CN1280707A - 硅基导电材料及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

在室温下,其电阻率为10－3(Ω.m)或者更低并且是基于半导体硅的硅基导电材料,而且还能够进行生产并且进行处理,这在以前是不能实现的。通过在硅中添加量相对较多的各种元素,可以获得电阻率为10－6(Ω.m)或者更低的导电材料,这个电阻率对导体来说是很普通的。通过离子束注入技术和成形技术,可以以一种所需图案在一种半导体硅衬底上形成导电材料。其形状不仅可以是一种衬底状,一种棒状,或者一种线状,而且还可以是分布在一种树脂或者玻璃中的、很细的颗粒形状,它可以用于很多需要导电的应用中,包括需要一种导电片材料的应用中。

Description

硅基导电材料及其制造方法
本发明涉及一种新的硅基导电材料，其中硅包含数量相对较多的各种元素，更特别地，涉及一种新的硅基导电材料，这个新的材料允许通过使用离子束技术，将磷，硼，铝，或者类似的元素注入到一种硅衬底中，来按照一种图案使所需区域变成导电，从而使衬底，芯片，和类似的体积更小，并且增加其生产率，其中这个硅基材料能够被加工成一种片状的，或者棒状的，并且用于连接接头，焊接点等等，或者例如被加工成很细的形状并且分布在一种树脂或者玻璃中，来产生一种片状的导电材料，从而能够适合于任何需要导电性能的应用。
导电材料需要很多特性。例如，在导电线应用中，例如半导体器件或者各种类型的电子和电气器件的连线，其电阻必须很低，其抗腐蚀的性能和机械性能必须很好，并且其连接必须很简单。铜和铝，以及合金材料，例如铜合金和铝合金材料，经常被作为这个目的而使用。
根据封装材料的不同，很多种合金材料可以被采用来作为导电片和导电条的引线基体材料，它们被表示成半导体引线基体材料。在这些材料中，已经被使用的有Fe-Ni,Cu-Fe,Cu-Sn，和Cu-Zr系的材料。
各种合金材料，例如那些基于铜，碳，银，金，或者一种铂系金属材料的材料，可以被用作焊接点的材料，作为焊接点的材料，需要有导电性并且具有抗电弧和抗磨损性能。
导电塑料是通过将导电性给予一种塑料(这是一种绝缘体)来生产的，并且被用来防静电，已经被用来制造导电塑料的方法包括将碳黑，碳纤维，或者一种金属粉末或者纤维混合到一种树脂中。
因为通过将电阻，电容，二极管和晶体管放置在一种芯片上而实现的高封装密度，今天的各种电子和电气器件越来越紧凑，其重量也变轻，但是芯片-套-芯片(chip-in-chip)技术的进步使能够获得更高的封装密度，同时所谓的印制线密度也增加(例如，所使用的铜箔可能比20微米还窄)，并且线的焊接也在变得越来越好。
为了进一步改进芯片-套-芯片技术，已经建议使用多层薄膜电路。已经形成了其宽度不大于3微米、其厚度不大于0.1微米的一种导电薄膜，通过在层之间绝缘薄膜中的通孔，也可以实现3维走线。铝薄膜被用作这些导电薄膜，并且在CPU的应用中越来越多地采用铜薄膜。
金属和合金被用作导电线，例如半导体器件或者各种类型的电子和电气器件的连线，另外，它们也被用作多层薄膜电路，这些材料已经被用作片状，条状和线状，以允许连接到一种支撑衬底或者半导体芯片上，但是，这已经对增加精密程度和密度来获得尺寸更小、重量更轻的产品形成了障碍。
使用一种普通的硅衬底材料或者其它半导体器件衬底材料时，就需要使用导电线或者类似的来获得所需的导电性能，但是发明者得到一种结论，如果能够在这个芯片上不使用导电线或者类似的，就可以确保所需要的导电性能的话，然后，器件就可以被做得更小和更薄，并且可以减少其部件的数目，并且各种器件能够被紧凑地封装在一单个衬底上。
一种半导体材料的电阻率ρ一般是10-2到109(Ω.m)。硅是一种具有金刚石结构的一种半导体，其电阻率ρ是2.3×105(Ω.m)，但是它可以通过在其中掺杂硼或者磷而变成一种p-型或者n-型半导体。硅也可以在很大的温度范围内使用，并且作为一种半导体材料，它能够允许对电流进行控制，所以硅在今天的很多器件中被使用。通过在硅衬底中掺杂仅一很小数量的杂质(大略万分之一)就可以控制其pn特性，并且众所周知，掺杂数量较大时不能够控制pn特性。
同时，众所周知，当在硅中引入数量很大的杂质时，硅就变成金属化了。T.F.Rosembaum和R.F.Milligan发表的一篇题为“一种无序金属的低温磁致电阻”的论文(1981年12月14日，Physical ReviewLetters的第1758-1761页)报告了在温度为100mK下时，金属Si-P的磁致电阻。它报告，在3mK温度下的掺杂临界密度是nc=3.74×1018cm-3，并且其电阻率ρ是2×10-2(Ω.m)。
