2013-11-13

1

Półprzewodniki

16.10.2013 2

Własności półprzewodników Eg< 2 eV ( koncentracja swobodnych elektronów w temp. otoczenia

~108 w cm3)

Konduktywność = 10-7 105 S/m=enu, Zależność konduktywności od

- czystości materiałów

- temperatury - pola elektrycznego - promieniowania ( m.in. detektory światła – InSb, CdSe, PbTe, PbSe

zjawiska elektroluminescencyjne – GaAs, GaP, GaAsP

Zjawiska fluorescencji ( np. II i IV grupy ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe)

w półprzewodnikach samoistnych 1023 atomów w cm3, w Ge w 300K 1013 zjonizowanych atomów w cm3

Półprzewodniki domieszkowe – 1 atom domieszki na 106 atomów półprzewodnika, n- As, Sb, P, Bi, p- B, Al., Ga, In)

(koncentracja i ruchliwość nośników w Cu nnCu~ 8.4 1028 m

-3,

0.005m2/V s, 5.6 107S/m)

16.10.2013 3

Półprzewodniki

german (budulec pierwszego tranzystora),

krzem – najpopularniejszy, monokryształ o strukturze diamentu

arsenek galu.

Materiały te stosuje się w postaci:

odpowiednio zorientowanych płytek monokryształów,

warstw amorficznych ,

polikrystalicznych o różnych orientacjach i wzajemnych relacjach tychże orientacji o wielorakich ich rozmiarach.

Znaczny postęp w dziedzinie sensorów, aktuatorów i układów generacji mocy, wykorzystujących efekty elektrooptyczne, elektrostrykcyjne, termoelektryczne i piezoelektryczne- dzięki nowym kombinacjom własności kierunkowych i charakterystycznych wymiarów mikrostuktur .

16.10.2013 4

Struktura diamentu

16.10.2013 5

Budowa GaAs- siatka

krystaliczna blendy cynkowej Materiał przyszłościowy

Ruchliwość 2-3 razy większa niż w Si

Nadaje się do częstotliwości do THz

Niebezpieczny dla człowieka

Krystalizuje- siatka regularna blendy cynkowej

Nie tworzy naturalnych tlenków- trudniejszy w produkcji

MOS

electronicdesign.com

korean.alibaba.com

Oklahoma State University School

16.10.2013 6

Zmiany własności powierzchniowych poprzez

zwiększenie powierzchni materiałów w wyniku

modyfikacji ziaren krystalicznych i zwiększenia

porowatości zwiększają wydajność materiałów w

wytwarzaniu energii elektrycznej (konwersja światła na

energię w barwnikowych ogniwach słonecznych) i

ochronie środowiska ( np. w wyniku fotodegradacji

zanieczyszczeń).

2013-11-13

2

16.10.2013 7

Przyczyny stosowania Si

Łatwiejsze wytwarzanie pierwiastków niż związków

Temperatura topnienia Ge 9370C nie pozwala na procesy wysokotemperaturowe

dostępność piasku- SiO2

SiO2- dielektryk stabilny elektrycznie, mechanicznie i chemicznie- baza technologiczna dla Si

większe pasmo zabronione dla Si- wyższa dopuszczalna temperatura

możliwości łatwej zmiany konduktywności przez domieszkowanie- własności zmieniane od dielektryka do przewodnika

czystość rzędu 1010 domieszek w cm3

hodowla i cięcie na wafle gładkość powierzchni <200 nm 2.3.2013 8

http://www.chemicalelements.com

SemiconductorPeriodic TablePeriodic Table

6

2.3.2013 9

Szerokość pasma zabronionego w niektórych

półprzewodnikach

Półprzewodnik Eg

eV

nn

m-3

n

m2/Vs

p

m2/Vs

S/m

gęstość

kg/m3

r

Te 0.33

Ge 0.7 1.71019

0.42 0.21 1.7

Si 1.1 1.01016

0.13 0.05 2,9 10-4

Se 1.6

PbS(AIV

BVI

) 0.35-

0.39 0.064 0.08 17

InAs 0.36

GaSb 0.68 0.05 0.085 5600 14

GaP 2.24 0.03 0.01

0.015[3] 4.13 8.5

AlSb 1.49 0.02 0.02 4260 10.1

GaAs 1,38 9.11012

0.60

0.86[1]

