單晶硅電阻率的控制原理介紹

本文介紹了硅摻雜其他元素的目的、分凝現(xiàn)象、電阻率與摻雜濃度之間的關(guān)系、共摻雜技術(shù)等知識(shí)，解釋了單晶硅電阻率控制原理。

相較于導(dǎo)體和絕緣體，半導(dǎo)體的一個(gè)突出特性就是其電導(dǎo)率或者說(shuō)電阻率隨著溫度、光照、電場(chǎng)和磁場(chǎng)等外界條件的變化而顯著變化。而最直接改變半導(dǎo)體電阻率的方法是引入摻雜元素。

神奇調(diào)料：摻雜元素

硅是最常用的半導(dǎo)體元素，是IV族，最外層有4個(gè)電子。摻雜元素主要是指III族或者V族，III族元素相比穩(wěn)定的外層4電子結(jié)構(gòu)缺了1個(gè)電子，V族元素相比穩(wěn)定的外層4個(gè)電子結(jié)構(gòu)多了1個(gè)電子。

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在硅晶體中，最外層的電子不再局限于單個(gè)硅原子，而是可以在晶格中自由移動(dòng)。這種電子的共有化運(yùn)動(dòng)是半導(dǎo)體導(dǎo)電性的基礎(chǔ)。

缺的1個(gè)電子被想象為空穴，空穴和電子充當(dāng)了半導(dǎo)體中載流子。載流子負(fù)責(zé)電荷傳輸，在電場(chǎng)的作用下可以移動(dòng)，從而形成電流，是半導(dǎo)體器件工作的基礎(chǔ)。

常用的III族摻雜元素有硼B(yǎng)和鎵Ga，V族摻雜元素有磷P、銻Sb和砷As。

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從能帶理論的角度來(lái)看，摻雜元素在硅中引入了淺能級(jí)的施主能級(jí)或者受主能級(jí)，可以直觀的理解為在價(jià)帶和導(dǎo)帶之間加了一個(gè)跳板，幫助電子或者空穴更容易從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶。從而降低了半導(dǎo)體的電阻率。

分凝現(xiàn)象

工業(yè)中最常用的硅晶體生長(zhǎng)工藝，無(wú)論是多晶硅的定向凝固法，還是單晶硅的直拉法，都是一種液相的生長(zhǎng)方法，也就是說(shuō)從液體定向地逐步地凝固為固體。

摻雜元素在熔體和固體中的溶解度不同，一般說(shuō)來(lái)都是在液體中的溶解度大于固體中的溶解度。摻雜元素在固體中的溶解度比上液體中的溶解度一般定義為分凝系數(shù)?；旧纤械膿诫s元素分凝系數(shù)都小于1，比如硼是0.8，磷是0.35，鎵是0.008。

分凝現(xiàn)象的一個(gè)直接結(jié)果就是熔體中摻雜元素的濃度不斷累積，后長(zhǎng)出的晶體相比先長(zhǎng)出的晶體，摻雜元素的濃度也逐步增加。反應(yīng)到電阻率上就是逐步下降。

電阻率和摻雜濃度

對(duì)于一元摻雜來(lái)說(shuō)，電阻率和摻雜濃度是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系?？梢院?jiǎn)單的根據(jù)摻雜濃度來(lái)計(jì)算電阻率，也可以根據(jù)電阻率來(lái)反推摻雜濃度。

這種對(duì)應(yīng)關(guān)系可以直接查找國(guó)標(biāo)中的表格，圖形，或者用國(guó)標(biāo)中的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。

遺憾的是目前僅有硼和磷兩種元素的國(guó)標(biāo)，對(duì)于其他摻雜元素，這種對(duì)應(yīng)關(guān)系的準(zhǔn)確性還需要實(shí)際驗(yàn)證。國(guó)標(biāo)中規(guī)定了這種對(duì)應(yīng)關(guān)系的適用范圍，具體可以參考國(guó)標(biāo)的說(shuō)明。

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共摻雜：三體的舞蹈

一元的摻雜是最常見(jiàn)的，也是最簡(jiǎn)單的。那么有沒(méi)有一種可能，我們會(huì)用到二元摻雜，甚至三元摻雜呢？

我們知道，電阻率是半導(dǎo)體材料非常重要的一個(gè)特性。以太陽(yáng)能級(jí)硅片為例，硅片體電阻率直接影響電池轉(zhuǎn)換效率。由于分凝現(xiàn)象的存在，在晶體生長(zhǎng)不同位置，頭部，中部，尾部，電阻率有很大的不同。最高和最低電阻率的差異一般又稱為電阻率跨度或者分布。

如果可以減少這種跨度，縮窄這種分布，就能夠有效提高太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率。降低電池工藝因?yàn)楣杵w電阻率不同而匹配調(diào)整電池工藝的難度。

共摻雜技術(shù)是其中一種選擇。

所謂共摻雜，就是把兩種甚至三種摻雜元素按照一定比例同時(shí)摻入硅晶體中。

我們?cè)O(shè)想，同時(shí)摻入硼和磷兩種元素，在兩種元素?fù)诫s劑量一樣的情況下，因?yàn)榕鸬姆帜禂?shù)更大，硼在頭尾的分布相對(duì)均勻，因此在起初，也就是晶體的頭部，硼是壓過(guò)磷的，一個(gè)硼原子吸收一個(gè)電子，一個(gè)磷原子提供一個(gè)電子，相當(dāng)于中和掉了摻雜的效果，這種現(xiàn)象叫做補(bǔ)償。但由于晶體頭部，硼原子數(shù)量多過(guò)磷原子數(shù)量，空穴占了數(shù)量?jī)?yōu)勢(shì)，起初導(dǎo)電型號(hào)會(huì)呈現(xiàn)P型。

