功能材料概論8(半導(dǎo)體材料)

1、第七章第七章 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料電阻率介于導(dǎo)體與絕緣體之間，其范圍為電阻率介于導(dǎo)體與絕緣體之間，其范圍為1031010cm 的一種的一種固體物質(zhì)。電流是由帶正電的空穴和帶負(fù)電的電子的定向傳輸固體物質(zhì)。電流是由帶正電的空穴和帶負(fù)電的電子的定向傳輸實現(xiàn)的實現(xiàn)的。7.1 半導(dǎo)體材料發(fā)展概述半導(dǎo)體材料發(fā)展概述半導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)實際上可以追溯到很久以前，半導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)實際上可以追溯到很久以前，18331833年，年，英國巴拉迪最英國巴拉迪最先發(fā)現(xiàn)硫化銀的電阻隨著溫度的變化情況不同于一般金屬，一般情先發(fā)現(xiàn)硫化銀的電阻隨著溫度的變化情況不同于一般金屬，一般情況下，金屬的電阻隨溫度升高而增加，但巴拉迪發(fā)現(xiàn)硫化銀材料

2、的況下，金屬的電阻隨溫度升高而增加，但巴拉迪發(fā)現(xiàn)硫化銀材料的電阻是隨著溫度的上升而降低（負(fù)電阻溫度系數(shù)）電阻是隨著溫度的上升而降低（負(fù)電阻溫度系數(shù)）。這是半導(dǎo)體現(xiàn)。這是半導(dǎo)體現(xiàn)象的首次發(fā)現(xiàn)。象的首次發(fā)現(xiàn)。18391839年年法國的貝克萊爾發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體和電解質(zhì)接觸形成的結(jié)，在光照法國的貝克萊爾發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體和電解質(zhì)接觸形成的結(jié)，在光照下會產(chǎn)生一個電壓，這就是后來人們熟知的下會產(chǎn)生一個電壓，這就是后來人們熟知的光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)，這是被，這是被發(fā)現(xiàn)的半導(dǎo)體的第二個特征。發(fā)現(xiàn)的半導(dǎo)體的第二個特征。18741874年年，德國的布勞恩觀察到某些硫化物的電導(dǎo)與所加電場的方向，德國的布勞恩觀察到某些硫化物的

3、電導(dǎo)與所加電場的方向有關(guān)，即它的導(dǎo)電有方向性，在它兩端加一個正向電壓，它是導(dǎo)通有關(guān)，即它的導(dǎo)電有方向性，在它兩端加一個正向電壓，它是導(dǎo)通的；如果把電壓極性反過來，它就不導(dǎo)電，這就是半導(dǎo)體的的；如果把電壓極性反過來，它就不導(dǎo)電，這就是半導(dǎo)體的整流效整流效應(yīng)應(yīng)，也是半導(dǎo)體所特有的第三種特性。同年，舒斯特又發(fā)現(xiàn)了銅與，也是半導(dǎo)體所特有的第三種特性。同年，舒斯特又發(fā)現(xiàn)了銅與氧化銅的整流效應(yīng)。氧化銅的整流效應(yīng)。18731873年年，英國的史密斯發(fā)現(xiàn)硒晶體材料在光照下電導(dǎo)增加的，英國的史密斯發(fā)現(xiàn)硒晶體材料在光照下電導(dǎo)增加的光電導(dǎo)光電導(dǎo)效應(yīng)效應(yīng)，這是半導(dǎo)體又一個特有的性質(zhì)。，這是半導(dǎo)體又一個特有的性質(zhì)。半導(dǎo)

4、體的這四個效應(yīng)，雖在半導(dǎo)體的這四個效應(yīng)，雖在1880年以前就先后被發(fā)現(xiàn)了，年以前就先后被發(fā)現(xiàn)了，但半導(dǎo)體這個名詞大概到但半導(dǎo)體這個名詞大概到1911年年才被考尼白格和維斯首才被考尼白格和維斯首次使用。而次使用。而總結(jié)出半導(dǎo)體的這四個特性一直到總結(jié)出半導(dǎo)體的這四個特性一直到1947年年12月才由貝爾實驗室完成月才由貝爾實驗室完成。很多人會疑問，為什么半導(dǎo)體。很多人會疑問，為什么半導(dǎo)體被認(rèn)可需要這么多年呢？主要原因是被認(rèn)可需要這么多年呢？主要原因是當(dāng)時的材料不純當(dāng)時的材料不純。沒有好的材料，很多與材料相關(guān)的問題就難以說清楚。沒有好的材料，很多與材料相關(guān)的問題就難以說清楚。國際上于國際上于1941年

5、開始用多晶硅材料制成檢波器，可以認(rèn)為是半導(dǎo)年開始用多晶硅材料制成檢波器，可以認(rèn)為是半導(dǎo)體材料體材料應(yīng)用的開始應(yīng)用的開始。19481950年用切克勞斯基法成功地拉出了鍺單晶，并用它制成了年用切克勞斯基法成功地拉出了鍺單晶，并用它制成了世界第一個具有放大性能的鍺晶體三極管世界第一個具有放大性能的鍺晶體三極管(點接觸三極管點接觸三極管)。1951年用四氯化硅還原法制出了多晶硅，第二年用直拉法成功地年用四氯化硅還原法制出了多晶硅，第二年用直拉法成功地拉出世界上第一根硅單晶，同年制出了硅結(jié)型晶體管，從而大大拉出世界上第一根硅單晶，同年制出了硅結(jié)型晶體管，從而大大推進了半導(dǎo)體材料的廣泛應(yīng)用和半導(dǎo)體器件的飛

6、速發(fā)展。推進了半導(dǎo)體材料的廣泛應(yīng)用和半導(dǎo)體器件的飛速發(fā)展。20世紀(jì)世紀(jì)60年代初，出現(xiàn)了硅單晶薄層外延技術(shù)，特別是硅平面工年代初，出現(xiàn)了硅單晶薄層外延技術(shù)，特別是硅平面工藝和平面晶體管的出現(xiàn)，以及相繼出現(xiàn)的硅集成電路，對半導(dǎo)體藝和平面晶體管的出現(xiàn)，以及相繼出現(xiàn)的硅集成電路，對半導(dǎo)體材料質(zhì)量提出了更高的要求。這促使硅材料在提純，拉晶、區(qū)熔材料質(zhì)量提出了更高的要求。這促使硅材料在提純，拉晶、區(qū)熔等單晶制備方法方面進一步改進和提高，開始向高純度，高完整等單晶制備方法方面進一步改進和提高，開始向高純度，高完整性、高均勻性和大直徑方向發(fā)展。性、高均勻性和大直徑方向發(fā)展。與鍺，硅材料發(fā)展并行，與鍺，硅材料

7、發(fā)展并行， 化合物半導(dǎo)體材料的研制也早在化合物半導(dǎo)體材料的研制也早在50年代初年代初就開始了。就開始了。1952年人們發(fā)現(xiàn)年人們發(fā)現(xiàn)A-VA族化合物是一種與鍺、硅性質(zhì)類族化合物是一種與鍺、硅性質(zhì)類似的半導(dǎo)體材料，其中似的半導(dǎo)體材料，其中砷化鎵砷化鎵(GaAs)具有許多優(yōu)良的半導(dǎo)體性質(zhì)。具有許多優(yōu)良的半導(dǎo)體性質(zhì)。隨后各種隨后各種GaAs 器件如器件如GaAs激光器，微波振蕩器激光器，微波振蕩器(耿氏效應(yīng)器件耿氏效應(yīng)器件)等幾等幾十種十種GaAs器件相繼出現(xiàn)。器件相繼出現(xiàn)。隨著隨著GaAs化合物半導(dǎo)體材料的出現(xiàn)，其他化合物半導(dǎo)體材料如化合物半導(dǎo)體材料的出現(xiàn)，其他化合物半導(dǎo)體材料如A-A族化合物、三

