【文章內容簡介】 國家獎和省部獎清單：序號項目名稱獎勵等級獲獎者獲獎年份完成單位1納米硅復合薄膜的快速沉積及節(jié)能鍍膜玻璃產業(yè)化關鍵技術國家科學技術進步獎，二等韓高榮等2008第一2低溫共燒片式多層微波陶瓷微型頻率器件產業(yè)化關鍵技術國家科學技術進步獎，二等楊 輝等2009第一3半導體準一維納米結構浙江省科學技術獎，一等楊德仁等2008第一4高容量鋰離子電池負極材料的基礎研究浙江省科學技術獎，一等趙新兵等2008第一5多相復合強化鋰鋁硅微晶玻璃及低成本生產技術浙江省科學技術獎，一等楊 輝等2008第一6高抗蝕性高穩(wěn)定性釹鐵硼關鍵制備技術的研究、開發(fā)和應用浙江省科學技術獎，一等嚴 密等2009第一7無序合金材料的制備和結構研究教育部自然科學獎，一等蔣建中等2010第一8重摻磷直拉硅單晶的制備技術及應用浙江省科學技術獎，一等楊德仁等2011第一9氧化鋅基材料的能帶結構與光電性能的調控機理及應用浙江省科學技術獎，一等葉志鎮(zhèn)等2012第一10鐵基高溫超導體化學摻雜與物性教育部自然科學獎，一等許祝安等2012第一代表性研究成果簡介（不超過5項）（每項成果分開單獨填寫）代表性成果1代表性研究成果名稱基礎類或應用基礎類或基礎性類成果為第一完成單位本室固定人員參加名單是否保密直拉硅單晶中雜質與缺陷的調控應用基礎 是楊德仁、馬向陽、余學功、闕端麟等否別 硅材料是最重要的信息材料，建立在硅單晶基礎上的微電子工業(yè)是全球第一大產業(yè)信息產業(yè)的核心。近年來，蓬勃發(fā)展的綠色能源太陽電池產量的90%也是基于硅晶體材料。進入新世紀以來，我國逐漸成為國際上重要的微電子制造基地，更是全球第一大硅太陽電池的制造國。因此，硅材料的研究對于我國微電子和光伏產業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。硅材料國家重點實驗室秉承半個多世紀的硅材料研究歷史，近五年來針對微電子用和太陽電池用硅材料面臨的新挑戰(zhàn)，在直拉硅單晶的雜質與缺陷調控的研究方面取得了新的進展和創(chuàng)新性成果。積極開展產學研結合，將有關成果應用于實際生產，取得了顯著的經濟和社會效益，滿足了國家的重大需求，在促進我國硅材料產業(yè)乃至微電子和光伏產業(yè)的發(fā)展中發(fā)揮了積極的作用。一． 研究面臨的挑戰(zhàn)直拉硅單晶研究的核心問題是雜質與缺陷的調控，這是近五十年來硅材料研究一直不變的主旋律。然而，隨著微電子和光伏技術的不斷發(fā)展，直拉硅單晶中雜質與缺陷的調控不斷面臨著新問題，而且問題的復雜性日益加劇。只有很好地應對并解決這些問題，直拉硅單晶才能更好地滿足微電子與光伏產業(yè)發(fā)展的需求。集成電路的發(fā)展在過去四十余年間一直遵循摩爾定律，特征尺寸不斷減小，目前已進入22nm工藝節(jié)點。伴隨著這一發(fā)展特征，集成電路中器件的結深越來越淺，其制造工藝的熱預算越來越低。相應地，用于制造集成電路的直拉硅片的直徑增大為200300mm，而初始氧含量有所降低。在這種情況下，空洞型缺陷成為幾乎不可避免的原生缺陷，它會嚴重降低MOS器件的柵極氧化物完整性；同時，氧沉淀的熱力學和動力學條件有所削落，因而會對硅片的內吸雜能力產生不利影響。從對硅片晶體質量的要求來說，為了提高集成電路的成品率，直拉硅片需滿足如下要求：在近表面區(qū)域無缺陷（包括氧沉淀和空洞型缺陷），使器件有源區(qū)免受缺陷的危害；而在體內形成適當密度的氧沉淀及其誘生缺陷，以使硅片具備內吸雜功能，從而避免金屬雜質沾污器件有源區(qū)。