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1、半半导导体硅材料基体硅材料基础础知知识识第1页，本讲稿共44页 目录目录 一、什么是半导体？一、什么是半导体？1.导体（导体（Conductor）2.绝缘体（绝缘体（Insulator）3.半导体（半导体（Semiconductor）二、半导体材料的分类二、半导体材料的分类1.元素半导元素半导2.化合物半导体化合物半导体3.有机半导体有机半导体4.无定形半导体无定形半导体三、半导体硅材料的制备三、半导体硅材料的制备1.冶金级硅（工业硅）的制备冶金级硅（工业硅）的制备2.多晶硅的制备多晶硅的制备3.单晶硅的制备单晶硅的制备第2页，本讲稿共44页 目录目录 四、半导体硅材料的加工四、半导体硅材料的
2、加工1.硅切片硅切片2.硅磨片硅磨片3.硅抛光片硅抛光片五、半导体硅材料的电性能特点五、半导体硅材料的电性能特点六、半导体硅材料的主要性能参数六、半导体硅材料的主要性能参数1.导电类型导电类型2.晶体结构及缺陷晶体结构及缺陷3.电阻率电阻率4.少子寿命少子寿命5.氧、碳含量氧、碳含量6.晶体缺陷晶体缺陷第3页，本讲稿共44页 目录目录 七、半导体的主要电性能参数及其测量方法七、半导体的主要电性能参数及其测量方法八、硅中的杂质及其测量方法八、硅中的杂质及其测量方法第4页，本讲稿共44页 半导体硅材料基础知识半导体硅材料基础知识一、什么是半导体？一、什么是半导体？大大家家知知道道，如如果果我我们们
3、用用物物质质的的存存在在状状态态来来区区分分世世界界上上的的各各类类物物质质的的话话，就就可可以以分分为为气气体体、液液体体和和固固体体三大类。三大类。但但是是如如果果我我们们用用导导电电性性能能来来区区分分世世界界上上的的各各种种物物质质的的话话，也可以分为三大类，即：导体、绝缘体和半导体。也可以分为三大类，即：导体、绝缘体和半导体。导导体体（conductor）：顾顾名名思思义义，导导体体是是指指很很容容易易传传导导电电流流的的物物质质，如如金金、银银、铜铜、铝铝等等金金属属材材料料。这这类类金金属属材材料料的的电电导导率率很很高高，也也就就是是说说它它们们的的电电阻阻率率极极低低，大大
4、约约 是是10-610-8cm。如如 金金 属属 铜铜 的的 电电 阻阻 率率 仅仅 为为1.7510-8cm。绝绝缘缘体体（Insulator）：这这是是指指极极不不容容易易或或根根本本不不导导电电的的一一类类物物质质，如如：玻玻璃璃、橡橡胶胶、石石英英等等材材料料。绝绝缘缘体体的的电电阻阻率率很很大大，一一般般来来说说，绝绝缘缘体体的的电电阻阻率率108cm。第5页，本讲稿共44页 半导体硅材料基础知识半导体硅材料基础知识半导体（半导体（Semiconductor）：）：这这是是指指导导电电性性能能介介于于导导体体和和绝绝缘缘体体之之间间的的一一类类物物质质，我我们们统统称称为为半半导导体
5、体。现现有有已已知知的的半半导导体体材材料料有有近近百百种种，比比较较适适用用且且已已工工业业化化的的重重要要半半导导体体材材料料有有：硅硅、锗锗、砷砷化化镓镓、硫硫化化镉镉等等。半半导导体体的的电电阻阻率率一一般般在在10-51010cm。值值得得一一提提的的是是还还有有少少量量固固体体物物质质,如如砷砷、锑锑、鉍鉍等等，它它们们的的电电阻阻率率比比一一般般金金属属导导体体要要高高出出1001000倍倍，但但却却不不具具备备半半导导体体材材料料的的基基本本特特性性，则则不不能能称称作作半半导导体体，我我们们把把它它叫叫做做半半金金属属。因因此此半半导导体体材材料料的的定定义义应应该该是是：导
6、导电电性性能能介介于于导导体体和和绝绝缘缘体体之之间间且且具具备备半半导导体体的的基基本本特性的一类材料。特性的一类材料。那么，世界上的物质在导电性能上为什么会有这样的差异呢？那么，世界上的物质在导电性能上为什么会有这样的差异呢？我我们们知知道道，世世界界上上所所有有的的物物质质都都是是由由原原子子构构成成的的，在在原原子子的的中中心心位位置置上上有有一一个个带带正正电电荷荷的的原原子子核核，某某一一原原子子所所带带正正电电荷荷的的多多少少正正好好等等于于它它在在元元素素周周期期表表中中的的原原子子序序数数，而而原原子子核核外外则则存存在在着着一一系系列不连续的、列不连续的、第6页，本讲稿共4