8、元和多元化合物等也先后制備成功。族化合物、三元和多元化合物等也先后制備成功。在短短在短短20年間，先后出現(xiàn)了上千種化合物半導(dǎo)體材料。年間，先后出現(xiàn)了上千種化合物半導(dǎo)體材料。 70年代以來，電子技術(shù)以前所未有的速度突飛猛進，尤其是微電子年代以來，電子技術(shù)以前所未有的速度突飛猛進，尤其是微電子技術(shù)的興起，使人類從工業(yè)社會進入信息社會。技術(shù)的興起，使人類從工業(yè)社會進入信息社會。 微電子技術(shù)是電子微電子技術(shù)是電子器件與設(shè)備微型化的技術(shù)，一般來說是指半導(dǎo)體技術(shù)和集成電路技器件與設(shè)備微型化的技術(shù)，一般來說是指半導(dǎo)體技術(shù)和集成電路技術(shù)。術(shù)。它集中反映出現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展特點，從而出現(xiàn)了大規(guī)模集它集中反映出現(xiàn)

9、代電子技術(shù)的發(fā)展特點，從而出現(xiàn)了大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路。成電路和超大規(guī)模集成電路。這就對半導(dǎo)體材料提出了愈來愈高的要求，使半導(dǎo)體材料研究的主這就對半導(dǎo)體材料提出了愈來愈高的要求，使半導(dǎo)體材料研究的主攻目標(biāo)朝著高純度，高均勻性、高完整性，大尺寸方向發(fā)展。攻目標(biāo)朝著高純度，高均勻性、高完整性，大尺寸方向發(fā)展。近年來在國際市場上，半導(dǎo)體材料的高效率，低能耗，低成本的生近年來在國際市場上，半導(dǎo)體材料的高效率，低能耗，低成本的生產(chǎn)競爭，已愈演愈烈。產(chǎn)競爭，已愈演愈烈。與此同時，與此同時，70年代以來，國際上開始大力發(fā)展非晶半導(dǎo)體材料的研年代以來，國際上開始大力發(fā)展非晶半導(dǎo)體材料的研究，以期利用

10、無污染、廉價的太陽能來解決能源危機問題。究，以期利用無污染、廉價的太陽能來解決能源危機問題。利用非晶硅利用非晶硅(a-Si)材料制成了太陽能電池材料制成了太陽能電池(Solarcell)和其他非晶硅器和其他非晶硅器件：如存貯器件，傳感器件、視頻器件、件：如存貯器件，傳感器件、視頻器件、 MOS（金屬氧化物半導(dǎo)（金屬氧化物半導(dǎo)體體 metal oxide semiconductor）晶體管等器件，都已獲得可喜的）晶體管等器件，都已獲得可喜的進展和成果。進展和成果。然而，現(xiàn)階段無論是非晶半導(dǎo)體的理論，還是它在技術(shù)領(lǐng)域中的然而，現(xiàn)階段無論是非晶半導(dǎo)體的理論，還是它在技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用，都只是剛剛被開拓

11、，有的還很不成熟，仍有許多工作尚待應(yīng)用，都只是剛剛被開拓，有的還很不成熟，仍有許多工作尚待深入，但非晶半導(dǎo)體的前景是很廣闊的。深入，但非晶半導(dǎo)體的前景是很廣闊的。此外，利用多種化學(xué)和物理氣相淀積技術(shù)，可制造一系列薄膜晶此外，利用多種化學(xué)和物理氣相淀積技術(shù)，可制造一系列薄膜晶體，其中分子束外延的成功使人為改變晶體結(jié)構(gòu)、制造超晶格材體，其中分子束外延的成功使人為改變晶體結(jié)構(gòu)、制造超晶格材料成為可能。料成為可能。在宇航微重力條件下對晶體生長的一系列研究，為半導(dǎo)體材料的在宇航微重力條件下對晶體生長的一系列研究，為半導(dǎo)體材料的發(fā)展，提供了光明的前景。發(fā)展，提供了光明的前景。（神舟二號（神舟二號 - 太空

12、實驗室）太空實驗室）由于太空中幾乎沒有重力，在這種特殊的環(huán)境中，各種比重不同的物質(zhì)由于太空中幾乎沒有重力，在這種特殊的環(huán)境中，各種比重不同的物質(zhì)可以在一起可以在一起“和平共處和平共處”，幾乎沒有地面上的對流和沉淀等現(xiàn)象，可以，幾乎沒有地面上的對流和沉淀等現(xiàn)象，可以生長出地面上得不到的結(jié)構(gòu)完整、性能優(yōu)良的晶體材料。生長出地面上得不到的結(jié)構(gòu)完整、性能優(yōu)良的晶體材料。 7.2 半導(dǎo)體材料基本概念和分類半導(dǎo)體材料基本概念和分類7.2.1 半導(dǎo)體材料基本概念半導(dǎo)體材料基本概念7.2.2 半導(dǎo)體材料的半導(dǎo)體材料的分類分類按功能和應(yīng)用分為：按功能和應(yīng)用分為：微電子材料、光電半導(dǎo)體材料、熱電半導(dǎo)微電子材料、光

13、電半導(dǎo)體材料、熱電半導(dǎo)體材料、微波半導(dǎo)體材料、敏感半導(dǎo)體材料體材料、微波半導(dǎo)體材料、敏感半導(dǎo)體材料等；等；按組成和結(jié)構(gòu)分類：按組成和結(jié)構(gòu)分類：元素半導(dǎo)體、化合物半導(dǎo)體、固溶體元素半導(dǎo)體、化合物半導(dǎo)體、固溶體半導(dǎo)體、非晶態(tài)半導(dǎo)體、有機半導(dǎo)體半導(dǎo)體、非晶態(tài)半導(dǎo)體、有機半導(dǎo)體。 1. 元素半導(dǎo)體元素半導(dǎo)體元素半導(dǎo)體大約有十幾種處于元素半導(dǎo)體大約有十幾種處于IIIA族族-VIIA族的金屬與非金族的金屬與非金屬的交界處，如屬的交界處，如Si、Ge、B、Se、Te以及以及S、P、As、Sb、Sn等的同素異形體。等的同素異形體。硅在整個半導(dǎo)體材料占絕對優(yōu)勢。目前，硅在整個半導(dǎo)體材料占絕對優(yōu)勢。目前，90以上

14、的半導(dǎo)體以上的半導(dǎo)體器件和電路都是用器件和電路都是用Si來制作的。來制作的。周期周期BAAAAA2硼硼B(yǎng)碳碳C氮氮N3鋁鋁Al硅硅Si磷磷P硫硫S4鋅鋅Zn鎵鎵Ga鍺鍺Ge砷砷As硒硒Se5鎘鎘Cd銦銦In錫錫Sn銻銻Sb碲碲Te碘碘I2. 化合物半導(dǎo)體化合物半導(dǎo)體（1）二元化合物半導(dǎo)體）二元化合物半導(dǎo)體a. IIIA族和族和VA族元素組成的族元素組成的IIIA-VA族化合物半導(dǎo)體。即族化合物半導(dǎo)體。即Al、Ga、In和和P、As、Sb組成的組成的9種種IIIA-VA族化合物半導(dǎo)體，如族化合物半導(dǎo)體，如AlP、AlAs、Alsb、GaP、GaAs、GaSb、InP、InAs、InSb等。等。b

15、. IIB族和族和VIA族元素組成的族元素組成的IIB-VIA族化合物半導(dǎo)體，即族化合物半導(dǎo)體，即Zn、Cd、Hg與與S、Se、Te成的成的12種種IIB-VIA族化合物半導(dǎo)體，如族化合物半導(dǎo)體，如CdS、CdTe、CdSe等。等。c. IVA族元素之間組成的族元素之間組成的IVA-IVA族化合物半導(dǎo)體，如族化合物半導(dǎo)體，如SiC等。等。d. IVA和和VIA族元素組成的族元素組成的IVA-VIA族化合物半導(dǎo)體，如族化合物半導(dǎo)體，如GeS、GeSe、SnTe、PbS、PbTe等共等共9種。種。e. VA族和族和VIA族元素組成的族元素組成的VA-VIA族化合物半導(dǎo)體，如族化合物半導(dǎo)體，如AsS

