Легирование полупроводников методом ядерных реакций - Смирнов Л.С.
Скачать (прямая ссылка):
Помимо геометрических размеров атомов (ионов), на растворимость примеси влияют и электрохимические факторы. Атомы в решетках типа алмаза удерживаются в тетраэдрическом расположении четырьмя ковалентными связями типа БР3. Элементы III—V групп имеют валентные электроны в Б- и Р-состояниях и, следовательно, в результате гибридизации орбит этих электронов могут легко участвовать в БР3-связях. Этот тип связи сильнее всего выражен у элементов IV группы. Самая высокая растворимость характерна для электрически активных примесей элементов III и V групп. Растворение переходных элементов (железо, никель, кобальт) и элементов группы IВ (медь, серебро, золото) в алмазной решетке вызывает сравнительно сильные электрические эффекты и искажения,
13
¦ . * . . ' ¦ • . • - - '
поэтому их растворимость мала. Кроме этих факторов, при оценке растворимости одного элемента в другом следует -учитывать их электроотрицательность.
Как уже указывалось, в зависимости от коэффициента распределения к примесь будет концентрироваться в жидкой или твердой фазе. Знать к различных электрически активных примесей необходимо для сравнения их относительной склонности растворяться в твердом материале. Значения к можно по.ттуяитт. непосредственно из диаграммы фазового равновесия, которая указывает химический состав фаз, находящихся в равновесии при различных температурах. Диаграммы построены для концентраций растворенного вещества не менее 1 %. Для полупроводников приходится рассматривать намного меньшие концентрации. Экстраполяцией к таким низким значениям концентраций с помощью обычных диаграмм фазового равновесия можно получить лишь приближенные значения.. Зачастую фазовая диаграмма для двухкомпонентной системы сложна и приходится дводить два коэффициента распределения (например, система германий — сурьма). • • ¦ . .
В простой бинарной системе направление линии солидуса на фазовой диаграмме ооычно монотонно от точки плавления данного компонента до линии эвтектики. Однако во многих случаях линия солидуса обнаруживает перегиб до того, как достигается линия эвтектики; при этом концентрация примеси в твердой фазе вначале увеличивается до максимума и затем понижается при дальнейшем понижении температуры, Такое поведение полз'члло название ретроградной растворимости.
Выражения для коэффициентов распределения, приведенные выше, получены из теоретических соображений. Хотя эти значения согласуются в приемлемой степени с опытными данными, все же они являются приближенными.
Исходя из термодинамических соображений, коэффициент распределения можно выразить как функцию от абсолютной температуры: ¦ . .
1п к = (Тпл/Л 1п кт + (Л?//Я)(ГПЛ/Г — 1), (1.14)
где кт постоянное значение, принимаемое в точке плавления (^пл) чистого растворителя; Д?/ энтропия плавления примеси при температуре ее плавления; К — газовая постоянная. ’
График зависимости логарифма коэффициента распределения, выражаемого уравнением (1.14), от обратной абсолютной температуры имеет вид прямой линии. Экстраполяция ее к дает значение кт. В большинстве случаев значение кт, полученное этим путем, хорошо согласуется с экспериментальными данными.
14 ' . • • ,. . ¦ ., ' . ' ¦ : ¦' . '/'¦
В германии экспериментально обнаружена корреляция между растворимостью в твердом состоянии и размером атома. Для германия и кремния установлена корреляция между коэффициентами распределения различных примесных элементов и соответствующими им теплотами сублимации. Замечена прос7 тая корреляция между максимальной молярной растворимостью X примесных элементов в германии и кремнии и их коэффициентом распределения кт в точке плавления:
. X = 0,1кт. (4.15)
Растворимость примесей можно регулировать внешним воздействием. Например, но закону действующих масс увеличение концентрации электронов уменьшает растворимость доноров.
На растворимость данного примесного элемента влияет присутствие другой донорной или акцепторной примеси.
1.2. ДИФФУЗИЯ ПРИМЕСИ
Диффузия примеси — один из основных технологических приемов при производстве полупроводниковых приборов. Несмотря на то, что этот метод используется в техникр много лет, положительный результат достигается эмпирически—методом проб и ошибок. Вопросы, связанные с диффузией примесей в полупроводниках, достаточно подробно освещены в монографиях [2, 3, 6, 7, 12]. В них кратко изложены лишь некоторые вопросы диффузии в полупроводниках как методе введения примеси и сделана попытка подчеркнуть те факторы, которые влияют на отклонение действительного распределения примеси от теоретического, расчетного. .
Процесс диффузии примесных атомов в твердых растворах внедрения является простейшим и наиболее наглядным примером диффузии в ^твердых телах. Механизм диффузии здесь сводится к последовательному переходу атомов из одного междоузлия в другое. В случае разбавленных растворов можно 'считать перескоки атома из одного междоузлия в другое .независимыми друг от друга и рассматривать диффузию как процесс беспорядочного движения частиц.
Механизм диффузии растворенных атомов в твердых растворах замещения носит более сложный характер, чем диффузия в твердых растворах внедрения. Растворенные атомы могут перемещаться в кристалле различными путями: перескоком в вакантные узлы, по междоузлиям, прямым обменом атомов местами, кольцевым механизмом. Вопрос о том, какой из этих механизмов в действительности осуществляется, требует в каждом случае дополнительного. исследования. Однако наиболее часто встречается вакантный механизм диффузии. В том
