半导体硅及硅基材料研究中的几个问题

非晶硅太阳能电池研究毕业论文

非晶硅太阳能电池 赵准 （吉首大学物理与机电工程学院，湖南吉首 416000） 摘要：随着煤炭、石油等现有能源的频频告急和生态环境的恶化．使得人类不得不尽快寻找新的清洁能源和可再生资源。其中包括水能、风能和太阳能，而太阳能以其储量巨大、安全、清洁等优势使其必将成为21世纪的最主要能源之一。太阳是一个巨大的能源，其辐射出来的功率约为其中有被地球截取，这部分能量约有的能量闯过大气层到达地面，在正对太阳的每一平方米地球表面上能接受到1kw左右的能量。 目前分为光热发电和光伏发电两种形式。太阳能热发电是利用聚光集热器把太阳能聚集起来，将一定的工质加热到较高的温度（通常为几百摄氏度到上千摄氏度），然后通过常规的热机动发电机发电或通过其他发电技术将其转换成电能。光伏发电是利用界面的而将光能直接转变为电能的一种技术。目前光—电转换器有两种：一种是光—伽伐尼电池，另一种是光伏效应。由一个或多个太阳能电池片组成的太阳能电池板称为光伏组件，将光伏组件串联起来再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。因为光伏发电规模大小随意、能独立发电、建设时间短、维护起来也简单．所以从70年代开始光伏发电技术得到迅速发展，日本、德国、美国都大力发展光伏产业，他们走在了世界的前列，我国在光伏研究和产业方面也奋起直追，现在以每年20％的速度迅速发展。 关键词：光伏发电；太阳能电池；硅基太阳能电池；非晶硅太阳能电池

1.引言 1976年卡尔松和路昂斯基报告了无定形硅（简称a一Si）薄膜太阳电他的诞生。当时、面积样品的光电转换效率为2．4％。时隔20多年，a一Si太阳电池现在已发展成为最实用廉价的太阳电池品种之一。非晶硅科技已转化为一个大规模的产业，世界上总组件生产能力每年在50MW以上，组件及相关产品销售额在10亿美元以上。应用范围小到手表、计算器电源大到10Mw级的独立电站。涉及诸多品种的电子消费品、照明和家用电源、农牧业抽水、广播通讯台站电源及中小型联网电站等。a一Si太阳电池成了光伏能源中的一支生力军，对整个洁净可再生能源发展起了巨大的推动作用。非晶硅太阳电他的诞生、发展过程是生动、复杂和曲折的，全面总结其中的经验教训对于进一步推动薄膜非晶硅太阳电池领域的科技进步和相关高新技术产业的发展有着重要意义。况且，由于从非晶硅材料及其太阳电池研究到有关新兴产业的发展是科学技术转化为生产力的典型事例，其中的规律性对其它新兴科技领域和相关产业的发展也会有有益的启示。本文将追述非晶硅太阳电他的诞生、发展过程，简要评述其中的关键之点，指出进一步发展的方向。 2.太阳能电池概述 .太阳能电池原理 太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应把光能转化成电能的装置。太阳能电池以光电效应工作的结晶体太阳能电池和薄膜式太阳能电池为主流，而以光化学效应工作的湿式太阳能电池则还处于萌芽阶段。太阳能电池工作原理的基础是半导体PN结的光生伏特效应。所谓光生伏特效应就是当物体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。 为了理解太阳能电池的运做，我们需要考虑材料的属性并且同时考虑太阳光的属性。太阳能电池包括两种类型材料，通常意义上的P型硅和N型硅。在纯净的硅晶体中，自由电子和空穴的数目是相等的。如果在硅晶体掺杂了能俘获电子的硼、铝、镓、铟等杂质元素，那么就构成P型半导体。如果在硅晶体面中掺入能够释放电子的磷、砷、锑等杂质元素，那么就构成了N型半导体。若把这两种半导体结合在一起，由于电子和空穴的扩散，在交接面处便会形成PN结，并在结的两边形成内建电场。太阳光照在半导体 p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n 区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应，也是太阳能电池的工作原理。 太阳能电池种类 太阳能电池的种类有很多，按材料来分，有硅基太阳能电池（单晶，多晶，非晶），化合物半导体太阳能电池（砷化镓（GaAs），磷化铟（InP），碲化镉（CdTe）, 铜铟镓硒（CIGS）），有机聚合物太阳能电池(酞青，聚乙炔)，染料敏化太阳能电池，纳米晶太阳能电池；按结构来分，有体结晶型太阳能电池和薄膜太阳能电池。

半导体材料硅的基本性质

半导体材料硅的基本性质 一．半导体材料 1.1 固体材料按其导电性能可分为三类：绝缘体、半导体及导体，它们典型的电阻率如下： 图1 典型绝缘体、半导体及导体的电导率范围 1.2 半导体又可以分为元素半导体和化合物半导体，它们的定义如下： 元素半导体：由一种材料形成的半导体物质，如硅和锗。 化合物半导体：由两种或两种以上元素形成的物质。 1)二元化合物 GaAs —砷化镓 SiC —碳化硅 2)三元化合物 As —砷化镓铝 AlGa 11 AlIn As —砷化铟铝 11 1.3 半导体根据其是否掺杂又可以分为本征半导体和非本征半导体，它们的定义分别为： 本征半导体：当半导体中无杂质掺入时，此种半导体称为本征半导体。 非本征半导体：当半导体被掺入杂质时，本征半导体就成为非本征半导体。 1.4 掺入本征半导体中的杂质，按释放载流子的类型分为施主与受主，它们的定义分别为： 施主：当杂质掺入半导体中时，若能释放一个电子，这种杂质被称为施主。如磷、砷就是硅的施主。 受主：当杂质掺入半导体中时，若能接受一个电子，就会相应地产生一个空穴，这种杂质称为受主。如硼、铝就是硅的受主。

