Электронная библиотека
При изготовлении большинства полупроводниковых приборов применяют монокристаллические материалы. Это объясняется тем, что подвижность и время жизни свободных носителей заряда в монокристаллах выше, чем в поликристаллическом материале, который к тому же обладает и значительной неоднородностью свойств.
Процент выхода годных полупроводниковых приборов, их характеристики зависят от степени очистки, однородности исходного материала, степени его легирования и др. Наиболее жесткие требования к полупроводниковым материалам предъявляют при производстве транзисторов и интегральных схем. В таких приборах, как фото- и терморезисторы, допускается использование поликристаллических аморфных веществ.
Основными методами получения монокристаллов полупроводников являются: выращивание из расплава, метод зонной перекристаллизации и выращивание из газообразной фазы. В ряде случаев применяют метод выращивания из раствора и другие методы.
Метод выращивания монокристаллов из расплава (метод Чохральского), как правило, обеспечивает высокие скорости выращивания и получение больших по размеру кристаллов. Сущность метода заключается в том, что в тигель с расплавленным материалом 9 опускают монокристаллическую затравку 7 (рис.3.27). После оплавления затравки, которое обеспечивает хорошее ее смачивание расплавом, затравку медленно поднимают. Жидкость, тянущаяся за затравкой, попадая в область более низких температур, затвердевает, продолжая кристаллическую структуру затравки.
При вытягивании кристалла затравку или тигель вращают, чтобы не происходил преимущественный рост кристалла в какую-либо сторону из-за возможной боковой разности температур. Кроме того, вращение кристалла относительно тигля производит размешивание расплава в тигле.
При выращивании из расплава монокристаллов полупроводниковых соединений пользуются методом Бриджмена-Стокбаргера. Нагреватель в этой установке устроен таким образом, что по его длине создается определенный градиент температуры (рис. 3.28).
При выращивании кристаллов разлагающихся соединений тигель с веществом помещают в запаянную ампулу, в которой поддерживается необходимое давление паров летучего компонента. В положении 1 содержимое тигля расплавлено. По мере дви
жения тигля вдоль печи в область более низких температур происходит постепенное охлаждение расплава и направленная его кристаллизация.
Метод зонной перекристаллизации (плавки) для получения монокристаллов состоит в том, что плавление поликристаллического слитка, помещенного в тигель, осуществляется с помощью нагревателя, создающего короткую зону, температура которой выше, чем температура плавления вещества.
Схема установки приведена на рис. 3.29. Если на одном конце слитка поместить монокристалическую затравку и перемещать нагреватель от этого конца к другому, то остальная часть слитка, последовательно расплавляясь в зоне и затем кристаллизуясь, будет продолжать структуру затравки.
Метод зонной плавки широко применяют прежде всего как один из эффективных методов очистки полупроводниковых материалов от примесей. Очистка полупроводников этим методом основана на том, что примеси неодинаково растворимы в твердой и жидкой фазе основного вещества. Наиболее распространен случай, когда растворимость примеси в жидкой фазе больше, чем в твердой. Тогда расплавленная зона при движении будет захватывать примесь и переносить ее в конец слитка. Этот процесс движения зоны (в том же направлении) можно повторять несколько раз, сгоняя примесь в конец слитка. Подобный результат может быть достигнут, если создать сразу несколько зон. Каждая из них на своем пути захватит определенное количество примеси и перенесет ее в конец слитка, который затем обрезается.
Обычно в качестве материала тигля используют плавленый кварц, графит, тугоплавкие оксиды алюминия или магния. Однако для таких реакционноспособных полупроводников, как кремний, зонная перекристаллизация оказалась эффективной лишь при бестигельной зонной плавке, которая в настоящее время осуществляется несколькими способами. Наиболее распространенным является метод плавающей зоны, который состоит в том, что расплавленная зона удерживается силами собственного поверхностного натяжения между двумя вертикальными твердыми заготовками, расположенными строго по одной линии (возможна поддержка индуцированным током и др.).
Из газообразной фазы выращивают главным образом монокристаллы полупроводниковых соединений. Существует несколько таких способов.
Для выращивания монокристаллов бинарных полупроводниковых соединений из газовой фазы используется метод взаимодействия исходных компонентов (рис. 3.30). Выращивание монокристалла производится в потоке нейтрального газа или водорода. При этом применяют трехсекционную печь, причем две крайние секции используют для испарения компонентов. Средняя печь предназначена для поддержания необходимой температуры в реакторе, где происходит смешивание паров компонентов и их реакция. Температура в реакторе ниже, чем температура плавления образующегося соединения. Это вызывает конденса
цию соединения на стенках реактора в виде кристаллов.
Другим распространенным способом выращивания из газовой фазы является метод сублимации (рис. 3.31). В тигель помещают исходный материал, который затем испаряется. Пары вещества переносятся в зону роста кристаллов (зона 3) транспортирующим газом.
Качество и состав кристаллов, выращенных из газообразной фазы указанными методами, зависят от выбора температурных режимов испарителей и реактора.
Срочно?
Закажи у профессионала, через форму заявки
8 (800) 100-77-13 с 7.00 до 22.00
Источник
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Выращивание — полупроводниковый кристалл
Выращивание простых полупроводниковых кристаллов вертикальным методом Бриджмена — Стокбаргера практикуется редко главным образом потому, что такие вещества, как кремний и германий, при затвердевании расширяются на несколько процентов по объему. Цилиндрический тигель, используемый в вертикальном варианте метода Бриджмена — Стокбаргера, не позволяет растущему кристаллу расширяться, что обычно приводит к возникновению больших напряжений. [1]
Все больше используются гидротермальные методы выращивания полупроводниковых кристаллов , которые часто применяются при получении люминофоров. Метод основан на том, что некоторые вещества с ничтожной растворимостью в воде при комнатной температуре заметно растворяются в ней при достижении критической температуры. Вдоль стальной бомбы, рассчитанной на критическое давление воды, создают небольшой температурный градиент. В более холодной части реакционного пространства на затравке вырастает монокристалл. Бомбу с раствором и затравкой нагревают выше критической температуры воды при сохранении температурного перепада. Преимущество этого метода — низкая температура выращивания монокристаллов, благодаря чему можно получить вещества, очень близкие к стехиометри-ческому составу. [2]
Из работ, выполненных на ПКК Мир, следует отметить эксперименты на установках Галлар и Кратер-В по выращиванию полупроводниковых кристаллов ( в том числе методом химического газового транспорта), позволившие, например, получить монокристаллы арсенида галлия и оксида цинка с параметрами ( удельное сопротивление, подвижность носителей заряда, плотность дислокаций, термическая устойчивость), намного лучшими, чем у земных аналогов. [3]
Отмеченные явления связаны, на наш взгляд, как с большим опытом, накопленным в области, охватываемой программой Симпозиума, так и возросшей потребностью в разработке методов контролируемого выращивания полупроводниковых кристаллов и пленок с заданными свойствами, являющихся основой современного приборостроения. [4]
Гелий применяется для наполнения дирижаблей, при сварке магниевых деталей самолетов, в водолазном деле, медицине, для калибровки приборов, в космонавтике для консервации пищевых продуктов, атомной энергетике ( как теплопередающая среда), хладотехнике, хроматографии, при выращивании полупроводниковых кристаллов кремния и германия, для наполнения радиоламп и во многих других отраслях. [6]
Источниками ЭМП этого вида являются приборы, применяемые в промышленности для индукционного нагрева металлов и полупроводников ( в таких технологических процессах, как закалка и отпуск деталей, накатка твердых сплавов на режущий инструмент, плавка металлов и полупроводников, очистка полупроводников, выращивание полупроводниковых кристаллов и пленок), а также приборы диэлектрического нагрева, применяемые для сварки синтетических материалов, прессовки синтетических порошков. Свойства электромагнитных волн распространяться в пространстве и отражаться от границы раздела сред широко используют в таких областях, как радиосвязь, телевидение, радиолокация, дефектоскопия и других, поэтому телевизионные и радиолокационные станции, антенны радиосвязи являются также лющными источниками ЭМП диапазона радиочастот. Различают технологические и паразитные источники ЭМП. К последним относятся выносные согласующие трансформаторы, выносные батареи конденсаторов, фидерные линии, щели в обшивке установок. [7]
Масс-спектрометрическая аппаратура успешно используется в структурном анализе высокомолекулярных органических соединений для измерения энергии связи между атомами: в контроле сложных технологических процессов в современных производствах, при исследовании обмена веществ в биологии и др. Методами масс-спектрометрии решаются вопросы контроля дегазации вакуумных объемов, анализа газовых составляющих при вакуумной плавке, а также выращивания полупроводниковых кристаллов и тонких пленок, исследования быстропротекающих и взрывных процессов. [9]
И триггер и сдвоенная переключающая схема И — ИЛИ. Одним из новых прогрессивных технологических методов полупроводниковой техники является эпитаксиальное выращивание кристаллов. Эпи-таксиальный процесс состоит из выращивания полупроводникового кристалла из паровой фазы путем осаждения на полупроводниковую подложку. [11]
Обычно полагают, что находящиеся на борту искусственного спутника Земли предметы пребывают в состоянии полной невесомости, но это не так. Жестко закрепленные на корпусе спутника научные приборы испытывают остаточные микроускорения, которые в ряде случаев существенно влияют на изучаемые с помощью этих приборов процессы. В связи с этим выделяют класс так называемых гравитационно-чувствительных процессов и систем, на которые микроускорения влияют достаточно сильно. Примерами таких процессов могут служить выращивание полупроводникового кристалла из расплава и некоторые другие процессы космического материаловедения. Изучение гравитационно-чувствительных систем и процессов составляет предмет микрогравитационной науки ( microgravity science), которая выработала свои специфические методы исследования, обеспечивает примерно четвертую часть полезной нагрузки космических аппаратов и по которой регулярно проводятся научные конференции, публикуется большое число статей. [12]
Источник
Без дефектов: как выращивают монокристаллы для квантовых компьютеров
МОСКВА, 6 мар — РИА Новости, Татьяна Пичугина. Большинство современных высокоточных приборов работает на монокристаллах. Как их выращивают, минимизируя дефекты, выяснило РИА Новости.
