Курсовая работа (т): Исследование электрофизических параметров полупроводниковых материалов

Лазеры на квантовых ямах обладают преимуществами по сравнению с обычными полупроводниковыми лазерами. В частности, эти приборы можно перестраивать, управляя параметрами энергетического спектра. Действительно, меняя размеры квантовой ямы, можно изменять, согласно выражению (), частоту излучения. Далее, подбирая толщину квантовой ямы, можно добиться, чтобы затухание волны в оптической линии связи, в которую поступает излучение, было минимальным. Кроме того, в двумерном электронном газе легче создать инверсную заселенность. Поэтому лазеры на квантовых структурах достаточно экономны, дают больше света на единицу потребляемой энергии - до 60% электрической мощности преобразуется в свет.

Полупроводниковые квантовые точки также перспективны для создания полупроводниковых лазеров. Электрон в квантовой точке переходит с одного уровня в зоне проводимости на другой в валентной зоне с испусканием фотона с энергией ћν, равной разности уровней размерного квантования. Если в структуре с множеством одинаковых квантовых точек инициировать согласованные переходы электронов, то возникает лазерное излучение, генерация которого обычно является следствием пропускания тока через структуру. Такая генерация уже получена. Перед учеными сейчас стоит задача технологического характера - уменьшать разброс размеров квантовых точек при росте структур.

Практическая важность лазеров общеизвестна. Отсюда огромная потребность в них, и следовательно, стремление улучшать технико-экономические показатели названных устройств. Проводимые последние примерно тридцать лет исследования квантовых эффектов в полупроводниковых структурах позволяют уже сейчас считать, что наноструктуры станут основными элементами больших интегральных схем, способных с высокой скоростью перерабатывать и хранить огромные объемы информации. Возможно, что уже в недалеком будущем наступит эра квантовой полупроводниковой электроники. Данное обстоятельство можно проиллюстрировать на примере полупроводниковых лазеров инфракрасного (ИК) диапазона (2-5 мкм). Интерес к ним связан с широкими возможностями их научного и практического применения в различных областях науки и техники. С помощью ИК-лазеров как элементов полупроводниковых газоанализаторов осуществляют химический контроль выбросов в атмосферу, так как в диапазоне длин волн 2-5 мкм лежат полосы поглощения многих вредных (токсичных) промышленных газов. Длины волн излучения современных ИК-лазеров попадают в окна прозрачности атмосферы 3,5-5 и 8-13 мкм. Это означает, что они могут находить широкое применение в области телекоммуникации и локации. Широкое применение находят длинноволновые лазеры в ИК-спектроскопии и медицине. Известно, что высокоэнергетические лазеры используют в качестве хирургического инструмента - это так называемый световой скальпель. Низкоэнергетические лазеры используются для

·        избирательного разрушения клеток раковой опухоли - фотодинамическая терапия,

·        облучения плохо заживающих ран или крови человека - лазеротерапия.

Однако создание ИК-лазеров, эффективно работающих при комнатной температуре в непрерывном режиме, затруднено на сегодня, главным образом, из-за заметного преобладания процессов безизлучательной рекомбинации неравновесных носителей над процессом излучательной рекомбинации. Кроме того, в ИК-лазерах заметно усилены потери, связанные с внутризонным поглощением излучения. И наконец, у длинноволновых лазеров усилены процессы разогрева носителей и решетки, что приводит к срыву генерации. Выполненные к настоящему времени исследования показали, что для решения указанных проблем с целью создания эффективных ИК-лазеров следует использовать полупроводниковые гетероструктуры с глубокими квантовыми ямами.

Всего за несколько последних лет разработаны сотни наноструктурированных продуктов конструкционного и функционального назначения и реализованы десятки способов их получения и серийного производства. Можно выделить несколько основных областей их применения: высокопрочные нанокристаллические и аморфные материалы, тонкопленочные и гетероструктурные компоненты микроэлектроники и оптотроники следующего поколения, магнитомягкие и магнитотвердые материалы, нанопористые материалы для химической и нефтехимической промышленности (катализаторы, адсорбенты, молекулярные фильтры и сепараторы), интегрированные микроэлектромеханические устройства, негорючие нанокомпозиты на полимерной основе, топливные элементы, электрические аккумуляторы и другие преобразователи энергии, биосовместимые ткани для трансплантации, лекарственные препараты.