图1.1 （a）带有施主（砷）的n型硅 (b)带有受主（硼）的型硅 1.5 掺入施主的半导体称为N型半导体，如掺磷的硅。 由于施主释放电子，因此在这样的半导体中电子为多数导电载流子（简称多子），而空穴为少数导电载流子（简称少子）。如图1.1所示。 掺入受主的半导体称为P型半导体，如掺硼的硅。 由于受主接受电子，因此在这样的半导体中空穴为多数导电载流子（简称多子），而电子为少数导电载流子（简称少子）。如图1.1所示。 二．硅的基本性质 1.1 硅的基本物理化学性质 硅是最重要的元素半导体，是电子工业的基础材料，其物理化学性质（300K）如表1所示。

SOI光波导器件研究进展及应用

SOI光波导器件前沿研究 光电信息学院 赵正松 2011059050025摘要：SOI（Silicon-on-insulator绝缘衬底上的硅）是一种折射率差大、波导传输损耗小的新型材料，SOI基光电子器件具有与微电子工艺兼容、能够实现OEIC单片集成等优点，近年来随着SOI晶片制备技术的成熟,SOI 基波导光波导器件的研究日益受到人们的重视.介绍了弯曲波导、光耦合器、可 调谐光衰减器、光调制器和光开关等常见的SOI基光波导器件的一些研究进 展。 引言：光纤通讯网络中，波分复用（WDM）是提高传输速率和扩大通讯容量的理想途径:通过在单根光纤中多个波长的复用，可以充分利用光纤巨大的带宽资源,实现不同数据格式信息的大容量并行传输，同时又可降低对器件的超高速要求。 在WDM网络中，网际间交叉互联（OXC）光信号上下载路（OADM）,以及波长变换等关键技术的实现使得WDM 网络具有高度的组网灵活性、经济性和可靠性。 在WDM光网络中，网际OXC和节点OADM功能是最核心的技术，光滤波器、光耦合器、光开关、可变光衰减器、波长变换器、复用与解复用器等是最关键的器件[1].在基于各种材料的光波导器件中,硅基光波导器件格外引人注目。 硅基光波导材料有SOI絶缘体上的硅）、SiO2/Si和SiGe/Si等多种.硅基光波 导的优势在于:硅片尺寸大、质量高、价格低;硅基光波导材料具有较大的折射率差，便于缩小器件尺寸和实现平面光波回路（PLC单片集成；电学性能好，易于控制, 具备光电混合集成的潜力;机械性能好,加工方便,可以光刻腐蚀成各种三维光波导结构；硅的热导性和热稳定性好,可以直接用作集成芯片的热沉,器件封装结构简单.最重要的是硅的加工工艺与传统微电子工艺兼容,适合低成本制作硅基光电子集成（OEIC芯片。 本文主要研究的SOI硅基光波导材料全名为Silicon On Insulator是指硅晶体管结构在绝缘体之上的意思，原理就是在Silicon （硅）晶体管之间，加入绝缘体物

半导体硅材料

半导体硅材料自从60年代被广泛应用于各类电子元器件以来，其用量平均大约以每年12～16%的速度增长。半导体硅材料以丰富的资源、优质的特性、日臻完善的工艺以及广泛的用途等综合优势而成为了当代电子工业中应用最多的半导体材料。六十年代末七十年代初，在全国曾掀起过一个“可控硅”热。这个热潮持续甚久，影响很大，因而国内至今仍有人认为功率半导体的主体就是可控硅。七十年代末，可控硅发展成为一个大家族并冠以一个标准化的名称“晶闸管”。由于以开关技术调节功率，所以在器件上的损耗很小，因此被誉为节能的王牌。其应用更是遍及各个领域。 六七十年代，各种类型的晶闸管有很大的发展，其服务对象是以工业应用为主，包括电力系统、机车牵引等。到了八九十年代，由于功率MOSFET的兴起，使电力电子步入了一个新的领域，为近代蓬勃发展的4C产业：即communication、computer、consumer、car（通信、计算机、消费电子、汽车）提供了新的活力。二十一世纪前后，功率半导体器件的发展进入了第三阶段，即集成电路结合愈来愈紧密的阶段。 从目前电子工业的发展来看，尽管有各种新型的半导体材料不断出现，但硅仍是集成电路产业的基础，半导体材料中98％是硅。半导体器件的95%以上是用硅材料制作的，90%以上的大规模集成电路(LSI)、超大规模集成电路(VLSI)、甚大规模集成电路(ULSI)都是制作在高纯优质的硅抛光片和外延片上的。硅片被称作集成电路的核心材料，硅材料产业的发展和集成电路的发展紧密相关。 半导体硅材料分为多晶硅、单晶硅、硅外延片以及非晶硅、浇注多晶硅、淀积和溅射非晶硅等。晶闸管又叫可控硅。自从20世纪50年代问世以来已经发展成了一个大的家族，它的主要成员有单向晶闸管（就是人们常说的普通晶闸管）、双向晶闸管、光控晶闸管、逆导晶闸管、可关断晶闸管、快速晶闸管，等等。 当功率半导体器件不断发展时，前一阶段的主导产品并未退出历史舞台，晶闸管至今仍是一种重要产品。 可控硅元件简介 可控硅又叫晶闸管，是半导体晶体闸流管的简称，它是一种用小电流控制大电流开关型半导体器件, 常用的有普通可控硅（又称单向可控硅）和双向可控硅两大类，由于具有体积小、质量轻、效率高、寿命长、耐振、无噪声、使用方便等优点。因此在很短的时间内引起了国内、外,工、农业生产各部门极大的重视, 被广泛应用到各种生产设备和家用电器上。按其工作原理大致可以分为四类。1.整流:把交流电变为大、小可调的直流电。2.逆变:把直流电变为一定频率的交流

