Получение однородно легированных полупроводников. Примесные неоднородности

Причины образования примесных неоднородностей можно подразделить на:

1. Фундаментальные, связанные с особенностями фазовых взаимодействий в системе полупроводник-примесь.

2. Аппаратурно-технологические, связанные с конкретными условиями проведения процесса.

Примесные неоднородности могут быть классифицированы:

По форме нахождения легирующей примеси в кристалле.

1. Неоднородное распределение примеси в пределах твёрдого раствора полупроводник-примесь. Наблюдается однозначная связь между неоднородным распределением примеси и свойствами полупроводникового материала. Это гомогенная система, где нет границ раздела.

2. Включение и внедрение других фаз – это гетерогенная система; где имеются чёткие границы между участками вторичной фазы и основной матрицей.

Включения вторичных фаз могут образовываться по нескольким механизмам:

• на этапе роста кристалла из-за нарушения планарности фронта кристаллизации. В результате этого происходит механический захват капель расплава с последующей кристаллизацией этих капель в уже образовавшейся матрице;

• на этапе охлаждения кристалла при высоких уровнях легирования вследствие пересыщения твёрдого раствора примесью из-за ретроградности ее солидуса. В этом случае образуются когерентные зародыши новой фазы, представляющие собой предзародыши выделений второй фазы. Однако в этом случае чёткой границы раздела между фазами не наблюдается и всё происходит в пределах упругих искажений кристаллической решётки. При этом нарушается однозначная связь между концентрацией введенной примеси и физическими свойствами полупроводникового материала. Хотя включения и выделения вторичных фаз непосредственного влияния на свойства материала не оказывают, однако их наличие серьёзно нарушает структурное совершенство и таким образом косвенно влияет на свойства кристаллов.

По характеру распределения легирующей примеси в объёме монокристалла.

Неоднородности подразделяются на:

1. Макронеоднородности, проявляющиеся в пределах всего объёма кристалла;

2. Микронеоднородности, проявляющиеся в локальных микроскопических центрах.

Методы исследования примесных неоднородностей

Методы исследования примесных неоднородностей могут быть подразделены на:

1. Прямые – заключаются в непосредственном измерении концентрации легирующей примеси: (метод радиоактивных индикаторов, масспектрометрия вторичных ионов (МСВИ), локальный рентгено-структурный анализ, Оже-спектроскопия).

Выбор метода зависит от решаемой задачи, так как локальность обратно пропорциональна чувствительности.

Достоинство прямых методов исследования это – возможность непосредственного определения концентрации примеси с высокой точностью.

Недостаток прямых методов исследования это – отсутствие информации о конкретной форме нахождения примеси в кристалле.

2. Косвенные – основаны на зависимости физических свойств полупроводникового материала от содержания в нём примеси.

• Во-первых это электрофизические и оптические измерения (исследования удельного сопротивления, термо-ЭДС, эффекта Холла, спектров оптического пропускания и отражения, фото- и катодолюминесценции).

Достоинство – высокая чувствительность.

Недостатки: отсутствие однозначной связи между измеренным свойством и концентрацией примеси, а также эти методы не всегда дают информацию о конкретной форме нахождения примеси в кристалле.

• Во-вторых, это исследования структуры полупроводникового материала, включающие в себя изучение нарушения периодичности кристаллической решётки, обусловленное неравномерным вхождением примеси в кристалл (рентгено- и электронография, рентгенодифракционные исследования, ИК-микроскопия, метод фотоупругости в поляризованном ИК-излучении и т.д.).

Достоинство – определение конкретной формы нахождения атомов примеси в кристаллической решётке.

• В-третьих – это металлографические исследования, основанные на избирательном воздействии на полупроводниковый материал, содержащем примесные неоднородности (избирательное травление).

Достоинство – экспрессность и простота.

Недостаток – получение качественной, а не количественной картины.

Способы получения однородно легированных кристаллов и принципы аппаратурного оформления процессов получения однородно легированных монокристаллов

Причины возникновения неоднородного распределения примеси по длине кристалла

Как говорилось ранее, при эффективном коэффициенте распределения, отличным от единицы (), распределение даже нелетучей легирующей примеси по длине кристалле будет отвечать соответствующим уравнениям: (45) – для направленной кристаллизации; (49) – для однопроходной зонной плавки и (53) для многопроходной зонной плавки. Рассчитанный в предыдущем параграфе уровень легирования будет справедлив начальной части кристалла, а выход годного (G) будет определяться величиной допустимого отклонения от номинального уровня легирования.

Мерой неоднородности измеряемого параметра (концентрации носителей заряда, удельного сопротивления и т.д.) служит величина допустимого разброса этого параметра , выраженная в процентах:

(61)

где и – допустимые максимальное и минимальное значения этого параметра, соответственно.

Если не предпринимать никаких специальных мер, то для метода Чохральского:

(62)

где знак «плюс», если , и «минус», если .

Для зонной плавки:

(63)

где L и l длина кристалла и расплавленной зоны, соответственно.

Величина G в таком случае невелика. Например, при и  =  5% она составляет 5,1%.

Рассмотрим некоторые пути увеличения выхода годной части кристалла.