Технология получения монокристаллического слитка InP n-типа

 

Учреждение  образования «БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

Факультет ХТиТ

Кафедра Х,ТЭХПиМЭТ

Специальность 1–48 01 01 13  

Специализация 1-48.01.01.13 Химическая технология квантовой и твердотельной электроники

 

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

КУРСОВОЙ  РАБОТЫ

по дисциплине Технология производства полупроводниковых материалов

Тема Технология получения монокристаллического слитка InP n-типа

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Исполнитель

Студентка  4 курса группы 10 _________          Злобина С.К.

подпись, дата   инициалы и фамилия

 

Руководитель 

доцент                                          __________  Богомазова Н.В.

должность, ученая степень, ученое звание  подпись, дата   инициалы и фамилия

 

 

 

 

 

 

 

Курсовой проект защищен с оценкой __________

Руководитель _________              Богомазова Н.В.

подпись      инициалы и фамилия

 

 

 

Минск 2013

Содержание

Реферат 4

Введение 5

1 Литературный  обзор 6

1.1 Структура  фосфида индия 6

1.2 Физико-химические  и электрические свойства 7

1.3 Методы  получения поликристаллического  фосфида индия 9

1.3.1 Метод  горизонтальной направленной кристаллизации (ГНК). 9

1.3.2 Метод  горизонтальной зонной плавки (ГЗП) 11

1.3.3 Метод  кристаллизации расплава нестехиометрического  состава в градиенте температуры 12

1.3.4 Синтез  фосфида индия в квазигерметичных  реакторах 13

1.3.5 Совмещенный  процесс 14

1.4 Выращивание  монокристаллов фосфида индия 15

1.4.1 Получение  высокочистых нелегированных монокристаллов  фосфида индия 20

1.4.2 Производство  легированных монокристаллов фосфида  индия 21

1.4.3 Получение  мало- и бездислокационных монокристаллов  фосфида индия 22

2 Инженерные  решения 25

3 Технологический  раздел 28

3.1 Описание  технологической схемы получения  монокристалла InP 28

3.2 Расчет  материального баланса установки  получения монокристалла n-InP 30

3.2.1  Расчёт  времени цикла выращивания монокристалла  InP 30

3.2.2 Расчёт  единичной загрузки 33

3.2.3 Подбор  тигля 37

3.2.4 Расчёт  массы флюса B₂O₃. 38

3.2.5 Расчёт  материального баланса процесса  кристаллизации по основным компонентам. 38

3.2.6 Расчет  распределения примеси по длине  слитка и выхода годного продукта. 41

3.2.7 Расчет  скорости производства и коэффициента  загрузки оборудования 43

3.2.8 Расчет  основных исходных компонентов  на заданную программу выпуска 44

4 Охрана труда  и окружающей среды 47

4.2 Защита  от вредных (ядовитых) веществ 48

4.3 Защита  от электрического тока 50

4.4 Правила  безопасной работы с газами 50

Заключение 52

Список используемых источников 53

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

 

Данная пояснительная  записка содержит  листов 53,  рисунков 9,  литературных источника 14.

 

ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР, ФОСФИД ИНДИЯ, ПОЛУЧЕНИЕ, МЕТОД ЧОХРАЛЬСКОГО, ЛЕГИРОВАНИЕ, ТЕЛУР, МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС

 

             В данной работе произведён обзор научно-технической литературы по выращиванию фосфида индия. В работе выполнены инженерно-технологические расчеты материального баланса установки получения монокристалла InP.

            Разработана технологическая схема выращивания фосфида индия n – типа, содержащего Тe в качестве легирующей примеси.

           Также в разделе инженерных  решений осуществляется обоснование  выбора метода выращивания.

          Произведён подбор основного  оборудования.

 Работа также содержит раздел  по охране труда и окружающей  среды.

 Графическая часть представляет  аппаратурно-технологическую схему  на одном листе формата А1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Целые направления  современной индустрии строятся на достижениях твердотельной СВЧ-электроники, например – сотовая и спутниковая  связь, телевидение и т.п. Все это  – огромные рынки и огромные деньги. Поэтому столь серьезно внимание к проблеме твердотельной СВЧ-электроники  во всем мире. Основными  активными элементами СВЧ ИС в диапазоне  частот от единиц  до сотен ГГц являются полевые транзисторы. Полевые  транзисторы термостабильны,  а  также  имеют  высокие  характеристики  в  СВЧ - диапазоне и более универсальны в части их применения по сравнению с гетеробиполярными транзисторами или различными типами диодов в ряде  частотных диапазонов.

