Германій (Ge)

Атомний номер <#"809770.files/image005.gif">

Рис 1.3 Залежність ширини забороненої зони від температури. [1]

За кімнатної температури рухливість електронів (Рис.1.5 Лінія 1) майже вдвічі перевищує рухливість дірок (Рис.1.6, Рис.1.7). Однак при зміні температури це відношення не залишається незмінним.

Рис. 1.4 Енергетичний спектр в 1-ій зоні Брілюена.

Рис. 1.5 Рухливість електронів в залежності від температури та різних рівнів легування:

1) Кристал високої чистоти 2)  ;3) ;4) ; 5)   6) ; 7) . [2]

Рис. 1.6. Рухливість дірок в залежності від концентрації електронів.1) Т=77К; 2) Т=300К. [3]

Рис. 1.7 Рухливість дірок в залежності від їх концентрації (за еф. Холла). [4]

Статична діелектрична проникність ε=16.0;

Власна концентрація ;

Ефективна маса:

електронів, повздовжня: m_II=1,58m₀, m_II=1,64m₀

електронів, поперечна: m_┴=0,0815m₀, m_┴=0,082m₀

дірок, важких: m_hh=0,379m₀; дірок, легких: m_hl=0,042m₀

1.4 Оптичні властивості монокристалів Gе

В нормальних умовах чистий Германій прозорий для електромагнітного випромінювання з довжиною хвилі більшою 1.8 мкм.

Інфрачервоний показник заломлення - 4.00. Коефіцієнт випромінювальної рекомбінації 6.4 · 10-14 см3/с. Германій має низький коефіцієнт поглинання інфрачервоного випромінювання в діапазоні довжин хвиль від 2 до 12 мікрон. Заборонена зона германію величиной 0.67еВ є причиною збільшення поглинання в короткохвильовому ІЧ-діапазоні. У дальньому ІЧ - діапазон переважає гратчасте (фононне) поглинання [5].

Рис. 1.8 Залежність показника заломлення від довжини хвилі при чотирьох різних температурах. [6]

При високій температурі Германій оптичної якості має надмірне поглинання унаслідок кількості дірок, що термічно генеруються. Як видно з графіка, зростання поглинання стає істотним при температурах більше 45°С.

Поглинання на вільних носіїв (в електронах і дірках) і гратчасте поглинання (фононне) є причиною поглинання в оптичному ІЧ-діапазоні. Дірки в германії поглинають більше енергії, ніж електрони в цьому діапазоні [5]. Для практично електрично нейтрального германію добуток числа дірок та числа електронів є постійним. Число дірок може бути зменшене за рахунок збільшення числа електронів шляхом додавання атомів V групи в германій.

Таким чином, зменшується опір. Надмірне додавання донорів веде до надмірної концентрації електронів і підвищеного поглинання.

Рис. 1.12 Залежність поглинання вільними носіями заряду від довжини хвилі при різних рівнях легування. n-Ge. T = 300 K. Концентрація електронів:

) ;

) ;

) ;

) ;

)  [9]

2. Технологічні умови вирощування германію методом Чохральського

Із наявних методів вирощування монокристалів, метод Чохральського є найкращим. Основні його переваги: простота технічного устаткування, відносно висока якість вихідного продукту. Завдяки цим якостям метод Чохральського використовується виробництві у промислових масштабах.

Вирощують монокристалічні злитки по методу Чохральського, для чого германій завантажують у графітовий тигель і нагрівають у вакуумі до температури, при якій він переходить у розплав за температури, близької до температури кристалізації германію (~1210 К). Потім у тигель до зіткнення з поверхнею розплаву опускають запал (стрижень) з монокристалічного германію й після невеликої витримки в розплаві починають її повільно піднімати з розплаву, одночасно обертаючи (подано на рис.2.1) [12].

У міру підйому на торцевій поверхні запалу кристалізується шар розплаву, на якому у свою чергу кристалізується новий шар розплаву. У такий спосіб створюється злиток германію з монокристалічною структурою. Кристалічна структура вирощеного злитка повторює структуру запалу.

