Рыбалкина М. Нанотехнологии для всех

Подождите немного. Документ загружается.

При рекомбинации выделяется энергия, которая была зат

рачена на создание электроннодырочной пары. Иногда она

выделяется в виде излучения, но чаще она передается кристал

лической решетке, нагревая ее. Такая проводимость называется

ссооббссттввеенннноойй ээллееккттррооппррооввооддннооссттььюю

полупроводников.

Второй способ получить в полупроводнике свободные но

сители заряда – намеренное введение в кристалл различных

примесей. Рассмотрим ситуацию, когда в четырехвалентный

проводник, например, в кремний, попадает атом пятивалент

ного вещества, например, мышьяк – As или фосфор – P.

Наличие пяти валентных

электронов в атоме As говорит о

его способности организовывать

химические связи с пятью сосед

ними атомами. Но в кристалли

ческой решетке кремния имеется

только четыре соседних атома, с

которыми можно образовать свя

зи. Поэтому только четыре из пя

ти валентных электронов мышья

ка оказываются включенными в

прочные химические связи. Оставшийся же пятый электрон

оказывается не задействованным в связях, вследствие чего в

кристалле создаются дополнительные носители заряда – элект

роны.

Такие примеси называют

ддооннооррнныыммии

. Обратите внимание

на то, что, в отличие от собственного полупроводника, рожде

ние свободного электрона здесь не сопровождается одновре

менным появлением дырки, поскольку межатомные связи при

этом не разрушаются. В результате концентрация свободных

электронов в кристалле с донорными примесями значительно

больше концентрации дырок:

pp << nn

173

www.nanonewsnet.ru

ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС

Дырки рождаются и гибнут только парами вместе со

свободными электронами, поэтому концентрации электронов

(n) и дырок (p) в собственном полупроводнике (без примесей)

равны:

pp == nn

Рис 91. Атом мышьяка в решетке германия.

Полупроводник nтипа

Полупроводники с донорными примесями называют по*

лупроводниками n*типа (от англ. “negative” – отрицательный,

по знаку основных носителей заряда) или электронными полуп*

роводниками, а электроны – основными носителями заряда.

Возможна и противополож

ная ситуация, когда в четырехва

лентный полупроводник вводит

ся трехвалентная примесь, нап

ример индий  In или алюминий 

Al. Для образования связей с че

тырьмя соседними атомами ему

не хватает одного валентного

электрона. В этом случае атом

примеси может легко “отобрать”

недостающий электрон у соседне

го атома кремния. В результате у атома кремния возникает не

полная связь, способная перемещаться по кристаллу (дырка).

Такие примеси называют

ааккццееппттооррааммии

Рождение примесных дырок также не приводит к образова

нию электроннодырочных пар, и концентрация дырок в по

лупроводнике с акцепторными примесями выше, чем концент

рация электронов:

pp >>nn

Дырки в данном случае являются основными носителями за

ряда, а сам полупроводник называют полупроводником p*типа (от

англ. positive  положительный) или дырочным полупроводником.

Электроннодырочный переход

Любой полупроводниковый прибор основан на одном или

нескольких электроннодырочных переходах.

Поскольку в полупроводнике nтипа концентрация элект

ронов значительно превышает концентрацию дырок (n >> p),

а в полупроводнике pтипа – наоборот (p >> n), то при кон

174

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

ЭЭллееккттрроонннноо**ддыыррооччнныыйй ппееррееххоодд

(pn переход)  это область

контакта двух полупроводников с разными типами

проводимости.

Рис 92. Атом индия в решетке германия.

Полупроводник pтипа

такте двух полупроводников разных типов начинается процесс

диффузии: дырки из pобласти стремительно диффундируют

(переходят) в nобласть, а электроны, наоборот, из nобласти в

pобласть.

В результате диффузии в nобласти на границе контакта

уменьшается концентрация электронов и возникает положи

тельно заряженный слой. В pобласти, наоборот, уменьшается

концентрация дырок и возникает отрицательно заряженный

слой. Таким образом на границе полупроводников образуется

двойной электрический слой, препятствующий дальнейшему

процессу диффузии электронов и дырок навстречу друг другу.

Такой слой называется

ззааппииррааюющщиимм..

pnпереход обладает од

ной удивительной особен

ностью: односторонней про*

водимостью, то есть способ

ностью пропускать электри

ческий ток только в одну

сторону.

