WYKŁAD 3 SMK na podstawie W. Marciniak, „Przyrządy półprzewodnikowe i
układy scalone”, WNT
W-wa 1987
Przyrząd półprzewodnikowy (dioda, tranzystor) w sensie technologicznym stanowi bryłę
materiału pp, w której wytworzono obszary o różnych koncentracjach i rodzajach domieszek.
Są to warstwy
p
,
n
wytworzone w bryle pp. przy użyciu odpowiednich procesów
fizykochemicznych. Właściwości eksploatacyjne i fizyczne przyrządów pp. silnie zależą od
ich konstrukcji i technologii wytwarzania:
- konstrukcja: kształt, wielkość i położenie warstw
p
,
n
, rozkłady koncentracji domieszek,
rezystywności poszczególnych warstw, rozmiary kontaktów itp. (również kształt i rozmiar
obudowy),
- technologia wytwarzania: sposób i kolejność wykonywania określonych operacji.
1. Wytwarzanie czystych oraz jednorodnie domieszkowanych materiałów pp.
Wymagania stawiane strukturze materiału pp.:
Budowa monokrystaliczna, minimalna liczba defektów wzrostowych, precyzyjnie
kontrolowana liczba domieszek: 10
19
-10
26
m
-3
.
Podstawowy warunek, aby możliwe było kontrolowane domieszkowanie materiału jest
dysponowanie materiałem o koncentracji atomów zanieczyszczeń <10
19
m
-3
. W
Si
lub
Ge
koncentracja wszystkich atomów 10
29
m
-3
, więc koncentracja atomów zanieczyszczeń
oznacza: 1 atom pierwiastka obcego na 10 mld atomów pierwiastka macierzystego = materiał
technicznie czysty. Dla germanu, gdzie koncentracja nośników samoistnych 2.5*10
19
m
-3
=
1
materiał samoistny. Dla krzemu koncentracja ta jest 1000 razy mniejsza: krzem czysty
technicznie nie jest pp. samoistnym.
W skorupie ziemskiej 28%
Si
– składnik piasku i skał. Oczyszczanie chemiczne (reakcja
redukcji z węglem w wysokiej temperaturze) umożliwia otrzymanie materiału o zawartości
99.9%
Si
. Materiał ten poddaje się procesowi oczyszczania strefowego.
Materiał polikrystaliczny w postaci pręta przesuwa się powoli w piecu. Grzanie indukcyjne na
krótkim odcinku pręta podnosi temperaturę
>T
t
i wytwarza lokalna strefę roztopionego
materiału, która przesuwa się wzdłuż pręta i unosi ze sobą zanieczyszczenia. Po kilku
przejściach strefy wzdłuż pręta zanieczyszczenia zostają zebrane na jednym końcu pręta.
Odcina się go i poddaje powtórnemu oczyszczaniu chemicznemu. Pozostała część pręta =
technicznie czysty krzem o budowie polikrystalicznej.
Monokryształy
Si
lub
Ge
otrzymywane są metodą wyciągania z fazy stałej –
Czochralskiego.
W tyglu grafitowym lub krzemowym umieszcza się czysty polikrystaliczny
Si
lub
Ge
i
roztapia go za pomocą nagrzewania indukcyjnego w polu elektrycznym w.cz. (
T
t
Si 1420
o
C
,
T
t
Ge 937
o
C
). Do roztopu zanurza się zarodek kryształu o precyzyjnie ustalonej orientacji
krystalograficznej. Na powierzchni styku zarodka z roztopem temperatura obniża się o 1-2
o
poniżej
T
t
– następuje krystalizacja. Narastająca warstwa ciała stałego zachowuje ciągłość
budowy krystalicznej z zarodkiem. Przez powolne podnoszenie zarodka (i obrót) umożliwia
2
się narastanie kolejnych warstw kryształu. Zwykle powierzchnia zarodka ma orientację {111}
o największej gęstości powierzchniowej atomów. Średnica otrzymywanych kryształów do
15
cm
, długość kilkadziesiąt
cm
.
Krystalizator (puller) w pracowni Zakładu Optoelektroniki Instytutu Fizyki PS
W przypadku hodowania
GaAs
(
T
t
=1240
o
C
) należy dodatkowo zapobiec rozkładowi
GaAs
i
odparowaniu
As
(atmosfera gazu obojętnego zawiera As pod ciśnieniem 960 hPa).
