Полупроводниковые материалы (лекци 7) презентация

Si

Si

Si

Si

Диэлектрическая проницаемость: 12
Подвижность электронов: 1200—1450 см²/(В·c).
Подвижность дырок: 500 см²/(В·c).
Ширина запрещённой зоны 1,21 эВ при 0 К.
Время жизни свободных электронов: 5 нс — 10 мс
Длина свободного пробега электронов: порядка 1 мм.
Длина свободного пробега дырок: порядка 0,2—0,6 мм.

Типы полупроводников
Полупроводники встречаются среди различных химических соединений с большим разнообразием кристаллических структур. Это могут быть элементы, как Si и селен (Se), или двойные соединения, как арсенид галлия (GaAs).
Некоторые полупроводники проявляют магнитные (Cd1-xMnxTe) или сегнетоэлектрические свойства.
Другие при достаточном легировании становятся сверхпроводниками (GeTe, SrTiO3).
Многие из недавно открытых высокотемпературных сверхпроводников имеют неметаллические полупроводящие фазы.
Например, La2CuO4 является полупроводником, но при образовании сплава с Sr становится сверхпроводником (La1-xSrx)2CuO4 (смысл х в следующих трех слайдах)

твердые растворы
химические соединения или интерметаллиды (GaAs - арсенид галлия, CdS-сульфид кадмия и т.д.); AIIIBV, AIIBVI
фазы переменного состава, т.н. твердые растворы (GaxIn1-xSb, PbxSn1-xTe и т.п.)

ГЦК решетка меди
смысл х

ГЦК решетка меди и (х) атомов примеси золота Cu1-xAux
Cu1-xAux
Х=1/2
Cu0,5Au0,5
смысл х

ГЦК решетка меди и х атомов примеси золота Cu1-xAux
Cu1-xAux
Х → значение определите сами
смысл х

1.1. Типы полупроводников
Элементарные полупроводники. Наиболее известным полупроводником является, конечно, элемент Si
Вместе с германием Ge он является прототипом большого класса полупроводников со схожими кристаллическими структурами
Кристаллическая структура Si и Ge та же, что у алмаза и α-олова (называемого также «серым» оловом). В этой структуре каждый атом окружен четырьмя ближайшими атомами, образующими тетраэдр (говорят, что каждый атом имеет четырехкратную координацию).

Структурный тип алмаза

Si
Si

GaAs

Структурный тип сфалерита ZnS

Структурный тип вюртцита ZnS (или цинкита ZnO)

Расположение атомов в вюрците (а) и цинковой обманке (б)
ZnS
ZnS
сфалерит
вюртцит

По углам и по граням
Si
ZnS
внутри
сфалерит

По углам и по граням
Si
ZnS
внутри

Si

Si

Собственный полупроводник

Собственный полупроводник

10 000 атомов кремния
10 000
10 000
Всего в кубе 1012 атомов кремния и только 1 электрон
В одном кубическом сантиметре Атомов ~1022
В одном куб-ом сантиметре электронов ~1010

Кремний
По распространенности в земной коре Кремний — второй (после кислорода) элемент, его среднее содержание в литосфере 29,5% (по массе).
В земной коре Кремний играет такую же первостепенную роль, как углерод в животном и растительном мире.
Для геохимии Кремния важна исключительно прочная связь его с кислородом. Около 12% литосферы составляет кремнезем SiO2 в форме минерала кварца и его разновидностей.
75% литосферы слагают различные силикаты и алюмосиликаты (полевые шпаты, слюды, амфиболы и т. д.). Общее число минералов, содержащих кремнезем, превышает 400.

Si

Si
Плотность (при н.у.) 2,33 г/см³
параметр а = 0,54307 нм
из-за большей длины связи между атомами Si—Si по сравнению с длиной связи С—С твёрдость кремния значительно меньше, чем у алмаза.
Кремний хрупок

Песок... Кремний, после кислорода, является самым распространённым химическим элементом в земной коре (25% по массе). Песок, а особенно кварц, содержит большой процент диоксида кремния (SiO2), который является базовым ингредиентом для производства полупроводников.
SiО2

кремний
Самый доступный источник кремния — песок.
Но кремний, который получается из песка, на самом первом этапе недостаточно чистый: в нём есть 0,5% примесей.
Может показаться, что чистота 99,5% — это достаточно, но для процессоров нужна чистота уровня 99,9999999%. Такой кремний называется электронным, и его можно получить после цепочки определённых химических реакций.
Когда цепочка заканчивается и остаётся только чистый кремний, можно начинать выращивать кристалл.
Si

В промышленности кремний технической чистоты производят, восстанавливая расплавление SiO2 коксом при температуре примерно 1800 градусов Цельсия в руднотермических печках шахтного типа.
SiCтв+ SiO2тв → Siтв+ SiO2газ+ COгаз
Это метал­лургический
кремний
Чистота приобретенного таковым образом кремния может достигать 99,9 % (главные примеси — углерод, сплавы).

