晶体硅常识

晶体硅常识2010-12-05——技术部王丙宽2222一、简单的认识晶体二、硅材料的结构及性质三、硅材料的制备四、硅材料在光伏领域的应用3333一、简单的认识晶体4444什么是晶体？晶体是内部质点在三维空间周期性重复排列的固体。即具有格子构造的固体。日常所见到的固体分为非晶体和晶体两大类，非晶体物质的内部原子排列没有一定的规律，当断裂时断口也是随机的，如塑料和玻璃等，而称之为晶体的物质，外形呈现天然的有规则的多面体，具有明显的棱角与平面，其内部的原子是按照一定的规律整齐的排列起来，所以破裂时也按照一定的平面断开，如食盐、水晶等。5555晶体的基本性质(1)(1)(1)(1)均一性：同一晶体任何部位的物理性质和化学组成均相同。(2)(2)(2)(2)对称性：所有的晶体都是对称的。晶体的对称不但表现在外形上，其内部构造和物理性质也是对称的。(3)(3)(3)(3)稳定性：在相同的热力学条件下，晶体与同种成分的非晶质体、液体、气体相比，以晶体最为稳定。(4)(4)(4)(4)定熔性：指晶体具有固定熔点的性质。(5)(5)(5)(5)各向异性晶体的几何度量和物理性质常随方向不同而表现出量的差异。(6)(6)(6)(6)自限性（自范性）晶体在合适的条件下，能自发地长成规则几何多面体外形。6666二、硅材料的性质及结构7777•为什么硅材料成为应用最广泛、最重要的半导体材料？•原因之一：硅元素是地球上存量丰富的元素之一（氧是第一、硅次之）、无毒性；同时能与氧形成稳定的钝化层SiO2，在集成电路设计中SiO2绝缘层非常重要；•原因之二：在制作成本上，集成电路用的硅片都是由直拉法（CzochralskiMethod）生产的，CZ工艺中适度的氧含量使硅片的机械强度增加，硅片直径成倍增长，成本迅速下降，集成电路得到广泛的应用。硅的性质及结构8888硅的性质及结构1、硅在元素周期表中的位置：9999硅材料的性质及结构10101010硅材料的性质及结构2222、元素硅有关性质：•晶体硅为灰色，无定形硅为黑色，密度2.33克／立方厘米，熔点1414℃，沸点2355℃，•晶体硅属于原子晶体，硬而有光泽，有半导体性质。•硅的化学性质比较活泼，在高温下能与氧气等多种元素化合，不溶于水、硝酸和盐酸，溶于氢氟酸和碱液，•用于造制合金如硅铁、硅钢等，单晶硅是一种重要的半导体材料，用于制造大功率晶体管、整流器、太阳能电池等。•硅在自然界分布极广，地壳中约含27.6％。11111111硅材料的性质及结构2222、硅元素有关性质：•同位素是具有相同原子序数的同一化学元素的两种或多种原子之一，在元素周期表上占有同一位置，化学性质几乎相同，但原子质量或质量数不同。•利用30Si进行“中子嬗变掺杂”制作N型半导体•这是采用中子辐照的办法来对材料进行掺杂的一种技术，其最大优点就是掺入的杂质浓度分布非常均匀。•　　对于半导体硅，通过热中子的辐照，可使部分的Si同位素原子转变为磷（P）原子[14Si31的半衰期为2.62小时]：14Si30+中子→14Si31+γ射线→→15P31+β射线；从而在Si中出现了施主磷而使Si成为了n型。•硅的3个同位素：•28Si92.23%稳定•29Si4.67%稳定•30Si3.10%稳定12121212三、硅材料的性质及结构3333、硅原子结构：13131313硅材料的性质及结构4444、硅晶体结构之一：立方体的八个顶点各有一个原子14141414硅材料的性质及结构4444、硅晶体结构之二：立方体的八个原子((((绿色)+)+)+)+六个面心原子（紫色）15151515硅晶体结构————金刚石结构硅材料的性质及结构4444、硅晶体结构之三：立方体的八个原子((((绿色))))++++立方体的两对体对角线1/41/41/41/4处分别有一个原子((((红色))))16161616硅晶体结构————金刚石结构三、硅材料的性质及结构4444、硅晶体结构：17171717硅材料的性质及结构4444、硅晶体结构：18181818硅材料的性质及结构4444、硅晶体结构都是共价键型原子晶体GeSi,0.721.117禁带宽度2.44972.35151.544键长锗晶体硅晶体金刚石晶体种类19191919硅材料的性质及结构5、晶格点阵：前面阵列中除去立方体中原子，余下的框架，称作晶格点阵，结点称作晶格结点。