硅晶体生长及缺陷形成与控 制-lecture for undergraduates2014

SiC晶体生长工艺装备

SiC晶体生长工艺装备 一、SiC晶体生长工艺装备发展现状 由于SiC具有宽带隙、高临界击穿电场、高热导率、高载流子饱和浓度、化学性能稳定、高硬度、抗磨损等特点，使得它在军用和航天领域的高温、高频、大功率光电器件方面具有优越的应用价值。具体来看，其导热性能是Si材料的3倍以上；在相同反压下，SiC材料的击穿电场强度比Si高10倍，而内阻仅是Si片的百分之一。SiC器件的工作温度可以达到600℃，而一般的Si器件最多能坚持到150℃。因为这些特性，SiC可以用来制造各种耐高温的高频大功率器件，应用于Si器件难以胜任的场合。 目前SIC半导体材料发展十分迅速，总的发展趋势是晶体大直径、大尺寸化，向高纯无缺陷发展。6H和4H单晶片实现了商品化，3英寸（直径≥76.2mm）是主流产品，4英寸也有少量供应。4H-SiC 上的微管缺陷密度显著减小，n型4H-SiC的极低微管缺陷晶片上微管密度可接近0cm-2。 SiC材料的生长需要特殊的工艺装备。目前这些工艺装备的技术主要掌握在美日欧三方手中。这些发达国家和地区已对SiC 生长设备进行了持续的研究，积累了宝贵的经验。特别是美国，技术最成熟，凭借着先进的技术，不断研制基于SiC基的新军事电子产品，目前在航空、航天、军舰、卫星、深海等方面都得到了实际的应用，得以使其继续在全球军事电子领域保持领先地位。欧盟和日本也紧随其后，投入大量的人力和财力进行追赶。

美国Cree公司是世界上能够商业化提供SiC 产品最大的公司，占全球市场90%以上，其在工艺装备方面的技术先进、成熟稳定，领先世界水平，但受政策影响，技术处于绝对保密之中。 欧洲SiC晶体生长工艺装备的设备制造商集中在德国、瑞典和英国，目前主要生产以3“直径为主的工艺装备，但为了追赶世界先进水平，已开始进行4” SiC晶圆工艺装备的研发。 无论是美国、欧洲还是日本，其晶体生长工艺装备都是军方在三代半导体方面要重点发展的方向之一，长期得到国家的支持和投入，如美国海军、陆军、空军、美国国家航空航天局（NASA ）、弹道导弹防卫局和国防预研局、几乎美国国防部所有部门都将SiC技术研究列入了各自军事系统发展规划。其中SiC晶体生长工艺装备是重要的组成部分，美军正是凭借其在碳化硅装备方面的强大实力，在军事电子方面继续拉大与其他国家的距离。 国内碳化硅研究始于2000年前后，基本都是在Si晶圆研究的基础上进行一些理论性的研究，工艺装备也是在原有的Si晶圆的工艺装备基础上进行了部分改造，研究进展缓慢，装备的缺乏已成为国内SiC项目研究的瓶径。近些年有些研究机构通过各种渠道引进了部分国外发达国家的工艺装备，但价格高昂，所引进设备的技术也不属于前沿技术，并且在引进过程中，对引进单位也有条款上的种种制约，限制了SiC项目在国内的研究。尽管起步早，但目前研究水平还处于初级阶段。 总之，国内SIC项目的研究以进口晶片为主，昂贵的晶片价格，

晶体硅电池组件EL缺陷分析

晶体硅电池组件EL缺陷分析 EL检测仪，又称太阳能组件电致发光缺陷检测仪，是跟据硅材料的电致发光原理对组件进行缺陷检测及生产工艺监控的专用测试设备。给晶体硅电池组件正向通入1-1.5倍Isc 的电流后硅片会发出1000-1100nm的红外光，测试仪下方的摄像头可以捕捉到这个波长的光并成像于电脑上。因为通电发的光与PN结中离子浓度有很大的关系，因此可以根据图像来判断硅片内部的状况。 缺陷种类一：黑心片 EL照片中黑心片是反映在通电情况下电池片中心一圈呈现黑色区域，该部分没有发出1150nm的红外光，故红外相片中反映出黑心，此类发光现象和硅衬底少数载流子浓度有关。这种电池片中心部位的电阻率偏高。 缺陷种类一：黑心片 缺陷种类二：黑团片 多晶电池片黑团主要是由于硅片供应商一再缩短晶体定向凝固时间，熔体潜热释放与热场温度梯度失配导致硅片内部位错缺陷。 缺陷种类二：黑团片 缺陷种类三：黑斑片 黑斑片一般是由于硅料受到其他杂质污染所致。通常少数载流子的寿命和污染杂质含量及位错密度有关。黑斑中心区域位错密度>107个/cm2，黑斑边缘区域位错密度>106个/cm2均为标准要求的1000～10000倍这是相当大的位错密度。

缺陷种类三：黑斑片 缺陷种类四：短路黑片 缺陷种类五：非短路黑片 短路黑片、非短路黑片成因 电池片黑片有两种，全黑的我们称之为短路黑片，通常是由于焊接造成的短路或者混入了低效电池片造成的。而边缘发亮的黑片我们称之为非短路黑片，这种电池片大多产生于单面扩散工艺或是湿法刻蚀工艺，单面扩散放反导致在背面镀膜印刷，造成是PN结反，也就是我们通常所说的N型片，这种电池片会造成IV测试曲线呈现台阶，整个组件功率和填充因子都会受到较大影响。 缺陷种类六：网格片 网格片是由于电池片在烧结过程中温度不当所致，网纹印属于0级缺陷，下图所示的网格片组件可以判为A级品。

