Реферат: Свойства сплавов кремний-германий и перспективы Si1-xGex производства

Параметры решётки и ширина запрещённой зоны сплавов SiGe

Для изучения зависимости постоянной решётки, плотности и ширины запрещённой зоны авторами [1] была приготовлена серия германиево-кремниевых сплавов путём гомогенизации при высокой температуре. Проверка сплавов на гомогенность осуществлялась рентгенографическим методом, а химический состав определялся путём анализа на германий полярографическим методом, дающим, если кремний является единственной примесью, точность не хуже 1%.

Ширина запрещенной зоны определялась оптическим методом на образцах, имеющих одинаковую толщину, равную 0,50 мм. Ширина запрещенной зоны была принята равной энергии, соответствующей величине поглощения, которой обладает германий при принятой ширине запрещенной зоны (0,72 ЭВ). В этой точке коэффициент абсорбции был равен 22,7 см^-1 . Все абсорбционные кривые имели наклон, подобный наклону кривой для чистого германия. Хотя наклон этих кривых, полученных для поликристаллических образцов, несколько отличается от кривых для монокристаллических образцов, было получено достаточное количество данных на поликристаллических образцах, показывающих, что общий вид кривой, приведенной на рис.2 заметно не изменился бы, если все эти данные были бы получены на монокристаллических образцах.

Составы сплавов и их параметры приведены в табл.1.

Табл.1 Составы сплавов и их параметры.

Обозначение сплава	Плотность	Постоянная решётки	Мол % кремния	Ширина запрещённой зоны, ЭВ
GS-23	2,80	5,461	85,8	1,15
OS-25	2,72	5,454	87,4	1,16
GS-26	3,03	5,473	75,7	1,13
GS-29	3,62	5,518	57,5	1,08
GS-30	3,95	5,549	44,3	1,05
GS-31	4,86	5,620	15,0	0,94
GS-34	4,89	5,613	13,5	0,93
GS-37	4,70	5,593	22,9	0,94
D-28	—	—	7,2	0,83
D-31	—	—	4,3	0,78
D-39	—	—	6,0	0,81
D-40-G	—	5,626	12,6	0,91
D-40-S	—	—	4,2	0,78
D-40-T	—	—	7,4	0,82
D-41	—	—	8,2	0,84
200-S	—	—	0,7	0,73
Ge	5,323	5,657	—	0,72
Si	2,328	5,434	—	1,20

В дальнейшем эти измерения были неоднократно проверены и подтверждены другими авторами, причём для сплавов, полученных самыми различными методами (выращивание из расплавов методом Чохральского, бестигельной зонной плавкой и др.).

Электрические свойства SiGe сплавов

Сплавы, которые исследовал Levitas [2], были приготовлены методом изотермической кристаллизации и не подвергались термообработке. Концентрация примесей в них не превышала 10¹⁴ ат/см² . Образцы, кроме содержащих 1% и 4% Si, были поликристаллическими. Измерения удельного сопротивления проводились в интервале температур [300.800] K, эффекта Холла в диапазоне [77..300] K. Были проведены также измерения для проверки зависимости ширины запрещённой зоны от состава сплавов.

Данные были скомбинированы между собой для получения зависимости Холловской подвижности от температуры, при этом была обнаружена аномальная зависимость подвижности от температуры для сплавов с 61% и 72% Si. Вблизи 300 K кривые могут быть неплохо приближены отношением

.

Кривые собственного сопротивления могут быть представлены законом

*) излом зависимости ширины запрещённой зоны (и собственного удельного сопротивления) от состава сплава Levitas сгладил при аппроксимации зависимостей.

Было показано, что зависимость удельного сопротивления от ширины запрещённой зоны не всегда очевидна, так как зонная структура сплавов не меняется линейно в зависимости от состава и присутствует аномальное рассеивание, обусловленное легированием.

Чтобы проверить существование рассеяния, обусловленного легированием, была исследована высокотемпературная часть кривых подвижности (см. рис. 6). В этом интервале (около 300 К) значительно снижается влияние примесей и границ зёрен. На полученных зависимостях заметны аномалии в областях концентраций Si более 60 ат%.

