Каленик Д.В. Технология материалов электроники. Часть 1 (2001) (1152092), страница 19
Текст из файла (страница 19)
Для получения высокоомных монокристаллов Si (ρ до 200 Ом⋅м)применяют бестигельную зонную плавку (БЗП). Заготовкой служит поликристаллмоносиланового кремния. Метод основан на плавлении небольшой зоныцилиндрической заготовки с помощью ВЧ-индуктора. За счет вихревых токов в Siнижний конец заготовки расплавляется и образуется капля (рис. 2.32). Благодарямалой плотности и высокому поверхностному натяжению, капля удерживается наслитке, к ней снизу подводится затравка и далее – как в методе Чохральского(вытягивается шейка, а затем и цилиндрическая часть).
Ни тигля, ни графитовогонагревателя нет. Содержание примесей не увеличивается, а даже уменьшается врезультате частичного испарения (процесс в вакууме) из зоны нагрева, особеннорезко уменьшается содержание кислорода (на 2 порядка по сравнению стигельным способом). В течение всего процесса БЗП, верхняя и нижняя частикристалла вращаются в разные стороны со скоростью около 30 об/мин. БЗПкремний применяется в случаях, когда требуется высокое сопротивление ρ (близкое к собственному) и большое время жизни носителей (миллисекунды).
Кремнийприменяетсятакжевпроизводствеэпитаксиальныхпленок,вполикристаллическом и в аморфном состояниях (см. раздел 2.4).8788Основные физические свойства Si – см. табл.2.1. Благодаря более широкойзоне ∆Э, край собственного поглощения λкр=1,1 мкм – ближе к видимой областиспектра, чем у Ge (λкр=1,8 мкм), а собственное сопротивление ρi на 3…4 порядкавыше, однако степень очистки для этого должна составлять 1010 см–3, что для Si недостигнуто. Поведение примесей в Si подчиняется в основном тем жезакономерностям, что и в Ge, однако структура Si более рыхлая, открытая,плотность в 2 с лишним раза меньше, а температура плавления в 1,5 раза выше.Это очень важно для процессов легирования материалов методами диффузии,поскольку интенсивность диффузии экспоненциально зависит от температуры, абольшинство примесей имеет максимум растворимости при температурах1200…13000С. Энергетические уровни примесей в запрещенной зоне Si – рис.2.33.
Атомы элементов III и V групп являются соответственно акцепторами (В, Аl,Ga) и донорами (Р, Аs, Sb), создают мелкие уровни в запрещенной зоне. Однакодиэлектрическая проницаемость Si меньше и ∆Эпр существенно больше (около0,05 эВ), чем у Ge (0,01 эВ), но тем не менее комнатная температурасоответствует области истощения примесей. В планарной технологии методомлегирования полупроводниковых пластин и создания p–n-переходов являетсядиффузия. Коэффициенты диффузии различных примесей в Si приведены на рис.2.34.
Как видно из рисунка, все мелкие доноры (кроме Р) диффундируютзначительно медленнее мелких акцепторных. Из рисунков 2.33 и 2.34 видно, чтопредпочтительнее выбрать акцептором В, а донором – Р, что и реализуется, чащевсего, в производстве.Поверхность полупроводника нуждается в защите от внешних воздействий.Поверхностные явления оказывают на характеристики приборов более сильноевлияние, чем физические свойства объема полупроводника.
В кремниевыхприборах, в качестве пассивирующего покрытия, наиболее широко используютсяпленки SiO2. Они создаются, чаще всего, методом термического окисленияповерхности Si, при температуре 1100…13000С в атмосфере чистого кислорода(пленка со свойствами плавленого кварца) толщиной 0,2…1,2 мкм (тоньше незащищает, толще – растрескивается). Проще окисление в парах воды, ноструктура пленки хуже. Для снятия пленки в окнах при планарной технологииприменяется водный раствор плавиковой кислоты HF.
Маскирующие свойствапленки SiO2 различны для разных акцепторов. Пленка SiO2 эффективно маскируетSi от проникновения доноров, но из мелких акцепторов только бор маскируетсяокисной пленкой. Ga диффундирует в окисле в 400 раз быстрее, чем в Si, ещебыстрее диффундирует сквозь SiO2 алюминий.Лучшими защитными и диэлектрическими свойствами обладают пленки нитрида Si3N4. Даже очень тонкие слои (0,1 мкм) при температуре ∼12000С непроницаемы для большинства донорных и акцепторных примесей.
Поэтому, есликоммутационные шины выполняются из Al, поверх окисной пленки наноситсянитропленка химическим осаждением из газовой фазы при температуре ∼9000С:3SiH4+4NH3→Si3N4+12H2. Метод получения нитрида путем непосредственнойреакции N с Si, в отличие от термического окисления не получил практического89применения из–за низкой скорости реакции нитрирования и высоких рабочихтемператур.Кремний является базовым материалом при изготовлении планарных транзисторов и ИМС.
