Перейти к основному содержанию

Основы материаловедения и технологии полупроводников

Название: 
Основы материаловедения и технологии полупроводников
Автор: 
И. А. Случинская
Издательство: 
Высшая школа
Страниц: 
376
Год издания: 
2002
Язык: 
русский
Формат: 
pdf
Размер: 
2.77 МБ

 

 

Краткое содержание

1. Основные свойства и группы полупроводников

В металлах преимущественным типом химической связи между атомами является металлический тип связи, а в полупроводниках и диэлектриках – ковалентный или ковалентно-ионный и ионно-ковалентный типы связи соответственно.

Металлы часто легко образуют сплавы с материалами с иной природой химической связи, полупроводники – плохо.

Металлы непрозрачны для электромагнитных волн от самых низких частот вплоть до середины ультрафиолетовой области спектра; для больших частот металлы становятся прозрачными. Кроме того, они в этой широкой области спектра (от низких частот до середины ультрафиолетовой области) хорошо отражают излучение. Диэлектрики и полупроводники в противоположность металлам прозрачны для электромагнитных волн от низких частот до некоторой граничной частоты, характерной для каждого материала и называемой основной частотой поглощения или краем собственного поглощения. Как правило, диэлектрики и полупроводники прозрачны в видимом области спектра. Часто у диэлектриков и полупроводников перед краем собственного поглощения наблюдаются пики примесного и экситонного поглощения.

Для полупроводников характерна высокая чувствительность физико-химических свойств к содержанию химических примесей и структурных дефектов, для металлов- существенно меньше. Действительно, примеси и структурные дефекты могут сильно влиять на физические свойства полупроводников, например, на электрические (проводимость). Одни типы примесей и структурных дефектов не дают никакого эффекта или он совершенно незначителен, другие могут привести к увеличению проводимости на несколько порядков. Действие таких примесей и структурных дефектов состоит в основном в том, что они изменяют число носителей заряда.

2. Основы теории химической связи

Химическая связь в твердых телах образуется в результате взаимодействия атомов (ионов). Наиболее существенным результатом этого взаимодействия является расщепление энергетических уровней валентных электронов свободных атомов и образование энергетических зон. С другой стороны, взаимодействие электронов данного атома и соседних атомов не разрушает полностью исходную структуру электронных уровней отдельных атомов. Эти два факта дают основание считать, что электронное строение свободных атомов и, прежде всего, строение их валентных оболочек определяет химическую связь, характер ближнего порядка и, в конечном счете, электронные свойства твердых тел.

Структура энергетического  спектра свободных атомов рассчитывается с помощью методов квантовой механики. Простейшим атомом является атом водорода, обладающий единственным электроном. Уравнение Шредингера для него имеет точное решение и позволяет провести классификацию состояний электрона в атоме. Отметим, что изучение атома водорода дает основу для классификации состояний любого атома, так как электронная структур атома водорода имеет ряд существенных черт, характерных для электронной структурой более сложных атомов.

Химическая связь между атомами, осуществляемая обобществленными электронами, называется ковалентной. Эта связь обусловлена силами квантовомеханического происхождения – обменным взаимодействием.

3. Дефекты в полупроводниковых материалах

Нарушения идеальной трансляционной симметрии кристалла называются структурными дефектами. Дефекты оказывают существенное влияние на многие параметры твердых тел. К таким параметрам относятся электропроводность, фотопроводимость, теплопроводность, скорость диффузии, магнетизм, твердость, прочность и пластичность, плотность и т.д. Зависимость этих параметров твердого тела от дефектов может оказаться настолько велика, что в итоге они будут определяться не столько исходной структурой материала, сколько типом и числом дефектов в нем. Параметров, не чувствительных к структурным дефектам, строго говоря, нет, но практически такие параметры, как температура плавления, диэлектрическая проницаемость, парамагнитные и диамагнитные характеристики, упругие модули, можно отнести к параметрам, менее чувствительным к дефектам.

Дефекты могут быть разделены на две основные группы: собственные дефекты и примеси.

Если за основу классификации применять размеры и протяженность областей решетки кристалла, на которые распространяется действие дефектов, то все дефекты могут быть разделены на:

1. Точечные: вакансии, междоузельные атомы основного вещества, примесные атомы в узлах и междоузлиях, антиструктурные дефекты, комплексы из простых точечных дефектов.

2. Линейные дефекты: дислокации.

3. Двухмерные дефекты: малоуглевые границы, границы зерен и блоков, двойниковые границы, дефекты упаковок.

4. Объемные нарушения: зональные напряжения, поры, включение второй фазы.

Основное отличие точечных дефектов от линейных, двумерных и объемных дефектов состоит в том, что они могут существовать в кристалле как в термодинамически равновесном, так и в метастабильном состояниях при конечной температуре. Линейные, двумерные и объемные дефекты являются метастабильными образованиями, возникающими при росте, механической деформации или при термической обработке кристалла. Таким образом, теоретически можно получить кристалл, содержащий только точечные дефекты.

4. Фазовые равновесия и элементы теории образования фаз

Основным средством изображения результатов взаимодействия химических элементов или соединений, образующих данное вещество, являются диаграммы состояния системы.

Тем не менее, роль диаграмм состояния в понимании характера и результатов взаимодействия определяет свойства получаемого материала. На практике диаграммы состояния используются для рассмотрения превращений при малых скоростях охлаждения или нагрева.

Диаграммой состояния системы называется геометрическое изображение равновесных фазовых состояний одно- или многокомпонентной термодинамической системы как функции параметров, определяющих эти состояния (концентрации, температуры, давления).

Термодинамически равновесным состоянием системы называют такое состояние, при котором параметры этого состояния не меняются с течением времени и в системе отсутствуют потоки любого типа.

5. Получение чистых полупроводниковых материалов

Электрофизические свойства кристаллов определяются, как было выяснено в гл.3, содержащимися в них структурными  дефектами и примесями. Требование продолжительности и стабильности работы полупроводниковых приборов дает одной из важнейших задач технологии задачу получения совершенных монокристаллов с заданным значением параметров. Однако получение чистых элементарных веществ, необходимых для производства различных, в том числе легированных и сложных, полупроводников, используемых для создания приборов, является чрезвычайно сложным технологическим процессом.

В основе всех способов очистки полупроводниковых материалов лежит различие в химических и физических свойствах разделяемых веществ. При существенном различии в свойствах разделяемых материалов их легко отделить, и, наоборот, проблема очистки становится сложной, если очищаемый материал и примесь очень близки по своим физико-механическим характеристикам. Как правило, для получения чистых веществ применяют многоступенчатые технологические схемы, включающие различные химические и металлургические методы очистки.

Металлургические методы заключаются в многократной перекристаллизации слитка основного вещества путем последовательного расплавления его участков. В этом курсе мы не будем рассматривать химические методы очистки веществ, так как они специфичны для каждого вещества, а остановимся на металлургических (кристаллизационных) методах очистки, при которых вещество может очищаться в процессе его выращивания.

Кристаллизационные методы очистки основаны на различии содержания примесей в жидкой и твердой фазах, находящихся в равновесии при данной температуре.

В полупроводниковой технологии кристаллизация из жидкой фазы, как правило, применяется на последнем этапе технологического процесса очистки вещества. При этом наряду с высокой степенью очистки материала от примесей достигается и необходимые совершенство кристаллической структуры, то есть в конечном счете полупроводники получают в виде высокочистых монокристаллов.

6. Выращивание объемных кристаллов полупроводников

7. Легирование полупроводниковых материалов

8. Диффузия примесей в кристаллах

9. Многокристаллические пленки

Техническая библиотека

Вверх