Твёрдость кремний-германиевых сплавов при 300К

Как кремний, так и германий – элементы IV группы, оба они имеют структуру алмаза и являются химическими аналогами друг друга. Параметры решётки сплавов следуют закону Вегарда лишь с малым отклонением в сторону меньших значений.

Твердость сплавов, а также чистого германия и чистого кремния определялась на приборе для измерения микротвердости типа Лейтца (Durimet). На рис. 1, 2 показаны микрофотографии с отпечатками, полученными при нагрузке 100 г. Отпечатки на рис. 2 были получены с помощью индентора Кнупа, который обычно не оставляет трещин. Это справедливо для любого материала - германия, кремния или германиево-кремниевого сплава. В то же время отпечатки, полученные индентором Виккерса в форме алмазной пирамиды, всегда имеют трещины в углах отпечатка (см. рис. 1). Трещины не обязательно образуются в процессе испытания: по крайней мере в одном случае трещины появились примерно через 2 секунды после снятия нагрузки [3].

При измерениях нагрузка выше 100 г вызывала растрескивание и скалывание, из-за которых трудно или невозможно проводить измерения, поэтому для всех образцов нагружение 100 г было зафиксировано и принято за эталон. Время приложения нагрузки также было фиксировано и равно 15 секундам. Исследуемые поверхности травились в водном растворе HNO₃ и HF.

Значения твёрдости для каждого из сплавов имеют большой разброс, поэтому приводится среднее из не менее 6 измерений. Тот факт, что твёрдость изменяется линейно вместе с составом, позволяет предположить, что твёрдость сплава пропорциональна числу имеющихся связей разного рода.

Зонная структура сплавов Si и Ge

На зонной диаграмме бинарной системы Ge_x Si_1-x в области Ge_0.85 -Si_0.15 обнаруживается излом. Это было обнаружено ещё в 1954 году [1], но получило объяснение позже, с развитием математического аппарата физики твёрдого тела.

Ширина запрещенной зоны в германии определяется энергетической щелью в запрещенной зоне между минимумом у края зоны проводимости в направлении [111] и максимумом валентной зоны в точке [000]. При добавлении кремния в германий щель, определяющая ширину запрещенной зоны, увеличивается практически линейно (см. линия 2). Скорость подъема минимумов, лежащих в направлении [111] , больше, чем скорость понижения минимумов, лежащих в направлении [100].

При 15% Si в растворе оба типа минимумов (вдоль [100] в кремнии и вдоль [111] в германии) одинаково удалены от максимума валентной зоны в точке [000]. Таким образом, в растворах при концентрации кремния ниже 15% ширина запрещённой зоны сплава определяется минимумом, лежащим в направлении [111], а выше этого значения концентраций - в направлении [100] (см. [4]).

Из этого следует, что при изготовлении электронных приборов желательно избегать использования сплавов состава Si_0.15 Ge_0.85 , т.к. весьма вероятно появление в материале (в результате обработки и связанных с ней процессов) островков с параметрами, отличающимися от параметров остального объёма материала. Особенно это может быть заметно при создании элементов на пластинах, выращенных методом Чохральского, как будет показано ниже.

рис. Зонная структура кремния, германия

и сплава Ge_0.85 Si_0.15

Области применения сплавов SiGe

Приборы на основе сплавов SiGe и их преимущества перед классическими

На основе сплавов Si_1-x Ge_x уже разработано и применяется множество различных приборов, как относительно простых по конструкции и изготовлению, так и использующих самые последние достижения современных технологий. Это простые и каскадные фотоэлементы (гетероструктуры с варизонными слоями Ge_x Si_1-x ), фотоприёмники для волоконно-оптических линий связи, регистрирующих сигналы с длиной волны и [8], приборы с повышенной радиационной стабильностью [7], ядерные детекторы со скоростью счёта в несколько раз выше, чем кремниевые [9], гетеро-биполярные транзисторы, гетеро-CMOS элементы [6] и т.д.