7、4页 半导体硅材料基础知识半导体硅材料基础知识 由由电电子子运运动动轨轨迹迹构构成成的的壳壳层层，原原子子核核外外的的电电子子数数目目也也正正好好等等于于原原子子序序数数，这这就就使使得得原原子子在在无无得得失失外外层层电电子子的的情情况况下下，整整体体上上处处于于电电中中性性状状态态。我我们们常常常常把把原原子子核核最最外外层层那那些些离离原原子子核核最最远远的的电电子子叫叫作作价价电电子子。这这些些价价电电子子受受原原子子核核的的束束缚缚较较弱弱，在在外外电电场场或或其其它它外外力力（如如光光照照）的的作作用用下下，很很容容易易摆摆脱脱原原子子核核的的束束缚缚而而成成为为自自由由电电子子。
8、金金属属导导体体之之所所以以容容易易导导电电，是是因因为为在在金金属属体体内内存存在在着着大大量量的的自自由由电电子子，在在外外电电场场的的作作用用下下，这这些些自自由由电电子子就就会会有有规规则则地地沿沿着着电电场场的的反反方方向向流流动动，这这就就形形成成了了电电流流。自自由由电电子子的的数数量量越越多多，或或者者它它们们在在外外电电场场的的作作用用下下，自自由由电电子子有有规规则则流流动动的速度越快，则电流越大，它的导电性能越好，其电阻率就越低。的速度越快，则电流越大，它的导电性能越好，其电阻率就越低。电电子子流流动动时时运运载载着着一一定定的的电电荷荷量量，我我们们把把这这种种能能运运
9、载载电电量量的的粒粒子子叫叫作作载载流流子子。在在半半导导体体中中，电电子子和和空空穴穴都都可可以以运运载载电电量量，我我们们把把它它们们统统称称为为载载流流子子。常常温温下下，绝绝缘缘体体内内只只有有极极少少极极少少的的自自由由电电子子，因因此此，它它对对外外不不呈呈现现导导电电性性。而而半半导导体体内内都都存存在在少少量量的的自自由由电电子子或或空空穴穴，所所以以在在一一定定的的条条件件下下，它它呈呈现现出出一一定定的的导电性。导电性。第7页，本讲稿共44页 半导体硅材料基础知识半导体硅材料基础知识以以硅硅（Si）为为例例，硅硅的的原原子子序序数数是是14，硅硅的的原原子子核核带带有有14
10、个个正正电电荷荷，其其核核外外应应有有14个个电电子子分分为为三三层层绕绕核核运运动动，第第一一层层2个个电电子子，第第二二层层8个个电电子子，最最外外层层4个个电电子。子。（如图示）（如图示）硅原子结构示意图硅原子结构示意图硅原子核硅原子核第8页，本讲稿共44页 半导体硅材料基础知识半导体硅材料基础知识 通通常常我我们们把把原原子子核核最最外外层层的的电电子子叫叫作作价价电电子子，Si原原子子外外层层有有4个个价价电电子子，因因此此它它是是4价价元元素素。在在一一定定的的条条件件下下，这这4个个价价电电子子就就可可能能脱脱离离原原子子核核的的束束缚缚而而成成为为自自由由电电子子，从从而而使使
11、之之呈呈现现出出一一定定的的导导电性。电性。半半导导体体材材料料从从1782年年发发现现其其在在导导电电性性方方面面的的某某些些特特点点而而被被称称为为“半半导导体体”以以来来，在在其其研研究究领领域域不不断断取取得得新新的的突突破破，1883年年人人们们发发明明了了硒硒整整流流器器。1931年年英英国国科科学学家家威威尔尔逊逊发发表表了了半半导导体体的的能能带带理理论论，首首次次提提出出了了本本征征半半导导体体和和掺掺杂杂半半导导体体，施施主主和和受受主主等等概概念念。1947年年人人们们制制得得了了锗锗的的点点接接触触晶晶体体管管，同同年年发发现现了了锗锗的的PN结结光光伏伏效效应应。19
12、54年年制制作作出出硅硅的的PN结结太太阳阳电电池池。1959年年由由美美国国的的贝贝尔尔实验室制成了仅有三个电子原件组成的世界上第一个集成电路。实验室制成了仅有三个电子原件组成的世界上第一个集成电路。半半导导体体硅硅材材料料从从发发现现、发发展展至至今今不不过过200多多年年的的历历史史，由由于于它它的的特特殊殊性性质质而而在在电电力力电电子子、微微电电子子和和光光电电转转换换领领域域获获得得了了广广泛泛的的应应用用。如如今今人人们们谈谈论论半半导导体体犹犹如如谈谈论论粮粮食食和和钢钢铁铁一一样样，已已是是我我们们生生活活中中不不可可或或缺缺的的。我我们们的的家家用用电电器器、电电脑脑和和几