另外，为了降低制造一种MOSFET过程中，一种部件内的电阻，已经开发出硅化物技术，在这个硅化物技术中，一种硅化物层被形成在栅极上和源极与漏电极的扩散层表面上，被研究的材料包括TiSi2,NiSi，和CoSi2。
上面所提到的硅半导体，金属化Si-P，或者硅化物中没有一种材料的电阻率ρ比半导体的电阻率要更好(10-2(Ω.m))，并且不能够被用于来“载带电流”。
但是，如上所述，如果多晶Si-TFT能够被形成在一单个玻璃衬底上和各种器件例如微处理器能够形成在周围的衬底上，就可以进行系统集成，但是也认为，如果能够使用在玻璃衬底上形成一种薄膜的特殊材料，特别是使用一种硅基材料，而不是一种金属，就可以确保导电性能的话，封装会更容易。
本发明的一种目的是提供一种基本上是基于半导体硅的硅基导电材料，这个材料的制造很容易，其处理也很容易，在正常温度下其电阻率为10-3(Ω.m)或者更低(这是现在所不能达到的)，并且进一步获得半导体中所常见的电阻率(10-6(Ω.m)或者更低)，并且能够在一种半导体硅的衬底上形成所需的图案，或者能够被做成一种衬底，棒，或者线，或者能够被做成很细并且分布在一种树脂或者玻璃中来产生一种导电片状材料，由此能够适合于需要导电性能的任何应用。
本发明人进行了很多研究，希望能够找到基本上是基于半导体硅的材料，并且在正常温度下其电阻率为10-3(Ω.m)或者更低，或者甚至达到10-6(Ω.m)或者更低，这是过去所不可能做到的。在这个研究的过程中，他们将注意力转到传统的观点上：如果各种杂质单独被添加到硅中，其能量态密度减少，并且随着被添加数量的增加，其Seebeck系数将稳定地下降，即这样一种观点：能量态密度的下降和Seebeck系统的下降是带隙中杂质电平的带宽随载流子浓度增加而增加的结果(A.F.Joffe:1957年，伦敦，半导体热元件和热电冷却(Semiconductor Thermoelements and Thermoelectric Cooling,Infosearch))。
从这个观点来说，发明者获得一种结论：如果载流子的浓度处于一种特定大小的浓度值，在均是载流子的电子或者空穴之间的工作上会有一种电子相关的作用或者空穴相关的作用，相反地，通过载流子在半导体中进行分离，载流子的能量态密度将变高，即出现Anderson分离(P.W.Anderson,1958年出版的Phys.Rev.102的第1008页)。换句话说，即使载流子浓度增加到一特定的密度，其电阻仍然继续降低，但是本发明者认为在某一特定的载流子浓度下，Seebeck系数可能会显著增加，而这将引起性能指数发生一种显著的增加。
本发明者了解到，在上述考虑的基础上，将第3族或第5族元素独立地添加到硅材料中将使Seebeck系数相等或者更高，并且在一特定的载流子浓度下，与过去所知道的Si-Ge和Fe-Si系材料相比，其Seebeck系数会极高，并且通过各种实验证实了上述考虑的合理性；在不丢失仅有硅材料时所具有的基本优点，他们也发现了一种很好的、用作一种热电转换材料的混合物和结构。
在他们基于上述假设而发现新的硅基导电材料的基础上，本发明者通过将各种元素添加到硅中形成一种p类型的半导体和将各种元素添加到硅中形成n-型半导体(不是第3族或第5族的元素)，来制造了硅基材料，并且研究其掺杂数量与载流子浓度和电阻的关系。结果，他们研究发现出：通过添加上述各种掺杂物来调节其载流子浓度，可以降低其电阻。例如，如果包含的锌，硼，磷，铝，镓，钕，钇，或者类似的数量为至少0.001原子％，其结果是一种p-型半导体，并且其电阻率ρ是1×10-3(Ω.m)或者更低，并且如果其包含数量是至少1原子％，导电材料的电阻率是1×10-6(Ω.m)或者更低，并且可以出现1×10-7(Ω.m)或者更低的情形。