Розплав германію у тиглі з графіту нагрівається і підтримується при певній температурі за допомогою високочастотного індуктора, що контролюється термопарою. Тримач затравки спочатку опускається. Затравка (Рис. 2.2.) заглиблюється в розплав і трохи оплавляється. Це потрібно для того, щоб видалити з поверхні затравки оксидні плівочки і досягти повного змочування її розплавом. При цій операції температура розплаву підтримується трохи вищою, ніж та, при якій відбувається вирощування. Після створення хорошого і повного контакту між затравкою і розплавом приводять в дію механізм підйому кристалу.

Рис. 2.2 Затравка, яку використовують для витягування монокристалів за методом Чохральського. На одному кінці видно виступ, яким вона кріпиться до тримача (crystal puller) [11].

Орієнтована монокристалічна затравка (напрямок росту збігається з напрямком <111>) опускається зверху в розплав, який знаходиться в графітовому тиглі [1]. Монокристали, з яких вирізаються затравки, не повинні мати високу концентрацію дислокацій, малокутових границь i скупчень дислокацій, а питомий oпip затравки не повинен бути нижче питомого опору кристала, що витягується. Перед загрузкою германій травлять в 10% -му розчині перекису водню для очистки від забруднень i оксидної плівки. Вакуумний ковпак установки опускається й проводиться викачка до тиску менше 10³ мм. рт. ст., після чого робочу камеру заловить аргоном.

Після розплавлення германію вмикається обертання тигля, швидкість обертання зазвичай знаходиться в межах 6-18 об/хв., швидкість підйому затравки 1-2 мм/хв. До вирошування монокристалу затравка опускається в розплав на 1-2 мм., підплавлюється i після встановлення режиму кристалізації вмикається механізм підйому затравки [12]. Температура, розплаву підтримується дещо вищою за температуру плавления, що приводить до підплавлення нижньої частини затравки, шо дотикається до розплаву. Зниження температури розплаву i підняття затравки призводять до росту з розплаву монокристала, причому кристал "виводиться на діаметр" i надалі температурний режим повинен забезпечувати piст кристала сталого діаметра. Переріз затравки становить 1-2 мм², а переріз монокристала германію приблизно 1000 мм² (діаметр 30-35 мм²). За характером розподілу домішок процес витягування з розплаву цілком аналогічний процесу напрямленої кристалізації. Основна частина домішок (К<1) концентрується в нижній частині монокристала. Велике значення для отримання piвномірного розподілу домішок по довжині кристала з досконалою структурою має форма фронту кристалізації - поверхні розділу між розплавом i кристалом, що росте [1]. Як опуклий, так i увігнутий фронт кристалізації в значній мірі погіршують структуру кристала. Отриманий монокристал має форму циліндра, але не з плоско паралельними гранями: на початковій стадії кристалізації відбувається збільшення діаметру зливка, а на кінцевій - зменшення. Тому дані області мають конусоїдальну форму. Дана область є багатою на дефекти, тому в подальшому виробництві вона не використовується.

Рис. 2.3 Монокристалічний зливок германію отриманий методом Чохральського. [11]

3. Практичні застосування германію в електроніці і радіотехніці

У радіотехніці, германієві транзистор <#"809770.files/image030.gif"> і , прилади з підвищеною радіаційною стабільністю, ядерні детектори із швидкістю рахунку в кілька разів вище, ніж кремнієві, гетеро-біполярні транзистори, гетеро-CMOS елементи і т.д.

Прилади, засновані на кремній-германієвих сплавах, обіцяють революцію у області мережевих, обчислювальних, космічних технологій.

Гетеро-біполярні транзистори здатні працювати на частотах до 200 ГГц, мають низький рівень шумів і при цьому досить технологічні у виготовленні. Фірми IBM, Daimler-Benz Research Laboratories, вже продемонстрували польові транзистори, що працюють на частотах до 85 ГГц. Їх робочі частоти можуть перевищити 200 ГГц (при довжині каналу менше 100 нанометрів).

Сам собою напрошується висновок, що в недалекому майбутньому SiGe може витіснити як AIIIBV, так і високощільні кремнієві технології і частково зайняти нішу силової средньочастотної кремнієвої електроніки.