Полевые транзисторы с момента своего появления заняли важное место в  полупроводниковой СВЧ - электронике. Широко используются усилители, генераторы, смесители, переключатели, аттенюаторы, модуляторы и ограничители на основе ПТ, разработаны быстродействующие  интегральные схемы. Основными преимуществами приборов на  InP  являются  более высокая скорость  электронов,  обеспечивающая большое быстродействие,  и хорошие изолирующие свойства подложек, позволяющие уменьшить паразитные емкости и упростить процесс изготовления.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

1

                КР 04 16 06 01 ПЗ

 

 Разраб.

Злобина С.К.

 Провер.

Богомазова Н.В.

 

 Реценз.

 

 Н. Контр.

Богомазова Н.В.

 Утверд.

Черник

 

Литературный обзор

Лит.

Листов

2

БГТУ 4 16 06 06 13

 

1 Литературный обзор

Для получения  полевых транзисторов с высоким КПД, необходимо использовать полупроводник с высокой подвижностью носителей заряда. Как раз такой подвижностью обладает полупроводник InP – 3700 – 4700 см²/В.

Фосфид  индия – монокристаллический  полупроводниковый материал, относящийся  к классу соединений A^IIIB^V. Монокристаллы фосфида индия имеют наибольшие перспективы широкого промышленного производства и применения после арсенида галлия.

 

1.1 Структура фосфида индия

 

Фосфид индия кристаллизуется в решетке цинковой обманки кубического типа (сфалерит). Структура сфалерита может рассматриваться как две кубические гранецентрированные ячейки, вставленные одна в другую, смещенные относительно друг друга на четверть диагонали куба и состоящие из одного сорта атомов каждая. Структура сфалерита имеет симметрию более низкого порядка, чем структура алмаза.

 

Рисунок 1.1. Структура сфалерита: а - шариковая  модель, б – полиэдрическая модель.

 

В решетке такого типа каждый атом элемента In находится в тетраэдрическом окружении четырех атомов P и наоборот. Структура сфалерита в отличие от структуры алмаза не имеет центра симметрии. Эта особенность приводит к различию в свойствах поверхностей (111) и (), целиком сложенных из разноименных атомов. Различное поведение граней (111) и () проявляется при травлении, окислении и при выращивании кристаллов.[2]

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1.2 Симметрия сфалерита в проекции на плоскость (001)

 

Зонная  структура рассматриваемого соединения допускает возможность прямых межзонных переходов носителей заряда: абсолютный минимум зоны проводимости и максимум валентной зоны соответствуют центру зоны Бриллюэна. Для соединения характерно расщепление валентной зоны на несколько подзон, обуславливающих наличие “легких “ и  “тяжелых “ дырок. Ширина запрещенной зоны соединения изменяется с изменением температуры, давления, электрического и магнитного полей, уровня легирования.

 

1.2 Физико-химические и электрические  свойства

 

Для InP характерен особый тип химической связи, называемой донорно-акцепторной. Из четырех ковалентных связей, которыми каждый атом встраивается в решетку, три образуются обобществлением валентных электронов атомов In и P, а четвертая связь осуществляется неподеленной парой валентных электронов атомов P. Образование этой связи соответствует энергетически выгодному переходу электронов от атома P в энергитическое состояние, общее для донора (атомов P) и акцептора (атома In). В каждой ковалентной связи максимум электронной плотности смещен в сторону атома с более высокой электроотрицательностью, т. е. электронные облака стянуты к узлам решетки, где находятся атомы P. Благодаря такой поляризации связей атомы In приобретают некоторый эффективный положительный заряд, а атомы P — отрицательный. Величина этого эффективного заряда определяет степень ионности соединения. Это предопределяет некоторые очень важные полупроводниковые свойства: уменьшение периода кристаллической решетки, возрастание температуры плавления, увеличение ширины запрещенной зоны и подвижности носителей заряда.[1]

Фосфид индия  не растворяется в воде и не травится уксусной кислотой (даже при кипячении), разбавленной (1:1) серной кислотой, едким  натром и азотной кислотой любой  концентрации. При растворении InP в соляной кислоте выделяется токсичный фосфин PН₃.

При нагреве  до 300 С фосфид индия не окисляется; при более высоких температурах он разлагается с выделением фосфора. Расплавленный InP относительно слабо взаимодействует с кварцем. Поэтому всю аппаратуру, применяемую в технологии этих соединений, изготавливают из синтетического кварца.

            Получение фосфида индия и  выращивание его монокристаллов  определяется особенностью диаграммы  состояния. Эта диаграмма имеет  эвтектический характер. Полиморфизма  не наблюдается вплоть до точки  плавления. Эвтектика вырождена  в сторону легкоплавкого компонента.

 

Рисунок 1.3  Диаграмма  состояния In-P

 

Равновесное давление насыщенного пара, состоящего практически из молекул фосфора, растет с повышением температуры  и в точке плавления достигает  значений 10⁶ – 10⁷ Па.

 

Таблица 1.1 Физико-химические и электрические свойства фосфида  индия [7]

Температура плавления	1070 С
Ширина  запрещенной зоны	1,42 эВ при Т = 0 К 1,35 эВ при Т = 300 К.
Переход	прямозонный
Относительная диэлектрическая проницаемость  на низких частотах	12,1
Плотность твердого InP	4,78 г/см3
Плотность жидкого InP	5,15 г/см3
Кинематическая вязкость расплава	2·10-3 см/с
Концентрация  собственных атомов	3,95·1022 ат/см3
Молекулярная масса	145,79 а. е. м.
Давление  паров в точке кипения	3 МПа  по P
Собственная концентрация носителей заряда при 300 К	6,9·107 см-3
Основные примеси доноры	Sn, Ge, Te, S, Se, Si
Основные  примеси акцепторы	Zn, Cd, Be, Cu, Mg

 

InP имеет важное преимущество перед элементарными полупроводниками: при несколько большей ширине запрещенной зоны он имеет существенно большую подвижность носителей - один из важнейших параметров полупроводников. Это явление обусловлено поляризацией кристаллического остова.

Легирование фосфида индия с целью получения  материала заданной проводимости связано  с замещением в подрешетке элемента P или In соответствующей примесью. Так введение в cтруктуру InP элемента II группы (Zn, Cd, Hg), замещающего In, дает акцепторные уровни в запрещенной зоне, и приводит к появлению дырочной проводимости. Хорошими донорными примесями являются элементы VI группы (S, Se, Те), замещающие P, образующие мелкие (0,05 - 0,01 эВ) уровни и приводящие к электронной проводимости кристаллов. Поведение элементов IV группы(Ge, Si, Sn) неоднозначно. Они могут встраиваться как в подрешетку In, так и в подрешетку P, образуя донорные или акцепторные центры соответственно. Тип проводимости легированного материала будет определяться соотношением концентраций этих центров (N_A/N_D). Амфотерность легирования является сложным вопросом и малоизученным. Преобладание того или иного типа центров часто зависит от метода и условий легирования. Установлено, что чаще проявляется донорная природа замещения.[4]

 

1.3 Методы получения поликристаллического  фосфида индия

 

Нелегированный  поликристаллический фосфид индия  получают, в основном, следующими методами: горизонтальной направленной кристаллизацией, горизонтальной зонной плавкой, кристаллизацией  расплавов нестехиометрического состава  в градиенте температуры (так  называемый «синтез с диффузией  через расплав») и синтезом в квазигерметичных реакторах. Поликристаллический фосфид индия применяют в качестве шихты  жидкофазной эпитаксии и в  качестве исходного материала для  получения монокристаллов.[1]

 

1.3.1 Метод горизонтальной направленной  кристаллизации (ГНК).

 

 Синтез  фосфида индия методом ГНК  проводят в автоклаве. В запаянную  кварцевую ампулу (реактор) помещают  лодочку из пиролитического нитрида  бора (ПНБ) или кварца с индием  и красный фосфор. Синтез проводят  при температуре расплава индий - фосфид индия 1070°С и равновесном давлении пара фосфора 27,5 атм (температура участка ампулы, где находился фосфор ~600°С). Лодочку с индием нагревают со скоростью 20-35 град/ч, а фосфор - 10 град/ч. Одновременно повышалось давление инертного газа в автоклаве. Низкие скорости нагрева предотвращают взрыв ампулы при увеличении давления пара фосфора. По окончании реакции температуру горячей зоны (зоны расплава индий - фосфид индия) снижали со скоростью, обеспечивающей кристаллизацию (0,2-0,5 см/ч). Через 170 ч получали слитки фосфида индия массой 110 г. Концентрация основных носителей заряда в таких слитках равна л=(2-5) · (300 К).