Основные электронные материалы: Часть 1 - Кремний

1 Введение

Кремний, основополагающий материал в современной электронике, играет важную роль в различных приложениях - от интегральных схем до солнечных батарей. Являясь четырехвалентным квазиметаллом и полупроводником, структура и свойства кремния делают его неоценимым в электронных устройствах. Его изобилие, доступность и высокая степень чистоты закрепили за ним роль основополагающего материала в промышленности. В этой статье рассматриваются основные свойства кремния, процессы добычи и производства, области применения, а также его преимущества и ограничения, что позволяет понять, почему кремний остается краеугольным камнем электронного материаловедения.

2 Основные свойства кремния

Кремний - это химический элемент с химическим символом Si, атомным номером 14 и относительной атомной массой 28,0855. Это твердое, хрупкое кристаллическое вещество, четырехвалентный квазиметалл и полупроводник. Это твердое, хрупкое кристаллическое вещество, четырехвалентный квазиметалл и полупроводник. Он имеет два изомера - аморфный и кристаллический кремний - и относится к третьему периоду периодической таблицы элементов, IVA группе металлоидных элементов. Кристаллический кремний имеет серо-черный цвет, плотность 2,32-2,34 г/см3, температура плавления 1410 ℃, а температура кипения 2355 ℃, кристаллический кремний относится к атомным кристаллам. Нерастворим в воде, азотной и соляной кислоте, растворим в фтористоводородной кислоте и щелочи. Твердый и имеет металлический блеск.

Кремний также является распространенным элементом в природе, обычно в виде сложных силикатов или кремнезема, широко представленных в горных породах, гравии и пыли. Кремний занимает восьмое место по распространенности во Вселенной. Он широко распространен в пыли, песчинках, планетезималях и планетах в виде кремнезема (силикатов) или силикатов. Более 90 % земной коры состоит из силикатных минералов, что делает кремний вторым по распространенности элементом в земной коре (около 28 % по массе) после кислорода.

Атом кремния находится в главной группе IV периодической таблицы; он имеет атомный номер 14 и 14 электронов вне ядра. Электроны вне ядра, в соответствии с энергетическим уровнем от низкого уровня атома кремния к высокому, изнутри наружу, располагаются слоями вокруг. Первый слой электронов вне ядра атома кремния имеет 2 электрона, а второй слой имеет 8 электронов, достигая стабильного состояния. Самый внешний слой имеет 4 валентных электрона, которые играют ведущую роль в проводимости атома кремния.

Поскольку атом кремния имеет такую структуру, существуют некоторые его особые свойства: крайние 4 валентных электрона позволяют атомам кремния связываться друг с другом ковалентной связью; кремний имеет высокую температуру плавления и плотность; химические свойства более стабильны, при комнатной температуре трудно вступать в реакцию с другими веществами (кроме фтористого водорода и щелочи); в кристаллах кремния концентрация свободных электронов очень низкая, они могут быть проводящими, но проводимость не такая хорошая, как у металла, с повышением температуры и увеличением, с полупроводниковыми свойствами.

Рис. 1 Атомная структура кремния

3 Процесс добычи и производства кремния

3.1 Получение аморфного и кристаллического кремния

Аморфный кремний может быть получен путем восстановления кремния магнием. В лаборатории порошок магния может быть использован для восстановления порошкообразного кремнезема при красном нагревании, полученный оксид магния и порошок магния смываются разбавленной кислотой, а затем плавиковая кислота используется для смывания кремнезема, не подвергшегося действию, то есть получается мономорфный кремнезем. При таком способе производства получается недостаточно чистый аморфный кремний, ибо порошок коричневато-черного цвета.

Кристаллический кремний можно получить путем восстановления диоксида кремния углеродом в электропечи. В промышленности кремний получают путем восстановления диоксида кремния (>99 % SiO2) в электродуговой печи. В качестве восстановителей используются, в частности, нефтяной кокс и древесный уголь. При использовании дуговой печи постоянного тока вместо древесного угля можно применять нефтяной кокс. Нефтяной кокс имеет низкую зольность (от 0,3 до 0,8 %), а использование высококачественного кремнезема (SiO2 более 99 %) позволяет напрямую рафинировать высококачественный кремний для производства листов кремнистой стали.

