第十六章 单晶硅与多晶硅生产 经典太阳电池基础课件.pptVIP

晶体：是质点（原子、离子或分子）在空间按一定规律周期性重复排列构成的固体物质。 晶体又分单晶、多晶、微晶、纳米晶。 单晶的概念：所谓单晶，是指整块晶体中的原子按一定规则整齐地排列着的晶体。其内部组织是一个晶粒或者是几个平行纵向晶粒所组成。 在单晶中，大多数是晶莹透明的，但并不是所有透明的固体都是晶体，如玻璃就不是晶体。 多晶：由许多小单晶按不同取向聚集而成的晶体。如陶瓷颗粒、粉体、矿石、沙子、水泥等。 利用这些方法，不仅能生长出自然界中已有的晶体，还能制造出自然界中没有的晶体。这些人工晶体五彩纷呈，有的甚至比天然晶体还美丽。如红宝石(Cr：Al2O3)、橄榄石(Mg2SiO4)、金红石(TiO2) 、氮化镓(GaN)等。 按功能来分，晶体有20种之多，如半导体晶体、磁光晶体、激光晶体、电光晶体、声光晶体、非线性光学晶体、压电晶体、铁电晶体、绝缘晶体、敏感晶体、超导晶体以及多功能晶体等。以下简单介绍其中几种。 使得集成电路从十几个单元电路发展到成千上万个元件的超大规模集成电路，促进了电子产品的微小型化，大大提高了工作的可靠性，同时又降低了成本，进而促进了集成电路在空间研究、核武器、导弹、雷达、电子计算机、军事通信装备及民用等方面的广泛应用。 目前，除了向大直径、高纯度、高均匀度及无缺陷方向发展的硅单晶之外，人们又研究了第二代半导体晶体——Ⅲ一V族化合物，如(GaAs)、磷化镓 (GaP)等单晶。近来，为了满足对更高性能的需求，已发展到三元或多元化合物等半导体晶体。 在医学上，激光晶体发出的激光通过可以自由弯曲的光导管进行传送，经过透镜被聚焦成直径仅有几埃的微小斑点，变成一把无形却又十分灵巧的手术刀，不但能够杀菌，而且可以切断一个细胞。 单晶硅太阳能电池及材料 单晶硅生长技术 生长单晶硅的两种最常用方法为直拉法和区熔法。 直拉法：是将硅料在石英坩埚中加热熔化，用籽晶与硅液面进行接触，然后开始向上提升出柱状的晶棒。集成电路用的单晶硅和地面用的太阳能电池的硅基片都是用此方法得到的 区熔法：主要用于材料提纯，也用于生长单晶。用该法生长硅单晶能得到最佳质量的硅单晶，但成本较高。若要得到最高效率的太阳能电池就要用此类硅片，制作高效率的聚光太阳能电池也常用此种硅片。 晶体生长的起点是成核过程。成核主要考虑热力学条件；长大则考虑动力学条件。 单晶制备的方法，包括：固相－固相平衡的晶体生长、液相－固相平衡的晶体生长和气相－固相平衡的晶体生长。 存在两个问题： 一个是新相成核（形核）问题：新相能否出现及如何出现； ?一个是成核长大问题：新相一旦成核，会自发长大，如何长大，新相与母相的界面以怎样的方式和速率向母相推移。 衬底对形核的影响： 在生长系统中，流体与衬底具有不同的接触角对形核过程的作用是不同的。如果衬底与坯体的接触角为0，说明完全润湿，在衬底上覆盖一层具有宏观厚度晶体薄层，等价于籽晶生长或者同质外延；若接触角为180，说明完全不润湿。坯团将变成球形。 1936年，Stockbarger采用类似的垂直下降装置进行氟化锂晶体生长，取得了成功[2]。从此，坩埚下降法在氧化物、卤化物以及半导体单晶生长领域一直是重要的熔体生长方法之一，特别是在卤化物晶体生长方面占有主导地位。 ④ 确定原料纯度，生长晶体的化学组成及杂质含量； ⑤ 确定坩埚材料，控温精度等因素。 右图是生长金属铜的单晶设备(温度梯度1.2oC/mm,坩埚下降速度2.2 mm/min) 也可以制备PbS、PbSe、GaAs等单晶 坩埚下降法生长的大尺寸晶体 提拉法是一种常用的晶体生长技术，可在较短时间内生长大而无位错的晶体。也称为丘克拉斯基(Gockraski)技术 晶体生长前，将待生长的材料在坩埚内加热熔化，然后将籽晶浸到熔体中，缓慢向上提拉，同时旋转籽晶，即可以长出单晶。 ①坩埚材料用石英玻璃（Tmax～1350℃），铂（Tmax～1600℃），铱（Tmax～2200℃）等 ； ② 加热方法可采用高频感应加热，也可用电阻丝加热。 提 拉 法 * * 单晶硅和多晶硅的生产 申俊杰 晶体介绍 2 人工晶体 由人工方法生长出来的晶体叫人工晶体。 到目前为止，已发明了几十种晶体生长方法，如提拉法、浮区法、焰熔法、坩埚下降法、助熔剂法、水热法、降温法、再结晶法等。 晶体的种类 晶体表现出其它物质状态所没有的优异的物理性能，能够实现电、磁、光、声和力的相互作用和转换；是电子器件、半导体器件、固体激光器件及各种光学仪器等工业的重要材料，被广泛地应用于通信、摄影、宇航、医学、地质学、气象学、建筑学、军事技术等领域。 1.半导体晶体 半导体晶体是半导体工业的主要基础材料，它在晶体中占有头等重要的地位。 第一代半导体晶体是