发明者进一步研究出包括众所周知用于使硅变成一种p-型半导体的掺杂物A(Be,Mg,Ca,Sr,Ba,Zn,Cd,Hg,B,Al,Ga,In,Tl)和过渡金属元素Ml(Y,MO,Zr)，和众所周知使硅变成n-型半导体的掺杂物B(N,P,As,Sb,Bi,O,S,Se,Te)，过渡金属M2(Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Nb,Ru,Rh,Pd,Ag,Hf,Ta,W,Re,Os,Ir,Pt,Au；其中Fe占10原子％或者更少)和稀土元素RE(La,Ce,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Yb,Lu)的组中一种或者多个元素是掺杂物时的特别影响。当它们被单独地添加或者混合添加时有特殊的效果。进一步，即使使用上面没有列举的元素，也将获得一种类似的导电材料。
本发明者还发现，前面所发现的、用作一种热电转换材料的混合物和其结构允许产品的性能能够与一种导电材料的性能一样好。进一步关于降低电阻率ρ的研究表明，没有什么元素不能够用作硅的掺杂物，其最佳掺杂数量随被选择的掺杂元素而变化，当使用了两个或者多个掺杂物时，这个范围也发生变化；通过使用一种方法并且在被选择元素的增加数量下不产生金属化或者化合的范围内，来制造一种导电材料，获得的这个导电材料的电阻率ρ可以是任意大小或者在10-7(Ω.m)附近，而与结构状态无关；并且导电线能够被自由地提供给一种硅衬底，特别是使用离子注入技术时。这些发现就产生了本发明。
同时，本发明者试验了各种掺杂方法，其中硅材料被掺杂了多种元素，并且尽可能地这样来添加掺杂物的数量，以产生所规定的成分比例来获得低电阻率和其载流子浓度为1017到1021(M/m3)的一种硅基导电材料。结果，他们发现，通过在事前产生一种硅和掺杂物的化合物，并且将其单独添加到硅并且以一种化合物的形式进行熔化，以使被添加的混合器的熔点靠近硅的熔点，就可以使混合偏离最小。
特别地，他们了解到，在掺杂第3族的元素，例如B,Al,Ga,In,和Tl和第5族中的元素，例如N,P,As,Sb和Bi，或者第2族中的元素，例如Be,Mg,Ca,Sr,和Ba，第2B族的元素例如Zn,Cd，和Hg，和第6族的元素例如O,S,Se,Te和Po中，通过使用一种硅基化合物，例如Al4Si,B4Si,Mg2Si,Ba2Si,SiP,SiO2,SiS2,或者Si3N4，例如来用作控制硅半导体中载流子的浓度，可以更均匀地和更精确地控制载流子浓度。进行了进一步的研究来发现是否可以使用低纯度的一种硅原材料，结果表明，即使是纯度为3N的一种原材料也可以很好地被使用。
进一步，发明者进行了各种研究来进一步降低一种硅基导电材料的电阻率，这产生了一种假设，通过产生与在半导体体材料中很细密的半导体晶粒相不连续的一种金属导电晶界相，就可以解决上述问题。这里所使用的术语“金属导电晶界相”指经历了一种Mott转换，并且其载流子浓度至少为1018(M/m3)的一种金属相或者半金属相。
从这个角度来说，本发明者认识到，通过使用粉末冶金过程，半导体相和金属导电晶界相是不清晰的，这是因为在烧结后，掺杂物大量地出现在半导体晶粒中，这样半导体的电阻率下降了。所以，他们进行了一种研究来使用电弧熔化技术将半导体晶粒相与金属导电晶界相分开。
为了降低硅半导体的热传导率，发明者将第2族和第3族的元素和一种p-型半导体添加到硅中，将第5族和6的元素和一种n-型半导体添加到硅中，在这以后，每一种在氩的气氛中被电弧熔化，紧接这以后，每一种就被放在一种冷却器下来进行淬火，例如，以产生具有平均直径为0.1到5微米的、很好的晶格的热电转换材料。对这些材料的电阻进行了测试，测试表明当被单独添加到硅半导体中的各种元素的总数量小于0.001原子％时，在硅半导体体材料中晶界上几乎没有沉淀掺杂物，所以其电阻率很高，但是当总数量超过0.001原子％时，某些掺杂物开始沉淀在晶界上，并且在1原子％时，这个沉淀效果显著地降低了电阻率。
特别地，本发明是一种硅基导电材料，其中硅包含至少一种数量为0.1原子％到25原子％，或者超过25原子％的其它元素，数量与被选择元素的类型有关，或者当使用两个或者多个添加元素时，类似地包含优选0.5原子％到20原子％数量的其它元素，这与从掺杂物组中选择出来产生上述p-或者n-型半导体的元素类型有关，或者当使用两个或者多个添加元素时，并且其电阻率ρ是1×10-3(Ω.m)或者更低，在一种不错的情形下其电阻率是1×10-6(Ω.m)或者更低。
当在熔化后，使用任何方法来进行淬火时，本发明的硅基导电材料具有好的导电特性，并且由半导体晶粒相和金属或者半金属的导体晶界相构成。
另外，本发明的硅基导电材料具有好的导电特性，当通过离子注入技术或者另一种这样的方法，使另一种元素的原子基本上分布在硅晶格中时。
