Диффузия и растворимость газов – основы материаловедения

May 1, 2013 by admin Комментировать »

Выращивание монокристаллов полупроводников, а также высокотемпературный прогрев при различных технологических операциях часто проводятся в атмосферах водорода, инертных газов (гелий, аргон и т. д.) или в вакууме. Кроме того, при нагреве камера роста кристаллов «дегазируется», выделяя в значительных количествах кислород и другие адсорбированные на стенках камеры газы. Все эти газы способны растворяться в расплаве и проникать в кристалл.

Вопрос о влиянии газов на свойства полупроводниковых материалов до сих пор нельзя считать окончательно решенным, во-первых, потому, что это влияние оказывается зачастую не прямым, а косвенным; а вовторых, потому, что это косвенное влияние в разных полупроводниках оказывается существенно различным.

Для характеристики процессов диффузии и растворения газов в полупроводниках, как правило, пользуются следующими величинами: 1) коэффициентом диффузии D; 2) растворимостью, определяющей равновесную концентрацию газа в полупроводнике при данной температуре и внешнем давлении газа в одну атмосферу. Эти две величины тесно взаимосвязаны друг с другом.

В Ge и Si, как правило, газы непосредственно не влияют на электрические параметры материала, поэтому сведения о их содержании в кристаллах получают обычно не полупроводниковыми (электрическими) методами. Согласно результатам масс-спектрального анализа количество (отдельно) водорода, кислорода и углерода в кристаллах Ge и Si, выращенных с помощью обычных методов, примерно одинаково и составляет

3 · 1018 см−3 в Ge и 2 · 1019 см−3 в Si.

Коэффициенты диффузии для водорода, гелия, кислорода и ксенона в германии приведены в табл. 8.1. Близкие по порядку величины значения коэффициентов диффузии наблюдаются и для соответствующих газов в кремнии. Представляется вероятным, что диффузия водорода и гелия в германии и кремнии носит междоузельный характер. Также предполагается, что водород в этих полупроводниках может быть частично связан с имеющимся там кислородом (носителей заряда водород не дает).

Высокие концентрации растворенного кислорода приводят к появлению характерных полос поглощения в Ge при λ = 11.6 мкм, а в Si при 9 мкм. Относительная величина коэффициента поглощения меняется в зависимости от содержания кислорода (введенного, например, в камеру роста путем дозированного давления). Было установлено, что величина коэффициента диффузии кислорода при 1300◦C в Si =∼ 10−10 см2/с [41].

В отличие от водорода, гелия и углерода, которые не оказывают заметного влияния на электрические свойства Ge и Si, кислород вызывает появление электрически активных центров в Si и Ge, подвергнутых термической обработке (см. гл. 3). В Ge и Si кислород присутствует либо в атомарном виде, либо образует комплексы Si(Ge)Ox. Атомы кислорода, размещающиеся в междоузлиях, нейтральны, а комплексы Si(Ge)Oобладают донорными свойствами.

В полупроводниковых соединениях газы тоже, как правило, не влияют на электрические параметры материала, исключение составляет кислород. Например, в GaAs и GaP с кислородом связываются наиболее глубокие донорные уровни, лежащие приблизительно посередине запрещенной зоны; в результате кристаллы с концентрацией активных центров, превышающей 1017 см−3, проявляют проводимость, близкую к собственной.

При выращивании полупроводников следует обратить внимание на такой газ, как азот. Он играет существенную роль в неравновесных процессах и поглощении, например, в GaP. Замещение атомов фосфора в узлах атомами азота, которые являются «изоэлектронными», не влияет на электрические параметры кристаллов. Однако, имея большую по сравнению с фосфором электроотрицательность и высокую растворимость (до 1019  см−3), примесь азота приводит к появлению интенсивных линий в спектрах излучательной рекомбинации, связанных не только с одиночными атомами азота, но и с парами N N -центров, расположенных на достаточно близких расстояниях [43].

Источник: И. А. Случинская, Основы материаловедения и технологии полупроводников, Москва — 2002

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты