MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 1 Lý do chọn đề tài 1 2 Mục đích nghiên cứu 2 3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2 4 Nhiệm vụ nghiên cứu 2 5 Phương pháp nghiên cứu 2 6 Cấu trúc khoá luận 2 CHƯƠNG I SƠ LƯỢC VỀ CHẤT[.]
MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục đích nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Nhiệm vụ nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Cấu trúc khoá luận CHƯƠNG I: SƠ LƯỢC VỀ CHẤT BÁN DẪN VÀ CƠ CHẾ KHUẾCH TÁN CHỦ YẾU TRONG BÁN DẪN 1.1 Sơ lược bán dẫn 1.2 Các ứng dụng quan trọng vật liệu bán dẫn 1.3 Các chế khuếch tán chủ yếu bán dẫn 1.3.1 Khái niệm khuếch tán 1.3.2 Các chế khuếch tán chủ yếu bán dẫn KẾT LUẬN CHƯƠNG CHƯƠNG 2: MỘT SỐ NGHIÊN CỨU VỀ KHUẾCH TÁN TRONG TINH THỂ GE 10 2.1 Các đa ̣i lươ ̣ng nghiên cứu hiêṇ tươ ̣ng khuế ch tán 10 2.2 Các nghiên cứu lí thuyết thực nghiệm 12 TÀI LIỆU THAM KHẢO 33 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Ge mô ̣t hai bán dẫn đơn chất điển hình (Ge và Si) ứng dụng nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt ngành công nghiệp điện tử Sự phát triển linh kiện bán dẫn như: điốt, tranzito, mạch tích hợp,… cho đời hàng loạt thiết bị điện tử tinh vi đầu đọc đĩa CD, máy fax, máy quét siêu thị, điện thoại di động,… Để có linh kiện bán dẫn kể trên, người ta phải tạo hai loại bán dẫn bán dẫn loại n bán dẫn loại p cách pha nguyên tử tạp chất vào Ge (hay Si) Có nhiều phương pháp pha nguyên tử tạp chất vào vật liệu bán dẫn phương pháp nuôi đơn tinh thể, phương pháp cấy ion, phương pháp khuếch tán, So với phương pháp khác phương pháp khuếch tán có nhiều ưu điểm khơng làm thay đổi cấu trúc tinh thể, pha tạp với chiều sâu tùy ý, cho phép điều khiển tốt tính chất tranzito, Đó lí khiến cho kĩ thuật khuếch tán nguyên tử vào vật liệu bán dẫn thu hút quan tâm nhiều nhà khoa học Đã có nhiều cơng trình nghiên cứu lí thuyết thực nghiệm tự khuếch tán khuếch tán tạp chất bán dẫn, đặc biệt khuếch tán bán dẫn Si và Ge Tuy nhiên, việc đo đạc xác đại lượng khuếch tán điều khó, địi hỏi phải có trang thiết bị đại có đội ngũ chun gia giàu kinh nghiệm Về mặt lí thuyết, có nhiều phương pháp sử dụng để nghiên cứu khuếch tán; phương pháp thu thành cơng định tính tốn cịn bị hạn chế kết số thu có độ xác chưa cao so với giá trị thực nghiệm Vì vậy, nghiên cứu tự khuếch tán khuếch tán tạp chất bán dẫn vấn đề có ý nghĩa khoa học mang tính thời Xuấ t phát từ những lí trên, nên chúng chọn đề tài nghiên cứu là: “Một số nghiên cứu về sự tự khuếch tán và khuế ch tán của ta ̣p chấ t tinh thể Germanium (Ge)” Mục đích nghiên cứu Tìm hiể u các nghiên cứu lí thuyế t và các quan sát thực nghiê ̣m về sự tự khuế ch tán và khuế ch tán của ta ̣p chấ t tinh thể Ge - Đối tượng phạm vi nghiên cứu Các công trình, bài báo, tài liêụ viế t về sự khuế ch tán tinh thể Ge Nhiệm vụ nghiên cứu - Sưu tầ m, câ ̣p nhâ ̣t các bài báo, tài liêụ viế t về khuế ch tán Ge - Đo ̣c, dich ̣ các tài liêụ sưu tầ m đươ ̣c - Phân tích, đánh giá, tổ ng hơ ̣p để viế t khóa luâ ̣n Phương pháp nghiên cứu - Đọc, tra cứu tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu - Phân tích, đánh giá, tổng hợp kiến thức tìm hiểu Cấu