Марки напівпровідникових матеріалів

 

Відповідно до встановлених норм, марки напівпровідникового кремнію містять у собі позначення матеріалу - основи (наприклад, К - кремній); типу електропровідності (Е - електронний, Д - дірковий); легуючої домішки (Ф - фосфор, Б - бор, М - миш'як, С - сурма і т.д.); метод отримання; значення питомого опору r, Ом.см; іноді геометричні розміри й інші параметри. Наприклад, марка ЕКДБ-1,0 указує, що це кремній діркового типу електропровідності, легований бором, з питомим опором 1,0 Ом∙см. Якщо перед умовною позначкою матеріалу літерного індексу немає, це вказує на те, що даний кристал отриманий методом Чохральского. Якщо ж стоїть літерний індекс Е, це означає, що кристал отриманий методом Чохральского й буде використаний як підкладинка для епітаксійного нарощування при виробництві елементів електронної техніки.

Буква Б перед умовною позначкою марки говорить про те, що монокристали кремнію отримані методом безтигельного зонного топлення. Маркування таких кристалів має вигляд БКДБ-40-80, це означає, що монокристал кремнію вирощений методом безтигельного зонного топлення, має питомий опір r = 40 Ом×см і діаметр 80 мм.

Якщо в умовному позначенні марки є буква Г, це вказує на те, що монокристали кремнію отримані методом гарнісажного топлення. Інші позначення для цієї марки кристалів аналогічні методу безтигельного зонного топлення, наприклад, ГКЕФ-10-30 або ГКДБ-1,0-40.

Для кремнію перерахування питомого опору в розрахункове значення концентрації легуючої домішки в кристалі проводять за допомогою спеціальних таблиць (табл. 5 Додатка А).

Германій, призначений для виготовлення напівпровідникових приладів і епітаксіальних структур, легують сурмою, фосфором і миш'яком з метою одержання кристалів n - типу електропровідності, та галієм або індієм з метою одержання матеріалу діркового типу.

Умовні позначення марок германієвих кристалів такі: ГЕС (Г - германій, Е - електронний, С - сурма) або ГДГ (Г - германій, Д - дірковий, Г - галій). Далі проставляються номінал питомого опору (від
5.10^–4 до 45 Ом×см). Наприклад, маркування ГЕС-5,6 означає: германій електронний, легований сурмою, питомий опір 5,6 Ом×см. Монокристали германію одержують тільки методом Чохральского.

Для германію електронного й діркового типу електропровідності в діапазоні номіналів r задають значення рухливості носіїв μ_р і μ_n (табл. 6 Додатку А). Концентрацію носіїв заряду, а отже, концентрацію домішки у твердій фазі (припускають однократну йонізацію атомів легуючої домішки, також передбачається, що інших домішок в кристалі немає) розраховують за формулами

; . (2.10)

У цьому разі С _т = п для матеріалу з електронною провідністю й

С _т = р для матеріалу з дірковою провідністю.

У позначенні марки монокристалів арсеніду галію вказують: назву сполуки (АГ - арсенід галію); метод його отримання (Н - направлена кристалізація й Ч - вирощування по методу Чохральского з-під шару флюсу); легуючу домішку (Т - телур, О - олово, Ц - цинк). Після літерних індексів через тире проставляють номер марки й потім через тире цифри концентрації основних носіїв заряду. Наприклад, марка АГЧТ-1-5-17 означає, що це монокристал арсеніду галію, вирощений по методу Чохральского, легований телуром, першої марки, з концентрацією основних носіїв заряду 5.10¹⁷ см^–3.

 

Порядок виконання роботи

 

2.3.1 Побудувати залежності С _т = f (g) у випадку леткої домішки при різних значеннях площі випаровування F. Розшифрувати марку матеріалу, визначивши матеріал кристала легуючої домішки, питомий опір ρ і геометричні параметри, якщо вони наводяться в марці.

За значенням питомого опору ρ визначте концентрацію легуючої

домішки в кристалі С _т за допомогою табл. 5 або табл.6 Додатка А.

Рівноважний коефіцієнт розподілу k ₀, коефіцієнт дифузії доміш-

ки k ₀ у рідкій фазі й коефіцієнт випаровування домішки α вибрати з табличних даних (табл. 3, 4 і 7 Додатка А).

Для побудови залежностей С _т= f (g) у випадку леткої домішки в розділі "Параметри" необхідно ввести наступні вихідні дані: С _р = 0,
С _п = 0, В = 1. Поверхню випаровування F розрахувати за формулою

F = (). (2.11)

Початкову концентрацію домішки у стопі С ₀ визначити з відомого співвідношення С _т = kС ₀. Значення ефективного коефіцієнта перерозподілу розраховують за рівнянням Бартона - Прима - Сліхтера (1.2) для швидкості кристалізації f і швидкості обертання кристала щодо тигля ω, зазначених у п. 1 завдання.

Вихідні й розрахункові дані для легуючої домішки, зазначеної в завданні, представити у вигляді табл. 2.1 і 2.2.