Наиболее крупнотоннажным (после строительных) является производство высокопрочных конструкционных материалов, главным образом металлов и сплавов. Потребность в них и материалоемкость изделий из них зависят от механических свойств: упругости, пластичности, прочности, вязкости разрушения и др. Известно, что прочность материалов определяется химическим составом и реальной атомарной структурой (т.е. наличием определенной кристаллической решетки - или ее отсутствием - и всем спектром ее несовершенств). Высоких прочностных показателей можно добиваться двумя прямо противоположными способами: снижая концентрацию дефектов структуры (в пределе приближаясь к идеальному монокристаллическому состоянию) или, наоборот, увеличивая ее вплоть до создания мелкодисперсного нанокристаллического или аморфного состояния. Оба пути широко используют в современном физическом материаловедении и производстве.

Разработаны составы и технологии нанесения сверхтвердых покрытий толщиной около 1 мкм, уступающих по твердости только алмазу. При этом резко увеличивается износостойкость режущего инструмента, жаростойкость, коррозионная стойкость изделия, сделанного из сравнительно дешевого материала. По пленочной технологии можно создавать не только сплошные или островковые покрытия, но и щетинообразные, с упорядоченным расположением нановорсинок одинаковой толщины и высоты. Они могут работать как сенсоры, элементы экранов высокого разрешения и в других приложениях.

Способность углерода образовывать цепочки - С-С-С - используется Природой для создания биополимеров, а человеком - синтетических полимеров и разнообразных пластмасс. В 1985 г.Х. Крото с сотрудниками обнаружили в парах графита, полученных его испарением под лазерным пучком, кластеры (или многоатомные молекулы) углерода. Наиболее стабильными из них оказались С₆₀ и С₇₀. Как выяснилось в результате структурного анализа, первый из них имел форму футбольного, а второй - регбийного мяча. Позднее их стали называть фуллеренами в честь американского архитектора Р. Фуллера, получившего в 1954 г. патент на строительные конструкции в виде многогранных сфероидов для перекрытия больших помещений. Шарообразные (или дынеобразные) молекулы имеют необычную симметрию и уникальные свойства. Все ковалентные связи в них насыщены, и между собой они могут взаимодействовать только благодаря слабым ван-дер-ваальсовым силам. При этом последних хватает, чтобы построить из сферических молекул кристаллические структуры (фуллериты). К каждой такой молекуле можно "привить" другие атомы и молекулы, можно поместить чужеродный атом в центральную полость фуллереновой молекулы, как в суперпрочный контейнер, или полимеризовать их, раскрыв внутренние связи, и т.д.

Впоследствии научились выращивать однослойные и многослойные углеродные нанотрубки. Крайне важно, что свойствами нанотрубок удается управлять, изменяя их хиральность - скрученность решетки относительно продольной оси. При этом легко можно получить проволоку нанометрового диаметра как с металлическим типом проводимости, так и с запрещенной зоной заданной ширины. Соединение двух таких нанотрубок образует диод, а трубка, лежащая на поверхности окисленной кремниевой пластинки, - канал полевого транзистора. Такие наноэлектронные устройства уже созданы и показали свою работоспособность. Нанотрубки с регулируемым внутренним диаметром служат основой идеальных молекулярных сит высокой селективности и газопроницаемости, контейнеров для хранения газообразного топлива, катализаторов. Кроме того, нанотрубки могут использоваться как сенсоры, атомарно острые иголки, элементы экранов дисплеев сверхвысокого разрешения.

Основные методы создания тонкопленочных структур можно разбить на два больших класса, базирующихся на физическом (в первую очередь, молекулярно-лучевой эпитаксии) и химическом осаждении. При малой толщине (до нескольких атомных слоев) двумерная подвижность осаждаемых на подложку атомов может быть очень высокой. В результате быстрой диффузии по поверхности происходит самосборка нанообъектов, обладающих ярко выраженными квантовыми свойствами: образуются квантовые точки, квантовые ямы, квантовые проволоки, кольца и др. Если систему квантовых точек покрыть слоем инертного материала, а затем снова напылить активный материал, то опять образуются островки, самоупорядочивающиеся на поверхности и даже скоррелированные с положением их предшественников. Повторяя такие процедуры множество раз, можно получить объемно упорядоченные структуры (квазирешетки) из квантовых ям или точек, называемые гетероструктурами, и сделать на их основе лазерные источники света, фотоприемники (в том числе инфракрасного излучения в области длин волн 8-14 мкм, соответствующей максимуму теплового излучения человеческого тела), накопители информации. Вся современная микроэлектроника базируется на планарных полупроводниковых технологиях, которые дают возможность создавать самые разнообразные многослойные тонкопленочные структуры с функциями сенсоров, логической и арифметической обработки сигнала, его хранения и передачи по электронным или оптическим линиям связи.