近十余年來，隨著人們生活水平的提高以及社會的高度信息化，掌上和移動消費電子設備日益普及。功率MOSFET是上述電子設備中廣泛應用的器件，一般采用N/N+硅外延片制造。為了延長待機時間，需要盡可能降低半導體器件的功耗。因此，需要盡可能地降低作為外延片襯底的N+硅單晶的電阻率。通常，采用重摻砷直拉硅單晶作為N/N+硅外延片的襯底。使重摻砷硅單晶的電阻率進一步降低的難度非常大，需尋求其它途徑制備電阻率更低的重摻N型硅單晶。直拉硅單晶是太陽電池的重要基礎材料。目前，廣泛使用的是摻硼(B)的P型硅單晶。在1970年代，人們就發(fā)現以摻B的P型硅單晶制造的太陽電池在長期服役的過程中，其光電轉換效率會有12%相對下降。1990年代以后，人們逐漸認清在光照下B和O的相互作用會形成某種BO復合體，降低了少數載流子壽命，從而導致太陽電池轉換效率的光致衰減。為了避免這個問題，人們提出使用摻鎵（Ga）的P型硅單晶。但是，Ga的分凝系數很小，導致摻Ga硅單晶在成本上處于劣勢地位。另一方面，使用N型直拉硅單晶雖然也可以避免太陽電池轉換效率的光致衰減，但在太陽電池的制造工藝及其成本上仍然存在問題。因此，摻B直拉硅單晶仍然是太陽電池的理想材料。然而，如何抑制BO復合體的形成是一個尚待解決的問題。二．研究的指導思想及主要研究內容直拉硅單晶中缺陷的形成在多數情況下與氧雜質和點缺陷（自間隙硅原子和空位）有關。調控缺陷一般是從晶體生長的角度出發(fā)，通過調整特征參數（V/G, V為晶體生長速度，G為固液界面附近溫度梯度）和氧濃度，達到控制缺陷形成的目的。這種手段在晶體生長時是必須采用的，但是會受到調整范圍有限且成本較高的限制。傳統上，人們認為直拉單晶硅在除了控制電阻率所需的雜質以及不可避免的氧雜質以外，要盡可能地避免其它雜質。近年來，我們在長達20余年研究摻氮直拉硅單晶的基礎上，提出所謂“雜質工程”的概念，即：在直拉硅單晶中摻入不具有電活性的雜質，通過雜質原子與空位和氧的相互作用，進而影響空洞型缺陷、氧沉淀和其它缺陷的形成。最近幾年，我們系統研究了鍺雜質對直拉硅單晶缺陷的調控作用，并將相關研究成果成功地應用在微電子和光伏領域的硅單晶生產中。我們還利用雜質工程改善作為硅外延片襯底的內吸雜能力，消除襯底表面的空洞型缺陷及氧沉淀，為制備高質量外延片提供了技術支持。 針對低功耗半導體器件的需求，我們在控制直拉硅單晶電阻率的重摻磷技術及相應的重摻磷直拉硅單晶生長技術方面進行了系統的研究，并在國際上首先系統地研究了重摻磷對缺陷形成的影響。研究成果成功地轉化為生產力，在產學研一體的研究道路上開辟了一個新的方向。三．研究的代表性工作1. 鍺雜質對直拉硅單晶缺陷的調控及其應用鍺與硅同為四族元素，鍺作為雜質引入到硅晶體中不具有電活性，且它在硅中可以固溶。因此，摻鍺直拉硅單晶的生長不存在困難，且無需考慮鍺對硅單晶電學性能的不利影響。我們研究在直拉硅單晶中摻入不超過1%原子比（通常在10171020cm3）的鍺雜質時缺陷的形成的影響及其物理機制。 （1） 我們的研究表明：摻鍺可以抑制直拉硅單晶中空洞型缺陷的形成，摻鍺濃度越高，抑制效果越顯著。通過模擬集成電路熱處理工藝，證實摻鍺直拉硅片中的氧沉淀及其誘生缺陷的密度要高于普通直拉硅片，但前者的潔凈區(qū)寬度要窄一些。這個結果提示摻鍺直拉硅片由于氧沉淀被增強而具有更強的內吸雜能力。基于第一性原理的理論計算表明：鍺雜質與空位形成的GeV復合體以及在此基礎上形成的GeVO復合體可以穩(wěn)定地存在于硅晶體中。