3. Подвижность свободных носителей заряда ( n и p)

П одвижность равна дрейфовой скорости свободных зарядов в поле напряженностью 1в/м или 1в/см. Единицей измерения подвижности являются (см²/Вс; м²/Вс). Подвижность определяет быстродействие полупроводниковых приборов. Поскольку, _n>_p, то приборы на электронных полупроводниках являются более высокочастотными, чем на дырочных. Подвижность является структурночувствительным параметром и, с увеличением концентрации примеси, подвижность падает. Значение подвижности так же зависит от температуры, и эта зависимость приведена на рис.1.3.

4. Эффективная масса электронов и дырок m_n, m_p приводится в соотношении к массе покоя частиц.

5. Относительная диэлектрическая проницаемость.

6. Плотность материала.

7. Удельное сопротивление собственных полупроводников.

Особенностью полупроводников является зависимость их проводимости от типа примеси. Это позволило создавать на их основе электронные и дырочные полупроводники. На участке рабочих температур n_n=N_д у примесных полупроводников. Это правило выполняется до определенного предела, для каждой примеси существует предел растворимости. За пределами N_пред примеси образуют новую фазу и n_n становится независимой от N_д. Для каждой примеси существует собственный предел растворимости.

З а пределами N_пред примеси образовывают новую фазу и n_n становится не зависимой от N_д. Для каждой примеси существует собственный предел растворимости.

1.3.1. Кремний Si.

Кремний – элемент 4-й группы, связь между атомами ковалентная, тип кристаллической решетки – алмаз.

В настоящее время Si играет основную роль в производстве полупроводниковых приборов, это объясняется следующими факторами:

1. Достаточная ширина запрещенной зоны, которая обеспечивает хороший диапазон рабочих температур материала от -60 до +130⁰С.

2. Собственный SiO₂ обладает хорошими защитными и маскирующими свойствами, что используется в современной технологии производства полупроводниковых приборов по планарно-эпитаксиальной технологии. Она вся основана на маскирующих свойствах SiO₂ (рис.1.5).

О кно в маске, через него проводят диффузию атомов B. Маскирующие свойства связаны с тем, что коэффициент диффузии примеси в SiO₂ много меньше, чем у кремния.

3. Оптимальная температура плавления: 1420С. Она позволяет использовать в качестве контейнерного материала плавленый кварц. Более высокая температура создала бы проблемы с материалом для тиглей и реакторов, при более низкой температуре стало бы невозможным проведение процесса диффузии, протекающего с достаточной скоростью при температуре 1100–1200⁰С.

4. Доступность сырья. Содержание кремния в земной коре составляет 28%.

Недостатки кремния: он не обладает излучательными свойствами и поэтому не пригоден для изготовления ОКГ и светодиодов; недостаточно высокая подвижность электронов, что препятствует созданию на нем СВЧ приборов: непрямой переход запрещенной зоны.

Для получения поликристаллического кремния Si используется кремнезём. Из кремнезёма восстанавливают кремний в электрических печах с помощью углеродосодержащих материалов. При этом получают технический кремний - спёк с содержанием примесей до 1%. Из него сначала восстанавливают легкие летучие соединения тетрахлорид, трихлорсилан кремния, моносилан кремния.

Si+2Cl₂SiCl₄

Si+3HClSiHCl₃+H₂

Для получения моносилана сначала изготовляют кремниево-магниевый сплав, и моносилан извлекают последующей реакцией:

MgSi₄+4NH₄ClSiH₄+2MgCl₂+4NH₃

Полученные соединения подвергают затем глубокой очистке методом ректификации. SiH₄ – газ и его ректификацию проводят после сжижения и при t кипения =143К. Из чистых соединений восстанавливают кремний по реакции восстановления из галосоидных соединений – хлорсиланов (тетрахлоридов кремния или трихлорсилана).

SiCl₄+2H₂Si+4HCl

SiHCl₂+H₂Si+3HCl

термическое разложение гибридов (моносилана)

SiH₄Si+2H₂ (пиролиз)

Поскольку кремний можно очистить практически от всех примесей, кроме бора, коэффициент распределения которого близок к единице, то принято условно оценивать чистоту получаемого кремния по содержанию в нем бора или соответствующему этому содержанию удельному сопротивлению. Первым методом получают кремний с удельным сопротивлением до 10²Омсм, определяемым частотой по бору, однако кроме бора полученный этим методом кремний может содержать заметные количества углерода и кислорода. Второй метод позволяет получить более чистый кремний с удельным сопротивлением 10³Омсм.