常用的半导体材料有哪些

常用的半导体材料有哪些？ 晶圆 初入半导体行业为了尽快入门，我们必须对这个行业的主要物料做一个详细的了解，因为制造业的结构框架是人机料法环测。物料是非常关键的一部分，特别是对于半导体这类被人家卡脖子的行业更要牢记于心，尽快摆脱西方的围堵，但是基础材料这块需要长时间的积累，短期我们很难扭转当下这种憋屈的局面。 在半导体产业中，材料和设备是基石，是推动集成电路技术创新的引擎。半导体材料在产业链中处于上游环节，和半导体设备一样，也是芯片制造的支撑性行业，所有的制造和封测工艺都会用到不同的半导体材料。 半导体材料一般均具有技术门槛高、客户认证周期长、供应链上下游联系紧密、行业集中度高、技术门槛高和产品更新换代快的特点，目前高端产品市场份额多为海外企业垄断，国产化率较低，寡头垄断格局一定程度制约

了国内企业快速发展。华为事件的发生发展告诉我们半导体材料国产替代已经非常紧迫了。 半导体材料细分行业多，芯片制造工序中各单项工艺均配套相应材料。按应用环节划分，半导体材料主要可分为制造材料和封装材料。在晶圆制造材料中，硅片及硅基材料占比最高，约占31%，其次依次为光掩模板14%，电子气体14%，光刻胶及其配套试剂12%，CMP抛光材料7%，靶材3%，以及其他材料占13%。 在半导体封装材料中，封装基板占比最高，占40%。其次依次为引线框架15%、键合丝15%、包封材料13%、陶瓷基板11%、芯片粘合材料4%、以及其他封装材料2%。封装材料中的基板的作用是保护芯片、物理支撑、连接芯片与电路板、散热。陶瓷封装体用于绝缘打包。包封树脂粘接封装载体、同时起到绝缘、保护作用。芯片粘贴材料用于粘结芯片与电路板。封装方面相对难度要低一点，所以我们国家的半导体企业主要集中在封测这一后工艺领域。 半导体材料中前端材料市场增速远高于后端材料，前端材料的增长归功于各种前端技术的积极使用，如极紫外(EUV)曝光，原子层沉积(ALD)和等离子体化学气相沉积(PECVD)等。

1平面光波导技术

光波导是集成光学重要的基础性部件，它能将光波束缚在光波长量级尺寸的介质中，长距离无辐射的传输。平面波导型光器件，又称为光子集成器件。其技术核心是采用集成光学工艺根据功能要求制成各种平面光波导，有的还要在一定的位置上沉积电极，然后光波导再与光纤或光纤阵列耦合，是多类光器件的研究热点. 按材料可分为四种基本类型：铌酸锂镀钛光波导、硅基沉积二氧化硅光波导、InG aAsP/InP光波导和聚合物（Polymer）光波导。 LiNbO3晶体是一种比较成熟的材料，它有极好的压电、电光和波导性质。除了不能做光源和探测器外，适合制作光的各种控制、耦合和传输元件。铌酸锂镀钛光波导开发较早，其主要工艺过程是：首先在铌酸锂基体上用蒸发沉积或溅射沉积的方法镀上钛膜，然后进行光刻，形成所需要的光波导图形，再进行扩散，可以采用外扩散、内扩散、质子交换和离子注入等方法来实现。并沉积上二氧化硅保护层，制成平面光波导。该波导的损耗一般为0.2-0.5dB/cm。调制器和开关的驱动电压一般为10V左右；一般的调制器带宽为几个GHz，采用行波电极的LiNbO3光波导调制器，带宽已达50GHz以上。 硅基沉积二氧化硅光波导是20世纪90年代发展起来的新技术，主要有氮氧化硅和掺锗的硅材料，国外已比较成熟。其制造工艺有：火焰水解法（FHD）、化学气相淀积法（CVD，日本NEC公司开发）、等离子增强CVD法（美国Lucent公司开发）、反应离子蚀刻技术RIE多孔硅氧化法和熔胶－凝胶法（Sol-gel）。该波导的损耗很小，约为0.02dB/cm。 基于磷化铟（InP）的InGaAsP/InP光波导的研究也比较成熟，它可与InP基的有源与无源光器件及InP基微电子回路集成在同一基片上，但其与光纤的耦合损耗较大。

