半導(dǎo)體硅材料的特性解析

在半導(dǎo)體領(lǐng)域，無(wú)論是在過(guò)去數(shù)十年間還是在可見(jiàn)的未來(lái)，硅材料都牢牢地占據(jù)C位。其可加工成晶圓、蝕刻用硅電極、硅舟等部件、濺射鍍膜用硅靶材、硅窗口片及其他硅制品。

硅在半導(dǎo)體領(lǐng)域能獲取如今的地位，得益于其自身的一些得天獨(dú)厚的優(yōu)點(diǎn)：

原料豐富，占地殼含量的26%；

環(huán)境友好，完全沒(méi)有毒性；

成本低廉；

表面易形成SiO2這種結(jié)構(gòu)高度穩(wěn)定的絕緣層；

器件工作溫度較高，最高可達(dá)250℃；

臨界切應(yīng)力大，易生長(zhǎng)無(wú)位錯(cuò)單晶等。

一、硅的化學(xué)性能

硅元素在自然界中主要以氧化物形式為主的化合物狀態(tài)存在。這些化合物在常溫下的化學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定。而在高溫下，硅幾乎可以所有物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。如Si和氧氣在高溫下發(fā)生反應(yīng)生成SiO2，Si與水(H2O)在高溫下反應(yīng)生成SiO2和氫氣。

硅對(duì)多數(shù)酸都是穩(wěn)定的，其不與鹽酸(HCl)、硝酸(HNO3)、硫酸(H2SO4)、氫氟酸(HF)和王水等反應(yīng)，但會(huì)被硝酸(HNO3)和氟化氫(HF)的混合溶液腐蝕。其反應(yīng)方程式為：

4HNO3+6HF+Si = H2SiF6+4NO2+4H2O

硅還可以與部分堿溶液發(fā)生反應(yīng)，如：

Si+2NaOH+H2O = NaSiO3+2H2

二、硅的光學(xué)性能

室溫下，硅的禁帶寬度為1.12eV，理論上不吸收紅外光。單晶硅在紅外波段的折射率為3.5。高純硅在近紅外波段(1.1-1.5μm) 幾乎是透明的，因此可以用來(lái)制作近紅外透鏡。而當(dāng)在硅中摻雜時(shí)，隨著摻雜濃度的變化，其光學(xué)性質(zhì)也會(huì)發(fā)生變化。如下圖所示，N型硅，隨著摻雜濃度的增加，載流子對(duì)光的吸收隨之增加。

不過(guò)，硅是間接帶隙半導(dǎo)體，因此不能用來(lái)做激光器和發(fā)光管。此外，硅無(wú)線性光電效應(yīng)，因此也不能做調(diào)制器和光電開(kāi)關(guān)。

三、硅的力學(xué)性能

硅晶體硬度高，抗拉應(yīng)力大，但在室溫下沒(méi)有延展性，是典型的脆性材料，十分易碎。因此可加性較差。隨著溫度的增加，硅的屈服應(yīng)力逐漸降低。其脆性到塑性轉(zhuǎn)變的溫度約為780℃。

四、硅的電學(xué)性能

高純的硅單晶，其絕大多數(shù)原子都與相鄰的四個(gè)原子構(gòu)成共價(jià)鍵。晶體內(nèi)幾乎沒(méi)有多余的電子和空穴，也就不存在導(dǎo)電性。但一旦晶體內(nèi)出現(xiàn)其他的雜質(zhì)元素，很有可能引入額外的電子和空穴(統(tǒng)稱(chēng)為載流子)，導(dǎo)致其導(dǎo)電性能得到提升。基于此，研究人員設(shè)計(jì)出通過(guò)在硅單晶中摻雜來(lái)控制硅的電學(xué)性質(zhì)的工藝。根據(jù)摻雜元素的差異，形成了兩種典型的摻雜硅，如下圖所示，分別為P型Si和N型Si。其中，在硅單晶中摻雜硼(B)元素，會(huì)引入空穴，獲得P型Si；而在硅單晶中摻雜磷(P)元素，會(huì)引入電子，獲得N型Si。未摻雜的高純硅稱(chēng)為本征硅，其導(dǎo)電性能很差。室溫下電阻率的理論值約為230KΩ·cm。而在適當(dāng)摻雜后，硅單晶的電阻率將得到顯著下降。如在硅單晶中摻入百萬(wàn)分之一的磷，其電阻率將從約230KΩ·cm降至約0.2KΩ·cm。

根據(jù)摻雜濃度的高低，可將摻雜硅分為輕摻和重?fù)絻煞N。其中，前者摻雜濃度<1×10^16 (/cm3)，室溫下?lián)诫s劑可認(rèn)為全部電離，電阻率與摻雜濃度呈簡(jiǎn)單反比關(guān)系；后者摻雜濃度>1×10^16 (/cm3)，而當(dāng)摻雜濃度較高時(shí)，電阻率和摻雜濃度不再呈簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。這主要是因?yàn)橹負(fù)綋诫s劑在室溫下不能全部電離，載流子的遷移率隨摻雜劑濃度的增加而顯著下降。

五、硅的其他性能

在低溫時(shí)，硅的熱膨脹系數(shù)隨著溫度的增加而降低，當(dāng)溫度達(dá)到某一臨界值后繼續(xù)升高，其熱膨脹系數(shù)則會(huì)隨著溫度的增加而增加。

本征硅的熱導(dǎo)率隨溫度的增加先增加后下降。

硅晶體的晶格常數(shù)(a)會(huì)隨著溫度的升高而略有增加。

審核編輯：黃飛