0.03

0.025[1]

0.04[3] 9.1 10

-7 5320 11.1

InP 1.27 0.053 0.065

InSb 0.17(0.7

[1]) 8 0.7 210

-4[3] 5770 15.7

AIII

BV

ZnS 3.6 0.01 4090 5.13

CdS 2.4 0.0295 0.001 4840 11.6

CdSe 1.7 0.055 5740 11.3

CdTe 1.5 0.06 0.005 5860 11

HgSe 0.6 1.85 8260 5.8

HgTe 0.02 1.6 0.016 8200

AIIB

VI

ZnTe 2.26 0.03 0.01[3]

16.10.2013 10

Szerokość pasma zabronionego w niektórych

półprzewodnikach (c.d.)

ZnS 3.6 0.01 4090 5.13

CdS 2.4 0.0295 0.001 4840 11.6

CdSe 1.7 0.055 5740 11.3

CdTe 1.5 0.06 0.005 5860 11

HgSe 0.6 1.85 8260 5.8

HgTe 0.02 1.6 0.016 8200

AIIB

VI

ZnTe 2.26 0.03 0.01[3]

Struktura pasmowa – półprzewodniki

2.3.2013 12

Ruchliwość elektronów jest ok. 2- krotnie większa niż ruchliwość dziur, a obie nie zależą od natężenia pola elektrycznego w dość szerokim zakresie.

Domieszkowanie GaAs może być dokonane pierwiastkiem grupy VI układu okresowego dla typu n lub grupy II- jako akceptorem(typu p). Natomiast pierwiastki grupy IV mogą być donorami lub jeśli są w małej koncentracji- akceptorami [1].

Ogólnie domieszkowanie powoduje nadmiar jednego rodzaju nośników- dziur- w przypadku domieszki akceptorowej ( typu p) i elektronów- w przypadku domieszki donorowej. Na następnym slajdzie przedstawiono barwy światła, które może zostać wygenerowane przy różnych wartościach energii przerwy zabronionej kryształu półprzewodnika

2013-11-13

3

2.3.2013 13 2.3.2013 14

Zależność szerokości pasma

zabronionego i długości fali światła

promieniowanego

Współczynniki dyfuzji i zależność Einsteina

Ge - Dn=93 cm2/s, Dp=44 cm2/s,

Si - Dn=38 cm2/s, Dp=13 cm2/s

kT

eDu

2.3.2013 15

Wytwarzanie półprzewodników Wymagania materiałowe

Mała szerokość pasma zabronionego

Łatwość wprowadzania domieszek – kontrolowana rezystywność w granicach 10-1 – 105 m

Energia aktywacji domieszek (1…5)10-2eV

Duża ruchliwość nośników ładunków ~>1000cm2/Vs

Długi czas życia nośników (10….1000s)

Możliwość uzyskiwania materiału wyjściowego o odpowiedniej czystości

Możliwość uzyskiwania struktury monokrystalicznej umiarkowanym nakładem kosztów

Trwałość chemiczna w normalnych warunkach klimatycznych

Dobre własności mechaniczne ( wytrzymałość, twardość)

Łatwość wykonywania wyprowadzeń

2.3.2013 16

Si Barwa ciemno-szara ,

gęstość 2,4 g/cm3. Temperatura topnienia 1420ºC. Odporny na działanie kwasów (wyjątek stanowi kwas azotowy). Rozpuszcza się w zasadach. Jest jednym z najbardziej rozpowszechnionych pierwiastków w przyrodzie - w związkach chemicznych, np. SiO2 (krzemionka) [5] http://pl.wikipedia.org/wiki/Plik:SiliconCroda.jpg

2.3.2013 17

Otrzymywanie Si

SiO2+ 2C 2CO + Si

3SiO2 +4Al 2Al2O3 + 3Si – ( krzem

metalurgiczny 1…2% zanieczyszczeń)

Topienie strefowe 10-3…10-5ppm ( 1 atom

zanieczyszczeń na 109…1011 atomów siatki

krystalicznej)

