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

Приборы, основанные на кремний-германиевых сплавах, обещают революцию в области сетевых, вычислительных, космических технологий.

Гетеро-биполярные транзисторы способны работать на частотах до 200 ГГц, имеют низкий уровень шумов и при этом довольно технологичны в изготовлении. Фирмы IBM, Daimler-Benz Research Laboratories, Ulm уже продемонстрировали

полевые транзисторы, работающие на частотах до 85 ГГц. Их рабочие частоты могут превысить 200 ГГц (при длине канала менее 100 нанометров).

Сам собой напрашивается вывод, что в недалёком будущем SiGe может вытеснить как A^III B^V , так и высокоплотные кремниевые технологии и частично занять нишу силовой среднечастотной кремниевой электроники.

Методы производства кремний-германиевых сплавов. Трудности производства .

Методы

Производство Si_{1- x} Ge_x сплавов и структур возможно различными методами, такими как кристаллизация из расплавов, метод БЗП (бестигельной зонной плавки), жидкофазная эпитаксия и др. Технологии производства, как правило, не освещаются в печати, но из статей можно проследить основные источники материалов. Например:

- «Монокристаллы Si_{1- x} Ge_x p-типа проводимости выращивались в институте роста кристаллов (Берлин, Германия) методом Чохральского» [7]

- «Монокристаллы твёрдых растворов Si_{1- x} Ge_x были выращены методом электронно-лучевой бестигельной зонной плавки» [9]

- «Твёрдые растворы Si_{1- x} Ge_x были выращены методом ЖФЭ на монокристаллических подложках марки КЭФ-5 с удельным сопротивлением и кристаллографической ориентацией (111)» [8]

Прежде всего это значит, что развернуть производство кремний-германиевых слитков и пластин на имеющемся в России парке оборудования – это вопрос небольшого времени. Для этих материалов возможно использовать имеющиеся установки роста, резки, шлифовки, эпитаксиального наращивания и т.п. без изменений конструкции и, возможно, без значительного вмешательства в действующие технологии.

Дислокации в местах концентрационных флуктуаций

В монокристаллах германиевых сплавов, выращенных из расплава, обнаружены ряды краевых дислокации, расположенных параллельно тем последовательным положениям, которые принимает поверхность раздела жидкость-твердая фаза в процессе затвердевания [5]. Они возникают из-за флуктуации концентрации примеси, а отсюда и параметра решетки у поверхности раздела фаз. Дислокации, по-видимому, образуются потому, что они понижают энергию упругих напряжений между соседними слоями кристалла, имеющими различные параметры решетки. Они наблюдались в монокристаллах сплавов германия с 6 ат.% кремния, германия с 0.2 ат.% олова и германия с 0.2 ат.% бора, но никогда не были обнаружены в монокристаллах германия или кремния, содержащих менее 10^-4 ат.% примеси.

рис. Дислокационные ямки травления, расположенные вдоль полос роста в кристалле Ge₉₄ Si₆ при различных увеличениях. Поверхность отполирована и протравлена смесью CP-4, выявляющей краевые дислокации в германиевых сплавах в виде ямок травления. Смесь также выявляет флуктуации состава в виде полос.

Ямки располагаются строго параллельно полосам флуктуации состава, из чего понятна причина их возникновения. Ряды выявляются парами, что связано с полосчатостью состава сплава, формирующейся при росте слитка; при этом они появляются только вдоль некоторых полос, это обусловлено тем, что дислокации образуются лишь тогда, когда градиент концентрации достигает критического значения, связанного с упругим напряжением, необходимым для образования дислокации.

Эти дислокации могут значительно снижать время жизни носителей заряда в германиево-кремниевых сплавах и отрицательно сказываться на параметрах приборов, изготовленных из таких сплавов.

Дефекты роста при выращивании по Чохральскому

Исследование дефектов роста, границы которых сопровождались полосами ямок травления [5], наблюдалось также методами рентгеновской топографии [11]. Рентгенотопографические исследования проводили на установке УРТ-1 методом Ланга в излучении Мо_Ка в отражениях типа 220 (от плоскостей, параллельных направлению роста) либо в отражениях 400 (от плоскостей, перпендикулярных направлению роста, в тех случаях, когда было необходимо подчеркнуть полосчатость, обусловленную неравномер­ным распределением примеси). Чтобы проявить распределение микродефектов, образцы декорировались медью и золотом, при этом картина распределения была сходная в обоих случаях.

Исследования бездислокационных монокристаллов кремния, легированных германием в интервале 1,5*10¹⁹ -1.9*10²⁰ см^-3 , показало, что распределение германия в этих кристаллах является неравномерным, слоистым, что приводит к возникновению сильных напряжений в кристал­лах. Во всех кристаллах, легированных германием в указанном диапазоне концентраций, имеются ростовые микродефекты, характерные для ис­пользованного способа и условий выращивания (А - и -дефекты). Картина распределения микродефектов и их концентрации в кристаллах, содержа­щих и не содержащих германий, одинаковы.

Данные хорошо согласуются с результатами [5]. В обоих случаях отмечаются напряжения в кристаллах, приводящие при релаксации к появлению дислокаций. Как метод борьбы с явлением сегрегации компонентов сплава Si_{1- x} Ge_x можно предложить тщательный подбор режимов выращивания слитка и возможно, наложение внешнего магнитного поля порядка 0.2-0.3 Тл для стабилизации температурных флуктуаций и формы фронта кристаллизации.

Взаимодействие сплавов с кислородом

Присутствие германия в кремнии влияет на образование дефектов и кислородсодержащих термодоноров, как во время роста, так и во время обработки слитков. Одним из методов оценки дефектности структуры кристалла является исследование спектров поглощения в инфракрасной области.

Исследование кристаллов р-кремния, выращенных методом Чохральского и термообработанных при 450 ^о С (отжиг до 128 часов), было проведено на спектрофотометрах Specord-751R и UR-20 [10]. Сравнивались образцы:

№2 – с концентрацией Ge равной 3*10¹⁸ см^-3

№3 – 3*10¹⁹ см^-3

№4 – 1.5*10²⁰ см^-3

Концентрация германия определялась методом нейтронно-активационного анализа. Концентрация кислорода (полоса ИКП 1128 см^-1 ) составляла 9.0*10¹⁷ , углерода (полоса ИКП 607 см^-1 ) 5.6*10¹⁶ , носителей заряда (из эффекта Холла) 7.1*10¹⁴ см^-3 . Контрольный образец - кремний, выращенный в сходных условиях без легирования германием.

Основными особенностями, отмеченными в ходе экспериментов, были следующие: