Đề tài Vật liệu hợp chất bán dẫn A3B5 - Chế tạo và ứng dụng

Vật liệu AIIIBV Nội dung 1) Công nghệ chế tạo. Chế tạo và làm sạch các đơn chất. Chế tạo các hợp chất. Nuôi đơn tinh thể và làm sạch. 2) Ứng dụng. Chế tạo và làm sạch các đơn chất Các đơn chất : B, Al, Ga, In, P, As, Sb. Chế tạo và làm sạch B B là nguyên tố có tính bán dẫn. Chế tạo: phản ứng hoàn nguyên hợp chất bo halogenua (BF3, BCl3, BBr3, BI3) hoặc phản ứng nhiệt phân ly B2H6. 2BBr3 + 3H2  2B + 2BrH3 B2H6  2B + 3H2 Làm sạch: phương pháp nóng chảy vùng và trong quá trình nuôi đơn tinh thể Czochralski. Chế tạo và làm sạch Al Phương pháp điện phân dd nóng chảy ta có thể thu được Al với độ sạch 99,999%. Phương pháp nóng chảy vùng trong chân không hoặc khí trơ. Chế tạo và làm sạch Ga Ga có nồng độ nhỏ trong quặng các kim loại như Al, Zn, Ge. Quá trình làm sạch gồm 2 bước: Làm sạch sơ bộ đạt 99,9 - 99,99%. Ga thường nhận được dưới dạng dung dịch acid khi điều chế các kim loại khác, để kết tủa dùng H2S. Ga nhận được dưới dạng dd Na2GaO3, để làm sạch dùng FeSO4 (hoàn nguyên/kết tủa tạp chất). Tạo Ga siêu sạch chỉ chứa 10-4% tạp chất. Tác dụng trực tiếp vào kim loại Ga: dùng acid, oxi hay khí khác,kết tinh, dùng Hg. Xử lý các hợp chất của Ga: điện phân, tách chọn lọc GaCl3, chưng cất các hợp chất halogenua của Ga. Chế tạo và làm sạch In In có nồng độ nhỏ trong quặng Fe, Pb, Cu, thu được dưới dạng dd trong acid. Dung dịch này được làm sạch, làm giàu rồi cho tác dụng với NH4 để nhận In. Để nhận được In siêu sạch, ta kết hợp nhiều phương pháp làm sạch khác nhau như: phương pháp điện phân, phương pháp kết tinh, phương pháp chưng cất trong chân không, phương pháp tạo hợp chất làm sạch rồi sau đó phân ly (In halogenua). Bằng tổ hợp các phương pháp trên ta có thể thu được In với nồng độ tạp chất nhỏ hơn 10-5% . Chế tạo và làm sạch P P nhận được từ Photphat tự nhiên qua hai giai đoạn: 2Ca3(PO4)2 + 6SiO2  6CaSiO3 + 2P2O5 2P2O5 + 10 C  10CO + P4 ↑ Hơi P bay ra được làm sạch cho ngưng tụ thành dạng lỏng và được lọc để loại tạp. Sau đó, P được làm sạch bằng tổ hợp: xử lý bằng dd acid, chưng cất trong chân không, chuyển P trắng thành P đỏ. Chế tạo và làm sạch As As chủ yếu nằm ở dạng hợp chất như As2S3, As2S4, FeAsS, As2O3. Để nhận As nguyên tố ta nung các hợp chất để biến thành As2O3 rồi hoàn nguyên As2O3 bằng Cacbon. Để nhận As siêu sạch ta dùng tổ hợp các phương pháp: Chưng cất trong chân không. Chưng cất trong H ở nhiệt độ cao. Tách từ dd trong chì. Hoàn nguyên oxit ba của As. Điện phân. Nóng chảy vùng các arsenua. Chế tạo và làm sạch Sb Sb trong tự nhiên chủ yếu nằm dưới dạng sulfua và oxit. Bằng hỏa luyện và điện luyện thu được Sb sạch cỡ 99,9%. Để nhận Sb siêu sạch, ta dùng các phương pháp: Hóa học: từ Sb thô điều chế các hợp chất rồi hoàn nguyên. Điện hóa: điện phân các hợp chất của Sb như sulfua, clorua… Chưng cất trong chân không. Nóng chảy vùng. Chế tạo các hợp chất AIIIBV Nghiên cứu giản đồ pha của hệ hai nguyên, áp suất bão hòa của các nguyên tố. Đảm bảo thành phần hợp thức trong hợp chất. Công nghệ chế tạo GaAs Công nghệ chế tạo: Kết tinh từ dung dịch nóng chảy không đúng thành phần hợp thức. Kết tinh từ dung dịch nóng chảy giàu Ga hay As. Kết tinh từ pha hơi. Chế tạo GaAs bằng phương pháp hóa học. Nuôi đơn tinh thể các phương pháp: Phương pháp Czochralski. Phương pháp kết tinh định hướng Bridgman. Phương pháp Epitaxy. Phương pháp Czochralski Do GaAs nóng chảy dễ bay hơi nên ta dùng chất che phủ là B2O3 nóng chảy. Phương pháp Bridgman Epitaxy GaAs Vận chuyển As4 và GaCl3 đến bề mặt đế nhờ khí mang H2. Các phản ứng : 4AsH3  As4 + 6H2 6HCl + 2Ga  2GaCl3 + 3H2 As4 + 4GaCl3 + 6H2  4GaAs +12HCl Nhiêt độ đế GaAs trong buồng phản ứng được duy trì 650-850 oC, đồng thời áp suất dư của As được duy trì ở giá trị nhất định để tránh phản ứng phân ly của GaAs trong lớp