Рассмотрим два возможных варианта подачи напряжения

на pnпереход:

1) положительный полюс источника соединен с pоб

ластью, а отрицательный – с nобластью.

Тогда в силу притягивания раз

ноименных зарядов друг к другу

напряженность электрического по

ля в запирающем слое будет умень

шаться. Естественно, это облегчает

переход основных носителей через контактный слой. Дырки из

pобласти и электроны из nобласти, двигаясь навстречу друг

другу, будут пересекать pnпереход, создавая ток в прямом

направлении. Сила тока через pnпереход в этом случае будет

возрастать при увеличении напряжения источника.

2)положительный полюс источника соединен с nоб

ластью, а отрицательный – с pобластью.

Такое включение приведет к

возрастанию напряженности поля в

запирающем слое. Дырки в pоб

ласти и электроны в nобласти не

175

www.nanonewsnet.ru

ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС

Рис 93. Образование запирающего слоя при

контакте полупроводников p и nтипов

Рис 94. Прямое включения pn

перехода

Рис 95. Схема обратного включения p

n перехода

176

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

будут двигаться навстречу друг другу, что приведет к увеличе

нию концентрации неосновных носителей в запирающем слое.

Следовательно, ток через pnпереход практически не идет.

Напряжение, поданное на pnпереход при таком включе

нии, называют обратным. Весьма незначительный обратный

ток обусловлен только собственной проводимостью полупро

водниковых материалов, т. е. наличием небольшой концентра

ции свободных электронов в pобласти и дырок в nобласти.

Диод

Способность pnперехода пропускать ток только в одном

направлении используется в приборах, которые называются

полупроводниковыми диодами. Полупроводниковые диоды

изготавливаются из кристаллов кремния или германия. При их

изготовлении в кристалл c одним типом проводимости вплав

ляют капельки материала с другим типом проводимости.

Полупроводниковые диоды используются в выпрямителях

для преобразования переменного тока в постоянный. Типичная

вольтамперная характеристика кремниевого диода приведена

на рисунке.

Рис 96. Вольтамперная характеристика кремниевого диода (использованы

различные шкалы для положительных и отрицательных напряжений).

Транзистор

Полупроводниковые приборы не с одним, а с двумя p–n

переходами называются транзисторами, на их работе основаны

все логические микросхемы. Название происходит от сочета

ния английских слов transfer – переносить и resistor – сопротив

ление. Для создания транзисторов обычно используют герма

ний или кремний.

Обычный плоскостной (планарный) транзистор представля

ет собой тонкую полупроводниковую пластинку с электрон

ным или дырочным типом проводимости, на которую нанесе

ны участки другого полупроводника с противоположным ти

пом проводимости. Пластинку транзистора называют

ббааззоойй

(Б),

одну из областей с противоположным типом проводимости –

ккооллллееккттоорроо

м (К), а вторую –

ээммииттттеерроомм

(Э). В условных обоз

начениях транзистора стрелка эмиттера показывает направле

ние тока через него.

Транзисторы бывают двух ти

пов: p–n–p и n–p–n. Например, гер

маниевый транзистор p–n–pтипа

представляет собой небольшую

пластинку из германия с донорной

проводимостью. В ней создаются две области с акцепторной

примесью, т. е. с дырочной проводимостью.

В транзисторе n–p–nтипа ос

новная германиевая пластинка об

ладает проводимостью pтипа, а две

области – проводимостью nтипа.

Если в цепь эмиттера включен

источник переменного напряжения, два pn перехода взаимо

действуют и в цепи коллектора тоже возникает переменное

напряжение, амплитуда которого может во много раз превы

шать амплитуду входного сигнала.

Вдумайтесь в это. В радиоприемнике ничтожный сигнал,

пойманный антенной, управляет мощными колебаниями дина

мика. Слабые сигналы микросхем управляет моторами и иску

сственными мышцами роботов. Туннельный ток СТМ мощ

ностью в доли наноампера управляет макроскопическим зон

дом. Как? Через транзисторы!

Но управление не обязательно подразумевает усиление.

Можно управлять сигналами, несущими информацию – логи

ческие нули и единицы. А это значит, что можно целенаправ

177

www.nanonewsnet.ru

ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС

Рис 97. Транзистор структуры p–n–p

Рис 98. Транзистор структуры n–pn

В транзисторе маленький ток управляет большим. Это суть

электроники.

178

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

ленно изменять хранимую информацию – то есть обрабатывать

ее, что и делает микропроцессор, работая на двоичной логике.