Utlenianie i redukcja

Si + 2HNO3 SiO2 + H2 + 2NO2

2.3.2013 18

Współczynniki rozdziału

pierwiastków w Ge i Si k=CS/CL

Symbol Si Ge Symbol

Si Ge

Si

Ge

Cu

Ag

Au

Zn

1

0.3

4 10-4

3 10-5

3

1

1.5 10-5

10-5

2 10-5

1 10-1

Sn

P

As

Sb

Bi

Pt

0.02

4 10-2

7 10-2

1.8 10-2

10-5

0.02

1.2 10-1

4 10-2

3 10-3

4 10-5

10-6

B

Al

Ga

In

Tl

0.68

1,6 10-3

4 10-3

3 10-4

ok..20

1 10-1

10-1

1.1 10-3

4 10-5

Cr

Fe

Ni

Ta

W

10-5

10-7

10-5

2 10-6

2 10-6

5 10-6

2013-11-13

4

2.3.2013 19

Hodowla monokryształów

Czochralskiego Bridgemana

Stockerbargera

2.3.2013 20

Inne metody

Pozioma B. beztyglowa

2.3.2013 21

http://www.amberwave.com/technology

2.3.2013 22

Charakterystyki prądowo-

napięciowe

dla dwu tranzys-torów

MOS ze średnią

mikronie-równością

powierzchni 0.6 nm –

linia przerywana i 0.3

nm – linie ciągłe.

2.3.2013 23

Zależność między ruchliwością elektronów w

kanale od mikronierówności międzypowierzchni

Si-SiO2

otrzymanej dla obszaru

nasycenia prądowego. Po-

dano również sto-sunek

ruchliwości ogólnej

elektronów do kanałowej.

(T.Ohmi et al.”Dependence of

Thin Oxide Films Quality on

Surface Microroughness”IEEE

Trans.Electron. Dev.,39, 537 (1992))

2.3.2013 24

Płaszczyzny krystalograficzne

aSi= 2,1Å, aGe = 1.22 Å

2013-11-13

5

2.3.2013 25

Cięcie monokryształów

Piły o cięciu zewnętrznym i

wewnętrznym: 1- tarcza z nasypem

proszku diamentowego, 2 nakładki

usztywniające, 3- cięty monokryształ,

4- bęben napinający, 8 – śruby

napinająco-mocujące piłę na bębnie

a) Cięcie taśmą

stalową,

b) Tarczą

zewnętrzną z

nasypem

diamentowym

c) wewnętrzną z

nasypem

diamentowym

d) Drutem sea-saw 2.3.2013 26

Naprężenia w płytkach

Odkształcenie plastyczne- zwężenie przerwy zabronionej

2.3.2013 27

Zależność strat materiału od

szerokości szczeliny cięcia dla

różnych grubości materiału

2.3.2013 28

Pomiary kontrolne po cięciu

Tolerancji grubości i płaskości płytek

Ugięcia płytek

Pomiar grubości warstwy uszkodzonej

Obserwacje powierzchni i krawędzi płytek ( brak

rys, wykruszeń, odprysków)

2.3.2013 29

Cięcie laserowe gotowych płytek

bardzo mała strefa uszkodzona (gł. szczątkowe naprężenia cieplne < kilku µm);

do ciecia płytek grubości do kilku mm;

w atmosferze ochronnej lub próżni;

wielkość naprężeń i ich głębokość maleje ze spadkiem mocy P i czasu trwania impulsów τi ale np. przy jednakowym rozstawie otworów = 100µm:

CO2 , P= 50 W, τi = 2 ms → siła łamiąca płytkę F= 3 N (34.5 ·103 N/cm2);

CO2, P = 75 W, τi = 0.2 ms → siła łamiąca płytkę F= 11.8 N (64 ·103 N/cm2).

