4.2.Електрична активність дефектів кристалічної структури в напівпровідниках

Загальновідомо, що характер і кількісний зміст дефектів структури визначають фізичні властивості напівпровідника.

До теперішнього часу склалися різні принципи класифікації цих дефектів (недосконалості): розмірний, енергетичний, зарядний, хімічний, часовий, з урахуванням характеру локалізації дефекту та інше.

Найбільш поширена класифікація, заснована на розмірному підході:

• точкові дефекти (нульмірні): вакансії, міжвузельні атоми основної речовини, атоми домішки заміщення або упровадження, носії заряду;

• лінійні дефекти (одновимірні): дислокації;

• двовимірні дефекти: межі субзерен, подвійні межі, межі зерен в полікристалі, дефекти упаковки і інші внутрішні поверхні в кристалі;

• тривимірна (об'ємні) недосконалість: зони пружних напруг, пори, частинки чужорідних фаз, фонони та інше.

На думку П.И. Баранского в цю класифікацію слід включити просторові (періодичні і випадкові) домішкові неоднорідності, які розглядаються як єдиний об'єкт.

Якщо який-небудь дефект рівномірно розподілений в кристалі з концентрацією N, то його ефективний хімічний потенціал  повинен відрізнятися від хімічного потенціалу бездефектного кристала ₀ якоюсь добавкою:

=₀₊lnN (4.1)

де До - постійна Больцмана, Т - абсолютна температура.

В більш загальному випадку, коли кристал неоднорідний, тобто має місце залежність N від координати, можна записати:

=₀₊lnА (4.2)

де А - має сенс не концентрації, а активності.

Іншими словами, знання тільки концентрації стає недостатньо для повного опису властивостей кристала. Слід користуватися більш широким і строгим уявленням про активність цих дефектів.

Оскільки метрологія напівпровідників функціонально обслуговує сферу виробництва напівпровідникових приладів і мікросхем, природно, визначальними стають еоектрофізичні параметри кристалів і структур, а класифікація, заснована на обліку електричної активності дефектів, стає найпереважнішою.

Виходячи з них електричної активності, домішки (дефекти структури) підрозділяють на:

• донори (віддаючі електрони);

• акцептори (приєднуючі електрони);

• амфотерні (які можуть проявляти себе як донори, або як акцептори залежно від положення рівня Фермі).

В.Н. Фістуль ввів поняття "політропія домішок", яке є більш широким по значенню, ніж поняття "амфотерність" і використовується для визначення дефектів, які існують в декількох формах. Зокрема, до числа чинників, що визначають електричну активність домішки, можуть бути віднесений: комплексоподібні, випадання другої фази, осадження на інших дефектах та інше.

Для виключення двозначності такі дефекти "третього виду" (ні донори, ні акцептори) можна називати інтерцепторами.

У свою чергу інтерцептори прийнято розділяти електрично нейтральні (що не іонізуються) і електрично активні (що іонізуються).

Строго кажучи, домішка, що не іонізується, не може бути абсолютно нейтральною, оскільки вона завжди бере участь в процесах розсіяння носіїв заряду, що поставляються іншими дефектами. Більш правильно в цій ситуації говорити про електрично пасивні домішки.

Електрично активні домішки, неоднорідно розподілені в кристалі, в тому або іншому ступеню коваріантно варіюють ширину забороненої зони , але при цьому =const.

Ряд домішок може варіювати ширину забороненої зони контраваріантно. Наприклад, в германії можуть бути домішки, що компенсуються матричною основою (Mg, Ca, Sr, Si і ін.), а також домішки, що компенсуються іншими домішками (типу Al+Sb, In+P і т.д.). В твердому розчині кремнію в германії (або навпаки) ширина забороненої зони міняється від кремнієвої (1,21 эВ) до германієвої (0,75 эВ) залежно від локалізації цих компонентів.

Нарешті, нейтральні домішки можуть входити в заборонену зону конваріантно (наприклад, інертні гази). Проте, як вже указувалося вище, вони не можуть вважатися повною мірою неактивними, оскільки побічно впливають не електричний стан кристала.

Типовим прикладом центру з інтерцепторними властивостями може служити вільна вакансія. Якщо говорити про германій або кремній, то, оскільки валентні оболонки цих елементів заповнені тільки наполовину (4 електрони), теоретично вакансія не повинна проявляти електричної активності. Проте, вакансія завжди пов'язана з фоновими домішками, і залежно від вигляду і змісту цих домішок визначається тип провідності і інші електричні властивості кристала.

При температурі плавлення германію або кремнію в умовах формування бездислокаційної структури утворюється розчин вакансій з рівноважною концентрацією 1016 см-3, які при подальшому охолоджуванні (гарту) можуть можуть об'єднуватися (кластеризоватися) аж до утворення макроскопічних тетраэдричних пор. В реальних кристалах, які завжди містять залишкові або легуючі домішки, за певних умов кластери декоруються домішкою і можуть укрупнюватися до розміру включень другої фази (10¹⁰ атомів). Кластери, що не випали у вигляді включень другої фази і що розглядаються як асоціати точкових дефектів, в нормативно-технічній і наукової літератури отримали не цілком адекватне їх фізичній природі назву мікродефектів.

Природно, що в процесі очищення і вирощування напівпровідникових матеріалів і структур, а також в ході виготовлення приладів і мікросхем, дефекти структури і домішки зазнають різні перетворення і виступають у взаємодію один з одним, утворюючи структурні комплекси. Тому розуміння наслідків комплексоутворення дефектів надзвичайно важливе для встановлення зв'язку між фізичними параметрами напівпровідникових приладів і структур, з одного боку, і характеристиками приладів і ІС, що виготовляються з них, з другого боку.

При оцінці електричної активності дефектів структури і комплексів слід обов'язково враховувати характер їх локалізації.

В приладовій композиції розрізняють звичайно функціонуючу (активну) область, де протікають основні фізичні процеси, і периферійні області, призначені для створення опорної конструкції, контактів і т.д. Якщо дефекти знаходяться в активній області приладу (області об'ємного заряду), вони істотно впливають на його характеристики, визначаючи, наприклад, умови мікроплазмового пробою, пом'якшення вольт-амперних характеристик, термостабільність, механічну міцність і т.д. Ті ж дефекти в периферійних областях приладових композицій практично ніякої дії на їх параметри і умови функціонування не надають. Парадокс сучасних електронних технологій полягає в тому, що активна частина приладів і мікросхем порівняно з їх периферійними частинами нікчемно мала і має постійну тенденцію до подальшого зменшення (від часток мікрометра до десятків нанометрів), тоді як габарити і діаметри початкових кристалів весь час зростають. Це, природно, приводить до невиправдано великих і необоротних втрат напівпровідникових матеріалів, необгрунтованому збільшенню матеріаломісткості напівпровідникових приладів і мікросхем.

Сучасна технологія шукає можливість вирішення цієї суперечності шляхом використовування високоточних, низькотемпературних, локальних методів створення надтонких плівкових приладових композицій.