Рис. 2 Оборудование для получения кристаллического кремния - дуговая печь постоянного тока

3.2 Подготовка высокочистого кремния, монокристаллического кремния и поликристаллического кремния

Высокочистый кремний для электронной промышленности производится путем восстановления трихлоргидрида или тетрахлорида кремния водородом. Процесс заключается в восстановлении высокочистого трихлоргидрида кремния SiHCl3 или SiCl4 водородом на горячих кремниевых стержнях при температуре 1200 °C.

Сверхчистый монокристаллический кремний может быть получен методами прямого вытягивания, зонной плавки и др. Монокристаллический кремний зонной плавки получают методом зонной плавки, поэтому он также известен как монокристалл кремния FZ. Монокристаллический кремний прямой вытяжки готовится по чернобыльскому методу и известен как монокристаллический кремний CZ. Эти два типа монокристаллического кремния имеют разные характеристики и разные области применения: монокристаллический кремний с зонной плавкой в основном используется в мощных устройствах, только очень небольшая часть рынка монокристаллического кремния, на международном рынке составляет около 10% или около того, и прямой тяги монокристаллический кремний в основном используется в микроэлектронных интегральных схем и солнечных батарей, является темой монокристаллического кремния. По сравнению с зоной плавления монокристаллического кремния, прямая тяга монокристаллического кремния стоимость производства относительно низкая, высокая механическая прочность, и легко подготовить большой диаметр монокристалла, поэтому солнечные батареи поле в основном используется в применении прямой тяги монокристаллического кремния, а не зона плавления монокристаллического кремния.

Метод Чохральского был изобретен поляком Я. Чохральским в 1971 году, поэтому он также известен как метод Че. 1950 Тиль и другие будут использоваться для роста полупроводниковых монокристаллов германия, а затем использовать этот метод роста прямой тяги монокристаллического кремния, на основе которого, Даш предложил прямой тяги монокристаллического кремния роста "ожерелье "технологии, Г. Ziegler предложил быстрое ожерелье роста тонкой шеи технологии, составляющие современной подготовки большого диаметра бездислокационной прямой тяги монокристаллического кремния основной метод. Выращивание монокристаллического кремния с прямой вытяжкой стало основной технологией подготовки монокристаллического кремния, а также основным методом подготовки монокристаллического кремния для солнечных элементов.

Рис. 3 Кристалл кремния, выращиваемый по методу Чохральского в компании Raytheon

Процесс подготовки монокристаллического кремния методом прямой вытяжки обычно включает в себя загрузку и плавление поликремния, затравочный кристалл, шейку, освобождение плеча, изометрию и финишную обработку.

Столбчатые кристаллы поликремния солнечных элементов, направление роста кристаллов вертикально вверх, реализуется через процесс направленной кристаллизации (также известный как контролируемая кристаллизация, ограниченная кристаллизация), то есть в процессе кристаллизации, через контроль изменения температурного поля, формирование однонаправленного теплового потока (направление роста и направление противоположного направления теплового потока), и требования к границе раздела жидкость-твердое тело при градиенте температуры больше 0, и поперечного требования к отсутствию градиента температуры, для формирования направленного роста столбчатых кристаллов. Реализация направленного роста поликремния при затвердевании осуществляется четырьмя методами: методом Бриллмана, методом теплообмена, методом электромагнитного литья слитков и методом литья. В настоящее время наиболее распространенным методом, используемым предприятиями, является метод теплообмена для производства поликремния. При теплообменном методе производства литого поликремния технологический процесс обычно выглядит следующим образом: загрузка → нагрев → химический материал → рост кристаллов → отжиг → охлаждение.

