Каленик Д.В. Технология материалов электроники. Часть 1 (2001) (1152092), страница 22
Текст из файла (страница 22)
наши ученые воглаве с Ж.И. Алферовым, Нобелевская премия 2000г.), пригодные для передачисигналов в оптоэлектронике, ВОЛС (волоконная оптическая линия связи). Первыеполупроводниковые лазеры 1962г. (Басов Н.Г., Прохоров А.М., Нобелевскаяпремия 1964г.) работали лишь при температуре жидкого азота и в импульсномрежиме. Степень монохроматичности (∆λ/λизлучен.≈0,005) в десятки тысяч раз хужегазового лазера, угловая расходимость – 300. Пороговые плотности тока,необходимые для создания инверсии населенностей энергетических уровней были∼100.000 Α/см2, выдержать такую нагрузку могли только крупные кристаллы.102Идея заключалась в том, чтобы окружить светоизлучающую базу чистого GaAsинжектирующими легированными областями с большей шириной зоны ∆Э за счетсоздания многослойной структуры (рис.
2.43). Совмещая p–n-переход сгетеропереходом на границе базы с обоих сторон создаются энергетическиебарьеры, удерживающие носители в тончайшей (доли мкм) базовой области.Причем с другой стороны барьер создается за счет перехода типа n+–n. Такимобразом, активная зона зажата между двумя широкозонными обкладками. Ноизменение зоны ∆Э ведет к изменению показателя преломления n, обычноувеличение ∆Э уменьшает n.
Активная зона превращается в световод с полнымвнутренним отражением. Это позволило уменьшить степень легированияинжекционных слоев, а в более чистом кристалле меньшая доля электронов теряется на тепловую рекомбинацию. В результате, величина порогового тока уменьшилась в 50 раз. Поиски подходящих гетероструктур велись вокруг GaAs-материала, с рекордно высокой излучательной способностью. Гетеролазеры на основеGaAsP-структур получить не удалось, так как As и P не обеспечивали получениемонокристаллического эпитаксиального перехода вследствие несовпаденияразмеров решеток двух полупроводников. Соединение GaAlAs, получающеесяпри взаимопроникновении GaAs и АlAs путем газовой эпитаксии тоже оказалисьнеудачными из–за окисляемости Аl при высокой температуре ГФЭ. И толькоЖФЭ, усовершенствованные ее методы, позволили достигнуть успеха.
ТехникаЖФЭ достигла высокого совершенства: технологи научились получать тонкиепленки (от 10 нм), менять их состав плавно или скачкообразно, выращивать ведином процессе десятки слоев. Классическая структура гетеролазера (рис. 2.43,а) основана на двойной гетероструктуре с полосковой геометрией активнойобласти, характерные размеры которой 400х20 мкм, толщина – доли мкм. Притипичной плотности тока ∼2 кА/см2, лазер зажигается при пропускании тока ∼150мА.
Для транзисторных схем накачки такой ток велик, поэтому дальнейший шаг –создание “зарощенных” структур (рис. 2.43, б), в которых активная зона зажатагетеропереходами еще и с боков. Накачка такой нитевидной инверсиинаселенностей требует только 10 мА (1990 год). На каждый потребляемыймиллиампер двойной гетеролазер (рис. 2.43, г) дает световой поток 0,1–0,5 мВт –более чем достаточно для ВОЛС. В дальнейшем порог малости тока составил 0,13мА. Проблема быстродействия систем передачи сигналов, кроме уменьшенияактивной зоны во всех направлениях требовала обеспечить когерентностьлазерного излучения, которая уменьшалась при миниатюризации активной зоны.Отдельные фотоны, из которых состоит луч света, хоть чуточку различны.
