第五章 半導(dǎo)體材料電化學(xué).

1、第五章第五章 半導(dǎo)體材料與太陽(yáng)能電池半導(dǎo)體材料與太陽(yáng)能電池5.1 半導(dǎo)體材料概述半導(dǎo)體材料概述 半導(dǎo)體材料（半導(dǎo)體材料（semiconductor material）是一類(lèi)）是一類(lèi)具有半導(dǎo)體性能、可用來(lái)制作半導(dǎo)體器件和集成電路具有半導(dǎo)體性能、可用來(lái)制作半導(dǎo)體器件和集成電路的電子材料。半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣的電子材料。半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間，其電導(dǎo)率在體之間，其電導(dǎo)率在10-8106S/m范圍內(nèi)。范圍內(nèi)。 金屬導(dǎo)體電導(dǎo)率：金屬導(dǎo)體電導(dǎo)率：108106 S/m， 絕緣體電導(dǎo)率：絕緣體電導(dǎo)率： 10-810-20 S/m. 半導(dǎo)體材料的電學(xué)性質(zhì)對(duì)光、熱、電、磁等外界半導(dǎo)

2、體材料的電學(xué)性質(zhì)對(duì)光、熱、電、磁等外界因素的變化十分敏感，在半導(dǎo)體材料中摻入少量雜質(zhì)因素的變化十分敏感，在半導(dǎo)體材料中摻入少量雜質(zhì)可以控制這類(lèi)材料的電導(dǎo)率。正是利用半導(dǎo)體材料的可以控制這類(lèi)材料的電導(dǎo)率。正是利用半導(dǎo)體材料的這些性質(zhì)，才制造出功能多樣的半導(dǎo)體器件。半導(dǎo)體這些性質(zhì)，才制造出功能多樣的半導(dǎo)體器件。半導(dǎo)體材料是半導(dǎo)體工業(yè)的基礎(chǔ)，它的發(fā)展對(duì)半導(dǎo)體技術(shù)的材料是半導(dǎo)體工業(yè)的基礎(chǔ)，它的發(fā)展對(duì)半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展有極大的影響。發(fā)展有極大的影響。 元素半導(dǎo)體有元素半導(dǎo)體有鍺、硅、硒、硼、碲、銻鍺、硅、硒、硼、碲、銻等。上世等。上世紀(jì)紀(jì)50年代，鍺在半導(dǎo)體中占主導(dǎo)地位，但鍺半導(dǎo)體器年代，鍺在半導(dǎo)體中占主

3、導(dǎo)地位，但鍺半導(dǎo)體器件的件的耐高溫和抗輻射性能較差耐高溫和抗輻射性能較差，到，到60年代后期逐漸被年代后期逐漸被硅材料取代。用硅制造的半導(dǎo)體器件，耐高溫和抗輻硅材料取代。用硅制造的半導(dǎo)體器件，耐高溫和抗輻射性能較好，特別適宜制作大功率器件。射性能較好，特別適宜制作大功率器件。因此，硅已因此，硅已成為應(yīng)用最多的一種半導(dǎo)體材料，目前的集成電路大成為應(yīng)用最多的一種半導(dǎo)體材料，目前的集成電路大多數(shù)是用硅材料制造的。多數(shù)是用硅材料制造的。 4.1.1 半導(dǎo)體材料的分類(lèi)半導(dǎo)體材料的分類(lèi)根據(jù)化學(xué)成分和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，大致可分為以下幾類(lèi)：根據(jù)化學(xué)成分和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，大致可分為以下幾類(lèi)： 元素半導(dǎo)體（元素半導(dǎo)體（elem

4、ent semiconductor） 化合物半導(dǎo)體是由兩種或兩種以上的元素化合而成化合物半導(dǎo)體是由兩種或兩種以上的元素化合而成的半導(dǎo)體材料。它的種類(lèi)很多，重要的有的半導(dǎo)體材料。它的種類(lèi)很多，重要的有砷化鎵、磷化砷化鎵、磷化銦、銻化銦、碳化硅、硫化鎘及鎵砷硅銦、銻化銦、碳化硅、硫化鎘及鎵砷硅等。其中砷化鎵等。其中砷化鎵是制造微波器件和集成電路的重要材料。碳化硅由于其是制造微波器件和集成電路的重要材料。碳化硅由于其抗輻射能力強(qiáng)、耐高溫和化學(xué)穩(wěn)定性好，在航天技術(shù)領(lǐng)抗輻射能力強(qiáng)、耐高溫和化學(xué)穩(wěn)定性好，在航天技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。域有著廣泛的應(yīng)用。 化合物半導(dǎo)體（化合物半導(dǎo)體（compound sem

5、iconductor） 無(wú)定形半導(dǎo)體材料（玻璃體）是一種非晶態(tài)無(wú)定形無(wú)定形半導(dǎo)體材料（玻璃體）是一種非晶態(tài)無(wú)定形半導(dǎo)體材料，分為氧化物玻璃和非氧化物玻璃兩種。這半導(dǎo)體材料，分為氧化物玻璃和非氧化物玻璃兩種。這類(lèi)材料類(lèi)材料具有良好的開(kāi)關(guān)和記憶特性及很強(qiáng)的抗輻射能力具有良好的開(kāi)關(guān)和記憶特性及很強(qiáng)的抗輻射能力，主要用來(lái)制造閾值開(kāi)關(guān)、記憶開(kāi)關(guān)和固體顯示器件。主要用來(lái)制造閾值開(kāi)關(guān)、記憶開(kāi)關(guān)和固體顯示器件。 無(wú)定形半導(dǎo)體材料無(wú)定形半導(dǎo)體材料（amorphous semiconductor material） 已知的有機(jī)半導(dǎo)體材料有幾十種，包括萘、蒽、已知的有機(jī)半導(dǎo)體材料有幾十種，包括萘、蒽、聚丙烯腈、酞菁

6、和一些芳香族化合物等，目前尚未聚丙烯腈、酞菁和一些芳香族化合物等，目前尚未得到應(yīng)用。得到應(yīng)用。 有機(jī)半導(dǎo)體材料有機(jī)半導(dǎo)體材料（organic semiconductor material） 半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性對(duì)某些微量雜質(zhì)極敏感。半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性對(duì)某些微量雜質(zhì)極敏感。純純度很高的半導(dǎo)體材料稱(chēng)為本征半導(dǎo)體度很高的半導(dǎo)體材料稱(chēng)為本征半導(dǎo)體，常溫下其電阻，常溫下其電阻率很高，是電的不良導(dǎo)體。率很高，是電的不良導(dǎo)體。 在高純半導(dǎo)體材料中摻入適當(dāng)雜質(zhì)后，由于雜質(zhì)在高純半導(dǎo)體材料中摻入適當(dāng)雜質(zhì)后，由于雜質(zhì)原子提供導(dǎo)電載流子，使材料的電阻率大為降低。原子提供導(dǎo)電載流子，使材料的電阻率大為降低。這這種摻雜半

7、導(dǎo)體常稱(chēng)為雜質(zhì)半導(dǎo)體種摻雜半導(dǎo)體常稱(chēng)為雜質(zhì)半導(dǎo)體。4.1.2 半導(dǎo)體材料的特性和參數(shù)半導(dǎo)體材料的特性和參數(shù) 半導(dǎo)體材料的特性和參數(shù)半導(dǎo)體材料的特性和參數(shù) 雜質(zhì)半導(dǎo)體靠雜質(zhì)半導(dǎo)體靠導(dǎo)帶電子導(dǎo)帶電子導(dǎo)電的稱(chēng)導(dǎo)電的稱(chēng)N（Negative）型）型半導(dǎo)體，靠半導(dǎo)體，靠?jī)r(jià)帶空穴價(jià)帶空穴導(dǎo)電的稱(chēng)導(dǎo)電的稱(chēng)P（Positive）型半導(dǎo)體。）型半導(dǎo)體。不同類(lèi)型半導(dǎo)體間接觸（構(gòu)成不同類(lèi)型半導(dǎo)體間接觸（構(gòu)成PN結(jié)）或半導(dǎo)體與金屬結(jié)）或半導(dǎo)體與金屬接觸時(shí)，因電子（或空穴）濃度差而產(chǎn)生擴(kuò)散，在接接觸時(shí)，因電子（或空穴）濃度差而產(chǎn)生擴(kuò)散，在接觸處形成位壘，因而這類(lèi)接觸具有觸處形成位壘，因而這類(lèi)接觸具有單向?qū)щ娦詥蜗驅(qū)щ娦浴?/p>

