Влияние дефектов на электрические свойства полупроводников

Дислокации в кремнии могут сильно влиять на электрические свойства кристалла за счет двух основных эффектов:

1) Вокруг дислокаций существуют упругие напряжения, которые простираются на значительные расстояния от ядра дислокации.

2) На дислокациях существуют оборванные, или ненасыщенные, связи, образование которых обусловлено нарушением периодичности атомной решетки в окрестности дислокации. Это приводит к появлению неспаренных электронов, которые могут захватывать электроны из зоны проводимости и образовывать «пары на оборванных связях». Вследствие этого дислокация заряжается отрицательно.

На рис.21 показана энергетическая зонная диаграмма кремния в окрестности дислокации. В материале n-типа электрон, захваченный оборванной связью, будет иметь энергетический уровень внутри запрещенной зоны вблизи валентной зоны. Таким образом, дислокации в кристаллах n-типа проявляют акцепторное действие.

Рис.6. Зонная диаграмма для окрестности дислокации в кремнии. Зоны искажены вокруг ядра дислокации; вблизи центра запрещенной зоны вводится уровень.

Рис.7.Схема цилиндрической области пространственного заряда вокруг краевой дислокации.

В материале p-типа дислокации оказывают донорное действие. В этом случае дислокация будет заряжена положительно.

Ввиду того, что в кристалле должно выполняться условие электронейтральности, отрицательно заряженная дислокация в материале n-типа будет притягивать к себе ионизованные атомы доноров. В результате около дислокации происходит образование «заряженной трубки» - облака положительного пространственного заряда цилиндрической формы – и возникает потенциальный барьер, простирающийся вплоть до края этой области пространственного заряда (рис.7.).

В кристаллах p-типа положительно заряженная дислокация окружена облаком отрицательного пространственного заряда.

Проводимость

Когда дислокации в кристалле ориентированы преимущественно в каком-либо направлении, проводимость кристалла становится сильно анизотропной относительно этого направления.

Образование цилиндрической области пространственного заряда вокруг дислокации сопровождается захватом основных носителей. Эта “экстракция” носителей приводит к уменьшению проводимости материала в случае, когда поток носителей перпендикулярен линиям дислокаций, в то время как в случае потока, параллельного линиям дислокаций, проводимость не изменяется (рис.8).

Справедливы следующие выражения:

(3.1)

где - проводимость бездислокационного кристалла; - доля объема кристалла, занимаемая цилиндрическими областями пространственного заряда; R – радиус цилиндра пространственного заряда; D – плотность дислокаций.

	Рис.8.Температурные зависимости удельного сопротивления кристалла в случаях, когда направление электрического поля при измерениях сопротивления было перпендикулярно и параллельно направлению дислокаций (D=1,2 10-7 см-2).

Кремний

4.1.Кристаллическая структура

Кремний обладает алмазоподобной кубической кристаллической решеткой, которая может быть представлена в виде двух взаимопроникающих гранецентрированных решеток, сдвинутых друг относительно друга на ¼ телесной диагонали (рис.9).

Рис.9. Схематическое представление кристаллической решетки кремния.

Главные кристаллографические плоскости в кремнии представлены рис.10. Для их обозначения применяют индексы Миллера, обратно пропорциональные отрезкам, которые отсекают соответствующие плоскости на кристаллографических осях.

Свойства кремниевых подложек (предел прочности, модуль упругости, скорость травления, плотность поверхностных состояний и др.) зависят от кристаллографической ориентации подложки. Традиционно биполярые схемы формируют на подложках с ориентацией {111}, а МОП-приборы – на подложках с ориентацией {100}.

Рис.10. Схематическое представление плоскостей с различными индексами Миллера в кубической решетке

 

Рис.11. Маркировка кремниевых подложек с помощью основного и дополнительных базовых срезов, стандарт SEMI.

 

Для распознавания ориентации и типа проводимости кремниевых пластин на кристаллах формируют один или несколько базовых срезов (рис.11).

Рис.12. Фигуры травления для плоскостей (100), (110), (111).

Ориентацию монокристалла кремния можно определить также по фигурам травления (рис.12). При продолжительном травлении в слабом травителе на гранях кристалла образуются правильные фигуры различной внешней формы, которые легко наблюдаются под микроскопом. Фигуры травления на различных кристаллографических плоскостях различны, и по форме в какой-то степени соответствуют сечениям, образованным соответствующими кристаллографическими плоскостями с элементарной ячейкой.

 

Основные марки

Монокристаллический кремний получают путем выращивания из расплава методом Чохральского или методом бестигельной зонной плавки. Основные марки монокристаллического кремния:

- кремний моносилановый шестимарок КМД-1, КМД-2,…, КМД-6 (К-кремний, М-моносилановый, Д – электропроводность дырочного типа, цифра – удельное сопротивление в кОм∙см), плотность дислокаций 5∙10⁴ см^-2, содержание кислорода <2∙10¹⁶ см^-3.

- кремний для силовых вентилей одиннадцати марок КЭ2А, КЭ2Б, КЭ2В, КЭ2Г, КЭ2Д, БКЭ2А, БКЭ2Б, БКЭ2В, БКЭ2Г, БКЭ2Д, БКД2Е (Э –электропроводность электронного типа, Д – дырочного типа; удельное сопротивление для КЭ2А, БКЭ2А – 26-45 Ом∙см, для КЭ2В, БКЭ2В – 40-75 Ом∙см, для КЭ2Г, БКЭ2Г – 50-140 Ом∙см, для КЭ2Д, БКЭ2Д – 100 Ом∙см, для БКД2Е – 500-2000 Ом∙см), плотность дислокаций <5∙10⁴ см^-2

- кремний общего назначения пятнадцати групп с различными допустимыми диапазонами удельного сопротивления (в Ом∙см) 1А (1-15), 1Б (1-20), 2А (15-25), 2Б (25-45), 2В (40-75), 2Г (50-140), 2Д (100-250), 2Е (500-2000), 3А (0.005-1.0), 3Б (0.008-1.0), 3В (0.005-0.1), 4А (0.02-0.2), 5А (3-18), 5Б (20-40), 5В (40-120). Группы 1А, 1Б, 3А легированы фосфором или бором, 2А-2Д – фосфором, 2Е – бором, 3Б,3В – сурьмой, 4А – алюминием, 5А-5В – фосфором и золотом. Плотность дислокаций от 2∙10³ см^-2 до 5∙10⁴ см^-2.

- кремний электронный марок КЭМ-0.003, КЭМ-0.004 (К –кремний, Э – электронная проводимость, М – легирован мышьяком, цифры – удельное сопротивление в Ом∙см), плотность дислокаций <10³ см^-2.

- кремний для осаждения эпитаксиальных слоев марок ЭКДБ-10-1, ЭКЭС-0.01-5 (Э – эпитаксиальное наращивание, К – кремний, Д/Э – дырочная/электронная проводимость, Б/С – легирующая примесь бор/сурьма; первая цифра - удельное сопротивление, вторая цифра – марка кремния), плотность дислокаций – 10 см^-2 (для марки 1) и 100 см^-2 (для марки 2).

- эпитаксиальные структуры кремния имеют дырочную проводимость с удельным сопротивлением 0.5-2.0 Ом∙см, плотность дислокаций 1∙10⁴ см^-2, толщина эпитаксиального слоя 8-15 мкм, пример обозначения (цифра перед дробью – диаметр структуры, первая цифра в числителе – толщиная эпитаксиального слоя, в знаменателе – толщина пластины).

Кремниевая подложка должна удовлетворять ряду требований к геометрическим размерам (табл.1).

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: