14 сентября 2008
3368

Александр Асеев: Достижения и современные проблемы физики полупроводников (Часть десятая)

Лекция Асеева Александра Леонидовича
Директор института физики полупроводников. Чл.-корр. РАН.

Часть десятая С распадом Советского Союза Россия оказалась без кремния, потому что кремний и исходное сырьё для него производились на Украине. Наш институт взялся за то, чтобы восполнить эту нишу. Тут довольно долгая история. Экономическая мотивация связана с тем, что Сибирь, а именно Иркутский и Братский алюминиевые заводы, которые посажены на клеммы электростанции на Ангаре, соответственно в Шелехове и Братске, являются не только крупнейшими производителями алюминия, как вы знаете из газет, об этом много пишут, но, кроме того, там производится металлургический (или технический) кремний. Объём производства составляет 70 тыс. тонн в год. Поскольку этот кремний имеет низкую степень очистки, он продается в основном за рубеж по цене 1,5-2 доллара за килограмм и этот яркий случай, который характеризует нашу Сибирь, как сырьевой придаток более развитых стран. Дело в том, что этот технический кремний, который содержит примеси на уровне сотых долей процента не является полупроводниковым, он обладает металлическим типом проводимости, на нём невозможно создать ни p-n переходы, ни наноструктуры или гетеропереходы, он годится только как добавка в металлургической промышленности и т. д. Но за рубежом этот кремний очищают с помощью т. н. хлорсиланового передела и получают поликремний, который служит исходным сырьём для получения монокристаллического кремния полупроводникового качества. Цена кремния при этом вырастает почти на два порядка. Поликремний стоит 50-100 долларов. А монокремний, который из него вырабатывают он стоит ещё дороже 200-400 долларов за килограмм. Почти три порядка разницы — это то, что мы теряем, продавая технический кремний. В Институте в последние годы поставлена технология получения бестигельного зонно-плавленного кремния. Обычно монокристаллический кремний выращивается по методу Чохральского в кварцевых тиглях из расплава при большой температуре. В такого рода кристаллах содержится кислород, углерод, а применение бестигельного роста означает рекорд чистоты, потому что нет никаких тиглей — всё происходит в вакууме или в атмосфере инертного газа.
Растущий кристалл монокристаллического кремния.
Растущий кристалл монокристаллического кремния.
На иллюстрации показан вид на растущий кристалл снаружи через смотровое окно установки для роста. Температура плавления кремния, как известно, 1412 градусов Цельсия. Виден исходный стержень поликремния, расплавленная зона (область белого цвета) и красивый слиток растущего монокремния. С помощью этого процесса получается значительный выигрыш в цене и продукт получается уникальным, высокотехнологичным. Даже на т. н. свободном рынке он строго лимитирован и купить его так просто не удаётся, т. е. это стратегически важный продукт. На фотографии представлено типичное изображение такого рода кристалла. Уникальность этих слитков состоит в том, что это фактически одна гигантская молекула длиной 1 метр и диаметром 10 сантиметров с абсолютно совершенной кристаллографической структурой. Как вы знаете все уникальные свойства полупроводников связаны с тем, что атомы должны быть упакованы абсолютно строго. Сам по себе этот кремний тоже промежуточный продукт — следующие переделы, т.е. создание структур и устройств на его основе, ведут тоже в выигрыше в цене на порядок. Такого рода работы в Институте тоже ведутся на базе этого уникального кремния. Первое, что делается это приборы для силовой электроники — помните это одна из ветвей на "дереве полупроводниковой электроники" — приборы нового поколения. Здесь повышенная чистота и совершенство полупроводникового кремния нужны для того, чтобы кристалл выдерживал высокое напряжение (киловольты) и большой ток (килоамперы) без пробоя по каким-либо неоднородностям. Как мы знаем высокое напряжение сильно бьёт.
Высоковольтные N-МОП тиристоры.
Высоковольтные N-МОП тиристоры.
На иллюстрации показано, как на такого рода кристаллах чистого кремния методами технологии микроэлектроники создают массивы синхронно работающих транзисторов, которые переводят пластину кремния из проводящего состояния в непроводящее и наоборот. Интерес к такого рода приборам очень велик. Это связано с потерей примерно 15-20% электроэнергии, которая вырабатывается
Тестовые КНИ-МОП транзисторы и КНИ-МОП ИС.
Тестовые КНИ-МОП транзисторы и КНИ-МОП ИС.
электростанциями — это вообще проблема мировая, она существует и высокоразвитых странах, таких как Штаты. В качестве простого примера потерь электроэнергии приведу самую простую электрическую систему: вентилятор, управляемый электродвигателем, и заслонку для потока воздуха. Когда вам жарко или холодно вы открываете или закрываете заслонку, а двигатель всё время крутится, теряя драгоценную энергию. В отличие от этой системы можно предложить более экономную, когда полупроводниковые приборы обеспечивают интеллектуальную связь между двигателем и средой, т. е. есть имеется датчик, который контролирует температуру и в соответствии с ней силовой привод увеличивает или уменьшает обороты двигателя. В этом случае реализуется система энергосбережения. В развитых странах на самом высоком уровне идёт дискуссия, что лучше: делать новую теплоэлектростанцию либо атомную, наносящими ущерб экологии, либо вложить деньги в энергосберегающие технологии, в частности, те, которые основаны на кремнии, это тоже те направления, которыми мы занимаемся. Второе направление связано с тем, что подложки кремния имеют ощутимую толщину, около 0,5 мм, чтобы можно было за нее браться, робот мог бы захватить. Но на самом деле при переходе к наноразмерам и к наноэлектронике подложка вообще не нужна, нужен очень тонкий слой кремния порядка 100 ангстрем. Один из путей состоит в том, чтобы перейти на так называемый отсечённый слои кремния. На такого рода структурах создаются транзисторные структуры и логические элементы. Как это выглядит показано на иллюстрации: на заднем плане показана топология, создаваемая методами фотолитографии — видны отдельные транзисторы, переключающие элементы, охранные кольца и т. д. Эти элементы имеют характеристики, которые соответствуют тем, что делаются на объёмном кристалле кремния, и это тоже одно из направлений, которому мы уделяем большое внимание.
http://psj.nsu.ru/lector/aseev/partten.html

Рейтинг всех персональных страниц

Избранные публикации

Как стать нашим автором?
Прислать нам свою биографию или статью

Присылайте нам любой материал и, если он не содержит сведений запрещенных к публикации
в СМИ законом и соответствует политике нашего портала, он будет опубликован