4 Кремний в электронной промышленности

4.1 Интегральные микросхемы (ИМС)

При производстве интегральных схем (ИС) кремниевые пластины служат материалом для подложки микросхемы и стали основным компонентом современных электронных устройств. Большинство устройств, таких как компьютеры, смартфоны и планшеты, используют эти ИС на основе кремния для вычислений и обработки данных. Кремний обладает прекрасными полупроводниковыми свойствами, что делает его идеальным материалом для изготовления транзисторов. Транзисторы являются основными компонентами интегральных схем, позволяя им выполнять коммутационные и логические операции, управляя потоком электрического тока, что является основой для сложных вычислительных функций современных микросхем.

Кроме того, обилие кремниевых материалов и развитость технологий очистки еще больше снижают стоимость их производства. Кремний в изобилии доступен на Земле и легко очищается до чрезвычайно высокой чистоты методом зонной плавки, что соответствует строгим требованиям к материалам для производства интегральных схем. Эта характеристика не только подходит для крупномасштабного производства, но и дает индустрии микросхем устойчивый источник дешевых материалов, делая ИС на основе кремния краеугольным камнем для развития информационной эпохи.

Рис. 4 Интегральная микросхема

4.2 Солнечные элементы

Монокристаллический и поликристаллический кремний, а также тонкие пленки из кремния находят широкое применение в солнечных батареях.

Солнечные элементы из монокристаллического кремния изготавливаются из высокочистого монокристаллического кремния, который имеет самую высокую эффективность фотоэлектрического преобразования (обычно 20 % и более) благодаря однородной структуре ячеек и малому количеству дефектов решетки. Монокристаллический кремний обладает хорошими свойствами поглощения света и снижает потери энергии при фотоэлектрическом преобразовании. Благодаря высокой эффективности и стабильности монокристаллические кремниевые солнечные элементы широко используются в системах, где требуется высокая плотность энергии, например, на крышах домов, коммерческих зданий и солнечных электростанций. Эти элементы подходят для долгосрочных установок и ситуаций, требующих высокой энергоэффективности, и, несмотря на их относительно высокую стоимость, они могут обеспечить максимальную выработку энергии в ситуациях, когда использование земли ограничено.

Поликристаллические кремниевые солнечные элементы отливаются из блоков поликристаллического кремния, кристаллическая структура которого содержит большое количество границ зерен, что приводит к несколько более низкому коэффициенту фотоэлектрического преобразования, чем у монокристаллического кремния (обычно от 15 до 18 %). Материалы из поликристаллического кремния менее энергоемки в производстве и относительно менее дороги. Поликристаллические кремниевые элементы экономически эффективны и поэтому широко используются для больших солнечных батарей, а также для энергоснабжения коммунальных и промышленных объектов. Они также используются в автономных системах в таких сценариях, как электрификация сельских районов и освещение дорожных знаков. Эти элементы могут обеспечивать высокую выработку энергии, оставаясь при этом экономически эффективными, что делает их идеальными для повсеместной установки на наземных солнечных фермах и в автономных районах.

Тонкопленочные кремниевые солнечные элементы изготавливаются путем нанесения очень тонкого слоя кремниевого материала на стеклянную, металлическую или пластиковую подложку. Из-за тонкого слоя кремния эффективность их фотоэлектрического преобразования обычно невысока (обычно от 10 до 12 %), но они легкие и гибкие. Благодаря небольшому весу и гибкости тонкопленочные кремниевые солнечные элементы подходят для применения в зданиях, где они могут быть установлены непосредственно на фасадах зданий, окнах и других поверхностях, чтобы оснастить конструкцию здания возможностями для выработки электроэнергии. Кроме того, эти элементы можно использовать в портативных и носимых устройствах, таких как солнечные рюкзаки, палатки и другие мобильные приложения для обеспечения энергией небольших устройств.