epitaxy và đế. Công nghệ chế tạo BP Các phương pháp: BCl3 + PH3  BP + 3HCl (1000 oC) BCl3 + PCl3 + 3H2  BP + 6HCl (1000 oC) BCl3 + PCl5  BP + 4Cl2 (3000 oC) 5(BO)khí + 7P  5BP + P2O5 MeP + 7P  BP + MeCl3 Kết tinh từ vật liệu nóng chảy. Dùng NiP thu được BP loại p với n=1018 cm-3 và µ=300-500 cm2/Vs Công nghệ chế tạo AlP Đốt hỗn hợp bột P đỏ và Al trong chén nung bằng thép. Nung bôt Al trong hơi P, khi Al nóng đỏ sẽ đốt cháy. Đốt hỗn hợp bột Al và P trong dòng hơi P. Tác dụng Al và P đỏ trong ống kín. Phản ứng: 2Al + Zn3P2  2AlP + 3Zn Công nghệ chế tạo GaP Phương pháp trực tiếp: kết tinh GaP từ dung dịch nóng Ga-P  khó khăn do nhiệt độ nóng chảy và áp suất phân ly cao Dùng phản ứng pha hơi: 2Ga + GaX3  3GaX 2GaX + ½P4  GaX3 + 2GaP X là halogen Phản ứng khác: 3GaCl2 + P  Phức có màu  2GaCl3 + GaP Công nghệ chế tạo InP 2InCl + Ptrắng  InCl2 + InP 3InCl2 + Ptrắng  2InCl3 + InP Phương pháp kết tinh dung dịch lỏng: Nung nóng dd chứa 10-20% P trong In đến nhiệt độ cao hơn nhiệt độ kết tinh InP, sau đó cho nguội từ từ với tốc độ không đổi Phương pháp kết tinh trong điều kiện có gradient nhiệt độ. Công nghệ chế tạo InAs Phương pháp nhận InAs trong lò một vùng nhiệt độ: bỏ vào ống thạch anh kín In và As với thành phần đúng hợp thức. Nâng nhiệt độ lên 600 oC và đợi vài giờ để cho As kịp khuếch tán phủ lên In và làm bão hòa dd In bằng As tạo nên hợp chất InAs. Sau đó nâng nhiệt độ lên 970 oC và kết tinh định hướng với tốc độ chậm. Phương pháp nhận InAs trong lò nhiều vùng nhiệt độ. Phương pháp nuôi tinh thể InAs từ dd nóng chảy không đúng hợp thức (dd In chứa 10-20% As). Công nghệ chế tạo AlAs Phương pháp kết tinh định hướng từ dd nóng chảy không đúng thành phần hợp thức. Phương pháp kết tinh dung dịch nóng chảy không đúng thành phần hợp thức bằng phương pháp bão hòa. Công nghệ chế tạo AlSb AlSb có thể tổng hợp trực tiếp trong lò bằng alun và thực hiện kéo đơn tinh thể theo phương pháp Cz. Oxit nhôm khó nóng chảy và bay hơi, thường nổi trên bề mặt dung dịch, ảnh hưởng đến quá trình kéo đơn tinh thể. Công nghệ chế tạo GaSb Nóng chảy vùng trong thuyền nằm ngang. Phương pháp Czochralski. Khắc phục ảnh hưởng của các oxit trên bề mặt dd. Gradient nhiệt độ theo bán kính đồng đều. Cơ chế kéo và quay phải tránh được các dao động. Công nghệ chế tạo InSb Tổng hợp bằng cách cho nóng chảy In và Sb trong một bình nung, tránh được sự tiếp xúc oxi. InSb sau khi tổng hợp làm sạch bằng pp nóng chảy vùng. InSb đơn tinh thể chế tạo bằng: Phương pháp Bridman nằm ngang. Phương pháp Czochralski. Công nghệ epitaxy hợp chất AIIIBV Thường dùng các pp CVD, MOCVD, MBE. Để lớp epitaxy chất lượng cao: Cấu trúc tinh thể của lớp epitaxy và của đế phải giống nhau. Hằng số mạng của chúng phải tương thích. Ứng dụng của vật liệu AIIIBV Các chất A3B5 được dùng để chế tạo các linh kiện quang điện tử bao gồm các nguồn phát xạ điện từ như diode phát quang (LED), diode laser, các photodetector, các linh kiện điện tử hoạt động nhanh(high-speed electronic devices). Ứng dụng của vật liệu AIIIBV Các hợp chất A3B5 có vùng cấm hẹp (InSb, InAs) ứng dụng trong lĩnh vực quang-điện tử hồng ngoại. Các hợp chất có vùng cấm rộng (GaN,AlN) được sử dụng trong lĩnh vực quang- điện tử vùng khả kiến và vùng cực tím cũng như để chế tạo các linh kiện công suất cao hoạt động được ở nhiệt độ cao. Ứng dụng của vật liệu AIIIBV Chế tạo tế bào pin Mặt Trời : Ứng dụng của vật liệu AIIIBV Epitaxy GaAs trên đế Si có một ý nghĩa quan trọng trong việc tích hợp các linh kiện quang điện tử dựa trên hợp chất A3B5(GaAs) và mạch tích hợp điện tử trên chip. Sử dụng để chế tạo các linh kiện quang điện tử có thể tạo nên các cấu trúc nhiều giếng lượng tử(multiple quantum well). Dựa trên những hợp chất A3B5, có thể thiết kế những linh kiện bán dẫn mới với những đặc trưng mong muốn. Thanks for your attention !