Каленик Д.В. Технология материалов электроники. Часть 1 (2001) (1152092), страница 17
Текст из файла (страница 17)
2.23. Зависимость плотноститокачерезполупроводниксмногодолинной структурой зоныпроводимости от напряженностиполя77Рис.2.24. Распределение электрического поляв образце. Пунктиром показ случай, когдаVн<Vt. Сплошной кривой − Vн>Vt. В верхнейчастирисункасхематическипоказанодвижение домена по образцу.Рис.
2.25. Схема зонной плавки: 1− участок кристалла,очищенный прохождением зоны; 2− расплав (зона); 3−участок неочищенного полупроводника; 4− петля индуктора78Германий (Ge) относится к числу сильно рассеянных элементов, хотя по распространенности не уступает олову и свинцу и его в земной коре существеннобольше, чем Ag, Hg, Cd, Sb и др.
Минералы не могут служить сырьем дляпроизводства, поэтому получение его затруднено. Источником промышленногопроизводства Ge являются побочные продукты производства Jn, коксования,концентраты Сu–Рb–Zn руд. Для удобства очистки Ge переводится в летучеесоединение GeCl4 (жидкость с температурой кипения 830С), которое подвергаетсяглубокой очистке хорошо освоенными методами экстракции и ректификации(многократная перегонка) – высокоэффективные, экономичные технологическиепроцессы.
Благоприятное сочетание физико–химических свойств (табл.2.1) –невысокая температура плавления, инертность расплава к контейнернымматериалам (графит, кварц), восстановимость окисла водородом – позволило,впервые, в истории техники быстро освоить получение высокочистыхмонокристаллов в промышленных масштабах. Очищенный тетрахлорид, путемгидролиза переводится в двуокись: GeCl4+2H2O→GeO2+4HCl. Элементарный Geполучают восстановлением двуокиси чистым водородом: GeO2+2H2→Ge+2H2O.Процесс водородного восстановления проводят в электрических печах притемпературе 650…7000С с использованием графита в качестве тигельногоматериала.
Заключительная стадия восстановительного процесса совмещается сплавлением образующегося порошка Ge и направленной кристаллизациейрасплава. Полученные таким способом поликристаллические слитки подвергаютзонной плавке или используют в качестве исходного материала для выращиваниямонокристаллов вытягиванием из расплава.Воспроизводимость характеристик полупроводниковых приборов во многомзависит от структурного совершенства исходных кристаллов и содержания в нихзагрязняющих примесей. Химическая очистка редко удовлетворяет требованиямполупроводникового приборостроения.
Среди методов кристаллизационной очистки наиболее эффективным является метод зонной плавки (рис.2.25). Впервыеметод зонной плавки был применен в 1952 году для очистки Ge. Стержень изочищаемого полупроводника помещается в поле мощного СВЧ-индуктора. Приэтом небольшая часть стержня внутри индуктора расплавляется. Петля индукторамедленно перемещается вдоль образца (скорость 3–6 мм/мин). Когда расплавленная часть выходит из петли, она вновь кристаллизуется. В основе метода зоннойплавки лежит хорошо известное в химии явление сегрегации примесей (лед Арктики и Антарктики практически не содержит морских солей, строящейся решеткельда оказывается энергетически выгоднее из находящегося расплава – морскойводы – забрать “свои” молекулы, оставив чужеродные элементы Na, Mg, Cl и др. вжидкой фазе).Коэффициент распределения Кр – это отношение концентраций примеси, вконтактирующих твердой и жидкой фазах.
При К<1 происходит очистка, чемменьше величина Кр, тем эффективнее процесс. Для Сu и Zn величина Кр –тысячные доли и за один проход концентрация этих примесей уменьшается всотни раз. В случаях приближения величины Кр к единице, очистка не столь79эффективна и приходится осуществлять до 50 проходов зоны вдоль очищаемогостержня.Таблица 2.1Основные свойства германия, кремния и селена гексагональной модификацииСвойстваГерманий Кремний Селен5,664,365,42Период решетки ×10, нм35,34,82,3Плотность при 20°С, Мг/мТемпературныйкоэффициентлинейного–16⋅10–625⋅10–64,2⋅10–6расширения (0…100°С), К55803Удельная теплопроводность Вт/(м⋅К)333710330Удельная теплоемкость (0…100°С), Дж/(кг⋅К)9361414220Температура плавления, °С564,1⋅101,6⋅106,4⋅104Теплота плавления, Дж/кгКоэффициент поверхностного натяжения при0,600,720,10температуре плавления, Н/мСобственное удельное сопротивление при0,47–2⋅103температуре 20°С, Ом⋅мСобственная концентрация носителей заряда,–2,5⋅10191016м–3Ширина запрещенной зоны, эВ:2,51,1650,746при 0 К2,01,120,665при 300 К–0,140,39Подвижность электронов, м2/(В⋅с)0,050,190,2⋅10–4Подвижность дырок, м2/(В⋅с)2,854,304,80Работа выхода электронов, эВ9,758,148,10Первый ионизационный потенциал, В6,312,516,0Диэлектрическая проницаемостьПромышленная установка представляет из себя кварцевую трубу, черезкоторую непрерывно продувается инертный газ или водород.