硅单晶中晶体缺陷的腐蚀显示

硅单晶中晶体缺陷的腐蚀显示 实验安排：4人/组 时间：两小时 地点：北方工业大学第三教学楼2403房间 实验所用主要设备：金相显微镜 一、实验目的 硅单晶中的各种缺陷对器件的性能有很大的影响，它会造成扩散结面不平整，使晶体管中出现管道，引起p-n 结的反向漏电增大等。各种缺陷的产生和数量的多少与晶体制备工艺和器件工艺有关。晶体缺陷的实验观察方法有许多种，如透射电子显微镜、X光貌相技术、红外显微镜及金相腐蚀显示等方法。对表面缺陷也可以用扫描电子显微镜来观察。由于金相腐蚀显示技术设备简单，操作易掌握，又较直观，是观察研究晶体缺陷的最常用的方法之一。金相腐蚀显示可以揭示缺陷的数量和分布情况，找出缺陷形成、增殖和晶体制备工艺及器件工艺的关系，为改进工艺，减少缺陷、提高器件合格率和改善器件性能提供线索。 二、原理 硅单晶属金刚石结构，在实际的硅单晶中不可能整块晶体中原子完全按金刚石结构整齐排列，总又某些局部区域点阵排列的规律性被破坏，则该区域就称为晶体缺陷。硅单晶中的缺陷主要有点缺陷、线缺陷和面缺陷等三类。晶体缺陷可以在晶体生长过程中产生，也可以在热处理、晶体加工和受放射性辐射时产生。 在硅单晶中缺陷区不仅是高应力区，而且极易富集一些杂质，这样缺陷区就比晶格完整区化学活拨性强，对化学腐蚀剂的作用灵敏，因此容易被腐蚀而形成蚀坑，在有高度对称性的低指数面上蚀坑形状通常呈现相应的对称性，如位错在（111）、（100）、（110）面上分别呈三角形、方形和菱形蚀坑。 用作腐蚀显示的腐蚀剂按不同作用大体可分为两类，一类蚀非择优腐蚀剂，它主要用于晶体表面的化学抛光，目的在于达到清洁处理，去除机械损伤层和获得一个光亮的表面；另一类是择优腐蚀剂，用来揭示缺陷。一般腐蚀速度越快择择优性越差，而对择优腐蚀剂则要求缺陷蚀坑的出现率高、特征性强、再现性好和腐蚀时间短。 通常用的非择优腐蚀剂的配方为： HF(40-42%):HNO3(65%)=1:2.5 它们的化学反应过程为： Si+4HNO3+6HF=H2SiF6+4NO2+4H2O 通常用的择优腐蚀剂主要有以下二种： （1）希尔腐蚀液（铬酸腐蚀液） 先用CrO3与去离子水配成标准液： 标准液＝50g CrO3+100g H2O 然后配成下列几种腐蚀液： A. 标准液：HF(40-42%)=2:1(慢速液) B. 标准液：HF(40-42%)=3:2(中速液) C. 标准液：HF(40-42%)=1:1(快速液) D. 标准液：HF(40-42%)=1:2(快速液) 一般常用的为配方C液，它们的化学反应过程为： Si+CrO3+8HF=H2SiF6+CrF2+3H2O (2)达希腐蚀液

单晶硅生长过程中SiC的危害及解决方法

单晶硅生长过程中SiC的危害及解决方法 摘要：通过对SiC的的介绍，以及对单晶炉内热场结构的分析，阐明SiC在单晶硅生长过程中的危害，并提出解决方案，提高单晶硅生产的成品率，增加石墨加热器的使用寿命，进而降低生产成本。 关键词SiC、单晶炉热场、石墨加热器寿命 1.引言：单晶硅生长需要单晶炉内具有良好的热场分布条件，在生长过程中，由于炉内附加的化学反应，生成SiC以及一些氧化物。SiC由于熔点高于炉温度使其不能随氧化物一起被真空泵抽走排除而附着在石墨加热器上半部，随着加热器使用次数的增多，SiC附着增多，最终导致晶体生长的纵向温度梯度变小，使单晶生长过程中大量的结晶潜热不能很快的散发出去，导致最终断棱，影响成品率以及加热器的使用寿命。 基于以上问题，本文通过通过物理方法打磨加化学方法来去除加热器上面的SiC，并通过减少单晶炉内碳毡层数以避免炉内纵向温度梯度的变化对单晶硅生长过程的影响。 2．单晶炉内SiC的生成SiO在1800℃真空中为黄褐色物质在单晶硅生长过程中，会使用石英坩埚，其主要成分为SiO2，石英坩埚放置在石墨三瓣埚内，石英坩埚内则装满了纯净的硅，在高温下，SiO2+C=SiO+CO, SiO2+Si= 2SiO在炉内真空泵的抽空条件下，CO会从炉内管道排除；而SiO从三瓣埚上沿出来时，由于炉内采用下排气方式，当流经加热器时上部至中部时，SiO 会与加热器反应生成SiC：SiO+C=SiC+ CO 3. SiC的性质 SiC俗称金刚砂或耐火砂。密度为3.217克/厘米3，熔点约为2700℃。碳化硅的硬度很大硬度仅次于金刚石，具有优良的导热和导电性能，按照浓度由低到高颜色分别成黄色、绿色、黑色。

单晶硅中可能出现的各种缺陷分析

单晶硅中可能出现的各种缺陷分析 缺陷，是对于晶体的周期性对称的破坏，使得实际的晶体偏离了理想晶体的晶体结构。在各种缺陷之中，有着多种分类方式，如果按照缺陷的维度，可以分为以下几种缺陷： 点缺陷：在晶体学中，点缺陷是指在三维尺度上都很小的，不超过几个原子直径的缺陷。其在三维尺寸均很小，只在某些位置发生，只影响邻近几个原子，有被称为零维缺陷。 线缺陷：线缺陷指二维尺度很小而们可以通过电镜等来对其进行观测。 面缺陷：面缺陷经常发生在两个不同相的界面上，或者同一晶体内部不同晶畴之间。界面两边都是周期排列点阵结构，而在界面处则出现了格点的错位。我们可以用光学显微镜观察面缺陷。 体缺陷：所谓体缺陷，是指在晶体中较大的尺寸范围内的晶格排列的不规则，比如包裹体、气泡、空洞等。 一、点缺陷 点缺陷包括空位、间隙原子和微缺陷等。 1、空位、间隙原子 点缺陷包括热点缺陷（本征点缺陷）和杂质点缺陷（非本征点缺陷）。 1.1热点缺陷 其中热点缺陷有两种基本形式：弗仑克尔缺陷和肖特基缺陷。单晶中空位和间隙原子在热平衡时的浓度与温度有关。温度愈高，平衡浓度愈大。高温生长

