19) Методы легирования полупроводников

 - используют для получения в монокристаллах определенной проводимости. Легирующие элементы вводят в микродозах, содержание их не превышает 10^-5-10^-7 %. Для полупроводниковых приборов используют пластины, на которые разрезают легированные объемные монокристаллы определенной проводимости. Для стабильности рабочих характеристик таких приборов монокристалл должен иметь по всей длине однородную проводимость, т.е. равномерное распределение легирующей примеси.

Метод вытягивания монокристалла из расплава очищенного полупроводника с введенной легирующей примесью — один из способов получения легированных монокристаллов германия и кремния. Легирующие примеси должны иметь небольшие значения коэффициента распределения. Только в этом случае при обогащении расплава легирующей примесью состав растущего монокристалла незначительно изменяется по длине и его можно выровнять снижением скорости вытягивания.

Коэффициент распределения снижается при уменьшении скорости вытягивания. Используя это, можно начать процесс выращивания монокристалла из расплава при скорости v₁. Для компенсации увеличения концентрации легирующей примеси в расплаве вследствие убыли атомов полупроводника скорость вытягивания v₁ со временем несколько снижают. Это приводит к снижению К и обеспечивает постоянство легирующей присадки в растущем монокристалле.

Метод зонного выравнивания применяют также для получения легированных монокристаллов с однородной проводимостью по длине. Очищенный монокристалл вместе с затравкой помешают в вакуумную камеру. После оплавления затравка индуктор перемещают вправо с постоянной скоростью.

В расплавленную зону вводят легирующую примесь. Постоянство концентрации примеси в прутке будет достигнуто при малом К, если легирующая примесь введена в него в большом количестве и убыль ее в ходе процесса ничтожно мала.

При большом значении К расплав быстро обедняется, что вызывает уменьшение примеси в монокристалле. Степень легирования, так же как и степень очистки, контролируют изменением электросопротивления. Специальными методами определяют тип проводимости, время жизни или диффузионную длину L. Измеренные параметры указывают в марках легированных полупроводников.

При диффузионном методе легирующая примесь попадает в пластинку полупроводника в результате диффузии из газовой фазы, в состав которой входят легирующая примесь. Так, для диффузии донорной примеси - фосфора в дырочный германий используют соединение, которое при нагреве испаряется, переносится потоком аргона в зону диффузии с более высокой температурой и там диссоциирует с образованием активного атомарного фосфора. На поверхности пластины фосфор взаимодействует с атомами полупроводника и диффундирует в германий, образуя с ним твердый раствор замещения. Возможность диффузии атомов легирующей примеси обусловлена наличием в полупроводнике точечных дефектов (вакансий).

Этот метод дает хорошую воспроизводимость основных характеристик, что позволяет использовать его в серийном производстве. Кроме того, он дает возможность вводить примеси совместно, используя различные коэффициенты диффузии вводимых веществ. При диффузии донорной примеси в пластинке германия с р-проводимостью на некотором расстоянии от поверхности возникает р-n-переход. Изменяя температуру процесса и время выдержки, можно получать р-n-переход на любой глубине.

Метод диффузии позволяет получать сразу несколько p—n переходов в одной пластине. В этом случае газовая среда должна содержать и донорную N_n и акцепторную N_p примеси. Коэффициенты диффузии донорных примесей для германия больше, чем акцепторных. В кремнии, наоборот, акцепторные примеси диффундируют быстрее. Скорость диффузии донорной примеси больше, а поэтому она распространяется на большую глубину. При таком методе в наружном р-слое распределение примеси неравномерно. Кроме того, около p-n-перехода концентрация примеси изменяется плавно, что ухудшает характеристики прибора.

Этих недостатков лишен р—n—p-переход, полученный на германии или кремнии сплавно-диффузионным методом.

В этом случае на пластину германия с р-проводимостью помешают шарик из сплава на основе свинца с примесью галлия (акцептор) и сурьмы (донор) и нагревают до 760 °С. При этой температуре сплав расплавляется, и примесь растворяется в германии. После выдержки (2 ч) температуру понижают до 720 °С, и растворимость увеличивается. Германий захватывает небольшое количество донорной и акцепторной примесей, но в связи с большей растворимостью в германии галлия, чем сурьмы, эта зона германия, обогащенная примесью, сохраняет р-проводимость.

В процессе длительной (10 ч) выдержки при 720 °С происходит диффузия галлия и сурьмы из образовавшейся р-зоны в основную пластинку p-Ge. Благодаря большей диффузионной подвижности сурьмы в пластинке германия создается зона n-проводимости, что в итоге приводит к образованию двух переходов типа р-n-р.

При ионном легировании используют тлеющий разряд, в котором газовая фаза, содержащая легирующую примесь, ионизируется. Ионы легирующего элемента внедряются в кристалл. В зависимости от энергии иона внедрение происходит на определенном расстоянии от поверхности, что позволяет создавать несколько p-n-переходов.