16、e3、AsTe3、AsS3、SbS3等。等。 （2）多元化合物半導(dǎo)體）多元化合物半導(dǎo)體a. IB-IIIA -(VIA)2組成的多元化合物半導(dǎo)體，如組成的多元化合物半導(dǎo)體，如AgGeTe2等。等。b. IB-VA-(VIA)2組成的多元化合物半導(dǎo)體，如組成的多元化合物半導(dǎo)體，如AgAsSe2等。等。c. (IB)2-IIB-IVA-(VIA)4組成的多元化合物半導(dǎo)體，如組成的多元化合物半導(dǎo)體，如Cu2CdSnTe4等。等。3. 固溶體半導(dǎo)體固溶體半導(dǎo)體固溶體是由固溶體是由二個或多個晶格結(jié)構(gòu)類似的元素化合物二個或多個晶格結(jié)構(gòu)類似的元素化合物相互溶合而成。相互溶合而成。元元素半導(dǎo)體或化合物半導(dǎo)體相

17、互溶解而成的半導(dǎo)體材料稱為固溶體半導(dǎo)素半導(dǎo)體或化合物半導(dǎo)體相互溶解而成的半導(dǎo)體材料稱為固溶體半導(dǎo)體。它的一個重要特性是體。它的一個重要特性是禁帶寬度（禁帶寬度（Eg）隨固溶度的成分變化隨固溶度的成分變化，因此，因此可以利用固溶體得到有多種性質(zhì)的半導(dǎo)體材料。例如可以利用固溶體得到有多種性質(zhì)的半導(dǎo)體材料。例如Ge-Si固溶體固溶體Eg的變化范圍約在的變化范圍約在0.71.2ev，GaAs-GaP固溶體固溶體Eg變化范圍約在變化范圍約在1.352.25ev。所以可以利用所以可以利用GaAs1-xPx，隨，隨x變化而作出能發(fā)不同波長變化而作出能發(fā)不同波長的發(fā)光二極管。的發(fā)光二極管。Sb2Te3-Bi2

18、Te3相相Bi2Se3-Bi2Te3是較好的溫差電材料。是較好的溫差電材料。固溶體半導(dǎo)體用于制備光電子器件、各種波長的激光器、探測器、光固溶體半導(dǎo)體用于制備光電子器件、各種波長的激光器、探測器、光電子集成電路、特種晶體管等電子集成電路、特種晶體管等 。又有又有二元系和三元系二元系和三元系之分。如之分。如A-A組成的組成的Ge-Si固溶體，固溶體，VA-VA組組成的成的Bi-Sb二元系固溶體；二元系固溶體；(A-VA)-(A-VA)組成的三元化合物固溶組成的三元化合物固溶體，如體，如GaAs-GaP組成的鎵砷磷組成的鎵砷磷(Ga-As1-xPx)固溶體和固溶體和(A-A)-(A-A)組成的，如組

19、成的，如HgTe-CdTe兩個二元化合物組成的連續(xù)固溶體碲鎘汞兩個二元化合物組成的連續(xù)固溶體碲鎘汞 (Hg1-xCdxTe)等。等。4. 非晶態(tài)半導(dǎo)體非晶態(tài)半導(dǎo)體非晶態(tài)物質(zhì)的特征是原子排列沒有規(guī)律。從長程看雜亂無章，有時非晶態(tài)物質(zhì)的特征是原子排列沒有規(guī)律。從長程看雜亂無章，有時也叫無定形物質(zhì)。在非晶態(tài)材料中有一些在常態(tài)下是絕緣體或高阻也叫無定形物質(zhì)。在非晶態(tài)材料中有一些在常態(tài)下是絕緣體或高阻體，但是在達到一定值的外界條件（如電場、光、溫度等）時，就體，但是在達到一定值的外界條件（如電場、光、溫度等）時，就呈現(xiàn)出半導(dǎo)體電性能，稱之為非晶態(tài)半導(dǎo)體材料，也叫玻璃態(tài)半導(dǎo)呈現(xiàn)出半導(dǎo)體電性能，稱之為非晶態(tài)

20、半導(dǎo)體材料，也叫玻璃態(tài)半導(dǎo)體。主要有非晶體。主要有非晶Si、非晶、非晶Ge、非晶、非晶Te、非晶、非晶Se等元素半導(dǎo)體及等元素半導(dǎo)體及GeTe，As2Te3，Se2As3等非晶化合物半導(dǎo)體。非晶態(tài)半導(dǎo)體材料在開關(guān)元等非晶化合物半導(dǎo)體。非晶態(tài)半導(dǎo)體材料在開關(guān)元件、記憶元件、固體顯示、熱敏電阻和件、記憶元件、固體顯示、熱敏電阻和太陽能電池太陽能電池等的應(yīng)用方面都等的應(yīng)用方面都有令人鼓舞的前景。例如，有令人鼓舞的前景。例如，a-Si 太陽能電池產(chǎn)量已占總太陽能電池太陽能電池產(chǎn)量已占總太陽能電池產(chǎn)量的產(chǎn)量的30，它不僅占領(lǐng)了計算器等家用電器電源的市場，而且裝，它不僅占領(lǐng)了計算器等家用電器電源的市場，而

21、且裝備了太陽能電池汽車和模型飛機；備了太陽能電池汽車和模型飛機；500kW的電站己投入試運行。的電站己投入試運行。5.有機半導(dǎo)體有機半導(dǎo)體6.有機半導(dǎo)體分為有機半導(dǎo)體分為有機分子晶體、有機分子絡(luò)合物和高分子聚合有機分子晶體、有機分子絡(luò)合物和高分子聚合物物，一般指具有半導(dǎo)體性質(zhì)的碳，一般指具有半導(dǎo)體性質(zhì)的碳-碳雙鍵有機化合物，苯的衍生碳雙鍵有機化合物，苯的衍生物，萘、蒽等。一些有機半導(dǎo)體具有良好的性能，如聚乙烯咔物，萘、蒽等。一些有機半導(dǎo)體具有良好的性能，如聚乙烯咔唑衍生物有良好的光電導(dǎo)特性，光照后電導(dǎo)率可改變兩個數(shù)量唑衍生物有良好的光電導(dǎo)特性，光照后電導(dǎo)率可改變兩個數(shù)量級。級。C60也屬有機半

22、導(dǎo)體。也屬有機半導(dǎo)體。7.3 化合物半導(dǎo)體材料化合物半導(dǎo)體材料7.3.1 砷化鎵（砷化鎵（GaAs）GaAs晶體呈暗灰色，有金屬光澤，分子量為晶體呈暗灰色，有金屬光澤，分子量為144.64，原子密度，原子密度4.421022/cm3。GaAs室溫下不溶于鹽酸，可與濃硝酸反應(yīng)，易溶室溫下不溶于鹽酸，可與濃硝酸反應(yīng)，易溶于王水；室溫下，于王水；室溫下，GaAs在水蒸氣和氧氣中穩(wěn)定，加熱到在水蒸氣和氧氣中穩(wěn)定，加熱到6000C開始開始氧化，氧化，加熱到加熱到8000C以上開始離解。以上開始離解。砷化鎵的化學(xué)鍵和能帶結(jié)構(gòu)與硅、鍺不同，為直接帶隙結(jié)構(gòu)。禁帶砷化鎵的化學(xué)鍵和能帶結(jié)構(gòu)與硅、鍺不同，為直接帶隙

