Úvod k článku o výrobe polovodičov na báze Gália,
v sedemdesiatich rokoch 20. storočia bola vyvinutá Závode Slovenského národného povstania v Žiari nad Hronom technológia výroby surovín pre polovodiče na báze gália, gálium arzenid a gálium antimonit, výroba týchto komponentov bola zavedená aj do výroby a z týchto surovín sa začali vyrábať rôzne druhy diód, tranzistorov, displayov, lasserov a článkov na premenu svetelnej energie. Výroba bola realizovaná v objektoch Výskumného ústavu ZSNP, v Žarnovici /časť Voznica/. Vedúcim tohoto ústavu bol Ing. Michal Babinský CSc. Zabehnutá výroba bola začiatkom 90. rokov privatizovaná, výroba úspešne pracuje do dnešných čias.
A teraz dôvody prečo tento článok zaraďujem do môjho blogu, v minulom roku dostali za objav polovodičov na báze gália, ktoré vydávajú biele a modré svetlo /základ pre výrobu LED žiaroviek/ Nobelovu cenu japonskí vedci Samu Akasaki, Hiroči Amano a Šuji Nakamura. Gálium arzenid vydáva červené svetlo a tento efekt, okrem iných sa plne využíva. Celý vtip ich objavu je, že vyrobili polovodiče na báze nitridu gália čo je chemicky veľmi podobná zlúčenina, ako gálium arzenid. Konzultoval som tento problém s Ing. Babinským a výsledok bol, že aj oni sa zaoberali vývojom výroby nitridu gália, nedokázali však usmerniť jeho kryštalizáciu tak, aby vznikol homogénny monokryštal, asi to chcelo viac času a finančných prostriedkov na technické vybavenie.
Výroba gália bola do prevádzky uvedená už predtým viac pozri tu
Teraz si dovolím uviesť článok Dušana Mihálika Michala Babinského v Elektrotechnickom časopise, Veda, Vydavateľstvo SAV Bratislava. v roku 1979, samozrejme so súhlasom oboch autorov, a teraz spomínaný článok :
D. Mihálik, M. Babinský
Polovodičové zlúčeniny AIIIBV
nadobudli v posledných rokoch mimoriadny význam pre aplikácie v
optoelektronike a mikrovlnnej technike. Prípravou niektorých materiálov
na báze gália sa zaoberá ZSNP v Žiar nad Hronom. V príspevku sa opisujú
vlastnosti doteraz pripravovaných materiálov. Uvádza sa program výroby
monokryštálov s priemerom nad 40 mm a ich spracovanie
na substrátové dosky.
Úvod
Úspešným vyriešením a zavedením
výroby vysokočistého gália, arzénu a zavedením výroby vysokočistého fosforu,
vytvorili sa v ZSNP predpoklady pre zabezpečenie výroby polovodičových zlúčenín
AIIIBV na báze vyrábaných materiálov pre potreby
československej elektroniky.
Vzhľadom na najširišie využitie v rade
aplikácií zamerala sa pozornosť predovšetkým na prípravu arzenidu galitého. Po
orientačných skúškach prípravy GaAs galitého Czochralského metódou. Použilo sa
laboratórne zariadenie, na tkorm sa pripravovali monokryštály s priemerom 18 -
22 mm, dĺžkou 120 - 150 mm s hmotnosťou
130 - 150 g v orientácii (100). Materiály boli nedotované, dotované telŕom
a poloizolačné, dotované chrómom. Súčasne sa vypracovávala metodika hodnotenia
základných elektrických a štrukturálnych parametrov v spolupráci s EÚ SAV Bratislava
a Tesla VÚST Praha. V priamej nadväznosti sa riešila technológia spracovania na
substrátové dosky, vhodné na následnú prípravu epitaxných vrstiev.
Vlastnosti
technológie prípravy monokryštálov GaAs v orientácii (100)
Podmienky prípravy monokryštalického arzenidu
galitého s parametrami podľa špecifikácie vyrábaných materiálov na zariadení
TF-1 sa opisujú v [1]. Technológia prípravy
monokryštalického GaAs so smerom rastu (100) sa vyznačuje nízkou stabilitou
procesu rastu. Ľahko sa vytvárajú poruchy, resp. polykryštalického útvary.
Všetky zásahy do procesu rastu vyvolávajú zmeny hustoty dislokácií a v menšej
miere zmeny priebehu elektrických parametrov. Pre tento smer rastu nemožno
použiť na zabezpečenie konštantného
priemeru prievlak. Voľbu kryštalografického smeru (100) vyvolala
požiadavka prípravy substrátových dosiek v tejto orientácií, pretože príprava
dosiek z monokryštálov v iných orientáciách je technologicky náročná.
Príprava monokryštálov sa môže
všeobecne vykonávať za rôznych podmienok s následným vplyvom na
elektrické, štrukturálne a geometrické parametre. Aby sa dosiahli požadované
vlastnosti materiálu, treba s prihliadnutím na technologické parametre
zariadenia, dodržať rad pripomienok často protichodných a prípadne voliť
vhodných kompromis.