8、 利用利用PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，可以制成具有不同功能結(jié)的單向?qū)щ娦?，可以制成具有不同功能的半?dǎo)體器件，如二極管、三極管、晶閘管等。此外，的半導(dǎo)體器件，如二極管、三極管、晶閘管等。此外，半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性對(duì)外界條件（如熱、光、電、磁半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性對(duì)外界條件（如熱、光、電、磁等因素）的變化非常敏感，據(jù)此可以制造各種敏感元等因素）的變化非常敏感，據(jù)此可以制造各種敏感元件，用于信息轉(zhuǎn)換。件，用于信息轉(zhuǎn)換。 半導(dǎo)體材料的特性參數(shù)有半導(dǎo)體材料的特性參數(shù)有禁帶寬度禁帶寬度、電阻率電阻率、載載流子遷移率流子遷移率、非平衡載流子壽命非平衡載流子壽命和和位錯(cuò)密度位錯(cuò)密度。 禁帶寬度由半導(dǎo)體的電子態(tài)、原子組態(tài)決定

9、，反禁帶寬度由半導(dǎo)體的電子態(tài)、原子組態(tài)決定，反映組成這種材料的原子中映組成這種材料的原子中價(jià)電子從束縛狀態(tài)激發(fā)到自?xún)r(jià)電子從束縛狀態(tài)激發(fā)到自由狀態(tài)所需的能量由狀態(tài)所需的能量。 電阻率、載流子遷移率反映材料的導(dǎo)電能力。電阻率、載流子遷移率反映材料的導(dǎo)電能力。 非平衡載流子壽命非平衡載流子壽命反映半導(dǎo)體材料在外界作用反映半導(dǎo)體材料在外界作用（如光或電場(chǎng)）下內(nèi)部載流子由非平衡狀態(tài)向平衡狀（如光或電場(chǎng)）下內(nèi)部載流子由非平衡狀態(tài)向平衡狀態(tài)過(guò)渡的態(tài)過(guò)渡的弛豫特性弛豫特性。 位錯(cuò)位錯(cuò)是晶體中最常見(jiàn)的一類(lèi)缺陷。是晶體中最常見(jiàn)的一類(lèi)缺陷。位錯(cuò)密度用來(lái)位錯(cuò)密度用來(lái)衡量半導(dǎo)體單晶材料晶格完整性的程度衡量半導(dǎo)體單晶材料

10、晶格完整性的程度，對(duì)于非晶態(tài)，對(duì)于非晶態(tài)半導(dǎo)體材料，則沒(méi)有這一參數(shù)。半導(dǎo)體材料，則沒(méi)有這一參數(shù)。 半導(dǎo)體材料的特性參數(shù)不僅能反映半導(dǎo)體材半導(dǎo)體材料的特性參數(shù)不僅能反映半導(dǎo)體材料與其它非半導(dǎo)體材料之間的差別料與其它非半導(dǎo)體材料之間的差別 ，更重要的更重要的是能反映各種半導(dǎo)體材料之間甚至同一種材料是能反映各種半導(dǎo)體材料之間甚至同一種材料在不同情況下，其特性的量值差別在不同情況下，其特性的量值差別。 電阻效應(yīng)電阻效應(yīng) 1833年，英國(guó)巴拉迪最先發(fā)現(xiàn)硫化銀的電阻隨著溫度年，英國(guó)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。一般情況下，金屬的電阻隨的變化情況不同于一般金屬。一般情況下，金屬

11、的電阻隨溫度升高而增加，但巴拉迪發(fā)現(xiàn)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硫化銀材料的電阻是隨著溫度的上升而降低，這是半導(dǎo)體現(xiàn)象的首次發(fā)現(xiàn)溫度的上升而降低，這是半導(dǎo)體現(xiàn)象的首次發(fā)現(xiàn)，稱(chēng)為，稱(chēng)為電電阻效應(yīng)或電阻特性。阻效應(yīng)或電阻特性。 半導(dǎo)體材料的四大效應(yīng)半導(dǎo)體材料的四大效應(yīng) 光伏效應(yīng)光伏效應(yīng) 1839年，法國(guó)的貝克萊爾發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體和電解質(zhì)接觸年，法國(guó)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(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓，這就是后來(lái)人們形成的結(jié)，在光照下會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓，這就是后來(lái)人們熟知的熟知的光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)，這是被發(fā)現(xiàn)的半導(dǎo)體的第二個(gè)特，這是被發(fā)現(xiàn)的半導(dǎo)體的第二個(gè)特征，稱(chēng)為光生伏

12、特效應(yīng)簡(jiǎn)稱(chēng)征，稱(chēng)為光生伏特效應(yīng)簡(jiǎn)稱(chēng)光伏效應(yīng)光伏效應(yīng)。 整流效應(yīng)整流效應(yīng) 1874年，德國(guó)的布勞恩年，德國(guó)的布勞恩觀(guān)察到某些硫化物的電導(dǎo)觀(guān)察到某些硫化物的電導(dǎo)與所加電場(chǎng)的方向有關(guān)，即它的導(dǎo)電有方向性與所加電場(chǎng)的方向有關(guān)，即它的導(dǎo)電有方向性，在它，在它兩端加一個(gè)正向電壓，它是導(dǎo)電的；如果把電壓極性?xún)啥思右粋€(gè)正向電壓，它是導(dǎo)電的；如果把電壓極性反過(guò)來(lái)，它就不導(dǎo)電，這就是半導(dǎo)體的整流效應(yīng)，也反過(guò)來(lái)，它就不導(dǎo)電，這就是半導(dǎo)體的整流效應(yīng)，也是半導(dǎo)體所特有的第三種特性是半導(dǎo)體所特有的第三種特性。 光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng) 1873年，英國(guó)的史密斯發(fā)現(xiàn)年，英國(guó)的史密斯發(fā)現(xiàn)硒晶體材料在光照下硒晶體材料在光照下導(dǎo)電導(dǎo)

13、電，這就是，這就是光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)，這是半導(dǎo)體又一個(gè)特有的，這是半導(dǎo)體又一個(gè)特有的性質(zhì)。性質(zhì)。 半導(dǎo)體的這四個(gè)效應(yīng)，雖在半導(dǎo)體的這四個(gè)效應(yīng)，雖在1880年以前就先后被年以前就先后被發(fā)現(xiàn)，但半導(dǎo)體這個(gè)名詞大概到發(fā)現(xiàn)，但半導(dǎo)體這個(gè)名詞大概到1911年才被考尼白格年才被考尼白格和維斯首次使用。而總結(jié)出半導(dǎo)體的這四個(gè)特性一直和維斯首次使用。而總結(jié)出半導(dǎo)體的這四個(gè)特性一直到到1947年年12月才由貝爾實(shí)驗(yàn)室完成，主要原因是當(dāng)時(shí)月才由貝爾實(shí)驗(yàn)室完成，主要原因是當(dāng)時(shí)的材料不純。沒(méi)有好的材料，很多與材料相關(guān)的問(wèn)題的材料不純。沒(méi)有好的材料，很多與材料相關(guān)的問(wèn)題就難以說(shuō)清楚。就難以說(shuō)清楚。 半導(dǎo)體的第一個(gè)應(yīng)用

14、就是利用它的整流效應(yīng)作為半導(dǎo)體的第一個(gè)應(yīng)用就是利用它的整流效應(yīng)作為檢波器，就是點(diǎn)接觸二極管（將一個(gè)金屬探針接觸在檢波器，就是點(diǎn)接觸二極管（將一個(gè)金屬探針接觸在一塊半導(dǎo)體上，以檢測(cè)電磁波）。除了檢波器之外，一塊半導(dǎo)體上，以檢測(cè)電磁波）。除了檢波器之外，在早期，半導(dǎo)體還用來(lái)做整流器、光伏電池、紅外探在早期，半導(dǎo)體還用來(lái)做整流器、光伏電池、紅外探測(cè)器等，半導(dǎo)體的四個(gè)效應(yīng)都用到了。測(cè)器等，半導(dǎo)體的四個(gè)效應(yīng)都用到了。 4.1.2 半導(dǎo)體材料的應(yīng)用半導(dǎo)體材料的應(yīng)用 半導(dǎo)體材料的早期應(yīng)用半導(dǎo)體材料的早期應(yīng)用 從從1907年到年到1927年，美國(guó)的物理學(xué)家研制成功晶體年，美國(guó)的物理學(xué)家研制成功晶體整流器、硒整

15、流器和氧化亞銅整流器。整流器、硒整流器和氧化亞銅整流器。1931年，蘭治和年，蘭治和伯格曼研制成功硒光伏電池。伯格曼研制成功硒光伏電池。1932年，德國(guó)先后研制成年，德國(guó)先后研制成功硫化鉛、硒化鉛和碲化鉛等半導(dǎo)體紅外探測(cè)器，在二功硫化鉛、硒化鉛和碲化鉛等半導(dǎo)體紅外探測(cè)器，在二戰(zhàn)中用于偵探飛機(jī)和船艦。二戰(zhàn)時(shí)盟軍在半導(dǎo)體方面的戰(zhàn)中用于偵探飛機(jī)和船艦。二戰(zhàn)時(shí)盟軍在半導(dǎo)體方面的研究也取得了很大成效，英國(guó)就利用紅外探測(cè)器多次偵研究也取得了很大成效，英國(guó)就利用紅外探測(cè)器多次偵探到了德國(guó)的飛機(jī)。探到了德國(guó)的飛機(jī)。晶體管的發(fā)明：晶體管的發(fā)明： 晶體管的發(fā)明實(shí)際上是在晶體管的發(fā)明實(shí)際上是在1947年的年的12月