图1A是在电弧熔化后被进行淬火的、本发明的硅基导电材料的晶体结构的示意图，图1B是在电弧熔化后没有被淬火的一种半导体的晶体结构图；
图2包括了描述在电弧熔化后没有被淬火的一种材料的晶体结构的剖面EPAM分析照像图(放大了100倍)，其中图2A显示了没有添加掺杂物时的图，图2B显示了其中掺杂了1.0原子％的铝的一种p-型半导体，图2C显示了其中添加了3原子％的铝的一种p-型半导体。
图3包括了描述在电弧熔化后被淬火的、本发明的硅基导电材料的晶体结构的剖面EPAM分析照像图(放大了100倍)，其中图3A显示了没有添加掺杂物时的图，图3B显示了其中掺杂了1.0原子％的铝的一种p-型半导体，图3C显示了其中添加了3原子％的铝的一种p-型半导体。
图4包括了描述在电弧熔化后没有被淬火的一种材料的晶体结构的剖面EPAM分析照像图(放大了100倍)，其中图4A显示了没有添加掺杂物时的图，图4B显示了其中掺杂了1.0原子％的磷的一种n-型半导体，图4C显示了其中添加了3原子％的磷的一种n-型半导体。
图5包括了描述在电弧熔化后被淬火的、本发明的硅基导电材料的晶体结构的剖面EPAM分析照像图(放大了100倍)，其中图5A显示了没有添加掺杂物时的图，图5B显示了其中掺杂了1.0原子％的磷的一种n-型半导体，图5C显示了其中添加了3原子％的磷的一种n-型半导体。
图6是在电弧熔化后进行冷却的一种示意图。
本发明中，没有对添加元素进行任何限制，添加元素可以是上述用于使硅变成一种p-型或者n-型半导体的元素中的任何一种元素，也可以是其它元素。但是，如果元素的离子直径与硅的原子直径相差太大，以致于不能进行被作为添加物时，其大部分将沉淀在晶界上，所以优选使用离子直径相对来说与硅原子直径相近的元素。如果被添加到仅硅中元素的总数量小于0.001原子％，不管是单独添加或者是混合添加，其大部分将沉淀在硅半导体体材料中的晶界上，并且其电阻率将降低。所以被添加的数量至少是0.001原子％。但是，通过使用某些掺杂物，在0.001原子％掺杂量时将不能获得所需的电阻率，所以优选的掺杂数量是至少0.1原子％，当至少是0.5原子％时就更好，在至少1原子％时就特别好。
本发明中，没有对被添加掺杂物的数量的上限进行任何限制，但是，有各种元素情形，能够产生与半导体体材料中的很细的半导体晶粒相不连续的金属导体晶界相，并且有最佳被添加的数量，或者对添加混合元素来说有被添加的数量。另外，如果被添加的数量太大，掺杂物将不能被晶体中的硅原子局部替代，将沉淀一种另外的晶体相，并且不能够降低电阻值，所以为了降低电阻值必须进行合适的选择。特别地，当添加了混合元素时，其优选的被添加数量就与添加单个元素时被添加的数量不同，为了降低电阻值，必须再一此次进行合适的选择。
例如，使硅变成一种p-型半导体的掺杂物是掺杂物A(Be,Mg,Ca,Sr,Ba,Zn,Cd,Hg,B,Al,Ga,In,Tl)和过渡金属Ml(Y,Mo,Zr),和使硅变成一种n-型半导体的掺杂物是掺杂物B(N,P,As,Sb,Bi,O,S,Se,Te)，过渡金属M2(Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Nb,Ru,Rh,Pd,Ag,Hf,Ta,W,Re,Os,Ir,Pt,Au；其中Fe占10原子％或者更少)，和稀土金属元素RE(La,Ce,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Yb,Lu)。通过选择元素和调节它们的添加数量，以使其载流子浓度在一特定范围内(1017到1021)(具体值与这些元素是被单独添加还是被混合添加有关)，就可以减少电阻率。
当通过使用上述选择元素和被添加数量的方法来控制载流子浓度，而降低电阻率时，用于产生一种p-型半导体的掺杂物和用于产生一种n-型半导体的掺杂物中每一种的包括数量应为10原子％或者更少，并且其总数量是20原子％或者更少，这样使载流子浓度维持在1017到1021(M/m3)之间。
也可能选择元素和调节它们被添加的数量，以使载流子浓度超过1021(M/m3)，这可以根据目标电阻率来进行。