13、几乎乎所所有有的的自自动动控控制制系统无处不有系统无处不有第9页，本讲稿共44页 半导体硅材料基础知识半导体硅材料基础知识 半半导导体体芯芯片片的的身身影影。就就连连我我们们常常用用的的计计算算器器、手手机机、电电子子表表、数数码码相相机机、数数码码DV等等的的芯芯片片都都是是由由半半导导体体硅硅作的芯片而制成的。作的芯片而制成的。迄迄今今全全球球仅仅100亿亿美美元元的的多多晶晶硅硅材材料料支支撑撑起起约约500亿亿美美元元的的单单晶晶硅硅及及硅硅片片的的全全球球市市场场。然然而而就就是是这这些些材材料料支支持持了了大大约约2000亿亿美美元元的的电电力力电电子子工工业业，5000亿亿美美元
14、元的的集集成成电电路路产产业业和和约约100亿亿美美元元的的太太阳阳能能电电池池产产业业。如如果果说说半半导导体体硅硅材材料料在在前前50年年的的发发展展主主要要是是在在集集成成电电路路行行业业的的话话，时时至至今今日日，当当人人类类面面临临越越来来越越严严峻峻的的能能源源危危机机时时，它它将将快快速速进进入入为为人人类类提提供供清清洁洁环环保保能能源源的的行行列列。在在未未来来的的数数十十年年里里，硅硅片片将将为为我我们们提提供供更更多多、更更好好的的清清洁洁能能源。源。第10页，本讲稿共44页 二、半导体材料的分类：二、半导体材料的分类：对对半半导导体体材材料料的的分分类类方方法法很很多多
15、，但但常常见见的的是是将将半半导导体体材材料料分分为为以下四类：以下四类：1.元素半导体：常见的有硅、锗等。元素半导体：常见的有硅、锗等。2.化化合合物物半半导导体体：部部分分族族元元素素和和族族元元素素形形成成的的化化合合物物具具有有半半导导体体的的特特性性，且且被被广广泛泛应应用用。如如：族族化化合物：合物：GaAs、InP等。等。VI族化合物：族化合物：CdTe、CdS等。等。3.有有机机半半导导体体现现已已发发现现部部分分有有机机化化合合物物也也具具有有半半导导体体的的特特性性。如如：萘萘、蒽蒽、聚聚丙丙烯烯晴晴、酞酞青青以以及及一一些些芳芳香香类类化化合合物等。物等。4.无无定定形形
16、半半导导体体：无无定定形形硅硅（a硅硅）和和微微晶晶半半导导体体即即属属此此类类，其应用价值正在开发之中。其应用价值正在开发之中。第11页，本讲稿共44页 半导体材料的分类：半导体材料的分类：迄迄今今为为止止，工工艺艺最最为为成成熟熟、应应用用最最为为广广泛泛的的是是前前两两类类半半导导体体材材料料，尤尤其其是是半半导导体体硅硅材材料料，占占有有整整个个半半导导体体材材料料用用量量的的90%以以上上。硅硅材材料料是是世世界界新新材材料料中中工工艺艺最最为为成成熟熟、使使用用量量最最大大的的半半导导体体材材料料。它它的的实实验验室室纯纯度度可可接接近近本本征征硅硅，即即12个个“九九”，即即使使
17、是是大大工工业业生产也可以到生产也可以到79个个“九九”的纯度。的纯度。硅硅为为元元素素周周期期表表里里第第三三周周期期第第四四族族的的元元素素，原原子子序序数数为为14，原原子子量量是是28.09，核核外外电电子子排排布布为为：2，8，4，外外层层电电子子排排布布为为3S2 3P2，常常见见化化合合价价是是+2和和+4，在在地地球球上上常常以以SiO2的的形形式式存存在在。硅硅的的原原子子半半径径为为1.46,离离子子半半径径为为0.26(+4),共共价价半半径径为为1.11。硅硅的的密密度度为为2.33，熔熔点点1410，沸沸点点3265。它它是是1824年年由由瑞瑞典人典人Berzeli
18、us发现的。发现的。第12页，本讲稿共44页 三、半导体硅材料的制备三、半导体硅材料的制备 硅硅是是地地球球上上丰丰度度最最高高的的元元素素之之一一，其其丰丰度度达达到到25.7%,居居第第二二位位，它它多多以以SiO2的的形形式式存存在在，我我们们较较熟熟悉悉的的砂砂子子、石石头头、粘粘土土、石石英矿等的主要成分就是英矿等的主要成分就是SiO2。硅硅的的冶冶炼炼是是一一个个高高耗耗能能工工业业，中中国国是是世世界界上上冶冶金金级级硅硅产产量量最最多的国家之一。多的国家之一。下下面面分分别别介介绍绍冶冶金金级级硅硅（工工业业硅硅）、多多晶晶硅硅、单单晶晶硅硅的的冶冶炼炼和和制制备备工艺。工艺。
19、1.冶金级硅（亦称工业硅）的制备：冶金级硅（亦称工业硅）的制备：冶冶金金级级硅硅是是将将自自然然界界中中的的SiO2矿矿石石冶冶炼炼成成元元素素硅硅的的第第一一步步，它它是是将将比比较较纯纯净净的的SiO2矿矿石石和和木木炭炭或或石石油油焦焦一一起起放放入入电电弧弧炉炉里里,在电孤加热的情况下进行还原而制成。在电孤加热的情况下进行还原而制成。其反应式是：其反应式是：SiO2+2C Si+2CO 一般的冶金级硅分为两类：一般的冶金级硅分为两类：一类是供钢铁工业用的工业硅，其硅含量大约在一类是供钢铁工业用的工业硅，其硅含量大约在75%左右左右第13页，本讲稿共44页 半导体硅材料的制备半导体硅材料