Такимобразом, любой реальный световой поток – некогерентен, оценивается лишьстепень приближения к идеалу, одним из параметров которого является величина∆λ/λизлуч. – качество излучения. Проблему разрешил гетеролазер с распределеннойобратной связью (со встроенной дифракционной решеткой рис. 2.43, в).Волнистая поверхность одной из границ активной зоны, выполняющая рольдифракционной решетки, способствует тому, что резонансная частота световогопотока в лазере определяется не торцовыми зеркалами, а шагом решетки (∼0,16103104мкм). Чем больше шагов (штрихов), тем выше избирательность(монохроматичность) лазера. Например, при 200 штрихах ∆λ≤0,004 нм, атипичное отношение ∆λ/λиз=10–6.
Совершенствование структуры позволилодостичь ∆λ/λиз=10–9, а с внешним резонатором – 10–11. Это обеспечивает оченькачественную, неискаженную передачу сигнала в ВОЛС. Кстати, спецификамонокристаллов АIIIBV (GaAs, в частности) проявляется в том, что при нажатии напластину монокристалла острием ланцета, кристалл колется строго покристаллографическим плоскостям (плоскости спайности – см. главу 1).Крошечные квадратные кристаллики имеют идеально плоскопараллельныепротивоположные грани – зеркальные поверхности оптического резонатораФабри–Перо лазера готовы.
Таким образом минимальными техническимисредствами решается одна из важнейших лазерных проблем (ни один способмеханической обработки не может дать лучшего результата). Для расширенияспектра излучения, свободы варьирования параметрами сопрягаемыхполупроводниковых материалов, в последнее время стали синтезироватьчетверные соединения типа JnGaAsP. Тройные структуры GaAsP оказалисьнежизнеспособными из–за разности размеров атомов As и Р (фосфор имеет меньшие размеры атома), но когда атом Ga заменяется на Jn (более крупный атом), арядом размещается “мелкий” Р, то структура оказывается устойчивой.
Диаграммана рис. 2.44 дает представление о закономерностях изменения ширины зоны ∆Э(от 0,75 до 1,35 эВ). Координаты х и у любой точки на плоскости составовопределяют мольную долю компонентов в твердом растворе. Прямые линии а и бсоответствуют составам тех твердых растворов, у которых период решеткисовпадает либо с периодом JnP (линия а), либо с периодом GaAs (линия б).Двухволновые лазеры (рис.
2.43, г) позволяют удвоить пропускнуюспособность ВОЛС (потоки в ВОЛС не смешиваются).Если для двухкомпонентных сплавов задача выращивания монокристаллов решена, то для твердых растворов эта задача технологически оказалась неразрешимой, в лучшем случае удается получить однородные поликристаллическиеслитки. Монокристаллические слои твердых растворов реализуют исключительнометодами эпитаксии, причем наиболее совершенные слои получают методамиЖФЭ. Основной узел установки ЖФЭ – кассета, которая обеспечивает контакт срасплавом и удаление его после окончания эпитаксии. Она обеспечиваетоднородность по толщине и составу, производительность и может быть оченьхитро устроена.
Главное условие однородности – исключение конвекциивследствие температурных и концентрационных градиентов в расплаве. Дляустранения влияния этих факторов применяется местный подогрев, повозможности высокая температуропроводность расплава (растворителемсоединений типа АIIIBV является металл – Ga, In), горизонтальное расположениеподложки под расплавом, ограниченная толщина слоя расплава над подложкой. Сучетом этого в массовом производстве однородных эпитаксиальных структурширокое применение находят кассеты пенального типа (рис. 2.45, а). Ониобеспечивают постоянную толщину слоя расплава и полное его удаление послеокончания наращивания. Недостаток – возможность повреждения поверхности105106слоя. При получении многокомпонентных твердых растворов (In–Ga–As–P)применяют конструкцию кассет, в которых подложки последовательно приводятв контакт с расплавами разного состава (рис.
2.45, б), при этом движениеподложек может быть и круговым (рис. 2.45, в). Движение графитовых деталейкассеты по поверхности слоя вызывает появление царапин и других дефектов.Этого недостатка лишены кассеты, в которых расплав к подложкам подается принудительно поршнем и свободно сливается с них при отводе поршня (рис. 2.45, г).Подложки могут быть расположены горизонтально и вертикально, в последнемслучае их складывают попарно нерабочими сторонами.
