针对硅基材料在1319 nm激光辐照下产生带外响应的问题，研究了硅材料中的本征点缺陷对响应特性的影响。根据第一性原理建立了晶胞模型，比较了几种典型点缺陷状态下硅材料的能级分布特性，在此基础上分析了本征点缺陷对硅材料光电响应特性的影响。结果表明：空位和自间隙原子两类缺陷都能够改变硅材料的能带结构和响应特性。532 nm激光辐照时，硅基光敏单元的输出饱和阈值明显降低。当辐照波长为1319 nm时，硅材料产生明显的带外响应，其中贡献最大的是四面体间隙缺陷。此时材料带隙消失，吸收系数高达50391 cm-1，折射率减小约25.99%，因此硅材料在1319 nm处的量子效率值最大，导致光电响应最为强烈，输出饱和阈值最小，为0.0015 W·cm-2。
材料 单晶硅 光电响应 本征点缺陷 第一性原理 光学学报
2023, 43(21): 2116002
1 重庆理工大学理学院, 重庆 400054
2 中国科学院重庆绿色智能技术研究院, 重庆 400714
3 中国科学院大学重庆学院, 重庆 400714
4 重庆邮电大学光电工程学院, 重庆 400065
化学气相沉积(CVD)是大尺度二维材料生长的有效方法, 但CVD过程不可避免地会产生高密度的空位缺陷, 影响材料的光电性能。本文利用碱金属卤盐辅助CVD法直接在p型Si(111)衬底上生长了毫米尺度和原子层厚的WS2。通过在钨源中掺入饱和ErCl3粉末, 得到Er掺杂WS2薄膜(WS2(Er))。结合光学显微镜、扫描电子显微镜、原子力显微镜、X射线光电子能谱、能量色散X射线光谱、光致发光和拉曼光谱等技术对材料进行表征, 结果表明, 相比纯WS2, WS2(Er)薄膜的荧光强度获得数量级增长, 且中心波长大幅红移。荧光测试表明, 相比SiO2衬底上的WS2, 在Si衬底上生长的WS2的荧光特性出现了明显的电荷转移效应。基于SiO2衬底上的WS2和WS2(Er)场效应晶体管器件的光电测试结果表明, WS2(Er)场效应晶体管的光响应度为4.015 A/W, 外量子效率为784%, 均是同等条件下纯WS2器件的2 000倍以上。本工作对稀土掺杂二维材料的研究具有一定的参考意义。
化学气相沉积 二硫化钨 铒掺杂 单晶硅 荧光特性 光电特性 CVD WS2 Er doping single-crystal silicon fluorescent property photoelectric property
1 浙江大学物理学院, 杭州 310027
2 浙江大学杭州国际科创中心, 先进半导体研究院和浙江省宽禁带功率半导体材料与器件重点实验室, 杭州 311200
3 浙江大学材料科学与工程学院, 硅材料国家重点实验室, 杭州 310027
4 浙江机电职业技术学院增材制造学院, 杭州 310053
作为制备半导体晶圆的重要工序, 线锯切片对半导体晶圆的质量具有至关重要的影响。本文以发展最成熟的硅材料为例, 介绍了线锯切片技术的基本理论, 特别介绍了线锯切片技术的力学模型和材料去除机理, 并讨论了线锯制造技术及切片工艺对材料的影响。在此基础上, 综述了线锯切片技术在碳化硅晶圆加工中的应用和技术进展, 并分析了线锯切片技术对碳化硅晶体表面质量和损伤层的影响。最后, 本文指出了线锯切片技术在碳化硅晶圆加工领域面临的挑战与未来的发展方向。
线锯切片 硬脆材料 单晶碳化硅 晶圆加工 砂浆线切割 金刚线切割 wire saw slicing brittle-and-hard material single crystal silicon carbide wafer processing slurry sawing diamond wire sawing
1 郑州大学机械与动力工程学院，郑州 450001
2 郑州大学物理(微电子)学院，郑州 450001
3 麦斯克电子材料股份有限公司，洛阳 471000
针对目测法无法及时发现直拉单晶硅在等径生长阶段发生的掉苞问题，本文提出一种基于ISOMAP-DE-SVM的掉苞预测模型，可以在掉苞现象发生之前发出警告。首先剔除方差较小的参数，采用斯皮尔曼相关系数法剔除冗余参数，采用最大互信息法检验剩余参数的非线性相关性；然后将关键参数的均值和标准差作为等度量映射和多维放缩的输入，得到两份样本数据；最后将这两份样本数据分别输入到经过差分算法、遗传算法优化的支持向量机预测模型,得到4份预测结果。预测结果表明：基于ISOMAP-DE-SVM的预测模型具有收敛速度快、准确度高的特点，平均预测准确率可以达到96%；同时，所使用的方法揭示了单晶硅等径阶段的数据具有非线性特点。通过实际应用验证表明模型具有一定的工程实用价值。
直拉法 单晶硅 等径生长 支持向量机 等度量映射 掉苞 预测 Czochralski method single crystal silicon equal-diameter growth support vector machine isometric mapping broken edge prediction
1 昆明理工大学冶金与能源工程学院，昆明 650093