Слиток очищаемогогермания длиной 1000 мм и более находится в графитовой лодочке внутри трубы.Витки контура СВЧ генератора располагаются снаружи трубы на тележке,которая движется вдоль трубы. Для сокращения количества проходов очистки подлине слитка создают не одну, а сразу несколько расплавленных зон. Можно,помещая в начале слитка затравку, и, соблюдая соответствующие, условия этимспособом вырастить монокристалл. Хвостовая часть слитка с примесямиобрезается по окончании очистки. Контроль качества слитков после зоннойплавкиосуществляетсяизмерениемсопротивленияρ(рис.2.26).Экспериментальные зависимости типа кривых на рис.2.26 используются прирасчетах количества легирующей примеси, необходимой для выращиванияэлементных монокристаллов с требуемым удельным сопротивлением.
Ввиду того,что мелкие примеси при комнатной температуре полностью ионизированы,зависимость ρ(Nпр) носит линейный характер (пунктир а на рис. 2.26), отклонение80от линейности является следствием уменьшения подвижности носителей приувеличении содержания примесей в полупроводнике.Наиболеесовершенныемонокристаллывыращиваютсамымраспространенным методом получения полупроводниковых кристаллов –методом Чохральского. Суть его состоит в вытягивании монокристалла израсплава. Основные принципы метода пояснены на рис.
2.27. В расплав сверхуопускается на держателе небольшой, ориентированный в необходимомнаправлении, монокристалл (затравка), которая выдерживается в расплаве дооплавления поверхности. Затем затравку, вращая, начинают медленно поднимать.Силы поверхностного натяжения заставляют некоторую часть жидкостиследовать за затравкой. Оказавшись над поверхностью, жидкость кристаллизуетсяи становится затравкой для следующей порции жидкого полупроводника, надержателе растет массивный монокристалл диаметром до 100 мм (иногда от 300до 500 мм), длина до 1500 мм.
Для защиты растущего кристалла от загрязнений,выращивание производится в вакууме или в атмосфере нейтрального газа.Движение держателя вверх, а также вращение держателя и тигля для выравнивания температурных градиентов, производятся с помощью магнитов снаружиустановки. Чтобы получить монокристаллы постоянного диаметра по всей длине,температура расплава должна поддерживаться постоянной до десятых долей градуса, близкой к температуре плавления.Процесс вытягивания монокристаллов, сопровождается их одновременным легированием, как равномерным, так и неравномерным по длине кристалла.
Например, исходный расплав содержит донорную примесь (Аs, Sb) и вначале кристаллбудет n–типа. По мере вытягивания добавляется акцепторная примесь (Jn, Ga),произойдет сначала компенсация (растет собственно полупроводник), а затем израсплава будет вытягиваться полупроводник p–типа. Последовательностьопераций выращивания:а). Подготовка исходных материалов. Сырьем является не только поликристаллический полупроводник, но и примесь легирующая, остатки материала предыдущей операции, отходы монокристаллов (до 50 %, т.к. использование монокристаллов – 5…7 %).б). Загрузка материала в тигель, вакуумирование и плавление.
После этого,мощность нагревателя уменьшается так, чтобы температура расплава оставаласьпостоянной, близкой к температуре плавления.в). Затравливание – меняет тепловые условия системы. Дело в том, что прикристаллизации выделяется теплота, затраченная на расплавление (скрытаятеплота кристаллизации). Затравка выполняет две функции: является центромориентированной кристаллизации и через нее осуществляется отвод скрытойтеплоты.г). Выращивание шейки. При “тепловом ударе” в ней возникают напряжения ипроисходит образование дефектов, которые неизбежно передались бы выращиваемому кристаллу.
Чтобы избавиться от них – сначала поднимают затравку свысокой скоростью и тянут из расплава шейку (d=4…5 мм, скорость v=8…10мм/мин), используя закономерность vd=const.81Рис. 2.26. Зависимость удельногосопротивлениякремнияигерманияотконцентрациипримеси при 20 °СРис.2.27.Схемавытягиваниямонокристаллов:1−рабочаякамера;2−смотровоеокно;3−нагревательэлектросопротивления; 4− тепловые экраны;5−шток для вращения тигеля; 6−графитовыйтигель; 7−кварцевый вкладыш; 8−расплав;9−растущий монокристалл; 10−затравка;11−шток для крепления затравки82д). Разращивание и “выход на диаметр” – увеличение диаметра до заданного,за счет снижения скорости подъема затравки.е).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