的硅单晶，在冷却过程中过饱和的间隙原子和空位要消失，其消失的途径是：空位和间隙原子相遇使复合消失；扩散到晶体表面消失；或扩散到位错区消失并引起位错攀移。间隙原子和空位目前尚无法观察。 1.2杂质点缺陷 A、替位杂质点缺陷，如硅晶体中的磷、硼、碳等杂质原子 B、间隙杂质点缺陷，如硅晶体中的氧等 1.3点缺陷之间相互作用 一个空位和一个间隙原子结合使空位和间隙原子同时湮灭（复合），两个空位形成双空位或空位团，间隙原子聚成团，热点缺陷和杂质点缺陷相互作用形成复杂的点缺陷复合体等。 2、微缺陷 2.1产生原因 如果晶体生长过程中冷却速度较快，饱和热点缺陷聚集或者他们与杂质的络合物凝聚而成间隙型位错环、位错环团及层错等。Cz硅单晶中的微缺陷，多数是各种形态的氧化物沉淀，它们是氧和碳等杂质，在晶体冷却过程中，通过均质成核和异质成核机理形成。 2.2微缺陷观察方法 1）择优化学腐蚀： 择优化学腐蚀后在横断面上呈均匀分布或组成各种形态的宏观漩涡花纹（漩涡缺陷）。宏观上，为一系列同心环或螺旋状的腐蚀图形，在显微镜下微缺陷的微观腐蚀形态为浅底腐蚀坑或腐蚀小丘（蝶形蚀坑）。在硅单晶的纵剖面上，微缺陷通常呈层状分布。 2）热氧化处理： 由于CZ硅单晶中的微缺陷，其应力场太小，往往需热氧化处理，使微缺陷缀饰长大或转化为氧化层错或小位错环后，才可用择优腐蚀方法显示。 3）扫描电子显微技术，X射线形貌技术，红外显微技术等方法。 2.3微缺陷结构

光致发光技术在晶体硅太阳电池缺陷检测中的应用

光致发光技术在晶体硅太阳电池缺陷检测中的应用近年来，光伏产业发展迅猛，提高效率和降低成本成为整个行业的目标。在晶体Si太阳电池的薄片化发展过程中，出现了许多严重的问题，如碎片、电池片隐裂、表面污染、电极不良等，正是这些缺陷限制了电池的光电转化效率和使用寿命。同时，由于没有完善的行业标准，Si片原材料质量也是参差不齐，一些缺陷片的存在直接影响到组件乃至光伏系统的稳定性。因此，太阳能行业需要有快速有效和准确的定位检验方法来检验生产环节可能出现的问题。 发光成像方法为太阳电池缺陷检测提供了一种非常好的解决方案，这种检测技术使用方便，类似透视的二维化面检测。本文讨论的是光致发光技术在检测晶体Si太阳电池上的应用。光致发光(photoluminescence，PL)检测过程大致包括激光被样品吸收、能量传递、光发射及CCD成像四个阶段。通常利用激光作为激发光源，提供一定能量的光子，Si片中处于基态的电子在吸收这些光子后而进入激发态，处于激发态的电子属于亚稳态，在短时间内会回到基态，并发出荧光。利用冷却的照相机镜头进行感光，将图像通过计算机显示出来。发光的强度与本位置的非平衡少数载流子的密度成正比，而缺陷处会成为少数载流子的强复合中心，因此该区域的少数载流子密度变小导致荧光效应减弱，在图像上表现出来就成为暗色的点、线，或一定的区域，而在电池片内复合较少的区域则表现为比较亮的区域。因此，通过观察光致发光成像能够判断Si片或电池片是否存在缺陷。 1 实验 实验选取大量低效率电池进行研究，现举典型PL图像进行分析说明。电池所用Si片为125 mm×125 mm，厚度(200±10)μm，晶向<100>，p型CZ太阳能级Si片。PL测试仪器的基本结构如图1，激光源波长为808 nm，激光装置中带有均化光器件，使光束在测量的整个区域均匀发光。由于载流子的注入，Si片或电池片中会产生电流使其发出荧光，在波长为1 150 nm时的红外光最为显著，所以选用了适当的滤光片和摄像头组合，使波长在1 150 nm附近的荧光得以最大的通过。冷却的摄像头(-50℃)在室温暗室中可以感光并生成512×512像素的图像，曝光时间为1 s。整个实验装置由微机程序控制。虽然PL可以直接测量Si片，但为了实验的对比性，本文均采用对电池的测量图像作对比。

