La struttura cristallina del Silicio è quella di un reticolo cubico a facce centrate (fcc) con base biatomica, basata sul legame tetraedrico degli atomi del cristallo. La base ha un atomo in corrispondenza dei punti reticolari e l'altro sfalsato lungo la diagonale del cubo di 1/4 della sua lunghezza [11]. Ciò significa che, preso un atomo di riferimento, questo è legato a quattro atomi identici mediante quattro legami aventi la stessa lunghezza e la stessa separazione angolare(1).
La medesima struttura cristallina caratterizza il primo semiconduttore storicamente studiato, il Germanio, ed il prezioso diamante. Comune a Carbonio, Silicio e Germanio è la appartenenza al IV gruppo della tavola periodica degli elementi.
Tutte le strutture eterogenee, accomunate dal medesimo reticolo ed un passo reticolare il più possibile costante, sono denominate eterostrutture, e sono alla base dei dispositivi realizzati al di fuori del Silicio, e che trovano applicazione nel dominio delle altissime frequenze e della fotonica. Inoltre, i materiali adoperati nei moderni circuiti integrati sono tutti basati sulla preservazione del legame tetraedrico e sulla conseguente simmetria cubica fcc del reticolo. I composti IV-IV come SiGe o SiC sono fra questi.
Ad ogni cristallo occorre associare la dimensione del cubo unitario, definita costante reticolare a; nella Tab. A1 sono riportati i valori per alcuni semiconduttori [12, 13].
Si Ge GaAs SiC
a [Å] 5.53 5.75 5.65 4.35
Tab. A1
Si nota che il Silicio e il Germanio, pur avendo la stessa struttura cristallografica (cubica a facce centrate), presentano però una certa difformità fisica: il Germanio ha una costante reticolare maggiore di circa il 4% rispetto a quella del silicio (Fig. A1).
(1) Posto l'atomo di riferimento al centro di un sistema di riferimento tridimensionale, i quattro atomi a lui legati sarebbero tutti sulla superficie di una medesima sfera.
Fig. A1: Reticolo cristallino del Silicio e del Germanio a confronto
Il SiGe è una lega ed il parametro reticolare dipende dalla concentrazione. Inoltre, generalmente il SiGe viene “cresciuto” per deposizione su altri materiali, quali Si o Ge, e di conseguenza la cella cristallina risulta distorta. Infatti, se utilizziamo un processo epitassiale per crescere uno strato di SiGe su un substrato di silicio (struttura SiGe a giunzione netta), si genererà una compressione (straining) sul SiGe ed una tensione sul Silicio con conseguente variazione della geometria del cristallo. Questi fenomeni ed i relativi effetti sono descritti dal Tensore di Stress o Sforzo (T) e dal Tensore di Strain o Deformazione (S), caratteristici di ogni materiale [14].
Inizialmente viene depositato uno strato di SiGe sul bulk o nel corpo del wafer di Silicio; successivamente viene ricoperto dalla deposizione di un sottilissimo strato di Si (una decina di nm). Gli atomi di silicio dello strato sovrastante tendono ad allinearsi con quelli dello strato sottostante di SiGe che, essendo più spesso, “vince” e obbliga gli atomi di Silicio a spaziarsi in una distanza analoga a quella degli atomi di SiGe (Fig. A2).
Fig. A2: “Strained” Silicon
verticale, ma questo piccolo cambiamento impatta enormemente sulla mobilità dei portatori di carica, specialmente gli elettroni, che incontrano una resistenza inferiore al loro passaggio e fluiscono fino al 70% più velocemente.
In particolare se lo spessore cresciuto è piccolo, si può verificare che il SiGe cambia la sua geometria da cubica a tetraedrica. Se invece lo strato cresciuto è maggiore di un certo
“spessore critico”, l’energia accumulata dalle molecole del SiGe è tale da mantenere immutata la propria naturale simmetria, creando all’interfaccia delle dislocazioni a spigolo (edge).
