Свойства сплавов кремний-германий и перспективы Si1-xGex производства

Категория реферата: Рефераты по физике
Теги реферата: александр реферат, казахстан реферат
Добавил(а) на сайт: Gavrin.

Составы сплавов и их параметры приведены в табл.1.

Табл.1 Составы сплавов и их параметры.
| | | | |Ширина |
|Обозначение |Плотность |Постоянная |Мол % кремния|запрещённой |
|сплава | |решётки | |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

[pic].

Кривые собственного сопротивления могут быть представлены законом

[pic]

*) 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 GexSi1-x в области Ge0.85-Si0.15 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 Si0.15Ge0.85, 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 Ge0.85Si0.15
Области применения сплавов SiGe

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), фотоприёмники для волоконно-оптических линий связи, регистрирующих сигналы с длиной волны [pic] и [pic][pic] [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.

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

Поделитесь этой записью или добавьте в закладки