第三节硅单晶

第三节硅单晶 一、直拉硅单晶 1961年1月，上海有色金属研究所第三研究室组建直拉硅单晶研制组，从制作设备开始，制成华东地区第一台直拉硅单晶炉。8月26日拉出1根重30克的硅单晶，受到复旦大学谢希德教授的称赞。11月又试制成掺磷、电阻率1～10欧姆·厘米的硅单晶。 ［硅单晶］ 1961年12月，上海金属加工厂在国产直筒式直拉硅单晶炉上试拉单晶，翌年2月拉制出重36克硅单晶，最初液态硅易结晶，成晶困难，在内层保温罩上加一层钼片，状况改观，电阻率均匀性也有提高。 1964年10月，为研制百万次电子计算机需要，上海市冶金工业局、市科学技术委员会联合向上海有色金属研究所下达研制生产电阻率为0.025～0.03欧姆·厘米的重掺硼硅单晶。该所第四研究室组成研制组，采用充氩工艺，完成了20个品种，供上海元件五厂制作11伏和37.5伏稳压管，经试用性能满足要求。翌年3月市冶金工业局邀请有关专家鉴定，确认工艺稳定，质量可靠，用多种方法掺杂均获得满意结果，并成功地验证了美国贝尔电话公司发表的电阻率曲线，填补了国内空白。国家科委以《重掺硼单晶的科学研究》为题，印成500本单行本内部发行。 随后该所又研制成硅外延衬底用电阻率为0.001～0.009欧姆·厘米重掺砷硅单晶和电阻率为0.003～0.009欧姆·厘米重掺锑硅单晶。经该所硅外延组和中国科学院上海冶金研究所长期使用，质量稳定可靠，是理想的硅外延衬底材料。市科委硅外延领导小组确认该成果填补了国内空白，要求除该所继续生产外，总结经验移交上海金属加工厂生产。1965年，该厂生产的硅单晶头部有滑移线、小角度晶界等缺陷，总工程师葛涛组织有关人员专题研究，总结经验教训，采取“引晶细长，放肩圆滑，直径均匀，尾呈圆锥”的16字经验。并延长停炉时间，缺陷得到改善，位错密度在5×103个/平方厘米以下。1971年该厂在DJL－70硅单晶炉增加投料量试验，改进加热系统，扩大石墨器件尺寸，产量上升。1974年拉制出直径100毫米重5公斤硅单晶。为适应器件厂提高硅单晶的利用率的要求，1978年7月又首次拉制出符合质量要求的等直径硅单晶。 1970年，上海冶炼厂用直拉法制备硅单晶。为提高质量，1973年起采用偏心拉晶工艺，径向电阻率不均匀性小于20%，充氩减压工艺，降低氩气消耗

第五章 硅的外延薄膜的生长

第五章 硅的外延薄膜的生长 外延生长工艺是一种在单晶衬底的表面上淀积一个单晶薄层(0.5～20微米)的方法。如果薄膜与衬底是同一种材料该工艺被称为同质外延，但常常就被简单地称为外延。在硅衬底上淀积硅是同质外延最重要的在技术上的应用，并且是本章的基本主题。在另一方面，如果在化学成分不同的衬底上进行淀积，则称为异质外延。这种工艺已在被称为SOS的在蓝宝石(Al2O3)上淀积硅的工艺中得到应用。外延起源于两个希腊字，意思是整理安排。 外延生长可以从气相(VPE)、液相(LPE)或固相(SPE)中获得。在硅工艺中，气相外延得到了最广泛的接受，因为它对杂质浓度有良好的控制以及能获得晶体的完整性。液相淀积在制造Ⅲ?Ⅴ族化合物外延层时得到广泛使用。正如在第九章“非晶层损伤的退火”中讲到的，固相外延可用于离子注入的非晶层的再结晶。 发展硅外延的主要动机是为了改善双极型晶体管及后来的双极型集成电路的性能。通过在重掺杂的硅衬底上生长一层轻掺杂的外延层，双极型器件得到优化：在维持低集电区电阻的同时，获得高的集电极－衬底击穿电压。低的集电区电阻提供了在中等电流时的高的器件工作速度。最近外延工艺已被用于制造先进的CMOS大规模集成电路。这些电路中，器件被做在重掺杂的衬底上的一层很薄的(3～7微米)轻掺杂的外延层中。这种结构减少了在功率增加或在遭到辐射脉冲时CMOS电路可能经受的闩锁效应。在外延层中制造器件(双极型和MOS)的其他优点还有：器件掺杂浓度的精确控制，并且这层中可以不含氧和碳。但外延工艺并不是没有缺点，包括：a)增加了工艺复杂性和硅片成本；b)在外延层中产生缺陷；c)自掺杂以及d)图形改变和冲坏。 在这一章中，我们介绍了：a)外延淀积基础；b)外延层的掺杂；c)外延膜中的缺陷；d)对大规模集成电路的外延淀积的工艺考虑；e)外延淀积设备；f)外延膜的表征；g)硅外延的选择性淀积；和h)硅的分子束外延。 外延淀积基础 这部分讨论了用于硅的气相外延的化学气相淀积(CVD)工艺的基础理论。包括了反应物和产物的通过边界层的传输以及它们在衬底上的化学反应。 Grove外延膜生长模型 外延淀积是一个化学气相淀积的过程。以下五个步骤对于所有的化学气相淀积是基本的：1)反应物被运输到衬底上；2)反应物被吸附在衬底表面上；3)在表面发生化学反应以生成薄膜和反应产物；4)反应产物从表面被放出；和5)反应产物从表面被运走。在某些情况下，在步骤1之前先进行一个气相反应以形成薄膜的前身(反应物)。 甚至直到现在，针对全部五个步骤 而发展出一个数学关系式仍是困难的。 Grove1基于一个只适用于步骤1和3(反 应物的运输和化学反应)的假设而研发 出一个模型。尽管这些假设具有局限性， 该模型还是解释了许多在外延淀积工艺 中观察到的现象。 图1是关于这个模型的本质的图解。它显示了反应气体的浓度分布和从气体的主体到正在生长的薄膜表面的流量F1(单位时间内通过单位面积的原子或分子的数量，原子/厘米2秒)。它还显示了另一个代表反应气体消耗的流量F2。用于硅外延的反应气体可以是下列气体中的任何一种：SiH4、SiHCl3、SiH2Cl2、

