Сущность эпитаксиальной технологии. Дистилляция. Ректификация

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Под эпитаксиальными системами понимаются тонкие многослойные полупроводниковые структуры (так называемые гетероструктуры или наноструктуры), нанесенные с помощью специальной технологии на твердую монокристаллическую подложку. Прогресс современной электроники и компьютерной техники, полностью базирующихся на полупроводниковых материалах, идет в направлении уменьшения размеров электронных систем, увеличения быстродействия и сокращения энергопотребления. С этой точки зрения, эпитаксиальные системы, характеристические размеры которых лежат в нанометровом диапазоне, являются предельно перспективными. Приборы, созданные на основе гетероструктур (сверхскоростные транзисторы, гетеролазеры, светодиоды), уже получили широчайшее применение в оптических линиях связи, в системах записи и считывания компьютерной информации и др.

Перегонка, или дистилляция – процесс разделения жидких смесей на отличающиеся по составу фракции.

Ректификация (от позднелат. rectificatio - выпрямление, исправление), разделение жидких смесей на практически чистые компоненты, отличающиеся т-рами кипения, путем многократных испарения жидкости и конденсации паров. В этом осн. отличие ректификации от дистилляции, при к-рой в результате однократного цикла частичное испарение - конденсация достигается лишь предварительное (грубое) разделение жидких смесей.

Метод Киропулоса был разработан в 1926-1930 годы. 

Суть метода: рост монокристаллов за счет плавного понижения температуры. Температуры понижаются в расплаве, и изменяется теплоотвод от кристалла за счет охлаждающего затравочного кристалла.

 

Вначале метод применялся для роста щелочных и щелочноземельных металлов, но после этим методом успешно выращивают синтетические сапфиры. 

Описание роста монокристаллов по методу Киропулоса:

Шихта расплавляется в тигле до определенных температур, выше температур плавления и после в расплав вводится охлаждаемая затравка (холодильник). Расплав медленно охлаждается и затем затравка продувалась холодным газом. В результате чего на концах охлаждаемой затравки начинается кристаллизоваться монокристалл. Кристаллизация происходит в расплаве, но монокристалл медленно вытягивают из расплава по мере уменьшения объема расплава. Рост обычно происходит в вакууме. В результате получаются чистые монокристаллы сапфира, применяемые в оптике, медицине, лазерах и других отраслях промышленности. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 СУЩНОСТЬ ЭПИТАКСИАЛЬНОЙ ТЕХНОЛОГИИ. ДИСТИЛЯЦИЯ. РЕКТИФИКАЦИЯ

 

1.1 Эпитаксиальные гетероструктуры – свойства и применения

 

Под словом эпитаксия, образованном из греческих слов epi (на) и taxis (порядок), понимается управляемое выращивание тонких слоев с упорядоченной структурой на плоской монокристаллической подложке. Существенно, что кристаллическая структура эпитаксиальных слоев воспроизводит структуру подложки. Химический состав эпитаксиального слоя и подложки может различаться, но непременным условием эпитаксиального роста является близость значений постоянной решетки. Эптаксиальные структуры отличаются следующими характерными свойствами:

1. По уровню структурного  совершенства, отсутствию дефектов  и примесей, эпитаксиальные слои  значительно превосходят объемные  материалы ( в том числе и материал подложки).

2. Химический состав выращиваемых  слоев может управляемым образом  меняться (как ступенчато, так и  плавно), что позволяет получать  материалы с заранее заданными  свойствами. Технология предполагает также возможность управляемого легирования слоев непосредственно в процессе роста.

3. Эпитаксия позволяет  выращивать чередующиеся слои  различного состава, причем, благодаря  наличию атомно-резких границ, толщины  слоев могут уменьшаться вплоть  до атомных размеров. Выращенные  таким образом структуры (квантовые  ямы, сверхрешетки) приобретают уникальные  физические свойства, отсутствующие  у объемных материалов.

4. Качество поверхности  эпитаксиального слоя значительно  превосходит качество исходной  поверхности подложки. Это позволяет  создавать структуры с почти атомарно плоскими гетерограницами.

Благодаря этим особенностям, эпитаксиальные гетероструктуры приобретают следующие уникальные электрические и оптические свойства:

1. Высокое структурное  совершенство эпитаксиальных слоев  позволяет значительно снизить  рассеяние свободных носителей  и увеличить, тем самым, электрическую  подвижность в материале.

2. Из-за крайне малого  количества дефектов и примесей, являющихся ловушками для электронов  дырок и экситонов, эпитакси альные структуры отличаются высоким квантовым выходом люминесценции, что резко повышает эффективность работы гетеролазеров и светодиодов, созданных на их основе.

3. Энергетическая структура  тонких эпитаксиальных слоев  во многом определяется эффектом  размерного квантования, что позволяет, изменяя толщину слоев, направленным  образом изменять их оптические  характеристики.

4. Полупроводниковые эпитаксиальные  гетероструктуры характеризуются  исключительно быстрой электрической  и оптической динамикой, что крайне  важно для создания сверхскоростных  электронных и вычислительных  устройств.

Примером эффективного применения эпитаксиальных структур в электронике является высокоскоростной полевой транзистор (HEMT). В таком транзисторе ток течет в плоскости эпитаксиального слоя, и предельная частота переключения транзистора определяется скоростью протекания тока, т.е. подвижностью носителей. Как отмечалось выше, современная эпитаксиальная технология позволяет выращивать слои с крайне низкой концентрацией дефектов, способных рассеивать движущиеся носители. При этом основную роль рассеивателя начинает играть легирующая примесь, поставляющая носители в слой. Для того, чтобы избежать такого рассеяния, легируется не непосредственно проводящий слой, а соседние слои, характеризующиеся большей шириной запрещенной зоны (барьерные слои). Свободные носители, теряя энергию, уходят из легированного барьерного слоя в проводящий, не содержащий примесей, и с большой скоростью распространяются по нему.

Примерами оптических и оптоэлектронных приборов, созданных на основе эпитаксиальных гетероструктур, являются полупроводниковый светодиод и гетеролазер. Светодиод представляет собой p-n переход , в котором носители разных знаков изначально пространственно разделены. При протекании тока через p-n переход электроны и дырки оказываются в одной пространственной области и могут рекомбинировать с испусканием кванта света. Высокое качество эпитаксиальных слоев, формирующих p-n переход, позволяет предельно снизить безизлучательные потери и добиться высокой эффективности такого устройства.

Если же на торцах светодиода сделать плоскопараллельные зеркала, т.е. создать резонатор, то прибор превращается в генератор стимулированного излучения – гетеролазер.

 

1.2 Дистилляция

 

Дистилляция (от лат. distillatio - стекание каплями) (перегонка), разделение жидких смесей на отличающиеся по составу фракции. Основана на различии в составах жидкости и образующегося из нее пара. Осуществляется путем частичного испарения жидкости и послед. конденсации пара. Отогнанная фракция (дистиллят) обогащена относительно более летучими (низкокипящими) компонентами, а неотогнанная жидкость (кубовый остаток) - менее летучими (высококипящими). Если из исходной смеси отгоняется не одна фракция, а несколько, дистилляция наз. фракционной (дробной).

Дистилляционная установка состоит из испарителя 1, снабженного теплообменным устройством для подвода к р-ру необходимого кол-ва теплоты; дефлегматора 2 для частичной конденсации пара, выходящего из испарителя (при фракционной дистилляции); конденсатора 3 для сжижения отбираемого пара; холодильника 4; сборников дистиллята 5 и кубового остатка 6 (рис. 1.1). В зависимости от условий процесса различают простую и молекулярную дистилляции.

 

 

Рисунок 1.1 – Дистилляционная установка: 1 - испаритель; 
2 - дефлегматор; 3 - конденсатор; 4 - холодильник;  
5, 6 - сборники соотв. дистиллята и кубового остатка

 

Простая дистилляция. Проводится при таких давлениях, когда длина свободного пробега молекул во много раз меньше, чем расстояние между поверхностями испарения жидкости и конденсации пара. Температура процесса при заданном давлении определяется условиями фазового равновесия между жидкостью и паром. При необходимости снижения температуры применяют дистилляцию под вакуумом, а также с водяным паром или инертным газом (см. ниже). Распределение компонентов смеси между жидкостью и паром характеризуется коэффициент относительной летучести:

aik = (yi/xi):(yk/xk),     (1)

где хi и xk, уi и yk - содержания компонентов i и k соотв. в жидкости и образующемся из нее паре. Состав последнего определяется св-вами и межмолекулярным взаимод. компонентов. При небольших давлениях, когда пар с достаточной для практич. целей точностью подчиняется законам идеальных газов, в состоянии равновесия

aik = (pi0/pk0) (gi/gk),     (2)

