第11章_半导体概述.ppt

11.8.1 单晶硅制备 超过98%的电子元件是使用单晶硅作用基础材料制备，在迅速发展的太阳能发电工程中，由于单晶硅材料有较高的光电转换率，因此也占据了重要的地位。单晶硅制备主要有两种方法：CZ，FZ。 CZ-直拉法，主要用于低功率集成电路、晶体管、太阳能电池等。其特点是容易实现单晶大直径化，设备和工艺巳比较成熟，该方法生产的单晶占硅单晶总量的85%以上。 FZ-悬浮区熔，用高频加热悬浮生长，能生产高阻、高纯、高寿命的高质量单晶，主要用于探测器，大功率可控整流元件，包括能使转换率超过20%以上的太阳能单晶。 晶体生长技术，它涉及到热力学、物理化学、流体动力学、结晶学和晶体缺陷理论，由于微电子技术的飞速发展，作为基础材料的硅单晶制备技术也在迅速发展。 11.8 半导体生产、应用实例（结合P195功能转换材料——光电材料） 1. 直拉单晶制造法（Czochralski，CZ法）是把原料多硅晶块放入高纯石英坩埚中，并在单晶炉中加热融化 ，再将一根直径12mm的棒状籽晶（晶种）浸入融液中。在合适的温度下，融液中的硅原子会顺着晶种的硅原子排列结构在固液交界面上形成规则的结晶，成为单晶体。 当结晶慢慢旋转并向上提升，融液中的硅原子会在前面形成的单晶体上继续结晶，并延续其规则的原子排列结构。若整个结晶环境稳定，就可以周而复始地形成结晶，最后形成一根圆柱形的原子排列整齐的硅单晶晶体，即硅单晶锭。 当结晶加快时，晶体直径会变粗，提高升速可以使直径变细，增加温度能抑制结晶速度。反之，若结晶变慢，直径变细，则通过降低拉速和降温去控制。拉晶初始，先引出一定长度，直径为3～5mm的细颈，以消除结晶位错，这个过程叫做引晶。然后放大单晶体直径至工艺要求，进入等径阶段，直至大部分硅融液都结晶成单晶锭，只剩下少量剩料。停炉后取出单晶棒，一个工艺过程结束。 （1）加料：将多晶硅原料及杂质放入石英坩埚内，杂质的种类依电阻的Ｎ或Ｐ型而定。杂质种类有硼、磷、锑、砷，目前国内太阳能行业仅掺硼形成P型半导体。 （2）熔化：加完多晶硅原料于石英埚内后，长晶炉必须关闭并抽成真空后充入高纯氩气使之维持一定压力范围内，然后打开加热电源，加热至熔化温度（1420℃）以上，将多晶硅原料熔化。 （3）引晶生长：当硅熔体的温度稳定之后，将籽晶慢慢浸入硅熔体中，引晶生长是将籽晶快速向上提升，使长出的籽晶的直径缩小到一定大小（4~6ｍｍ）。由于位错线与生长轴成一个交角，只要缩颈够长，位错便能排出晶体表面，产生低位错的晶体。 （4）放肩生长：长完细颈之后，须降低温度与拉速，使得晶体的直径渐渐增大到所需的大小。 （5）等径生长：长完细颈和肩部之后，借着拉速与温度的不断调整，可使晶棒直径维持在正负2mm之间，这段直径固定的部分即称为等径部分。单晶硅片取自于等径部分。 （6）尾部生长：在生长完等径部分之后，如果立刻将晶棒与液面分开，那么热应力将使得晶棒出现位错与滑移线。于是为了避免此问题的发生，必须将晶棒的直径慢慢缩小，直到成一尖点而与液面分开。这一过程称之为尾部生长。 1 熔化 2 稳定 3 引晶 4 缩径 5 放肩 6 等径 直拉单晶生长过程示意图 装料 熔化 种晶 引晶 放肩 等径 收尾 完成 直拉法生长单晶的特点 优点：所生长单晶的直径较大、成本相对较低; 通过热场调整及晶转，埚转等工艺参数的优化，可较好控制电阻率径向均匀性 缺点：石英坩埚内壁被熔硅侵蚀及石墨保温加热元件的影响，易引入氧碳杂质，不易生长高电阻率单晶（含氧量通常10-40ppm)。 悬浮区熔法（float-zone，FZ法） 依靠熔体表面张力，使熔区悬浮于多晶Si与下方长出的单晶之间，通过熔区的移动而进行提纯和生长单晶。 特点：可重复生长、提纯单晶，单晶纯度较CZ法高； 无需坩埚、石墨托，污染少； 高纯、高阻、低氧、低碳； 缺点：单晶直径不及CZ法 太阳能电池利用半导体材料的电子特性，把阳光直接转换为电能。 11.8.2 太阳能电池 1.硅太阳能电池 单晶硅太阳电池：采用单晶硅片制造制造，性能稳定，转换效率高。目前转换效率已达到16%~18%。 多晶硅太阳电池：作为原料的高纯硅不是拉成单晶，而是熔化后浇铸成正方形硅锭，然后使用切割机切成薄片，再加工成电池。由于硅片是由多个不同大小、不同取向的晶粒构成，因而转换效率低。目前转换效率达到15%~17%。 多晶硅太阳电池生产流程 非晶硅太阳电池：一般采用高频辉光放电等方法使硅烷气体分解沉积而成。一般在P层与N层之间加入较厚的I层。非晶硅太阳电池的厚度不到1μm，不足晶体硅太阳电池厚度的1/100，降低制造成本。目