SiC单晶生长_刘喆

第21卷 第2期Vol 21 No 2 材 料 科 学 与 工 程 学 报 Journal of Materials Science &Engineering 总第82期Apr.2003 文章编号:1004-793X (2003)02-0274-05 收稿日期:2002-08-10;修订日期:2002-10-29 基金项目:国家杰出青年科学基金资助项目(60025409)和863资助项目(2001AA31108).作者简介:刘 (1978 ),女,硕士研究生,从事Si C 晶体生长的研究。 SiC 单晶生长 刘 ,徐现刚 (山东大学晶体材料国家重点实验室,山东济南 250100) 摘 要 本文综述了国际上SiC 单晶生长的发展历史及现状。从其结构特点生长方法的选择,生长过程中的问题以及存在的晶体缺陷等方面进行了介绍。 关键词 碳化硅;单晶生长;宽禁带半导体中图分类号:O782 7 文献标识码:A Growth of Bulk SiC LIU Zhe,XU Xiang -gang (State Key Lab.of Crystal Material,Shandong University,Jinan 250100,China) Abstract This paper reviewed the developmen ts and research progress on SiC crystal growth.Structural characteristics,growth methods,problems existing in the growth process and crystal defects are introduced. Key w ords silicon carbide;single crystal growth;wide band gap semiconductor 1 引 言 随着第一代硅半导体及第二代砷化镓半导体材料发展的成熟,其器件应用也趋于极限。现代科技越来越多的领域需要高频率,高功率,耐高温,化学稳定性好以及可以在强辐射环境中工作的材料,因此第三代半导体(即宽禁带半导体,禁带宽度大于2 2eV )受到了人们的极大关注,这些材料包括 -O , -N,SiC,金刚石等等,其中技术最为成熟的就是SiC 。SiC 为间接禁带半导体,其带隙大,热导率高(比铜的还高),击穿电场高,化学稳定性高,抗高辐射。与前两代半导体材料相比较,有着很大的优势,见表1比较。 表1 各材料的性能比较 Table 2 properties of varied materials para meter 6H -SiC 4H -Si 3C -Si C Si Ga As Bandgap eV 3.0 3.2 2.3 1.1 1.42Thermal conductivi ty W cm -1 K 4.9 3.7 3.2 1.50.46Saturati on Drift Velocity (cm s -1) 107 2.0 2.0 2.5 1.0 2.0Brdakdown electrical field MV cm -1 2.5 2.2 2.10.30.4Electron mobi li ty c m 2 V -1 s -1400100080014008500Hole mobility cm 2 V -1 s -1100 115 50 471 430 Dielectric Cons tan 9.669.6~109.72 11.712.8 从结构上看,SiC 本身就是一个庞大的材料家族,理论 上它可以有无数种排列方式,至今发现的晶型就有200多 种,基本上分为三种结晶学类型[1]:立方(cubic ),六方(hexagonal),菱形(rhombus)。目前单晶生长的晶型主要是6H -和4H -SiC 。 2 SiC 单晶生长回顾与生长 方法的选择 SiC 可以算得上是最早发现的半导体材料之一。早在1824年,就由J ons Jacob Berzeliusz 在陨石中发现了这种物质。接下来在1885年,Acheson 用焦炭与硅石混合在电熔炉中高温加热获得SiC 结晶。1907年第一支SiC 发光二极管出现,虽然在当时对于发光机理还不清楚。1955年,飞利浦实验室的Lely [2]提出了一种生长高质量单晶的方法-升华法。基本原理就是在一个密封的容器中,混合物部分分解,气体的蒸汽压等于在确定温度下的该成分的平衡分解蒸汽压,物质从高温部分向低温部分输送并凝结结晶。工业级的SiC 原料在2500 分解升华,在温度梯度作用下,沿着气流在内腔壁上随机地结晶成核。这样生长的晶体尺寸小,产率低,难以控制成核,有各种多型结构,而且温度过高。这时期SiC 单晶的质量远不如接下来出现的Ge,Si 单晶的质量,所以没有获得较大的应用。直到1978年,前苏联科学家Tairov 和Tsvetkov [3,4]提出在生长中加籽晶,使成

浅谈晶体缺陷及其应用

浅谈晶体缺陷及其应用 1103011036 周康粉体一班 摘要：晶体缺陷对晶体的力学性能既有有利的方面，也有不利的方面。少量晶体缺陷对于晶体的物理性能能够产生重要影响，所以可以根据不同的晶体缺陷，开发利用其产生的影响，充分发挥可能产生的作用，研究并制备具有不同性能的材料，以适应人们不同的实际需要和时代的发展需求。 关键词：晶体缺陷; 性能; 铁磁性; 电阻; 半导体材料；杂质 引言：在讨论晶体结构时，我们认为晶体的结构是三维空间内周期有序的，其内部质点按照一定的点阵结构排列。这是一种理想的完美晶体，它在现实中并不存在，只作为理论研究模型。相反，偏离理想状态的不完整晶体，即有某些缺陷的晶体，具有重要的理论研究意义和实际应用价值。所有的天然和人工晶体都不是理想的完整晶体，它们的许多性质往往并不决定于原子的规则排列，而决定于不规则排列的晶体缺陷。 晶体缺陷对晶体生长、晶体的力学性能、电学性能、磁学性能和光学性能等均有着极大影响，在生产上和科研中都非常重要，是固体物理、固体化学、材料科学等领域的重要基础内容。研究晶体缺陷因此具有了尤其重要的意义。本文着重对晶体缺陷及其对晶体的影响和应用进行阐述。 1.晶体缺陷的定义和分类 1.1 晶体缺陷的定义 在理想的晶体结构中，所有的原子、离子或分子都处于规则的点阵结构的位置上，也就是平衡位置上。1926 年弗仑克尔l首先指出，在任一温度