在本发明中，在掺杂第3族的元素，例如B,Al,Ga,In，和Tl和第5族中的元素，例如N,P,As,Sb和Bi，或者第2族中的元素，例如Be,Mg,Ca,Sr，和Ba，第2B族的元素例如Zn,Cd，和Hg，和第6族的元素例如O,S,Se,Te和Po中，通过熔化一种硅基化合物，例如Al4Si,B4Si,Mg2Si,Ba2Si,SiP,SiO2,SiS2，或者Si3N4，例如，可以更均匀地和更精确地控制载流子浓度，这是因为硅被掺杂了各种元素来使它变成p-或者n-型半导体，并且载流子浓度在1017到1021(M/m3)之间被调节。进行了进一步的研究来发现是否可以使用低纯度的一种硅原材料，结果表明，即使是3N纯度的一种原材料也可以很好地被使用。
另外，通过选择元素和调节它们在本发明中被添加的数量，可以控制热传导率和电阻率。例如，添加至少一种第3族元素和至少一种第5族元素，并且控制载流子的浓度在1019到1021(M/m3)的范围内，有可能能够破坏晶体结构而不需要改变硅中载流子的浓度，这允许热传导率在室温下能够减少30％到90％直至50到150W/m.K或者更低。
在上述示例中，如果第3族元素的数量比第5族元素的数量大0.3到5原子％，就获得一种p-型半导体，如果第5族元素的数量比第3族元素的数量大0.3到5原子％，就获得一种n-型半导体。通过向硅中添加第3-5族化合物半导体或者一种第2-6族化合物半导体，并且进一步添加至少一种第3族或者第5族元素并且将载流子浓度控制在1019到1021(M/m3)的范围内，就可能破坏晶体结构而不需要改变硅中载流子的浓度，所以在室温下，而热传导率可以被维持在150W/m.K或者更低的水平。
另外，如果包括在硅中第4族的元素，锗，碳，和锡的数量为0.1到5原子％时，并且部分硅元素被用不同原子量的第4族元素替代时，晶体中的声子将有较大的散射，并且能够将半导体的热传导率降低20％到90％，并且在室温下使热传导率保持在150W/m.K以下。
本发明中所添加的主要掺杂物数量和其电阻率如下：
Zn  7.0原子％        4.4×10-7Ω.m(25℃)
Al  7.0原子％        3.6×10-7Ω.m(25℃)
Al 8.0原子％,Y 3.0原子％    7.60×10-7Ω.m(25℃)
Al 8.0原子％,Zr 3.0原子％   7.60×10-7Ω.m(25℃)
Nd  15.0原子％       8.3×10-7Ω.m(25℃)
Bi 6.0原子％,Ti 6.0原子％  8.2×10-7Ω.m(25℃)
P   15.0原子％       9.40×10-7Ω.m(25℃)
Gs 8.0原子％,Zr 6.0原子％   9.60×10-7Ω.m(25℃)
Bi 6.0原子％,Ni 6.0原子％   1.1×10-6Ω.m(25℃)
P   10.0原子％       1.1×10-6Ω.m(25℃)
Al 4.0原子％,Y 2.0原子％    1.1×10-6Ω.m(25℃)
As  3.0原子％        1.2×10-6Ω.m(25℃)
Bi  15.0原子％       1.2×10-6Ω.m(25℃)
Zn 1.0原子％,Cd 1.0原子％   1.2×10-6Ω.m(25℃)
Al 3.0原子％,Zr 2.0原子％   1.3×10-6Ω.m(25℃)
Fe  15.0原子％       1.5×10-6Ω.m(25℃)
B  8.0原子％,P 2.0原子％    2.4×10-6Ω.m(25℃)
为了进行参考，这里列出主要导体的电阻率：铜1.72×10-8Ω.m，铝2.75×10-8Ω.m，铁9.8×10-8Ω.m，锡1.14×10-7Ω.m，和铅2.19×10-7Ω.m。
本发明中，优选是硅和掺杂物的化合物成为相对稳定的化合物，并且其制造方法也随化合物而变化，使用电弧熔化，高频熔化，或者类似方法制造的化合物的熔点较高，并且优选采用它们，因为在熔化时其溅射较少。
本发明中，通过产生一种熔化物，以使硅包含所需数量的一种类型或者更多种型的、用于产生p-或者n-型半导体的掺杂物，并且使用任何方法对这个熔化物进行淬火，例如用一种冷却器来淬火熔化物，或者通过与一种旋转的辊子接触而激冷熔化物，以使大部分熔化物变成非晶体，然后再执行加热处理，就可以获得由半导体晶粒相和分散在材料中的金属或者半金属导体晶界相的一种硅基导电材料。
基本上基于硅的、本发明的硅基导电材料可以应用于所有需要电气连接的应用中，并且对其平均晶粒直径没有任何限制。但是，如果平均晶粒直径在0.1到5微米之间，其晶体晶粒将更细密，并且金属晶界处于一种分散的状态，其电子或者空穴载流子能够通过跳过这些分散的金属晶界相来进行移动，并且降低电阻率。