16、月23日的半日的半年之前，當(dāng)時(shí)貝爾實(shí)驗(yàn)室的研究人員已經(jīng)看出了晶體管年之前，當(dāng)時(shí)貝爾實(shí)驗(yàn)室的研究人員已經(jīng)看出了晶體管的商業(yè)價(jià)值，為寫(xiě)專(zhuān)利，保密了半年，到的商業(yè)價(jià)值，為寫(xiě)專(zhuān)利，保密了半年，到1947年年12月月23日，巴丁和布爾吞才正式公布了他們的發(fā)明，這也日，巴丁和布爾吞才正式公布了他們的發(fā)明，這也成為晶體管的正式發(fā)明日。成為晶體管的正式發(fā)明日。 他們用了一個(gè)非常簡(jiǎn)單的裝置，就是在一塊鍺晶體他們用了一個(gè)非常簡(jiǎn)單的裝置，就是在一塊鍺晶體上，用兩個(gè)非常細(xì)的金屬針尖扎在鍺的表面，在一個(gè)針上，用兩個(gè)非常細(xì)的金屬針尖扎在鍺的表面，在一個(gè)針上加正電壓，在另外一個(gè)探針上加一個(gè)負(fù)電壓，我們現(xiàn)上加正電壓，在另外一

17、個(gè)探針上加一個(gè)負(fù)電壓，我們現(xiàn)在分別稱(chēng)為發(fā)射極和集電極，在分別稱(chēng)為發(fā)射極和集電極，N型鍺就變成了一個(gè)基極，型鍺就變成了一個(gè)基極，這樣就形成了一個(gè)有放大作用的這樣就形成了一個(gè)有放大作用的PNP晶體管。晶體管。 1948年年1月，即在晶體管發(fā)明不久之后，肖克萊月，即在晶體管發(fā)明不久之后，肖克萊提出了一個(gè)不是點(diǎn)接觸而是面接觸式晶體管結(jié)構(gòu)。后提出了一個(gè)不是點(diǎn)接觸而是面接觸式晶體管結(jié)構(gòu)。后來(lái)證明這種結(jié)構(gòu)才真正有價(jià)值。科學(xué)界對(duì)這個(gè)發(fā)明還來(lái)證明這種結(jié)構(gòu)才真正有價(jià)值。科學(xué)界對(duì)這個(gè)發(fā)明還是給予了很高的評(píng)價(jià)，是給予了很高的評(píng)價(jià)，1956年，巴丁、布爾吞和肖克年，巴丁、布爾吞和肖克萊三人被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。萊三人被

18、授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 晶體管的發(fā)明不僅引起了電子工業(yè)的革命，晶體管的發(fā)明不僅引起了電子工業(yè)的革命，而是徹底的改變了我們?nèi)祟?lèi)的生產(chǎn)、生活方式。而是徹底的改變了我們?nèi)祟?lèi)的生產(chǎn)、生活方式。我們今天日常所用的電器幾乎沒(méi)有一樣不用晶我們今天日常所用的電器幾乎沒(méi)有一樣不用晶體管，如通信、電腦、電視、航天、航空等等。體管，如通信、電腦、電視、航天、航空等等。 單晶硅技術(shù)單晶硅技術(shù) 電子元器件電子元器件90以上都是由硅材料制備的，全世界以上都是由硅材料制備的，全世界與硅相關(guān)的電子工業(yè)產(chǎn)值接近一萬(wàn)億美元。直拉法是與硅相關(guān)的電子工業(yè)產(chǎn)值接近一萬(wàn)億美元。直拉法是目前主要用于生產(chǎn)硅單晶的方法。上世紀(jì)目前主要用于生產(chǎn)硅

19、單晶的方法。上世紀(jì)50到到60年代，年代，拉出的硅單晶直徑只有兩英寸，現(xiàn)在拉出的硅單晶直徑只有兩英寸，現(xiàn)在8英寸，英寸，12英寸、英寸、長(zhǎng)達(dá)長(zhǎng)達(dá)1米多的硅單晶都已實(shí)現(xiàn)了規(guī)模生產(chǎn)。米多的硅單晶都已實(shí)現(xiàn)了規(guī)模生產(chǎn)。 半導(dǎo)體材料的發(fā)展趨勢(shì)半導(dǎo)體材料的發(fā)展趨勢(shì)目前，單晶硅的世界年產(chǎn)量已超過(guò)目前，單晶硅的世界年產(chǎn)量已超過(guò)1萬(wàn)噸。硅集成萬(wàn)噸。硅集成電路主要用的是電路主要用的是8英寸硅，但英寸硅，但12英寸硅的用量逐年增英寸硅的用量逐年增加，預(yù)計(jì)到加，預(yù)計(jì)到2012年年18英寸的硅可能用于集成電路制造，英寸的硅可能用于集成電路制造，27英寸的硅晶體研制也正在籌劃中。英寸的硅晶體研制也正在籌劃中。 但隨著硅的

20、直徑增大，雜質(zhì)氧等在硅錠和硅片中但隨著硅的直徑增大，雜質(zhì)氧等在硅錠和硅片中的分布也變得不均勻，這將嚴(yán)重的影響集成電路的成的分布也變得不均勻，這將嚴(yán)重的影響集成電路的成品率，特別是高集成度電路。為避免氧的沉淀帶來(lái)的品率，特別是高集成度電路。為避免氧的沉淀帶來(lái)的問(wèn)題，可采用外延的辦法解決。即用硅單晶片為襯底，問(wèn)題，可采用外延的辦法解決。即用硅單晶片為襯底，然后在其上通過(guò)氣相反應(yīng)方法再生長(zhǎng)一層硅，如然后在其上通過(guò)氣相反應(yīng)方法再生長(zhǎng)一層硅，如2個(gè)微個(gè)微米，米，1個(gè)微米，或個(gè)微米，或0.5個(gè)微米厚等。個(gè)微米厚等。 這一層外延硅中的氧含量就可以控制得非常低，這一層外延硅中的氧含量就可以控制得非常低，器件和

21、電路就做在外延硅上，而不是原來(lái)的硅單晶上，器件和電路就做在外延硅上，而不是原來(lái)的硅單晶上，這樣就可解決由氧導(dǎo)致的問(wèn)題。盡管成本將有所提高，這樣就可解決由氧導(dǎo)致的問(wèn)題。盡管成本將有所提高，但集成電路的集成度和運(yùn)算速度都得到了顯著提高，這但集成電路的集成度和運(yùn)算速度都得到了顯著提高，這是目前硅技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。是目前硅技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。 從提高集成電路的成品率、降低成本看，增大硅從提高集成電路的成品率、降低成本看，增大硅單晶的直徑是發(fā)展的大趨勢(shì)，向單晶的直徑是發(fā)展的大趨勢(shì)，向12英寸，英寸，18英寸方向英寸方向發(fā)展；另一方面，從提高硅集成電路的速度和它的集發(fā)展；另一方面，從提高硅集成電

22、路的速度和它的集成度看，發(fā)展適用于深亞微米乃至納米電路的硅外延成度看，發(fā)展適用于深亞微米乃至納米電路的硅外延技術(shù)，制備高質(zhì)量硅外延材料是關(guān)鍵。技術(shù)，制備高質(zhì)量硅外延材料是關(guān)鍵。 硅單晶中氧的沉淀將產(chǎn)生微缺陷，目前集成電路的硅單晶中氧的沉淀將產(chǎn)生微缺陷，目前集成電路的線(xiàn)條寬度已達(dá)到線(xiàn)條寬度已達(dá)到0.1微米以下，如果缺陷的直徑大小為微米以下，如果缺陷的直徑大小為1個(gè)微米或者是個(gè)微米或者是0.5個(gè)微米，一個(gè)電路片上有一個(gè)缺陷就個(gè)微米，一個(gè)電路片上有一個(gè)缺陷就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)片子失效，這對(duì)集成電路的成品率將帶來(lái)嚴(yán)會(huì)導(dǎo)致整個(gè)片子失效，這對(duì)集成電路的成品率將帶來(lái)嚴(yán)重影響。重影響。 制備硅單晶的原材料是多晶硅，我