多晶硅薄膜材料同时具有单晶硅材料的高迁移率及非晶硅材料的可大面积

多晶硅薄膜材料同时具有单晶硅材料的高迁移率及非晶硅材料的可大面积、低成本制备的优点。因此，对于多晶硅薄膜材料的研究越来越引起人们的关注，多晶硅薄膜的制备工艺可分为两大类：一类是高温工艺，制备过程中温度高于600℃,衬底使用昂贵的石英，但制备工艺较简单。另一类是低温工艺，整个加工工艺温度低于600℃，可用廉价玻璃作衬底，因此可以大面积制作，但是制备工艺较复杂。 目前制备多晶硅薄膜的方法主要有如下几种： 低压化学气相沉积（LPCVD）这是一种直接生成多晶硅的方法。LPCVD是集成电路中所用多晶硅薄膜的制备中普遍采用的标准方法，具有生长速度快，成膜致密、均匀、装片容量大等特点。多晶硅薄膜可采用硅烷气体通过LPCVD法直接沉积在衬底上，典型的沉积参数是：硅烷压力为13.3～26.6Pa，沉积温度Td=580～630℃，生长速率5～10nm/min。由于沉积温度较高，如普通玻璃的软化温度处于500～600℃，则不能采用廉价的普通玻璃而必须使用昂贵的石英作衬底。LPCVD法生长的多晶硅薄膜，晶粒具有择优取向，形貌呈“V”字形，内含高密度的微挛晶缺陷，且晶粒尺寸小，载流子迁移率不够大而使其在器件应用方面受到一定限制。虽然减少硅烷压力有助于增大晶粒尺寸，但往往伴随着表面粗糙度的增加，对载流子的迁移率与器件的电学稳定性产生不利影响。 固相晶化(SPC)所谓固相晶化，是指非晶固体发生晶化的温度低于其熔融后结晶的温度。这是一种间接生成多晶硅的方法，先以硅烷气体作为原材料，用LPCVD方法在550℃左右沉积a-Si:H薄膜，然后将薄膜在600℃以上的高温下使其熔化，再在温度稍低的时候出现晶核，随着温度的降低熔融的硅在晶核上继续晶化而使晶粒增大转化为多晶硅薄膜。使用这种方法，多晶硅薄膜的晶粒大小依赖于薄膜的厚度和结晶温度。退火温度是影响晶化效果的重要因素，在700℃以下的退火温度范围内，温度越低，成核速率越低，退火时间相等时所能得到的晶粒尺寸越大；而在700℃以上，由于此时晶界移动引起了晶粒的相互吞并，使得在此温度范围内，晶粒尺寸随温度的升高而增大。经大量研究表明，利用该方法制得的多晶硅晶粒尺寸还与初始薄膜样品的无序程度密切相关，T.Aoyama等人对初始材料的沉积条件对固相晶化的影响进行了研究，发现初始材料越无序，固相晶化过程中成核速率越低，晶粒尺寸越大。由于在结晶过程中晶核的形成是自发的，因此，SPC多晶硅薄膜晶粒的晶面取向是随机的。相邻晶粒晶面取向不同将形成较高的势垒，需要进行氢化处理来提高SPC多晶硅的性能。这种技术的优点是能制备大面积的薄膜，晶粒尺寸大于直接沉积的多晶硅。可进行原位掺杂，成本低，工艺简单，易于形成生产线。由于SPC是在非晶硅熔融温度下结晶，属于高温晶化过程，温度高于600℃，通常需要1100℃左右，退火时间长达10个小时以上，不适用于玻璃基底，基底材料采用石英或单晶硅，用于制作小尺寸器件，如液晶光阀、摄像机取景器等。准分子激光晶化(ELA)激光晶化相对于固相晶化制备多晶硅来说更为理想，其利用瞬间激光脉冲产生的高能量入射到非晶硅薄膜表面，仅在薄膜表层100nm厚的深度产生热能效应，使a-Si薄膜在瞬间达到1000℃左右，从而实现a-Si向p-Si的转变。在此过程中，激光脉冲的瞬间(15～50ns)能量被a-Si薄膜吸收并转化为相变能，因此，不会有过多的热能传导到薄膜衬底，合理选择激光的波长和功率，使用激光加热就能够使a-Si薄膜达到熔化的温度且保证基片的温度低于450℃，可以采用玻璃基板作为衬底，既实现了p-Si薄膜的制备，又能满足LCD及OEL对透明衬底的要求。其主要优点为脉冲宽度短(15～50ns)，衬底发热小。通过选择还可获得混合晶化，即多晶硅和非晶硅的混合体。准分子激光退火晶化的机理：激光辐射到a-Si的表面，使其表面在温度到达熔点时即达到了晶化域值能量密度Ec。a-Si在激光辐射下吸收能量，激发了不平衡的电子-空穴对，增加了自由电子的导电能量，热电子-空穴对在热化时间内用无辐射复合的途径将自己的能量传给晶格，导致近表层极其迅速的升温，由于非晶硅材料具有大量的隙态和深能级，无辐射跃迁是主要的复合过程，因而具有较高的光热转换效率，若激光的能量密度达到域值能量密度Ec 时，即半导体加热至熔点温度，薄膜的表面会熔化，熔化的前沿会以约10m/s的速度深入材料内部，

硅基光电器件研究进展

半导体技术 Semiconductor Technology 1999年 第1期 No.1 1999 硅基光电器件研究进展 郭宝增 摘要　在信息处理和通信技术中，光电子器件起着越来越重要的作用。然而，因为硅是间接带隙半导体，试图把光电子器件集成在硅微电子集成电路上却遇到很大困难。为解决这一困难，人们发展了多种与硅微电子集成电路兼容的光电子器件制造技术。本文介绍最近几年这方面技术的发展情况。 关键词　多孔硅　光电子器件　硅集成电路 Research Development of Silicon-Based Optoelectronic Devices Guo Baozeng (Department of Electronic & Informational Hebei University,Baoding 071002) Abstract　Silicon-based optoelectronic devices are increasingly important in information and communication technologies.But attempts to integrate photonics with silicon-based microelectronics are hampered by the fact that silicon has an indirect band gap,which prevents efficient electron-photon energy conversion.In order to solve this problem,many technologies to make optoelectronic devices which can be compatible with conventional silicon technology have been developed.In this article,we review the deve-lopment of these thchnologies. Keywords　Porous silicon　Optoelectronic devices　Silicon integrated circuit 1　引　言 硅是微电子器件制造中应用得最广泛的半导体材料。硅集成电路的应用改变了当代世界的面貌，也改变了人们的生活方式。但是，一般硅集成电路只限于处理电信号，对光信号的处理显得无能为力。然而，光电器件的应用却是非常广泛的，光纤通信、光存储、激光打印机及显示设备都 要用到各种光电器件。从更广的意义上说，我们所处的世界实际上是一个光的世界。据心理学家分析，人们通过眼睛所接收的信息占总接收信息量的83%，即人们接收的信息83%是光信号。因此可以想象，在未来信息化社会里，对光电子器件的需求决不亚于对微电子器件的需求。目前采用的光电子器件，主要是Ⅲ-Ⅴ族材料，这些器件与广泛使用的硅技术不兼容，而且制造成本高，因

