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半导体硅材料专家杨德仁院士的一些见解


来源:中国粉体网   三昧

[导读]  杨德仁院士,半导体材料专家。长期从事半导体硅材料研究,包括超大规模集成电路用硅单晶材料、太阳能光伏硅材料、硅基光电子材料及器件、纳米硅及纳米半导体材料。

中国粉体网讯


 

杨德仁院士


1964年4月出生,江苏扬州人。

1985年毕业于浙江大学金属材料专业。

1991年获半导体材料工学博士学位。

1997年起担任浙江大学教授。

2000年获聘教育部长江学者计划特聘教授,曾在日本、德国和瑞典访问工作。

2017年当选中国科学院院士。


半导体材料专家。长期从事半导体硅材料研究,包括超大规模集成电路用硅单晶材料、太阳能光伏硅材料、硅基光电子材料及器件、纳米硅及纳米半导体材料。提出了掺氮控制极大规模集成电路用直拉硅单晶微缺陷的思路,系统解决了氮关缺陷的基础科学问题;提出了微量掺锗控制晶格畸变的思路,发明了微量掺锗硅晶体生长系列技术,系统解决了相关硅晶体的基础科学问题;研究了纳米硅等的制备、结构和性能,成功制备出纳米硅管等新型纳米半导体材料。


杨德仁院士:单晶与多晶产品将共存,谁也不会简单消灭谁!


 

杨德仁院士于第十届中国(无锡)国际新能源大会暨展览会


太阳能光伏发电是今后新能源里面最重要的一个能源形势。在快速发展当中太阳能电池作为一个基础,组件的基础,电站的基础无疑是最吸引人和吸引目光的。在这些太阳能电池材料当中大致可以为:晶体硅,非晶硅,化合物半导体(包括砷化镓),以及今后将要发展的新概念太阳能电池。其中,最主流的最重要的是晶体硅,它在市场的份额超过了90%以上。可以毫不犹豫的说,硅材料决定了太阳能光伏的发展前景。那么,究竟是多晶好,还是单晶好?


高效率低成本是太阳能电池一个长期追求的一个目标。所以对这两种材料来讲也是围绕着这两种目标进行的,相对来说多晶硅是低成本,因此它的技术研究上面希望是高效率,所以在控制津贴减少错等提高质量上面现在是我们技术发展的路径。而对单晶硅而言它的质量比较高,因此它关注的问题是怎么样改善技术,降低成本。两个各有优点。随着今后的发展单晶硅的份额将会增加的更多,而多晶硅的份额会一定量的减少。但是在市场上两个产品将会在一定程度里面共存,谁也不会简单消灭谁。


除此之外,铸造单晶,也称为类单晶或者称为准单晶,是太阳能硅材料发展重要方向。铸单晶硅由于氧含量比较低,因此它的硼氧复合体的量是明显的,它的光衰减仅仅有单晶硅的20%-30%。它具有优势,但是也面临位错密度、单晶率、材料利用率和籽晶成本的问题挑战,其中位错是关键的因素。而我们提出的机械工程,可以有效的降低位错,能力晶界。期待这样的技术能在工业界重新开始大规模的应用。


杨德仁院士:直拉硅晶体技术主要挑战是低氧浓度和低能耗


 

杨德仁院士于2018光伏领袖峰会˙黄山光伏大会二十年纪念论坛


通过先进技术应用,使得我们直拉硅晶体成本,能耗大幅度降低。今后还有挑战,挑战主要的是两个:一个是低的氧浓度,第二个是低能耗。


除了参鍺、CCZ技术,一个新的技术就是长方技术,可以通过用直拉方法长出方晶体,通过切割可以减少了切边的损失,提高材料的利用率。除这个技术之外还有一个技术就是电注入抗LID技术,就是把电池做好以后,通过电注入抑制了光衰减。除此之外,金胜机电将硅晶体切成六角形的,通过电池制备,通过组件拼装,做成六角形电池组件。通过这样可以使得材料利用率提高19%以上,可以使得单硅片成品利用率增加19%。