В CMOS (комплементарной металлоксидполупроводни

ковой) логике транзистор включен так, что нулевое или поло

жительное напряжение кодирует “0”, а отрицательное “1”. По

ка цепь базы разомкнута, ток в цепи эмиттера практически не

идет, так как для основных носителей свободного заряда пере

ход заперт. Это состояние соответствует логическому “0”. При

подаче отрицательного напряжения на базу дырки – основные

носители заряда в эмиттере – переходят из него в базу, создавая

в цепи ток, что соответствует логической “1”.

Таким образом, “0” на входе схемы запирает транзистор, а

на выходе мы имеем опять “0”. Если же подать “1” на вход (ба

зу транзистора), он откроется и выдаст “1” на эмиттере.

Рис 99. p–n–pтранзистор как логический переключатель

Можно сделать все наоборот и присоединить выход к кол

лектору. Тогда мы получим логическую схему “НЕ”, превраща

ющую “0” в ”1”, а “1” в “0”.

Соединяя транзисторы, можно по

лучать и более сложные логические схе

мы: “И”, “ИЛИ”, “Исключающее ИЛИ

(XOR)” и другие.

Современная технология произво

дит полупроводниковые приборы – дио

ды, транзисторы, фотосенсоры разме

ром в несколько микрометров.

Однако для дальнейшего развития

техники возникла необходимость пере

хода на транзисторы нанометровых раз

Рис 100. Схема «НЕ» на одном

транзисторе

179

www.nanonewsnet.ru

ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС

меров. Ведь быстродействие компьютера напрямую зависит от

количества транзисторов, которое удается разместить на еди

нице площади. И первые попытки перешагнуть нанометровый

рубеж уже дали хорошие результаты. Подробнее об этом будет

рассказано в одном из следующих параграфов.

Интегральная микросхема

Применение микросхем привело к революционным изме

нениям во многих областях электроники. Это особенно ярко

проявилось в компьютерной индустрии. На смену громоздким

вычислительным машинам, содержащим десятки тысяч элект

ронных ламп и занимавшим целые здания, пришли компакт

ные и быстрые настольные и даже карманные компьютеры.

Чип размером в 1 см

может содержать миллионы микрос

копических устройств. Очевидно, что последовательное созда

Рис 101. Транзисторнык схемы «И» (слева) и «ИЛИ» (справа)

Cоединяя несколько транзисторов, можно получить все

базовые логические схемы, необходимые для работы

микропроцессора: "И", "ИЛИ", и "НЕ".

ИИннттееггррааллььннааяя ссххееммаа

(ИС) – это система микроскопических

устройств (диодов, транзисторов, проводников и т.п.) на одной

подложке. С чьейто легкой руки микросхемы стали также

называть чипами за некоторое сходство с тонкими ломтиками

жареного картофеля (англ. chip).

180

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

ние таких приборов “вручную” невозможно изза огромного

количества межсоединений (попробуйтека правильно спаять

1.000.000 транзисторов о трех ногах каждый, плюс еще мириа

ды обслуживающих элементов – резисторов, диодов и т.п., да

при этом еще не запутаться в проводах!). Выход из создавшего

ся положения был найден на пути интеграции (объединения) в

едином устройстве – интегральной схеме – всего этого множе

ства полупроводниковых устройств и межсоединений, создан

ных в едином технологическом цикле.

Как делают микросхемы

Поскольку микросхема создается на поверхности пласти

ны, технология ее изготовления называется планарной (от англ.

“planar” – “плоский”). Ее основу составляет

ллииттооггррааффиияя..

Наз

вание “литография” происходит от греческих слов “литос” –

камень и “графо” – пишу, что дословно означает “писать на

камне”. Литография в микроэлектронике – это действительно

способ формирования заданного рисунка (рельефа) в слое по

лупроводника.

Изготовление, или “выращивание”, интегральной микрос

хемы включает в себя несколько основных этапов:

11.. ППооддггооттооввккаа ппооддллоожжккии

Подложкой обычно является пластина кристалла кремния

(Si)  самого распространенного полупроводника на Земле.

Обычно пластина имеет форму диска диаметром 200 мм и тол

щиной менее миллиметра. Получают ее разрезанием цилинд

рического монокристалла.

Так как свойства полупроводникового кристалла сильно за

висят от направления (вдоль или поперек кристалла), то перед

тем как нарезать кристалл на пластины, его свойства измеряют

во всех направлениях и ориентируют нужным образом.