在本发明中，可以采用任何已知的淬火方法。例如，在电弧熔化以后，如图6所显示的，就立即通过在一种熔炉3较厚的部分安装一种冷却水管4来建立对这个熔炉的水冷，并且通过将被熔化的块5以三明治的形式放置在水冷熔炉3和一种用热传导率好的一种金属制成的一种冷却器6之间，来对这个被熔炉3内的被熔化块5进行淬火。这使被熔化块5具有一种很精细的晶体晶粒直径。
特别地，如图1A所显示的，如果通过淬火其晶体已经被变成很细密的一种金属或者半金属晶界相是分散的，其电阻率就低。但是当在电弧熔化后没有执行淬火，如图1B所显示的，晶体颗粒的直径增加了，金属或者半金属晶界相2部分地连接起来，并且在晶界相2上的载流子移动，以抵消由温度梯度所产生的半导体相的温差电动势力，这明显地降低了电阻率。
图2和图3显示一种半导体的晶体结构的剖面XMA分析照像图(放大了100倍)。图2A和图3A显示了没有添加掺杂物时的图，而图2B和图3B显示了其中掺杂了1.0原子％的铝的一种p-型半导体，图2C和图3C显示了其中添加了3原子％的铝的一种p-型半导体。在图2的任何一种图中，材料在电弧熔化后没有被淬火，但是在图3中，材料在电弧熔化后被淬火。具体地，可以很清楚地看出，当添加了所需的掺杂物并且在电弧熔化后执行了淬火时，晶体变得更细密，并且金属或者半金属晶界相是疏散的，如图1A所显示的，图1A是这个半导体的晶体结构的示意图。
图4和图5类似地显示一种半导体的晶体结构的剖面XMA分析照像图(放大了100倍)。图4A和图5A显示了没有添加掺杂物时的图，而图4B和图5B显示了其中掺杂了1.0原子％的磷的一种n-型半导体，图4C和图5C显示了其中添加了3原子％的磷的一种n-型半导体。在图4的任何一种图中，材料在电弧熔化后没有被淬火，但是在图5中，材料在电弧熔化后被淬火。具体地，可以很清楚地看出，当添加了所需的掺杂物并且在电弧熔化后执行了淬火时，晶体变得更细密，并且金属或者半金属晶界相是疏散的，如图1A所显示的，图1A是这个半导体的晶体结构的示意图。
任何已知的方法可以被采用来对高温硅基熔化物进行淬火，只要能够获得所需的平均晶粒直径。被熔化的块可以被辊子来冷却，或者这个熔化物能够被两个辊子之间的一种片来进行冷却。另一种可以被采用的方法是用在两个辊子之间的一种薄板和薄带来激冷这个熔化物以使大部分变成非晶体，然后在合适选择的条件下对其进行加热处理，以使平均晶粒直径位于上述范围内。
在本发明中，通过熔化用于制造一种p-或者n-型半导体的一种掺杂物以使它包括(或者是单个的，或者是混合的)在硅中的数量为所需数量，冷却这个熔化物来获得一种块的、带的、薄片的，或者其它这种半导体材料，将这个产品研磨成粒径为所需大小的粉末，通过机械形成合金的方法来对这个粉末进行微晶体化，然后对它进行低温热处理，就可以获得孔隙率为5％到40％的的一种多孔导电材料。这里，当晶粒尺寸减少时(减少到平均晶粒直径为0.1到5微米)，电阻没有明显的改变，但是电阻将减少到不在这个范围内。
简而言之，在熔化上述混合物后，用一种冷却器来淬火这个熔化物，或者用旋转的辊子来激冷这个熔化物以使其大部分或者全部变成非晶体，在这以后，就进行加热处理，例如，并且淬火这个熔化物。结果，本发明的硅基导电材料具有很精细的晶粒直径，并且金属晶界相是分散的，所以电阻或者空穴载流子能够通过跳过这些分散的金属晶界相来进行移动，并且降低电阻率。
与掺杂物的类型或者其混合的类型有关，可以采用在熔化后不进行淬火的方法，在某些情形下，可以通过使用普通的方法来冷却这个熔化物，然后进行加热处理来影响晶粒生长的方法，来获得由一种半导体晶粒相和分布在材料中的一种金属或者半金属的导体晶界相组成的一种结构。但是，通过使用在熔化后进行淬火的这个方法，可以更容易地获得上述这个结构。
本发明的硅基导电材料的特征是由一种半导体晶粒相和分布在材料中的一种金属或者半金属的导体晶界相组成，但是，当通过离子注入的方法或者另一种方法，另一种元素的原子基本上分布在硅晶格中时，也可能获得一种导电材料。
离子注入允许使用一种离子束将磷或者硼以一种很细的图案进行注入，如今天制造CPU的集成电路产品和类似的时一样，但是即使精度不是很高，只要注入精度能够适合于需要导电性的应用，就可以使用任何装置，尽管一种优选的结构将冷却这个硅衬底并且将它尽可能地维持在低温。
