硅材料基础知识

基础课件－硅材料基础知识

硅材料基础知识

主要内容：

一、概述

二、硅的结构、分类与来源

三、硅的物理性质

四、硅的化学性质

五、硅的物理参数及测量

六、硅的应用及注意事项

一、概述

硅材料的基础知识，课程包括较多，有固体物理、量子力学、半导体物理、半导体化学、半导体器件工艺、半导体材料等方面的知识；内容较多，如半导体电子状态和能级、载流子的发布、导电性、非平衡载流子、P－N结、金属与半导体的接触、表面理论、光电效应、磁电效压阻效应、异质结等。这里只介绍半导体材料的最基本的内容。

1、材料按导电性能划分，可分为：导体、绝缘体、半导体三类。

导体——容易导电的材料。如各种金属、石墨等。一般的，电阻率<0.2Ω·cm 绝缘体——很难导电的材料。如橡胶、玻璃、背板、EVA、SiO2、Si3N4等。一般的，电阻率>20000Ω·cm

半导体——介于两者之间的材料。如Si、Ge、GaAs、ZnO等，它具有一些独特的性质。

注：a、金属靠电子导电，溶液靠离子导电，半导体导电靠电子或空穴导电。

b、空穴就是电子的缺少。

2、半导体材料，按组成结构可分为：元素半导体、化合物半导体、非晶半导体、有机半导体。

3、半导体器件对材料的要求：

3.1禁带宽度适中（一般0.5～1.5电子伏，硅是1.08）

3.2载流子迁移率高（一般1000～5000cm2/V·s）

3.3纯度高

3.4电阻率要求可靠、均匀（一般0.001～100000 ，硅本征2.3×105）

3.5晶体的完整性

二、硅的结构、分类与来源

1、硅的原子理论

1.1元素周期表中，第三周期、第IVA 族元素，原子序数14，原子量28

电子排布1S 22S 22P 63S 23P 2 ,化合价为＋4价（＋2价）

1.2硅有三种同位素28Si ：9

2.21％、29Si ：4.70％、30Si ：

3.09％、

1.3晶体结构：金刚石结构（正四面体），原子间以共价键结合。由于外围电子全部形成共价键，结合力较强。可画出硅的共价键结构示意图。

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2、硅的分类

2.1按纯净度划分：粗硅、提纯硅、高纯硅、掺杂硅

2.2按晶体结构分：单晶硅、多晶硅

单晶硅：在晶体中，组成的原子按一定规则呈周期性排列。

多晶硅：由许多不同方位的单晶组成。

2.3按导电类型划分：N 性、P 型

2.4按硅的形状划分：粉状、粒状、块状、棒状、片状等。

2.5按应用领域划分：太阳能级、电子级、航天级

2.6按制造方法划分：原硅、拉晶硅、冶金硅等。

2.7按实际应用划分：各个厂家均不同。

3、硅的来源

在自然界中没有游离态的单质硅，硅以化合物的形态存在。在地壳中硅含量很大，氧约占地壳的1/2，硅约占1/4（25.8％），那么单质硅的来源如何？

3.1制造原理：

3.1.1粗硅的生产：

SiO2+2C 2000℃Si+2CO (纯度约98％，最多2～3个“9”) 注：主要用于Al的生产（60％）、硅油的生产（25％）、钢铁的生产（5％）、半导体的生产（<5％）

3.1.2提纯：（主要三种方法）

(a) SiHCl3氢还原法：

Si+3HCl 250～350℃SiHCl3+H2

副反应：2Si+7HCl 250～350℃SiHCl3+SiCl4i+3H2

经精馏两次，去掉杂质。但BCl3、PCl3沸点与SiHCl3相近，所以去除较难。

SiHCl3+H2 900～1100℃Si+3HCl，一般淀积在钼或多晶硅载体上。

(b) SiCl4氢还原法：

Si+2Cl2 450～500℃SiCl4

SiCl4+2H21150℃Si+4HCl

(c) SiH4热分解法：

2Mg+Si 500～550℃(真空) Mg2Si

Mg2Si+4NH4Cl －30～－33℃(液氨) SiH4+2MgCl2+4NH3

经提纯后，去掉杂质。SiH4 800～850℃Si+2H2

另外，还有二氯硅烷热分解法，此法有发展前途。

3.1.3 单晶的制备：

3.1.3.1 直拉法:

将经处理的多晶硅料装入单晶炉的石英坩埚内，在合理的热场中，于真空或某些气氛下，加热硅使之融化，用一经加工处理过的籽晶，使其与熔硅充分熔接，并以一定速度旋转提升，在此晶核的诱导下，控制特定的工艺条件和掺杂技术，使具有预期电学性能的单晶体，沿籽晶定向凝固成核长大，从熔体中被缓解提拉出来。整个过程分引晶、细颈、放肩、等径、收尾。按加料方式分一次加料直拉法、连续加料直拉法；连续加料直拉法又分液态加料法、固态加料法。

3.1.3.2 区熔法：

将预先处理好的多晶硅棒和籽晶，一起垂直固定在区熔炉上下轴间，以高频感应的方法加热，在电磁场浮力、熔硅表面张力和重力的平衡作用下，使所产生的熔区能稳定地悬浮在硅棒中间，在真空或某些气氛下，控制特定的工艺条件和通过掺杂使熔区在硅棒上从头至尾定向移动，从此反复多次使硅棒提纯，最后沿籽晶长成具有预期电学性能的硅单晶。按射频感应加热方式分水平区熔和悬浮区熔两种方式。

3.1.3.3 外延生长法:

在一定工艺条件下，使硅原子沿着经过精密加工的衬底长出预期电学性能的薄膜单晶。

3.1.4硅料制备的发展：

在第二次世界大战期间美国杜邦公司采用锌（Zn）还原SiCl4制出多晶硅，供美国的电子公司生产高频二极管，但用途未扩大。

日本曾花几年时间试图改进工艺，使多晶硅电阻率达到1000Ω•cm，但是