23、國(guó)多晶硅產(chǎn)量制備硅單晶的原材料是多晶硅，我國(guó)多晶硅產(chǎn)量2005年僅有年僅有60噸，噸，2006年也只有年也只有287噸，噸，2007年為年為1156噸，噸，2008年已超過(guò)年已超過(guò)3000噸，噸，2009年達(dá)近萬(wàn)噸。年達(dá)近萬(wàn)噸。 從集成電路的線(xiàn)寬來(lái)看，我國(guó)目前集成電路工藝技從集成電路的線(xiàn)寬來(lái)看，我國(guó)目前集成電路工藝技術(shù)水平在術(shù)水平在0.350.25微米，而國(guó)際上目前的生產(chǎn)技術(shù)已微米，而國(guó)際上目前的生產(chǎn)技術(shù)已達(dá)到達(dá)到0.13-0.09微米，在實(shí)驗(yàn)室微米，在實(shí)驗(yàn)室70納米的技術(shù)也已經(jīng)通過(guò)納米的技術(shù)也已經(jīng)通過(guò)鑒定。前幾年在北京建成投產(chǎn)的（中芯國(guó)際）集成電路鑒定。前幾年在北京建成投產(chǎn)的（中芯國(guó)際）集成

24、電路技術(shù)已進(jìn)入技術(shù)已進(jìn)入0.13微米，并即將升級(jí)到微米，并即將升級(jí)到0.09微米，因而我微米，因而我國(guó)的微電子集成電路技術(shù)同國(guó)外的差距也大大縮短。國(guó)的微電子集成電路技術(shù)同國(guó)外的差距也大大縮短。 硅微電子技術(shù)硅微電子技術(shù) 目前硅的集成電路大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)達(dá)到目前硅的集成電路大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)達(dá)到0.130.09微米，進(jìn)一步將到微米，進(jìn)一步將到0.07微米，也就是微米，也就是70個(gè)納米甚個(gè)納米甚至更小。根據(jù)預(yù)測(cè)，到至更小。根據(jù)預(yù)測(cè)，到2022年，硅集成電路技術(shù)的線(xiàn)年，硅集成電路技術(shù)的線(xiàn)寬可能達(dá)到寬可能達(dá)到10個(gè)納米，這個(gè)尺度被認(rèn)為是硅集成電路個(gè)納米，這個(gè)尺度被認(rèn)為是硅集成電路的的“物理極限物理極

25、限”，總有一天硅微電子技術(shù)會(huì)走到盡頭。，總有一天硅微電子技術(shù)會(huì)走到盡頭。 隨著集成電路線(xiàn)寬的進(jìn)一步減小，硅微電子技術(shù)隨著集成電路線(xiàn)寬的進(jìn)一步減小，硅微電子技術(shù)必然要遇到許多難以克服的問(wèn)題，比如說(shuō)長(zhǎng)度為必然要遇到許多難以克服的問(wèn)題，比如說(shuō)長(zhǎng)度為100個(gè)納米的源和漏電極之間，摻雜原子也只有個(gè)納米的源和漏電極之間，摻雜原子也只有100個(gè)左個(gè)左右，如何保證這右，如何保證這100個(gè)原子在成千上萬(wàn)個(gè)器件里的分個(gè)原子在成千上萬(wàn)個(gè)器件里的分布保持一致，顯然是非常困難的。布保持一致，顯然是非常困難的。 也就是說(shuō)雜質(zhì)原子分布不均勻，將導(dǎo)致器件性也就是說(shuō)雜質(zhì)原子分布不均勻，將導(dǎo)致器件性能不一，性質(zhì)的不一致，就難保證

26、電路的正常工作。能不一，性質(zhì)的不一致，就難保證電路的正常工作。又如又如MOS器件的柵極下面的絕緣層就是二氧化硅，器件的柵極下面的絕緣層就是二氧化硅，它的厚度隨著器件尺寸的變小而變小，當(dāng)溝道長(zhǎng)度達(dá)它的厚度隨著器件尺寸的變小而變小，當(dāng)溝道長(zhǎng)度達(dá)到到0.1個(gè)微米時(shí)，個(gè)微米時(shí)，SiO2的厚度大概也在一個(gè)納米左右。的厚度大概也在一個(gè)納米左右。盡管上面加的柵電壓很低，如一個(gè)納米上加盡管上面加的柵電壓很低，如一個(gè)納米上加0.5伏或伏或者是者是1伏電壓，但是加在其上的電場(chǎng)強(qiáng)度就要達(dá)到每伏電壓，但是加在其上的電場(chǎng)強(qiáng)度就要達(dá)到每厘米厘米5-10兆伏以上，超過(guò)了材料的擊穿電壓。當(dāng)這個(gè)兆伏以上，超過(guò)了材料的擊穿電壓。

27、當(dāng)這個(gè)厚度非常薄的時(shí)候，很容易發(fā)生擊穿，導(dǎo)致器件無(wú)法厚度非常薄的時(shí)候，很容易發(fā)生擊穿，導(dǎo)致器件無(wú)法正常工作。正常工作。 隨著集成電路集成度的提高，芯片的功耗也急劇隨著集成電路集成度的提高，芯片的功耗也急劇增加，使其難以承受；現(xiàn)在電腦增加，使其難以承受；現(xiàn)在電腦CPU的功耗已經(jīng)很高，的功耗已經(jīng)很高，如果說(shuō)將來(lái)把它變成如果說(shuō)將來(lái)把它變成“納米結(jié)構(gòu)納米結(jié)構(gòu)”，即不采用新原理，即不采用新原理，進(jìn)一步提高集成度，那么加在它上面的功耗就有可能進(jìn)一步提高集成度，那么加在它上面的功耗就有可能把硅熔化掉。把硅熔化掉。 另外一個(gè)問(wèn)題是光刻技術(shù)，目前大約可以做到另外一個(gè)問(wèn)題是光刻技術(shù)，目前大約可以做到0.1微米，雖

28、然還有些正在發(fā)展的光刻技術(shù)，如微米，雖然還有些正在發(fā)展的光刻技術(shù)，如X光、超光、超紫外光刻技術(shù)等，但要滿(mǎn)足納米加工技術(shù)的需求，還紫外光刻技術(shù)等，但要滿(mǎn)足納米加工技術(shù)的需求，還相差很遠(yuǎn)。相差很遠(yuǎn)。 再者，就是電路器件之間的互連問(wèn)題，對(duì)每一個(gè)再者，就是電路器件之間的互連問(wèn)題，對(duì)每一個(gè)芯片來(lái)說(shuō)，每一個(gè)平方厘米上有上千萬(wàn)、上億只管子，芯片來(lái)說(shuō)，每一個(gè)平方厘米上有上千萬(wàn)、上億只管子，管子與管子之間的聯(lián)線(xiàn)的長(zhǎng)度要占到器件面積的管子與管子之間的聯(lián)線(xiàn)的長(zhǎng)度要占到器件面積的6070，現(xiàn)在的連線(xiàn)就多達(dá)，現(xiàn)在的連線(xiàn)就多達(dá)8層到層到10多層，盡管兩多層，盡管兩個(gè)管子之間的距離可以做得很小，但是從這個(gè)管子到個(gè)管子之間的

29、距離可以做得很小，但是從這個(gè)管子到另外一個(gè)管子，電子走的路徑不是直線(xiàn)，而要通過(guò)很另外一個(gè)管子，電子走的路徑不是直線(xiàn)，而要通過(guò)很長(zhǎng)的連線(xiàn)。我們知道線(xiàn)寬越窄，截面越小，電阻越大，長(zhǎng)的連線(xiàn)。我們知道線(xiàn)寬越窄，截面越小，電阻越大，加上分布電容，電子通過(guò)引線(xiàn)所需的時(shí)間就很長(zhǎng)，這加上分布電容，電子通過(guò)引線(xiàn)所需的時(shí)間就很長(zhǎng)，這就使就使CPU的速度變慢。的速度變慢。 另外納米加工的制作成本也很高，由于這些原因，另外納米加工的制作成本也很高，由于這些原因，硅基微電子技術(shù)最終將沒(méi)有辦法滿(mǎn)足人類(lèi)對(duì)信息量硅基微電子技術(shù)最終將沒(méi)有辦法滿(mǎn)足人類(lèi)對(duì)信息量不斷增長(zhǎng)的需求。不斷增長(zhǎng)的需求。 人們要想突破上述的人們要想突破上述的

30、“物理極限物理極限”，就必須要，就必須要探索新原理、開(kāi)發(fā)新技術(shù)，如量子計(jì)算、光計(jì)算機(jī)探索新原理、開(kāi)發(fā)新技術(shù)，如量子計(jì)算、光計(jì)算機(jī)等，它們的工作原理是與現(xiàn)在的完全不同，尚處于等，它們的工作原理是與現(xiàn)在的完全不同，尚處于初始的探索階段。在目前這個(gè)過(guò)渡期間，人們把希初始的探索階段。在目前這個(gè)過(guò)渡期間，人們把希望放在發(fā)展新型半導(dǎo)體材料和開(kāi)發(fā)新技術(shù)上，比如望放在發(fā)展新型半導(dǎo)體材料和開(kāi)發(fā)新技術(shù)上，比如說(shuō)說(shuō)GaAs、InP和和GaN基材料體系，采用這些材料，基材料體系，采用這些材料，可以提高器件和電路的速度以及解決由于集成度的可以提高器件和電路的速度以及解決由于集成度的提高帶來(lái)的功耗增加出現(xiàn)的問(wèn)題。提高帶來(lái)