23、結(jié)構(gòu)。禁帶寬度比硅、鍺都大，為寬度比硅、鍺都大，為1.43eV。砷化鎵具有雙能谷導(dǎo)帶，在外電場。砷化鎵具有雙能谷導(dǎo)帶，在外電場下電子在能谷中躍遷，遷移率變化，電子轉(zhuǎn)移后電流隨電場增大而下電子在能谷中躍遷，遷移率變化，電子轉(zhuǎn)移后電流隨電場增大而減小，產(chǎn)生減小，產(chǎn)生“負(fù)阻效應(yīng)負(fù)阻效應(yīng)”。砷化鎵的介電常數(shù)和電子有效質(zhì)量均小，。砷化鎵的介電常數(shù)和電子有效質(zhì)量均小，電子遷移率高，達電子遷移率高，達8000cm2Vs ，是一種特性比較全面兼有多方面，是一種特性比較全面兼有多方面優(yōu)點的材料。優(yōu)點的材料。 發(fā)光效率比其它半導(dǎo)體材料要高得多發(fā)光效率比其它半導(dǎo)體材料要高得多，可以制備發(fā)光二極管，光電器件，可以制備

24、發(fā)光二極管，光電器件和半導(dǎo)體激光器等。和半導(dǎo)體激光器等。GaAs在無線通訊方面具有眾多優(yōu)勢，在無線通訊方面具有眾多優(yōu)勢，GaAs是功率放是功率放大器的主流技術(shù)。大器的主流技術(shù)。砷化鎵砷化鎵硅硅最大頻率范圍最大頻率范圍2300GHz1GHz最大操作溫度最大操作溫度200oC120oC電子遷移速率電子遷移速率高高低低抗輻射性抗輻射性高高低低聚光能聚光能是是否否高頻下使用高頻下使用雜訊少雜訊少雜訊多，不易克服雜訊多，不易克服功率耗損功率耗損小小高高元件大小元件大小小小大大材料成本材料成本高高低低產(chǎn)品良率產(chǎn)品良率低低高高7.3.2 氮化鎵（氮化鎵（GaN）GaN材料的研究與應(yīng)用是目前全球半導(dǎo)體研究的前

25、沿和熱點，是研材料的研究與應(yīng)用是目前全球半導(dǎo)體研究的前沿和熱點，是研制微電子器件、光電子器件的新型半導(dǎo)體材料，并與制微電子器件、光電子器件的新型半導(dǎo)體材料，并與SiC、金剛石、金剛石等等半導(dǎo)體材料一起被譽為半導(dǎo)體材料一起被譽為第三代半導(dǎo)體材料第三代半導(dǎo)體材料。（。（硅和鍺被稱為第一代硅和鍺被稱為第一代電子材料，電子材料，III-V族化合物半導(dǎo)體包括族化合物半導(dǎo)體包括GaAs、GaP、InP及其合金，及其合金，被稱為第二代電子材料，被稱為第二代電子材料，SiC、c-BN、GaN、AlN、ZnSe和金剛石等和金剛石等寬禁帶半導(dǎo)體材料被稱為第三代電子材料。寬禁帶半導(dǎo)體材料被稱為第三代電子材料。 ）它

26、具有寬的直接帶隙、強的原子鍵、高的熱導(dǎo)率、化學(xué)穩(wěn)定性好它具有寬的直接帶隙、強的原子鍵、高的熱導(dǎo)率、化學(xué)穩(wěn)定性好（幾乎不被任何酸腐蝕）等性質(zhì)和強的抗輻照能力。（幾乎不被任何酸腐蝕）等性質(zhì)和強的抗輻照能力。在光電子、高溫大功率器件和高頻微波器件應(yīng)用方面有著廣闊的前在光電子、高溫大功率器件和高頻微波器件應(yīng)用方面有著廣闊的前景，是很優(yōu)越的景，是很優(yōu)越的微波材料，微波材料，其其硬度高硬度高，又是一種良好的涂層保護材，又是一種良好的涂層保護材料料 。在室溫下，在室溫下，GaN不溶于水、酸和堿不溶于水、酸和堿；在熱的堿溶液中以非常緩慢的；在熱的堿溶液中以非常緩慢的速度溶解；速度溶解；NaOH、H2SO4和和

27、H3PO4能較快地腐蝕質(zhì)量差能較快地腐蝕質(zhì)量差GaN，可用，可用于這些質(zhì)量不高的于這些質(zhì)量不高的GaN晶體的缺陷檢測；晶體的缺陷檢測；GaN在在HCL或或H2氣中，在氣中，在高溫下呈現(xiàn)不穩(wěn)定特性；高溫下呈現(xiàn)不穩(wěn)定特性；而在而在N2氣下最為穩(wěn)定。氣下最為穩(wěn)定。室溫下室溫下GaN禁帶寬度為禁帶寬度為3.4 eV。在大氣壓力下，在大氣壓力下，GaN晶體晶體一般是六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)。一般是六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)。高頻特性，高頻特性，可以達到可以達到300G Hz（硅為（硅為10G，砷化鎵為，砷化鎵為80G）高溫特性高溫特性，在，在300正常工作（非常適用于航天、軍事和其它高溫環(huán)正常工作（非常適用于航天、軍事和其它

28、高溫環(huán)境）境）電子漂移飽和速度高、介電常數(shù)小、導(dǎo)熱性能好電子漂移飽和速度高、介電常數(shù)小、導(dǎo)熱性能好耐酸、耐堿、耐腐蝕耐酸、耐堿、耐腐蝕（可用于惡劣環(huán)境）（可用于惡劣環(huán)境）高壓特性高壓特性（耐沖擊，可靠性高）（耐沖擊，可靠性高）大功率大功率（制備通訊設(shè)備非常需要）（制備通訊設(shè)備非常需要）GaN的電學(xué)特性是影響器件的主要因素。的電學(xué)特性是影響器件的主要因素。未有意摻雜的未有意摻雜的GaN在各種情況下都呈在各種情況下都呈n型型，最好的樣品的電子濃度約，最好的樣品的電子濃度約為為41016/cm2，一般情況下所制備的，一般情況下所制備的p型樣品，都是高補償?shù)摹Ｐ蜆悠?，都是高補償?shù)摹?寬帶隙化合物半導(dǎo)體

29、材料，有很高的禁帶寬度（寬帶隙化合物半導(dǎo)體材料，有很高的禁帶寬度（26.2eV)，可以覆可以覆蓋紅、黃、綠、藍、紫和紫外光譜范圍蓋紅、黃、綠、藍、紫和紫外光譜范圍 ，是到目前為止其它任何半，是到目前為止其它任何半導(dǎo)體材料都無法達到的。導(dǎo)體材料都無法達到的。主要在藍光和紫光發(fā)射器件上應(yīng)用。主要在藍光和紫光發(fā)射器件上應(yīng)用。國內(nèi)外倍加關(guān)注的半導(dǎo)體照明是一種新型的高效、節(jié)能和環(huán)保光源，國內(nèi)外倍加關(guān)注的半導(dǎo)體照明是一種新型的高效、節(jié)能和環(huán)保光源，將取代目前使用的大部分傳統(tǒng)光源，被稱為將取代目前使用的大部分傳統(tǒng)光源，被稱為21世紀(jì)照明光源的革命，世紀(jì)照明光源的革命，而而GaN基高效率、高亮度發(fā)光二極管的研

