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硅材料基礎知識

訪問:時間:2018-3-16 20:44:33

硅材料基礎知識

硅是重要的半導體材料,化學元素符號Si,電子工業上使用的硅應具有高純度和優良的電學和機械等性能。硅是產量最大、應用最廣的半導體材料,它的產量和用量標志著一個國家的電子工業水平。

    在研究和生產中,硅材料與硅器件相互促進。在第二次世界大戰中,開始用硅制作雷達的高頻晶體檢波器。所用的硅純度很低又非單晶體。1950年制出第一只硅晶體管,提高了人們制備優質硅單晶的興趣。1952年用直拉法(CZ)培育硅單晶成功。1953年又研究出無坩堝區域熔化法(FZ),既可進行物理提純又能拉制單晶。1955年開始采用鋅還原四氯化硅法生產純硅,但不能滿足制造晶體管的要求。1956年研究成功氫還原三氯氫硅法。對硅中微量雜質又經過一段時間的探索后,氫還原三氯氫硅法成為一種主要的方法。到1960年,用這種方法進行工業生產已具規模。硅整流器與硅閘流管的問世促使硅材料的生產一躍而居半導體材料的首位。60年代硅外延生長單晶技術和硅平面工藝的出現,不但使硅晶體管制造技術趨于成熟,而且促使集成電路迅速發展。80年代初全世界多晶硅產量已達2500噸。硅還是有前途的太陽電池材料之一。用多晶硅制造太陽電池的技術已經成熟;無定形非晶硅膜的研究進展迅速;非晶硅太陽電池開始進入市場。    化學成分 硅是元素半導體。電活性雜質磷和硼在合格半導體和多晶硅中應分別低于0.4ppb和0.1ppb。拉制單晶時要摻入一定量的電活性雜質,以獲得所要求的導電類型和電阻率。重金屬銅、金、鐵等和非金屬碳都是極有害的雜質,它們的存在會使PN結性能變壞。硅中碳含量較高,低于1ppm者可認為是低碳單晶。碳含量超過3ppm時其有害作用已較顯著。硅中氧含量甚高。氧的存在有益也有害。直拉硅單晶氧含量在5~40ppm范圍內;區熔硅單晶氧含量可低于1ppm。   

 硅的性質 硅具有優良的半導體電學性質。禁帶寬度適中,為1.21電子伏。載流子遷移率較高,電子遷移率為1350厘米□/伏□秒,空穴遷移率為480厘米□/伏□秒。本征電阻率在室溫(300K)下高達2.3×10□歐□厘米,摻雜后電阻率可控制在10□~10□ 歐□厘米的寬廣范圍內,能滿足制造各種器件的需要。硅單晶的非平衡少數載流子壽命較長,在幾十微秒至1毫秒之間。熱導率較大。化學性質穩定,又易于形成穩定的熱氧化膜。在平面型硅器件制造中可以用氧化膜實現PN結表面鈍化和保護,還可以形成金屬-氧化物-半導體結構,制造MOS場效應晶體管和集成電路。上述性質使PN結具有良好特性,使硅器件具有耐高壓、反向漏電流小、效率高、使用壽命長、可靠性好、熱傳導好,并能在200□高溫下運行等優點。    硅單晶的主要技術參數 硅單晶主要技術參數有導電類型、電阻率與均勻度、非平衡載流子壽命、晶向與晶向偏離度、晶體缺陷等。    導電類型 導電類型由摻入的施主或受主雜質決定。P型單晶多摻硼,N型單晶多摻磷,外延片襯底用N型單晶摻銻或砷。    電阻率與均勻度 拉制單晶時摻入一定雜質以控制單晶的電阻率。由于雜質分布不勻,電阻率也不均勻。電阻率均勻性包括縱向電阻率均勻度、斷面電阻率均勻度和微區電阻率均勻度。它直接影響器件參數的一致性和成品率。    非平衡載流子壽命 光照或電注入產生的附加電子和空穴瞬即復合而消失,它們平均存在的時間稱為非平衡載流子的壽命。非平衡載流子壽命同器件放大倍數、反向電流和開關特性等均有關系。壽命值又間接地反映硅單晶的純度,存在重金屬雜質會使壽命值大大降低。    晶向與晶向偏離度 常用的單晶晶向多為 (111)和(100)(見圖硅片導電類型和晶向標準 )。晶體的軸與晶體方向不吻合時,其偏離的角度稱為晶向偏離度。    晶體缺陷 生產電子器件用的硅單晶除對位錯密度有一定限制外,不允許有小角度晶界、位錯排、星形結構等缺陷存在。位錯密度低于 200/厘米□者稱為無位錯單晶,無位錯硅單晶占產量的大多數。在無位錯硅單晶中還存在雜質原子、空位團、自間隙原子團、氧碳或其他雜質的沉淀物等微缺陷。微缺陷集合成圈狀或螺旋狀者稱為旋渦缺陷。熱加工過程中,硅單晶微缺陷間的相互作用及變化直接影響集成電路的成敗。    類型和應用 硅單晶按拉制方法不同分為無坩堝區熔(FZ)單晶與有坩堝直拉(CZ)單晶。區熔單晶不受坩堝污染,純度較高,適于生產電阻率高于20歐□厘米的N型硅單晶(包括中子嬗變摻雜單晶)和高阻 P型硅單晶。由于含氧量低,區熔單晶機械強度較差。大量區熔單晶用于制造高壓整流器、晶體閘流管、高壓晶體管等器件。直接法易于獲得大直徑單晶,但純度低于區熔單晶,適于生產20歐□厘米以下的硅單晶。由于含氧量高,直拉單晶機械強度較好。大量直拉單晶用于制造MOS集成電路、大功率晶體管等器件。外延片襯底單晶也用直拉法生產。硅單晶商品多制成拋光片,但對FZ單晶片與CZ單晶片須加以區別。外延片是在硅單晶片襯底(或尖晶石、藍寶石等絕緣襯底)上外延生長硅單晶薄層而制成,大量用于制造雙極型集成電路、高頻晶體管、小功率晶體管等器件。    展望 硅是地殼上最豐富的元素半導體, 性質優越而工藝技術比較成熟,已成為固態電子器件的主要原料。為適應超大規模集成電路的需要,高完整性高均勻度(尤其是氧的分布) 的硅單晶制備技術正在發展。雖然在超速集成電路方面砷化鎵材料表現出巨大的優越性,但尚不可能全面取代硅的地位。硅材料在各種晶體三極管、尤其是功率器件制造方面仍是最主要的材料。無定形硅可能成為同單晶硅并列的重要硅材料。無定形硅和多晶硅太陽電池的成功將使硅材料的消耗量急劇增加。


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