Легирования полупроводника

Источником лазерного излучения являются оптические квантовые генераторы (ОКГ), которые по агрегатному состоянию рабочего вещества подразделяются на газовые, жидкостные и на твердом теле. В технологии пайки используются в основном твердотельные лазеры, работающие на длине волны Л=1,06 мкм. Это связано с распространенностью твердотельных лазеров и простотой управления их энергетическими и оптическими характеристиками.

Лазерная технологическая установка содержит следующие основные элементы ( 11.15): источник мощности оптического излучения ОКГ 1, оптическую систему формирования лазерного излучения 2(рабочий канал),оптическую систему для наводки излучения и наблюдения за процессом 3 (визуальный канал), устройство 4 для закрепления и перемещения обрабатываемого объекта 5, систему управления работой лазера 6, источник питания 7, систему охлаждения и устройство регулирования энергии излучения 8. Оптический квантовый генератор обеспечивает энергетические и временные параметры воздействия лазерного излучения, оптическая система формирует пространственные характеристики пучка как инструмента обработки. Точность, производительность и удобство обработки в значительной степени определяются характеристиками системы управления лазерной установкой.

Применение лазерного излучения для процессов пайки и сварки позволяет получить эффективное средство бесконтактного нагрева. Преимуществами лазерной пайки являются: высокая скорость нагрева; безынерционность воздействия излучения, что позволяет вести нагрев импульсами малой длительности (10~3... ... 10~2 с) и очень точно дозировать энергию излучения; возможность проведения процесса с малой зоной термического влияния (0,03 ...0,25 мм) при минимальном диаметре пятна нагрева 0,01 мм; высокая локализация мощности в зоне соединения (до 1012 Вт/м2), возможность управления излучением простыми оптическими средствами и расщепления луча с помощью зеркал на не-

В исследовательском центре фирмы IBM (г. Нью-Йорк) разработана технология «сухой» (бесфлюсовой) пайки, активированной лазерным излучением в виде импульсов длительностью 12 не с интенсивностью 10 мДж/см2. Нагрев подложек осуществлялся в атмосфере метилбромида СН3Вг при давлении около 103 Па. Под действием лазерного излучения инициировался фотолиз газовых молекул, химически активные компоненты которых реагировали с оксидами на припое и паяемых деталях с образованием летучих соединений, легко удаляемых из зоны пайки. Подложки нагревались излучением в местах паек до температуры, превышающей температуру плавления припоев на 30...40°С. Лазерная «сухая» пайка устраняет недостатки флюсовой пайки: разбрызгивание припоя, образование пустот в паяном шве, необходимость очистки деталей от флюсов после пайки. Для «сухой» пайки могут быть использованы и другие газовые атмосферы, например CH3I, CF8I, CH3C1 и др.

Особенности лазерного излучения позволяют создавать программно-управляемое технологическое оборудование, которое обладает высокой производительностью и прецизионной точностью. Автомат для сборки и лазерной пайки (АЛП, СССР) предназначен для установки ИС в корпусах с пленарными выводами на ПП с приклеиванием, подачей дозированного количества припоя и пайкой выводов лучом лазера. Время установки одной ИС составляет 7 с, точность позиционирования ±'0,05 мм. Установка снабжена 40 кассетами по 50 ИС в каждой. Фирма Vanzetti Systems Inc. (США) разработала установку лазерной пайки ILS 7000, которая позволяет точно дозировать энергию лазерного луча в каж-

Так как аморфные пленки нагревают лишь до температур меньше 100 °С, они обладают высокой чувствительностью при записи. Это позволяет применять для записи полупроводниковый лазер и полимерную подложку. Низкая мощность лазерного излучения обеспечивает повышенное число циклов перезаписи. Кроме того, эти пленки высоко термостабильны и слабо подвержены коррозии. Недостаток пленок — значительная зависимость температуры Кюри от их состава, вследствие чего к ним предъявляют повышенные требования по однородности.

В последнее время широкую известность приобрели монокристаллы сапфира, легированные ионами титана Ti:>+ и ванадия V4+, электронная конфигурация которых 1 s2 2 s2 2 р9 3 s23pe3d1. При такой электронной конфигурации образуется одно состояние 2D, которое расщепляется в кристаллическом поле решетки сапфира на два состояния 2? и 2F2. При переходах между уровнями этих состояний происходит генерация лазерного излучения. Особенностью активных сред с ионами титана и ванадия является возможность плавной регулировки (перестройки) частоты генерации лазера. При активации монокристаллов сапфира ионами титана перестройка осуществляется в пределах 0,68—0,93 мкм, а ионами ванадия — 0,59—0,62 мкм. Монокристаллы сапфира с различными примесями выращивают методами Вернейля, Чохральского и Багдасарова (см. главу третью). Как следует из критериев изоморфизма, ионы редкоземельных элементов вследствие их больших размеров не могут быть введены в решетку оксида алюминия. Попытки преодолеть эти затруднения привели к исследованию соединений типа LaMgAluOl9, характерных, как это следует из диаграмм состояний (см. 39—41), для первой группы редкоземельных элементов (La, C1 и Рг). Такие соединения имеют гексагональные решетки, допускают легирование ионами неодима и характеризуются высоким коэффициентом теплопроводности. Технология выращивания кристаллов в настоящее время разрабатывается и в будущем они могут стать конкурентоспособными по сравнению с таким материалом, как гранат.