 

Таблиця 2.1 - Розраховані дані завдання 2.3.1

k 0	α, см/с	D, см2/с	D кр, мм	f, см/с	ω, об/хв

 

Таблиця 2.2 – Розраховані дані завдання 2.3.1

 

DТ, см	F, см2	k	kи	kоб
DТ1
DТ2
DТ3

 

2.3.2 Побудувати залежність С _т = f (g) у випадку леткої домішки при різних значеннях швидкості кристалізації f при С _р=0, С _п=0, В =1.

Поверхню випаровування F розрахувати за формулою (2.11). Значення початкової концентрації домішки у стопі С ₀ вибрати з п. 1.

Розрахункові значення представити у вигляді табл. 2.3.

 

Таблиця 2.3 – Розраховані дані завдання 2.3.2

 

f, см/хв	K	kи	kоб
f1
F2
F3

2.3.3 Розрахувати технологічний режим вирощування кристала, у якому реалізуються умови компенсаційного випаровування:

k _об = k + k _и = + = 1.

Розрахунки проводити вибором наступних параметрів процесу: площа випаровування F, яку можна змінювати, обираючи діаметр робочого тигля: D _т = (2÷3) D _кр; швидкість кристалізації f, обираючи значення із допустимого діапазону 0,3÷2,5 мм/хв; швидкість обертання кристала щодо тигля (ω = 10÷100 об/хв).

 

Зміст звіту

 

Звіт має містити:

- принципову схему установки для вирощування монокристалів методом Чохральского;

- розрахунки початкової концентрації домішки у стопі відповідно до зазначеної марки матеріалу;

- таблиці вихідних і розрахункових даних;

- графіки розподілу леткої домішки уздовж зливка при будь-

якій поверхні випаровування;

- графіки розподілу леткої домішки уздовж зливка при різних значеннях швидкості кристалізації;

- розрахунки режиму компенсаційного випаровування;

- висновки по роботі.

 

2.5 Контрольні запитання й завдання

 

2.5.1 Сформулюйте припущення Боомгардта, уведені для одержання виразу розподілу леткої домішки уздовж зливка.

2.5.2 Поясніть, що таке лінійний коефіцієнт випаровування, зведений коефіцієнт випаровування, узагальнений коефіцієнт розподілу?

2.5.3 Як впливає зміна площі поверхні випаровування на розподіл леткої домішки уздовж зливка?

2.5.4 У чому проявляється вплив швидкості кристалізації на розподіл леткої домішки уздовж зливка?

2.5.5 Як визначити концентрацію носіїв заряду в кристалах кремнію, знаючи його марку?

2.5.6 Розшифруйте марку матеріалу ГДГ-0,05-дд.2.

2.5.7 Побудуйте розподіл фосфору уздовж зливка кремнію, отриманого методом Чохральского у вакуумі, при врахуванні й без врахування випаровування домішки із стопу, якщо D _кр=100 мм, швидкість кристалізації 1 мм/хв, швидкість обертання кристала щодо тигля 80 об/хв. Діаметр тигля D _т=200 і 250 мм.

2.5.8 Кристал кремнію вирощений за методом Чохральского, легований бором і на 20% компенсований фосфором. Запропонуйте умови вирощування монокристала з постійним питомим опором по довжині зливка.

2.5.9 Обчисліть, як зміниться концентрація сурми в зливку германію при вирощуванні методом Чохральского при g = 0 і при g = 0,5 від початку зливка, якщо швидкість кристалізації збільшити від 0,5 до 5 мм/хв, початкова концентрація сурми у стопі германію становить 3.10^–6частки по масі. Швидкість обертання кристала 40 мм/хв, швидкість обертання тигля 5 об/хв.

2.5.10 Що таке режим компенсаційного випаровування? Поясніть фізичну суть процесу, його математичне обґрунтування.

2.5.11 Обчисліть, як зміниться концентрація фосфору в зливку

кремнію при g=0,5 і g=0,9, якщо вирощування провести з тиглів діаметром 200 і 250 мм. Швидкість кристалізації 1 мм/хв, швидкість обертання кристала щодо тигля 40 об/хв, діаметр кристала 125 мм. Початкова концентрація фосфору у стопі становить 1.10^–6частки по масі.

2.5.12 Обчисліть діаметр тигля для вирощування монокристала кремнію, однорідно легованого сурмою, якщо швидкість кристалізації становить 0,2 мм/хв, а діаметр кристала 100 мм.

2.5.13 Розрахуйте швидкість кристалізації, яку слід вибрати для вирощування монокристала кремнію, однорідно легованого фосфором, якщо діаметр кристала 90 мм, діаметр тигля 200 мм, швидкість обертання кристала 80 об/хв., швидкість обертання тигля 5 об/хв.

2.5.14 Запропонуйте умови вирощування монокристала германію, однорідно легованого фосфором. Діаметр монокристала 80 мм.

 

Лабораторна робота №3

„ВИЗНАЧЕННЯ КОНЦЕНТРАЦІЇ ЛЕГУЮчих І ЗАЛИШКОВИХ ДОМІШОК І РОЗРАХУНОК ЇХ РОЗПОДІЛУ ЗА ДОВЖИНОЮ КРИСТАЛА”

Мета роботи – розрахунок концентрації легуючої домішки, відповідної заданому в марці матеріалу значенню питомого опору за наявності у вихідному полікристалічному матеріалі залишкових домішок; оцінка виходу матеріалу із заданим значенням питомого опору.