现代文明依赖于这种晶体生长方法 | 智能技术

发布日期：2019-12-30 10:00
直拉法是IEEE的里程碑，用于生长用于集成电路和光伏的单晶半导体。


1956年在马萨诸塞州沃尔瑟姆的雷神公司用Czochralski方法生长硅晶体。

 
 如果没有像单晶硅这样的半导体，INSTITUTELaptop电脑、移动电话和许多其他人工智能电子设备就不会存在。
 
 早期生产半导体的方法是不可预测和不可靠的。当时的科学家没有办法防止半导体被空气中的杂质污染。然而，在1916年，波兰化学家Jan Czochralski发明了一种方法来生长半导体、金属和合成宝石的单晶体。这一过程被称为Czochralski方法，使科学家能够更好地控制半导体的质量，至今仍在使用。
 
 Czochralski在柏林一家电气设备公司Allgemeine Elektrizitäts-Gesellschaft(AEG)的实验室工作时意外发现了这种方法。据JanCzochralski.com报道，在研究金属的结晶速率时，Czochralski将他的钢笔浸入熔化的锡中，而不是墨水池。这使得钢笔的尖端形成了锡丝。通过进一步的研究，他能够证明这种灯丝是一个单晶体。他的发现促使他尝试批量生产半导体单晶。
 
 11月14日，在华沙理工大学举行的仪式上，提拉法生长单晶的过程被奉为IEEE的里程碑。IEEE波兰分部和IEEE德国分部赞助了这一里程碑。由IEEE历史中心管理并得到捐助者支持的里程碑计划表彰了世界各地杰出的技术发展。


 
 Jan Czochralski的肖像
生长硅
 
 Czochraslski使用石英坩埚--石英制成的容器--来生长晶体。他坐在一个没有氧气，二氧化碳和其他潜在污染物的房间里。这个房间周围都是把电能转换成热能的加热器。他还使用高频无线电波熔化坩埚内的硅。当坩埚内部的温度达到约1700开尔文时，熔化了高纯度的半导体级二氧化硅。

一旦硅熔化，他就把一小片多晶体材料--种子晶体--放在一根14厘米长的旋转棒的末端。然后，他慢慢地将棒子放入坩埚中，直到种子晶体浸入熔融的硅表面以下。他发现，微量的杂质元素--一种掺杂剂--如硼或磷，可以精确地加入熔融的二氧化硅中，以改变二氧化硅的载流子浓度。根据他添加的掺杂剂，二氧化硅变成了p型或n型硅。它们具有不同的电子性质。当它们放在一起时，就会产生一个二极管，允许电流流过硅。
 
 Czochraslski同时举起并旋转持有种子晶体的杆。在这一步骤中，熔融的硅在种子的界面处结晶。形成了一种新的晶体。
 
 根据“材料百科全书：科学与技术”(Encyclopedia of Materials：Science and Technology)，新晶体的形状，特别是直径，可以通过调节棒的加热功率、拉动速率和旋转速率来控制。这种“颈缩程序”技术对于限制晶体的结构缺陷是至关重要的。
 
 其他半导体，如砷化镓，也可以用提拉法生长。
 
 安装在华沙理工大学大礼堂入口处的里程碑牌匾上写着：
 
 1916年，Jan Czochralski在德国柏林的AEG工作期间发明了一种晶体生长方法，用于获得半导体、金属、盐和合成宝石的单晶体。他在波兰华沙理工大学进一步发展了这一过程。Czochralski工艺使得电子半导体器件和现代电子学的发展成为可能。