下，实际晶体的原子排列都不会是完整的点阵，即晶体中一些区域的原子的正规排列遭到破坏而失去正常的相邻关系。我们把实际晶体中偏离理想完整点阵的部位或结构称为晶体缺陷. 1.2 晶体缺陷的分类 1.2.1、按缺陷的几何形态分类可分为四类：点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷。 1.点缺陷（零维缺陷）：缺陷尺寸处于原子大小的数量级上，即三维方向上缺陷的尺寸都很小。包括：空位（vacancy）、间隙原子（interstitial particle）、异类原子（foreign particle）。 点缺陷与材料的电学性质、光学性质、材料的高温动力学过程等有关。2..线缺陷（一维缺陷）：指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列所产生的缺陷，即缺陷尺寸在一维方向较长，另外二维方向上很短。线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密切相关。 3.面缺陷：面缺陷又称为二维缺陷，是指在二维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列而产生的缺陷，即缺陷尺寸在二维方向上延伸，在第三维方向上很小。如晶界、相界、表面、堆积层错、镶嵌结构等。面缺陷的取向及分布与材料的断裂韧性有关。 固体材料中最基本和最重要的晶体缺陷是点缺陷，包括本征缺陷和杂质缺陷等。 1.2.2、按缺陷产生的原因分类： 热缺陷、杂质缺陷、非化学计量缺陷、其它原因（如电荷缺陷，辐照缺陷等）。

单晶硅中可能出现的各种缺陷

单晶硅中可能出现的各种缺陷 缺陷，是对于晶体的周期性对称的破坏，使得实际的晶体偏离了理想晶体的晶体结构。在各种缺陷之中，有着多种分类方式，如果按照缺陷的维度，可以分为以下几种缺陷：点缺陷：在晶体学中，点缺陷是指在三维尺度上都很小的，不超过几个原子直径的缺陷。其在三维尺寸均很小，只在某些位置发生，只影响邻近几个原子，有被称为零维缺陷。线缺陷：线缺陷指二维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷，也就是位错。我们可以通过电镜等来对其进行观测。面缺陷：面缺陷经常发生在两个不同相的界面上，或者同一晶体内部不同晶畴之间。界面两边都是周期排列点阵结构，而在界面处则出现了格点的错位。我们可以用光学显微镜观察面缺陷。体缺陷：所谓体缺陷，是指在晶体中较大的尺寸范围内的晶格排列的不规则，比如包裹体、气泡、空洞等。 一、点缺陷点缺陷包括空位、间隙原子和微缺陷等。 1、空位、间隙原子点缺陷包括热点缺陷（本征点缺陷）和杂质点缺陷（非本征点缺陷）。 1.1热点缺陷其中热点缺陷有两种基本形式：弗仑克尔缺陷和肖特基缺陷。单晶中空位和间隙原子在热平衡时的浓度与温度有关。温度愈高，平衡浓度愈大。高温生长的硅单晶，在冷却过程中过饱

和的间隙原子和空位要消失，其消失的途径是：空位和间隙原子相遇使复合消失；扩散到晶体表面消失；或扩散到位错区消失并引起位错攀移。间隙原子和空位目前尚无法观察。 1.2杂质点缺陷A、替位杂质点缺陷，如硅晶体中的磷、硼、碳等杂质原子B、间隙杂质点缺陷，如硅晶体中的氧等 1.3点缺陷之间相互作用一个空位和一个间隙原子结合使空位和间隙原子同时湮灭（复合），两个空位形成双空位或空位团，间隙原子聚成团，热点缺陷和杂质点缺陷相互作用形成复杂的点缺陷复合体等。2、微缺陷 2.1产生原因如果晶体生长过程中冷却速度较快，饱和热点缺陷聚集或者他们与杂质的络合物凝聚而成间隙型位 错环、位错环团及层错等。Cz硅单晶中的微缺陷，多数是各种形态的氧化物沉淀，它们是氧和碳等杂质，在晶体冷却过程中，通过均质成核和异质成核机理形成。 2.2微缺陷观察方法1）择优化学腐蚀：择优化学腐蚀后在横断面上呈均匀分布或组成各种形态的宏观漩涡花纹（漩涡缺陷）。宏观上，为一系列同心环或螺旋状的腐蚀图形，在显微镜下微缺陷的微观腐蚀形态为浅底腐蚀坑或腐蚀小丘（蝶形蚀坑）。在硅单晶的纵剖面上，微缺陷通常呈层状分布。2）热氧化处理：由于CZ硅单晶中的微缺陷，其应力场太小，往往需热氧化处理，使微缺陷缀饰长大或转化为氧化层错或小位错环后，才可用择优腐蚀方法显示。3）扫

单晶硅生长原理及工艺_刘立新

单晶硅生长原理及工艺 摘要：介绍了直拉法生长单晶硅的基本原理及工艺条件。通过控制不同的工艺参数（晶体转速：2.5、10、20rpm ；坩埚转速： 5、 150×1000mm 优质单晶硅棒。分别对这三种单晶硅样品进行 了电阻率、氧含量、碳含量、少子寿命测试，结果表明，当晶体转速为10rpm ，坩埚转速为 ０７ ），男，助理研究员，E-mail ：lxliu2007@https://www.wendangku.net/doc/1a12006489.html, 。 刘立新1，罗平1，李春1，林海1，张学建1，2，张莹1 （1.长春理工大学 材料科学与工程学院，长春 130022；2.吉林建筑工程学院，长春 130021） Growth Principle and Technique of Single Crystal Silicon LIU Lixin 1，LUO Ping 1，LI Chun 1，LIN Hai 1，ZHANG Xuejian 1，2 ，ZHANG Ying 1 （1.Changchun University of Science and Technology ，Changchun 130022；2.Jilin Architectural and civil Engineering institute ，Changchun 130021） Abstract ：This paper introduces the basic principle and process conditions of single crystal silicon growth by Cz method.Through controlling different process parameters (crystal rotation speed:2.5，10，20rpm;crucible rotation speed:-1.25，-5，-10)，three high quality single crystal silicon rods with the size of é? ??ì?2a?÷?￠?ˉ3éμ??·?￠ì????üμ?3?μè ［1］ 。此外，硅 没有毒性，且它的原材料石英(SiO 2)构成了大约60%的地壳成分，其原料供给可得到充分保障。硅材料的优点及用途决定了它是目前最重要、产量最大、发展最快、用途最广泛的一种半导体材料［2］。 到目前为止，太阳能光电工业基本上是建立在 硅材料基础之上的，世界上绝大部分的太阳能光电器件是用单晶硅制造的。其中单晶硅太阳能电池是 最早被研究和应用的，至今它仍是太阳能电池的最 主要材料之一。单晶硅完整性好、纯度高、资源丰富、技术成熟、工作效率稳定、光电转换效率高、使用寿命长，是制备太阳能电池的理想材料。因此备受世界各国研究者的重视和青睐，其市场占有率为太阳能电池总份额中的40%左右［3］。 随着对单晶硅太阳能电池需求的不断增加，单晶硅市场竞争日趋激烈，要在这单晶硅市场上占据重要地位，应在以下两个方面实现突破，一是不断降低成本。为此，必须扩大晶体直径，加大投料量，并且提高拉速。二是提高光电转换效率。为此，要在晶体生长工艺上搞突破，减低硅中氧碳含 第32卷第4期2009年12月 长春理工大学学报（自然科学版） Journal of Changchun University of Science and Technology （Natural Science Edition ）Vol.32No.4 Dec.2009