2.3.2013 30

Cięcie płytek krzemowych laserem

impulsowym

szybkość [mm/s] fi [kHz] Pśr [W] ciągu impulsów

głębokość nacięcia [µm]

200 35 5.3 50

150 25 5.2 62

100 20 5.1 73

75 18 5.1 85

50 15 5.0 107

2013-11-13

6

2.3.2013 31

Szlifowanie i polerowanie

Cel:

Zdjęcie warstwy uszkodzonej

Otrzymanie wymaganej płaskorównoległości

Nominalnej grubości płytek

Wymaganej chropowatości po szlifowaniu

Proszki szlifierskie

SiC, BC, Al2O3, BN, proszki diamentowe

III (12-15μm,6...8 μm, 3 μm), II (10....12 μm i 5 μm

μ

2.3.2013 32

Zanieczyszczenie metalami Gęstość 15 nm defektów na cm2

Fe Al Ca

Cu Zn

Bezpośrednie wiązanie z krzemem silniej_ Au, Pt, Ag, Hg, Cu;

utleniane razem z Si- Al, Cr, Fe, Zn, Ca – usuwane HF 0.5%-H2O2 10%

2.3.2013 33

Czyszczenie

RCA- mycie w płuczkach ultradźwiekowych

1) (NH4OH:H2O2:H2O) (1/1/5) do 0.05:1:5 80-90oC przez

10 min. – usuwanie cząstek organicznych i metali

2)Płukanie w wodzie dejonizowanej, temp. pokojowa

3)H2O/HF 50:1 temp. pokojowa – czyszczenie tlenków –

zdejmowanie cienkiej warstwy SiO2, na której mogłyby się

gromadzić jony metali

4) Płukanie w wodzie dejonizowanej, temp. pokojowa

5) (HCl:H2O2:H2O) (1/1/6),80-90°C for 10 min. SC2

usuwanie jonów alkalicznych i metali

6) Płukanie w wodzie dejonizowanej, w temp. pokojowej

2.3.2013 34

Zależność zanieczyszczenia Al

od zawartości w SC1

2.3.2013 35

Marki monokryształów krzemu

a) (111)typ p b) (100) typ p, c) (111) typ n, d) (100) typ n

2.3.2013 36

Tendencje rozwojowe

2013-11-13

7

16.10.2013 37

Koszty 0.25 μm 200-mm technologii

CVD PVD

24 23

2,5 mln $ 3,5 mln $

60mln $ 81 mln $ 141 mln $

aparatura wywołująca obróbka fotorezystu całkowity koszt fotolitografii

54 54

6,5 mln $ 2, 5mln $

351 mln $ 108 mln $ 459 mln $

trawienie czyszczenie polerowanie chem.- mechaniczne

55 30 20

3,4 mln $ 0,6 mln $ 1,2 mln $

184 mln $ 18 mln $ 24 mln $

całkowite 1564 mln $

16.10.2013 38

16.10.2013 39

Wymagania 1960 1975 1990 1996

Średnica płytki mm 12-25 75-100 150 200

Rozrzut rezystywności

po promieniu

30 15-12% Bm

Gęstość dyslokacji

/cm2

50 000 <500 Defekty ~0.12 μm ~0.28D/cm2

Inne ~0.004D/cm2

Średnia chropowatość 0.5μm niemierzalne

Rozmiar chipu

Ciężar

200g

0.3 cm2

12 kg

0.9cm2 2cm2

Kilkadziesiąt

kg

Etapy procesu 20-30 300 500

zanieczyszczenia >1000ppb 50 1

0.1 ppb, mini-otoczenie ppb- part per billion- części na miliard 16.10.2013 40

Minimalna gęstość defektów w technologii DRAM Rodzaj technologii DRAM 4 M 16M 64M 256M wymiar charakterystyczny