30、制是實現(xiàn)半導(dǎo)體照明的核基高效率、高亮度發(fā)光二極管的研制是實現(xiàn)半導(dǎo)體照明的核心技術(shù)和基礎(chǔ)心技術(shù)和基礎(chǔ)。發(fā)光二極管發(fā)光二極管Light-Emitting Diode 是是由由數(shù)層很薄的摻雜半導(dǎo)體材料數(shù)層很薄的摻雜半導(dǎo)體材料制成。制成。（P136頁發(fā)光材料）頁發(fā)光材料）當(dāng)通過正向電流時，當(dāng)通過正向電流時，n區(qū)電子獲得能量區(qū)電子獲得能量越過越過PN結(jié)的禁帶與結(jié)的禁帶與p區(qū)的空穴復(fù)合以光區(qū)的空穴復(fù)合以光的形式釋放出能量。的形式釋放出能量。7.3.3 碳化（碳化（SiC）SiC是一種重要的寬禁帶半導(dǎo)體材料。純凈的是一種重要的寬禁帶半導(dǎo)體材料。純凈的SiC無色透明，晶體無色透明，晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有近百種。常見

31、的典型結(jié)構(gòu)有結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有近百種。常見的典型結(jié)構(gòu)有3C(也稱也稱-SiC)、4H、6H、15R-SiC。后三種統(tǒng)稱為。后三種統(tǒng)稱為-SiC，其中，其中6H-SiC是穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，是穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，制備工藝成熟。制備工藝成熟。C代表立方晶格代表立方晶格(閃鋅礦閃鋅礦)結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)；H代表六方晶格代表六方晶格(纖纖鋅礦結(jié)構(gòu)鋅礦結(jié)構(gòu))；R代表菱型結(jié)構(gòu)；代表菱型結(jié)構(gòu)；-SiC代表所有具有立方結(jié)構(gòu)的代表所有具有立方結(jié)構(gòu)的SiC多型體。多型體。 SiC的硬度高，莫氏硬度為的硬度高，莫氏硬度為9，低于金剛石，低于金剛石(10)而高于剛玉而高于剛玉(8)。由。由于于SiC單晶具有較大的熱導(dǎo)率、寬禁帶、高電子飽和速度和高

32、擊單晶具有較大的熱導(dǎo)率、寬禁帶、高電子飽和速度和高擊穿電壓等特性，是制作高功率、高頻率、高溫穿電壓等特性，是制作高功率、高頻率、高溫“三高三高”器件的優(yōu)器件的優(yōu)良襯底材料，并可用于制作發(fā)藍光的發(fā)光二極管。良襯底材料，并可用于制作發(fā)藍光的發(fā)光二極管。 7.3.4 碲鎘汞（碲鎘汞（ HgCdTe ）碲鎘汞材料是目前最重要的碲鎘汞材料是目前最重要的紅外探測器材料紅外探測器材料，它具有可調(diào)節(jié)的能帶，它具有可調(diào)節(jié)的能帶結(jié)構(gòu)，探測器可覆蓋結(jié)構(gòu)，探測器可覆蓋125m的紅外波段，且光吸收系數(shù)大。的紅外波段，且光吸收系數(shù)大。碲鎘汞是由碲、鎘和汞組成的三元固溶體碲鎘汞是由碲、鎘和汞組成的三元固溶體 ，它們分屬于，

33、它們分屬于VIA 族和族和IIB族元素。該材料的物理性質(zhì)隨組分族元素。該材料的物理性質(zhì)隨組分x的變化可連續(xù)地從的變化可連續(xù)地從金屬性變金屬性變到半導(dǎo)體到半導(dǎo)體，即隨著，即隨著x的增大，其禁帶寬度從的增大，其禁帶寬度從HgTe的負(fù)值過渡到的負(fù)值過渡到CdTe的正值。由此可見的正值。由此可見Hg1-xCdxTe晶體材料通過晶體材料通過HgTe和和CdTe所含的克分所含的克分子比，可子比，可隨意改變材料的能隙寬度隨意改變材料的能隙寬度。例如，可從。例如，可從x = 0.17時的零電子時的零電子伏特變到伏特變到x = 1時的時的1.60 eV。 Hg1-xCdxTe是一種直接躍遷型半導(dǎo)體，是一種直接躍

34、遷型半導(dǎo)體，其本征載流子濃度低，電子有效質(zhì)量小，電子遷移率高，電子與空其本征載流子濃度低，電子有效質(zhì)量小，電子遷移率高，電子與空穴遷移率比大，導(dǎo)電類型可以由本身組分的偏離來調(diào)節(jié)，也可以用穴遷移率比大，導(dǎo)電類型可以由本身組分的偏離來調(diào)節(jié)，也可以用摻雜辦法來控制，它便于制成光導(dǎo)或光伏型的探測器件。摻雜辦法來控制，它便于制成光導(dǎo)或光伏型的探測器件。 Hg1-xCdxTe的靜電介電常數(shù)為的靜電介電常數(shù)為1417，高頻介電常數(shù)為，高頻介電常數(shù)為1012.5，且，且隨組分不同而有所差別，因此可制成高速響應(yīng)器件，滿足高頻調(diào)制、隨組分不同而有所差別，因此可制成高速響應(yīng)器件，滿足高頻調(diào)制、外差探測和光通迅要求。

35、外差探測和光通迅要求。另外，另外， Hg1-xCdxTe的固有氧化表面態(tài)密度低于的固有氧化表面態(tài)密度低于109，適于制作金屬，適于制作金屬-絕緣體絕緣體-半導(dǎo)體半導(dǎo)體(MIS)或金屬或金屬-氧化物氧化物-半導(dǎo)體半導(dǎo)體(MOS)結(jié)構(gòu)型的器件。結(jié)構(gòu)型的器件。從上述優(yōu)越的光電特性看出，從上述優(yōu)越的光電特性看出，HgCdTe是繼硅、砷化鎵等材料之后是繼硅、砷化鎵等材料之后的第三代應(yīng)用最廣泛的電子材料。的第三代應(yīng)用最廣泛的電子材料?；衔锇雽?dǎo)體材料經(jīng)過幾十年的研究，已成為信息領(lǐng)域中的一個重化合物半導(dǎo)體材料經(jīng)過幾十年的研究，已成為信息領(lǐng)域中的一個重要方面，在微波、超高速器件、光電器件等方面有廣泛的應(yīng)用?；?/p>

36、要方面，在微波、超高速器件、光電器件等方面有廣泛的應(yīng)用?；衔锇雽?dǎo)體單晶材料的發(fā)展趨勢是高純度、大尺寸、高均勻性。合物半導(dǎo)體單晶材料的發(fā)展趨勢是高純度、大尺寸、高均勻性。7.4 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料硅硅硅在自然界分布極廣，地殼中約含硅在自然界分布極廣，地殼中約含26.3，在自然界中是，在自然界中是沒有游離態(tài)沒有游離態(tài)的硅，的硅，主要以主要以二氧化硅和硅酸鹽二氧化硅和硅酸鹽的形式存在。的形式存在。原子序數(shù)原子序數(shù)14，相對原子質(zhì)量，相對原子質(zhì)量28.09，有，有無定形無定形和和晶體兩種同素異形體晶體兩種同素異形體，屬于元素周期表上屬于元素周期表上IVA族的類金屬元素。族的類金屬元素。晶體硅為鋼灰

37、色，密度晶體硅為鋼灰色，密度2.4 g/cm3，熔點，熔點1420，沸點，沸點2355，晶體硅，晶體硅屬于原子晶體，硬而有光澤，有半導(dǎo)體性質(zhì)屬于原子晶體，硬而有光澤，有半導(dǎo)體性質(zhì)。常溫下，只與常溫下，只與強堿、氟化氫、氟氣強堿、氟化氫、氟氣反應(yīng)，高溫下與氧反應(yīng)生成反應(yīng)，高溫下與氧反應(yīng)生成SiO2。Si+2F2=SiF4Si+4HF=SiF4 +2H2Si+ 2NaOH + H2O = Na2SiO3 +2H2硅硅硅的能帶結(jié)構(gòu)硅的能帶結(jié)構(gòu)間接帶隙結(jié)構(gòu)間接帶隙結(jié)構(gòu)電學(xué)性質(zhì)電學(xué)性質(zhì)本征載流子濃度本征載流子濃度 1. 本征半導(dǎo)體在一定溫度下，就會在熱激發(fā)下產(chǎn)生自由本征半導(dǎo)體在一定溫度下，就會在熱激發(fā)下