定性的分析指出，由于Ge的原子半徑比硅的大，為了釋放由此導致的晶格應力，空位傾向于接近Ge原子的第一近鄰位。因此，GeV以及隨后的GeVO復合體的形成是可能的。根據以上實驗和理論研究結果，我們認為：在空洞型缺陷形成之前，GeV復合體的形成減少了硅單晶中的空位濃度，從而抑制了隨后的空洞型缺陷的形成；此外，隨后形成的GeVO復合體為氧沉淀異質形核提供了前驅體，因而增強了氧沉淀。（2）硅外延片有兩類重要的品種，即：p/p+和n/n+。對于p/p+外延片來說，若p+硅襯底中硼的摻雜量很高（即電阻率很低，如：）, 則p/p+外延片中的外延層會出現位錯滑移線；同樣地，+外延片也存在類似的問題。如何避免上述兩種外延片中的位錯滑移線是工業(yè)界多年來面臨的一個問題。國際上，美國UCLA大學和德國WACKER公司的研究人員聯合提出通過改善外延片襯底的邊緣拋光來抑制外延層的位錯滑移線。然而，這一方案僅取得有限的成功，未能完全消除位錯滑移線。我們則從硅單晶的雜質工程出發(fā)來解決上述問題。首先，我們認識到p/p+和n/n+外延片產生位錯滑移線的根本原因在于襯底硅單晶由于重摻硼或磷導致晶格常數變小，從而與輕摻的硅外延層的晶格常數失配，由此導致外延層出現位錯滑移線。我們利用鍺具有原子半徑比硅大且在硅晶體中不具有電活性的特點，通過理論計算和實驗，證明在重摻硼或磷硅單晶中摻入適當濃度的鍺雜質可以補償重摻硼或磷導致的晶格常數變小。利用合適濃度共摻鍺的重摻硼和重摻磷硅單晶襯底制備的p/p+和n/n+外延片不再出現位錯滑移線，從根本上解決了工業(yè)界多年面臨的難題。這是利用雜質工程消除缺陷的成功技術案例，已經在浙江金瑞泓科技股份有限公司轉化為生產力。（3）摻硼直拉硅太陽電池在實際服役過程中，由于光照導致硅片中形成BO復合體，使少子壽命減低從而使光電轉換效率減小。BO復合體的飽和濃度與硅中的B濃度和O2i（氧對） 濃度成正比，而O2i 是由間隙氧（Oi ）原子通過擴散聚集形成。我們首先在理論上認識到在硅晶體中引入原子半徑較大的鍺原子，可以在硅晶格中引入壓應力，由此提高Oi 擴散的勢壘，從而抑制BO復合體的形成。隨后的實驗研究表明：當鍺濃度大于1019cm3 時，BO復合體的形成受到抑制，這種抑制作用隨著鍺濃度的增加而增強。進一步的動力學研究表明：摻鍺使BO復合體的形成能增加，這是由于Oi 擴散的勢壘增加所致。我們的研究表明摻鍺不會影響太陽電池的初始轉換效率及量子效率。然而，由于如上所述的摻鍺可以抑制BO復合體的形成，太陽電池的光電轉換效率的光衰減得到了顯著的抑制。與普通電池片相比，摻鍺電池片在光衰減損失上可以減少15%17%，其穩(wěn)定轉換效率得到了提高。上述工作被Renewable Energy網站作為重點進展報道，并作出如下評價：“摻鍺光伏硅的優(yōu)點對制備高效太陽電池是重要的。在這種材料的確被應用在工業(yè)界后，它能打開光伏新的一頁?！?事實上，摻鍺直拉硅單晶的專利技術已經許可國際上最大的光伏硅單晶生產商西安隆基硅材料股份有限公司使用，已產生顯著經濟效益。2. 重摻磷直拉硅單晶的制備技術及其應用半導體器件的功耗與硅單晶的電阻率密切相關，為了最大限度地降低器件的功耗，必須盡可能地降低硅單晶的電阻率，即實現硅單晶的重摻。對于N型硅單晶而言，摻雜劑有磷（P）、砷（As）和銻（Sb）三種。受摻雜劑在硅中的固溶度以及在硅晶體生長中雜質的分凝系數的雙重限制作用，從理論上來說，磷在硅單晶中的高度重摻可以使硅單晶的電阻率達到最低限度。