µm 0.8 0.5 0.35 0.25

warstwa krytyczna 9 10 11 13 krytyczny rozmiar cząstek,

µm 0.12 0.09 0.05 0.03

rozmiar defektu niszczącego µm

0.27 0.18 0.1 0.06

gęstość defektów niszczących D/cm2

0.50 0.40 0.32 0.22

gęstość defektów 0.12 µm D/cm2

2.53 0.90 0.22 0.055

gęstość defektów na poziom krytyczny 0.12 µm,

D/cm2

0.28 0.09 0.02 0.004

współczynnik zmniejszenia zdefektowania

1 3 14 65

2.3.2013 41

Klasy czystości - definicje metryczne w FED STD

209E

Liczba cząstek w m3

Klasa 0.1 m 0.2 m 0.3 m 0.5 m 5 m

M1 3.5102 7.57101 3.09101 1.00101

M1.5 1.24103 2.65102 1.06102 3.53 101

M2 3.5103 7.57102 3.09102 1.00102

M2.5 1.24104 2.65103 1.06103 3.53 102

M3 3.5104 7.57103 3.09103 1.00103

M3.5 2.65104 1.06104 3.53 103

M4 7.57104 3.09104 1.00104

M4.5 3.53 104 2.47 102

M5 1.00105 6.18 102

M5.5 3.53 105 2.47 103

M6 1.00106 6.18 103

M6.5 3.53 106 2.47 104

M7 1.00107 6.18 104 16.10.2013 42

Clean room

ED

EG

03.196.3

03.196.3

Stanowisko technologiczne

• architektura

•zasilanie

•elektryczność i komunikacja

•czyste pomieszczenia i HVAC

•centralne uzbrojenie (np. instalacja wodna)

•uzbrojenie procesu

•ochrona środowiska i bezpieczeństwo

2013-11-13

8

2.3.2013 43

2.3.2013 44

Źródła i odpowiednie efekty różnych zanieczyszczeń Zanieczyszczenie Możliwe źródło Efekt

cząstki elementarne aparatura, otoczenie, gaz dejonizowana woda,

chemikalia

niskie napięcie przebicia tlenku, mała wytrzymałość

spowodowana krzemem polikrystalicznym i metalowym

mostkowaniem

metal aparatura, chemikalia, trawienie reaktywnymi

jonami RIE, spopielanie implantacyjne

niskie napięcie przebicia, upływność złącza, zmniejszenie

czasu życia nośników mniejszościowych, powstawanie

stanów szybkich – wzrost rekombinacji powierzchniowej,

przesunięcie napięcia progowego, zachwianie

stabliności układu Si-SiO2

powstawania defektów w procesie fotolitografii

organiczne pary w pomieszczeniu pozostałości fotorezystu, pojemniki magazynowe,

chemikalia, warstwa tłuszczy związana z

cząstkami kurzu i sadzy

zmiana szybkości utleniania, zmiana profilu dyfuzji, zachwianie równowagi

stabliności układu Si-SiO2

powstawania defektów w procesie fotolitografii , zmiana

adhezji naparowywanych metali do podłoża

mikrochropowatości, nieważne przy tlenkach

bramki > 200A w technologii 0.7 µm, istotne dla tlenków

bramki >100A w technologii 0.35µm i

mniejszej

wyjściowy materiał na płytki, chemikalia

niskie napięcie przebicia tlenku, mała ruchliwość nośników,

zmiana ID= f(USD)

tlenki rodzime wilgoć otoczenia, płukanie wodą dejonizowaną

rozkład tlenku bramki (degradacja), niska jakość,

warstwy epitaksjalnej, wysoka rezystancja styku, słabe

tworzenie krzemków

2.3.2013 45

Liczba cząstek w ml w chemikaliach

stosowanych w technologii ULSI

>=0.2 m >=0.5 m

NH4OH 130-240 15-30

H2O2 20-100 5 - 20

HF 0-1 0

2.3.2013 46

Reakcje trawienia

Si+ 2KOH +H2O K2SiO3+ 2H2 – zależy od

orientacji krystalograficznej

3Si + 4HNO3+ 18HF 3H2SiF6+4 NO+8 H20

Wybór odpowiedniego roztworu jest

podyktowany jego zdolnościami

roztwarzającymi, które zależą od składu

mieszaniny

16.10.2013 47

Trawienie suche

Plazma niskotemperaturowa(~104K)-plazmotron-

jony cząsteczkowe o składzie niemożliwym dla

zwykłych cząsteczek i nietrwałe w normalnych

warunkach

Dry etching- trawienie submikron.