31、的功耗增加出現(xiàn)的問(wèn)題。 GaAs和和InP單晶材料單晶材料 化合物半導(dǎo)體材料，以砷化鎵（化合物半導(dǎo)體材料，以砷化鎵（GaAs）為例，）為例，有以下幾個(gè)特點(diǎn)：一是發(fā)光效率比較高，二是電子有以下幾個(gè)特點(diǎn)：一是發(fā)光效率比較高，二是電子遷移率高，同時(shí)可在較高溫度和在其它惡劣的環(huán)境遷移率高，同時(shí)可在較高溫度和在其它惡劣的環(huán)境下工作，特別適合于制作超高速、超高頻、低噪音下工作，特別適合于制作超高速、超高頻、低噪音的電路，它的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是可以實(shí)現(xiàn)光電集成，即的電路，它的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是可以實(shí)現(xiàn)光電集成，即把微電子和光電子結(jié)合起來(lái)，光電集成可大大的提把微電子和光電子結(jié)合起來(lái)，光電集成可大大的提高電路的功能和運(yùn)算的

32、速度。高電路的功能和運(yùn)算的速度。 氮化鎵、碳化硅和氧化鋅等都是寬帶隙半導(dǎo)體材料，氮化鎵、碳化硅和氧化鋅等都是寬帶隙半導(dǎo)體材料，因?yàn)樗慕麕挾榷荚谝驗(yàn)樗慕麕挾榷荚?個(gè)電子伏以上，在室溫下不可個(gè)電子伏以上，在室溫下不可能將價(jià)帶電子激發(fā)到導(dǎo)帶。器件的工作溫度可以很高，能將價(jià)帶電子激發(fā)到導(dǎo)帶。器件的工作溫度可以很高，比如說(shuō)碳化硅可以工作到比如說(shuō)碳化硅可以工作到600攝氏度；金剛石如果做成攝氏度；金剛石如果做成半導(dǎo)體，溫度可以更高，器件可用在石油鉆探頭上收集半導(dǎo)體，溫度可以更高，器件可用在石油鉆探頭上收集相關(guān)需要的信息。它們還在航空、航天等惡劣環(huán)境中有相關(guān)需要的信息。它們還在航空、航天等惡劣環(huán)境中

33、有重要應(yīng)用。重要應(yīng)用。 寬帶隙半導(dǎo)體材料寬帶隙半導(dǎo)體材料 用碳化硅的高功率發(fā)射器件，體積至少可以減少幾用碳化硅的高功率發(fā)射器件，體積至少可以減少幾十到上百倍，壽命也會(huì)大大增加，所以高溫寬帶隙半十到上百倍，壽命也會(huì)大大增加，所以高溫寬帶隙半導(dǎo)體材料是非常重要的新型半導(dǎo)體材料。導(dǎo)體材料是非常重要的新型半導(dǎo)體材料。 現(xiàn)在的問(wèn)題是這種材料非常難生長(zhǎng)，硅上長(zhǎng)硅，現(xiàn)在的問(wèn)題是這種材料非常難生長(zhǎng)，硅上長(zhǎng)硅，砷化鎵上長(zhǎng)砷化鎵上長(zhǎng)GaAs，它可以長(zhǎng)得很好。但是這種材料，它可以長(zhǎng)得很好。但是這種材料大多都沒(méi)有塊體材料，只得用其它材料做襯底去長(zhǎng)。大多都沒(méi)有塊體材料，只得用其它材料做襯底去長(zhǎng)。比如說(shuō)氮化鎵在藍(lán)寶石襯底

34、上生長(zhǎng)，藍(lán)寶石跟氮化鎵比如說(shuō)氮化鎵在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)，藍(lán)寶石跟氮化鎵的熱膨脹系數(shù)和晶格常數(shù)相差很大，長(zhǎng)出來(lái)的外延層的熱膨脹系數(shù)和晶格常數(shù)相差很大，長(zhǎng)出來(lái)的外延層的缺陷很多，這是最大的問(wèn)題和難關(guān)。另外這種材料的缺陷很多，這是最大的問(wèn)題和難關(guān)。另外這種材料的加工、刻蝕也都比較困難。如果這個(gè)問(wèn)題一旦解決，的加工、刻蝕也都比較困難。如果這個(gè)問(wèn)題一旦解決，就可以為我們提供一個(gè)非常廣闊的發(fā)現(xiàn)新材料的空間。就可以為我們提供一個(gè)非常廣闊的發(fā)現(xiàn)新材料的空間。 從本質(zhì)上看，發(fā)展納米科學(xué)技術(shù)的重要目的之一，從本質(zhì)上看，發(fā)展納米科學(xué)技術(shù)的重要目的之一，就是人們能在原子、分子或者納米的尺度水平上來(lái)控就是人們能在原子、分

35、子或者納米的尺度水平上來(lái)控制和制造功能強(qiáng)大、性能優(yōu)越的納米電子、光電子器制和制造功能強(qiáng)大、性能優(yōu)越的納米電子、光電子器件和電路，納米生物傳感器件等。件和電路，納米生物傳感器件等。 納米半導(dǎo)體材料納米半導(dǎo)體材料 不同的半導(dǎo)體器件對(duì)半導(dǎo)體材料有不同的形態(tài)要求，不同的半導(dǎo)體器件對(duì)半導(dǎo)體材料有不同的形態(tài)要求，包括單晶的切片、磨片、拋光片、薄膜等。半導(dǎo)體材料包括單晶的切片、磨片、拋光片、薄膜等。半導(dǎo)體材料的不同形態(tài)要求對(duì)應(yīng)不同的加工工藝。常用的半導(dǎo)體材的不同形態(tài)要求對(duì)應(yīng)不同的加工工藝。常用的半導(dǎo)體材料制備工藝有提純、單晶的制備和薄膜外延生長(zhǎng)。料制備工藝有提純、單晶的制備和薄膜外延生長(zhǎng)。 所有的半導(dǎo)體材料

36、都需要對(duì)原料進(jìn)行提純，要求的所有的半導(dǎo)體材料都需要對(duì)原料進(jìn)行提純，要求的純度在純度在6個(gè)個(gè)“9”以上以上 ，最高達(dá)，最高達(dá)11個(gè)個(gè)“9”以上。以上。4.1.2半導(dǎo)體材料的制備半導(dǎo)體材料的制備 提純的方法分兩大類(lèi)：提純的方法分兩大類(lèi)： 物理提純物理提純 不改變材料的化學(xué)組成進(jìn)行提純，稱(chēng)為不改變材料的化學(xué)組成進(jìn)行提純，稱(chēng)為物理提純；物理提純的方法有真空蒸發(fā)、區(qū)域精制、拉物理提純；物理提純的方法有真空蒸發(fā)、區(qū)域精制、拉晶提純等，使用最多的是區(qū)域精制。晶提純等，使用最多的是區(qū)域精制。 化學(xué)提純化學(xué)提純 把元素先變成化合物進(jìn)行提純，再將提把元素先變成化合物進(jìn)行提純，再將提純后的化合物還原成元素，稱(chēng)為化學(xué)

37、提純?；瘜W(xué)提純的純后的化合物還原成元素，稱(chēng)為化學(xué)提純。化學(xué)提純的主要方法有電解、絡(luò)合、萃取等。主要方法有電解、絡(luò)合、萃取等。 由于每一種方法都有一定的局限性，因此由于每一種方法都有一定的局限性，因此常使用幾種提純方法相結(jié)合的工藝流程，以獲常使用幾種提純方法相結(jié)合的工藝流程，以獲得合格的材料。得合格的材料。 絕大多數(shù)半導(dǎo)體器件是在單晶片或以單晶片為襯絕大多數(shù)半導(dǎo)體器件是在單晶片或以單晶片為襯底的外延片上作出的。成批量的半導(dǎo)體單晶都是用熔底的外延片上作出的。成批量的半導(dǎo)體單晶都是用熔體生長(zhǎng)法制成的。直拉法應(yīng)用最廣，體生長(zhǎng)法制成的。直拉法應(yīng)用最廣，80的硅單晶、的硅單晶、大部分鍺單晶和銻化銦單晶是用

