6. Расчетная часть
Задание параметров технологического процесса
Диаметр тигля обычно составляет 2-3 диаметра кристалла. В нашем случае выращивается кристалл диаметром 50 мм - возьмем тигель диаметром 120 мм.
Высота тигля, как правило, сравнима с диаметром тигля. Пусть Hтиг = Dтиг = 120 мм.
Скорость кристаллизации обычно в методе Чохральского для AIIIBV 0.5-1 мм/мин. Зададим ее равной 1 мм/мин. Строго говоря, скорость вытягивания, а мы можем контролировать ее и управлять именно ею, не совпадает со скоростью кристаллизации (для AIIIBV 0.3-1 мм/мин.). Уровень расплава в тигле постоянно уменьшается, поэтому к скорости вытягивания нужно добавить скорость опускания жидкости в тигле.
Из постоянства сумм объемов жидкой и твердой фаз можно получить
Угловая скорость роста кристалла В промышлености обычно скорость вращения затравки лежит в диапазоне 40-100 об./мин., а скорость вращения тигля в диапазоне 5-10 об./мин. Примем скорость вращения затравки (кристалла) 90 об./мин., а скорость вращения тигля 10 об./мин. Итого об./мин.
Рассчитаем массу расплава, необходимого для получения монокристалла GaP с учетом 5% остатка
Рассчитаем массу расплава вмещающегося в тигель, с учетом тонкого слоя флюса в 10 мм
Весь необходимый расплав помещается в выбранный тигель.
Таблица 4.Параметры установки
D, см |
H, см |
V, см3 |
m, г |
||
Тигель |
12 |
12 |
1356.48 |
- |
|
Кристалл |
5.0 |
40 |
785 |
3242.05 |
|
Реактор |
10-15 |
30 |
4000 |
- |
|
f, cм/мин. |
0 об./мин. |
||||
Тигель |
- |
10 |
|||
Кристалл |
- |
90 |
|||
Сумма |
0.1 |
100 |
Примеси - цинк и теллур - имеют свои равновесные коэффициенты распределения.
Определим для каждой коэффициент распределения по длине кристалла.
KoZn = 0.25
KoTe = 0.06
f = 0,00167 cм/c
Ввиду отсутствия данных, принимаем, что у всех примесей одинаковый коэффициент диффузии в жидкой фазе:
см2/с
см2/с
Одинаковой будет и толщина диффузионного слоя
Тогда эффективные коэффициенты распределения
Расчет легирования кристалла
Основным уравнением для отыскания концентраций примесей является уравнение электронейтральности. Из марки материала ФГДЦЧ-5-17 легко определить, что концентрация дырок должна быть равна p = 5·1017 см-3. Она задается соотношением между концентрациями примесей - донорной Te и акцепторной Zn. Необходимо учесть остаточные примеси: в нашем случае Zn - 10-4 масс.%.
Рабочая температура считается равной 300К. При температуре 300К концентрация дырок гораздо выше концентрации электронов: p >> n.
Воспользуемся отрицательным допуском по концентрации
Кроме того
, :
Мы получили концентрации примесей в твердой фазе. Найдем необходимые начальные концентрации примесей в растворе:
11.28
= 9.1
Подставим в уравнение Галливера и построим соответствующие зависимости C(g).
Рис. 8. Распределение примесей по длине слитка
Распределение концентрации носителей заряда по длине слитка определяется по тому же уравнению электронейтральности из концентраций примесей:
;
а разброс носителей по длине слитка:
1.5
Рис. 9. Распределение концентрации носителей заряда по длине слитка
Полученные результаты представим в виде таблицы:
Таблица 5. Распределение примеси по длине слитка и изменение степени компенсации
g |
0 |
0,1 |
0,2 |
0,3 |
0,4 |
0,5 |
0,6 |
0,7 |
0,8 |
0,811 |
0,9 |
|
CZn, 1017 * см-3 |
3.125 |
3.372 |
3.672 |
4.044 |
4.521 |
5.158 |
6.06 |
7.461 |
10 |
10.42 |
10.65 |
|
CTe, 1017 * см-3 |
0.625 |
0.689 |
0.769 |
0.871 |
1.006 |
1.192 |
1.468 |
1.919 |
2.799 |
2.95 |
5.34 |
|
p, 1017 * см-3 |
2.5 |
2.7 |
2.9 |
3.2 |
3.5 |
3.966 |
4.59 |
5.54 |
7.20 |
7.47 |
10.17 |
|
е |
20% |
20% |
21% |
22% |
22% |
23% |
24% |
26% |
28% |
28% |
32% |
Рис. 10. Изменение степени компенсации по длине слитка.
Экспериментальный выход годного материала: gэксп = 0,811.
Теоретический выход годного материала находится по следующей формуле
если ограничится одной, главной примесью (Zn). С разбросом в = 50% имеем
gтеор = 0,780.
Окончательный расчет масс компонентов:
Массу расплава можно найти, исходя из экспериментального выхода годного материала, запаса для формирования обратного конуса (коэффициент запаса Kz = 10%) и 5% остатка расплава в тигле
Зная молярные молекулярные (атомные) массы (MGa = 69.72 г/моль, MP = 30.97 г/моль, MGaP = 100.69 г/моль), легко найти сколько нужно галлия и фосфора
Однако, нужно учесть дополнительную массу фосфора на заполнение свободного объема реактора. Примем, что:
гр.
Итого: масса галлия, загружаемого в реактор , фосфора -
Расчет масс примесей
Концентрации примесей в твердой фазе
0.277
Отсюда найдем необходимую массу лигатуры при условии что: Слиг для цинка 1020 см-3, и для теллура 1020 см-3 тоже.
Таблица 6. Вещества загружаемые в реактор
Ga |
P |
лигатуры |
Раствор |
|||
Zn |
Te |
|||||
Масса, гр. |
3460 |
1678,54 |
56,37 |
45,93 |
4997 |
- Введение
- 1. Основные свойства материалов
- 2. Применение полупроводникового GaP
- 3. Обзор современного состояния технологии производства полупроводниковых соединений
- 4. Обоснование выбора метода выращивания GaP
- 5. Описание метода Чохральского для выращивания фосфида галлия
- 6. Расчетная часть
- 7. Схема установки по выращиванию кристаллов методом Чохральского
- Выводы