Рис. 5 Солнечные элементы

4.3 Микроэлектромеханические системы (МЭМС) и датчики

Кремний находит широкое применение в области микроэлектромеханических систем (МЭМС) и датчиков благодаря своей превосходной механической и электрической стабильности. Устройства MEMS используют свойства кремния для преобразования механических и электрических сигналов на микроуровне и применяются в широком спектре устройств, таких как акселерометры, гироскопы, датчики давления и т. д. Эти устройства играют важнейшую роль в системах автомобильных подушек безопасности, датчиках движения смартфонов, контроле баланса беспилотников и т. д. Эти устройства играют важнейшую роль в системах автомобильных подушек безопасности, датчиках движения в смартфонах и контроле баланса в беспилотниках. Кроме того, датчики на основе кремния могут точно измерять такие параметры окружающей среды, как температура, влажность и давление, что позволяет широко использовать их в автомобилестроении, промышленной автоматизации и бытовой электронике. Кремний также используется в микрофлюидных устройствах, микроканальная структура которых позволяет осуществлять высокоточное управление жидкостями, и применяется в "лаборатории-на-чипе" в медицине для обнаружения мельчайших веществ в жидких образцах, что способствует портативному развитию диагностики заболеваний и биоанализа. Эти МЭМС и сенсорные технологии на основе кремния стимулируют прогресс в области интеллектуальной электроники, автоматизации и биомедицинской инженерии.

Рис. 6 МЭМС

4.4 Силовая электроника

Кремний играет важную роль в силовой электронике и широко используется в силовых полупроводниковых приборах, таких как MOSFET и IGBT. Благодаря хорошей проводимости и скорости переключения эти приборы особенно хорошо подходят для высокоэффективного преобразования энергии в таких приложениях, как электромобили, преобразователи энергии и зарядные устройства. Кремниевые силовые устройства также обладают высокой плотностью и эффективностью мощности, что позволяет широко использовать их в приложениях, требующих эффективной передачи данных, таких как центры обработки данных, базовые станции связи и источники питания. Хотя производительность кремния в высокотемпературных и высоковольтных средах относительно ограничена, его стабильность и экономичность в приложениях малой и средней мощности превосходны, что делает его предпочтительным материалом для устройств малой и средней мощности. В то же время, чтобы расширить возможности применения кремниевых устройств, многие исследователи изучают новые материалы и структуры на основе кремния для улучшения их характеристик в высокотемпературных или экстремальных условиях, что способствует дальнейшему развитию будущих технологий силовой электроники.

4.5 Применение кремния в фотоэлектрической технике

Кремний также играет важную роль в оптоэлектронных приложениях, особенно в оптоэлектронике на основе кремния, кремниевых светодиодах и кремниевой фотонике. Кремниевые фотодиоды широко используются в оптических системах связи в качестве детекторов света и фотодиодов в центрах обработки данных и волоконно-оптических коммуникациях для поддержки высокоскоростной передачи данных на большие расстояния. Хотя кремний не является идеальным светоизлучающим материалом, его фоточувствительность в инфракрасном диапазоне привела к использованию его в инфракрасных светодиодах и упаковке микросхем, особенно в тех случаях, когда требуется низкая стоимость и долговечность. Кроме того, кремниевая фотоника становится технологией, позволяющей передавать, обрабатывать и вычислять оптические сигналы с помощью оптоэлектронных интегральных схем на основе кремния, что может сыграть важную роль в 5G, вычислениях искусственного интеллекта и других областях, где требуется высокоскоростная передача данных. Эти приложения кремниевой фотоники стимулируют развитие передачи данных, обработки информации и оптических вычислений, позволяя кремнию играть ключевую вспомогательную роль в технологическом прогрессе, связанном с конвергенцией электроники и оптики.

5 Преимущества и ограничения кремния

5.1 Преимущества кремния

1. Изобилие и устойчивость: Кремний - второй по распространенности элемент в земной коре, составляющий более 27 процентов ее массы, и встречается в основном в песке и кварце. Это означает, что кремний чрезвычайно распространен, относительно легко доступен и устойчив. Обилие запасов не только гарантирует стабильную цепочку поставок кремния, но и делает его надежным вариантом для крупномасштабного промышленного производства, обеспечивая отрасли гарантию долгосрочного роста.