Pożądane domieszki wprowadza się do monokryształów dodając do fazy ciekłej
odpowiednich domieszek w ściśle określonych ilościach.
Pręt monokrystaliczny jest cięty na cienkie płytki o grubości 300…500 m. Płytki są
szlifowane, polerowane mechanicznie i chemicznie (trawienie) do osiągnięcia lustrzanej
gładkości. Grubość płytki maleje do 200…350 m.
2. Metody wytwarzania warstw domieszkowych w podłożu półprzewodnikowym
a).
epitaksja
Proces wytwarzania cienkiej warstwy pp. monokrystalicznego 3-25 m na podłożu
monokrystalicznym z zachowaniem ciągłości budowy krystalicznej z podłożem (
warstwa
epitaksjalna
). Gdy warstwa
Si
osadzana jest na podłożu np. szafirowym =
heteroepitaksja
.
Warstwa epitaksjalna ma orientację sieci identyczną, co podłoże, może się jednak znacznie
3
różnić właściwościami elektrofizycznymi (inny rodzaj przewodnictwa, inna koncentracja
domieszki, inna rezystywność).
Metody otrzymywania warstw epitaksjalnych:
-
metody osadzania chemicznego
:
SiCl
4
(gaz) + 2H
2
(gaz) ↔ Si (c. stałe) + 4HCl (gaz)
(*)
Do rury kwarcowej wpuszcza się gazy reakcyjne (wodór z czterochlorkiem krzemu),
które opływają powierzchnię płytek krzemowych, ułożonych na podstawce kwarcowej
nagrzanej do temperatury 1200
o
C. Atomy krzemu uwalniane w procesie reakcji redukcji
czterochlorku krzemu wodorem, wędrują po powierzchni płytki krzemowej dopóty aż zajmą
położenia o minimalnych wartościach energii (węzły sieci krystalicznej). Reakcja (*) jest
odwracalna. Przy dużym stężeniu HCl lub SiCl
4
(także zależy od prędkości przepływu gazu
reakcyjnego i temperatury) przebiega z lewa na prawo (trawienie płytki krzemowej).
Do narastającej w procesie epitaksji warstwy pp. można wprowadzać domieszki
donorowe lub akceptorowe o koncentracjach regulowanych w szerokim zakresie. Do reaktora
wprowadza się pary
PCl
3
(warstwa
n
) lub
BBr
3
(warstwa
p
) – nośnikiem gazowym par
domieszek jest wodór. Bardzo ważne jest uzyskanie ostrego profilu domieszkowania. Na
granicy warstwa epitaksjalna-podłoże występuje autodyfuzja (proces wysokotemperaturowy)
i profil domieszkowania jest rozmyty. Wadę tę można wyeliminować korzystając z
reakcji
rozkładu silanu
:
SiH
4
(gaz)
T
↔ Si(c. stałe) + 2H
2
(gaz)
. Proces ten przebiega w niższej
temperaturze (1050
o
C) i autodyfuzja jest mniejsza.
4
b).
dyfuzja
W odpowiednio wysokich temperaturach możliwa jest dyfuzja nie tylko elektronów i
dziur, ale i atomów. Zjawisko to można wykorzystać w procesie domieszkowania pp. Jeśli do
powierzchni płytki podłożowej dostarczyć pewną ilość atomów pierwiastka domieszki, to
wskutek chaotycznego ruchu cieplnego, będą one dyfundować wgłąb podłoża. Równania
opisujące dyfuzję:
N
F D I prawo Fizka
x
N
D II prawo Ficka
t x
,
2
2
,
F
– gęstość strumienia atomów domieszki (liczba atomów przechodzących w jednostce czasu
przez jednostkową powierzchnię prostopadłą do
x
),
D
–
współczynnik dyfuzji,
x
–
współrzędna prostopadła do powierzchni pp,
t
– czas,
L D
- długość drogi dyfuzji.
Warunki brzegowe dla II równania Ficka:
A
– dyfuzja z nieograniczonego źródła – ciągły przepływ gazu zawierającego domieszkę nad
powierzchnią pp.:
N t N const
N x
o
N x t N erfc x L erfc x erf x
o
( /2 ); ( ) 1 ( )
D
( , ) 0
Całkowitą liczbę atomów domieszki w półprzewodniku można wyznaczyć:
( ) ( , ) , ( ) 2 / 2 /
o D
N D
o
0
5
(0, )
( ,0) 0
( , )
N t
M t N x t dx M t N L