Na základe meraní fyzikálnych
parametrov na vzorkách z rôznych častí monokryštálu, určili sa podmienky
prípravy tak, aby bolo rozloženie parametrov pozdĺž osi rastu monokryštálu v
predpísaných hraniciach. Priebeh merného odporu, pohyblivosti nosičov náboja a
koncentrácie, ako aj priebeh hustoty dislokácií pozdĺž osi monokryštálu GaAs
dotovaného Te je na obr. 1.
Niektoré vlastnosti pripravovaného GaAs
Pri sledovaní vlastností
pripravovaných materiálov GaAs vychádza sa predovšetkým z výsledkov kontroly
čistoty základných materiálov Ga a As. Analýzy sa vykonávajú hmotnosťou
spektroskopiou a čistota gália sa kontroluje aj stanovovaním pomeru
elektrických odporov monokryštalickej vzorky pri teplote kvapalného He a
teplote 300 K, vo vyjadrení R4,2K/R300 K. 105.
Na stanovenie obsahu a rozloženia
prímesí v monokryštály GaAs (Te) sa použila metóda hmotnostnej spektroskopie.
Analýzy sa robili na hmotnostnom spektrometri s iskrovým zdrojom JMS
-BMO2. Vzorky monokryštálu a zvyšku polykryštalického materiálu po ukončení
ťahania sa pripravili vo forme výrezov vo tvare hranola s rozmermi 2 x 2 x 25
mm, opracovali sa brúsením a pred analýzou oleptali. Výsledky analýz uvádza
tab. 1. Vykonané analýzy dávajú dobrý obraz o rozložení prímesí a poskytujú
významnú informáciu pre charakterizovanie materiálu. Môžu byť aj základným
údajom na určovanie niektorých fyzikálnych parametrov.
Monokryštály GaAs (Te), ktoré sa
pripravili v orientácii (100) na zariadení TF-1, vykazujú v smere pozdĺžnej osi
priebeh koncentrácie nosičov náboja n, pohyblivosti nosičov náboja µ, merného
odporu ϱ a hustoty dislokácií EPD podľa obr. 1. Priebehy sa stanovili meraním
na vzorkách, odoberaných z monokryštálu v rovnakej vzdialenosti pozdĺž osi.
Merania elektrických parametrov vykonali pri 300 K metódou Van der Pauwa.
Priemerná hustota dislokácií sa stanovila po predchádzajúcom zviditeľnení
leptaním v roztavenom KOH [2], počítaním z 10 miest
na povrchu vzorky. Dislokácie sa počítali pomocou kalibrovaného mikroskopu
Vertival.
Zistilo sa, že priebeh elektrických
parametrov je iba v malej miere ovplyvnený zmenami prierezu, ktoré boli
vyvolané zmenami podmienok rastu, hustota dislokácií je však ovplyvnená v
podstatne vyššej miere.
V priebehu vývoja technológie
prípravy monokryštalického GaAs v orientácii (100) overoval sa aj vplyv
teplotného spracovania na mechanické vlastnosti, zlepšenie spracovateľnosti
odstránením mechanických napätí v monokryštály, hustotu dislokácií a elektrické
parametre. Zo súhrnu publikovaných údajov vyplýva, že teplotné spracovanie sa
vykonávalo pri teplotách 200 - 300 °C 10 - 100 hodín alebo pri teplotách
približne 600 °C 10 hodín. Výsledky nemožno celkom dobre porovnať, lebo
podmienky a priebeh teplotného spracovania boli odlišné.
Ukázalo sa, že dodatočné teplotné
spracovanie, podobné, ako sa bežne používa pri kremíku, zlepšuje
spracovateľnosť materiálu. Vplyv teplotného spracovania na hustotu dislokácií
sa prejavuje až pri pomerne vysokých teplotách a dlhom čase spracovania.
K preukázateľnému vplyvu dochádzalo pri teplote 600 °C po dobu nad 70
hodín, keď došlo k vyrovnaniu hustoty dislokácií na ploche vzorky, avšak
nedošlo k zníženiu priemernej hustoty dislokácií. Po teplotnom spracovaní sa
znížila pohyblivosť nosičov náboja asi o 5 %. Overilo sa, že dodatočné teplotné
spracovanie sa dá obísť vhodne vedeným postupom prípravy monokryštálov.
|
Monokryštal gálium arzenidu /vpravo Ing. Dušan Mihálik/ |
Spracovanie monokryštálov
na substrátové dosky
Orientácia monokryštálov pri
spracovaní na substrátové dosky sa vykonáva na zariadení, ktoré pracuje na
princípe optickej metódy pomocou laserového lúča [3]. Zariadenie na to
skonštruované umožňuje orientáciu kryštálu v troch navzájom kolmých smeroch
s fotoelektrickou indikáciou polohy reflexu.