Восстановление идет на нагретые кремниевые прутки, через которые пропускают ток. На них оседает кремний и получается поликристаллический материал. Диаметр прутков с поликристаллическим кремнием может от 8 до 100мм. Полученный поликристаллический кремний используется в производстве монокристаллического кремния. Наиболее распространенный - метод Чохральского (метод вытягивания из расплава), схематическое изображение процесса приведено на рис.1.7

Процесс идет в атмосфере инертного газа, или в вакууме. Монокристаллическая затравка, вырезанная в нужном кристаллографическом направлении, опускается в поликристаллический кремний. После оплавления и появления 1-й порции кремния затравку начинают поднимать вверх, тянущийся за ней столбик кремния постепенно затвердевает. Структура наращенного слоя повторяет структуру подложки. После выращивания небольшого столбика кремния его диаметр регулируют скоростью подъема V. Связь скорости подъема V и диаметра кристалла dV= const.

О сновная задача при выращивании монокристалла – получение чистого кремния с минимальным содержанием дефектов, из которых наиболее распространенным являются дислокации. К другим видам дефектов относятся неконтролируемые примеси, которые могут попадать в кремний при плавке. Высокая активность кремния в расплавленном состоянии приводит к тому, что при использовании в качестве материала тигля высокочистого синтетического кварца он является источником кислорода, переходящего в расплав. Другой неконтролируемой примесью, которая может присутствовать в кремнии, является углерод; источник его – нагретые части установки, изготовленные из графита. Наличие углерода и кислорода приводит к появлению в выращенных кристаллах различного рода включений. Дефекты любого вида являются крайне нежелательными для кремния, ибо они в итоге определяют выход годных изготавливаемых изделий и их надежность.

В производство полупроводниковых приборов идет ~50% слитка. Остальная часть используется для вторичной переработки. Недостатком слитков является наличие примесей кислорода, которые попадают туда при растворении кварцевого стекла. Кислород связывает примеси меди и серебра, т.к. эти примеси диффундируют в сторону высокой концентрации кислорода. Недостаток примесей меди и серебра изменяет время жизни зарядов в полупроводнике. Избавиться от кислорода невозможно. Получают кремний с минимальным содержанием кислорода и большим значением времени жизни неосновных зарядов методом безтигельной зонной плавки. Обычно его применяют при выращивании кремния на основе моносилана. Схематичное изображение процесса показано на рис.1.8

К достоинствам метода можно отнести получение более чистого слитка с большим диапазоном удельных сопротивлений как р-, так и n- типа: большее время жизни неосновных носителей заряда (100…3000мкс по сравнению с 10…50мкс, получаемыми в монокристаллах, выращенных по методу Чохральского); недостатками являются меньшая производительность, сложная и дорогостоящая аппаратура и более высокая стоимость.

Сравнительная характеристика бездислокационных кристаллов, полученных методами Чохральского и бестигельной зонной плавки, приведена в табл.1.2.

Таблица 1.2.

Параметры кремния	Метод Чохральского	Зонная плавка
Качество кристаллов	Без дислокаций	Без дислокаций
Диаметр, мм	До 150	До 100
Диапазон удельных сопротивлений, Омсм p- n-	0,005…50 0,005…50	0,1…3000 0,1…800
Ориентация	[111], [110], [100]	[111], [100], [511]
Время жизни, мкс	10…50	100…3000
Содержание кислорода, см-3	1016…1018	1016
Содержание углерода, см-3	1017	-«-

Средний диаметр слитков, получаемых по методу Чохральского – 75мм (могут быть и до 150мм), а методом бестигельной зонной плавки – 60мм (макс. 100мм). Выращенные слитки должны удовлетворять следующим требованиям: отклонение диаметра слитка от номинала – до 2,5мм; плотность дислокаций – менее 10см^-2; однородность свойств на уровне 10%; отсутствие на поверхности слитка внешних дефектов (трещин, сколов и т.д.) размером более 1,5…3мм.

В интегральной технике широко используются эпитаксиальные слои кремния. Эпитаксия – ориентированный рост слоёв и структура наращивания слоя повторяет структуру подложки. Схематическое изображение установки для эпитаксиального наращивания приведены на рис.1.9

Ч ерез трубку пропускают SiCl₄ насыщенный парами Н₂ (очищенный через мембрану палладия). В процессе движения Si осаждается на подложках. Подложки подогревают до 1000˚С. Эпитаксию кремния можно производить на сапфир - монокристаллический кремний Si₂O₃, MgOAl₂O₃, BeO, SiO₂.