6H_SiC单晶的生长与缺陷

第32卷第3期硅酸盐学报Vol.32,No.3　2004年3月J OURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY M a r c h,2004 6H SiC单晶的生长与缺陷 胡小波,徐现刚,王继扬,韩荣江,董　捷,李现祥,蒋民华 (山东大学,晶体材料国家重点实验室,济南　250100) 摘　要:采用升华法,在一定的温度、气体压力和流量的条件下,生长了尺寸<50.8mm的6H SiC单晶。利用光学显微术观察了原生晶体的表面形貌,发现了微管在晶体表面的露头点具有明显的多个螺位错成核特征。采用透射模式对抛光晶片进行观察,发现了SiC晶体内的典型缺陷,如:负晶、微管、碳颗粒等,并对它们的形成机理进行了讨论。 关键词:6H碳化硅;微管;负晶;缺陷 中图分类号:O771;O782文献标识码:A文章编号:04545648(2004)03024803 GR OWTH AN D DEFECTS OF6H SiC MON OCR YSTALS HU Xiaobo,XU Xiangang,W A N G Jiyang,HA N Rongjiang,DON G Jie,L I Xianxiang,J IA N G Minhua (State K ey Laboratory of Crystal Materials,Shandong University,Jinan　250100,China) Abstract:6H SiC monocrystals with the diameter of50.8mm were synthesized by sublimation method.The surface morpho2logy of as2grown SiC crystal was observed by optical microscopy.It is found that outcrops of micropipes on the crystal surface possess remark2 able feature of double or multiple screw dislocations.In addition,polished SiC wafer was also examined by optical microscopy with transmission mode,and it is found that there are some typical defects,such as negative crystals,micropipes,carbon particles in SiC crystals.The formation mechanisms of these defects are discussed. K ey w ords:6H silicon carbide;micropipe;negative crystal;defect SiC是一种重要的半导体材料,它具有优良的热学、力学、化学和电学性质,可以用作蓝光L ED (light emitting diode)衬底材料,同时又是制作高温、高频、大功率电子器件的最佳材料之一[1,2]。过去10年来,各国的晶体生长科学家都在朝生长大尺寸、高质量SiC单晶方向努力。最近几年,SiC单晶中结构缺陷的密度逐年减少[3,4],但离完全消除SiC 单晶中的结构缺陷还有相当长的距离。 在未来几年SiC晶体材料的研究和开发过程中 收稿日期:20031010。修改稿收到日期:20031109。 基金项目:国家863计划和国家自然科学基金(60025409)资助项目。作者简介:胡小波(1963～),男,博士,教授。 注:2003年9月在中国硅酸盐学会2003年学术年会上宣读并被评为优秀论文。需要解决的问题包括:(1)微管密度的降低直至消除。微管是一种空心管,尺寸从纳米至微米量级。微管一旦产生,可以在晶体内沿c轴延伸,并贯穿整个SiC晶棒。在外延生长的过程中,SiC衬底中的微管能延伸到外延层。因此,微管的存在直接影响器件的性能,特别是高功率器件的性能。(2)位错密度的降低。尽管目前Cree公司声称直径为50.8mm (2in)SiC衬底的微管密度可以达到零,但位错密度仍然较高。在完全消除了晶体中的微管以后,降低 R eceived d ate:20031010.Approved d ate:20031109. Biography:HU Xiaobo(1963—),male,doctor,professor. E2m ail:xbhu@https://www.wendangku.net/doc/1a12006489.html,