20) Основные методы определения параметров полупроводников: ширины запрещенной зоны, подвижности и концентрации свободных носителей, времени жизни неосновных носителей, концентрации и глубины залегания уровней примесей и дефектов.

Концентрация носителей, подвижность.

Измерение концентрации носителей заряда чаще всего выполняется по методу Холла, а также вольт-фарадным методом. Последний метод, называемый также С—U-методом, основан на измерении емкости барьера металл-полупроводник, связанной с концентрацией носителей заряда уравнением , где ε₀=8,86·10^-12 Ф/м — электрическая постоянная; ε — диэлектрическая проницаемость; S — площадь контакта; q — заряд электрона; U — напряжение.

Контакт к полупроводнику можно создать с помощью капли ртути, поэтому измерение может выполняться экспрессно. Погрешность измерения этим методом не хуже ±10%.

Сущность метода Холла состоит в том, что если поместить однородный прямоугольный образец полупроводника в магнитное поле, то на боковых гранях А и В полупроводника возникает поперечная разность потенциалов, называемая ЭДС Холла (рис. 1), или , отсюда определяется коэффициент Холла , где U_a — U_b — ЭДС Холла; I — ток через образец; В — магнитная индукция; d — толщина пластинки в направлении магнитного поля.

Рис. 1. Поперечное поле, обусловленное эффектом Холла.

В общем виде коэффициент Холла определяется выражением , где отношение подвижностей носителей заряда; n — концентрация носителей заряда.

Метод Холла позволяет определить тип проводимости полупроводника, концентрацию и подвижность носителей заряда. Опыт показывает, что знак постоянной Холла и термоэдс может быть как отрицатель­ным, так и положительным. Случай R, а < 0 соответствует отри­цательно заряженным подвижным частицам, определяющим элект­ропроводность, т. е. электронам. Полупроводники такого типа получили название электронных) или полупроводников n-типа (от negative — отрицательный).

Однако ничуть не реже в полупроводниках, в которых заведомо нет ионной проводимости и в которых, следовательно, ток обуслов­лен тоже отрицательными электронами, наблюдается R, а > 0. Следовательно, в этих случаях эффект Холла соответствует движе­нию положительных частиц.

Проводимость полупроводников, как и других материалов, зависит от концентрации свободных носителей заряда (электронов и дырок) при данной температуре и их подвижности. В общем случае , где σ — удельная проводимость при данной температуре; ρ — удельное сопротивление.

Для характеристики относительной чистоты полупроводникового материала вводится коэффициент К, характеризующий степень компенсации и равный для полупроводника n-типа К = N_a/N_d, где N_a, N_j — концентрации акцепторных и донорных примесей, которые могут быть определены из температурных зависимостей концентрации и подвижности свободных носителей заряда по эффекту Холла (рис. 4—9). Используя закон действующих масс, можно определить концентрацию основных носителей в примесном полупроводнике:

для электронного полупроводника для дырочного полупроводника где h — постоянная Планка; γ_j,γ_a — факторы вырождения донорного и акцепторного уровней; W_j , W_a — энергия активации донорной и акцепторной примесей.

Анализируя температурную зависимость концентрации в области собственной проводимости, можно определить ширину запрещенной зоны.

Так как наиболее просто строятся и анализируются графики линейных зависимостей, для полупроводников удобно строить график функции ln n = 1/T. В этом случае получится зависимость, изображенная на рис. По ее наклону можно определить ширину запрещенной зоны собственного полупроводника. Прологарифмировав выражение (1.12), получим:

Выражение (2.1) в координатах lnn и 1/Т является уравнением прямой, график которой приведен на рис.7. Из выражения (2.1) и рисунка 7 видно, что ширина запрещенной зоны будет определяться наклоном прямой линии к оси абсцисс (рис. 8): Выразив из формулы (2.2) энергию ширины запрещенной зоны, получим окончательное выражение для расчетов.

Время жизни неосновных носителей заряда. При расчете и конструировании полупроводниковых приборов и интегральных схем используется параметр время жизни неосновных носителей заряда, который можно определить для электронов в полупроводнике р-типа , а для дырок в n-полупроводнике , где σ_n, σ_р — сечение захвата электрона и дырки; v_th — тепловая скорость носителей, равная ; N_t — концентрация ловушек; m*—эффективная масса носителя, характеризующая его движение в кристаллической решетке. Время жизни связано с диффузионной длиной , где D — коэффициент диффузии, определяемый из соотношения Эйнштейна .

Наиболее распространенный метод измерения времени жизни связан с изменением фотопроводимости кристалла во время прекращения действия света на полупроводник соотношением , где σ_ф — фотопроводимость полупроводника; σ_o — проводимость полупроводника в темноте; t — время.