20、的制备：有人把它称做有人把它称做“七五七五”硅，它主要用作冶炼硅钢或矽钢的原料。硅，它主要用作冶炼硅钢或矽钢的原料。另另一一类类是是供供制制备备半半导导体体硅硅用用的的，其其硅硅含含量量在在99.799.9%，它常用作制备半导体级多晶硅的原料。它常用作制备半导体级多晶硅的原料。2.多晶硅的制备：多晶硅的制备：目目前前全全世世界界多多晶晶硅硅的的生生产产方方法法大大体体有有三三种种：一一是是改改良良的的西西门门子子法；二是硅烷法；三是粒状硅法。法；二是硅烷法；三是粒状硅法。(1)改良的西门子法生产半导体级多晶硅：改良的西门子法生产半导体级多晶硅：这这是是目目前前全全球球大大多多数数多多晶晶硅硅生
21、生产产企企业业采采用用的的方方法法，知知名名的的企企业业有有美美国国的的Harmlock、日日本本的的TOKUYAMA、三三菱菱公公司司、德德国国的的瓦瓦克克公公司司以以及及乌乌克克兰兰和和意意大大利利的的多多晶晶硅硅厂厂。其其工艺流程是：工艺流程是：第14页，本讲稿共44页 半导体硅材料的制备半导体硅材料的制备：全全球球80%以以上上的的多多晶晶硅硅是是用用这这种种方方法法制制备备的的，其其纯纯度度可可达达79个个“九九”，基基本本可可以以满满足足大大规规模模集集成成电电路路的的要要求求。多多数数工工厂厂在在氢氢还还原原工工艺艺中中采采用用1224对对棒棒的的还还原原炉炉生生产产，多多晶晶硅
22、硅棒棒的的直直径径在在100200mm之之间间，炉炉产产量量在在1.53吨吨，大大约约要要180200小小时时才才能能生生产产一一炉炉。据据报报导导有有50对对棒棒的的还还原原炉，单炉产量可达炉，单炉产量可达10吨以上。吨以上。这这种种工工艺艺生生产产的的多多晶晶硅硅制制造造成成本本大大约约在在24USD/Kg左左右右，产产品品分分三三类类出出售售：IC工工业业用用的的中中段段料料市市场场价价约约35USD/Kg（正正常常价价），太太阳阳电电池池用用的的横横樑樑料料市市场场价价约约25USD/Kg。太太阳阳电电池池用用的的碳碳头头料料市市场场价价约约20USD/Kg（上上述述价价格格为为200
23、0年及其以前的市场价）。年及其以前的市场价）。经经验验上上，新新建建设设一一座座多多晶晶硅硅厂厂需需要要2836个个月月时时间间，而而老老厂厂扩扩建建生生产产线线也也需需要要大大约约1418个个月月时时间间，新新建建一一座座千千吨吨级级的的多多晶晶硅硅厂厂大大约约需需要要1012亿亿元元人民币，也就是说每吨的投资在人民币，也就是说每吨的投资在100万元人民币以上。万元人民币以上。用用改改良良西西门门子子法法生生产产多多晶晶硅硅工工艺艺复复杂杂，流流程程较较长长，有有较较多多的的化化工工过过程程，环环境境治治理理开开支支较较大大，用用水水和和用用电电量量较较多多，每每公公斤斤多多晶晶大大约约要要
24、耗耗电电200300KWh/。有资料报道国外每公斤多晶的最低电耗约。有资料报道国外每公斤多晶的最低电耗约150 KWh/。第15页，本讲稿共44页 半导体硅材料的制备半导体硅材料的制备：第16页，本讲稿共44页 半导体硅材料的制备半导体硅材料的制备：（2）硅烷法生产多晶硅：）硅烷法生产多晶硅：用用硅硅烷烷法法生生产产多多晶晶硅硅的的工工厂厂仅仅有有日日本本的的小小松松和和美美国国的的ASMY两两家家公公司司，其工艺流程是：其工艺流程是：用用硅硅烷烷法法生生产产多多晶晶硅硅的的工工艺艺相相对对简简单单，利利用用低低温温精精馏馏提提纯纯可可获获得得较较高高纯纯度度的的多多晶晶硅硅，纯纯度度高高达达
25、810个个“九九”，可可供供超超大大规规模模集集成成电电路路和和高高压压大大功功率率电电子子器器件件用用料料。制制造造成成本本和和市市场场价价都都略略高高于于用用改改良良西西门门子子法生产的多晶硅。法生产的多晶硅。值值得得一一提提的的是是硅硅烷烷（SiH4）是是易易于于燃燃烧烧和和爆爆炸炸的的气气体体，制制备备、储储存存、运运输输和和生生产产使使用用时时的的危危险险性性较较大大，很很多多工工厂厂都都把把SiH4储储灌灌深深埋埋于于地地下。下。第17页，本讲稿共44页 半导体硅材料的制备半导体硅材料的制备：（3）粒状多晶硅）粒状多晶硅 全全球球用用此此法法生生产产多多晶晶硅硅的的仅仅有有美美国国