Rezanie monokryštálov na dosky sa
robí na rozbrusovacom automatickom zariadení STAXG, ktoré je prispôsobené na
maximálny priemer monokryštálu 50 mm. Monokryštál sa pred rezaním lepí na
keramickú podložku, pričom korekcia odchýlky od predpísaného smeru sa robí
pomocou goniometrov, ktoré sú súčasťou zariadenia na rezanie. Odchýlka v horizontálnom
a vertikálnom smere sa určí pomocou optického zariadenia na orientáciu.
Povrch dosiek sa opracováva brúsením
a leštením, aby sa dosiahla požadovaná akosť povrchov vzhľadom na hrúbku
poškodenej vrstvy [1]. Pri leštení sa používa mechanicko-chemický
postup.
Prehľad pripravovaných materiálov
Súčasný výrobný program prestavujú
niektoré vysokočisté materiály, určené na prípravu AIIIBV,
a zo skupiny polovodičových zlúčenín arzenid galitý. Vlastnosti vyrábaných
materiálov sa uvádzajú v prehľade:
Gálium - na syntézu GaSb, GaAs, GaP.
Čistota
min. 99,9999; kontroluje sa hmotnostnou spektroskopiou.
Maximálny
obsah prímesí:
K,
Na, Ca, Mg, Si, Fe menej ako 0,1 ppm.
Cu,
Ni, In Ge, S, Se, Te, Ag, Au, Hg, Pb menej ako 0,05 ppm, ostatné prímesi v
množstvách pod hranicou citlivosti 0,03 ppm.
Zvyškový
odpor, vyjadrený pomerom R4,2K/R300 K. 105
< 2.
Kysličník galitý - na prípravu
gálium-gadolíniových granátov (GGG).
Maximálny
obsah prímesí:
Si,
Ca, Mg, Al, Fe menej ako 2 ppm,
Hg,
Cu, Pb, Zn, Pt menej ako 0,5 ppm.
Veľkosť
zŕn: typ H 2-10-µ,
typ
N 60-100 µ.
Arzén
- na syntézu GaAs a InAs.
Čistota
min. 99,9999. Kontroluje sa hmotnostnou spektoskopiou.
Maximálny
obsah prímesí:
Na,
K, Mg, Si menej ako 0,2 ppm,
ostatné
prímesi v množstvách pod hranicou citlivosti 0,03 ppm.
Červený fosfor - na syntézu GaP a
InP.
Čistota
min. 99,9995.
Maximálny
obsah bieleho fosforu 20 ppm.
Arzenid galitý - vyrábané materiály
sa uvádzajú v schéme na obr. 2.
a)
polykryštalický
typ
vodivosti N,
merný
odpor ϱ = (106 - 107) ohm cm;
b)
monokryštalický
typ
vodivosti N,
dotant
Te,
koncentrácia
nosičov náboja n=(7.1017 - 2,5.1018) cm-3,
pohyblivosť
nosičov náboja µ = (3500 - 2200) cm2/Vs,
merný
odpor ϱ = (0,0035 - 0,0008) ohm cm;
c)
monokryštalický
poloizolačný
dotant
Cr,
merný
odpor 1.108 ohm cm,
niektoré
bližšie vlastnosti sa opisujú v [4];
d)
monokryštalický
nedotovaný
merný
odpor (106 - 107) ohm cm.
Monokryštály
a substrátové dosky:
orientácia
(100),
hustota
dislokácií < 1.105 cm-2,
priemer
dosiek 18 - 22 mm, hrúbka 300 µm,
priemer
dosiek nad 40 mm, hrúbka 350 µm,
Povrch
dosiek brúsený a leštený.
Záver
Na základe výsledkov prípravy a
spracovania monokryštalického arzenidu galitého, pripravovaného na zariadení
TF-1, prešla výroba na prípravu monokryštálov a substrátových dosiek s
priemerom 40 až 75 mm. Monokryštály sa pripravujú v orientácii (100)
Czochralského metódou. Nastávajúci program predpokladá rozšírenie sortimentu o
niektoré ďalšie materiály GaAs a ostatné perspektívne polovodičové zlúčeniny AIIIBV.
Lektor:
M. Morvic Rukopis
dodaný 20. 10. 1979
LITERATÚRA
[1] Zborník z III.
československej konferencie o GaAs. Bratislava, Veda, vyd. Slovenskej akadémie
vied 1977
[2] STIRLAND, D. J. -
STRAUGHAM, B. W.: Thin Solid Films, 31, 1976, s. 139 - 170.
[3] LAICHTER, V. - ŠANDERA,
M.: Tesla Electronics, 1973, č. 2 s. 60 - 61.
[4] A role of the magnetic
field dependences of single - carrier parameters, Slovak Academy of Sciences,
Institut of Electrical Engineering, Bratislava 1979.