификация хим. окружения эрбия усиливает его люминисценцию. ↓эфф-ти гашения люминесценции наблюд. с ростом Т.

40. Применение SiC

Карбид кремния обладает уникальными электрич св-и, поэтому примен для произ-а высоковольтных разрядников и варисторов, а также силитовых нагревателей.

Представляет практический интерес применение карбида кремния для изготовления мощных выпрямительных диодов, высокотемпературных тензорезистороров, счетчиков частиц высокой эн, кот способны работать в химически агрессивных средах.

Возможно использования карбида кремния для создания полевых тр-вс хорошими частотными св-ми, СВЧ-диодов, термисторов и др. приборов.

Примен в металлургич пром для раскисления стали, в произ-ве тиглей для разливки цветных и драгоценных меКарбид кремния благодаря высокой твердости и режущей способности имеет широкое применение в промыш

Карбид кремния – один из самых твердых искусственных абразивов.

Из карбида кремния получают шлифзерно, шлиф - и микропорошки, которые применяются для изготовления абразивного инструмента на твердой и гибкой основах Абразивный инструмент из зеленого карбида кремния используется для тонкого шлифования металлообрабатывающего инструмента, тв сплавов, керамики, камня и для правки шлифовальных кругов. Инструмент из черного карбида кремния примен для шлифования тв сплавов, чугуна, цветных ме, стекла, пластмасс, кожи, резины. Отдельные разновидности карбида кремния используются в электротехнической, металлургической и огнеупорной пром. В зерне и порошках карбид кремния прим в пром строймат-в для изготовления аэродромных покрытий, нескользких плиток, лестничных ступеней и других изделий.

Карбид кремния исп-я также для обработки камня и стекла, шлифования лака, шлифования деревянных заготовок, иногда также для шлифования твердых хрупких материалов, например, серого чугуна.

SiC используется как абразивный материал и для изготовления деталей хим и металлургической аппаратуры, работающей в условиях высоких температур.Т.к. карбид кремния обладает высокой огнеупорностью и теплопроводностью, поэтому широко прим в пром при изготовлении огнеупорных изделий.

41. Свойства SiC

По типу хим связи карбид кремния относится к ковалентным кристаллам. Доля ионной связи обусловленная некоторыми различиями в электроотрицательностях атомов Si и С, не превышает 10-12%.Следствием сильных хим связей между атомами кремния и углерода явл очень высокая хим и температурная стабильность SIC, а также высокая твердость Сильная хим связь явлпричиной низких коэффициентов диффузий большинства примесей и повышенной устойчивостью к радиации. Хрупкость карбида кремния явл следствием кристаллической структуры и типа хим связи и сочетается в нем с высокой твердостью.Примеси эл-в V группы явл для SiC донорами, а эл-ы II и III групп акцепторами. На практике чаще всего в качестве донора используют азот, в качестве акцептора – алюминий или бор. Как материал п\пй электроники SiC обладает сочетанием уникальных свойств. Это большая ширина зз, от 2,4 до 3,3 эВ в зависимости от политипа SiC, высокая теплопроводность близкая к теплопроводности меди, высокое значение напряженности поля пробоя, высокая растворимость донорных и акцепторных примесей, наличие собственного оксида в виде SiO2.

SiC может существовать в виде множества кристаллических структур, кот построены из идентичных элементарных слоев, но отличающихся последовательностью чередования этих слоев вдоль оси С. Такое явление называется политипизмом.У различных политипов SiC довольно существенно отличаются значения ширины зз и подвижности носителей заряда. Управление политипизмом SiC представляет собой очень сложную технологическую задачу. Объясняется это близостью эн образования разл политипов SiC. В результате воспроизведение того или иного политипа SiC зависит от многих факторов: температуры, скорости роста, состава кристаллизационной среды, типа легирующих примесей и тд.Карбид кремния имеет три полиморфные модификации: гексагональную и тригональную (α-SiC), а также кубическую (β-SiC).

На сегодня известно порядка 200 политипов SiC, но механизм формирования той или иной модификации неясен. Разница в энергиях кристаллической решетки различных модификаций незначительна. Главные факторы, оказывающие влияние на формирование политипов и полиморфные превращения это температура и давление. Однако построение фазовой диаграммы для политипных систем затруднено, т.к. при постоянном давлении и одинаковой температуре возможно формирование разных политипов в зависимости от различных малозначительных внешних воздействий – изменения соотношения компонент, типа синтеза (жидкофазный либо твердофазный) и т.д.