trúc khố luận Ngồi phần mở đầu, kết luận tài liệu tham khảo, khóa luận dự kiến có hai chương: Chương 1: Sơ lươ ̣c về bán dẫn và các chế khuế ch tán chủ yế u bán dẫn 1.1 Sơ lươ ̣c về bán dẫn 1.2 Các ứng du ̣ng bản bán dẫn 1.3 Các chế khuế ch tán chủ yế u bán dẫn Kết luận chương Chương 2: Các nghiên cứu về khuếch tán tinh thể Germanium 2.1 Các đa ̣i lươ ̣ng nghiên cứu hiê ̣n tươ ̣ng khuế ch tán 2.2 Các nghiên cứu lí thuyết Kết luận chương Kết luận chung CHƯƠNG I SƠ LƯỢC VỀ CHẤT BÁN DẪN VÀ CƠ CHẾ KHUẾCH TÁN CHỦ YẾU TRONG BÁN DẪN 1.1 Sơ lược bán dẫn Theo tài liệu [1], chất bán dẫn thông dụng thường kết tinh theo mạng tinh thể lập phương tâm diện Trong đó, nút mạng gắn với gốc gồm hai nguyên tử Hai nguyên tử loại bán dẫn đơn chất Si, Ge hai nguyên tử khác loại bán dẫn hợp chất GaAs, InSb, ZnS, CdS, Hình 1.1 Mạng tinh thể Ge Ge vật liệu bán dẫn điển hình Đơn tinh thể Ge có cấu trúc kim cương (Hình 1.1) gồm hai phân mạng lập phương tâm diện lồng vào nhau, phân mạng nằm 1/4 đường chéo phân mạng Trong sở có ngun tử Ge, nguyên tử Ge tâm hình tứ diện cấu tạo từ bốn nguyên tử lân cận gần xung quanh Độ dài cạnh ô o sở (còn gọi số mạng tinh thể) 298K a o = 5,43 A o Mạng tinh thể Ge hở Bán kính nguyên tử Ge 1,22 A Trong ô sở mạng tinh thể Ge có lỗ hổng mạng (còn gọi hốc hay kẽ hở mạng) hốc nằm bốn đường chéo đối diện với nguyên tử Ge thuộc đường chéo qua tâm hình lập phương hốc thứ nằm tâm hình lập phương (Hình 1.2- hốc 1, 2, 3, 4, 5) Mỗi hốc có bán kính bán kính nguyên tử Ge chứa khít ngun tử Ge Mỗi hốc tâm hình tứ diện cấu tạo từ bốn hốc xung quanh bốn nguyên tử Ge xung quanh (xem Hình 1.2) Hình 1.2 Các hốc (lỗ hổng) mạng tinh thể Ge Các bán dẫn hợp chất A III BV A II BVI GaAs hay ZnS chẳng hạn (Hình 1.3) thường kết tinh dạng zinc blend (ZnS), gồm hai phân mạng lập phương tâm diện lồng vào nhau, phân mạng nằm 1/4 đường chéo phân mạng Tuy nhiên, mạng thứ cấu tạo từ loại nguyên tử (Zn chẳng hạn) mạng thứ hai cấu tạo từ loại nguyên tử khác (S chẳng hạn) Trong tinh thể ZnS, nguyên tử Zn tâm hình tứ diện cấu tạo từ bốn nguyên tử S xung quanh Ngược lại, nguyên tử S lại tâm hình tứ diện đều, cấu tạo từ bốn nguyên tử Zn xung quanh Chú thích: Lưu huỳnh (S) Kẽm (Zn) Hình 1.3 Mạng tinh thể kẽm sunfua (ZnS) 1.2 Các ứng dụng quan trọng vật liệu bán dẫn Vật liệu bán dẫn nghiên cứu ứng dụng nhiều lĩnh vực khoa học, kỹ thuật công nghiệp Tuy nhiên, ứng dụng quan trọng phổ biến chúng dùng để chế tạo linh kiện điện tử bán dẫn Chúng ta sống thời đại thông tin Một lượng lớn thông tin thu qua Internet thu cách nhanh chóng qua khoảng cách lớn hệ thống truyền thông vệ tinh Sự phát triển linh kiện bán dẫn điốt, tranzito mạch tích hợp (ICIntegrated Circuit) giúp nhiều việc phát công dụng chúng IC có mặt hầu hết mặt đời sống hàng ngày, chẳng hạn đầu đọc đĩa CD, máy fax, máy quét siêu thị điện thoại di động Điốt phát quang dùng hiển thị, đèn báo, hình quảng cáo nguồn sáng Phôtôđiốt loại dụng cụ thiếu thông tin quang học ngành kỹ thuật tự động Pin nhiệt điện bán dẫn ứng dụng để chế tạo thiết bị làm lạnh gọn nhẹ, hiệu cao dùng khoa học, y học, Để có linh kiện bán dẫn kể từ chất bán dẫn tinh khiết ban đầu (Si Ge), người ta phải tạo hai loại