38、此法生產(chǎn)的。在熔體大部分鍺單晶和銻化銦單晶是用此法生產(chǎn)的。在熔體中通入磁場(chǎng)的直拉法稱(chēng)為磁控拉晶法，用此法已生產(chǎn)中通入磁場(chǎng)的直拉法稱(chēng)為磁控拉晶法，用此法已生產(chǎn)出高均勻性硅單晶。出高均勻性硅單晶。 在坩堝熔體表面加入液體覆蓋劑稱(chēng)液封直拉法，用在坩堝熔體表面加入液體覆蓋劑稱(chēng)液封直拉法，用此法拉制砷化鎵、磷化鎵、磷化銦等分解壓較大的單晶。此法拉制砷化鎵、磷化鎵、磷化銦等分解壓較大的單晶。懸浮區(qū)熔法的熔體不與容器接觸，用此法生長(zhǎng)高純硅單懸浮區(qū)熔法的熔體不與容器接觸，用此法生長(zhǎng)高純硅單晶。水平區(qū)熔法用以生產(chǎn)鍺單晶。水平定向結(jié)晶法主要晶。水平區(qū)熔法用以生產(chǎn)鍺單晶。水平定向結(jié)晶法主要用于制備砷化鎵單晶，而垂直

39、定向結(jié)晶法用于制備碲化用于制備砷化鎵單晶，而垂直定向結(jié)晶法用于制備碲化鎘、砷化鎵。用各種方法生產(chǎn)的體單晶再經(jīng)過(guò)晶體定向、鎘、砷化鎵。用各種方法生產(chǎn)的體單晶再經(jīng)過(guò)晶體定向、滾磨、作參考面、切片、磨片、倒角、拋光、腐蝕、清滾磨、作參考面、切片、磨片、倒角、拋光、腐蝕、清洗、檢測(cè)、封裝等全部或部分工序以提供相應(yīng)的晶片。洗、檢測(cè)、封裝等全部或部分工序以提供相應(yīng)的晶片。 在單晶襯底上生長(zhǎng)單晶薄膜稱(chēng)為外延。外延的方法在單晶襯底上生長(zhǎng)單晶薄膜稱(chēng)為外延。外延的方法有氣相、液相、固相、分子束外延等。工業(yè)生產(chǎn)使用的有氣相、液相、固相、分子束外延等。工業(yè)生產(chǎn)使用的主要是化學(xué)氣相外延，其次是液相外延。金屬有機(jī)化合主要

40、是化學(xué)氣相外延，其次是液相外延。金屬有機(jī)化合物氣相外延和分子束外延則用于制備量子阱及超晶格等物氣相外延和分子束外延則用于制備量子阱及超晶格等微結(jié)構(gòu)。非晶、微晶、多晶薄膜多在玻璃、陶瓷、金屬微結(jié)構(gòu)。非晶、微晶、多晶薄膜多在玻璃、陶瓷、金屬等襯底上用不同類(lèi)型的化學(xué)氣相沉積、磁控濺射等方法等襯底上用不同類(lèi)型的化學(xué)氣相沉積、磁控濺射等方法制成。制成。 多晶硅半導(dǎo)體材料是新能源產(chǎn)業(yè)及信息產(chǎn)業(yè)的基多晶硅半導(dǎo)體材料是新能源產(chǎn)業(yè)及信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)原材料，此前，只有美國(guó)、日本、德國(guó)擁有先進(jìn)的礎(chǔ)原材料，此前，只有美國(guó)、日本、德國(guó)擁有先進(jìn)的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，長(zhǎng)期實(shí)行技術(shù)封鎖和市場(chǎng)壟斷。近年來(lái)，產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，長(zhǎng)期實(shí)行技術(shù)封鎖和

41、市場(chǎng)壟斷。近年來(lái)，我國(guó)多晶硅材料產(chǎn)業(yè)也實(shí)現(xiàn)了快速發(fā)展。在嚴(yán)峻的能我國(guó)多晶硅材料產(chǎn)業(yè)也實(shí)現(xiàn)了快速發(fā)展。在嚴(yán)峻的能源形勢(shì)和生態(tài)環(huán)境壓力下，在技術(shù)進(jìn)步和法規(guī)政策的源形勢(shì)和生態(tài)環(huán)境壓力下，在技術(shù)進(jìn)步和法規(guī)政策的強(qiáng)力推動(dòng)下，世界光伏產(chǎn)業(yè)自本世紀(jì)開(kāi)始，進(jìn)入快速?gòu)?qiáng)力推動(dòng)下，世界光伏產(chǎn)業(yè)自本世紀(jì)開(kāi)始，進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期。發(fā)展時(shí)期。4.2 硅半導(dǎo)體材料與太陽(yáng)能電池硅半導(dǎo)體材料與太陽(yáng)能電池4.2.1 多晶硅半導(dǎo)體材料多晶硅半導(dǎo)體材料 最近最近10年，太陽(yáng)能電池的年平均增長(zhǎng)率為年，太陽(yáng)能電池的年平均增長(zhǎng)率為41.3%，最近最近5年，年平均增長(zhǎng)率為年，年平均增長(zhǎng)率為49.5%。受?chē)?guó)際光伏發(fā)電產(chǎn)。受?chē)?guó)際光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)快速發(fā)

42、展的影響，我國(guó)太陽(yáng)能電池的產(chǎn)量近幾年持續(xù)業(yè)快速發(fā)展的影響，我國(guó)太陽(yáng)能電池的產(chǎn)量近幾年持續(xù)保持高速增長(zhǎng)，保持高速增長(zhǎng)，2007年中國(guó)太陽(yáng)電池產(chǎn)量達(dá)到年中國(guó)太陽(yáng)電池產(chǎn)量達(dá)到1088MW，占世界總產(chǎn)量的，占世界總產(chǎn)量的27.2%，一躍成為世界第一，一躍成為世界第一大生產(chǎn)國(guó)。大生產(chǎn)國(guó)。2010年太陽(yáng)能電池產(chǎn)量達(dá)到年太陽(yáng)能電池產(chǎn)量達(dá)到2500MW，需，需要太陽(yáng)能級(jí)高純硅材料約要太陽(yáng)能級(jí)高純硅材料約2.5萬(wàn)噸。萬(wàn)噸。 根據(jù)根據(jù)信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展“十一五十一五”規(guī)劃規(guī)劃提出的目提出的目標(biāo)，到標(biāo)，到2010年，半導(dǎo)體級(jí)高純硅材料需求總量約為年，半導(dǎo)體級(jí)高純硅材料需求總量約為2500噸，噸，2010年多晶

43、硅總需求量達(dá)到近年多晶硅總需求量達(dá)到近3萬(wàn)噸。而我國(guó)萬(wàn)噸。而我國(guó)多晶硅產(chǎn)量多晶硅產(chǎn)量2006年僅年僅287噸，噸，2007年也只有年也只有1156噸，噸，2008年超過(guò)年超過(guò)3000噸，噸，2009年達(dá)到近萬(wàn)噸。年達(dá)到近萬(wàn)噸。 太陽(yáng)能是人類(lèi)取之不盡用之不竭的可再生能源。也太陽(yáng)能是人類(lèi)取之不盡用之不竭的可再生能源。也是清潔能源，不產(chǎn)生任何的環(huán)境污染。在太陽(yáng)能的有效是清潔能源，不產(chǎn)生任何的環(huán)境污染。在太陽(yáng)能的有效利用當(dāng)中；大陽(yáng)能光電利用是近些年來(lái)發(fā)展最快，最具利用當(dāng)中；大陽(yáng)能光電利用是近些年來(lái)發(fā)展最快，最具活力的研究領(lǐng)域?；盍Φ难芯款I(lǐng)域。 制作太陽(yáng)能電池主要是以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)，其工制作太陽(yáng)能電池

44、主要是以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)，其工作原理是作原理是利用光電材料吸收光能后發(fā)生光電轉(zhuǎn)換反應(yīng)利用光電材料吸收光能后發(fā)生光電轉(zhuǎn)換反應(yīng)。 根據(jù)所用材料的不同，太陽(yáng)能電池可分為：根據(jù)所用材料的不同，太陽(yáng)能電池可分為：硅基太硅基太陽(yáng)能電池和薄膜電池陽(yáng)能電池和薄膜電池，這里主要講的，這里主要講的硅基太陽(yáng)能電池硅基太陽(yáng)能電池。4.2.2 硅基太陽(yáng)能電池硅基太陽(yáng)能電池 硅太陽(yáng)能電池工作原理與結(jié)構(gòu)硅太陽(yáng)能電池工作原理與結(jié)構(gòu) 太陽(yáng)能電池的工作原理主要是半導(dǎo)體的光電效應(yīng)，太陽(yáng)能電池的工作原理主要是半導(dǎo)體的光電效應(yīng)，硅半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)如下圖所示：硅半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)如下圖所示：圖中，正電荷表示硅原子，負(fù)電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個(gè)