26、休休斯斯顿顿的的PASADENA工工厂厂，据据说说是是上上世世纪纪七七十十年年代代由由美美国国宇宇航航局局支支持持，打打算算大大量量用用于于航航天天工工业业的的太太阳阳电电池池的的硅硅材材料料厂厂，它它的的生生产产流流程程与与硅硅烷烷法法生生产产多多晶晶硅硅的的工工艺艺大大体体相相似似，所所不不同同的的是是它它用用FBR炉炉沉沉积积出出来来的的多多晶晶硅硅不不是是棒棒状状，而而是是直直径径仅仅为为13mm的的硅硅粒粒。它它是是利利用用休休斯斯顿顿化化工工公公司司的的附附产产品品来来生生产产多多晶晶硅硅，其其缺缺点点是是纯纯度度不不如如以以上上两两种种方方法法生生产产的的多多晶晶硅硅，且且有有大
27、大量量的的粉粉末末状状硅硅，不不适适合合于于直直接接拉拉制制单单晶晶硅硅，所所以以大大多多数数单单晶晶硅硅厂厂不不愿意使用，但它却可以用作浇注硅的原料，生产太阳能电池。愿意使用，但它却可以用作浇注硅的原料，生产太阳能电池。据据报报导导，2006年年全全球球多多晶晶硅硅的的总总产产量量约约32500吨吨，其其中中40%左左右右产产于于美美国国，30%产产于于日日本本，20%左左右右产产于于欧欧洲洲（主主要要是是德德国国和和意意大利），大利），10%左右产于前苏联（主要是乌克兰的杜涅兹克工厂）。左右产于前苏联（主要是乌克兰的杜涅兹克工厂）。目目前前中中国国有有四四川川的的峨峨眉眉半半导导体体材材料
28、料厂厂、四四川川新新光光、洛洛阳阳中中硅硅等等生生产产多多晶晶硅硅，今今年年年年产产量量预预计计可可达达1000吨吨左左右右，只只占占世世界界产产量量的的2左右。左右。第18页，本讲稿共44页 半导体硅材料的制备半导体硅材料的制备：2004年年以以前前，全全球球太太阳阳能能电电池池的的总总产产量量尚尚处处在在500700MW时时，大大约约仅仅消消耗耗世世界界半半导导体体级级硅硅材材料料总总量量的的1/5左左右右，尚尚可可维维持持。2004年年全全球球太太阳阳能能电电池池的的总总产产量量首首次次超超过过1000MW（1.25GW)，2006年年超超过过2000MW（2.6GW)，这这将将消消耗耗
29、大大约约2万万吨吨以以上上的的硅硅材材料料，这这就就超超过过了了全全球球总总产产量量的的1/2，致致使使全全球球半半导导体体硅硅材材料料的的供供需需矛矛盾盾一一下下子子突突显显出出来来，考考虑虑到到一一般般多多晶晶硅硅工工厂厂的的扩扩建建大大致致需需要要14个月以上，所以近个月以上，所以近3年里这种供需矛盾难于完全缓解年里这种供需矛盾难于完全缓解3、单晶硅的制备：、单晶硅的制备：根根据据单单晶晶硅硅的的使使用用目目的的不不同同，单单晶晶硅硅的的制制备备工工艺艺也也不不相相同同，主要的制备工艺有两种：主要的制备工艺有两种：（1）区域熔炼法（简称区熔法或）区域熔炼法（简称区熔法或FZ法，法，Flo
30、at Zone）。）。这是制备高纯度，高阻单晶的方法。这是制备高纯度，高阻单晶的方法。它它是是利利用用杂杂质质在在其其固固体体和和液液体体中中分分凝凝系系数数的的差差异异，通通过过在在真真空空下下经数次乃至数十次的区域熔炼提纯，然后成晶而制得。经数次乃至数十次的区域熔炼提纯，然后成晶而制得。第19页，本讲稿共44页 半导体硅材料的制备半导体硅材料的制备：区区熔熔单单晶晶的的电电阻阻率率大大多多在在上上千千乃乃至至上上万万cm，主主要要用用作作制制备备高高能能粒粒子子探探测测器器，SCR及及大大功功率率整整流流元元件件，FZ单单晶晶的的市市场场价价大大多多在在 3000/kg以以上上，有的甚至达
31、上万元有的甚至达上万元/kg FZ硅生产工艺示意图如下：硅生产工艺示意图如下：第20页，本讲稿共44页 半导体硅材料的制备半导体硅材料的制备：（2）切克劳斯基法（简称直拉法。）切克劳斯基法（简称直拉法。CZ法，法，Czochralski）这这是是波波兰兰科科学学家家Czochralski于于1918年年发发明明的的单单晶晶生生长长方方法法,它它是是制制备备大大规规模模集集成成电电路路，普普通通二二极极管管和和太太阳阳能能电电池池单单晶晶使使用用的的方方法法。其其制制备备工工艺艺如下：如下：集集成成电电路路用用CZ单单晶晶的的一一次次成成品品率率大大约约在在5560%，正正常常状状态态下下市场价
