半导体硅材料的特性解析

在半导体领域，无论是在过去数十年间还是在可见的未来，硅材料都牢牢地占据C位。其可加工成晶圆、蚀刻用硅电极、硅舟等部件、溅射镀膜用硅靶材、硅窗口片及其他硅制品。

硅在半导体领域能获取如今的地位，得益于其自身的一些得天独厚的优点：

原料丰富，占地壳含量的26%；

环境友好，完全没有毒性；

成本低廉；

表面易形成SiO2这种结构高度稳定的绝缘层；

器件工作温度较高，最高可达250℃；

临界切应力大，易生长无位错单晶等。

一、硅的化学性能

硅元素在自然界中主要以氧化物形式为主的化合物状态存在。这些化合物在常温下的化学性质十分稳定。而在高温下，硅几乎可以所有物质发生化学反应。如Si和氧气在高温下发生反应生成SiO2，Si与水(H2O)在高温下反应生成SiO2和氢气。

硅对多数酸都是稳定的，其不与盐酸(HCl)、硝酸(HNO3)、硫酸(H2SO4)、氢氟酸(HF)和王水等反应，但会被硝酸(HNO3)和氟化氢(HF)的混合溶液腐蚀。其反应方程式为：

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

硅还可以与部分碱溶液发生反应，如：

Si+2NaOH+H2O = NaSiO3+2H2

二、硅的光学性能

室温下，硅的禁带宽度为1.12eV，理论上不吸收红外光。单晶硅在红外波段的折射率为3.5。高纯硅在近红外波段(1.1-1.5μm) 几乎是透明的，因此可以用来制作近红外透镜。而当在硅中掺杂时，随着掺杂浓度的变化，其光学性质也会发生变化。如下图所示，N型硅，随着掺杂浓度的增加，载流子对光的吸收随之增加。

不过，硅是间接带隙半导体，因此不能用来做激光器和发光管。此外，硅无线性光电效应，因此也不能做调制器和光电开关。

三、硅的力学性能

硅晶体硬度高，抗拉应力大，但在室温下没有延展性，是典型的脆性材料，十分易碎。因此可加性较差。随着温度的增加，硅的屈服应力逐渐降低。其脆性到塑性转变的温度约为780℃。

四、硅的电学性能

高纯的硅单晶，其绝大多数原子都与相邻的四个原子构成共价键。晶体内几乎没有多余的电子和空穴，也就不存在导电性。但一旦晶体内出现其他的杂质元素，很有可能引入额外的电子和空穴(统称为载流子)，导致其导电性能得到提升。基于此，研究人员设计出通过在硅单晶中掺杂来控制硅的电学性质的工艺。根据掺杂元素的差异，形成了两种典型的掺杂硅，如下图所示，分别为P型Si和N型Si。其中，在硅单晶中掺杂硼(B)元素，会引入空穴，获得P型Si；而在硅单晶中掺杂磷(P)元素，会引入电子，获得N型Si。未掺杂的高纯硅称为本征硅，其导电性能很差。室温下电阻率的理论值约为230KΩ·cm。而在适当掺杂后，硅单晶的电阻率将得到显著下降。如在硅单晶中掺入百万分之一的磷，其电阻率将从约230KΩ·cm降至约0.2KΩ·cm。

根据掺杂浓度的高低，可将掺杂硅分为轻掺和重掺两种。其中，前者掺杂浓度<1×10^16 (/cm3)，室温下掺杂剂可认为全部电离，电阻率与掺杂浓度呈简单反比关系；后者掺杂浓度>1×10^16 (/cm3)，而当掺杂浓度较高时，电阻率和掺杂浓度不再呈简单的线性关系。这主要是因为重掺掺杂剂在室温下不能全部电离，载流子的迁移率随掺杂剂浓度的增加而显著下降。

五、硅的其他性能

在低温时，硅的热膨胀系数随着温度的增加而降低，当温度达到某一临界值后继续升高，其热膨胀系数则会随着温度的增加而增加。

本征硅的热导率随温度的增加先增加后下降。

硅晶体的晶格常数(a)会随着温度的升高而略有增加。

审核编辑：黄飞