Производство ИС приобрело громадные масштабы (десятки млрд.шт. в год) и увеличивается ежегодно на 30%. Значительную долю составляют идискретные кремниевые приборы (выпрямительные, импульсные и СВЧ-диоды,транзисторы, приборы с зарядовой связью). Рабочие частоты транзисторов достигают 10 ГГц, выпрямители напряжением до 1500 В и ток до 1500 А. Из кремнияизготавливают большинство стабилизаторов и тиристоров.
Широкое применениев технике получили фотодиоды со спектром 0,3…1,1 мкм, хорошосогласующимся со спектром излучения полупроводниковых источников света.Кремниевые фотопреобразователи (солнечные батареи) имеют КПД 10…20%.Как и Ge, Si используется для детекторов излучений, датчиков Холла,тензодатчиков, но верхний предел температуры их использования выше – до2000С.2.3. Полупроводниковые соединенияСоединения АIVBIV. Единственным бинарным соединением, образованным полупроводниковыми элементами IV группы (таблица 1.1), является карбид SiC, вприроде практически не встречающийся.
Технический карбид SiCизготавливается в электропечах при восстановлении кварцевого песка углеродом:SiO2+3C→SiC+2CO. До температуры 20000С образуется кубическая β–модификация, при более высокой температуре – гексагональные α–модификации,при 27000С – возгонка. Кристаллы полупроводниковой чистоты получаютвозгонкой в печах с графитовыми нагревателями в атмосфере Аr (температуракристаллизации 2400–26000С).
Известно более 100 типов α–SiC, разнящихсяразличной ориентацией слоев одноименных атомов. Как видно из таблицы 2.2, уразличных политипов различных политипов разная величина ширины зоны ∆Э иподвижности, что позволяет рассматривать SiC как группу полупроводниковыхматериалов одинакового химсостава. Управление политипизмом SiC –сложнейшая технологическая задача, наиболее легко воспроизводится политип6Н (табл.2.2).
Воспроизведение других политипов зависит от многих факторов(температуры, скорости роста, состава среды, типа легирующих примесей и др.).В противоположность электрическим, физико–химико–механические свойстваслабо зависят от политипа, твердость его по минераловедческой шкале 9,5 (уалмаза наивысшая – 10), т.е. это абразивный материал. Карбид SiC не окисляетсядо температуры 14000С, это же температура собственной электропроводностикарбида (выше отмечалось, что такая температура является ограничительной длянормальной работы приборов из данного материала).90Рис.
2.32. Схема безтигельной зоннойплавкиРис. 2.33. Энергетические уровни акцепторов в запрещенной зонекремния91Рис. 2.34. Температурные зависимости коэффициентовдиффузии различных примесей в кремнии:а) медленно диффундирующие смеси; б) быстро диффундирующиепримесиРис. 2.35. Спектры электролюминесценции карбидакремния политипа 6Н, легированного различнымипримесями92Таблица 2.2Электрофизические свойства основных политипов карбида кремния (Т=300 К)Модификацияβ–SiC α–SiCСимвол политипа3С15R6H4H2H4,3593,073(а)3,081 3,076 –Период решетки ×10, нм37,3(с)15,12 10,05 –2,392,9863,023 3,265 3,333Ширина запрещенной зоны, эВ20,050,033 0,07–Подвижность электронов, м /(В⋅с) 0,120,0060,0060,006 0,006 0,006Подвижность дырок, м /(В⋅с)Соединение SiC не взаимодействует с кислотами, растворяется (травится) в нагретых расплавах щелочей. Электропроводность и окраска кристаллов SiC – примесная, чистый карбид Si – бесцветен.
Как и для Si, Ge, примеси элементов Vгруппы (N, P, As, Sb, Bi), а также Fe – доноры дают зеленую окраску и n–тип проводимости, элементы III группы (В, Аl, Ga, Jn) и II группы (Са, Мg) – голубую ифиолетовую и p–тип электропроводности. Светодиоды с p–n-переходами формируются в процессе диффузии примесей (температура диффузии до 20000С) илиосаждением эпитаксиальных слоев из газовой фазы.
Диффузия производится взамкнутых рабочих камерах при равновесном давлении пара SiC, т.к. иначе нарушается стехиометрия SiC: избыток Si приводит к n–проводимости, избыток С – кp–проводимости. Изменяя политип и примесной состав, можно получить люминесценцию с любым цветом излучения. На рис. 2.35 показано влияние оптическиактивных примесей на спектр излучения для политипа 6Н. Преимуществом SiC –светодиодов является стабильность характеристик, отсутствие деградации. Этопозволяет использовать их в качестве эталонов и опорных источников света визмерительных устройствах. Недостаток – низкая эффективность преобразованияэлектрической энергии в световую.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