bán dẫn bán dẫn loại n (dẫn điện chủ yếu điện tử) bán dẫn loại p (dẫn điện chủ yếu nút khuyết) cách pha nguyên tử tạp chất vào Si (hay Ge) Sau đó, ghép hai loại bán dẫn lại với để điốt hay tranzito Cơng nghệ pha tạp nói chung đa dạng công nghệ sử dụng thường xuyên từ xa xưa Có nhiều phương pháp pha nguyên tử tạp chất vào vật liệu bán dẫn phương pháp nuôi đơn tinh thể, phương pháp cấy ion, phương pháp khuếch tán, Hình 1.4 Một số hình ảnh ứng dụng vật liệu bán dẫn So với phương pháp khác phương pháp khuếch tán có nhiều ưu điểm không làm thay đổi cấu trúc tinh thể, pha tạp với chiều sâu tùy ý, cho phép điều khiển tốt tính chất tranzito thu thiết bị hoạt động tần số cao Hơn nữa, trình khuếch tán cho phép nhiều tranzito chế tạo lớp silic đơn tinh thể mỏng, hạ giá thành thiết bị Đó lí khiến cho kĩ thuật khuếch tán nguyên tử tạp chất vào vật liệu bán dẫn phát triển nhanh chóng nhằm chế tạo tranzito, vi mạch điện tử ngày mạch điện có cấu hình với kích thước nanơ, nanơ sensor, 1.3 Các chế khuếch tán chủ yếu bán dẫn 1.3.1 Khái niệm khuếch tán Theo [2], khuếch tán trình di chuyển ngẫu nhiên hay số loại nguyên tử định môi trường vật chất khác (gọi vật chất gốc) tác dụng điều kiện cho nhiệt độ, áp suất, điện- từ trường, … Nguyên tử pha vào đươ ̣c gọi nguyên tử pha tạp nguyên tử tạp chất Nguyên tử pha vào khuếch tán thường có nồng độ bé, cỡ 10−3 − 10−4% so với nguyên tử gốc Vì vậy, chúng thường gọi tạp chất Bên cạnh đó, nồng độ tạp chất pha vào thường nhỏ so với nồng độ nguyên tử gốc, không làm thay đổi đặng kể cấu trúc nhiệt, quang, … chất ban đầu Nếu nguyên tử vật chất môi trường gốc khuếch tán mơi trường vật chất đó, người ta gọi tự khuếch tán Ví dụ nguyên tử Ge khuếch tán tinh thể Ge 1.3.2 Các chế khuếch tán chủ yếu bán dẫn Cơ chế khuếch tán cách thức di chuyển nguyên tử mạng tinh thể Cho đến nay, người ta chưa rõ trình khuếch tán tương tác nguyên tử với trình khuếch tán Tuy nhiên, chắn nguyên tử khuếch tán, chúng nhảy từ vị trí sang vị trí khác mạng tinh thể Các nghiên cứu khuếch tán bán dẫn [2] rằng, tinh thể bán dẫn bình thường có chế khuế ch tán chủ yế u ( HÌnh 1.5 ) Hình 1.5 Các chế khuếch tán chủ yếu tinh thể chất bán dẫn Với tinh thể Ge, theo các nghiên cứu trước nay, chế khuếch tán chủ yếu tinh thể Ge chế nút khuyết (cơ chế vacancy) Các nghiên cứu chúng tơi trình bày chương của khóa luận KẾT LUẬN CHƯƠNG Trong chương chúng tơi trình bày đươ ̣c các vấn đề chủ yếu sau: - Cấu trúc tinh thể bán dẫn nói chung tinh thể Ge nói riêng - Các ứng dụng quan trọng của vật liệu bán dẫn - Các chế khuếch tán chủ yếu tinh thể bán dẫn ... dẫn nói chung tinh thể Ge nói riêng - Các ứng dụng quan trọng của vật liệu bán dẫn - Các chế khuếch tán chủ yếu tinh thể bán dẫn CHƯƠNG MỘT SỐ NGHIÊN CỨU VỀ KHUẾCH TÁN TRONG TINH THỂ Ge 2.1 Các... chất đó, người ta gọi tự khuếch tán Ví dụ nguyên tử Ge khuếch tán tinh thể Ge 1.3.2 Các chế khuếch tán chủ yếu bán dẫn Cơ chế khuếch tán cách thức di chuyển nguyên tử mạng tinh thể Cho đến nay, người... Vì vậy, nghiên cứu tự khuếch tán khuếch tán tạp chất bán dẫn vấn đề có ý nghĩa khoa học mang tính thời Xuấ t phát từ những lí trên, nên chúng chọn đề tài nghiên cứu là: ? ?Một số nghiên cứu