SiO2 + 2С = Si + 2CO
Кремний в промышленности получают восстановлением кремнезема коксом в дуговых электрических печах:
SiO2 + 2С = Si + 2CO
Этот технологический этап реализуется с помощью дуговой печи с погруженным в нее элек­тродом.
Печь загружается кварцитом SiO2 и углеродом в виде угля и кокса.
Температура ре­акции Т=1800°С
В печи происходит ряд промежуточных реакций.
Результирующая реакция может быть представлена в виде:
SiCтв+ SiO2тв → Siтв+ SiO2газ+ COгаз

Производство электронного кремния проходит в несколько этапов:
из метал­лургического кремния получают трихлорсилан.
Температура реакции Т=300°C.
Siтв +3HClгаз → SiHCl3газ+ H2газ + Q
Электронный кремний получают из очищенного трихлорсилана путем осаждения из парогазо­вой смеси.
2SiHCl3газ + 3H2газ → 2Siтв + 6HClгаз

Зонная плавка является одним из наиболее эффективных методов глубокой очистки полупроводников.
Идея метода связана с различной растворимостью примесей в твердой и жидкой фазах полупроводника.
Монокристалл получают из расплава, од­нако, перед началом кристаллизации расплавляется не вся твердая фаза кристалла, а только узкая зона, которая при перемеще­нии вдоль кристалла втягивает в себя примеси.

Зонная плавка
Поликристалл расплав
Оттеснение примесей в расплав
Оттеснение других примесей в кристалл

Зонная плавка
Поликристалл расплав
Оттеснение примесей в расплав
Оттеснение других примесей в кристалл

Зонная плавка
Поликристалл расплав
Оттеснение примесей в расплав
Оттеснение других примесей в кристалл

Зонная плавка
Поликристалл расплав
Оттеснение примесей в расплав
Оттеснение других примесей в кристалл

Зонная плавка
Поликристалл расплав
Оттеснение примесей в расплав
Оттеснение других примесей в кристалл

Зонная плавка
Поликристалл расплав
Оттеснение примесей в расплав
Оттеснение других примесей в кристалл

Зонная плавка
Поликристалл расплав
Оттеснение примесей в расплав
Оттеснение других примесей в кристалл

Зонная плавка
Поликристалл слив расплава
Оттеснение примесей в расплав
Оттеснение других примесей в кристалл

Очистка Рост
2 Обмотка нагревателя
поликристалл
Монокристалл

Очистка
1 – Держатель
2 - Обмотка нагревателя
3 - Монокристаллический кремний
4 - Затравочный монокристалл
5 – Держатель
6 - Расплавленная зона
7 - Стержень из поликристаллического кремния
Расплавленная область нагревается с помощью высокочастотного индукционного нагре­вателя и перемещается вдоль стержня от затравочного монокристалла.
Поскольку боль­шинство примесей обладает хорошей растворимостью в жидкой фазе по сравнению с твер­дой, то по мере продвижения зона плавления все больше насыщается примесями, которые скапливаются на конце слитка.
Процесс зонной плавки повторяют несколько раз, а по окон­чании очистки загрязненный конец слитка отрезают.

Si

Si

Si

Si

Si

Варианты деятельности
Технология
Рост кристаллов
Рост пленок
Напыление
Травление
Окисление
Диффузия
Ионное легирование
Механическая обработка
Расчет топологии микросхемы
Схемные решения
Математическая модель в виде системы уравнений,
Написание кода
МОДЕЛИРОВАНИЕ в СПЕЦИАЛЬНЫХ КОМПЬЮТЕРНЫХ ПАКЕТАХ
Создание макета

Выращивание полупроводниковых кристаллов
Лекция 7 часть 2

Очистка Рост
2 Обмотка нагревателя
поликристалл
Монокристалл

Схематическое изображение печи Чохральского для роста монокристаллов Si

Si

Si

Si

Si

Сегодня процессоры изготавливаются, как правило, из 300-мм подложек.
Si

Si

Si

Si

Готовые отполированные пластины кремния.
Si

Готовые отполированные пластины кремния.
Si

1 000 000 000 транзисторов в каждый кристалл. Здесь будет около 600 микросхем
Si

Хлоридные и силановый методы получения эпитаксиальных слоев
Гибридную эпитаксию проводят чаще всего при температуре 1000° С реакцией пиролиза силана, которая идет почти с такой же скоростью, как и реакция восстановления SiCl4 при температуре 1200° С:
SiH4 => Si + 2Н2
cкорость растущей пленки зависит от давления в реакторе. В интервале температур 1100 - 1225° С скорость роста пленки практически не зависит от температуры.
Химические реакции с участием SiH2Cl2 занимают промежуточное положение между реакциями с участием SiCl4 и SiH4.
Si