再者,大家普遍关注的准单晶,大概有4大问题:一个就是籽晶成本问题,第二个单晶率问题,第二个高密度位问题,第四个材料利用率问题。


杨德仁院士:直拉硅单晶的杂质工程——微量掺锗的效应


直拉硅单晶是集成电路的基础材料,因而在过去几十年来被广泛而深入研究。直拉硅单晶的缺陷以及机械强度对集成电路制造的成品率有显著的影响。传统上,人们认为直拉硅单晶中除了掺杂所需的电活性杂质以及不可避免的氧杂质以外,其他杂质越少越好。在此情形下,直拉硅单晶的缺陷控制和机械强度的改善几乎只能依赖于晶体生长工艺的优化。为了打破这种限制,杨德仁院士提出在直拉硅单晶中掺入特定的非电活性杂质,既可以通过这些杂质原子与点缺陷的相互作用来调控维度更高的缺陷的行为,又可以发挥增强机械强度的作用,这就是直拉硅单晶的杂质工程。


研究表明,由于锗原子与硅单晶中的点缺陷(空位)以及间隙氧原子之间存在相互作用,使得合适的微量掺锗可以调控直拉硅单晶的缺陷行为,即促进直拉硅单晶在晶体生长过程以及集成电路制造过程中的氧沉淀和抑制大尺寸空洞缺陷的形成。这些缺陷调控方面的有益作用使得掺锗直拉硅片比普通直拉硅片具有更强的内吸杂能力以及更易于消除空洞缺陷的有害作用,从而有利于提高集成电路的成品率。合适的微量掺锗还可以显著改善直拉硅片的机械强度,既能减小硅片在室温加工和高温工艺中的翘曲,又能抑制位错的滑移,这对改善硅片在集成电路制造中的服役表现具有积极的意义。事实上,杨德仁院士的研究还揭示了掺锗的其他有益作用,比如:抑制直拉硅单晶中与氧相关的热施主和新施主的形成、改善外延硅片的性能,以及抑制硅单晶太阳电池效率的光衰减等。总之,微量掺锗直拉硅单晶是直拉硅单晶的“杂质工程”的又一个范本,启发人们可以利用特定的杂质来改善直拉硅单晶的性能。


杨德仁院士:中国大硅片发展现状


 

杨德仁院士于2018中国集成电路产业发展研讨会(无锡)


随着国内晶圆厂的兴建,终端带动需求的增加,价格的飞涨,吸引了整个产业界对硅晶圆产业的关注。但和集成电路的其他领域一样,中国在硅晶圆产业方面的不完善,在某种程度上看来,会成为中国集成电路发展的瓶颈。有见及此,最近两年,国内掀起了一股硅片建设潮。


中国大硅片发展现状摘要:


1)2017年全球需求:1160万片,国内110万片。2020年国内对12寸大硅片需求从42万片增加到105万片;2020年对8寸硅片需求从70万片增加到96.5万片。


2)硅片全球市场规模87亿美元,占比31-33%,是份额最大的材料。预计到2020年,全球硅片市场规模110亿美元。


3)国内规划中的12寸大硅片合计:145万片,覆盖国内需求。包括:新昇30万片,金瑞泓10万片,中环领先15万片,京东方30万片,宁夏银和10万片,郑州合晶20万片,超硅30万片。


4)国内规划中的8寸大硅片合计:168万片,总投资规模超过500亿元,覆盖国内需求。包括:金瑞泓40万片(2019年),宁夏银和25万片(2020年),郑州合晶20万片(2019年),中环领先60-70万片(2019年),安徽易芯8万片(2018年)。


用20年普及太阳能,建世界最好的硅材料实验室;坚信“一辈子做好一件事就很了不起”;先后负责过国家973、863、国家自然科学基金重点、科技部、教育部和浙江省的重大、重点科技项目等科技项目,领导课题组研制的特殊硅晶体,应用在了神舟、嫦娥、天宫系列的航天器和国家其他重大工程上。杨德仁院士身上散发出的是科学家的求实、低调和钻研精神。


信息来源:浙江大学、能源新闻网、北极星太阳能光伏网、中国科学信息科学、半导体行业观察、战略前沿技术


(中国粉体网编辑整理/三昧)

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