Теллурид Германію застосовується як стабільний термоелектричний матеріал і компонент термоелектричних сплавів <#"809770.files/image033.gif">) - його високий показник заломлення і низька оптична дисперсія. Ці властивості знаходять застосування у виготовленні ширококутних об'єктивів камер, мікроскопії, і виробництві оптичного волокна. Тетрахлорид германію використовується у виробництві оптоволокна, оскільки утворений в процесі розкладання цього з'єднання діоксид германію зручний для даного застосування завдяки своєму високому показнику заломлення і низькому оптичному розсіюванню і поглинанню.

Сплав GeSbTe використовується при виробництві DVD, що можуть перезаписувати інформацію. Сутність перезапису полягає у зміні оптичних властивостей цього з'єднання при фазовому переході під дією лазерного випромінювання.

4. Висновки та постановка задачі

Властивості германію, як одного з провідних матеріалів електронної промисловості, є добре вивченими. Це дає змогу теоретично описати властивості отриманих напівпровідникових матеріалів. Або, навпаки, теоретично описати процеси виробництва для отримання матеріалу із заданими властивостями.

Фізико-хімічні властивості описують загальні властивості даного елементу. З них можна отримати інформацію щодо поширення германію в природі (зазвичай речовини з наближеними характеристиками мають однакове поширення), передбачити та описати процеси очищення та отримання чистої речовини.

Електрофізичні властивості германію визначають його місце в електроніці: відносно невелика ширина забороненої зони, велика рухливість носіїв зарядів, залежність цих величин від температури та від введення домішок. Дані характеристики дають змогу застосувати германій в електронних приладах з потрібними властивостями.

Оптичні властивості вказують на те, що германієві кристали можна використовувати в як вікна в лазерній техніці, фотоперетворювачах.

Процеси очищення та отримання германію є давно відомими та досконалими. Метод Чохральського дає змогу отримати найякісніші монокристалічні зливки: менша кількість дефектів, великі розміри монокристалів і також отримання рівномірно легованих зливків. Методи отримання, що побудовані на фізико-хімічних властивостях показують, що германієві монокристали можна досить просто отримати (простіше устаткування, менші енергозатрати та затрати сировини), порівняно з елементами, що мають подібні електрофізичні властивості та оптичні властивості.

Постановка задачі

Задача даної роботи полягає в оптимізації процесу вирощування монокристалічного германію із заданими властивостями. Тобто, знайти необхідні параметри процесів. Для якнайкращого результату потрібно виконати таку задачу: зменшення енергозатрат, зменшення відходів даних процесів за рахунок браку та зменшення затрат сировини.

Основні властивості монокристалічних зливків. Шляхи їх вдосконалення та контролювання:

. Розміри монокристалічного зливку - встановлюються попередньо, оскільки даний зливок використовується в подальших виробництвах електронних приладів, процеси виробництва яких настроєні на монокристали певного розміру.

. Розміри тиглів, об’єм та маса розплаву - впливають на вихідний продукт. Розміри тиглів мають бути значно більшими за розміри зливку, тобто монокристал повинен рости у відносно великому об’ємі рідини.

. Маса домішок - потрібні розрахунки для економного використання сировини та отримання монокристалу із заданою концентрацією донорів чи акцепторів, враховуючи властивості переходу з рідини в тверду фазу.

. Маса лігатури - можливість введення домішки не в чистому вигляді, а з деякою кількістю основного матеріалу (Ge) з відносно високим ступенем легування.

. Швидкість кристалізації, швидкість обертання, ефективний коефіцієнт розподілу - ці взаємозв’язані характеристики впливають на розподіл домішки в отриманому зливку.