3. Экспериментальное исследование электрофизических параметров полупроводниковых материалов

Данная глава посвящена исследованию электрофизических параметров полупроводниковых материалов. В ходе экспериментов определялись удельное сопротивление с использованием четырехзондовой методики, тип электропроводности, температурная зависимость электрического сопротивления полупроводников, вольт-амперные характеристики фоторезисторов, определение толщины диффузионного слоя методом косого шлифа, определение толщины окисного слоя методом наблюдения цвета пленки.

3.1 Измерение удельного сопротивления четырехзондовым методом и определение типа электропроводности

Цель работы:

Определить удельное сопротивление полупроводникового образца с использованием четырехзондовой методики, а также определить тип электропроводности полупроводникового образца с использованием термозонда.

Оборудование: потенциометр, мультиметр MY-64, магазин сопротивлений, универсальный мост, реостат 5000 Ом, держатель образца, полупроводниковые образцы произвольной формы, источники постоянного тока, ключи и переключатели.

Схема экспериментальной установки:

Для определения удельного сопротивления образцов:

Для определения типа проводимости образцов:

Экспериментальные данные:

1.      Определение типа проводимости:

.        Определение удельного сопротивления:

Вывод:

В ходе выполнения данной работы были определены тип электропроводности и удельное сопротивление для четырех полупроводниковых образцов. В результате установлено, что для каждого образца эти величины имеют следующие значения:

Сопоставляя полученные значения удельного сопротивления с табличными, с учетом определенного типа проводимости можно сделать вывод, что исследованные образцы под номерами 1,2 принадлежат к марке монокристаллического кремния КЭФ 3В, образец №3 к марке КЭФ 1А, а образец №4 к марке КДБ 1А.

В ходе исследования была снята температурная зависимость удельного сопротивления при комнатной температуре t=23°C и при температуре t=-8°C. В результате установлено, что с понижением температуры удельное сопротивление уменьшается, что соответствует теории.

3.2 Исследование температурной зависимости электрического сопротивления полупроводников

Цель работы: ознакомление с классическим методом измерения сопротивления при помощи резистивного моста; вычисление удельного сопротивления.

Оборудование: мост постоянного тока, нагреватель, измеритель температуры, терморезисторы, мультиметр MY-64.

Схема экспериментальной установки

Экспериментальные данные: ММТ-8

ММТ-8

КМТ-12

Вывод:

В ходе выполнения данной работы были cняты температурные характеристики, вычислена ширина запрещённой зоны полупроводника. В результате установлено, что зависимость сопротивления полупроводника от температуры имеет экспоненциальный характер.

3.3 Изучение фотопроводимости полупроводников

Цель работы: исследовать вольт-амперные характеристики фоторезисторов.

Оборудование: мультиметр MY-64, реостат 5000 Ом, источник постоянного тока, источник питания, люксметр Ю116, фоторезистор ФСК-1, осветитель, проектор на 2000 лк.

Схема экспериментальной установки:

Экспериментальные данные: ВАХ ФСК-1

Вывод: Вольт-амперная характеристика прибора нелинейная при малых освещенностях и линейная при больших, т.е. выполняется закон Ома в широкой области изменения напряжения. В области слабых электрических полей фоторезисторы являются омическими сопротивлениями.

3.4 Измерение толщины диффузионного слоя методом шарового шлифа

Цель работы:

Определить толщину диффузионного слоя эпитаксиальной структуры методом шарового шлифа (R=20 см).

Оборудование: микроскоп

Экспериментальные данные:

Таблица 2.4.1 Определение толщины диффузионного слоя.

Вывод: мы получили разумные значения толщины диффузионного слоя. Данное исследование проводилось для более полного понимания технологии изготовления полупроводниковых приборов.

3.5 Измерение толщины окисного слоя визуальным цветовым методом контроля наблюдения цвета пленки

Цель работы: определить толщину окисного слоя эпитаксиальной структуры визуальным цветовым методом контроля наблюдения цвета пленки.

Экспериментальные данные:

Таблица 2.4.1 Определение толщины окисного слоя.

Вывод: мы получили разумные значения толщины окисного слоя. Зная порядок интерференции можно выбрать соответствующее значение толщины пленки. Данное исследование проводилось для более полного понимания технологии изготовления полупроводниковых приборов, т.к. большое значение при изготовлении полупроводниковых приборов играет формирование окисного слоя на кремниевой подложке и его параметры.