（1111）晶格常数：选取晶胞上相交于一点的三条棱作为晶轴，分别用XXXX，YYYY，ZZZZ，表示，三条晶轴的焦点为晶轴的原点OOOO。沿XXXX，YYYY，ZZZZ轴上的单位矢量用aaaa，bbbb，cccc表示。三个晶轴间的夹角为αααα,,,,ββββ,,,,γγγγ。单位矢量aaaa，bbbb，cccc的长度用aaaa，bbbb，cccc表示，它通常被称为点阵常数或晶格常数。20202020硅材料的性质及结构金刚石结构的硅晶体属于立方晶系（根据晶胞的六个参数可把晶体分为七个晶系），立方晶系有：a=b=ca=b=ca=b=ca=b=c，αααα====ββββ====γγγγ=90=90=90=900000，晶胞的体积V=aV=aV=aV=a3333。硅的晶格常数：a=5.43a=5.43a=5.43a=5.43ÅÅÅÅ21212121硅材料的性质及结构5、晶格点阵：（2）晶面与晶向：晶体中通过若干结点（硅的原子所处的位置）可构成一个平面，该平面和XXXX，YYYY，ZZZZ轴相交于AAAA，BBBB，CCCC三点，这样的平面称为晶面。一个晶面可以用晶面指数来表示，又称蜜勒指数。对硅晶体即用三个数hhhh，kkkk，llll表示。常表示成((((hkl)hkl)hkl)hkl)。晶面的法线方向为晶向，用uvwuvwuvwuvw表示满足晶体对称性要求的所有等效晶向。22222222硅材料的性质及结构晶向与晶面的表示方法：uvw表示满足所有等效晶向；(hkl)代表了所有与h、k、l晶面指数平行的晶面；{hkl}表示满足晶体对称性要求的所有等效晶面。“等效晶面具有相同的物理性质。”ZZYYX(100)X(110)[110][100]Z[111]YX(111)硅晶体的主要晶向和晶面23232323硅材料的性质及结构（3）晶面的间距与晶面夹角：晶面间距：晶体中最邻近的两个平行晶面间的距离。晶面夹角：两个晶面族{HKL}与{hkl}的夹角δ有cosδ={(Hh+Kk+Ll)/[(H2+K2+L2)×(h2+k2+l2)]1/2}yx(120)(120)(120)(120)(100)(100)(100)(100)(111)(111)(111)(111)(010)(010)(010)(010)(310)(310)(310)(310)硅晶体点阵中平行Z轴几个晶面间距和原子密度的情况24242424硅材料的性质及结构常见的硅晶体晶向：100、111、110；及{111},{110},{100}晶面的相互关系模型0011ī1101011ī1110001010ī01ī硅晶体{111},{110},{100}晶面的相互关系模型11011111ī25252525硅材料的性质及结构•（4)晶体的定向：晶体取向的判定方法很多,像光图法、解理法、腐蚀坑法、从晶体外形判断法，X射线衍射法等等。但要较准确又方便的测定晶向，生产实践上常用的方法：光图法和X射线衍射法。光图象法定向根据晶体解理面的光反射性和晶体结构的对称性实现晶体定向。当束较细的平行光照射到经过一定方法处理的晶体断面时，晶体断面上按一定对称性方向排列的解理面产生反射。不同结构的晶体和不同结构的晶面，反射光在光屏上形成不同的光图象。转动晶体调整光图象的形状和位置，就可以测出晶体取向。26262626硅材料的性质及结构晶体的定向：光图法光图法光图法光图法(111)面(100)面(110面)不同晶面的光反射图形{111}面(111)(100)(110)硅晶体低指数晶面解理坑27272727硅材料的性质及结构晶体的定向：XXXX射线衍射法定向右图是单色X射线方法定向的原理。S是X射线源，X射线经一β滤光片，得到单色X射线。一般X射线管的阳极靶材料选P点。