Росту кристаллов посвящены тысячи научных исследований, но и сейчас в этом вопросе далеко не все ясно. Многие материалы, на которые промышленность возлагала надежды, так и не вышли за рамки лабораторных стендов: выращенные на них кристаллы не соответствовали инженерным задачам. Процесс кристаллизации требует соблюдения множества параметров, сложных манипуляций с химическим составом, знания точных условий и скорости роста. К тому же кристалл растет несколько недель и даже месяцев, и малейшие перебои в электроэнергии негативно влияют на результат.
«Это, наверное, странно услышать от ученого, но мы не полностью понимаем процесс кристаллизации. Конечно, в теории нам многое известно: как атомы встраиваются в решетку, как образуются грани и так далее. Но можно провести десять опытов и получить десять разных кристаллов. Это говорит о том, что экспериментатор не в состоянии контролировать весь процесс», — рассказывает Константин Кох, кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник лаборатории роста кристаллов Института геологии и минералогии СО РАН, лауреат премии президента России в области науки и техники для молодых ученых 2017 года.
Когда теория обгоняет практику
Константин Кох занимается кристаллами селенида галлия (GaSe) и топологическими изоляторами на основе тетрадимита — соединений со структурой сульфотеллурида висмута Вi2Те2S. Оба материала чрезвычайно интересуют физиков, поскольку способны найти применение в высокотехнологичных устройствах. Селенид галлия рассматривают как перспективный источник терагерцового излучения, используемого в просвечивающих досмотровых сканерах, медицинских диагностических аппаратах, анализаторах газовых смесей. Однако вырастить прочные, чистые монокристаллы селенида галлия не так-то просто, и это тормозит их коммерческое внедрение.
Та же судьба у материалов со свойствами топологических изоляторов, обнаруженных всего десять лет назад.
«Это очень странный тип материалов. Представьте себе кусок дерева, обернутый алюминиевой фольгой. Дерево — диэлектрик, оно не проводит электрический ток, а фольга проводит. Так и топологический изолятор. В теории его объем не проводит ток, но поверхность, в отличие от фольги, пропускает электроны, причем только с определенным спином», — поясняет ученый.
Благодаря столь необычному свойству топологические изоляторы могут найти применение в квантовых компьютерах в качестве носителей информации или послужить основой сверхбыстрых транзисторов, составив конкуренцию графену. Но пока все это звучит как фантастика. Попытки вырастить монокристаллы топологических изоляторов с нужными параметрами окончились неудачей. Из-за множества дефектов структуры кристаллы быстро окислялись на воздухе, а их внутренний объем проводил электрический ток.
Круговой нагрев
Обычно, когда расплав застывает, в нем возникает множество центров кристаллизации, выступающих точками роста граней и слоев сразу нескольких кристаллов. Чтобы получить монокристалл, в расплаве нужно создать условия для образования одного зародыша. Для этого смесь веществ загружают в емкость, конически сужающуюся книзу, и помещают в неравномерно прогретую вертикальную печь так, чтобы контейнер находился в области температур, превышающих точку кристаллизации. Медленно опуская контейнер, добиваются того, чтобы зародыш образовывался в самом низу конуса и расплав нарастал на него в виде кристалла снизу вверх. Этот метод изобрел в свое время американский физик Бриджмен.
Добиваясь стабильного роста кристаллов, Кох с коллегами немного изменили метод Бриджмена. В качестве емкости они используют ампулу из кварцевого стекла, из которой перед запайкой откачали воздух. Это необходимо, чтобы защитить смесь от окисления. Хотя ампула прозрачная, рост монокристалла не увидеть: у раскаленного расплава слишком сильное излучение. Это все равно что смотреть на лампочку накаливания или Солнце. Селенид галлия растет при температуре 940 градусов Цельсия, тетрадимит — при 600 градусах.
«Обычно считается: чем равномернее емкость нагрета со всех сторон, тем лучше. Мы же поступили наоборот: решили чуть-чуть перегревать ампулу с одной стороны», — говорит Константин Кох.
Источник