Газофазная эпитаксия.
Si

Растущий слой пленки может одновременно легироваться примесью
Пленка кристалл

SiO2
SiO2

Окисление

Пленка из SiO2 защищает слой кремния
SiO2
Новый слой кремния

Пленка из SiO2 защищает слой кремния от проникновения в кремний нанесенного нового слоя

После удаления лишнего

Газотранспортные химические реакции
физическое осаждение из паровой фазы (Physical Vapor Deposition - PVD), когда процесс осаждения протекает без каких-либо химических реакций
осаждение окиси вольфрама на лампочке в момент разгерметизации колбы

Si

После вырезания подложки полируются, пока их поверхность не достигнет зеркально гладкого состояния
Диаметр 30 см
Si

Si

1 000 000 000 транзисторов в каждый кристалл
Si

1 000 000 000 транзисторов в каждый кристалл
5 мм
5 мм
Si

40 000 000 000 транзисторов в каждый кристалл
4 мм =4*106 нм
4 мм
200 000 штук
200 000 штук
20 нм
Si

Пластина со множеством одинаковых процессорных ядер.
Si

В 2020, самое высокое число транзисторов - 54 млрд МОП - транзисторов, изготовленных ……технологии…7 нм .
Вопрос. Сколько атомных слоев Si уместится на кристалле шириной 7 нм
Si

Робот вырезает ядра из готовой пластины.
Si

Транзистор планарный и дискретный

Транзистор планарный

Лекция 7-3
Зонная очистка полупроводников

чистые и особо чистые вещества
Основой технического прогресса в настоящее время во многих областях техники и, в первую очередь, электроники является производство чистых и особо чистых веществ.
Это производство составляет основу так называемых «высоких технологий». Особые требования к чистоте материалов предъявляет полупроводниковая техника и микроэлектроника.
Как правило, заключение о пригодности полупроводникового материала к использованию делается в том случае, если концентрация примесных носителей тока не подавляет собственную.

контроль содержания нормируемых примесей
Принято контролировать содержание только определенных, так называемых нормируемых примесей.
Число таких примесей обычно не превышает 20 единиц, причем их точное количество может и не определяться, а указываться их максимальное содержание.
К числу таких нормируемых (определяемых) примесей относят три типа.
1 Технологические – примеси, вводимые в целевой продукт в процессе его получения и переработки. Примером может служить углерод в железе.
2 Специфические – примеси, оказывающие сильное влияние на практически важные свойства материалов, например бор и сурьма в германии и кремнии.
3 Сопутствующие, или закономерные – примеси, являющиеся химически-
ми аналогами данного элемента и сопутствующие ему в природе. Приме-
ром может служить олово в кремнии, галлий в алюминии.

Все высокочистые вещества принято подразделять на вещества эталонной чистоты (ВЭЧ) и особо чистые вещества (ОСЧ).
В первых лимитируют небольшое количество особо нежелательных примесей, например специфических. При этом указывают общее содержание примесей в виде цифр перед индексом ВЭЧ, а также количество определяемых примесей и их суммарное содержание.
Например, обозначение 005ВЭЧ4-7 соответствует материалу с общим содержанием примеси 0,005 масс.%, с четырьмя определяемыми примесями, количество которых равно 10-7 масс.%. (0,1 микрограмм на грамм)
По сравнению с материалами класса ВЭЧ вещества ОСЧ характеризуются большей чистотой и большим количеством определяемых примесей, поэтому общее содержание примесей практически соответствует сумме определяемых.

Все методы очистки можно условно разделить на пять групп в зависимости от физико-химического принципа, лежащего в основе метода.
1. Методы, основанные на различной растворимости примесей в двух соприкасающихся фазах. Это наиболее широко применяемая группа методов. Сюда входят жидкостная экстракция и кристаллизация из расплава (направленная кристаллизация и зонная перекристаллизация).
2. Методы, основанные на различиях в сорбционных характеристиках веществ. К этой группе относятся: адсорбционные методы, ионный обмен, хроматография.
3. Группа методов, основанных на различной упругости паров примеси и очищаемого вещества. Это дистилляционные, ректификационные и сублимационные методы.
4. Химические методы разделения веществ основаны на различии в константах равновесия или константах скоростей реакций с участием основного вещества и примеси. На химических методах разделения смесей основаны классические методы химического анализа.
5. Методы, основанные на различии в диффузионных характеристиках компонентов смеси. Сюда входят высоковольтный диализ и термодиффузия.