但是，要生長出電阻率極低（）的重摻磷硅單晶面臨著如下困難：（1）磷極易揮發(fā)，難以實現硅單晶的重摻磷；（2）在重摻磷時，硅熔體容易產生組分過冷，使固液界面出現胞狀結構而長成多晶。同時，磷揮發(fā)物會落在固液界面，難以實現無位錯單晶生長；（3）常規(guī)的硅單晶缺陷快速顯示技術對重摻磷直拉硅單晶無效，導致工藝難以優(yōu)化和晶體質量難以提高。因此，電阻率極低的重摻磷直拉硅單晶（特別是大直徑，如：150和200mm）的生長是國際硅材料界面臨的技術難題。國際上僅有少數幾家硅材料大企業(yè)能提供產品，但其相關的技術嚴格保密。針對上述難點，硅材料國家重點實驗室與浙江金瑞泓科技股份有限公司緊密合作，取得了如下關鍵技術的突破：（1）發(fā)明了氣相鼓泡摻雜技術及相應的裝置。其原理是：利用高純紅磷易升華的特性，首先將其氣化，形成磷蒸氣；然后，將具有一定氣壓的磷蒸氣直接導入硅熔體中，產生鼓泡效應。這一方面使得磷蒸氣充分溶入硅熔體，僅有少量的磷會從表面揮發(fā)，從而實現高效摻磷；另一方面使得磷均勻地分布在硅熔體中，從而提高硅單晶電阻率分布的均勻性。（2）發(fā)明了固液界面可控的熱場技術和裝置。其基本思路是：通過設計新型的熱場結構，提高固液界面附近硅熔體的縱向溫度梯度，以克服重摻磷帶來的組分過冷，由此保證固液界面不出現胞狀結構。同時，新型的熱場結構還需要使保護氣氛在硅熔體表面上方形成高速氣流，以有效驅趕磷的揮發(fā)物和其它揮發(fā)物（SiO），克服它們對晶體生長固液界面的干擾，從而實現無位錯單晶生長。（3）在系統研究硅單晶缺陷腐蝕動力學的基礎上，發(fā)明了重摻磷直拉硅單晶缺陷的快速顯示技術和腐蝕液。其基本思路是：針對重摻磷硅單晶載流子濃度高而導致表面氧化速率過快的問題，選取低濃度HNO3做為氧化劑，以降低硅表面氧化速度，也避免了常規(guī)腐蝕劑含有的Cr離子帶來的環(huán)保問題；選取HF做為腐蝕劑，另外選取H2O作為緩沖劑。在低HNO3濃度區(qū)域，通過調節(jié)HF濃度，降低腐蝕液對完整晶格處的腐蝕速率，使其顯著低于缺陷處的腐蝕速率，從而有效地擇優(yōu)腐蝕和顯示重摻磷硅單晶的缺陷。此外，還開發(fā)了重摻磷直拉硅單晶的晶體生長和硅片加工的關鍵工藝，克服了由重摻磷引起的工藝問題，成功地開發(fā)出直徑達150和200 mm、cm的重摻磷直拉硅單晶，技術指標達到/超過國際同類產品，技術水平達到國際領先【教育部鑒定】。形成了完全具有我國自主知識產權的重摻磷直拉硅單晶的成套技術體系，在我國規(guī)模生產重摻磷直拉硅單晶，不僅滿足了國內市場的需求，而且出口美國On Semi等國際一流企業(yè)。經會計師事務所專項審計：到2011年底。成果“重摻磷直拉硅單晶的制備技術及應用”獲得2011年浙江省科學技術一等獎, 2012年被評為信息產業(yè)重大技術發(fā)明。3. 200mm硅外延片的開發(fā)，200mm和300mm硅片成為微電子產業(yè)的主流基礎材料。進入21世紀以來，我國大陸新建了20條以上的超大規(guī)模集成電路生產線，成為國際上中重要的微電子產業(yè)制造國。目前，我國大陸每月需要200mm硅片大約40萬片，其中外延片占50%左右。然而，我國長期以來沒有生產出200mm硅片的正片，可供國內廠家使用，只能通過進口滿足市場需求。在此背景下，硅材料國家重點實驗室與浙江金瑞泓科技股份有限公司合作，共同研發(fā)200mm硅外延片。硅外延片的質量在很大程度上取決于襯底硅片的性能，而這當中襯底硅片需要具備兩個重要特征，即：表面無缺陷和體內具備吸雜功能。針對這些要求，硅材料