32、为市场价为110-130USD/Kg。太太阳阳能能级级CZ单单晶晶的的一一次次成成品品率率可达可达6570%，正状态下市场价在，正状态下市场价在7090 USD/Kg。第21页，本讲稿共44页 半导体硅材料的制备半导体硅材料的制备：CZ硅生长工艺示意图：硅生长工艺示意图：第22页，本讲稿共44页 四、半导体硅材料的加工四、半导体硅材料的加工 几几乎乎所所有有的的半半导导体体器器件件厂厂家家使使用用的的硅硅材材料料都都是是片片状状，这这就就需需要要把把拉拉制制成成锭锭状状的的硅硅加加工工成成片片状状，我我们们这这里里所所讲讲的的硅硅材材料料加加工工，就就是是指指由由Ingot wafer的的过过
33、程程。硅硅片片的的加加工工大大体体包包括括：硅硅棒棒外外径径滚滚磨磨（含含定定向向）、硅硅切切片片、倒倒角角、硅硅磨磨片片、硅硅抛抛光光等等几几个个过过程程，现现分述如下：分述如下：1.硅棒外径滚磨：硅棒外径滚磨：是是将将拉拉制制的的具具有有4条条棱棱线线是是（100）晶晶向向的的单单晶晶或或3条条棱棱线线是是（111）晶向的单晶经滚磨制得完全等径的单晶锭。）晶向的单晶经滚磨制得完全等径的单晶锭。2.硅切片：硅切片：硅切片是将单晶硅圆锭加工成硅圆片的过程，通常使用的设备有两种：硅切片是将单晶硅圆锭加工成硅圆片的过程，通常使用的设备有两种：内内圆圆切切片片机机：一一般般加加工工直直径径6的的硅硅
34、单单晶晶锭锭。片片厚厚300400m，刀刀口口厚度在厚度在300350m，加工损失在，加工损失在50%以上。以上。用用这这种种设设备备加加工工的的硅硅切切片片一一般般有有划划道道、崩崩边边、且且平平整整度度较较差差，往往往往需需要研磨后才可使用。要研磨后才可使用。第23页，本讲稿共44页 半导体硅材料的加工半导体硅材料的加工：线线切切割割机机：一一般般用用于于加加工工直直径径6的的单单晶晶（如如8、12等等）,片片厚厚最最薄薄可可达达200250，刀刀口口厚厚度度200，加加工工损损失失在在40%左左右右，较较内内圆圆切切割割机机可可多多出出510%左左右右的的硅硅片片，用用这这种种设设备备加
35、加工工的的硅硅切切片片表表面光滑，平整度好，不用经过磨片工序即可投入太阳电池片的生产。面光滑，平整度好，不用经过磨片工序即可投入太阳电池片的生产。但线切割机较为昂贵，单机价格是内圆切片的但线切割机较为昂贵，单机价格是内圆切片的810倍。倍。3.硅磨片：硅磨片：一一般般是是双双面面磨磨，用用金金刚刚砂砂作作原原料料，去去除除厚厚度度在在50100时时大大约约需需要要1520分分钟钟，用用磨磨片片的的方方法法可可去去除除硅硅片片表表面面的的划划痕痕，污污渍渍和和图图形形等等，可可提提高高硅硅片片表表面面平平整整度度。凡凡用用内内圆圆切切片片机机加加工工的的硅硅片片一一般般都都需需要要进进行行研磨。
36、研磨。4.倒角：倒角：是将硅切片的边沿毛刺、崩边等倒掉。是将硅切片的边沿毛刺、崩边等倒掉。5.抛光片：抛光片：这是只有大规模集成电路工业才用的硅片，这里不述及。这是只有大规模集成电路工业才用的硅片，这里不述及。第24页，本讲稿共44页 五、半导体硅材料的电性能特点五、半导体硅材料的电性能特点 前前面面已已经经提提到到，半半导导体体材材料料的的导导电电性性能能介介于于导导体体和和绝绝缘缘体体之之间间，也就是说它的电阻率相对较大。也就是说它的电阻率相对较大。一一种种材材料料的的电电阻阻率率是是它它导导电电率率的的倒倒数数，电电阻阻率率的的单单位位是是：cm，它表示单位面积、单位长度下的电阻值。，它
37、表示单位面积、单位长度下的电阻值。硅材料的电性能有以下三个显著特点：硅材料的电性能有以下三个显著特点：一一是是它它对对温温度度的的变变化化十十分分灵灵敏敏：一一般般来来说说，金金属属导导体体或或绝绝缘缘体体的的电电阻阻率率随随温温度度的的变变化化很很小小，甚甚至至没没有有变变化化。如如金金属属铜铜的的温温度度每每升升高高100，其其电电阻阻率率仅仅增增加加40%。而而半半导导体体的的电电阻阻率率随随温温度度的的变变化化都都很很显显著著，如如锗锗的的温温度度从从20升升至至30时时，其其电电阻阻率率就就要要降降低低50%左左右右。这这是是由由于于当当温温度度升升高高时时，由由于于热热激激发发而而