晶体硅的应用

晶体硅 硅根据结晶形态可以分为无定形硅、多晶硅和单晶硅等几大类。晶体硅具有明显的金属光泽，呈灰色，密度2.32~2.34g/cm3，熔点1410℃，沸点2355℃，具有金刚石的晶体结构，电离能8.151电子伏特。加热下能同单质的卤素、氮、碳等非金属作用，也能同某些金属如Mg、Ca、Fe、Pt等作用。生成硅化物。不溶于一般无机酸中，可溶于碱溶液中，并有氢气放出，形成相应的碱金属硅酸盐溶液，于赤热温度下，与水蒸气能发生作用。硅在自然界分布很广，在地壳中的原子百分含量为16.7%。是组成岩石矿物的一个基本元素，以石英砂和硅酸盐出现。 单晶硅具有基本完整的点阵结构的晶体。不同的方向具有不同的性质，是一种良好的半导材料。纯度要求达到99.9999％，甚至达到99.9999999％以上，高于多晶硅。 多晶硅材料是由许多具有不同晶向的小颗粒单晶硅组成。在小颗粒的单晶晶粒内部硅原子呈周期性有序排列。多晶硅与单晶硅的主要区别是不同晶间的单晶晶粒问存在晶粒间界，所谓的晶粒间界是指晶粒问的过渡区。结构复杂，硅原子呈无序排列，存在着能在禁带中引入深能级缺陷的杂质。一方面，作为界面态耗尽了晶界附近的载流子，形成具有一定宽度的耗尽层和势垒：另一方面，作为复合中心俘获电子和空穴。晶界势垒阻碍载流子的传输，又增大了串联电阻，对填充因子不利。晶界的复合损失减低了收集几率，对开路电压和短路电流不利，从而影响太阳电池的转换效率。 晶体硅的制备方法大致是先用碳还原SiO2成为Si，用HCl反应再提纯获得更高纯度多晶硅。制备单晶硅通常是先制得多晶硅或无定形硅，然后用直拉法或悬浮区熔法从熔体中生长出棒状单晶硅。再通过后续的开方、切片、腐蚀、抛光等一系列的加工，最终得到可用于制造各类硅晶制品的基础原材料。 晶体硅因其具有准金属的物理性质，有较弱的导电性，其电导率随温度的升高而增加，有显著的半导电性。超纯的单晶硅是本征半导体，在超纯单晶硅中掺入微量的IIIA族元素，如硼可提高其导电的程度，而形成P型硅半导体;如掺入微量的V A族元素，如磷或砷也可提高导电程度，形成n型硅半导体硅是优良的半导体材料，因此被广泛地应用于制造半导体制品、电子芯片和太阳能电池板等领域。 1，半导体材料 由于硅半导体耐高电压、耐高温、晶带宽度大，比其它半导体材料有体积小、效率高、寿命长、可靠性强等优点，因此被广泛用于电子工业集成电路的生产中。高纯的单晶硅是重要的半导体材料。在单晶硅中掺入微量的第IIIA族元素，形成P型硅半导体另外广泛应用的二极管、三极管、晶闸管和各种集成电路（包括我们计算机内的芯片和CPU)都是用硅做的原材料。 2，太阳能光伏电池板 多晶硅可以直接用于制造太阳能光伏电池板，或加工成单晶硅后再用于制造光伏电池板。先将硅料铸锭、切片或直接用单晶硅棒切片，再通过在硅片上掺杂和扩散形成PN结，然后采用丝网印刷法，将银浆印在硅片上做成栅线，经过烧结，同时制成背电极，并在有栅线的面上涂减反射膜等一系列工艺加工成太阳能电池单体片，最后按需要组装成太阳能电池板。目前，硅光伏电池占世界光伏电池总产量的98％以上，其中多晶硅电池约占55％，单晶硅电池约占36％，其它硅材料电池约占70％。由于多晶硅光伏电池的制造成本较低，光电转换效率较高(接近20％)，因而得到快速发展。

硅外延中的化学原理

硅外延中的化学原理 一氢气的纯化原理 1 分子筛:他是一种人工合成的高效硅铝酸盐,具有微孔结构的晶体,脱水后的分子筛产 生许多肉眼看不见的大小相同的孔洞,具有很强的吸附力,能把小于孔洞的分子吸进孔洞而被吸附,大于孔洞的分子挡在孔外,从分子筛小晶粒间通过.此外,是否被吸附还与物质分子的极性有关,一般来说对极性强的,不饱和性大的分子有优先被吸附的能力.如优先吸附水,氨,硫化氢等极性分子,而对氢,甲烷等非极性分子不吸附. 分子筛分A,X,Y型,具有以下特性: ①分子筛可以用来选择性吸附水分. ②气体相对湿度低时具有良好的吸附容量,而且不会被液态水损坏. ③具有热稳定性,低高温都可使用. ④再生可连续使用,吸收的水分可在350—500℃下加热除去. 2 脱氧剂 又称C-05催化剂,是含0.03﹪钯的分子筛.工作原理:在常温下氢气通过其表面时,氢气中的氧和氢化合生成水,反应如下: 2H 2+O 2 →2H 2 O+Q 催化反应在催化剂的表面进行,如果原料氢中的含氧量过高,放热反应使催化剂表面的温度很高,如含氧量大于5﹪则催化剂的表面温度可达800-1000℃,高的温度将使通过的氢被加热,使吸附效率下降,并会使催化剂的稳定性变坏而失去催化作用(在550℃以下较为稳定),所以允许通过的氢含氧量为2.5﹪. 3 钯管的纯化原理 其他的方法只能除水和氧气,但氢气中的氮,碳氢化合物,二氧化碳等就难以除去,而采用钯管纯化氢气则可同时除去上述有害气体.钯管又称钯合金膜管,是一个通过气体扩散的方法来制取高纯氢的装置,氢气的纯度可达8个9,是最好的一种方法.其原理如下:金属钯在一定催化条件下有选择的吸附,溶进和渗透氢气的性质.加热到450℃左右时,由于钯的催化作用,氢分子在合金膜表面离解为氢原子,并进一步离解为氢离子和电子,由于钯的晶格常数为3.88埃,而氢离子的半径仅1.5×10-5埃,所以在催化状态下可以通过,然后又合成氢原子,氢原子再合成氢分子.从而达到氢气有高浓度向低浓度的方向扩散. 4 二氧化硅的结构 二氧化硅晶体:每个硅原子和周围的四个氧原子构成共价键,叫硅氧桥结构. 无定形硅:除存在硅桥结构外,也存在由SIO 4 组成的四面体,氧化工艺中得到的是无定形二氧化硅.湿氧氧化时,还会有非桥键的基(-OH),即硅醇存在.硅桥结构越少,氧化层越疏松.由于硅醇中基的亲水性,易于吸附水,所以湿氧氧化后表面总存留一些水分子不易除尽,这就是疏水的由来. 二氧化硅极易被钠离子污染,使器件漏电增大. 5 硅P-N结显示的化学原理: 3-7﹪的硫酸铜溶液,加几滴氢氟酸,硅可从硫酸铜溶液中置换出铜来, SI+2CUSO 4+HF→2CU↓+H 2 【SIF 6 】+2H 2 SO 4 由于N型硅较P型硅易失去电子,容易发生置换反应,所以在N型硅上有铜析出,从而出现一条明显的分界线.