Монокристали: види, вирощування та застосування у технологіях

ЩО ТАКЕ МОНОКРИСТАЛИ?

Монокристал – це твердий матеріал, в якому атоми розташовані у впорядкованій кристалічній ґратці, що простягається по всьому об’єму зразка без меж зерен. Монокристали є революційними матеріалами завдяки яким залізну еру змінила сучасна – цифрова. Десятки мільярди транзисторів, які вміщуються в одному кристалі процесору замінили тисячі вакуумних ламп, які займали кімнати та цілі поверхи. Розрахунки за математичними функціями, для опрацювання яких потребувалися дні, а то навіть і місяці, були замінені миттєвою обробкою даних нейронними мережами та штучним інтелектом.

КЛАСИФІКАЦІЯ МОНОКРИСТАЛІВ

Монокристали класифікуються за хімічним складом, структурою, фізичними властивостями та застосуванням:

1. За хімічним складом

• Елементарні монокристали – складаються з одного елемента (Si, Ge…);
• Сполуки – складаються з кількох елементів (GaAs, GaN, SiC, LiNbO3…);
• Композиційні – складаються з декількох сполук та/або елементів (LaB6-TiB2, YAG:Cr (кераміка)-YAG:Nd (монокристал).

2. За типом кристалічної ґратки:

• Кубічна система (алмаз, кремній, GaAs);
• Гексагональна система (сапфір, GaN);
• Тетрагональна, ромбічна, тригональна – складні кристалічні матеріали.

3. За фізичним властивостями

• Напівпровідникові – кремній, германій, GaAs;
• Діелектричні – сапфір, кварц;
• П’єзоелектричні – титанат барію (BaTiO3), ніобат літію (LiNbO3);
• Оптичні – лазерні кристали (YAG, рубін);
• Жароміцні – карбід кремнію, вольфраму.

4. За технологіє отримання

• Методом Чохральського – кремній, сапфір;
• Методом безтигельної зонної плавки – високочистий кремній, LaB6-MeB2;
• Метод Бріджмена-Стокбаргера – GaAs, CdTe;
• Гідротермальний метод – кварц, п’єзоелектричні кристали;
• Метод хімічного осадження з парової фази – алмази, GaN, SiC.

5. За застосуванням

• Електроніка – мікросхеми, транзистори (Si, GaAs, SiC);
• Оптика та лазери – сапфір, YAG, рубін;
• Сонячна енергетика – кремній, CdTe;
• Авіація, військова техніка – жароміцні сплави, сапфір.

МЕТОДИ ОТРИМАННЯ МОНОКРИСТАЛІВ

Вибір методу отримання монокристалу залежить від вимог до властивостей, розміру та чистоти виробу з цього матеріалу.
Основними методами вирощування монокристалів є:

• Метод Чохральського;
• Метод безтигельного зонного плавлення (метод Пфанна);
• Метод Бріджмена-Стокбаргера;
• Гідротермальний метод;
• Хімічне осадження з парової фази (CVD – Chemical Vapor Deposition).

ЗАСТОСУВАННЯ МОНОКРИСТАЛІВ

Метод Чохральського є домінуючим у виробництві монокристалічного кремнію для напівпровідникової промисловості. Без монокристалів вирощених даним методом було б неможливим створення портативних гаджетів, сонячних панелей, сучасних комп’ютерів, високопродуктивної обчислювальної техніки. Розвиток надкритичних галузей, а отже й розвиток людства був би неможливим без використання незамінних виробів з монокристалічного кремнію.

Монокристал Si отриманий методом Чохральського та пластини з нього [1, 2]

Метод безтигельного зонного плавлення (кристалізації) – це технологія отримання високочистих монокристалів за допомогою локального нагріву вузької зони полікристалічного матеріалу. Метод позбавлений недоліку – контакту з тиглем, а відтак монокристали отримані даною технологією є високочистими. Температурний та концентраційний градієнти, що виникають в вузькій зоні розплавлення, що забезпечується індукційним нагрівом або нагрівом лазерним променем, дозволяє отримувати спрямовану, надчисту, бездефектну монокристалічну будову структурних складових з полікристалічного стрижня.

Монокристалічний катод з гексабориду лантану (LaB6) [3]

Монокристали отримані методом безтигельної зонної плавки використовуються в виробництві кремнієвих пластин для мікропроцесорів, в високовольтній електроніці, оптоелектроніці та інфрачервоній техніці, аерокосмічній та військовій галузях.

Метод хімічного осадження з парової фази (CVD – Chemical Vapor Deposition) – це процес осадження твердого матеріалу на підкладку з газової фази через хімічні реакції. Дана технологія є ключовою у виробництві напівпровідників, оптоелектроніки, енергетичних та біомедичних пристроїв, що дозволяє синтезувати високоточні мікроструктури алмазу, SiC, графену, GaN та покриття.

Нешліфований монокристал алмазу, синтезований CVD методом [4]
Монокристали – незамінний матеріал для будівництва майбутнього людства.

1.  Il 2021 è stato un anno record anche per le vendite di wafer di silicio – Elettronica & Mercati. Elettronica & Mercati. URL: https://www.elettronicaemercati.it/il-2021-e-stato-un-anno-record-anche-per-le-vendite-di-wafer-di-silicio/ (дата звернення: 22.03.2025).

2. Custom Silicon Solutions by Top SoC Design Company. 7rayssemi.com. URL: https://7rayssemi.com/custom-silicon/ (дата звернення: 22.03.2025).

3. Лабораторія вирощування монокристалів – ВТМ та ПМ. ВТМ та ПМ. URL: https://compnano.kpi.ua/kafedra/laboratorii/laboratoriia-vyroshchuvannia-monokrystaliv/ (дата звернення: 22.03.2025).

4. Ion bombardment induced buried lateral growth: the key mechanism for the synthesis of single crystal diamond wafers / M. Schreck та ін. Scientific Reports. 2017. Т. 7, № 1.