2019-2020年高中化学4.1.1单质硅与半导体材料二氧化硅与光导纤维课时作业鲁科版必修

2019-2020年高中化学4.1.1单质硅与半导体材料二氧化硅与光导纤 维课时作业鲁科版必修 A组——知能训练 1．常温下能与硅发生反应的气体是( ) A．O2B．H2 C．F2D．Cl2 解析：常温下与Si反应的物质有F2、氢氟酸和强碱溶液。 答案： C 2．科学家提出硅是“21世纪的能源”，这主要是由于作为半导体材料的硅在太阳能发电过程中具有重要的作用。下列关于硅的说法中正确的是( ) A．自然界中硅元素的含量最丰富 B．自然界中存在大量单质硅 C．高纯度的硅被用于制做计算机芯片 D．光导纤维的主要成分是Si 解析：自然界中含量最丰富的元素是氧元素，A项错误；硅的性质虽然不活泼，但自然界不存在游离态硅，只有化合态硅，B项错误；硅是良好的半导体材料，可用于制造计算机芯片等，C项正确；光导纤维的主要成分是SiO2，不是Si，D项错误。 答案： C 3．关于硅的化学性质的叙述中，不正确的是( ) A．在常温下，不与任何酸反应 B．在常温下，可与强碱溶液反应 C．在加热条件下，能与氧气反应 D．单质硅的还原性比碳的还原性强 解析：A项，在常温下，Si能与氢氟酸反应，不正确，Si在常温下能与强碱溶液反应，加热条件下也能与Cl2、O2等反应。B、C正确，碳和硅最外层电子数相同，化学性质相似，但硅比碳易失电子，还原性比碳强，D正确。 答案： A 4．能证明硅酸的酸性弱于碳酸酸性的实验事实是( ) A．CO2是气体，SiO2是固体 B．高温下SiO2与碳酸盐反应生成CO2 C．CO2溶于水形成碳酸，SiO2难溶于水 D．CO2通入Na2SiO3溶液中析出硅酸沉淀 解析：酸性强弱与这种酸的酸酐的状态、物理性质和化学性质均无关，A、B、C都不

半导体硅材料

半导体硅材料和光电子材料的发展现状及趋势 随着微电子工业的飞速发展, 作为半导体工业基础材料的硅材料工业也将随之发展，而光电子科技的飞速发展也使半导体光电子材料的研究加快步伐，所以研究半导体硅材料和光电子材料的发展现状及未来发展趋势势在必行。现代微电子工业除了对加工技术和加工设备的要求之外,对硅材料也提出了更新更高的要求。 在当今全球超过2000亿美元的半导体市场中,95%以上的半导体器件和99%以上的集成电路都是用高纯优质的硅抛光片和外延片制作的。在未来30-50年内,它仍将是集成电路工业最基本和最重要的功能材料。半导体硅材料以丰富的资源、优质的特性、日臻完善的工艺以及广泛的用途等而成为了当代电子工业中应用最多的半导体材料。 随着国际信息产业的迅猛发展, 电子工业和半导体工业也得到了巨大发展,并且直到20世纪末都保持稳定的15%的年增长率迅速发展,作为半导体工业基础材料的硅材料工业也将随之发展，所以研究半导体硅材料的发展现状及未来发展趋势势在必行。

一、半导体硅材料的发展现状 由于半导体的优良性能，使其在射线探测器、整流器、集成电路、硅光电池、传感器等各类电子元件中占有极为重要的地位。同时,由于它具有识别、存储、放大、开关和处理电信号及能量转换的功能,而使“半导体硅”实际上成了“微电子”和“现代化电子”的代名词。 二、现代微电子工业的发展对半导体硅材料的新要求 随着微电子工业飞速发展, 除了本身对加工技术和加工设备的要求之外, 同时对硅材料也提出了更新更高的要求。 1. 对硅片表面附着粒子及微量杂质的要求 随着集成电路的集成度不断提高,其加工线宽也逐步缩小,因此, 对硅片的加工、清洗、包装、储运等工作提出了更高的新要求。对于兆位级器件, 0.10μm的微粒都可能造成器件失效。亚微米级器件要求0.1μm的微粒降到10个/片以下同时要求各种金属杂质如Fe、Cu、Cr、Ni、A1、Na 等, 都要控制在目前分析技术的检测极限以下。 2. 对硅片表面平整度、应力和机械强度的要求

硅基材料应用作业

硅基材料应用作业 彭禹繁 2014031282 一、在半导体材料中把多晶转变成一个大单晶，并给 予正确的定向和适量的N型或P型掺杂，叫做晶体生长。晶体生长有三种不同的生长方法，分别是直拉法、区熔法和液体掩盖直拉法。请简述直拉法的过程。 拉晶过程： 1.熔硅：将坩埚内多晶料全部熔化； 2.引晶：将籽晶下降与液面接近，使籽晶预热几分钟，俗称“烤晶”，籽晶下降与液面接近，使籽晶预热几分钟，俗称“烤晶”，以除去表面挥发性杂质同时可减少热冲击。当温度稳定时，可将籽晶与熔体接触，籽晶向上拉，控制温度使熔体在籽晶上结晶。 3.收颈：指在引晶后略为降低温度，提高拉速，拉一段直径比籽晶细的部分。其目的是排除接触不良引起的多晶和尽量消除籽晶内原有位错的延伸。颈一般要长于20mm。 4.放肩：缩颈工艺完成后，略降低温度（15-40℃），让晶体逐渐长大到所需的直径为止。这称为“放肩”。

5.等径生长：当晶体直径到达所需尺寸后，提高拉速，使晶体直径不再增大，称为收肩。收肩后保持晶体直径不变，就是等径生长。此时要严格控制温度和拉速。 6.收晶：晶体生长所需长度后，拉速不变，升高熔体温度或熔体温度不变，加快拉速，使晶体脱离熔体液面。 液体掩盖直拉法： 此方法主要用来生长砷化镓晶体，和标准的直拉法一样，只是做了一些改进。由于熔融物里砷的挥发性通常采用一层氧化硼漂浮在熔融物上来抑制砷的挥发。 特点： 直拉法的目的是实现均匀掺杂浓度的同时精确地复制籽晶结构，得到合适的硅锭直径并且限制杂质引入到硅中。优点：工艺成熟，便于控制晶体外形和电学参数，能成功地拉制低位错、大直径的硅单晶，尤其，能成功地拉制低位错、大直径的硅单晶，尤其制备10-4Ω?cm特殊低阻单晶。