38、產(chǎn)生自由電子和空穴電子和空穴對對，從而形成本征載流子濃度。，從而形成本征載流子濃度。 2. 溫度一定，本征半導(dǎo)體中載流子的濃度是一定的，并溫度一定，本征半導(dǎo)體中載流子的濃度是一定的，并且自由電子且自由電子與空穴的濃度相等。與空穴的濃度相等。 3. 當(dāng)溫度升高時當(dāng)溫度升高時，熱運動加劇，掙脫共價鍵束縛的自由電子增多，熱運動加劇，掙脫共價鍵束縛的自由電子增多，空穴也隨之增多（即載流子的濃度升高），空穴也隨之增多（即載流子的濃度升高），導(dǎo)電性能增強導(dǎo)電性能增強；當(dāng)溫度當(dāng)溫度降低降低，則載流子的濃度降低，則載流子的濃度降低，導(dǎo)電性能變差導(dǎo)電性能變差。硅材料的優(yōu)點硅材料的優(yōu)點u 資源豐富、資源豐富、易于

39、提高到極純的純度；易于提高到極純的純度；u 較易生長出較易生長出大直徑無位錯單晶；大直徑無位錯單晶；u 易于對進行易于對進行可控可控n型和型和p型摻雜；型摻雜；u 易于通過易于通過沉積工藝沉積工藝制備出單晶硅、多晶硅和非晶硅薄膜材料；制備出單晶硅、多晶硅和非晶硅薄膜材料；u 易于進行腐蝕加工；易于進行腐蝕加工；u 帶隙大小適中；帶隙大小適中；u 硅有相當(dāng)好的力學(xué)性能；硅有相當(dāng)好的力學(xué)性能；u 硅本身是一種穩(wěn)定的綠色材料；硅本身是一種穩(wěn)定的綠色材料；u 可利用可利用多種金屬和摻雜條件在硅上制備低阻歐姆接觸；多種金屬和摻雜條件在硅上制備低阻歐姆接觸；u 容易截斷或者解理硅晶體；容易截斷或者解理硅晶

40、體；u 硅表面上很容易制備高質(zhì)量的介電層硅表面上很容易制備高質(zhì)量的介電層SiO2。多晶硅的優(yōu)點多晶硅的優(yōu)點n 多晶硅具有接近單晶硅材料的載流子遷移率和像非晶硅那樣進行大多晶硅具有接近單晶硅材料的載流子遷移率和像非晶硅那樣進行大面積低成本制備的優(yōu)點。面積低成本制備的優(yōu)點。n 重?fù)诫s的多晶硅薄膜作為重?fù)诫s的多晶硅薄膜作為電容器的極板、浮柵、電極等。電容器的極板、浮柵、電極等。n 輕摻雜的多晶硅薄膜常用于輕摻雜的多晶硅薄膜常用于MOS存儲器的負(fù)載電阻和其他電阻器。存儲器的負(fù)載電阻和其他電阻器。n 多晶硅薄膜由于具有比非晶硅多晶硅薄膜由于具有比非晶硅TFT(薄膜場效應(yīng)晶體管薄膜場效應(yīng)晶體管)更高的載流

41、更高的載流子遷移率、更快的開關(guān)速度、更高的電流驅(qū)動能力、可與子遷移率、更快的開關(guān)速度、更高的電流驅(qū)動能力、可與CMOS (互補金屬氧化物半導(dǎo)體互補金屬氧化物半導(dǎo)體 )工藝兼容等特點。工藝兼容等特點。非晶硅的優(yōu)點非晶硅的優(yōu)點p 非晶硅薄膜是器件和電路加工所用非晶硅薄膜是器件和電路加工所用表面鈍化膜材料之一；表面鈍化膜材料之一；p 對活性半導(dǎo)體表面進行鈍化對對活性半導(dǎo)體表面進行鈍化對提高器件性能、增強器件和電路提高器件性能、增強器件和電路的穩(wěn)定性、可靠性；提高其封裝成品率等有重要作用。的穩(wěn)定性、可靠性；提高其封裝成品率等有重要作用。硅可用來制造集成電路、晶體硅可用來制造集成電路、晶體管等半導(dǎo)體器件

42、管等半導(dǎo)體器件太陽能電池太陽能電池硅的用途硅的用途光導(dǎo)纖維通信：用純二氧化硅拉制出高透明度的玻璃纖維，激光光導(dǎo)纖維通信：用純二氧化硅拉制出高透明度的玻璃纖維，激光在玻璃纖維的通路里，無數(shù)次的全反射向前傳輸，代替了笨重的在玻璃纖維的通路里，無數(shù)次的全反射向前傳輸，代替了笨重的電纜。光纖通信容量高，一根頭發(fā)絲那么細(xì)的玻璃纖維，可以同電纜。光纖通信容量高，一根頭發(fā)絲那么細(xì)的玻璃纖維，可以同時傳輸時傳輸256路電話，它還不受電、磁干擾，不怕竊聽，具有高度路電話，它還不受電、磁干擾，不怕竊聽，具有高度的保密性。的保密性。7.8.1 單晶硅制備單晶硅制備超過超過98%的電子元件是使用單晶硅作用基礎(chǔ)材料制備

43、的電子元件是使用單晶硅作用基礎(chǔ)材料制備，在迅速發(fā)展的，在迅速發(fā)展的太陽能發(fā)電工程中，由于單晶硅材料有較高的光電轉(zhuǎn)換率，因此也占太陽能發(fā)電工程中，由于單晶硅材料有較高的光電轉(zhuǎn)換率，因此也占據(jù)了重要的地位。單晶硅制備主要有兩種方法：據(jù)了重要的地位。單晶硅制備主要有兩種方法：CZ，F(xiàn)Z。 CZ-直拉法直拉法，主要用于低功率集成電路、晶體管、太陽能電池等。其，主要用于低功率集成電路、晶體管、太陽能電池等。其特點是容易實現(xiàn)單晶大直徑化，設(shè)備和工藝巳比較成熟，特點是容易實現(xiàn)單晶大直徑化，設(shè)備和工藝巳比較成熟，該方法生產(chǎn)該方法生產(chǎn)的單晶占硅單晶總量的的單晶占硅單晶總量的85%以上以上。FZ-懸浮區(qū)熔懸浮區(qū)熔

44、，用高頻加熱懸浮生長，能生產(chǎn)高阻、高純、高壽命的用高頻加熱懸浮生長，能生產(chǎn)高阻、高純、高壽命的高質(zhì)量單晶，主要用于探測器，大功率可控整流元件，包括能使轉(zhuǎn)換高質(zhì)量單晶，主要用于探測器，大功率可控整流元件，包括能使轉(zhuǎn)換率超過率超過20%以上的太陽能單晶。以上的太陽能單晶。晶體生長技術(shù)，它涉及到熱力學(xué)、物理化學(xué)、流體動力學(xué)、結(jié)晶學(xué)和晶體生長技術(shù)，它涉及到熱力學(xué)、物理化學(xué)、流體動力學(xué)、結(jié)晶學(xué)和晶體缺陷理論，由于微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，作為基礎(chǔ)材料的硅單晶晶體缺陷理論，由于微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，作為基礎(chǔ)材料的硅單晶制備技術(shù)也在迅速發(fā)展。制備技術(shù)也在迅速發(fā)展。7.8 半導(dǎo)體生產(chǎn)、應(yīng)用實例（結(jié)合半導(dǎo)體生產(chǎn)、應(yīng)

