Типы полупроводниковых подложек

Классификация полупроводников

Полупроводники - материалы, у которых концентрация подвижных носителей заряда значительно ниже концентрации атомов и может изменяться под влиянием температуры, освещения или относительно малого количества примесей. Удельная электропроводность полупроводников

ρ ~ 10^-6 - 10⁹ Ом·м при комнатной температуре.

 

По структуре полупроводники делятся на кристаллические, аморфные, стеклообразные и жидкие. Особый класс составляют твердые растворы полупроводников, в которых атомы разных сортов хаотически распределены по узлам правильной кристаллической решетки.

По химическому составу полупроводники могут быть в виде элементов (Ge, Si, Se, Te) и соединений. Существуют полимерные и органические полупроводники. Полупроводниковые соединения принято классифицировать по номерам групп периодической таблицы элементов, к которым принадлежат входящие в соединение элементы.

 

2-3

1.Элементарные полупроводники:

Ge, Si, Se, C (алмаз) и т. д.

2. Соединения типа А^IIIВ^V (где А - первый компонент соединения, В - второй компонент и т.д.) имеют в основном кубическую кристаллическую решетку с ковалентной связью, а также образуют твердые растворы сложных соединений.

Пример: GaAs, InP, InAs, InSb, GaP, Ga_xAl_1-xAs и другие.

3. Соединения типа A^IVB^VI имеют кристаллическую структуру типа NaCl или орторомбическую с ковалентно-ионной связью. Примеры: PbS, PbTe, SnTe, Pb_xSn_1-xTe, Pb_xSn_1-xSe

4. Соединения типа A^IIIB^VI имеют кубическую кристаллическую структуру, для них характерны низкая подвижность носителей заряда GaTe₃, Ga₂Se₃, In₂Te₃

5. Тройные соединения типа А^IIВ^IVС^V: CdSnAs₂, CdGeAs₂, ZnSnAs₂

6. Карбид кремния: SiC (гексагональная решетка),

SiC (кубическая решетка).

7. Стекла:

а) халькогенидные: As₂Se₃ - As₂Te₃;

б) оксидные: V₂O₅ - P₂O₅ - RO_x

(R -металл), при охлаждении кристаллизуются.

8.Некристаллические аморфные полупроводники:

а-Si(H) - насыщен водородом;

10. Органические полупроводники:

а) кристаллы с переносом заряда;

б) полимеры, легированные атомами K, Na и др..

 

4

Механизмы приготовления пленок полупроводников

Пленки полупроводников могут быть сформированы на подложках с помощью целого ряда методов:

Твердофазной эпитаксии (ЭТФ),

Жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ),

Газофазной эпитаксии (ГФЭ),

Лазерной вакуумной эпитаксии (ЛВЭ),

Молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ),

Магнетронного, ионного, термического и т.д.

 

Пленка - тонкий слой конденсированного вещества.

Подложка -объект, предназначенный для фиксации пленки.

МеханизмФранка Ван-дер-Мерве характеризуется зарождением на поверхности подложки псевдоморфного слоя пленки, т.е. слоя упруго деформированного до полного соответствия параметров кристаллической решетки пленки и подложки, при дальнейшем послойном росте пленки происходит полная релаксация упругих на­пряжений.

МеханизмСтранского - Крастанова характеризуется первоначально двумерным ростом пленки с последующим образованием трехмерных островков. Этот механизм реализуется при росте квантовых точек.

Три основных механизма роста пленок:

1. МеханизмФранка Ван-дер-Мерве характеризуется зарождением на поверхности подложки псевдоморфного слоя пленки, т.е. слоя упруго деформированного до полного соответствия параметров кристаллической решетки пленки и подложки, при дальнейшем послойном росте пленки происходит полная релаксация упругих на­пряжений. Обуславливается полным смачиванием и сильной адгезией (сцеплением) между пленкой и подложкой.

2. МеханизмФольмера - Вебера, характеризуется слабым взаимодействием между пленкой и подложкой, что приводит к формированию островковых пленок. Обуславливается слабым смачиванием и слабой адгезией между пленкой и подложкой.

