重掺杂硅单晶(heavily doped single crystal of silicon)

掺杂浓度高，其电阻率达到2×10^-2•Ω.cm的半导体硅材料，属简并半导体。其特点是：(1)杂质能级简并化，形成杂质带；(2)费米能级接近或进入导带或满带；(3)载流子统计分布服从费米一狄拉克统计；(4)在室温下杂质能级未全部电离，在极低温度下，它趋向于金属导电的特点。单晶生长采用直拉法。

生长特点   在晶体生长过程中，常常在晶体的尾部出现“溶质析出”。这个现象的实质是发生了组分过冷，平坦生长界面的稳定性遭到破坏，转变成脆状界面。它造成了严重的杂质富集。产生组分过冷的条件中是：，式中G为生长界面处实际温度分布曲线的斜率；v为拉速，cm²／s；m为Si一掺杂元素系相同的液相线的斜率；C_L(B)是熔体中掺杂剂的浓度，cm^-3；K₀为掺杂剂的平衡分凝系数；D为掺杂剂在熔体中的扩散系数；δ为溶质边界层厚度，cm。根据此式可以制订推迟“溶质析出”的拉晶工艺。

生长界面上出现(111)小平面是造成重掺杂晶体径向电阻率不均匀(即电阻率管道)的重要原因。小平面区和非小平面间的电阻率突变来源于两区的生长机制不同。(111)小平面是原子级光滑面。在它上面生长是二维成核侧向生长机制，侧向生高速率很长，掺杂原子更为有效地被捕获在生长界面上。避免(111)小平面的重要方法是实行凹界面生长。

制备特点蒸气压较大的掺杂剂砷或磷，必须在硅料熔完后直接投入硅熔体。蒸气压较小的硼或锑亦可与硅多晶料共同熔化。由于砷、磷、锑的蒸发效应都较严重，在计算掺杂量时应考虑到蒸发的因素。拉制过程中，必须保证硅熔体表面以下的石英坩埚内壁不沉淀SiO和含砷、磷、锑的挥发物。

分类实用的重掺硅单晶的掺杂剂，一般为p型掺硼，n型掺锑或砷。

(1)p⁺重掺硼硅单晶。掺杂比为1％～2％的高纯硼掺入硅熔体内，生长出的单晶的电阻率可达10^-3～10^-4 Ω•cm。硼在硅中的固溶度大(1×10²¹cm^-3。)，分凝系数K=O．8，所以拉晶工艺与一般掺杂硅单晶相似，难度不大。得到的重掺杂硅单晶，其纵向和径向电阻率都比较均匀。

(2)n⁺重掺锑硅单晶。掺杂比约为1％，生长出的单晶电阻率可达1．5×lO^-2～7×10^-3 Ω•cm。锑在硅中的固溶度较小(7×10¹⁹cm^-3”)，分凝系数K=O．023，蒸发速度较快(1．3×10^-1 cm／s)。制备重掺锑硅单晶的技术难度较大。尤其是易产生位错和因杂质管道效应(小平面效应)造成的径向电阻率均匀性较差。拉制重掺锑硅单晶的技术关键是；配置一套轴向温度梯度大而径向温度梯度小的热场。选用适宜的拉晶参数，加快晶转，降低拉速或递减拉速，籽晶晶向偏离度要小。减压氩气氛或递降压工艺，以获得从凸型一M型一凹型的过渡生长界面状态，避免了生长界面从凸型突然转变为凹型时发生的界面大面积翻转，以及随之而来的质量、动量和热量的不平衡现象，就能确保单晶生长的无位错、无管道化，能大大改善单晶的内在质量和提高9]]zhorlg重成品率。

(3)n⁺重掺砷硅单晶。掺杂比为O．6％～O．8％，生长出的单晶电阻率可达3×10^-3～7×10^-4Ω.cm。砷在615℃时升华，蒸气压较高。因此制备重掺砷硅单晶的技术难度最大。工艺条件与拉制重掺锑单晶的相似。砷在拉晶的高温条件下，性能十分活泼，易与高温下的石墨加热器发生化学反应，破坏热场预定的温度梯度，并使热场条件不稳，破坏了单晶的正常生长。因此必须使用结构非常致密的石墨加热器，既可以减缓石墨加热器的老化过程，又可使热场得以稳定。此外砷和砷的一切化合物均是剧毒物质，拉制重掺砷硅单晶必须采取严格的环境保护措施。操作人员必须戴好压风呼吸器，防止砷中毒。

应用重掺硅单晶最主要的用途是用作硅外延片的衬底材料，广泛用于超大规模集成电路及彩色电视机电路。它还可制造隧道二极管、稳压管等。