Reaktywnymi jonami

Rozpylanie- trawienie plazmowe (fluoropochodne

węglowodorów) 10-3 Tr, gęstość 109-1012 cząstek w cm3

Trawienie wiązką jonową

16.10.2013 48

Wady

2013-11-13

9

2.3.2013 49

References

MATERIAŁY PRZEWODZĄCE I PÓŁPRZEWODNIKOWE

(materiały pomocnicze do Technologii i Materiałoznawstwa

Elektronicznego)

- Ryszard Jarzyna

16.10.2013 50

Nanorurki

rurka z powierzchni grafenu zamknięta półsferą fullerenu C60, przy czym stosunek długości do jej średnicy jest rzędu kilku 1000. Wielościenne nanorurki są utworzone przez cylindry koncentryczne. Są to struktury wynitnie sztywne, a zarazem plastyczne. Rurka jednościenna ma moduł Younga rzędu terapascali 1 TPa= 103 GPa przy odkształceniu przy zerwaniu od 5% do 20% [3]. Poza tym nanorurki mają bardzo mała gęstość. Przewiduje się ich zastosowanie do wzmacniania cementu. Własności elektryczne wahaja się od metalicznych do półprzewodnikowych w zależności od orientacji komórek heksagonalnych w stosunku do osi nanorurki [3].

Takie nanorurki mogą służyć do produkcji emiterów polowych w płaskich monitorach komputerowych i telewizyjnych kolorowych. Produkcja takich wyświetlaczy powinna być tańsza i pobór mocy mniejszy niż w przypadku wyświetlaczy ciekłokrystalicznych czy ekranów CRT. Przewiduje się też, że z nanorurek można będzie wytwarzać diody i tranzystory [3].

16.10.2013 51

Nanorurka Si

16.10.2013 52

Domieszkowanie

półprzewodników Domieszkowanie półprzewodników nie tylko

wprowadza dominację jednego rodzaju nośników ale

również zmniejsza przerwę zabronioną. Typowa

koncentracja półprzewodników domieszkowych wynosi

ok. 1 atom domieszki na 106 atomów półprzewodnika

tworzącego monokryształ, przy czym w celu uzyskania

półprzewodnika typu n dodaje się As, Sb, P, Bi,

natomiast p- B, Al., Ga, In. W tabeli 4.3 podano

przykładowe rodzaje domieszek i odpowiadające im

energie jonizacji.

16.10.2013 53

Energia jonizacji

eV Pierwiastek

domieszki

Akceptor

/donor

Ge Si

B A 0.0104 0.045

Al A 0.0102 0.057

Ga A 0.0108 0.065

In A 0.0112 0.160

P D 0.0120 0.044

As D 0.0127 0.049

Sb D 0.0096 0.039

Bi D - 0.069

16.10.2013 54

Domieszkowanie GaAs może być dokonane pierwiastkiem grupy VI układu okresowego dla typu n lub grupy II- jako akceptorem(typu p). Natomiast pierwiastki grupy IV mogą być donorami lub jeśli są w małej koncentracji- akceptorami [1].

Ogólnie domieszkowanie powoduje nadmiar jednego rodzaju nośników- dziur- w przypadku domieszki akceptorowej ( typu p) i elektronów- w przypadku domieszki donorowej. Na rysunku 4.5. przedstawiono krzem, german i arsenek galu z możliwymi domieszkami obu typów i odpowiadające tym domieszkom poziomy.