2 云南省硅工业工程研究中心，昆明 650093
随着我国光伏行业的快速发展，直拉（CZ）法制备的单晶硅朝着大尺寸、高品质、低成本的方向发展，然而随着单晶硅尺寸越来越大，其内部氧杂质含量偏高的问题也越来越突出。本文在介绍CZ法制备单晶硅过程中氧杂质传输机理的基础上，归纳总结了单晶硅生产过程的控氧技术现状，分析了热场结构优化、工艺优化、掺杂元素、氩气流场优化以及新型CZ技术对单晶硅氧杂质含量的影响规律，并对控氧技术的发展方向提出了展望。
直拉法 单晶硅 控氧技术 热场结构 工艺参数 连续直拉法 Czochralski method single-crystal silicon oxygen control technology thermal field structure process parameter continuous Czochralski method
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
单晶硅是一种重要的半导体材料。通常,铸锭切片后的单晶硅表面易产生较深的沟槽、凹坑和裂纹等缺陷。针对这一问题,提出了一种双步激光辐射的方法,其在修复表面缺陷的同时,可以降低表面粗糙度。首先,通过有限元法模拟对不同激光参数下可修复的缺陷深度进行预测。然后,在0.50 J/cm 2的较高能量密度下,利用较深的表面层熔化修复各种深度的表面缺陷。然而,由于高能量密度下引发的热毛细管流易造成高频特征残留在表面上,故会导致表面粗糙度增加。接着,使用一个0.20 J/cm 2的低能量密度再次辐射同一表面,可有效消除残留的高频特征。最终,原始表面粗糙度为1.057 μm的表面经过双步激光辐射后可获得一个表面粗糙度为26 nm的无缺陷光滑表面。
激光光学 单晶硅表面缺陷 纳秒激光辐射 有限元模拟 毛细管流动 表面张力
1 河北金融学院信息工程与计算机学院，保定 071051
2 河北大学物理科学与技术学院，保定 071002
晶体硅表面钝化是高效率晶体硅太阳能电池的核心技术，直接影响晶体硅器件的性能。本文采用第一性原理方法研究了一种超强酸-双三氟甲基磺酰亚胺(TFSI)钝化晶体硅(001)表面。研究发现，TFSI的四氧原子结构能够与Si(001)表面Si原子有效成键，吸附能达到-5.124 eV。电子局域函数研究表明，TFSI的O原子与晶体硅表面的Si的成键类型为金属键。由态密度和电荷差分密度分析可知，Si表面原子的电子向TFSI转移，从而有效降低了Si表面的电子复合中心，有利于提高晶体硅的少子寿命。Bader电荷显示，伴随着TFSI钝化晶体硅表面的Si原子，表面Si原子电荷电量减少，而TFSI中的O原子和S原子电荷电量相应增加，进一步证明了TFSI钝化Si表面后的电子转移。该工作为第一性原理方法预测有机强酸钝化晶体硅表面的钝化效果提供了数据支撑。
单晶硅 表面缺陷 钝化 有机强酸 第一性原理 态密度 single crystal silicon surface defect passivation TFSI TFSI organic acid first principle density of state
1 山东建筑大学机电工程学院, 济南 250101
2 山东大学机械工程学院, 济南 250061
单晶硅晶圆衬底的直径增大、厚度减薄和集成电路(IC)制程减小是集成电路领域主流发展趋势。随着集成电路制程减小至5 nm, 对单晶硅晶圆衬底质量的要求越来越高。切片加工是晶圆衬底制造的第一道机械加工工序, 金刚石线锯切片是大尺寸单晶硅切片加工的主要技术手段。本文介绍了金刚石线锯切片加工的发展趋势和面临的挑战, 阐述了以单晶硅刻划加工研究为基础的金刚石线锯切片加工材料去除机制和电镀金刚石线锯三维形貌建模技术, 总结了单晶硅切片加工的晶片表面创成机制和裂纹损伤产生机制, 展望了单晶硅低裂纹损伤切片加工的工艺措施, 指出了单晶硅切片加工技术的发展趋势, 对集成电路制造技术的发展具有一定的指导意义。
单晶硅 切片加工技术 微裂纹损伤 金刚石线锯 机械刻划 single crystal silicon slicing technology micro crack damage diamond wire saw mechanical scratching
单晶硅晶格间距是许多重要物理常数测量的基础。本文介绍了硅晶格间距测量技术的发展历程，包括X射线干涉仪直接测量和晶格比较仪间接测量两种方法，以及影响测量结果不确定度的关键因素。得益于晶格间距测量的进展，在纳米尺度，硅晶格间距被国际计量局(BIPM)批准成为新的米定义复现形式。最后介绍了硅晶格在计量学中的应用，以及基于硅晶格实现纳米几何量测量的溯源体系的研究趋势。
单晶硅 晶格间距 X射线干涉仪 晶格比较仪 纳米计量 single crystal silicon lattice spacing X-ray interferometer lattice comparator nano metrology
