单晶硅 综述

单晶硅
单晶硅是电子信息材料中最基础性材料，是一种良好的半导体材料。

单晶硅已渗透到国民经济和国防科技中各个领域，当今全球超过2000亿美元的电子通信半导体市场中95%以上的半导体器件及99%以上的集成电路用硅。

熔融的单质硅在凝固时硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则这些晶粒平行结合起来便结晶成单晶硅。

单晶硅具有准金属的物理性质，有较弱的导电性，其电导率随温度的升高而增加，有显著的半导电性。

超纯的单晶硅是本征半导体。

在超纯单晶硅中掺入微量的ⅢA族元素，如硼可提高其导电的程度，而形成p型硅半导体；如掺入微量的ⅤA族元素，如磷或砷也可提高导电程度，形成n型硅半导体。

当前制备单晶硅主要有两种技术，根据晶体生长方式不同，可分为悬浮区熔法（Float Zone Method）和直拉法（Czochralski Method）。

这两种方法制备的单晶硅具有不同的特性和不同的器件应用领域，区熔单晶硅主要应用于大功率器件方面，而直拉单晶硅主要应用于微电子集成电路和太阳能电池方面，是单晶硅的主体。

直拉法制备单晶硅,是指将原料装在一个坩埚中，坩埚上方有一可旋转和升降的籽晶杆，杆的下端有一夹头，其上捆上一根籽晶。

原料被加热器熔化后，将籽晶插入熔体之中，控制合适的温度，使之达到过饱和温度，边旋转边提拉，即可获得所需单晶。

因此，单晶硅生长的驱动力为硅熔体的过饱和。

根据生长晶体不同的要求，加热方式可用高频或中频感应加热或电阻加热。

悬浮区熔法，主要用于提纯和生长单晶。

在该方法中，是圆柱形硅棒固定于垂直方向，用高频感应线圈在氩气气氛中加热，使棒的底部和在其下部靠近的同轴固定的单晶籽晶间形成熔滴，这两个棒朝相反方向旋转。

然后将在多晶棒与籽晶间只靠表面张力形成的熔区沿棒长逐步向上移动，将其转换成单晶。

由于此法不需使用石英坩埚作容器,热源不发生热量,因此所制备的硅单晶氧、碳及有害杂质含量都显著降低,且补偿度小,所以区熔高电阻率单晶在整流器件中显示出直拉硅单晶无可比拟的优越性,但由于区熔法重掺杂工艺上的困难,使它在硅单晶中、低电阻率领域中不占应有的地位。

单晶硅由于其完整性好、纯度高、资源丰富、技术成熟、工作效率稳定、光电转换效率高、使用寿命长等特点。

可应用于制造半导体硅器件的原料，用于制大功率整流器、大功率晶体管、二极管、开关器件等。

无论从现实要求还是其的物理特性，以单晶硅为代表的高科技附加值材料及其相关高技术产业的发展，成为当代信息技术产业的支柱，并使信息产业成为全球经济发展中增长最快的先导产业。