2013-11-13

10

2.3.2013 55

Możliwe domieszki i odpowiadające

im poziomy energetyczne w eV w

krzemie,

Poradnik Inżyniera Elektronika WNT W-wa pod red. prof.. B. Paszkowskiego

ED

EA

Środek pasma

zabronionego

Li Sb P As S Bi Ag

0.18

O

0,39

0,35

A

0,045

0,057

0,16 0,065

0,55

0,26

0,35

0,54

A

0,31

B Al Tl In

0,37

0,24

0,52

0,22

Zn Cu

0,37

0,40

Au Fe

0,03

0,55

Co

Ni

0,33

Hg

0,34

Pt

0,37

0,36

0,33

Si

0,033

Ga

0,039 0,044 0,049

0,18 0,069

Mn

D

D

D

0,53

2.3.2013 56

Możliwe domieszki i odpowiadające

im poziomy energetyczne w eV w

germanie

Poradnik Inżyniera Elektronika WNT W-wa pod red. prof.. B. Paszkowskiego

Środek pasma

zabronionego

0,095 0,096 0,012 0,013

Li Sb P As

0,18

0,18

S Cu Ag Au Se

0,26

A

0.09

A

0,29

A

0,04

A

0,20

A

0,01 0,01

0,01 0,011 0,011

0,07

0,04

0,02

0,13 0,15

A

0,05D

B Al Tl Ga In Be

0,09

0,03

0,16

0,05

Zn Cd

0,37

A

0,16

Mn Fe

0,27

A

0,35

Co

0,31

A

0,25

Ni

0,30

A

0,22

Hg

0,23

0,83

Pt

0,20

A

0,04

Cr

0,12

0,07

0,14

0,26

ED

EA

Ge

2.3.2013 57

Możliwe domieszki i odpowiadające

im poziomy energetyczne w eV w

arsenku galu

Poradnik Inżyniera Elektronika WNT W-wa pod red. prof.. B. Paszkowskiego

ED

EA

Środek pasma

zabronionego

Te Si O

Cr

0,026 0,012

0,019 0,23 0,021

0,21

0,024

0,023

0,70

0,37

0,24

Mg C Mn Li

0,08

0,52 0,51

Zn Cu

0,023

Ge Fe Li Co

Ge Se

0,006

0,53

Ga As

0,003

Cd

Sn

0,15 0,143

Płytkie poziomy

Ni Si

0,63

D

0,16 0,096

0,002

D

2.3.2013 58

Krzem naprężony

Oprócz chemicznej modyfikacji własności krzemu głównie za pomocą domieszek przeprowadza się też modyfikacje fizyczne- np. poprzez wzrost epitaksjalny krzemu na podłożu o nieco innej stałej sieci krystalicznej. Właściwym podłożem do hodowania tego typu kryształów jest krzemek germanu SiGe, a na rys. 4.6. przedstawiono przykładowe stałe sieci krystalicznej. Krytyczna grubość warstwy epitaksjalnej ( zdolnej do elastycznej akomodacji) hC rośnie z maleniem temperatury epitaksji. Liczba warstw takiego krzemu nie może być zbyt duża, więc takie warstwy nie przekraczają kilkuset nm. Tej grubości krzem jest elastyczny i może znajdować zastosowanie w czujnikach np. nacisku. Dodatkową zaletą tego typu krzemu jest zwiększona ruchliwość nośników, co pozwala stosować tak wyprodukowane elementy prze znacznie wyższych częstotliwościach ( 100 GHz). Dzięki zwiększonej odległości między atomami Si w stosunku do typowej stałej siatki krystalicznej, siły międzyatomowe zostają nieco zredukowane i elektrony poruszają się ok. 70% szybciej, skracając czas przełączanie tranzystorów o ok. 35%.

16.10.2013 59

Przykładowe podłoża w procesie

epitaksji

Podłoże Typ siatki Stałe sieci

[Å] (obj.)

[10-6

/oC]

W/mK

Ttopn

[K]

Si R 5.43 4.2 (293-1473

K)

87.736

(293K) 1693

SiO2 H 4.9

5.39

8.0...13.4

(273-353 K) 1698

Al2O3 H 4.75

12.95

9.0

(293- 1473 K)

27.214

(373 K) 2303

B2O H 2.7

4.39

9.5

(293- 1473 K) 2858

MgO R 4.2 14.4

(293- 1473 K) 2915

Al2O3MgO R 8.0 8.8

(293- 1473 K)

2303...

2333

CaF2 R 5.45 2.4

(293-333 K)

12.56

(302 K) 1633

16.10.2013 60

Luminescencja

Absorbowanie energii i emitowanie jej w postaci

kwantów promieniowania widzialnego (foto-, elektro- i

chemi-);

Fluorescencja- jeśli pobudzenie luminoforu i emisja zachodza w

czasie ~10-8 s

Fosforescencja- jeśli emisja utrzymuje się po usunięciu źródła

pobudzającego

Skład luminoforów

– tlenki lub siarczki Zn, Ca, Cd, Mg, Be, W, Si

0.1-1% aktywatorów – Mn, Fe, Ag, Cr, Th

obecnie: CaHPO4, CaCO3, MnCO3, CaF2, Sb2O3, NH4Cl

2013-11-13

11

16.10.2013 61

Luminescencja (c.d.)