Fig. A3: Dislocazioni nel SiGe
Le dislocazioni costituiscono una minaccia per le caratteristiche elettriche del semiconduttore; infatti, in questi interstizi si depositano impurezze (ad esempio dei metalli pesanti), in grado di influenzare negativamente il tempo di vita medio dei portatori e di conseguenza la conducibilità del materiale (le impurezze rappresentano delle trappole per i portatori). Per limitare le forze reticolari all’interfaccia (cioè un elevato rapporto di tensione-compressione) e ridurre quindi la presenza di difetti, è possibile creare una molecola di Si1-xGex che aumenti la concentrazione di Germanio [Gex] man mano che lo spessore di materiale aumenta (struttura a concentrazione graduale). Questo sistema è detto
“step-step grading” (Fig A4).
Fig. A5: Struttura SiGe a concentrazione graduale ( Si1 x− Gex)
Lo sbilanciamento di concentrazione a favore dell’uno o dell’altro componente nella molecola Si1-xGex determina sostanziali differenze nelle proprietà del materiale.
Nel grafico seguente si mostra come il gap tra le bande di conduzione e valenza del SiGe (con Energie EG, EC ed EV, rispettivamente), peraltro già inferiore rispetto a quello del Silicio, diminuisca all’aumentare della concentrazione di Germanio presente nella molecola(2).
Fig. A6: Andamento del Gap in funzione della percentuale di Ge
In particolare, si può dimostrare che per un incremento di germanio dell’1% si ottiene una riduzione di 7.5 meV del Gap; ciò permette un notevole miglioramento della conducibilità dei portatori e quindi maggiori velocità dei dispositivi.
(2) Tale riduzione avviene principalmente a causa di una maggiore variazione di EV rispetto ad EC.
Fig. A7: Confronto tra la mobilità degli elettroni per le diverse tecnologie
Per quanto riguarda la mobilità (µ), solo l’Arseniuro di Gallio (GaAs) mostra valori simili; però, realizzare substrati di GaAs è molto dispendioso: sono necessari sistemi molto particolari (come quello basato sul metodo Bridgman) che incidono notevolmente sul costo di produzione, oltre alla complicazione tecnologica dovuta alla volatilità e alla tossicità dell’Arsenico.
In un transistor BJT, il collettore, la base e l’emettitore sono realizzati con lo stesso materiale che presenta gli stessi intervalli di livello. La retro-iniezione delle lacune attraverso la giunzione tra emettitore e base è limitata dal drogaggio e dal beta (guadagno di corrente) del dispositivo. Un alto valore del beta è necessario per avere un alto guadagno di potenza mentre un elevato drogaggio della base permette di abbassare la resistenza e quindi di diminuire il rumore del transistor. Nella realizzazione su microchip la struttura del transistor è verticale e l’altezza della base rappresenta un parametro critico per determinare il tempo di attraversamento dei portatori minoritari. Il tempo di transito è direttamente collegato alle prestazioni del transistor a frequenze elevate.
In un heterojunction bipolar transistor (HBT), realizzato con tecnologia basata sul GaAs/AlGaAs, l’emettitore è costruito per avere degli intervalli di livello più ampi rispetto alla base. Si viene a formare così una eterogiunzione tra emettitore e base che provoca una
discontinuità nella struttura dei livelli. Questa discontinuità crea una barriera di potenziale per le lacune limitando la retro-iniezione delle lacune stesse nella giunzione emettitore/base. Si ottiene così un incremento del valore del beta, di poter aumentare il drogaggio della base e di diminuire la sua altezza (Fig. A8).
Fig. A8: Livelli energetici della giunzione B-E realizzata a GaAs
Gli HBT realizzati al SiGe sono molto simili ai tradizionali HBT. I SiGe HBT hanno il collettore e l’emettitore in silicio. La base è realizzata attraverso il progressivo drogaggio con il germanio per creare un gradiente tra i livelli. Viene appiattita la normale configurazione cubica del deposito di silicio fino a conferirle una forma rettangolare.
Questo crea uno squilibrio all'interno delle forze elettriche che normalmente ostruiscono il passaggio degli elettroni, facilitando in tal modo il flusso delle cariche elettriche.
Si crea così il campo discendente che accelera i portatori minoritari riducendo il tempo di transito della base (Fig. A9).
Fig. A9: Bande della giunzione B-E di un transistore HBT al SiGe
La tecnologia strained silicon consente di avere un incremento del 70% nella velocità di scorrimento degli elettroni rispetto a quanto avviene nel silicio "tradizionale" [15].
Fig. A10: Cross section di due processi BiCMOS al SiGe