Задані властивості монокристалу Германію:

Основна речовина: германій (Ge);

Діаметр зливку:  (см);

Маса зливку:  (г);

Донорна домішка: Фосфор (Р);

Акцепторна домішка: Галій (Ga);

Концентрація домішок в монокристалічному зливку:

Акцептор: ~

Донор: ~

Список табличних значень, що використовуються в розрахунках:

Рухливість електронів чистого германію:  (см² /В. с);

Рухливість дірок чистого германію:  (см² /В. с);

Питомий опір чистого германію:  (Ом. см);

Молярна маса Фосфорy: ;

Молярна маса Галію: ;

Стала Авогадро: ;

Елементарний заряд:  (Кл);

Коефцієнт сегрегації Фосфорy: ;

Коефцієнт сегрегаці Галію: ;

Густина розплаву германію: ;

Кінематична в’язкість розплаву германію:  (см²/с);

Коефіцієнт дифузії Фосфорy в германії:  (см²/с);

Коефіцієнт дифузії Галію в германії:  (см²/с);

ІІ. Оптимізація технологічних процесів росту монокристалів германію із заданими властивостями

1. Розрахунок концентрації власних носіїв заряду:

=2.29* () (2.1)

. Розрахунок концентрації носіїв заряду легованого окремо акцептором і донором (вважаємо, що кожний атом донорної домішки дасть один електрон, а акцепторної - одну дірку):

=  () (2.2)

 =  () (2.3)

. Розміри тигля. Для якісних монокристалів необхідно, щоб кристал ріс у відносно великому об’ємі рідини [14]. Допустимі значення для монокристала:

= 2.5 - 3.5; = 0.5 - 1; (2.4)

Де  - діаметр зливку;  - діаметр тигля;  - висота активної області тигля;

Для подальших розрахунків було взято такі параметри:

= 3; = 0.5; (2.5)

 (см); (2.6)

 (см); (2.7)

. Виходячи з вибраних параметрів, обчислюється об’єм та маса розплаву Ge:

= 2911.814 (); (2.8)

= 16218.807 (г); (2.9)

. Кількість домішки в розплаві не рівна кількості її в твердій фазі - це залежить від коефіцієнту сегрегації [13]. Маса домішок P i Ge в розплаві Ge визначаються за такими формулами і мають такі значення:

= 0.388 (г); (2.10)

= 0.187 (г); (2.11)

Відповідно, концентрації даних домішок в розплаві мають такі значення:

 (); (2.12)

. Дані домішки можна ввести і не в чистому вигляді. Тобто, щоб отримати даний розплав, можна ввести чистий германій, додавши високолегований акцептором та окремо високолегований донором германій. Формули для мас даних високолегованих матеріалів мають вигляд [14]:

; (2.14)

; (2.15)

В нашому випадку, для отримання монокристалу із заданою концентрацією In ( i Sb можна отримати такі залежності, що показані на Рис.2.1 та Рис.2.2.

Рис. 2.1 Залежність маси лігатури (високолегованого Ge) від концентрації Галію Ga.

Рис. 2.2 Залежність маси лігатури (високолегованого Ge) від концентрації Фосфуру

. Маючи діаметр та масу потрібного зливку, можна визначити його довжину:

 = 17.313 (см); (2.16)

. Для ефективного коефіцієнту розподілу домішки ми маємо такі залежності:

 (2.17)

 (2.18) де

,

 - товщини дифузійних шарів [15].

Звідси випливає, що даний коефіцієнт залежить від швидкості кристалізації:

Рис. 2.3 Залежності ефективних коефіцієнтів розподілу Індію та Стибію від швидкості кристалізації за сталої частоти обертання зливку.

Також даний коефіцієнт обертання залежить від частоти обертання зливку, хоча подальші розрахунки будуть для сталої частоти ( (1/с)), що є оптимальною для даних процесів [13].

. Поділимо зливок на 10 частин по довжині зливка. Тоді величина g набуватиме дискретних значень: g=0.1, 0.2,0.3.0.9,1.

Тоді концентрацію домішок в даних точках можна визначити за такими формулами:

 (2.19)

 (2.20)

Дані теоретичні розрахунки справедливі тільки до значення g=0.7, оскільки при більших значеннях g, значення концентрацій домішок різко збільшуються й прямують до нескінченності в околі точки g=1, що суперечить фізичному змісту [15].

У виробництві зазвичай кінець кристалу відправляють на переробку через різкі зміни в величинах концентрацій та неконтрольованість даного параметру.