3.6 Оценочные расчеты теоретического предела минимального размера изображения при различных видах литографии

Теоретически достижимая минимальная ширина линии l_min рисунка в зависимости от длины волны λ облучения, применяемого для экспонирования, в соответствии с критерием Рэлея определяется соотношением:

 (2.6.1)

Рассмотрим, как изменяется l_min в зависимости от λ.

Таблица 2.6.1 Оценка теоретического предела минимального размера изображения, получаемого при литографии.

Из таблицы видно, что чем меньше длина волны используемого излучения, тем меньше минимальная ширина линии рисунка при изготовлении ИС. На размер рисунка кроме длины волны используемого излучения оказывают влияние множество факторов, например, разрешающая способность резиста, возможности проекционной аппаратуры, отражение от подложки и др.

Проведенная оценка теоретического предела минимального размера изображения, получаемого при различных видах литографии показывает, что рентгенолитография отличается большей разрешающей способностью, чем фотолитография. Так же сегодня осуществляется переход к EUV-литографии, что делает возможной печать линий гораздо меньшей ширины - до 30 нм.

Заключение

Подводя итоги по данной работе, следует отметить, что были выполнены все поставленные цели:

·        углубить знания раздела дисциплины, касающегося основных свойств полупроводниковых материалов;

·        рассмотреть и изучить свойства полупроводниковых материалов.

В работе были исследованы полупроводниковые приборы:

·        получены зависимости проводимости, сопротивления от температуры

·        определена ширина запрещенной зоны

·        получены вольт-амперные характеристики

·        определена величина удельного сопротивления эпитаксиальных структур

·        определена толщина диффузионного слоя

·        определена толщина окисного слоя пленки

В процессе выполнения работы была изучена зонная теория твердого тела, теория, описывающая концентрацию носителей заряда в полупроводниках, динамика образования и движения носителей заряда в полупроводниковых материалах, изучены физические основы наноэлектроники. Освоены методы исследования вольт-амперных характеристик полупроводниковых приборов, четырехзондовый метод измерения удельного сопротивления, зависимости сопротивления от температуры, определения толщины диффузионного слоя эпитаксиальных структур, определения толщины окисного слоя пленки эпитаксиальных структур.

Полупроводниковые материалы применяются для изготовления полупроводниковых приборов и устройств микроэлектроники. Особенности электрофизических свойств полупроводников определяются природой сил связи. Пригодность полупроводникового материала зависит от его кристаллической структуры, ширины запрещенной зоны, положения примесных уровней и однородности распределения примеси по объему. Оптическими, термическими, термоэлектрическими, и электрическими свойствами полупроводниковых материалов определяются эксплуатационные характеристики готовых изделий. Особые требования предъявляют к таким свойствам, как тип электропроводности, концентрация введенной примеси, подвижность и время жизни носителей заряда.

В заключение хотелось бы еще раз подчеркнуть, что развитие современной электронной техники идёт по пути микроминиатюризации электронного оборудования. Только развитие полупроводниковой электроники открыло перед электронной техникой эту возможность. Таким образом, главнейшей задачей, стоящей перед полупроводниковой техникой, является обеспечение возможности создания микроминиатюрного высоконадежного и дешевого электронного оборудования.

Список использованной литературы

1.      Федотов Я.А. Основы физики полупроводниковых приборов. - М.: Советское радио, 1969.

2.      Епифанов Г.И., Мома Ю.А. Физические основы конструирования и технологии РЭА и ЭВА. - М.: Советское радио, 2009.

.        Епифанов Г.И. Физика твёрдого тела. - М.: В.Ш. 1977.

.        Рымкевич П.А. Курс физики. - М.: В.Ш. 1977.

.        Пасынков В.В., Сорокин В.С. Материалы электронной техники. - Учеб. Для студентов по спец. ”Полупроводники и диэлектрики" - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1986.

.        Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы. М.: Высшая школа, 1987.

.        Пасынков В.В., Богородицкий Н.П. Электротехнические материалы. - М.: Высшая школа, 1977

.        Шалимов К.В. Физика полупроводников: Учебник для вузов. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1985.

.        Шалимов К.В. Практикум по полупроводникам и полупроводниковым приборам. - М.: Высшая школа, 1968.

.        Лысов В.Ф. Практикум по физике полупроводников - М.: Просвещение, 1976.

11.    http://elib. ispu.ru/library/lessons/Egorov/HTML/Index.html <http://elib.ispu.ru/library/lessons/Egorov/HTML/Index.html>