半导体硅材料基础知识.1

半导体硅材料基础知识讲座 培训大纲 什么是半导体？ 导体（Conductor） 导体是指很容易传导电流的物质 绝缘体（Insolator） 是指极不容易或根本不导电的一类物质 半导体（Semiconductor） 导电性能介于导体和绝缘体之间且具备半导体的基本特性的一类材料。 半导体硅材料的电性能特点 硅材料的电性能有以下三个显著特点： 一是它对温度的变化十分灵敏； 二是微量杂质的存在对电阻率的影响十分显著； 三是半导体材料的电阻率在受光照时会改变其数值的大小。 综上所述，半导体的电阻率数值对温度、杂质和光照三个外部条件变化有较高的敏感性。半导体材料的分类 元素半导体 化合物半导体 有机半导体 无定形半导体 迄今为止，工艺最为成熟、应用最为广泛的是前两类半导体材料，尤其是半导体硅材料，占整个半导体材料用量的90%以上。硅材料是世界新材料中工艺最为成熟、使用量最大的半导体材料。它的实验室纯度可接近本征硅，即12个“九”，即使是大工业生产也可以到7—9个“九”的纯度。 半导体硅材料的制备 冶金级硅（工业硅）的制备 冶金级硅是将比较纯净的SiO2矿石和木炭或石油焦一起放入电弧炉里,在电孤加热的情况下进行还原而制成。 其反应式是： SiO2+2C →Si+2CO 普通冶金级硅的纯度大约是2～3个“九”。目前市面上也有号称4～5个“九”纯度的冶金级硅，那是通过多次“冶金法”或称为“物理法”提纯后获得的。 多晶硅的制备 目前全世界多晶硅的生产方法大体有三种：一是改良的西门子法；二是硅烷法；三是粒状硅法。 改良的西门子法生产半导体级多晶硅： 这是目前全球大多数多晶硅生产企业采用的方法，知名的企业有美国的Harmlock、日本的TOKUYAMA、三菱公司、德国的瓦克公司以及乌克兰和MEMC意大利的多晶硅厂。全球80％以上的多晶硅是用此法生产的。其工艺流程是： 原料硅破碎筛分（80目）沸腾氯化制成液态的SiHCl3 粗馏提纯精馏提纯氢还原棒状多晶硅破碎洁净分装。 经验上，新建设一座多晶硅厂需要30—36个月时间，而老厂扩建生产线也需要大约14—18

半导体材料

摘要本文重点对半导体硅材料，GaAs和InP单晶材料，半导体超晶格、量子阱材料，一维量子线、零维量子点半导体微结构材料，宽带隙半导体材料，光子晶体材料，量子比特构建与材料等目前达到的水平和器件应用概况及其发展趋势作了概述。最后，提出了发展我国半导体材料的建议。 关键词半导体材料量子线量子点材料光子晶体 1半导体材料的战略地位 上世纪中叶，单晶硅和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研制成功，导致了电子工业革命；上世纪70年代初石英光导纤维材料和GaAs激光器的发明，促进了光纤通信技术迅速发展并逐步形成了高新技术产业，使人类进入了信息时代。超晶格概念的提出及其半导体超晶格、量子阱材料的研制成功，彻底改变了光电器件的设计思想，使半导体器件的设计与制造从“杂质工程”发展到“能带工程”。纳米科学技术的发展和应用，将使人类能从原子、分子或纳米尺度水平上控制、操纵和制造功能强大的新型器件与电路，必将深刻地影响着世界的政治、经济格局和军事对抗的形式，彻底改变人们的生活方式。 2几种主要半导体材料的发展现状与趋势 1硅材料 从提高硅集成电路成品率，降低成本看，增大直拉硅单晶的直径和减小微缺陷的密度仍是今后CZ－Si发展的总趋势。目前直径为8英寸的Si单晶已实现大规模工业生产，基于直径

为12英寸硅片的集成电路技术正处在由实验室向工业生产转变中。目前300mm，0.18μm工艺的硅ULSI生产线已经投入生产，300mm，0.13μm工艺生产线也将在2003年完成评估。18英寸重达414公斤的硅单晶和18英寸的硅园片已在实验室研制成功，直径27英寸硅单晶研制也正在积极筹划中。 从进一步提高硅IC‘S的速度和集成度看，研制适合于硅深亚微米乃至纳米工艺所需的大直径硅外延片会成为硅材料发展的主流。另外，SOI材料，包括智能剥离和SIMOX材料等也发展很快。目前，直径8英寸的硅外延片和SOI材料已研制成功，更大尺寸的片材也在开发中。 理论分析指出30nm左右将是硅MOS集成电路线宽的“极限”尺寸。这不仅是指量子尺寸效应对现有器件特性影响所带来的物理限制和光刻技术的限制问题，更重要的是将受硅、SiO2自身性质的限制。尽管人们正在积极寻找高K介电绝缘材料，低K介电互连材料，用Cu代替Al引线以及采用系统集成芯片技术等来提高ULSI的集成度、运算速度和功能，但硅将最终难以满足人类不断的对更大信息量需求。为此，人们除寻求基于全新原理的量子计算和DNA生物计算等之外，还把目光放在以GaAs、InP为基的化合物半导体材料，非凡是二维超晶格、量子阱，一维量子线与零维量子点材料和可与硅平面工艺兼容GeSi合金材料等，这也是目前半导体材料研发的重点。 2GaAs和InP单晶材料 GaAs和InP与硅不同，它们都是直接带隙材料，具有电子饱和漂移速度高，耐高温，抗辐

