Inżyniera defektów w procesach wzrostu kryształów do zastosowań w elektronice

Akronim: DEEM 
Numer: 1/RUSPLUS-INNO/2015
Program/Konkurs: ERA-NET RUSPLUS
Jednostka finansująca: NCBR
Kierownik projektu: dr hab. inż. Tomasz Wejrzanowski, prof. PW (ze strony Politechniki Warszawskiej)
Funkcja: konsorcjant
Czas realizacji:  2015-2018

Opis
Celem projektu jest opracowanie modeli, które mogą być zintegrowane z istniejącym oprogramowaniem obliczeniowym i które zostaną zweryfikowane i potwierdzone eksperymentalnie. W szczególności projekt skupia się na następujących kwestiach:
Teoretyczne i praktyczne badanie defektów w krzemie związanych z wakansami, ich wpływ na wydajność urządzeń; analiza warunków wymaganych do minimalizacji tych defektów, opracowanie modyfikacji sprzętu w oparciu o wyniki obliczeń numerycznych.

Analiza wpływu domieszek; może dotyczyć zarówno zanieczyszczeń takich jak tlen lub węgiel, jak i dodatków aktywnych elektrycznie (elementów domieszkowych), niezbędnych do funkcjonowania urządzenia półprzewodnikowego. Domieszki te muszą być rozłożone tak równomiernie jak to tylko możliwe, a wyzwanie polega na identyfikacji odpowiednich ku temu warunków. Problem ten dotyczy w szczególności domieszek które nie wpasowują się idealnie w strukturę materiału bazowego, oraz bardzo intensywnego domieszkowania (np. krzem bardzo wysoko domieszkowany arsenem lub fosforem do specyficznych zastosowań w elektronice wysokiej mocy).

Maksymalna tolerowalna ilość dyslokacji do zastosowań fotowoltaicznych i maksymalna dopuszczalna ilość dyslokacji bez utraty jakości struktury. Z praktyki wiadomo, że pewna ilość dyslokacji jest dopuszczalna w ogniwach słonecznych. Z drugiej strony, niejasne jest gdzie leży granica, po przekroczeniu której pogarsza się jakość produktu lub sam proces staje się niestabilny. Wyznaczenie tej granicy jest bardzo istotne dla maksymalizacji wydajności produkcji.

W ramach projektu przeprowadzone zostaną symulacje numeryczne procesów wzrostu kryształu i modelowanie mające na celu zrozumienie powstawania interakcji defektów. Modelowanie numeryczne będzie miało charakter wieloskalowy, aby lepiej zrozumieć wpływ warunków wzrostu na strukturę kryształu. Zostanie opracowany model makroskopowy, które będzie odwzorowywał geometrię pieca używanego do wzrostu kryształu i panujące w nim warunki. Użycie takiego modelu umożliwi symulację przepływu fazy ciekłej i wymiany ciepła w piecu. Dane uzyskane na tym etapie zostaną przeniesione do modeli w skali atomowej i mezoskali zawierających mechanizmy powstawania interakcji defektów.

Modelowanie makroskopowe zostanie przeprowadzone przy użyciu metody objętości skończonych (FVM) zaimplementowanej w oprogramowaniu dostarczonym przez partnera projektu. Wyniki uzyskane tymi metodami obejmują opis kryształów w kategoriach rozmiaru, kształtu i defektów. Więcej szczegółów o mechanizmach powstawania defektów, ich oddziaływań względem siebie i z innymi elementami struktury, ujawni modelowanie w skali atomowej obejmujące dynamikę molekularną (MD) i teorię funkcjonału gęstości (DFT) oraz modelowanie w mezoskali za pomocą oprogramowania opracowanego przez FMSE w poprzednim projekcie związanym z wytwarzaniem monokryształów germanu metodą Czochralskiego. Dzięki zastosowaniu metod numerycznych proces wzrostu zostanie zoptymalizowany tak, by otrzymywać kryształy lepszej jakości.