45、用實例（結(jié)合P195功能功能轉(zhuǎn)換材料轉(zhuǎn)換材料光電材料）光電材料）1. 直拉單晶制造法（直拉單晶制造法（Czochralski，CZ法）法）是把原料多硅晶塊放入高是把原料多硅晶塊放入高純石英坩堝中，并在單晶爐中加熱融化純石英坩堝中，并在單晶爐中加熱融化 ，再將一根直徑，再將一根直徑12mm的棒狀的棒狀籽晶（晶種）浸入融液中。在合適的溫度下，融液中的硅原子會順籽晶（晶種）浸入融液中。在合適的溫度下，融液中的硅原子會順著晶種的硅原子排列結(jié)構(gòu)在固液交界面上形成規(guī)則的結(jié)晶，成為單著晶種的硅原子排列結(jié)構(gòu)在固液交界面上形成規(guī)則的結(jié)晶，成為單晶體。晶體。當(dāng)結(jié)晶慢慢旋轉(zhuǎn)并向上提升，融液中的硅原子會在前面形成的單

46、晶當(dāng)結(jié)晶慢慢旋轉(zhuǎn)并向上提升，融液中的硅原子會在前面形成的單晶體上繼續(xù)結(jié)晶，并延續(xù)其規(guī)則的原子排列結(jié)構(gòu)。若整個結(jié)晶環(huán)境穩(wěn)體上繼續(xù)結(jié)晶，并延續(xù)其規(guī)則的原子排列結(jié)構(gòu)。若整個結(jié)晶環(huán)境穩(wěn)定，就可以周而復(fù)始地形成結(jié)晶，最后形成一根圓柱形的原子排列定，就可以周而復(fù)始地形成結(jié)晶，最后形成一根圓柱形的原子排列整齊的硅單晶晶體，即硅單晶錠。整齊的硅單晶晶體，即硅單晶錠。 當(dāng)結(jié)晶加快時，晶體直徑會變粗，提高升速可以使直徑變細(xì)，增當(dāng)結(jié)晶加快時，晶體直徑會變粗，提高升速可以使直徑變細(xì)，增加溫度能抑制結(jié)晶速度。反之，若結(jié)晶變慢，直徑變細(xì)，則通過加溫度能抑制結(jié)晶速度。反之，若結(jié)晶變慢，直徑變細(xì)，則通過降低拉速和降溫去控制。

47、拉晶初始，先引出一定長度，直徑為降低拉速和降溫去控制。拉晶初始，先引出一定長度，直徑為35mm的細(xì)頸，以消除結(jié)晶位錯，這個過程叫做引晶。然后放大單的細(xì)頸，以消除結(jié)晶位錯，這個過程叫做引晶。然后放大單晶體直徑至工藝要求，進入等徑階段，直至大部分硅融液都結(jié)晶晶體直徑至工藝要求，進入等徑階段，直至大部分硅融液都結(jié)晶成單晶錠，只剩下少量剩料。停爐后取出單晶棒，一個工藝過程成單晶錠，只剩下少量剩料。停爐后取出單晶棒，一個工藝過程結(jié)束。結(jié)束。（1）加料：將多晶硅原料及雜質(zhì)放入石英坩堝內(nèi)，雜質(zhì)的種類）加料：將多晶硅原料及雜質(zhì)放入石英坩堝內(nèi)，雜質(zhì)的種類依電阻的或型而定。雜質(zhì)種類有硼、磷、銻、砷，目前國內(nèi)依電阻

48、的或型而定。雜質(zhì)種類有硼、磷、銻、砷，目前國內(nèi)太陽能行業(yè)僅摻硼形成太陽能行業(yè)僅摻硼形成P型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。 （2）熔化：加完多晶硅原料于石英堝內(nèi)后，長晶爐必須關(guān)閉并抽成）熔化：加完多晶硅原料于石英堝內(nèi)后，長晶爐必須關(guān)閉并抽成真空后充入高純氬氣使之維持一定壓力范圍內(nèi)，然后打開加熱電源，真空后充入高純氬氣使之維持一定壓力范圍內(nèi)，然后打開加熱電源，加熱至熔化溫度（加熱至熔化溫度（1420）以上，將多晶硅原料熔化。）以上，將多晶硅原料熔化。 （3）引晶生長：當(dāng)硅熔體的溫度穩(wěn)定之后，將籽晶慢慢浸入硅熔引晶生長：當(dāng)硅熔體的溫度穩(wěn)定之后，將籽晶慢慢浸入硅熔體中，引晶生長是將籽晶快速向上提升，使長出的籽晶的

49、直徑縮小體中，引晶生長是將籽晶快速向上提升，使長出的籽晶的直徑縮小到一定到一定大?。ù笮。?6）。由于位錯線與生長軸成一個交角，只要）。由于位錯線與生長軸成一個交角，只要縮頸夠長，位錯便能排出晶體表面，產(chǎn)生低位錯的晶體?？s頸夠長，位錯便能排出晶體表面，產(chǎn)生低位錯的晶體。 （4）放肩生長：長完細(xì)頸之后，須降低溫度與拉速，使）放肩生長：長完細(xì)頸之后，須降低溫度與拉速，使得晶體的直徑漸漸增大到所需的大小。得晶體的直徑漸漸增大到所需的大小。 （5）等徑生長：長完細(xì)頸和肩部之后，借著拉速與溫度的不）等徑生長：長完細(xì)頸和肩部之后，借著拉速與溫度的不斷調(diào)整，可使晶棒直徑維持在正負(fù)斷調(diào)整，可使晶棒直徑維持在正

50、負(fù)2mm之間，這段直徑固定之間，這段直徑固定的部分即稱為等徑部分。單晶硅片取自于等徑部分。的部分即稱為等徑部分。單晶硅片取自于等徑部分。 （6 6）尾部生長：在生長完等徑部分之后，如果立刻將晶棒與）尾部生長：在生長完等徑部分之后，如果立刻將晶棒與液面分開，那么熱應(yīng)力將使得晶棒出現(xiàn)位錯與滑移線。于是為液面分開，那么熱應(yīng)力將使得晶棒出現(xiàn)位錯與滑移線。于是為了避免此問題的發(fā)生，必須將晶棒的直徑慢慢縮小，直到成一了避免此問題的發(fā)生，必須將晶棒的直徑慢慢縮小，直到成一尖點而與液面分開。這一過程稱之為尾部生長。尖點而與液面分開。這一過程稱之為尾部生長。 1 熔化 2 穩(wěn)定 3 引晶 4 縮徑 5 放肩 6

51、 等徑直拉單晶生長過程示意圖直拉單晶生長過程示意圖 裝料裝料熔化熔化種晶種晶引晶引晶放肩放肩等徑等徑收尾收尾完成完成直拉法生長單晶的特點直拉法生長單晶的特點優(yōu)點：優(yōu)點：所生長單晶的直徑較大、成本相對較低所生長單晶的直徑較大、成本相對較低; ; 通過熱場調(diào)整及晶轉(zhuǎn)，堝轉(zhuǎn)等工藝參數(shù)的優(yōu)化，可較好控制電阻通過熱場調(diào)整及晶轉(zhuǎn)，堝轉(zhuǎn)等工藝參數(shù)的優(yōu)化，可較好控制電阻率徑向均勻性率徑向均勻性缺點：缺點：石英坩堝內(nèi)壁被熔硅侵蝕及石墨保溫加熱元件的影響，易引入石英坩堝內(nèi)壁被熔硅侵蝕及石墨保溫加熱元件的影響，易引入氧碳雜質(zhì)，不易生長高電阻率單晶（含氧量通常氧碳雜質(zhì)，不易生長高電阻率單晶（含氧量通常10-40ppm