45、電子。圖中，正電荷表示硅原子，負(fù)電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個(gè)電子。 當(dāng)硅晶體中摻入其他的雜質(zhì)，如硼、磷等，當(dāng)摻入當(dāng)硅晶體中摻入其他的雜質(zhì)，如硼、磷等，當(dāng)摻入硼時(shí)，硅晶體中就會(huì)存在著一個(gè)空穴，它的形成可以參硼時(shí)，硅晶體中就會(huì)存在著一個(gè)空穴，它的形成可以參照下圖：照下圖： 圖中，正電荷表示硅原子，負(fù)電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個(gè)電子。而圖中，正電荷表示硅原子，負(fù)電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個(gè)電子。而黃色的表示摻入的硼原子，因?yàn)榕鹪又車(chē)挥悬S色的表示摻入的硼原子，因?yàn)榕鹪又車(chē)挥?個(gè)電子，所以就會(huì)產(chǎn)生個(gè)電子，所以就會(huì)產(chǎn)生如圖所示的藍(lán)色的空穴，這個(gè)空穴因?yàn)闆](méi)有電子而變得很不穩(wěn)定，容易吸如圖所示的

46、藍(lán)色的空穴，這個(gè)空穴因?yàn)闆](méi)有電子而變得很不穩(wěn)定，容易吸收電子，形成收電子，形成P（positive）型半導(dǎo)體。）型半導(dǎo)體。 硅原子硅原子硼原子硼原子空穴空穴 同樣，摻入磷原子以后，因?yàn)榱自佑形鍌€(gè)電子，同樣，摻入磷原子以后，因?yàn)榱自佑形鍌€(gè)電子，所以就會(huì)有一個(gè)電子變得非?；钴S，形成所以就會(huì)有一個(gè)電子變得非?；钴S，形成N（negative）型半導(dǎo)體。黃色的為磷原子核，紅色的為多余的電子。型半導(dǎo)體。黃色的為磷原子核，紅色的為多余的電子。如下圖。如下圖。磷原子核磷原子核 P型半導(dǎo)體中含有較多的空穴，而型半導(dǎo)體中含有較多的空穴，而N型半導(dǎo)體中含有型半導(dǎo)體中含有較多的電子，這樣，當(dāng)較多的電子，這樣，當(dāng)P

47、型和型和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí)，型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí)，就會(huì)在接觸面形成電勢(shì)差，這就是就會(huì)在接觸面形成電勢(shì)差，這就是PN結(jié)。結(jié)。 當(dāng)當(dāng)P型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí)，在兩種半型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí)，在兩種半導(dǎo)體的交界面區(qū)域里會(huì)形成一個(gè)特殊的薄層，導(dǎo)體的交界面區(qū)域里會(huì)形成一個(gè)特殊的薄層，界面的界面的P型一側(cè)帶負(fù)電，型一側(cè)帶負(fù)電，N型一側(cè)帶正電型一側(cè)帶正電。這是由于。這是由于P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體多空穴，多空穴，N型半導(dǎo)體多自由電子，出現(xiàn)了濃度差。型半導(dǎo)體多自由電子，出現(xiàn)了濃度差。N區(qū)區(qū)的電子會(huì)擴(kuò)散到的電子會(huì)擴(kuò)散到P區(qū)，區(qū)，P區(qū)的空穴會(huì)擴(kuò)散到區(qū)的空穴會(huì)擴(kuò)散到N區(qū)，一旦擴(kuò)區(qū)，一旦擴(kuò)散就形成了一

48、個(gè)由散就形成了一個(gè)由N指向指向P的的“內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)”，從而阻止擴(kuò)，從而阻止擴(kuò)散進(jìn)行。達(dá)到平衡后，就形成了這樣一個(gè)特殊的薄層，散進(jìn)行。達(dá)到平衡后，就形成了這樣一個(gè)特殊的薄層，形成電勢(shì)差，這就是形成電勢(shì)差，這就是PN結(jié)。結(jié)。 當(dāng)晶片受光照后，當(dāng)晶片受光照后，PN結(jié)中，結(jié)中，N型半導(dǎo)體的空穴往型半導(dǎo)體的空穴往P型區(qū)移動(dòng)，而型區(qū)移動(dòng)，而P型區(qū)中的電子往型區(qū)中的電子往N型區(qū)移動(dòng)，從而形成型區(qū)移動(dòng)，從而形成從從N型區(qū)到型區(qū)到P型區(qū)的電流。然后在型區(qū)的電流。然后在PN結(jié)中形成電勢(shì)差，結(jié)中形成電勢(shì)差，這就形成了電源。這就形成了電源。(如下圖所示）如下圖所示）N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 由于半導(dǎo)體不是

49、電的良導(dǎo)體，電子在通過(guò)由于半導(dǎo)體不是電的良導(dǎo)體，電子在通過(guò)P-N結(jié)后如果在半導(dǎo)結(jié)后如果在半導(dǎo)體中流動(dòng)，電阻非常大，損耗也就非常大。但如果在上層全部涂體中流動(dòng)，電阻非常大，損耗也就非常大。但如果在上層全部涂上金屬，陽(yáng)光就不能通過(guò)，電流就不能產(chǎn)生，因此一般用金屬網(wǎng)上金屬，陽(yáng)光就不能通過(guò)，電流就不能產(chǎn)生，因此一般用金屬網(wǎng)格覆蓋格覆蓋P-N結(jié)（如圖結(jié)（如圖 梳狀電極），以增加入射光的面積。梳狀電極），以增加入射光的面積。 另外硅表面非常光亮，會(huì)反射掉大量的太陽(yáng)光，不另外硅表面非常光亮，會(huì)反射掉大量的太陽(yáng)光，不能被電池利用。為此給它涂上了一層反射系數(shù)非常小的能被電池利用。為此給它涂上了一層反射系數(shù)非常小

50、的保護(hù)膜（如圖），實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)基本都是用化學(xué)氣相沉保護(hù)膜（如圖），實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)基本都是用化學(xué)氣相沉積沉積一層氮化硅膜，厚度在積沉積一層氮化硅膜，厚度在1000埃左右。將反射損埃左右。將反射損失減小到失減小到5甚至更小。一個(gè)電池所能提供的電流和電甚至更小。一個(gè)電池所能提供的電流和電壓畢竟有限，于是人們又將很多電池（通常是壓畢竟有限，于是人們又將很多電池（通常是36個(gè)）個(gè)）并聯(lián)或串聯(lián)起來(lái)使用，形成太陽(yáng)能光電板。并聯(lián)或串聯(lián)起來(lái)使用，形成太陽(yáng)能光電板。儲(chǔ)能電池儲(chǔ)能電池 通常的晶體硅太陽(yáng)能電池是在厚度通常的晶體硅太陽(yáng)能電池是在厚度350450m的高質(zhì)的高質(zhì)量硅片上制成的，這種硅片從提拉或澆鑄的硅錠上鋸割

51、而成。量硅片上制成的，這種硅片從提拉或澆鑄的硅錠上鋸割而成。（2）硅太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)流程）硅太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)流程 上述方法實(shí)際消耗的硅材料比較多。為了節(jié)省材料，上述方法實(shí)際消耗的硅材料比較多。為了節(jié)省材料，目前制備多晶硅薄膜電池多采用化學(xué)氣相沉積法，包括目前制備多晶硅薄膜電池多采用化學(xué)氣相沉積法，包括低壓化學(xué)氣相沉積（低壓化學(xué)氣相沉積（Low Pressure Chemical Vapor Deposition 簡(jiǎn)稱(chēng)簡(jiǎn)稱(chēng)LPCVD）和等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積）和等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition 簡(jiǎn)簡(jiǎn)稱(chēng)稱(chēng)PECVD）工藝。此

52、外，液相外延法（）工藝。此外，液相外延法（LPPE）和濺射）和濺射沉積法也可用來(lái)制備多晶硅薄膜電池。沉積法也可用來(lái)制備多晶硅薄膜電池。 化學(xué)氣相沉積主要是以化學(xué)氣相沉積主要是以SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4或或SiH4,為反應(yīng)氣體為反應(yīng)氣體,在一定的保護(hù)氣氛下反應(yīng)生成硅原子在一定的保護(hù)氣氛下反應(yīng)生成硅原子并沉積在加熱的襯底上，襯底材料一般選用并沉積在加熱的襯底上，襯底材料一般選用Si、SiO2、Si3N4等。但研究發(fā)現(xiàn)，在非硅襯底上很難形成較大的等。但研究發(fā)現(xiàn)，在非硅襯底上很難形成較大的晶粒，并且容易在晶粒間形成空隙。晶粒，并且容易在晶粒間形成空隙。 解決這一問(wèn)題辦法是先用解決這一問(wèn)

53、題辦法是先用 LPCVD在襯底上沉積一在襯底上沉積一層較薄的非晶硅層，再將這層非晶硅層退火，得到較大層較薄的非晶硅層，再將這層非晶硅層退火，得到較大的晶粒，然后再在這層籽晶上沉積厚的多晶硅薄膜。因的晶粒，然后再在這層籽晶上沉積厚的多晶硅薄膜。因此，再結(jié)晶技術(shù)無(wú)疑是很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，目前采用的此，再結(jié)晶技術(shù)無(wú)疑是很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，目前采用的技術(shù)主要有固相結(jié)晶法和中區(qū)熔再結(jié)晶法。多晶硅薄膜技術(shù)主要有固相結(jié)晶法和中區(qū)熔再結(jié)晶法。多晶硅薄膜電池除采用了再結(jié)晶工藝外，另外采用了幾乎所有制備電池除采用了再結(jié)晶工藝外，另外采用了幾乎所有制備單晶硅太陽(yáng)能電池的技術(shù)，這樣制得的太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換單晶硅太陽(yáng)能電池的技