3. МеханизмСтранского - Крастанова характеризуется первоначально двумерным ростом пленки с последующим образованием трехмерных островков. Этот механизм реализуется при росте квантовых точек.

Пленки полупроводников по структуре могут быть такими же, как и сами полупроводники:

 

Монокристаллическими,

Поликристаллическими,

Аморфными и т.д.

 

Наиболее значимыми для приготовления наноструктур являются монокристаллические эпитаксиальные пленки.

 

6-7

Типы полупроводниковых подложек

1. Германий Ge - химический элемент IV группы атомов периодической системы Менделеева, атомный номер 32. Германий - полупроводник с шириной запрещенной зоны - 0,66 эВ (0^оС), кристаллическая решетка типа алмаза, ковалентная связь, тверд и хрупок, растворяется царской водкой, перекисью водорода, кипящими щелочами KOH, NaOH.

Вообще монокристаллический германий выпускается разных марок: ГДЗ, ГДГЗ, ГЭСЗ, ГДСЗ, ГЭМ

Первая буква в обозначении материала:

Г - германий;

вторая - тип проводимости:

Д - дырочная, Э - электронная;

третья и четвертая буквы - легирующая примесь:

З - золото, Г - галлий, С - сурьма, М - мышьяк, Б - бор, К - кремний.

2. Кремний S i - химический элемент IV группы атомов периодической системы Менделеева, с атомным номером 14.

Монокристаллический кремний маркируется также как и германий.

3. Арсенид галлия GaAs - полупроводниковый материал с большой шириной запрещенной зоны 1,45 эВ (0°C), соединение мышьяка и галлия

Маркируется арсенид галлия следующим образом:

АГЭТ 8,5-17

АГДЦ 3-19 - арсенид галлия с дырочной проводимостью, легированный цинком, с концентрацией носителей заряда 3·10¹⁹ см^-3.

Наиболее распространенным способом роста материала для подложек является вытягивание кристаллов из расплава по методу Чохральского (Ge, Si и другие соединения полупроводников) в атмосфере H₂, инертных газов или глубоком вакууме. При выращивании кристаллов из разлагающихся соединений (InAs, GaAs, InP, GaP, CdTe, PbTe и т.д.) расплав герметизируется слоем жидкого борного ангидрида.

Для выращивания монокристаллов также используют методы направленной и зонной кристаллизации с перемещением растущего кристалла в горизонтальном или вертикальном направлении с использованием индукционного или резистивного нагревания материала

Монокристаллы также получают способом зонной плавки. При выращивании монокристаллов ряда разлагающихся полупроводниковых материалов (CdS, ZnS, SiC, AlN и т.д.) применяют кристаллизацию из газовой фазы методом сублимации и химических транспортных реакций.

Метод сплавления состоит в нанесении на поверхность полупроводниковой пластины легирующего металла или сплава, подогреве его до температуры плавления, охлаждении, при котором про­исходит перенос атомов легирующей примеси в кристаллизую­щийся полупроводник. Таким образом, получают p-n переходы на поверхности полупроводниковой подложки.

Основные процессы при сплавлении - это смачивание металлом поверхности полупроводника, растворение полупроводника в расплаве и его рекристаллизация. Процесс растворения тесно связан с диффузией.

 

1.Для приготовления идеальных эпитаксиальных монокристаллических пленок подложка должна представлять собой монокристалл и несоответствие параметров решеток пленки и подложки не должно превышать несколько процентов.

2. Гомогенность распределения легирующих примесей в подложке необходима для обеспечения однородности и воспроизводимости свойств и структуры приготавливаемых эпитаксиальных пленок, для обеспечения их серийного производства с минимальным разбросом электрофизических параметров.

3. Стойкость подложек к воздействию атмосферы и паров воды нужна для приготовления пленок с устойчивыми характеристиками и хорошей адгезией.

4. Устойчивость подложек к перегреву и термоударам необходима для напыления пленок на них при высоких температурах и для работы готовых пленочных изделий при низких и высоких температурах.

5. Высокая теплопроводность подложек необходима для уменьшения инерционности работы полупроводниковых изделий.