52、)10-40ppm)。2.懸浮區(qū)熔法（懸浮區(qū)熔法（float-zone，F(xiàn)Z法）法）3.依靠熔體表面張力，使熔區(qū)懸浮于多晶依靠熔體表面張力，使熔區(qū)懸浮于多晶Si與下方長出的單晶之間，與下方長出的單晶之間，通過熔區(qū)的移動而進行提純和生長單晶。通過熔區(qū)的移動而進行提純和生長單晶。特點：特點：可重復(fù)生長、提純單晶，單晶純度較可重復(fù)生長、提純單晶，單晶純度較CZ法高；法高； 無需坩堝、石墨托，污染少；無需坩堝、石墨托，污染少； 高純、高阻、低氧、低碳；高純、高阻、低氧、低碳；缺點：缺點：單晶直徑不及單晶直徑不及CZ法法太陽能電池利用半導(dǎo)體材料的電子特性，把陽光直接轉(zhuǎn)換為太陽能電池利用半導(dǎo)體材料的電子特

53、性，把陽光直接轉(zhuǎn)換為電能。電能。7.8.2 太陽能電池太陽能電池1.硅太陽能電池硅太陽能電池單晶硅太陽電池：單晶硅太陽電池：采用單采用單晶硅片制造制造，性能穩(wěn)晶硅片制造制造，性能穩(wěn)定，轉(zhuǎn)換效率高。目前轉(zhuǎn)定，轉(zhuǎn)換效率高。目前轉(zhuǎn)換效率已達到換效率已達到16%18%。多晶硅太陽電池：多晶硅太陽電池：作為原料作為原料的高純硅不是拉成單晶，而的高純硅不是拉成單晶，而是熔化后澆鑄成正方形硅錠，是熔化后澆鑄成正方形硅錠，然后使用切割機切成薄片，然后使用切割機切成薄片，再加工成電池。由于硅片是再加工成電池。由于硅片是由多個不同大小、不同取向由多個不同大小、不同取向的晶粒構(gòu)成，因而轉(zhuǎn)換效率的晶粒構(gòu)成，因而轉(zhuǎn)換效

54、率低 。低 。 目 前 轉(zhuǎn) 換 效 率 達 到目 前 轉(zhuǎn) 換 效 率 達 到15%17%。多晶硅太陽電池生產(chǎn)流程多晶硅太陽電池生產(chǎn)流程非晶硅太陽電池：非晶硅太陽電池：一般采用高一般采用高頻輝光放電等方法使硅烷氣體頻輝光放電等方法使硅烷氣體分解沉積而成。一般在分解沉積而成。一般在P層與層與N層之間加入較厚的層之間加入較厚的I層。非晶層。非晶硅太陽電池的厚度不到硅太陽電池的厚度不到1m，不足晶體硅太陽電池厚度的不足晶體硅太陽電池厚度的1/100，降低制造成本。，降低制造成本。目前轉(zhuǎn)目前轉(zhuǎn)換效率為換效率為5%8%，最高效率，最高效率達達14.6%，層疊的最高效率可，層疊的最高效率可達達21.0%。微

55、晶硅太陽電池：微晶硅太陽電池：在接近室溫在接近室溫的低溫下制備，特別是使用大的低溫下制備，特別是使用大量氫氣稀釋的硅烷，可以生成量氫氣稀釋的硅烷，可以生成晶粒尺寸晶粒尺寸10nm的微晶硅薄膜，的微晶硅薄膜，薄膜厚度一般在薄膜厚度一般在23m，目前，目前轉(zhuǎn)換效率為轉(zhuǎn)換效率為10%以上。以上。2.化合物太陽能電池化合物太陽能電池單晶化合物太陽電池：單晶化合物太陽電池：主要有砷主要有砷化鎵太陽電池（如圖）。砷化鎵化鎵太陽電池（如圖）。砷化鎵的能隙為的能隙為1.4eV，是單結(jié)電池中，是單結(jié)電池中效率最高的電池，但價格昂貴，效率最高的電池，但價格昂貴，且砷有毒，所以極少使用。且砷有毒，所以極少使用。多晶

56、化合物太陽電池：多晶化合物太陽電池：主要有碲化鎘太陽電池（如圖）主要有碲化鎘太陽電池（如圖） ，銅銦鎵硒，銅銦鎵硒太陽電池等。太陽電池等。碲化鎘太陽電池是最早發(fā)展的太陽電池之一，工藝過程簡單，制造碲化鎘太陽電池是最早發(fā)展的太陽電池之一，工藝過程簡單，制造成本低，轉(zhuǎn)換效率超過成本低，轉(zhuǎn)換效率超過16%，不過鎘元素可能造成環(huán)境污染。銅銦，不過鎘元素可能造成環(huán)境污染。銅銦鎵硒太陽電池在基地上成績銅銦鎵硒薄膜，基地一般采用玻璃，也鎵硒太陽電池在基地上成績銅銦鎵硒薄膜，基地一般采用玻璃，也可用不銹鋼作為柔性襯底。實驗室最高效率接近可用不銹鋼作為柔性襯底。實驗室最高效率接近20%，成品組件達，成品組件達到

57、到13%，是目前薄膜電池中效率最高的電池之一。，是目前薄膜電池中效率最高的電池之一。如果在純凈的硅晶體中摻入少量的如果在純凈的硅晶體中摻入少量的5價雜質(zhì)磷（或砷，銻等），由價雜質(zhì)磷（或砷，銻等），由于磷原子具有于磷原子具有5個價電子，所以個價電子，所以1個磷原子同相鄰的個磷原子同相鄰的4個硅原子結(jié)成個硅原子結(jié)成共價鍵時，還多余共價鍵時，還多余1個價電子，這個價電子很容易掙脫磷原子核的個價電子，這個價電子很容易掙脫磷原子核的吸引而變成自由電子。吸引而變成自由電子。所以一個摻入所以一個摻入5價雜質(zhì)的價雜質(zhì)的4價半導(dǎo)體，就成了電子導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體，價半導(dǎo)體，就成了電子導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體，也稱為也稱為n

58、型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。在在n型半導(dǎo)體中，除了由于摻入雜質(zhì)而產(chǎn)生大量的自由電子以外，型半導(dǎo)體中，除了由于摻入雜質(zhì)而產(chǎn)生大量的自由電子以外，還有由于熱激發(fā)而產(chǎn)生少量的電子還有由于熱激發(fā)而產(chǎn)生少量的電子-空穴對。然而空穴的數(shù)目相對空穴對。然而空穴的數(shù)目相對于電子的數(shù)目是極少的，所以在于電子的數(shù)目是極少的，所以在n型半導(dǎo)體材料中，空穴數(shù)目很少，型半導(dǎo)體材料中，空穴數(shù)目很少，稱為少數(shù)載流子；而電子數(shù)目很多，稱為多數(shù)載流子。稱為少數(shù)載流子；而電子數(shù)目很多，稱為多數(shù)載流子。3. 太陽能電池的原理太陽能電池的原理n型半導(dǎo)體同樣如果在純凈的硅晶體中摻入同樣如果在純凈的硅晶體中摻入3價雜質(zhì)，如硼（或鋁、鎵或銦等），

59、價雜質(zhì)，如硼（或鋁、鎵或銦等），這些這些3價雜質(zhì)原子的最外層只有價雜質(zhì)原子的最外層只有3個價電子，當(dāng)它與相鄰的硅原子形個價電子，當(dāng)它與相鄰的硅原子形成共價鍵時，還缺少成共價鍵時，還缺少1個價電子，因而在一個共價鍵上要出現(xiàn)一個空個價電子，因而在一個共價鍵上要出現(xiàn)一個空穴，因此摻入穴，因此摻入3價雜質(zhì)的價雜質(zhì)的4價半導(dǎo)體，也稱為價半導(dǎo)體，也稱為p型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。對于對于p型半導(dǎo)體，空穴是多數(shù)載流子，而電子為少數(shù)載流子。型半導(dǎo)體，空穴是多數(shù)載流子，而電子為少數(shù)載流子。 P型半導(dǎo)體若將若將p型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體兩者緊密結(jié)合，聯(lián)成一體時，由導(dǎo)電型半導(dǎo)體兩者緊密結(jié)合，聯(lián)成一體時，由導(dǎo)電類型相反