54、術(shù)，這樣制得的太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率明顯提高。效率明顯提高。生產(chǎn)流程：生產(chǎn)流程：1.電池檢測(cè)電池檢測(cè)2.正面焊接正面焊接檢驗(yàn)檢驗(yàn)3.背面串接背面串接檢檢驗(yàn)驗(yàn)4.敷設(shè)（玻璃清洗、材料切割、玻璃預(yù)處理、敷敷設(shè)（玻璃清洗、材料切割、玻璃預(yù)處理、敷設(shè)）設(shè)）5.層壓層壓6.去毛邊（去邊、清洗）去毛邊（去邊、清洗）7.裝邊框裝邊框（涂膠、裝角鍵、沖孔、裝框、擦洗余膠）（涂膠、裝角鍵、沖孔、裝框、擦洗余膠）8.焊接接焊接接線(xiàn)盒線(xiàn)盒9.高壓測(cè)試高壓測(cè)試10.組件測(cè)試組件測(cè)試外觀(guān)檢驗(yàn)外觀(guān)檢驗(yàn)11.包裝包裝入庫(kù)。入庫(kù)。 電池測(cè)試：電池測(cè)試：由于電池片制作條件的隨機(jī)性，生產(chǎn)出由于電池片制作條件的隨機(jī)性，生產(chǎn)出來(lái)的電池性

55、能不盡相同，所以為了有效的將性能一致或來(lái)的電池性能不盡相同，所以為了有效的將性能一致或相近的電池組合在一起，所以應(yīng)根據(jù)其性能參數(shù)進(jìn)行分相近的電池組合在一起，所以應(yīng)根據(jù)其性能參數(shù)進(jìn)行分類(lèi)；類(lèi)；電池測(cè)試即通過(guò)測(cè)試電池的輸出參數(shù)（電流和電壓）電池測(cè)試即通過(guò)測(cè)試電池的輸出參數(shù)（電流和電壓）的大小對(duì)其進(jìn)行分類(lèi)。以提高電池的利用率，做出質(zhì)量的大小對(duì)其進(jìn)行分類(lèi)。以提高電池的利用率，做出質(zhì)量合格的電池組件。合格的電池組件。電池組裝工藝簡(jiǎn)介：電池組裝工藝簡(jiǎn)介： 正面焊接：正面焊接：是將匯流帶焊接到電池正面（負(fù)極）的是將匯流帶焊接到電池正面（負(fù)極）的主柵線(xiàn)上，匯流帶為鍍錫的銅帶，使用的焊接機(jī)可以將主柵線(xiàn)上，匯流帶

56、為鍍錫的銅帶，使用的焊接機(jī)可以將焊帶以多點(diǎn)的形式點(diǎn)焊在主柵線(xiàn)上。焊接用的熱源為一焊帶以多點(diǎn)的形式點(diǎn)焊在主柵線(xiàn)上。焊接用的熱源為一個(gè)紅外燈（利用紅外線(xiàn)的熱效應(yīng)）。焊帶的長(zhǎng)度約為電個(gè)紅外燈（利用紅外線(xiàn)的熱效應(yīng)）。焊帶的長(zhǎng)度約為電池邊長(zhǎng)的池邊長(zhǎng)的2倍。多出的焊帶在背面焊接時(shí)與后面的電池倍。多出的焊帶在背面焊接時(shí)與后面的電池片的背面電極相連。片的背面電極相連。 背面串接：背面串接：背面焊接是將背面焊接是將36片電池串接在一起形成片電池串接在一起形成一個(gè)組件串，目前采用的工藝是手動(dòng)的，電池的定位主一個(gè)組件串，目前采用的工藝是手動(dòng)的，電池的定位主要靠一個(gè)膜具板，上面有要靠一個(gè)膜具板，上面有36個(gè)放置電池片

57、的凹槽，槽個(gè)放置電池片的凹槽，槽的大小和電池的大小相對(duì)應(yīng)，槽的位置已經(jīng)設(shè)計(jì)好，不的大小和電池的大小相對(duì)應(yīng)，槽的位置已經(jīng)設(shè)計(jì)好，不同規(guī)格的組件使用不同的模板，操作者使用電烙鐵和焊同規(guī)格的組件使用不同的模板，操作者使用電烙鐵和焊錫絲將的正面電極（負(fù)極）焊接到的背面電極（正極）錫絲將的正面電極（負(fù)極）焊接到的背面電極（正極）上，這樣依次將上，這樣依次將36片串接在一起并在組件串的正負(fù)極片串接在一起并在組件串的正負(fù)極焊接出引線(xiàn)。焊接出引線(xiàn)。 層壓敷設(shè)：層壓敷設(shè)：背面串接好且經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)合格后，將組件背面串接好且經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)合格后，將組件串、玻璃和切割好的串、玻璃和切割好的EVA（乙烯（乙烯-醋酸乙烯共聚物）醋

58、酸乙烯共聚物） 、玻璃纖維、背板按照一定的層次敷設(shè)好，準(zhǔn)備層壓。玻玻璃纖維、背板按照一定的層次敷設(shè)好，準(zhǔn)備層壓。玻璃事先涂一層試劑（璃事先涂一層試劑（primer）以增加玻璃和）以增加玻璃和EVA的粘接的粘接強(qiáng)度。敷設(shè)時(shí)保證電池串與玻璃等材料的相對(duì)位置，調(diào)強(qiáng)度。敷設(shè)時(shí)保證電池串與玻璃等材料的相對(duì)位置，調(diào)整好電池間的距離，為層壓打好基礎(chǔ)。（敷設(shè)層次由下整好電池間的距離，為層壓打好基礎(chǔ)。（敷設(shè)層次由下向上：玻璃、向上：玻璃、EVA、電池、電池、EVA、玻璃纖維、背板）。、玻璃纖維、背板）。 組件層壓：組件層壓：將敷設(shè)好的電池放入層壓機(jī)內(nèi)，通過(guò)抽將敷設(shè)好的電池放入層壓機(jī)內(nèi)，通過(guò)抽真空將組件內(nèi)的空氣抽

59、出，然后加熱使真空將組件內(nèi)的空氣抽出，然后加熱使EVA熔化將電熔化將電池、玻璃和背板粘接在一起；最后冷卻取出組件。層池、玻璃和背板粘接在一起；最后冷卻取出組件。層壓工藝是組件生產(chǎn)的關(guān)鍵一步，層壓溫度和層壓時(shí)間壓工藝是組件生產(chǎn)的關(guān)鍵一步，層壓溫度和層壓時(shí)間根據(jù)根據(jù)EVA的性質(zhì)決定。使用快速固化的性質(zhì)決定。使用快速固化EVA時(shí)，層壓循時(shí)，層壓循環(huán)時(shí)間約為環(huán)時(shí)間約為25分鐘，固化溫度為分鐘，固化溫度為150。 修邊：修邊：層壓時(shí)層壓時(shí)EVA熔化后由于壓力而向外延伸固化熔化后由于壓力而向外延伸固化形成毛邊，所以層壓完畢應(yīng)將其切除。形成毛邊，所以層壓完畢應(yīng)將其切除。 裝框：裝框：類(lèi)似于給玻璃裝一個(gè)鏡框；

60、給玻璃組件裝鋁類(lèi)似于給玻璃裝一個(gè)鏡框；給玻璃組件裝鋁框，增加組件的強(qiáng)度，進(jìn)一步的密封電池組件，延長(zhǎng)電框，增加組件的強(qiáng)度，進(jìn)一步的密封電池組件，延長(zhǎng)電池的使用壽命。邊框和玻璃組件的縫隙用硅酮樹(shù)脂填充。池的使用壽命。邊框和玻璃組件的縫隙用硅酮樹(shù)脂填充。各邊框間用角鍵連接。各邊框間用角鍵連接。 焊接接線(xiàn)盒：焊接接線(xiàn)盒：在組件背面引線(xiàn)處焊接一個(gè)盒在組件背面引線(xiàn)處焊接一個(gè)盒子，以利于電池與其他設(shè)備或電池間的連接。子，以利于電池與其他設(shè)備或電池間的連接。 高壓測(cè)試：高壓測(cè)試：高壓測(cè)試是指在組件邊框和電極引線(xiàn)間高壓測(cè)試是指在組件邊框和電極引線(xiàn)間施加一定的電壓，測(cè)試組件的耐壓性和絕緣強(qiáng)度，以保施加一定的電壓，