半導體硅材料

硅為周期表中Ⅳ族元素。在地殼中主要以二氧化硅和硅酸鹽形式存在。丰度為27.7%，僅次於氧。硅的原子量為28.05，25℃下密度為2.329g/cm3，具有灰色金屬光澤，較脆，硬度6.5Mohs，稍低於石英。熔點1410℃，在熔點時體積收縮率9.5%。常溫下硅表面覆蓋一層極薄氧化層，化學性質不活潑。

高溫下與氧反應生成無定形二氧化硅層，在器件工藝中常用半作掩蔽層和隔離層。硅不溶於酸，但溶於HNO3。和HF的混合溶液中，常用這種溶液作腐蝕液。硅稍溶於加溫的鹼溶液中，還可採用等離子腐蝕技術來腐蝕硅。硅有結晶態和非晶。常溫下硅單晶介電係數11.7，對光具有高的折射率(n=3.42)，反射損失較大，塗以適當減反射膜可大大提高透過率。硅中的雜質會引起光的吸收，氧和碳的吸收帶在室溫下分別位於1107和607cm-1處。

結晶態硅材料的製備方法通常是先將硅石(SiO2)在電爐中高溫還原為冶金級硅(純度95%～99%)，然後將其變為硅的鹵化物或氫化物，經提純，以製備純度很高的硅多晶。包括硅多晶的西門子法製備、硅多晶的硅烷法製備。在製造大多數半導體器件時，用的硅材料不是硅多晶，而是高完整性的硅單晶。通常用直拉法或區熔法由硅多晶製得硅單晶。

世界上直拉硅單晶和區熔硅單晶的用量約為9：1，直拉硅主要用於集成電路和晶體管，其中用於集成電路的直拉硅單晶由於其有明確的規格，且其技術要求嚴格，成為單獨一類稱集成電路用硅單晶。區熔硅主要用於製作電力電子元件，純度極高的區熔硅還用於射線探測器。硅單晶多年來一直圍繞著純度、物理性質的均勻性、結構完整性及降低成本這些問題而進行研究與開發。

材料的純度主要取決於硅多晶的製備工藝，同時與後續工序的玷污也有密切關係。材料的均勻性主要涉及摻雜劑，特別是氧、碳含量的分佈及其行為，在直拉生長工藝中採用磁場(見磁控直拉法單晶生長)計算機控制或連續送料，使均勻性得到很大改善；對區熔單晶採用中子嬗變摻雜技術，大大改善了均勻性。在結構完整性方面，直拉硅單晶早已採用無位錯拉晶工藝，目前工作主要放在氧施主、氧沉澱及其誘生缺陷與雜質的相互作用上。

氧在熱處理中的行為非常複雜。直拉單晶經300～500℃熱處理會產生熱施主，而經650℃以上熱處理可消除熱施主，同時產生氧沉澱成核中心，在更高溫度下處理會產生氧沉澱，形成層錯和位錯等誘生缺陷，利用這些誘生缺陷能吸收硅中有害金屬雜質和過飽和熱點缺陷的特性，發展成使器件由源區變成“潔凈區”的吸除工藝，能有效地提高器件的成品率。

對硅單晶錠需經切片、研磨或拋光(見半導體晶片加工)后，提供給器件生產者使用。

某些器件還要求在拋光片上生長一層硅外延層，此種材料稱硅外延片。

非晶硅材料具有連續無規的網格結構，最近鄰原子配位數和結晶硅一樣，仍為4，為共價鍵合，具有短程有序，但是，鍵角和鍵長在一定範圍內變化。由於非晶硅也具有分開的價帶和導帶，因而有典型的半導體特性，非晶硅從一晶胞到另一晶胞不具有平移對稱性，即具有長程無序性，造成帶邊的定域態和帶隙中央的擴展態，非晶硅屬亞穩態，具有某些不穩定性。其製備方法有輝光放電分解法等(見太陽電池材料)。