Отже, задача полягає в знаходженні швидкостей кристалізації, при яких почне виконуватись умова щодо концентрацій домішок в заданому діапазоні по довжині монокристалічного зливку до значення g=0.7 - 0.8 [14].

За допомогою наближених методів (метод послідовних наближень,ітерацій) була отримана залежність швидкостей кристалізації (Рис. 2.5), при якій починає виконуватись вищезгадана умова.

Рис. 2.5 Залежність швидкості кристалізації від положення фронту кристалізації.

Підставляючи  в (2.19) та (2.20) ми отримаємо такий розподіл домішок по заданому відрізку - 0-0.8 :

Рис. 2.6 Розподіл концентрації домішок Індію та Стибію по довжині зливка.

Значення концентрацій домішок різко збільшуються й прямують до нескінченності в околі точки g>0.8. Вони відкидаються як такі, що не несуть фізичного змісту.

Дана умова (концентрація донора і акцептора) виконуватиметься і при менших швидкостях кристалізації, але тоді ефективність виробництва зменшиться за рахунок повільного росту кристалу. До того ж, ці малі швидкості важче контролювати.

Висновок

Для якісних монокристалів необхідно, щоб кристал ріс у відносно великому об’ємі рідини. Умова (2.4) та розрахунки (2.5) - (2.7) дають оптимальні розміри тигля, а відповідно (2.8) - (2.9) - оптимальну кількісну характеристику розплаву германію.

Поставлена задача є досить складною, бо германій має бути легованим двома домішками (донор та акцептор) з однаковою концентрацією. Тобто нам потрібно врахувати властивості взаємодії з германієм двох речовин (домішок) та оптимізувати процес так, щоб якнайбільша частина вихідного кристалу була якісною, тобто, щоб відповідала вимогам, щодо концентрації. Розрахунки (2.9) та (2.10) показують вплив вищезазначеної властивості: до розплаву германію потрібно дати більше домішки з меншим коефіцієнтом сегрегації, а більшим коефіцієнтом - менше. Маси домішок обернено пропорційні їх коефіцієнтам сегрегації, тому дана різниця позначається в масі домішок, які потрібно ввести для досягнення однакових концентрацій в твердому зливку.

Але на якість напівпровідника впливає не тільки процес підготовлення розплаву, а й процес витягування монокристалу з розплаву. Тому потрібно враховувати швидкість кристалізації (рівна швидкості витягування), частоту обертання зливку. Дані величини впливають на ефективний коефіцієнт розподілу, що відповідає за розподіл домішки в середині вихідного продукту (зливку). Дані розрахунки є складними, оскільки ефективний коефіцієнт розподілу залежить від коефіцієнту сегрегації і є функцією від швидкості кристалізації та частоти обертання зливку - (2.17), (2.18). Тому дані параметри потрібно вибирати так, щоб вони частково задовольняли вимоги щодо двох домішок (2.23),. Задача вже полягає в тому, що при попередній умові щодо однакової концентрації акцептора і донора, зробити монокристал, по довжині якого якнайбільше зберігався і збігався порядок у величині їх концентрацій.

Ширина забороненої зони в германії визначається енергетичною щілиною в забороненій зоні між мінімумом у краю зони провідності в напрямі [111] і максимумом валентної зони в крапці [000].

Незважаючи на вищезазначені проблеми, дані розрахунки показали, що за відповідних встановлених параметрах швидкості та частоти обертання, 70% кристалу відповідають умові по розподілу концентрацій домішок (Рис. 2.6.).

Германій був витіснений кремнієм, за рахунок наявності великої сировинної бази. Але останній є дешевшим і кращим як підкладочний матеріал у виробництві мікросхемо техніки. Але вище наведені властивості германієвих монокристалів залишають його на провідному місці в опто - та НВЧ електротехніці.

Список використаної літератури

© 2003 - 2022 «Библиофонд»

Обратная связь

Пользовательское соглашение

Политика конфиденциальности

Полная версия

Помощь по учебным работам

Консультация по курсовой работе

Консультация по дипломной работе ВКР

Консультация по реферату

Консультация по отчетам о практике