光波导的理论以及制备方法介绍

光波导的理论以及制备方法介绍 摘要 由光透明介质(如石英玻璃)构成的传输光频电磁波的导行结构。光波导的传输原理是在不同折射率的介质分界面上，电磁波的全反射现象使光波局限在波导及其周围有限区域内传播。 光波导的研究条件与当前科技的飞速发展是密不可分的，随着技术的发展，新的制备方法不断产生，从而形成了各种各样的制备方法，如离子注入法、外延生长法、化学气相沉淀法、溅射法、溶胶凝胶法等。重点介绍离子注入法。 光波导简介如图所示为光波导结构 图表1光波导结构 如图中共有三层平面相层叠的光学介质，其对应折射率n0,n1,n2。其中白色曲折线表示光的传播路径形式。可以看出，这是依靠全反射原理使光线限制在一层薄薄的介质中传播，这就是光波导的基本原理。为了形成全反射，图中要求n1>n0,n2。 一般来讲，被限制的方向微米量级的尺度。 图表2光波导模型 如图2所示，选择适当的角度θ（为了有更好的选择空间，一般可以通过调整三层介质的折射率来取得合适的取值），则可以将光线限制在波导区域传播。 光波导具有的特点光波导可以用于限制光线传播光路，由于本身其尺寸在微米量级，就使得其有很多较好的特点： （1）光密度大大增强 光波导的尺寸量级是微米量级，这样就使得光斑从平方毫米尺度到平方微米尺度光密度增大104—106倍。 （2）光的衍射被限制 从前面可以看出，图示的光波导已经将光波限制在平面区域内，后面会提到稍微变动一下技

术就可以做成条形光波导了，这样就把光波限制在一维条形区域传播，这就限制了光波的衍射，有一维限制（一个方向），二维限制（两个方向）区分（注：此处“一维”与“二维”的说法并不是专业术语，仅仅指光的传播方向的空间自由度，不与此研究专业领域的说法相混同）。 （3）微型元件集成化 微米量级的尺寸集成度高，相应的成本降低 （4）某些特性最优化 非线性倍频阈值降低，波导激光阈值降低 综上所述，光波导本身的尺寸优势使得其有很好的研究前景以及广泛的应用范围。 光波导的分类一般来讲，光波导可以分为以下几个大类别： 图表3平面波导（planar） 图表4光纤（fiber）

硅基光波导1

光纤与硅基光波导及其器件对比光波导是导引光在其中传播的介质，而光纤则是最常见的光波导之一，广泛地应用于光纤通信、光纤激光器等领域，硅基光波导则是实现OEIC、PIC的基础。同为光波导，光纤与硅基光波导在结构上有很多相似之处，相比而言，光纤及其各种器件的制备技术已经十分成熟，故可以根据已有的光纤器件的结构去设想、设计、改进硅基光波导器件。 波导结构 光纤是圆柱形光波导，主要有纤芯（折射率n1）和包层（折射率n2）组成。根据n1是否为常数分为阶跃光纤和渐变光纤两种。其相对折射率差约为1%，故一般的光纤对光场的限制能力并不强，这使得光纤的弯曲半径很大，否则光场就会从包层泄露。 硅基光波导一般为脊形波导，其波导层（下图中的core）和限制层（下图中oxide）的折射率一般比较大。如下图中，波导层Si的折射率约为，而限制的折射率约为，折射率差达69%，故该波导对光场的约束能力很强，可以层SiO 2 把弯曲半径做的很小，易于集成。然而该波导很难像光纤那样做成渐变折射率结构，这使得光纤的一些器件用硅基光波导很难做成相似的结构。

光耦合器 光耦合器是传送和分配光信号的无源器件，通过波导中传输模式的耦合作用来实现耦合功能。 在光纤系统中，可以用光耦合器来实现分束器、波分复用器、隔离器、环形器和光开关等。 在硅基光波导中，光耦合器可以实现分束、合波、光开关及光开关阵列等。 上图左边为2X2的耦合器，右图为1X2的耦合器，通过调整两个波导参数或者耦合距离即可改变两输出端光功率的比。而由于耦合距离是和波长相关的，故该结构可将不同波长的光分离，从而实现波分复用功能。当然，也可以将不同波长的光进行合波。

硅基光波导结构与器件 - 中国科学院半导体研究所机构知识

Ξ硅基光波导结构与器件 刘育梁　王启明 (中国科学院半导体研究所集成光电子学国家重点联合实验室,北京,100083) 摘要　简要评述硅基光波导的结构、工艺及其器件,包括低损耗的硅基光波导、电光波导器件、红外波导探测器、氧化硅光波回路等. 关键词　硅,光波导. 引言 硅是微电子学领域最重要的半导体材料,其工艺技术和集成电路技术得到了高度发展.将硅从微电子学领域拓展到光电子学领域,发展集电子学功能和光子学功能于一体的硅基光电子器件与回路已成为一个重要的发展趋势,吸引了越来越多的科学家和工程技术人员,并取得了一定的进展.其主要标志为:(1)SiGe Si 超晶格和多孔硅的高效光发射现象的发现和研究表明了硅基材料中确定存在着可用于实际器件制作的高效发光机制;(2)可见光范围的硅雪崩光电探测器早已投入实际应用.可望用于113Λm 光通信系统的SiGe Si 多量子阱光波导探测器也已在实验室研究成功,并开始了探测器阵列的研究;(3)硅基无源光波导器件的研究卓有成效,取得了许多实际成果.其中最重要的,一是80年代以来提出的各种结构的硅基光波导的传输损耗几乎都已降至1dB c m ,制作这些光波导大都采用常规的微电子加工工艺,这为进一步研制各种功能器件奠定了坚实的基础;二是硅上二氧化硅光波导器件与回路已逐渐推向市场. 硅基光波导器件的这种发展趋势明显地反映在重要的国际光电子期刊中,80年代中期很少看到这方面的研究论文,而到90年代初,硅基光波导器件的研究论文在这类期刊中所占比例越来越大,近期已发展到专集讨论的程度[1].目前从事硅基光波导与光电子器件研究的实验室很多,有3个实验室的工作最具连贯性,代表了现今硅基光波导器件的发展水平.它们是:N T T 光电子实验室(集中从事Si O 2平面光波导器件与回路的研究开发工作),A T &B T B ell 实验室(M u rray H ill )(主要从事Si O 2光波导与回路、Ge x Si 1-x Si 波导探测器的研究)和柏林工业大学(TUB )(从事SO I 光波导、Ge 扩散硅光波导、光开关和Ge x Si 1-x Si 波导探测器的研究工作).本文将专门就硅基光波导及器件的发展作一简要评述. 1　低损耗硅基光波导结构及工艺 1.1　外延型光波导 第15卷第1期 1996年2月 红外与毫米波学报J.Infrared M illi m .W aves V o l .15,N o.1Feb ruary,1996 Ξ