可以用任何形式来使用本发明的、硅基导电材料，例如一张板的形状，棒的形状，带的形状，或者微颗粒形状，如需要导电性的应用所提出的。例如，与所需元素一起被熔化的原材料能够以一张板的形状，棒的形状，线的形状，或者其它所需形状被注塑成一种导电部分，或者磷或者硼能够以一种图案，使用一种离子束被注入到上述硅衬底中，并且使用其本身的产品。换句话说，制造了一种单晶硅或者多晶硅衬底，并且恰好在那些需要导电性能的区域包括一种掺杂物。
也可以从这些硅基导电材料形成一种导电的连接器部分，并且可以使用许多不同的结构，例如被安装在另一种衬底末端的一种导电材料连接的单晶或者多晶硅衬底。
本发明的硅基导电材料可以被制成更细的形状并且可以被分布在一种金属或者半金属材料或者粉末中，可以被分布在各种类型的树脂材料中，可以被分布在陶瓷材料或者玻璃材料中，可以被分布在从金属或者合金体材料或者粉末，树脂材料，和陶瓷或者玻璃材料中选择的材料的混合物中。
通过一种方法可以获得一种很容易被注塑的硅基导电材料，其这个方法中，通过将本发明的硅基导电材料的细颗粒分布在从金属或者合金材料或者粉末，树脂材料，和陶瓷或者玻璃材料中选择的材料的混合物中而产生一种浆糊状的混合物，例如仅对需要导电性能的区域的表面进行镀膜，和对这个浆糊状的混合物形成图案，注塑和固化。
通过使用一种离子束，以使所需区域变成导电区域的一种图案来将磷，硼，铝，或者类似的元素注入到一种硅衬底中，本发明的硅基导电材料允许衬底，芯片，和类似的可以被做得更小，并且能够增加其生产率，其中这个硅基导电材料能够被做成一种板状或者棒状，并且可以被用于连接接头，焊接点，等等中，或者可以被做得更细并且分布在一种树脂或者玻璃中来产生一种导电片状材料，例如，所以能够适合于任何需要电气导电性能的应用。
所以，当多晶Si-TFT被形成在一单个玻璃衬底上，并且各种器件，例如微处理器被形成在周围的衬底上时，例如，使用在一种玻璃衬底上形成一种薄膜的一种材料，即硅基材料可以确保电气导电性能，所以封装更容易，并且也能够进行带一种显示器的系统集成。
简而言之，如上述示例所显示的，用于制造一种集成电路或者类似的一种已知装置可以被合适的选择和利用，例如以一种浆糊状混合物或者颗粒状的形式来构成一种硅基材料，三维地构成一种材料例如在一种衬底的厚度方向上，通过使用二维注入来形成一种薄膜，或者使用各种图案形成薄膜和走线，通过对一种仅含硅的衬底，或者一种多晶硅衬底进行离子束注入和形成图案，以获得本发明的硅基材料，或者使用已知的汽相生长方法，例如汽相沉积，离子溅射，或者离子镀。
实施方式
实施方式1
为了产生本发明的导电材料，如表1所显示的，对高纯度硅(10N)和一种第3族元素进行化合，在这以后，在一种氩气气氛中对它们进行电弧熔化。这样所获得的、按钮形状的块被切成尺寸为5×5×5毫米，10×10×2毫米，和10毫米直径×2毫米的块，并且测量每一种的载流子浓度，电阻率，和热传导率。
通过使用四端方法来测量电阻和载流子浓度，来决定其电阻率。通过激光闪光的方法来测量200℃下的热传导率。这些测量结果见表1。
实施方式2
为了产生一种n-型硅热电转换半导体，如表2所显示的，对高纯度硅(10N)和一种第5族元素进行化合，在这以后，在一种氩气气氛中对它们进行电弧熔化。这样，所获得的、按钮形状的块被切成5×5×5毫米，10×10×2毫米，和10毫米直径×2毫米的尺寸，并且测量每一种的载流子浓度，电阻率，和热传导率。这些测量结果见表2。表1
序号 掺杂物 添加的数量(原子％) 载流子浓度n(M/m3)    电阻率ρ(Ω.m) 热传导率κ(W/m.K)
 1  B  0.001  3.70×1017  4.7×10-4   97.6
 2  B  0.003  1.40×1018  1.4×10-4   78.3
 3  B  0.01  5.20×1018  7.8×10-5   59.2
 4  B  0.03  1.50×1019  3.3×10-5   43.8
 5  B  0.1  3.90×1019  1.6×10-5   33.0
 6  B  0.3  8.20×1019  7.2×10-6   31.0
 7  B  1  2.3×1020  4.5×10-6   33.0
 8  Al  0.001  2.96×1017  9.4×10-4   119.3
 9  Al  0.003  1.12×1018  2.8×10-4   107.3
 10  Al  0.01  4.16×1018  1.6×10-4   95.4
 11  Al  0.03  1.20×1019  6.6×10-5   85.8