Katodoluminescencję wykorzystujemy do budowy ekranów kineskopów (CRT- cathode ray tube i TCRT- thin CRT), przy czym fluorescencję – do zwykłych monitorów i lamp oscyloskopowych, natomiast fosforescencję w specjalnych lampach oscyloskopowych o długiej poświacie.

Zjawiska elektroluminescencyjne są wykorzystywane w GaAs, GaP oraz GaAsP

Zjawiska fluorescencji ( np. II i IV grupy ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe)

w półprzewodnikach samoistnych 1023 atomów w cm3, w Ge w 300K 1013 zjonizowanych atomów w cm3

Rodzaje montażów:

Montowanie struktur

z kontaktem sferycznym ( flip- chip connection C4)

Połączenie lut – kulka w płycie montażowej BGA ( ball- grid array)

Montaż obudów układów scalonych, rezystorów , kondensatorów i przewodów do płytki drukowanej (PCB)

Flip-chip PBGA

Wymagane odstępy

między

wyprowadzeniami w

opakowaniu Motoroli

osiągają 150 µm (20.6.

2000r.)

Pola lutownicze

Rodzaje technologii w produkcji

masowej:

PTH – montaż do płytek z platerowanymi otworami

(plated- through –hole, przewlekane z otworami izolowanymi) – wyprowadzenia układów mikroelektronicznych są wkładane w otwory na płytce, a połączenia są wykonane między otworem a płytką drukowaną PCB

SMT – montaż powierzchniowy ( surface mount technology) – urządzenia mikroelektroniczne w obudowie są montowane bezpośrednio na powierzchni płytki drukowanej.

SMT- surface mount technology

Wszystkie metody projektowania i wykonywania połączeń bez dziur na wyprowadzenia

Cele

Redukcja wielkości, - rozmiarów i wagi płytki drukowanej

Redukcja liczby warstw w płycie

Redukcja długości ścieżek w celu skrócenia czasu przesyłania sygnału i zwiększenia szybkości działania

Redukcja kosztów montażu poprzez automatyzację procesu

Przeprojektowanie z technologii THT (Through - Hole Technology) z zachowaniem jakości i niezawodności- nie zawsze możliwe

2013-11-13

12

Zalety SMT :

duża gęstość upakowania, dzięki wyeliminowaniu

większości otworów jak również dzięki wykorzystaniu

obu powierzchni płytki drukowanej do umieszczania

elementów;

mniejsze odstępy między środkami wyprowadzeń,

możliwość montowania mniejszych elementów niż w

konwencjonalnej technologii PTH

redukcja zajmowanej objętości przez cały system.

Wymagania stawiane połączeniom między

elementami a PCB:

możliwości łączenia wyprowadzeń w niewielkich

odległościach wzajemnych ;

dobre własności elektryczne połączenia;

dobre własności mechaniczne – wytrzymałość

mechaniczna i odporność na udary;

dobre własności cieplne.

www.ibesmt.com ;

www.dataed.com.cn

Procesy fotolitograficzne

Projekt układu

Generator wzoru

Zapis

bezpośredni

Światłem Jonami

Elektronami

Płytka

półprzewodnikowa

Maski

wiązka el. jonów X

światłem

widzialnym

580-600nm

Urządzenia optyki klasycznej Kontaktowo

Zbliżeniowo (10-20m)

Projekcyjne – większa rozdzielczość

uv

maska

zwierciadło zwierciadło

obiektyw

płytka krzemowa

2013-11-13

13

Fotolitografia pozytywowa,

negatywowa

vlsi.imio.pw.edu.pl

Projektor

wiązki

elektro

nów

W litografii zsynchronizowanej fazowo-przestrzennie (SPLEBL) wiązka elektronów (e-beam) jest skierowana bezpośrednio na

siatkę podstawową (fiducial grid) na podłożu. Sygnał okresowy siatki (grid signal), tworzony przez współdziałanie wiązki

elektronów z siatką, stosuje się do śledzenia położenia wiązki

elektronów tak, że zapisany wzór (written pattern) jest umieszczony

w odniesieniu do siatki. Przestrzenny odstęp siatki p może być 200 nm lub mniej