计数管角标尺S(辐射探测器)X射线计数管E衍射线θP2θ晶体C样品台角标尺单色X射线衍射定向原理示意图28282828硅材料的性质及结构晶体的定向：XXXX射线的衍射•X射线的衍射，入射角必须符合布喇格方程式（2dsinθ=nλ）的要求，而可见光的反射，入射角可以是任意的。而且反射仅发生在晶体的表面，衍射不仅晶体表面，晶体内的原子平面也参与衍射作用。47°32´51144°04´42238°13´33134°36´40028°05´31123°40´22014°14´111a=5.4305Å衍射晶面29292929硅材料的性质及结构晶体的定向：XXXX射线的衍射布喇格定律：2dsinθ=nλ,或sinθ=nλ/2dn是整数，0,±1,±2,�����d是晶面间距；布喇格定律的几何关系晶面法线PP΄QQ΄Aθθθ1STd2A′d330303030硅材料的性质及结构（5555）晶片表面晶向：正晶向及偏晶向双极性电路用111取向的单晶；MOS电路用100取向的晶体；涉及有外延工序的111取向的单晶需要偏晶向的晶面；100取向的晶体一般正晶向的晶面；硅片正交晶向偏离硅片表面最近的110法向矢量方向矢量晶向偏离硅片表面法向矢量的硅片在{111}面上投影θ正交晶向偏离110在{111}平面上投影{111}平面主参考面`31313131硅材料的性质及结构（5555）晶片参考面位置：硅片参考面：主参考面的位置、长度,副参考面的位置、长度主、副参考面的位置n111p1111800CW主参面900CWn100p1001350CWN{100}晶向,150mm450cw32323232硅材料的性质及结构（5555）晶片参考面位置：对直径150mm的N型{100}硅片,副参考面位置：顺时针方向,偏离主参考面(1350±50)顺时针方向,偏离主参考面(1800±50)N型,{100}顺时针方向,偏离主参考面(450±50)N型,{111}顺时针方向,偏离主参考面(900±50)P型,{100}无副参考面P型,{111}以下适用直径≤125mm规格硅片副参考面位置{110}±10主参考面位置33333333硅材料的性质及结构•负的电阻率温度系数:随着温度升高,导电能力增加(材料的电阻率下降)；这种特性与金属相反的：金属随着温度升高，电阻率也增加。硅器件最高工作温度：250℃•电阻率特性:通过掺入微量的杂质，对半导体材料的电阻率在10-4Ω.cm~109Ω.cm范围内进行调控。34343434硅材料的性质及结构•导电特性:半导体材料有两种导电的载流子，一种是带负电荷的载流子——电子；另一种是带正电荷的的载流子——空穴。金属导体中全部由电子导电。35353535硅材料的性质及结构•导电特性:•半导体材料有两种导电的载流子，一种是带负电荷的载流子——电子（N型半导体）•正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子；正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子；正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子；正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子；黄色的表示掺入的磷原子，黄色的表示掺入的磷原子，黄色的表示掺入的磷原子，黄色的表示掺入的磷原子，磷原子周围有磷原子周围有磷原子周围有磷原子周围有5555个电子就会产生如图所示的个电子就会产生如图所示的个电子就会产生如图所示的个电子就会产生如图所示的红色的带负电的电子红色的带负电的电子红色的带负电的电子红色的带负电的电子36363636硅材料的性质及结构•导电特性:•半导体材料有两种导电的载流子一种是带正电荷的载流子——空穴（P型半导体）正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子；正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子；