硅半导体材料基础.pptx

3.1.2半导体材料的分类对半导体材料可从不同的角度进行分类，例如根据其性能可分为高温半导体、磁性半导体、热电半导体；根据其晶体结构可分为金刚石型、闪锌矿型、纤锌矿型、黄铜矿型半导体；根据其结晶程度可分为晶体半导体、非晶半导体、微晶半导体，但比较通用且覆盖面较全的则是按其化学组成的分类，依此可分为：元素半导体、化合物半导体和固溶半导体三大类。1.元素半导体已知有12种元素具有半导体性质，目前使用的元素半导体主要是硅和锗。2.化合物半导体化合物半导体材料的种类繁多，性能各异，因此用途也就多种多样。化合物半导体按其构成的元素数量可分为二元、三元、四元等。按其构成元素在元素周期表中的位置可分为Ⅲ-Ⅴ族、Ⅱ-Ⅳ族等。3.固溶半导体由两个或两个以上的元素构成的具有足够的含量的固体溶液，如果具有半导体性质，就称为固溶半导体，简称固溶体或混晶。因为不可能做出绝对纯的物质，材料经提纯后总要残留一定数量的杂质，而且半导体材料还要有意地掺入一定的杂质，在这些情况下，杂质与本体材料也形成固溶体，但因这些杂质的含量较低，在半导体材料的分类中不属于固溶半导体。3.2硅材料的主要性质硅具有银白色或灰色金属光泽，晶体硬而脆，硅的外观如图3-4所示。硅熔体密度比固体密度大，故熔化后会发生体积收缩，类似于冰与水的关系。3.2.1硅材料的化学性质在室温下，硅的化学性质比较稳定，与空气、水和酸均无反应，但与强酸、强碱作用，硅极易被HNO3–HF的混合酸所溶解，因此，在硅片加工及集成电路器件工艺中，HNO3–HF混合酸常常用作硅的腐蚀液。在高温下，硅与锗的化学活性大，可与氧、卤素、卤化氢、碳等反应。硅与卤素或卤化氢作用可生成相应的卤化物。生成的SiCl4可作为硅外延生产的原料，生成的SiHCl3是高纯硅化学提纯的中间产物。硅在高温下可与H2O、O2发生如下反应，硅平面工艺中，常用此反应制备SiO2掩蔽膜。硅烷的活性很高，在空气中自燃，固态硅烷与液氧混合，在-190℃低温下也易发生爆炸，因其危险性，使用受到限制。硅烷由于4个键都是Si-H键，很不稳定，易热分解。用这一特性可制取高纯硅。单晶、多晶和非晶体原子排列2.硅晶体的金刚石结构硅原子序数分别为14，核外电子分布为：Si—1S22S22P63S23P2硅每个原子周围都有4个最近的原子，可与邻近的4个原子生成4个共价键，形成正四面体结构，上述正四面体累积起来就得到金刚石结构。3.2.3硅材料的电学性质半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间，半导体之所以得到广泛应用，是因为它的导电能力受掺杂、温度和光照的影响十分显著。（1）半导体的电导率随温度升高而迅速增加（2）杂质对半导体材料导电能力的影响非常大（3）光照对半导体材料的导电能力也有很大的影响（4）除温度、杂质、光照外，电场、磁场及其他外界因素（如外应力）的作用也会影响半导体材料的导电能力。3.2.5硅材料的机械性质在室温时，硅是一种无延展性的脆性材料。但在温度高于700-800℃时，硅却具有明显的热塑性，在应力的作用下会呈现塑性变形。硅的抗拉应力远远大于抗剪应力，故在硅片的加工过程中会产生弯曲和翘曲，也极容易产生裂纹或破碎。然后，用提纯过的三氯氢硅在氢气氛中进行还原反应，于是发生化学气相沉积，最后形成半导体级高纯多晶硅。这一反应是流态化床的逆过程。3.3.3硅的晶体生长1.直拉生长工艺目前用于制备硅单晶的主要生长工艺是直拉法，并经过进一步改进使之发展成为完善的方法。直拉法是在直拉单晶炉内，向盛有熔硅坩埚中，引入籽晶作为非均匀晶核，然后控制热场，将籽晶旋转并缓慢向上提拉，单晶便在籽晶下按籽晶的方向长大。直拉法单晶生长工艺流程如图所示。在工艺流程中最为关键的是“单晶生长”或称拉晶过程，它又分为：润晶、缩颈、放肩、等径生长、拉光等步骤。当熔体温度稳定在稍高于熔点，将籽晶放在上面烘烤几分钟后将籽晶与熔体熔接，这一步叫润晶或下种，润晶过程可以减少籽晶与熔体间温差，防止籽晶因热应力产生缺陷；为了消除位错要将籽晶（晶体）拉细一段叫缩颈，通过缩颈可将部分位错排出单晶；之后要把晶体放粗到要求的直径叫放肩；有了正常粗细后就保持此直径生长，称之为等径生长，为了保持单晶等径生长、控制的参数主要是拉速和加热功率。提高拉速、加热功率则晶体变细；反之降低拉速和加热功率则使晶体加粗。最后将熔体全部拉光，全过程如图所示。3.片状单晶生长工艺由于硅单晶材料成本太高，影响了硅太阳能电池的推广和发展，虽然出现非晶态硅的太阳能电池，但生长片状单晶有可能成为生产中降低成本，提高材料利用率的有效方法。片状单晶制法主要有四种：（1）枝蔓法和蹼状法；（2）斯杰哈诺夫法；（3）形状可控薄膜晶体生长法（EFG）；（4）横拉法。3.3.4晶体中杂质与缺陷1.杂质对材料性能的影响1）杂质对材料导电类型的影响当材料中共存施主和