Лекция Асеева Александра Леонидовича Директор института физики полупроводников. Чл.-корр. РАН. Часть десятаяС 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. |
|
|
| |
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. |
|
|
| |
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. |
|
|
| | | | 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
Док. 489924 Перв. публик.: 14.09.08 Последн. ред.: 15.09.08 Число обращений: 65
Асеев Александр Леонидович
|