現(xiàn)代文明依賴于這種晶體生長方法 | 智能技術(shù)

發(fā)布日期：2019-12-30 10:00
直拉法是IEEE的里程碑，用于生長用于集成電路和光伏的單晶半導(dǎo)體。


1956年在馬薩諸塞州沃爾瑟姆的雷神公司用Czochralski方法生長硅晶體。

 
 如果沒有像單晶硅這樣的半導(dǎo)體，INSTITUTELaptop電腦、移動電話和許多其他人工智能電子設(shè)備就不會存在。
 
 早期生產(chǎn)半導(dǎo)體的方法是不可預(yù)測和不可靠的。當(dāng)時的科學(xué)家沒有辦法防止半導(dǎo)體被空氣中的雜質(zhì)污染。然而，在1916年，波蘭化學(xué)家Jan Czochralski發(fā)明了一種方法來生長半導(dǎo)體、金屬和合成寶石的單晶體。這一過程被稱為Czochralski方法，使科學(xué)家能夠更好地控制半導(dǎo)體的質(zhì)量，至今仍在使用。
 
 Czochralski在柏林一家電氣設(shè)備公司Allgemeine Elektrizitäts-Gesellschaft(AEG)的實驗室工作時意外發(fā)現(xiàn)了這種方法。據(jù)JanCzochralski.com報道，在研究金屬的結(jié)晶速率時，Czochralski將他的鋼筆浸入熔化的錫中，而不是墨水池。這使得鋼筆的尖端形成了錫絲。通過進(jìn)一步的研究，他能夠證明這種燈絲是一個單晶體。他的發(fā)現(xiàn)促使他嘗試批量生產(chǎn)半導(dǎo)體單晶。
 
 11月14日，在華沙理工大學(xué)舉行的儀式上，提拉法生長單晶的過程被奉為IEEE的里程碑。IEEE波蘭分部和IEEE德國分部贊助了這一里程碑。由IEEE歷史中心管理并得到捐助者支持的里程碑計劃表彰了世界各地杰出的技術(shù)發(fā)展。


 
 Jan Czochralski的肖像
生長硅
 
 Czochraslski使用石英坩堝--石英制成的容器--來生長晶體。他坐在一個沒有氧氣，二氧化碳和其他潛在污染物的房間里。這個房間周圍都是把電能轉(zhuǎn)換成熱能的加熱器。他還使用高頻無線電波熔化坩堝內(nèi)的硅。當(dāng)坩堝內(nèi)部的溫度達(dá)到約1700開爾文時，熔化了高純度的半導(dǎo)體級二氧化硅。

一旦硅熔化，他就把一小片多晶體材料--種子晶體--放在一根14厘米長的旋轉(zhuǎn)棒的末端。然后，他慢慢地將棒子放入坩堝中，直到種子晶體浸入熔融的硅表面以下。他發(fā)現(xiàn)，微量的雜質(zhì)元素--一種摻雜劑--如硼或磷，可以精確地加入熔融的二氧化硅中，以改變二氧化硅的載流子濃度。根據(jù)他添加的摻雜劑，二氧化硅變成了p型或n型硅。它們具有不同的電子性質(zhì)。當(dāng)它們放在一起時，就會產(chǎn)生一個二極管，允許電流流過硅。
 
 Czochraslski同時舉起并旋轉(zhuǎn)持有種子晶體的桿。在這一步驟中，熔融的硅在種子的界面處結(jié)晶。形成了一種新的晶體。
 
 根據(jù)“材料百科全書：科學(xué)與技術(shù)”(Encyclopedia of Materials：Science and Technology)，新晶體的形狀，特別是直徑，可以通過調(diào)節(jié)棒的加熱功率、拉動速率和旋轉(zhuǎn)速率來控制。這種“頸縮程序”技術(shù)對于限制晶體的結(jié)構(gòu)缺陷是至關(guān)重要的。
 
 其他半導(dǎo)體，如砷化鎵，也可以用提拉法生長。
 
 安裝在華沙理工大學(xué)大禮堂入口處的里程碑牌匾上寫著：
 
 1916年，Jan Czochralski在德國柏林的AEG工作期間發(fā)明了一種晶體生長方法，用于獲得半導(dǎo)體、金屬、鹽和合成寶石的單晶體。他在波蘭華沙理工大學(xué)進(jìn)一步發(fā)展了這一過程。Czochralski工藝使得電子半導(dǎo)體器件和現(xiàn)代電子學(xué)的發(fā)展成為可能。