 

Контроль качества изготовленных подложек и пленок производится рядом методов. Часть методов позволяет исследовать поверхность образца, его рельеф, топографию, шероховатость и т.д. К таким высокоточным методам относится: сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ), составные части которой - сканирующая туннельная микроскопия (СТМ), атомно-силовая микроскопия (АСМ), электростатическая силовая микроскопия (ЭСМ) и ряд других.

 

В основе СТМ лежит регистрация туннельного тока между зондом (кантилевером) микроскопа и поверхностью образца при сканировании вдоль его поверхности. Система обратной связи позволяет регистрировать профиль поверхности постоянного туннельного тока, который совпадает с профилем реальной поверхности образца. В основе АСМ лежит регистрация сил, действующих между зондом и поверхностью образца. Система обратной связи позволяет регистрировать профиль поверхности постоянной силы, который совпадает с профилем геометрической поверхности образца. В основе метода ЭСМ лежит регистрация с высоким разрешением рас­пределения электрического поля и зарядов по поверхности образца.

Зондовая нанолаборатория «Интегра» СЗМ «NanoEducator», СТМ «Умка» позволяют проводить изучение поверхности образцов с помощью приведенных выше методик и ряда других. Для изучения и фотографирования поверхности образцов с помощью электронных пучков используется растровый электронный микроскоп (РЭМ)

 

 

Механическая обработка

Для того чтобы подложка была готова к нанесению пленок или эпитаксиальных слоев, она предварительно должна быть обработа­а, отшлифована и отполирована практически до получения атомно-гладкой поверхности.

Абразивы - материалы, предназначенные для механической обработки (шлифования, полирования) подложек. Свободный абразив - суспензия частиц абразивного материала в жидкости. Связанный абразив - абразив в твердом состоянии. Использование свободного абразива дает возможность более равномерного распреде­ления абразивных зерен по всей обрабатываемой поверхности исходного образца и предотвращения перегрева образца. Зерна связанного абразива должны обладать твердостью, абразивной способностью, механической и химической стойкостью.

Абразивная способность - возможность абразива обрабатывать другие материалы, определяемая количеством удаленного материала с обрабатываемой поверхности в единицу времени (алмаз - 1, карбид бора -0,6, карбид кремния - 0,5).

 

В качестве абразивов часто используют алмаз, карбид кремния, карбид бора, электрокорунд, оксид хрома, аэросил (SiO₂).

Резка материала. Первоначально режут монокристаллический слиток на пластины, которые затем разрезают на подложки с помощью алмазного диска или металлическими полотнами с абразивом. Также пластины можно резать лазером.

Шлифовка подложек - их обработка на твердых дисках-шлифовальщиках абразивными микропорошками. Предварительная шлифовка позволяет выровнять плоскости подложек и удалить выступающие части. Окончательная шлифовка позволяет заметно улучшить качество поверхности подложек.

Полировка подложек - проводится на мелких полировальниках (жесткий диск, обтянутый замшей, фетром и т.д.), на которые нане­сены микропорошки абразива (размер зерна менее 3 мкм). При тонкой полировке обычно используют оксид хрома (размер частиц менее 0,3 мкм), SiO₂ или ZrO₂ (размер частиц менее 0,1 мкм).

 

Контроль качества механической обработки производят по трем основным критериям годности:

1 ) геометрические размеры и формы подложек (толщина, стрела прогиба, клиновидность, плоскостность);

2) чистота обработки поверхности подложки (шероховатость, наличие сколов, рисок, впадин, выступов);

3) глубина механически нарушенного слоя. Этот контроль проводится с помощью профилометра или микроскопа (в том числе и СЗМ).

 

Структура механически нарушенного слоя имеет сложное строение и может быть разделена по толщине на три зоны. Первая зона - нарушенный рельефный слой, состоящий из хаотически рас­положенных выступов и впадин. Вторая зона характеризуется наличием выколотых пор и трещин, идущих от поверхности подлож­ки в ее глубину. В третьей зоне нет механических повреждений, но материал в ней упруго деформирован (напряженный слой). Толщина поврежденного слоя

F = ks

где s - размер зерна абразива, k ~ 1,7.

 

После процесса полировки чистота поверхности высока, отклонение прогиба и толщины ± 0,01 мкм, на подложке не должно быть сколов и царапин.

 

14-15