Приборы на основе сплавов SiGe и их преимущества перед классическими

Приборы на основе сплавов SiGe и их преимущества перед классическими. На основе сплавов Si1-xGex 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 GexSi1-x, фотопримники для волоконно-оптических линий связи, регистрирующих сигналы с длиной волны и 8, приборы с повышенной радиационной стабильностью 7, ядерные детекторы со скоростью счта в несколько раз выше, чем кремниевые 9, гетеро-биполярные транзисторы, гетеро-CMOS элементы 6 и т.д. 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 недалком будущем SiGe может вытеснить как AIIIBV, так и высокоплотные кремниевые технологии и частично занять нишу силовой среднечастотной кремниевой электроники.

Методы производства кремний-германиевых сплавов.

Трудности производства. Методы Производство Si1-xGex 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 Si1-xGex p-типа проводимости выращивались в институте роста кристаллов Берлин, Германия методом Чохральского 7 - Монокристаллы тврдых растворов Si1-xGex были выращены методом электронно-лучевой бестигельной зонной плавки 9 - Тврдые растворы Si1-xGex 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 Ge94Si6 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 МоКа 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 1,51019-1.91020 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 Si1-xGex 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 оС отжиг до 128 часов, было проведено на спектрофотометрах Specord-751R и UR-20 10. Сравнивались образцы 2 с концентрацией Ge равной 31018 см-3 3 31019 см-3 4 1.51020 см-3 Концентрация германия определялась методом нейтронно-активационного анализа. Концентрация кислорода полоса ИКП 1128 см-1 составляла 9.01017, углерода полоса ИКП 607 см-1 5.61016, носителей заряда из эффекта Холла 7.11014 см-3. Контрольный образец - кремний, выращенный в сходных условиях без легирования германием.

Основными особенностями, отмеченными в ходе экспериментов, были следующие 1. В Si Ge в процессе отжига не вводятся в заметной концентрации новые оптически активные центры, включающие в свой состав атомы германия. 2. Данная примесь в концентрации 31018 см-3 не влияет на процессы генерации термодефектов спектры ИКП образцов 1 и 2 идентичны. При увеличении NGe уменьшается интенсивность всех полос, связанных с термодефектами, т. е. имеет место подавление генерации оптически активных центров. 3. Присутствие германия по-разному влияет на эффективность введения отдельных дефектов, причем некоторые полосы, наблюдавшиеся в контрольном материале, см-1 402, 440, 468, 478, 646, 825, 847, 862, 905, 1045, в образце 4 не проявлялись. 4. Легирование кристаллов германием концентрацией более 31019 см-3 приводит к уширению полос ИКП. Так, например, полуширина полосы при 715 см-1 в образце 4 примерно в три раза превосходит соответствующую величину для образцов 1, 2. Изменяется также структура кислородной полосы и уменьшается интенсивность, особенно для 1135 см-1. Имеются сведения, что легирование германием подавляет в кремнии генерацию термодоноров, вводимых в кремний в температурном интервале 400-500 оС.