因?yàn)榱椎姆帜禂?shù)更小，可以理解為磷起步慢，但越跑越快，更多的跑到晶體的尾部，因此總會(huì)有一刻，在晶體的特定位置，磷的數(shù)量追平硼。這個(gè)時(shí)候，硼和磷完全補(bǔ)償，理論上電阻率會(huì)無(wú)限高。這個(gè)點(diǎn)叫做P-N轉(zhuǎn)型點(diǎn)。然后變成磷一直壓著硼，硼再也沒(méi)機(jī)會(huì)壓制磷。這個(gè)時(shí)候晶體會(huì)呈現(xiàn)N型，并且隨著磷補(bǔ)償硼后的濃度仍然在增加，因此呈現(xiàn)出在極高電阻率后電阻率下降的情況。并且一直保持著N型的型號(hào)。

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硼一看情況不對(duì)，找個(gè)幫手吧。于是找來(lái)了同是III族的鎵。鎵的分凝系數(shù)比磷還要小，磷相比硼跑的快，鎵比磷跑的還快。

起初的時(shí)候，鎵因?yàn)槠鸩教?，基本起不到啥作用?？墒擎壱驗(yàn)榉帜禂?shù)非常小，主要都集中在晶體的尾部，因此當(dāng)磷發(fā)狠的時(shí)候，鎵比磷更狠，鎵和硼一起聯(lián)手壓制住了磷，使晶體一直保持P型始終不能反型。這中間由于磷帶來(lái)的補(bǔ)償作用，有可能使整個(gè)晶體的頭、中、尾的電阻率始終保持非常接近。也就是大大降低了電阻率的跨度和分布。

硼、磷、鎵三種元素因?yàn)榉帜禂?shù)不同帶來(lái)的這種魔性的結(jié)果，猶如三體小說(shuō)中三個(gè)恒星的舞蹈，產(chǎn)生了非凡的效果。

在鑄造多晶和PERC電池時(shí)代，用來(lái)降低電阻率分布的共摻雜技術(shù)和以小晶粒抑制位錯(cuò)為核心的高效多晶技術(shù)一起，分別是那個(gè)時(shí)代的屠龍刀和倚天劍，堪稱絕代雙驕。

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分凝和揮發(fā)：反向競(jìng)速

前面我們?cè)敿?xì)聊了分凝現(xiàn)象帶來(lái)的晶體尾部摻雜元素富集帶來(lái)的電阻率下降。這個(gè)時(shí)候我們是假定所有的熔體中摻雜元素最后都來(lái)到了固體中。完全沒(méi)有考慮熔體中的摻雜元素?fù)]發(fā)到氣體中，又被流動(dòng)的惰性保護(hù)氣體氬氣帶走從而損失掉的情況。

在電阻率控制比較高，摻雜元素量比較少的情況下，對(duì)于揮發(fā)性不強(qiáng)的元素比如硼，這種估計(jì)是完全OK的，大量的實(shí)際數(shù)據(jù)也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。即使完全不考慮揮發(fā)，摻雜濃度和晶體電阻率對(duì)應(yīng)性非常好。也驗(yàn)證了在實(shí)際生產(chǎn)中，完全不需要考慮揮發(fā)。

對(duì)于重?fù)胶鸵子趽]發(fā)的摻雜元素，比如銻Sb和砷As，情況就完全不一樣了。

我們?cè)O(shè)想，假如不考慮揮發(fā)，只考慮分凝，銻的分凝系數(shù)0.023，因此摻雜元素富集在晶體尾部，尾部電阻率低于頭部，并且要明顯低于頭部，頭尾電阻率跨度很大。

再設(shè)想，假定分凝系數(shù)接近1，只考慮揮發(fā)，熔體中的銻元素不斷揮發(fā)，不斷被氬氣帶走，熔體中的銻濃度越來(lái)越低，因此后長(zhǎng)的晶體，即晶體的尾部電阻率反而要高于頭部，這種尾高頭低的“異?！彪娮杪室话阌址Q為反翹。

那么現(xiàn)在的情況變成了，分凝讓尾低頭高，揮發(fā)讓尾高頭低，兩種相反的作用，理論上就有可能讓頭尾的跨度變小，也就是說(shuō)縮窄了頭尾電阻率的跨度。

一般地說(shuō)，平衡分凝系數(shù)和實(shí)際分凝系數(shù)還是比較接近的，分凝可以簡(jiǎn)單認(rèn)為是很難改變的物理規(guī)律，分凝上能做的工作不多。而揮發(fā)的量相對(duì)更敏感，也更容易調(diào)控。通過(guò)調(diào)控?fù)]發(fā)的量，來(lái)調(diào)控分凝-揮發(fā)二元作用下的電阻率表現(xiàn)，恰如走鋼絲的藝術(shù)。

審核編輯：劉清