38、使使载载流流子子浓浓度度大大大大增增加加，从从而而导导致致电电导导性性能能大大幅幅度度提高，而电阻率大幅度下降。提高，而电阻率大幅度下降。第25页，本讲稿共44页 半导体硅材料的电性能特点：半导体硅材料的电性能特点：二二是是微微量量杂杂质质的的存存在在对对电电阻阻率率的的影影响响十十分分显显著著：一一般般在在金金属属导导体体中中含含有有少少量量杂杂质质时时则则测测不不出出电电阻阻率率有有多多大大变变化化。但但如如果果在在纯纯净净的的半半导导体体材材料料中中掺掺入入少少量量杂杂质质，却却可可以以引引起起电电阻阻率率的的很很大大变变化化，如如在在纯纯硅硅中中加加入入百百万万分分之之一一的的硼硼（1
39、0-6），硅硅的的电电阻阻率率就就会会从从2.14103cm下下降降至至410-3cm。也也就就是是电电阻阻率率下下降降了了近近一一百百万万倍倍。这这是是因因为为杂杂质质的的加加入入提提供供了了大大量量的的载载流流子子，从而大大增加了半导体的导电性能。从而大大增加了半导体的导电性能。三三是是半半导导体体材材料料的的电电阻阻率率在在受受光光照照时时会会改改变变其其数数值值的的大大小小：金金属属导导体体或或绝绝缘缘体体的的电电阻阻率率一一般般不不受受光光照照的的影影响响。但但是是半半导导体体的的电电阻阻率率在在适适当当的的光光照照下下都都会会发发生生明明显显的的变变化化，这这是是因因为为半半导导体
40、体材材料料原原子子核核外外的的价价电电子子吸吸收收光光子子的的能能量量后后就就可可能能脱脱离离原原子子核核的的束束缚缚而而成成为为自自由由电电子子，从从而而增增加加体体内内的的载载流流子子浓浓度度，使之电阻率下降。使之电阻率下降。综综上上所所述述，半半导导体体的的电电阻阻率率数数值值对对温温度度、杂杂质质和和光光照照三三个个外外部条件变化有较高的敏感性。部条件变化有较高的敏感性。第26页，本讲稿共44页 六、半导体硅材料主要性能参数六、半导体硅材料主要性能参数 1.半导体的导电类型：（本征半导体、半导体的导电类型：（本征半导体、N型半导体、型半导体、P型半导体）型半导体）本本征征硅硅：习习惯惯
41、上上我我们们把把绝绝对对纯纯净净而而没没有有缺缺陷陷的的半半导导体体叫叫作作本本征征半半导导体体。通通常常纯纯净净而而没没有有缺缺陷陷的的硅硅晶晶体体叫叫作作本本征征硅硅。在在本本征征硅硅中中，导导电电的的电电子子或或空空穴穴都都是是由由于于其其价价键键破破裂裂而而产产生生的的，这这时时的的自自由由电电子子浓浓度度n和和空空穴穴的的浓浓度度p相相等等，这这个个浓浓度度称称为为本本征征载载流流子子浓浓度度ni，室室温温下下硅硅的的本本征征载载流流子子浓浓度度为为1010/cm3左右左右。根根据据制制作作不不同同器器件件的的不不同同需需要要，我我们们在在本本征征硅硅中中掺掺入入一一定定量量的的某某
42、种种杂杂质质就就得得到掺杂的硅。到掺杂的硅。N型型硅硅：若若在在纯纯硅硅中中掺掺入入V族族元元素素（如如磷磷、砷砷等等）以以后后，由由于于V族族元元素素最最外外层层是是5个个价价电电子子，当当这这5个个价价电电子子中中4个个与与硅硅原原子子最最外外层层的的4个个价价电电子子形形成成共共价价键键时时，就就会会有有一一个个多多余余的的电电子子脱脱离离出出来来成成为为自自由由电电子子，从从而而就就提提供供了了同同等等数数量量的的导导电电电电子子，这这种种能能提提供供自自由由电电子子的的杂杂质质统统称称为为施施主主杂杂质（如质（如P、AS等），掺入施主杂质的硅叫等），掺入施主杂质的硅叫N型硅。型硅。在
43、在N型型硅硅中中，电电子子浓浓度度远远大大于于空空穴穴的的浓浓度度，电电流流的的传传输输主主要要是是靠靠电电子子来来输输送送，这这时时的的电电子子叫叫多多数数载载流流子子（简简称称多多子子）。而而空空穴穴就就是是少少数数载载流流子子（简称少子），此时半导体硅中的电子浓度近似（简称少子），此时半导体硅中的电子浓度近似第27页，本讲稿共44页 半导体硅材料的主要性能参数：半导体硅材料的主要性能参数：等等于于施施主主杂杂质质的的浓浓度度（nND），在在N型型硅硅中中，掺掺杂杂元元素素是是磷磷，少少子子是是空空穴。穴。P型型硅硅：如如果果在在纯纯硅硅中中掺掺入入III族族元元素素（如如硼硼）以以后后，
44、由由于于硼硼原原子子的的最最外外层层是是3个个价价电电子子，当当它它进进入入硅硅的的晶晶体体构构成成共共价价键键时时，就就缺缺少少了了一一个个电电子子，因因而而它它就就有有一一种种从从别别处处夺夺来来一一个个电电子子使使自自己己成成为为负负离离子子、并并与与硅硅晶晶体体相相匹匹配配的的趋趋势势，因因此此我我们们可可以以认认为为硼硼原原子子是是带带有有一一个个很很容容易易游游离离于于晶晶体体间间的的空空穴穴。在在半半导导体体中中，这这种种具具有有接接受受电电子子的的杂杂质质称称为为受受主主杂杂质质。掺掺入入受受主主杂杂质质的的硅硅叫叫作作P型型硅硅，在在P型型硅硅中中，空空穴穴的的浓浓度度远远远
