Свойства гетеропереходов

Гетеропереход – это граница двух кристаллов с разным химическим составом, полученная без нарушения структуры кристаллической решетки. Гетеропереходы могут быть получены только для кристаллов, у которых период решетки отличается меньше чем на несколько процентов. Механические напряжения в толстых слоях, вызванные разностью периодов решетки, приводят к росту дислокаций и снижению качества кристалла. Поэтому, гетеропереходные приборы реализуются в виде набора тонких слоев разного состава, в которых механические напряжения распределены в большем объеме. Выращенные тонкие слои упруго напряжены, но деформации не должны достигать критического предела текучести.

Самый распространенный метод получения гетеропереходов – молекулярная эпитаксия. В этом процессе можно изменить химический состав растущей пленки на толщине одного молекулярного слоя.

В микроэлектронике используются гетеропереходы полупроводников с разной шириной запрещенной зоны. При этом в области гетероперехода возникает электрическое поле, напряженность которого на два порядка больше, чем та, которую можно достичь легированием p – n - перехода. Поле в гетеропереходе возникает при ионизации основных атомов кристаллической решетки, а не легирующих примесей. Поле, встроенное в гетеропереход, позволяет отделить электроны от легирующей примеси и сконцентрировать их в тонком нелегированном слое с высокой подвижностью, а также обеспечить почти идеальный коэффициент инжекции из слаболегированного эмиттера в сильнолегированную базу. Микроэлектроникой осваиваются арсениды и нитриды металлов III группы таблицы Менделеева (AlAs, GaAs, InAs, AlN, GaN), а также соединения кремния и германия (SiGe).

Производство гетероструктурных полупроводниковых приборов с хорошими параметрами требует использования дорогостоящих процессов молекулярной эпитаксии, электронной литографии и других нетиповых операций. Кристалл гетероструктурной микросхемы почти в 100 раз дороже кремниевого кристалла той же площади.

Основные области применения – это аппаратура высокочастотной радиосвязи (мобильные телефоны), измерительная техника, радиолокация, космическая техника. На основе гетероструктурных приборов реализуются малошумящие усилители радиоприемных устройств и эффективные мощные усилители радиопередатчиков, приемники и передатчики волоконно-оптических систем связи.

Технология гетероструктурных микросхем

Полупроводниковые соединения группы А₃В₅ не имеют стойких естественных окислов. Более того, сами соединения не обладают стойкостью к воздействию большинства кислот и щелочей. Важный фактор технологии – высокая токсичность большинства соединений галлия, фосфора и мышьяка. Окись кремния в контакте с полупроводниковыми соединениями А₃В₅ создает непрочные и нестабильные переходные слои окислов материала подложки. Например, окислы мышьяка растворяются в воде. Поэтому технология микросхем на основе полупроводниковых химических соединений существенно отличается от кремниевой:

1) диаметр пластин определяется стоимостью полупроводникового соединения и не превышает 150 мм;

2) подложки высокоомные компенсированные с удельным сопротивлением более 10⁸ Ом×  см;

3) диапазон температур обработки не превышает 850°С;

4) легирующие смеси p - типа – цинк, бериллий; n - типа – сера, селен, теллур. Элементы IV группы – германий, кремний, олово – при разных температурах легирования дают разный тип проводимости;

5) основной метод получения легированных слоев – молекулярная эпитаксия;

6) основной металл металлизации – золото.

7) высокотемпературные и химические обработки пластин проводятся только под защитой пассивирующего диэлектрика (Si₃N₄);

8) травление полупроводников и диэлектриков почти всегда плазмохимическое;

9) фотолитография со вскрытием поверхности полупроводника – только взрывная;

10) все технологические процессы включают экологические операции (сбор, утилизацию или захоронение отходов).