Для резки монокристаллов на пластины применяются диски

с режущей кромкой, покрытой алмазной крошкой размером 40

60 микрон, поэтому после резки пластины получаются шерохо

ватыми, на них остаются царапины, трещины и другие дефекты,

нарушающие однородность структуры приповерхностного слоя

и его физикохимические свойства. Чтобы восстановить поверх

ностный слой, пластину тщательно шлифуют и полируют.

181

www.nanonewsnet.ru

ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС

Все процессы по обработке полупроводниковых пластин

проводятся в условиях вакуумной гигиены в специальных поме

щениях со сверхчистой атмосферой. В противном случае пыль

может осесть на пластину и нарушить элементы и соединения

микросхемы (гораздо меньшие по размерам, чем сама пыль).

Очищенная кремниевая пластина подвергается так называ

емому оксидированию (или окислению)  воздействию на заго

товку кислородом, которое происходит под высокой темпера

турой (1000°C).

Таким образом на поверхности заготовки создается тончай

ший слой диоксида кремния SiO

. Регулируя время воздей

ствия кислорода и температуру кремниевой подложки, можно

легко сформировать слой оксида нужной толщины.

Диоксидная пленка отличается очень высокой химической

стойкостью, большой прочностью и обладает свойствами хоро

шего диэлектрика, что обеспечивает надежную изоляцию нахо

дящегося под ним кремния и защищает его от нежелательных

воздействий в ходе дальнейшей обработки.

22.. ННааннеессееннииее ффооттооррееззииссттаа

Если некоторые области кремния, лежащие под слоем ок

сида, необходимо подвергнуть обработке, то оксид надо пред

варительно удалить с соответствующих участков. Для этого на

диоксидную пленку наносится слой фоторезиста.

ФФооттооррееззиисстт

– это светочувствительный материал, который

после облучения становится

растворимым в определен

ных химических веществах.

Фотошаблон представляет

собой пластинку, состоящую

из прозрачных и непрозрач

ных участков, и играет роль

трафарета.

33.. ЭЭккссппооннииррооввааннииее

На следующем этапе – экспонировании – пластину с нало

женным на нее фотошаблоном подвергают действию излуче

ния. Фоторезист, расположенный под прозрачными участками

фотошаблона, засвечивается.

Рис 102 .Исходная полупроводниковая пластина с

проводимостью ртипа, покрытая слоями SiO

, и

фоторезиста: 1  слой фоторезиста, 2  слой SiO

3  полупроводниковая пластина

В результате засвечен

ный слой, чьи структура и

химические свойства изме

нились под действием излу

чения, а также находящийся

под ним слой диоксида

кремния могут быть удалены

с помощью химикатов (каж

дый слой  своим химика

том).

44.. ТТррааввллееннииее

Удаление облученного фоторезиста и оксидной пленки на

зывается травлением. Этот процесс необходим, чтобы вскрыть

окно для доступа к материалу подложки. Травление может быть

химическим “мокрым” или плазменным “сухим”. Химическое

жидкостное травление основано на растворении химическими

веществами не защищенных фоторезистивной маской участков

образца. Более эффективными являются “сухие” методы обра

ботки, основанные на взаи

модействии газозарядной

плазмы с поверхностным

слоем материала. Кроме то

го, существует ионное, ион

нохимическое и плазмохи

мическое травление.

Результатом травления является полное удаление материа

ла на участках, не защищенных фоторезистом.

5. Заключительным этапом формирования микросхемы яв

ляются процессы

ээппииттааккссииии,, ддииффффууззииии

ммееттааллллииззааццииии..

ЭЭппииттааккссииеейй

называют

ориентированное наращива

ние слоев вещества с воспро

изведением кристалличес

кой структуры подложки.

Его производят в особом ре

акторе. Эпитаксия позволяет

создавать равномерные атом

ные слои на пластине.

182

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

Рис 104. Кремниевая пластина с “окном” в слое

SiO2, образовавшимся в результате облучения и

последующего травления: 1  фоторезист, 2  слой

SiO

, 3 – полупроводниковая пластина;

Рис 105 Выращивание на поверхности пластины

эпитаксиального nслоя с помощью диффузии

донорных примесей: 1 ионы, 2  слой SiO

, 3 

полупроводниковая пластина

Рис 103. Облучение фоторезиста через фотошаблон:

1  засвеченный участок фоторезиста, 2  слой SiO

3  полупроводниковая пластина, 4 – фотошаблон