Очистка Рост
2 Обмотка нагревателя
поликристалл
Монокристалл
зонная пере-кристал-лизация

Очистка
1 – Держатель
2 - Обмотка нагревателя
3 - Монокристаллический кремний
4 - Затравочный монокристалл
5 – Держатель
6 - Расплавленная зона
7 - Стержень из поликристаллического кремния
Расплавленная область нагревается с помощью
высокочастотного индукционного нагре­вателя и
перемещается вдоль стержня от затравочного
монокристалла.
Поскольку боль­шинство примесей обладает хорошей
растворимостью в жидкой фазе по сравнению с твер­дой,
то по мере продвижения зона плавления все больше
насыщается примесями, которые скапливаются на конце слитка.
Процесс зонной плавки повторяют несколько раз,
а по окон­чании очистки загрязненный конец слитка отрезают.

Коэффициенты распределения (К = ств/сж ) некоторых примесей в кремнии, германии и антимониде индия

Пластина, в которую надо ввести примесь

Пластина, в которую надо ввести примесь можно окислить на поверхности с добавлением примесных атомов, например бора. На поверхности будет боросиликатное стекло

Пластина, в которую надо ввести примесь

Диффузия в системе с разной концентрацией вещества
Диффузия из ограниченного источника
Изолированная система, состоящую из двух частей, разделенных непроницаемой перегородкой и находящихся в тепловом равновесии.
в каждой из частей присутствует один и тот же компонент, концентрация и химический потенциал которого различаются и составляют С1 и μ1, С2 и μ2 соответственно, причем С1>С2 и μ1>μ2

Начало

Конец процесса

Загрузка кремниевых пластин в печь

Источник примеси бесконечно большой мощности
Если черпануть из моря стакан воды, то «моря» меньше не станет
Si

Пластина, в которую надо ввести примесь

Начало

Начало

Конец процесса
0 х

Конец процесса, надо удалить слой
0 х
Si

Источник бесконечно большой мощности как окись кремния с примесью бора или фосфора.
Боросиликатное стекло
Si

Задача 1а

Задача 1а

Google, как очистить воду в морозильнике
Не только очистка

Бор в кремнии Фосфор в кремнии

Лекция 7-4
Собственные полупроводники

Собственный полупроводник

Собственный полупроводник

Собственный полупроводник

10 000 атомов кремния
10 000
10 000
Всего в кубе 1012 атомов кремния и только 1 электрон
В одном кубическом сантиметре Атомов ~1022
В одном куб-ом сантиметре электронов ~1010

Зонная диаграмма полупроводника
Зона проводимости
Валентная зона
ЕС дно зоны проводимости
∆Е
ЕF уровень Ферми
ЕV потолок валентной зоны

Интерпретация на зонной диаграмме появления электронов и дырок в собственном полупроводнике

Полупроводник без примесей или собственный

Вернемся к собственному полупроводнику
Согласно теории концентрация электронов в собственном полупроводнике
(1)
Проводимость σ = μ ⋅ e ⋅ n (2)
μ - подвижность электронов

Полупроводники собственные
Концентрация носителей (электронов)
См-3

Студент,
какова концентрация электронов в собственном полупроводнике (для кремния, германия и арсенида галлия) в нормальных условиях

(3.17)
(3.19)

В Si при Т=300 К: эффективная плотность состояний
Nc=2.8*1019cm-3 для зоны проводимости
Nv=1019cm-3 для валентной зоны
Установим «0» энергии на границе 0 валентной зоны, точнее на ее «потолке»

Задача.
На сколько надо увеличить температуру кремния, чтобы электронов и дырок стало в два раза больше.
Решить для нормальных условий

MathCad расчет/ исходные данные

MathCad расчет. Зависимость ширины запрещенной зоны от температуры

MathCad расчет. Зависимость ширины запрещенной зоны от температуры

MathCad расчет
Студент проверь размерность ρ

106 ом*см
0,018 микроом*м
1,8 микроом*см

MathCad расчет. Учтем NC(T), NV(T)

MathCad расчет. Учтем NC(T), NV(T)

MathCad расчет. Учтем NC(T), NV(T)

MathCad расчет. Учтем NC(T), NV(T)

Примерный расчет Ответ
eV

Финиш