В массовом производственесложных структур (светодиоды) широкое распространение получили простыевысокопроизводительные кассеты (рис. 2.45, д). В них попарно сложенныекассеты разделены в верхней части прокладками, регулирующими толщину слоярасплава. Удаление “лишнего” расплава “самостеканием” не нарушаетповерхностный слой. Во всех случаях эпитаксии большое внимание уделяетсяподготовке поверхности подложки, так как все поверхностные дефектыкопируются в эпитаксиальном слое, что следует из сущности процесса эпитаксии.Диффузия–тепловое,Диффузионнаяспособностьматериалов.самопроизвольное движение микрочастиц (атомов, молекул, носителей заряда) вгазах, жидкостях и твердых телах.
Поэтому коэффициент D зависит отагрегатного состояния вещества. Для газов и жидкостей, основной вид движениясовпадает с блужданием и поэтому, коэффициенты диффузии велики: в газахD=103…104м2/с, в жидкостях 1,0…104м2/c. Еще больше величина коэффициента Dдля электронного газа – носителей заряда в материалах. В твердых телахосновной вид теплового движения – колебания около среднего положения –отличен от блуждания и диффузионная способность атомов значительно меньше(10–8…10–36 м2/с). Резко возрос интерес к твердотельной диффузии в связи сприменением технологических процессов упрочнения и коррозионной защитыповерхностей. Затем диффузия стала одним из главных технологических методовмикроэлектроники, поскольку в производстве ИС требуется строго управляемое(небыстрое) введение примесей в полупроводники на глубину до 5 мкм(легирование).
Основной механизм проникновения примесного атома в решеткумонокристалла – последовательное перемещение по вакансиям. Количество жевакансий экспоненциально увеличивается при повышении температуры,зависимость коэффициента D от температуры тоже экспоненциальная. Поэтомулегирование осуществляется при высокой температуре (коэффициент Dувеличивается на порядок при нагреве на каждые 1000С.
При жестких требованиях к параметрам процесса легирования, температура поддерживается с высокойточностью (±0,10С). Как правило, легирование ведется через маску SiO2 или Si3N4толщиной около 0,5 мкм(рис. 2.46). Концентрация введенных примесей [доноров NД(х) на рис. 2.47] максимальна у поверхности и экспоненциально спадает понаправлению в глубь пластины, поскольку разница концентраций (“движущаясила” диффузии) непрерывно уменьшается. Расстояние хо, на котором она равнаисходной примеси (акцепторов NА на рис.
2.46) – толщина диффузионного слоя.Если вводится примесь, противоположного по отношению к подложке типа, то хо107соответствует границе образующегося p–n-перехода. Примесь диффундируеттакже под маску (рис. 2.47). Толщину диффузионного слоя можноприблизительно оценить по формуле (2.17): хо≈ D t , откуда время диффузииt≈хо2/D. Для бора и фосфора при хо=2…3 мкм и температуре 11000С, оносоставляет около одного часа, а для As и Sb – на порядок больше, поскольку натакую же величину меньше коэффициент D. Слои большой толщины (∼10 мкм)выращиваются длительное время, применяются редко.
В чистом виделегирующие компоненты использовать неудобно (бор – тугоплавкий, мышьяк –токсичный, фосфор – горючий). Диффузантами обычно являются их соединения –твердые (В2О3, Р2О5), жидкие (ВBr3, POCl3) или газообразные (В2Н6, РН3). Врезультате химических реакций на поверхностях пластин при высокойтемпературе выделяются необходимые атомы примесей. Как указывалось выше,на поверхности любого кристалла существует множество нарушенийкристаллической решетки, поэтому молекулы и атомы диффузанта легкозахватываются поверхностью полупроводника. При других модификациях процесса, на поверхность пластины наносят слой вещества, содержащего примесь.Если над пластинами избыток диффузанта, то у поверхности быстро устанавливается максимальная концентрация примеси – Nпред, которая в дальнейшем остаетсянеизменной.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
