Влияние состава сплава и природы диффундирующего вещества на скорость и параметры диффузии

June 11, 2013 by admin Комментировать »

Диффузия в полупроводниковых материалах имеет ряд особенностей. Важнейшей из этих особенностей является наличие в полупроводниках электрически активных примесей и собственных дефектов, прежде всего вакансий. Кулоновское взаимодействие между ними изменяет подвижность, концентрацию и характер распределения дефектов и соответственно условия и скорость диффузии. Важно также, что влияние примесей в полупроводниках проявляется при весьма малых концентрациях. Кроме того, на процессы диффузии в полупроводниках сказывается и низкая компактность решеток последних.

Самодиффузия

Самодиффузия в элементарных веществах, соединениях и твердых растворах чаще всего осуществляется по вакансионному механизму. Скорость ее обычно меньше скорости гетеродиффузии.

На самодиффузию в полупроводниках влияют примеси. Характер влияния определяется не только размерным фактором ∆R/R, где R — ковалентный радиус атомов основного вещества, а ∆R — разность ковалентных радиусов основного вещества и примеси (упругие напряжения ведут к перераспределению точечных дефектов). Существенную роль играет непосредственное влияние примесей на концентрацию вакансий. Коэффициент диффузии тем больше, чем  выше  концентрация  вакансий (см. (8.10)). В полупроводниках между концентрацией электрически неактивных и электрически активных вакансий и примесей существует динамическое равновесие. Концентрации заряженных вакансий и примесей взаимосвязаны.

Действительно, в случае донорных примесей, например мышьяка в германии, равновесие и взаимодействие можно представить так:

[V ] = [V −]+ h;  [As] = [As+]+ e;  h + e = (he).           (8.29)

Здесь he — электронно-дырочная пара. Образование этих пар сдвигает равновесие вправо, то есть увеличивает концентрацию акцепторных вакансий  [V −];  чтобы  при  этом  сохранилась равновесная  для  данной

температуры концентрация электрически неактивных вакансий, должна возрасти общая концентрация вакансий, что должно способствовать ускорению самодиффузии.

Ясно, что при введении акцепторной примеси картина будет обратной. Концентрация дырок возрастает за счет ионизации акцепторной примеси,

уменьшается концентрация [V −], а с ней и общая концентрация вакансий, что в результате приводит к замедлению самодиффузии.

Особо следует остановиться на самодиффузии в полупроводниковых соединениях, которая осложняется наличием ионной составляющей связи, возможной диссоциацией некоторых соединений при температуре диффузии или испарением летучих компонент.

В полупроводниковых соединениях самодиффузия каждого из компонентов соединения осуществляется в большинстве случаев только в своей подрешетке. Переход вакансий из одной подрешетки в другую практически исключен, так как при этом ближайшими соседями атома, перешедшего в вакансию, стали бы одноименно заряженные атомы. Чем больше ионная составляющая связи в соединении, тем менее вероятен такой переход. Поэтому переход атома в вакансию может осуществляться только через междоузлия. Этим объясняется и высокое значение энергии активации самодиффузии в соединениях.

Во всех известных случаях для соединений AIIIBV и AIIBVI энергия активации диффузии элемента AIII (AII) значительно меньше, чем BV (BVI). Это связано с тем, что уход из узла атома BV или BVI требует больших энергетических затрат, чем уход атомов AIII или AII.

На скорость и параметры самодиффузии в соединениях существенно сказывается также отклонение от стехиометрии. Последнее всегда ускоряет самодиффузию того элемента, содержание которого меньше стехиометрического и в подрешетке которого имеются вакансии.

Гетеродиффузия

Рассмотрим отличительные особенности гетеродиффузии в германии и кремнии. Как следует из табл. 8.1, элементы IB и VIII (переходные металлы) групп диффундируют в них с большей скоростью, чем элементы IIIA и VA групп. Механизм диффузии примесей IB и VIII групп, как мы уже установили, — междоузельный для примесей внедрения (литий) или диссоциативный, если атомы примеси могут размещаться как в узлах, так и в междоузлиях.

Особый практический интерес представляет поведение элементов IIIA и VA групп в германии и кремнии. В Si элементы IIIA группы (акцепторы) диффундируют на 1–1.5 порядка быстрее, чем примеси VA группы (доноры). В Ge, наоборот, коэффициенты диффузии элементов IIIA группы примерно на два порядка меньше, чем элементов VA группы.

Разность ковалентных радиусов примеси и основного вещества (∆R) в общем случае для примесей из IIIA группы больше, чем для примесей из VA группы. Поэтому локальные упругие искажения в решетке матрицы должны быть больше вокруг примесных атомов IIIA группы (сюда будут стремиться вакансии) и скорость их диффузии тоже должна быть больше. Такое толкование хорошо согласуется с экспериментальными наблюдениями диффузии в кремнии. Аналогичная ситуация должна наблюдаться и в германии. Однако в действительности, как уже упоминалось выше, коэффициенты диффузии примесей из IIIA группы в Ge меньше, чем для примесей из VA группы. При диффузии в германии, по-видимому, появляется дополнительный фактор, который перекрывает влияние размерного фактора на скорость диффузии. Этим фактором

являются заряженные вакансии V −.

Вероятность образования акцепторных вакансий тем больше, чем меньше энергия их образования. О последней можно судить по расположению акцепторных уровней вакансий в запрещенной зоне. Эти уровни для Ge и Si существенно различны. В Ge акцепторный уровень вакансии расположен в нижней половине запрещенной зоны на 0.26 эВ выше потолка валентной зоны, а в Si в верхней половине — на 0.16 эВ ниже дна зоны проводимости. Отсюда следует, что доля электрически заряженных вакансий в Ge намного больше, чем в Si, где они все практически электрически неактивны.

В силу кулоновского взаимодействия между электрически заряженными вакансиями и примесями вокруг положительно заряженных донорных примесей (VA группы) в решетке Ge создаются области, обогащенные вакансиями, а вокруг отрицательно заряженных акцепторных примесей (IIIA группы) — области, обедненные вакансиями. Это значит, что перемещение акцепторных примесей будет затруднено, что и наблюдается в Ge.

При наличии нескольких примесей были установлены следующие закономерности. Диффузия донорной примеси замедляется при предварительном легировании образца акцепторной примесью и ускоряется при предварительном легировании донором. Причиной этого также является кулоновское взаимодействие доноров и акцепторов (образование донорно-акцепторных пар), которое уменьшает эффективную скорость диффузии.

Особенностью гетеродиффузии в полупроводниковых соединениях является то, что большинство примесей диффундируют по подрешеткам тех компонентов соединения, которые ближе к примесям по химическим свойствам. В некоторых случаях известную роль играет и размерный фактор ∆R/R.

Параметры диффузии примесных элементов, диффундирующих в одной подрешетке полупроводникового соединения, очень близки между собой и резко отличаются от параметров диффузии примесей, диффундирующих по другой подрешетке.

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