В настоящее время интенсивно ведутся разработки по созданию широкой номенклатуры силовых полупроводниковых приборов на непланарном кремнии, включающую в себя весь спектр от выпрямительных диодов до интегральных схем. Такие приборы имеют ряд преимуществ перед приборами традиционной планарной конструкции как по электрическим характеристикам так и по массогабаритным показателям самих приборов и их систем охлаждения. Основой приборов являются трубчатые монокристаллы кремния. Впервые разработана технология для получения профильных монокристаллов кремния из расплава без формообразователя модифицированным методом Чохральского.
Прототипами разработанной технологии являлись: пат. № 962 553, (1957 г.) ФРГ. пат. № 6103. (1962 г.). Япония; устройство для выращивания полых изделий из расплава, (Степанов А. В., Авт. свидетельство 134402, SU), Эти способы не нашли практического применения для выращивания профильных трубчатых монокристаллов кремния из-за присущих им недостатков: плотность дислокаций более103-104 1/см-2, сложность применяемой технологической оснастки, сложность управления процессом роста.
Для формирования полого сечения растущего монокристалла необходимо создать неравномерное осесимметричное распределение температуры по объему и поверхности тигля с расплавом. Для детального изучения условий, позволяющих создать такое распределение температур, совместно с Институтом Прикладной Механики РАН проведено математическое моделирование тепловых полей в системе расплав - цилиндрическая затравка. На основании проведенных расчетов изготовлен тепловой узел, обеспечивающий формирование сечения монокристалла кремния в виде трубки.
Разработанная технология позволяет использовать кварцевый плавильный тигель с плоским дном и цилиндрический резистивный нагреватель, которые широко применяются для роста кристаллов по методу Чохральского и ростовые установки, применяемые для выращивания монокристаллов методом Чохральского. Неравномерное осесимметричное распределение температуры по объему и поверхности тигля с расплавом достигается применением специальной дополнительной графитовой оснастки, основными частями которой являются: полый цилиндрический держателя тигля с диафрагмой и конусный экран, теплоизолирующий боковую поверхность тигля. В процессе роста применяются трубчатые затравки, механически вырезанные из слитка. Работы проводились совместно с ОАО «ПХМЗ».
Растущий кристалл точно повторяет диаметр и толщину стенки используемой затравки. Технология позволяет получать монокристаллы различного диаметра с различной толщиной стенки. Эти параметры остаются неизменными по всей длине выращенного изделия. Впервые возможно в промышленных масштабах выращивать трубчатые монокристаллы для создания на их основе силовых полупроводниковых приборов на силу тока от сотен до тысяч ампер.
Технический результат, достигнутый с помощью нового способа заключается в обеспечении возможности формирования сечения профильных полых цилиндрических монокристаллов кремния с однородным распределением их электрофизических и структурных параметров: толщины стенки, удельного электрического сопротивления, плотности дислокаций и времени жизни неравновесных носителей заряда по всему объему выращиваемого монокристалла.
На полученных профильных монокристаллах кремния в настоящее время НПП «Томилинский Электронный Завод» готовится к серийному выпуску выпрямительных диодов на токи от 100 А и более.
Работа представлена на научную международную конференцию «Приоритетные направления развития науки, технологий и техники», 20-27 ноября 2007 г., Шарм-эль-шейх (Египет). Поступила в редакцию 29.10.2007.