где pi0 и pk0 - давления паров чистых компонентов i и k при т-ре кипения смеси, gi и gk - коэф. активности этих компонентов в жидкой фазе. При высоких давлениях учитывается неидеальность пара. Дистилляция осуществляется периодически (исходная смесь загружается в аппарат однократно или подается в него в течение определенного времени, дистиллят отбирается в ходе процесса, а кубовый остаток выгружается после его завершения) или путем непрерывных подачи исходной смеси и отбора продуктов разделения (дистиллята и кубового остатка). Взаимосвязь кол-ва W0и и расхода Wн исходной смеси, расхода отводимого в конденсатор пара G, кол-в дистиллята Wд и кубового остатка Wк, а также содержаний произвольного i-го компонента в исходной смеси xiи, дистилляте хiд и кубовом остатке хiк выражается ур-ниями материального баланса. При постоянном Wн/G = Y

При однократной загрузке смеси (Y = 0) кол-во жидкости в аппарате изменяется от W0н до Wк, и ур-ние (3) приводится к ур-нию Рэлея:

При непрерывной дистилляции расходы и составы исходной смеси и продуктов разделения связаны след. ур-ниями:

Wи = Wк + Wд; Wиxiн = Wкxiк + Wдxiд .   (5)

При расчете дистилляции всегда бывают заданы кол-во (или расход) исходной смеси, ее состав, а также условия, определяющие конечный результат процесса. В соответствии с его назначением м. б. заданы кол-во (или расход) кубового остатка (искомые величины - Wд, xiд и xiк), состав дистиллята xiд (хiк, Wд и Wк) либо кубового остатка xiк ( Wд, Wк и xiд). Неизвестные параметры рассчитывают совместным решением ур-ний материального баланса с учетом зависимости между составами контактируемых пара (yi) и жидкости (xi). Эта зависимость определяется св-вами смесей, условиями процесса и его аппаратурным оформлением. Аппараты, применяемые для дистилляции, делят на емкостные и пленочные. В емкостных аппаратах находится большой объем жидкости, интенсивно перемешиваемой в результате кипения.

 

1.3 Ректификация

 

Ректификация (от позднелат. rectificatio - выпрямление, исправление), разделение жидких смесей на практически чистые компоненты, отличающиеся т-рами кипения, путем многократных испарения жидкости и конденсации паров. В этом осн. отличие ректификации от дистилляции, при к-рой в результате однократного цикла частичное испарение -конденсация достигается лишь предварительное (грубое) разделение жидких смесей.

Для ректификации обычно используют колонные аппараты (см., напр., Насадочные аппараты, Тарельчатые аппараты), наз. ректификационными колоннами, в к-рых осуществляется многократный контакт между потоками паровой и жидкой фаз. Движущая сила ректификации-разность между фактическими (рабочими) и равновесными концентрациями компонентов в паровой фазе, отвечающими данному составу жидкой фазы. Парожидкостная система стремится к достижению равновесного состояния, в результате чего пар при контакте с жидкостью обогащается легколетучими (низко-кипящими) компонентами (ЛЛК), а жидкость - труднолетучими (высококипящими) компонентами (ТЛК). Поскольку жидкость и пар движутся, как правило, противотоком (пар-вверх, жидкость - вниз), при достаточно большой, высоте колонны в ее верх. части можно получить практически чистый целевой компонент.

В зависимости от т-р кипения разделяемых жидкостей ректификацию проводят под разл. давлением атмосферным (т. кип. 30-150 °С), выше атмосферного (при разделении жидкостей с низкими т-рами кипения, напр. сжиженных газов), в вакууме (при разделении высококипящих жидкостей для снижения их т-р кипения). Ректификацию можно осуществлять непрерывно или периодически. Для непрерывной ректификации применяют колонны, состоящие из двух ступеней верхней-укрепляющей (в ней пар укрепляется, т.е. обогащается ЛЛК) и нижней - исчерпывающей (где происходит исчерпывание жидкой смеси, т. е. извлечение ЛЛК и обогащение ее ТЛК). При периодической ректификации в колонне производится только укрепление пара. Различают ректификацию бинарных (двухкомпонентных) и многокомпонентных смесей.

 

Рис. 1.2 – Ректификационная установка непрерывного действия: 1 -куб-испаритель; 2-колонна; 3-дефлегматор

 

 

 

Рис. 1.3 – Графическое определение числа теоре-тич. тарелок; ОE-равновесная кривая; АВ и ВС- рабочие линия для укрепляющей в исчерпывающей частей колонны; 1-6-тарелки

 

 

Рис. 1.4 – Положение рабочих линий непрерывной ректификации на у-х-диаграмме

 

1.3.1 Ректификация бинарных смесей