Рис. 7 Элементный состав земной коры

2. Контролируемая высокая чистота: В электронной промышленности чистота полупроводниковых материалов имеет решающее значение. Кремний может быть очищен методом зонной плавки для достижения чрезвычайно высокого уровня чистоты (более 99,9999 %), который отвечает требованиям высокоточных устройств, таких как интегральные схемы и транзисторы. Зонная плавка - это высокоэффективная технология очистки, которая удаляет примеси путем нагрева определенных участков кремниевого стержня и медленного перемещения зоны плавки для достижения чрезвычайно высокого уровня чистоты материала в контролируемом диапазоне. Такая контролируемая чистота позволяет кремнию успешно применяться во многих сложных электронных приложениях, особенно в микроэлектронике и интегральных схемах.

3. Низкая стоимость: По сравнению с другими полупроводниковыми материалами, такими как арсенид галлия и карбид кремния, кремний менее дорог в добыче и обработке. С одной стороны, природные запасы кремния изобилуют и легко добываются, а необходимый процесс очистки относительно развит и подходит для крупномасштабного производства. С другой стороны, высокая стабильность кремния делает его менее восприимчивым к потерям при производстве и обработке, что еще больше снижает производственные затраты. В результате кремний стал наиболее экономичным выбором в таких областях, как микропроцессоры, память и солнечные батареи.

5.2 Ограничения кремния

1. Плохие высокотемпературные характеристики: Хотя кремний стабильно ведет себя при комнатной температуре, его проводимость при высоких температурах не идеальна. При высоких температурах удельное сопротивление кремния уменьшается, что приводит к нестабильному протеканию тока, что влияет на производительность устройства. Это делает применение кремния ограниченным в условиях высокой мощности и высоких температур, таких как аэрокосмическая промышленность, военная электроника и мощные преобразователи мощности, где требуется устойчивая работа при высоких температурах, а термостабильность кремния недостаточна для таких приложений. Такие требования часто требуют выбора материалов с лучшими высокотемпературными характеристиками, таких как карбид кремния, для замены кремния.

2. Ограничение полосы пропускания: Кремний имеет низкую полосу пропускания (1,1 эВ), которая, хотя и способствует высокой чувствительности в некоторых приложениях, нежелательна в высокоскоростных и высокочастотных устройствах. Низкая полоса пропускания ограничивает скорость переключения электронов, из-за чего кремний хуже работает на высоких частотах, чем другие материалы с более широкой полосой пропускания, такие как арсенид галлия, и поэтому ограничен в применении для высокоскоростной связи, например 5G, устройств миллиметровых волн и усилителей мощности радиочастот. Для этих приложений требуются материалы с более широкими полосами пропускания, чтобы устройства могли поддерживать более высокие частоты и более высокую скорость передачи данных.

6 Заключение

Роль кремния в электронике беспрецедентна благодаря его изобилию, дешевизне и уникальным полупроводниковым свойствам. Высокая чистота и простота изготовления позволяют ему успешно применяться в таких областях, как микроэлектроника, солнечная энергетика и МЭМС. Однако кремний сталкивается с ограничениями в высокотемпературных средах и высокочастотных приложениях, где альтернативные материалы, такие как карбид кремния и арсенид галлия, часто оказываются предпочтительнее. Постоянное совершенствование кремниевой технологии направлено на решение этих проблем, обеспечивая ее непреходящую актуальность в эволюции электроники. Кремний остается незаменимым, стимулируя инновации и поддерживая продолжающуюся трансформацию цифровых технологий и возобновляемых источников энергии.

КомпанияStanford Advanced Materials (SAM) является ключевым поставщиком высококачественных кремниевых материалов, обеспечивая эти критически важные приложения надежными материальными решениями.

Похожие статьи:

Арсенид галлия на пластине VS. Кремниевая пластина

Рост и прилипание графена к кремниевым пластинам

Влияние качества кремниевых пластин на производительность и надежность полупроводников