45、远大大于于电电子子的的浓浓度度，电电流流的的传传输输主主要要由由空空穴穴来来完完成成。空空穴穴是是多多子子，而而电电子子是是少少子子，此此时时的的空空穴穴浓浓度度近近似似等等于于受受主主的的浓浓度度（PNA）。在在P型硅中，掺杂元素是硼，少子是电子。型硅中，掺杂元素是硼，少子是电子。但但是是：在在一一般般的的掺掺杂杂硅硅中中，往往往往同同时时存存在在着着施施主主杂杂质质和和受受主主杂杂质质，这这时时硅硅的的导导电电类类型型就就由由浓浓度度较较高高的的那那种种杂杂质质来来决决定定，相相应应的的多多数数载载流流子子浓度分别为：浓度分别为：N型硅中：电子的浓度为型硅中：电子的浓度为nnNDNA （N
46、DNA）P型硅中：空穴的浓度为型硅中：空穴的浓度为npNAND （NDNA）(ND为施主浓度为施主浓度,NA为受主浓度为受主浓度)第28页，本讲稿共44页 半导体硅材料的主要性能参数：半导体硅材料的主要性能参数：2.晶体结构及缺陷晶体结构及缺陷 我我们们知知道道，自自然然界界中中的的固固体体可可以以分分为为晶晶体体和和非非晶晶体体两两大大类类，晶晶体体是是指指有有固固定定熔熔点点的的固固体体（如如：Si、GaAs、冰冰及及一一般般的的金金属属等等），而而没没有有固固定定熔熔点点，加加热热时时在在某某一一温温度度范范围围内内逐逐渐渐软软化化的固体叫作非晶体。（如：松香、玻璃、橡胶等）的固体叫作非
47、晶体。（如：松香、玻璃、橡胶等）（1）单晶、多晶和无定形：）单晶、多晶和无定形：晶体又可以分为单晶体、多晶体和无定形体。晶体又可以分为单晶体、多晶体和无定形体。现现有有的的晶晶体体都都是是由由原原子子、离离子子或或分分子子在在三三维维空空间间上上有有规规则则的的排排列列而而形形成成的的。这这种种对对称称的的有有规规则则排排列列叫叫作作晶晶体体的的点点阵阵或或叫叫晶晶格格。最最小小的的晶晶格格叫叫晶晶胞胞，晶晶胞胞的的各各向向长长度度叫叫晶晶格格常常数数。将将晶晶格格周周形形性性的的重重复复排排列列，就就可可以以构构成成整整个个晶晶体体，这这就就是是晶晶体体的的固固有有特特性性，而而非非晶晶体体
48、则则没没有有这这种种特特征征。那那种种近近程程有有序序而而远远程无序排列的称为无定形体。程无序排列的称为无定形体。一一块块晶晶体体如如果果从从头头至至尾尾都都按按同同一一种种排排列列重重复复下下去去叫叫作作单单晶晶体体，由由许许多多微微小单晶颗粒杂乱地排列在一起的称为多晶体。小单晶颗粒杂乱地排列在一起的称为多晶体。第29页，本讲稿共44页 半导体硅材料的主要性能参数：半导体硅材料的主要性能参数：（2）晶格结构）晶格结构 我我们们对对一一些些主主要要的的晶晶体体进进行行研研究究后后发发现现，其其中中的的晶晶胞胞多多不不相相同同，常常见见的的晶晶胞胞有有：简简单单立立方方结结构构、体体心心立立方方
49、结结构构、面面心心立立方方机机构构、金金刚刚石石结结构构（如如：Si、Ge等等），闪闪锌锌矿矿结结构构（如如GaAs、Gap、Iusb等等），一一般般元元素素半半导导体体多多为金刚石结构，为金刚石结构，IIIV族化合物半导体多为闪锌矿结构。族化合物半导体多为闪锌矿结构。金金刚刚石石结结构构是是两两个个面面心心立立方方结结构构的的晶晶胞胞在在对对角角线线上上滑滑移移1/4距距离离后后形形成成，而而闪闪锌锌矿矿结结构构是是在在金金刚刚石石结结构构中中把把相相邻两个邻两个Si原子分别换作原子分别换作Ga和和As而形成。而形成。第30页，本讲稿共44页 半导体硅材料的主要性能参数：半导体硅材料的主要性
50、能参数：（3）晶面和晶向：）晶面和晶向：晶晶体体中中那那些些位位于于同同一一平平面面内内的的原原子子形形成成的的平平面面称称为为晶晶面面。晶晶面面的的法法线线方方向向称称为为晶晶向向。单单晶晶常常用用的的晶晶向向有有（100）、（111）和和（110），晶晶体体在在不不同同的的方向上具有不同的性质，这就是晶体的多向异性。方向上具有不同的性质，这就是晶体的多向异性。第31页，本讲稿共44页 半导体硅材料的主要性能参数：半导体硅材料的主要性能参数：（4）晶体中的缺陷：）晶体中的缺陷：当当晶晶体体中中的的原原子子周周期期性性重重复复排排列列遭遭到到破破坏坏或或出出现现不不规规则则的的地地方方就就形形