Высокие температуры плавления, необходимость создания специальной и агрессивной атмосферы (сера) в зоне выращивания монокристаллов оксисульфидов сдерживают их использование в приборах квантовой электроники. Тем не менее эти материалы в виде поликристаллического порошка находят применение при нанесении покрытий на экраны цветных телевизоров и визуализаторов лазерного излучения.

Наиболее распространены в квантовой электронике монокристаллы алюмоиттриевого граната с неодимом, позволяющие получать при комнатной и повышенной температуре генерацию лазерного излучения на переходах 4F3/12—»- 41ц/2 и 4Рз/2~*" 4Ii (CM- Рис- 34 и 42). Использование в качестве активатора ионов хрома позволяет на переходах 2Е, 4F2-v 2A2 создавать перестраиваемые лазеры в красной и ближней инфракрасной областях спектра. В решетку граната можно изоморфно вводить до 100% активаторных ионов некоторых редкоземельных элементов, например Ег3+ или Но3+, что способствует созданию лазеров, генерирующих излучение с длиной волны около 3 мкм. Эти лазеры открывают новые возможности в лазерной хирургии и инженерной биологии. Трехподрешеточная структура граната позволяет изоморфно вводить ионы элементов практически всех групп периодической системы, что при условии сохранения локальной электронейтральности обеспечивает необходимое окружение активаторных центров. Монокристаллы гранатов выращивают методами Чохральского и Багдасарова.

мутационных элементов. Этот эффект заключается в управлении интенсивностью лазерного излучения воздействием лазерного луча на области генерации.

Весьма перспективными и многообщающими являются устройст ва отображения информации на лазерах, в том числе устройства и системы, воспроизводящие объемные изображения. Исследования показывают, что для создания и внедрения таких систем необходи мы высокочувствительные регистрирующие среды, обеспечивающие многократную запись и стирание информации, более совершенные источники лазерного излучения, эффективные вычислительные методы, позволяющие синтезировать сложные голограммы при приемлемых затратах машинного времени, более совершенные ЭВМ, имеющие достаточно большую емкость памяти.

где /s — ток, зависящий от ?, $0, х; ? — энергия, зависящая от приложенного напряжения; <§„ — энергия, зависящая от уровня легирования полупроводника и эффективной массы электронов в полупроводнике.

Диффузионная длина определяется коэффициентом диффузии и временем жизни неосновных носителей заряда; она зависит от уровня легирования полупроводника и для различных полупроводниковых материалов находится в пределах от 10~5 см до нескольких миллиметров.

Другие источники погрешности измерений связаны с отклонением свойств реальной структуры от свойств модели, для которой справедливы исходные соотношения (5.34) и (5.3Ь). К ним относится: ток утечки, который увеличивается с увеличением уровня легирования полупроводника; сопротивление объема полупроводника; краевой эффект (т. е. отклонение структуры от одномерной модели), который сильнее всего проявляется для структур на вы-сокоомных подложках, имеющих малую площадь.

В ряде случаев лимитирующую стадию выявляют достаточно просто из некоторых качественных оценок. Так, если установлено проявление селективных свойств травителя с ростом интенсивности перемешивания раствора, то обоснованно можно утверждать, что в таком травителе основной лимитирующей стадией является диффузия. Сильная зависимость скорости травления от степени легирования полупроводника или от температуры свидетельствует о кинетическом ограничении.

Диффузия примесей является в производстве одним из наиболее распространенных способов легирования полупроводника при создании электронно-дырочных структур, изоляции и пассивных элементов ИМС. Основные преимущества метода — простота аппаратуры, управляемость процесса, возможность прогнозирования диффузионных профилей на основе простых математических моделей. Локальная диффузия примесей с применением защитных масок — основа планарной технологии. Диффузионное легирование удачно сочетается с другими методами введения примесей в полупроводник: сплавлением или ионной имплантацией.

Наиболее ярко эффект упрочнения полупроводника легирующими примесями проявляется при высоких их концентрациях, доходящих до 1019 атом/см3. На практике легированием полупроводника упрочняющими примесями пользуются для получения мало- и бездислокационных монокристаллов диаметром до 3—4 см. При больших диаметрах нелинейный рост термоупругих напряжений обгоняет рост критического напряжения образования дислокаций, происходящий вследствие легирования полупроводника упрочняющими примесями.

Обращенный диод. При меньшей степени легирования полупроводника вольт-амперная характеристика имеет вид, показанный на 15-16. Мак-

В этом выражении трд= (С„Л^)~' — время жизни неравновесных дырок при Оже-рекомбинации, которое резко уменьшается при увеличении степени легирования полупроводника.

Таким образом, термоэлектронная работа выхода Ап в отличие от хп зависит от степени легирования полупроводника через зависимость

товлении быстродействующих диодов снижают время жизни неосновных носителей заряда в базе, вводя в нее ловушки рекомбинации путем легирования полупроводника примесями с глубокими уровнями либо облучая приборы потоком высокоэнергетичных электронов и пр. При изготовлении

ост<0. Это объясняется зависимостью механизма пробоя от степени легирования полупроводника (см. § 1.3.6). Изменение знака ТКН происходит при концентрациях примеси в кремнии около 5-1017см-3. При {/Ст = 5-н7 В коэффициент Ост минимальный.