Las ondas de silicio sirven como sustrato fundamental para la gran mayoría de los dispositivos electrónicos modernos, incluyendo microprocesadores, chips de memoria, sensores y células fotovoltaicas. Las propiedades eléctricas de estas ondas, como la resistencia, movilidad de portadores y la vida útil de las minorías, determinan directamente el rendimiento, la velocidad y la eficiencia de los dispositivos finales.

Comprender las olas de silicona: estructura y pureza

[LT] de silicio[4]: La estructura de silicio es de diamante, con cada átomo de silicio unido covalentemente a cuatro vecinos. En un cristal ideal, puro a 0 K, todos los electrones están unidos en los enlaces covalentes, haciendo de silicio un insulado.

Crecimiento de cristal y dopaje

El gran número de wafers de silicona comercial se cultiva con el método Czochralski (CZ), donde se funden los silicios de policristalina de alta pureza en un crisol de cuarzo y se tiran lentamente un cristal de semilla para formar un ingot de un solo crístal.

El papel de las impurezas en el silicona

Las impurezas en el silicio caen en dos categorías amplias: dopants intencionados, que se añaden para controlar el tipo y la concentración de portadores de carga, y contaminantes no intencionales], que se introducen de materiales de inicio, equipos de procesamiento o el medio ambiente. Ambas categorías alteran propiedades eléctricas, pero las mentiras en el control se evitan precisamente.

Propietarios intencionales: Donantes y aceptadores

Los átomos de Dopant reemplazan el silicio en la celosía de cristal y donan un electron extra (donantes) o crean una deficiencia de electrones o un agujero (aceptores).Los donantes comunes incluyen el fósforo (P) y el arsénico (As), ambos del Grupo V de la tabla periódica. Tienen cinco electrones de valencia; cuatro enlaces covalentes de forma con átomos de silicio vecinos fácilmente, y el quinto es débil

La concentración de portadores en silicio de dopado es casi igual a la concentración de dopat a temperatura ambiente porque casi todos los dopantes son ionizados. Esta relación permite el control preciso de la resistencia sobre muchas órdenes de magnitud. Regiones hepáticas (n+ o p+

Contaminantes no intencionales: Metales, Oxígeno, Carbon

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Oxigen es la impureza involuntaria más abundante en silicio CZ, normalmente a 10–30 ppma (partes por millón de atómicos). Mientras que el oxígeno intersticial (Oi) es en sí mismo un proceso térmico inactivo, puede causar oxígeno a aparecer en SiLT[LT]

Carbon proviene de las partes de grafito utilizadas en los tiradores CZ y de CO en el ambiente. El carbono ocupa un sitio sustitucional y es generalmente isoelectrónico, con poca actividad eléctrica directa. Sin embargo, el carbono aumenta la precipitación de oxígeno y puede actuar como un sitio de nucleación para los defectos.

Impacto en los parámetros eléctricos clave

Las impurezas afectan a cuatro parámetros eléctricos fundamentales de las olas de silicio: resistividad (o conductividad), movilidad de portador, vida útil de portador de minorías (o longitud de difusión) y ruido de regeneración de generación. Cada uno de estos parámetros influye en el rendimiento de los dispositivos de distintas maneras.

Resistividad y concentración de portadores

La resistencia (pie) es inversamente proporcional al producto de la concentración de portadores (n o p) y la movilidad (μ). Los dopants intencionados fijan la concentración de portador neto, mientras que las impurezas no intencionales pueden alterarlo mediante compensación. Por ejemplo, si una onda de p-tipo (bocho de hierro) está contaminada con una impureza de donante como fósforo, la concentración de agujeros netos se reduce, y aumenta la resistencia.

Movilidad y estafador de transportadores

La movilidad de los perforadores se limita a los mecanismos de dispersión: lattice dispersing (fonones) a alta temperatura e impureza dispersando a baja temperatura o alta dopa. La impureza ionizada esparce en concentraciones de dopaje por encima de 1017] cm3.

Recombination Lifetime and Device Performance

La vida útil de los portadores de minorías (τ) es el tiempo promedio que existe una compañía minoritaria antes de recombinar. Es un parámetro crítico para dispositivos bipolar (diodes, transistores bipolar), células solares y imágenes CCD. En la fórmula de silicio de alta calidad, la vida puede superar 1 ms. Impurezas metálicas, especialmente metales de transición, introducir niveles profundos que facilitan la recombinación de concentración de Shockley-Read-LT2

τ = 1 / (σ v] Nt]

donde σ es la sección transversal de captura, vth] es la velocidad térmica, y Nt es la concentración de trampa. Debido a que σ para impurezas metálicas es grande, incluso las cantidades de traza son devastadoras. Para las células solares, la duración reducida de la vida significa una mayor eficiencia de la recolección de memoria, disminuyendo directamente la conversión.

Caracterización de las impurezas

Es esencial detectar y cuantificar de manera precisa las impurezas para el control de procesos y la investigación. Se utiliza un conjunto de técnicas analíticas para medir la composición química y el impacto eléctrico.

Métodos de análisis químicos

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Técnicas de medición eléctrica

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Control de impurezas en olas de silicona

La prevención comienza con materias primas y se extiende a través de todos los pasos de procesamiento, mientras que la rehabilitación a menudo implica técnicas de captación que secuestran contaminantes lejos de las regiones activas de dispositivos.

Purificación y comercialización

[LT:0]La refinación de la capa de metales [FLT] es el método principal para producir silicio de alta pureza. Una zona de molten se transmite a lo largo de una varilla de silicio; las impurezas se segregan en el líquido porque su solubilidad en silicio sólido es menor.

Controles de fabricación avanzados

Las pestañas de Wafer mantienen limpias de clase 1 a 10 para minimizar las partículas de aire y la contaminación de metal. Las soluciones químicas para la limpieza (RCA SC-1 y SC-2, diluidas HF) se formulan para eliminar residuos orgánicos, partículas y películas metálicas.

Conclusiones y futuras orientaciones

Los efectos de la inmovilización son una tecnología de doble filo en la tecnología de silicio.Los efectos de la intencionación son indispensables para crear conductores, aisladores y regiones activas de dispositivos, pero contaminantes no intencionales, ya sea el oxígeno del crisol, los metales de manipulación o el carbono de las propiedades eléctricas degradadas a través de mecanismos que van desde la reducción de la vida de la base catastrófica.