非晶硅平板与非晶硒的区别

DDR的核心部分是平板探测器。可以概括的说，它是一种采用半导体技术，将X线能量直接转换为电信号，产生X线图像的检测器。平板探测器可以取代现在的所有类型的X线检测器，如电视影像增强系统。它最突出的特点就是输出的是高质量的数字化影像。在直接转换类型中，其制传递函数（MTF）特点较图像屏幕系统好，敏感性则可与电视增强系统相比。平板探测器的发展和进一步完善将可逐步取代传统的X线探测装置。 1、平板探测器的类型大致可分为CCD型和非晶硅型、非晶硒型。CCD型平板探测器的主要原理是光信号由探测器内的CCD接受，读出并形成数字图像。 2、非晶硅类型的平板探测器，它的核心是由非晶硅和薄膜晶体管构成的矩阵板， 矩阵板的每一个单元包含一个存储电容和非晶硅的场效应管。整个数字矩阵封装在一个像“片夹”的盒里，它主要由闪烁层或硒层、矩阵板和玻璃衬底、读出线路等组成。其好的密度及空间分辨力代表了目前发展的主要方向。 碘化铯（cesium iodide,CsI）具有高X线接收和可视光子产量。因为铯具有高原子序数，它是X线接收器的最佳选择材料，所以这种金属对于输入的X线非常适用。产生每个光子需要20~25电子伏。搀入铯CsI激发出550nm的光，正是非晶硅光谱灵敏度的峰值。 3、以硒作为光导材料，有两个原因：①光敏电阻自身具有的高分辨力特性；②用更厚的光导吸收层,可获得更高的X线灵敏度.硒可以直接将X线能量转换为电信号,硒光电导层被X线照射后产生的电子——空穴对在6KV偏移电压下被电场分离，被每个像素单元收集并转换成X线数字影像的数据。 矩阵板包括薄膜三极管（thin-film transistor,TFT）储能电容和集电器，其上沉积着无定型硅层，厚约500μm。诸多像素（139×139μm）被安排为二维矩阵，按行设门控线。TFT像素的大小直接决定图像的空间分辨力，每一个像素具有电荷接收电极，信号存储电容及信号传输器，通过数据网与扫描电路连接。最后由读出电路读取数字信号并还原成影像。 非晶硅对于X线接收器来说是最理想的材料，因为非晶硅对放射线的伤害是免疫的。 以上是平板探测器的主要构成结构，平板探测器和X线球管组成了直接数字成像的主要部分。另一部分则是操作、质量控制和后处理部分。大部分的工作都是由计算机承担。 主处理器实时的功能包括：偏移量的校正和增益；黑电平箝定；污点插补；帧积累和均化。而对于图像的后处理，可以利用辅助处理器完成，包括X线曝光控制、图像数据图形窗口化、扫描转化为常规模式、查找目录、降噪可变递归滤波等。 最佳的性能是要求噪声低、动态范围宽和响应速度快。

半导体材料的历史现状及研究进展(精)

半导体材料的历史现状及研究进展(精)

半导体材料的研究进展 摘要:随着全球科技的快速发展,当今世界已经进入了信息时代,作为信息领域的命脉,光电子技术和微电子技术无疑成为了科技发展的焦点。半导体材料凭借着自身的性能特点也在迅速地扩大着它的使用领域。本文重点对半导体材料的发展历程、性能、种类和主要的半导体材料进行了讨论,并对半导体硅材料应用概况及其发展趋势作了概述。 关键词:半导体材料、性能、种类、应用概况、发展趋势 一、半导体材料的发展历程 半导体材料从发现到发展,从使用到创新,拥有这一段长久的历史。宰二十世纪初,就曾出现过点接触矿石检波器。1930年,氧化亚铜整流器制造成功并得到广泛应用,是半导体材料开始受到重视。1947年锗点接触三极管制成,成为半导体的研究成果的重大突破。50年代末,薄膜生长激素的开发和集成电路的发明,是的微电子技术得到进一步发展。60年代,砷化镓材料制成半导体激光器,固溶体半导体此阿里奥在红外线方面的研究发展,半导体材料的应用得到扩展。1969年超晶格概念的提出和超晶格量子阱的研制成功,是的半导体器件的设计与制造从杂志工程发展到能带工程,将半导体材料的研究和应用推向了一个新的领域。90年代以来随着移动通信技术的飞速发展,砷化镓和磷化烟等半导体材料成为焦点,用于制作高速高频大功率激发光电子器件等;近些年,新型半导体材料的研究得到突破,以氮化镓为代表的先进半导体材料开始体现出超强优越性,被称为IT产业的新发动机。 新型半导体材料的研究和突破,常常导致新的技术革命和新兴产业的发展.以氮化镓为代表的第三代半导体材料,是继第一代半导体材料(以硅基半导体为代表和第二代半导体材料(以砷化镓和磷化铟为代表之后,在近10年发展起来的新型宽带半导体材料.作为第一代半导体材料,硅基半导体材料及其集成电路的发展导致了微型计算机的出现和整个计算机产业的飞跃,并广泛应用于信息处理、自动控制等领域,对人类社会的发展起了极大的促进作用.硅基半导体材料虽然在微电子领域得到广泛应用,但硅材料本身间接能带结构的特点限制了其在光电子领域的应用.随着以光通