 12  Al  0.1  3.12×1019  2.6×10-5   77.1
 13  Al  0.3  6.56×1019  1.44×10-5   75.0
 14  Al  1  1.84×1020  9.00×10-6   77.0
 15  Ga  0.001  1.85×1017  1.41×10-3   112.0
 16  Ga  0.003  7.00×1017  4.2×10-4   94.6
 17  Ga  0.01  2.60×1018  2.34×10-4   77.6
 18  Ga  0.03  7.50×1018  9.9×10-5   63.7
 19  Ga  0.1  1.95×1019  3.9×10-5   51.3
 20  Ga  0.3  4.10×1019  2.16×10-5   45.0
 21  Ga  1  1.15×1020  1.35×10-5   43.0
表2
序号 掺杂物 添加的数量(原子％) 载流子浓度n(M/m3) 电阻率ρ(Ω.m) 热传导率κ(W/m.K)
 22  P  0.001  4.70×1017 2.4×10-4 98.4
 23  P  0.003  2.10×1018 9.7×10-5 78.3
 24  P  0.01  5.90×1018 6.2910-5 64.5
 25  P  0.03  1.50×1019 3.3×10-5 52.0
 26  P  0.1  5.20×1019 1.4×10-5 42.0
 27  P  0.3  9.20×1019 9.9×10-6 42.0
 28  P  1  1.60×1020 7.8×10-6 49.0
 29  Sb  0.001  3.29×1017 4.8×10-4 107.5
 30  Sb  0.003  1.47×1018 1.94×10-4 89.3
 31  Sb  0.01  4.13×1018 1.26×10-4 76.8
 32  Sb  0.03  1.05×1019 6.58×10-5 65.4
 33  Sb  0.1  3.64×1019 2.8×10-5 52.0
 34  Sb  0.3  6.44×1019 1.98×10-5 52.0
 35  Sb  1  1.12×1020 1.56×10-5 57.0
 36  Bi  0.001  2.35×1017 7.2×10-4 125.3
 37  Bi  0.003  1.05×1018 2.9×10-4 113.6
 38  Bi  0.01  2.95×1018 1.89×10-4 105.5
 39  Bi  0.03  7.50×1018 9.9×10-5 98.2
 40  Bi  0.1  2.60×1019 4.210-5 88.5
 41  Bi  0.3  4.60×1019 2.97×10-5 87.0
 42  Bi  1  8.00×1019 2.34×10-5 89.0
实施方式3
为了产生一种硅基导电材料，称量了特定比例的高纯度单晶硅(10N)和表3所显示的元素，然后在一种氩气气氛中将它们电弧熔化。这样，所获得的、按钮形状的块被切成5×5×5毫米，10×10×2毫米，和10毫米外直径×2毫米的尺寸，并且测量每一种的载流子浓度，电阻率，和热传导率。这些测量结果见表3。
实施方式4
为了产生一种硅基导电材料，称量了特定比例的高纯度单晶硅(10N)和表4所显示的元素，然后在一种氩气气氛中将它们电弧熔化。这样，所获得的、按钮形状的块被切成5×5×5毫米，10×10×2毫米，和10毫米外直径×2毫米的尺寸，并且测量每一种的载流子浓度，电阻率，和热传导率。这些测量结果见表4。通过在进行电弧熔化以前添加Si3N4和SiO2，添加了氮和氧。
实施方式3a和4a
为了产生n-型和p-型Si-Ge半导体，以一种原子比例为4∶1的比例混合硅和多晶锗(4N)，以特定比例称量了表3和4中序号为19,20,40和41的元素，并且这些成分在一种氩气气氛中被电弧熔化。在熔化后，测量样品被切成与实施方式3和4中形状相同的形状，并且其测量条件也与实施方式3和4中的相同。表3
序号 基体 掺杂物的添加数量 载流子浓度(M/m3) 特性
掺杂物 添加数量(原子％) 电阻率ρ(Ω.m) 热传导率κ(W/m.K)
实施方式3  1  Si  Zn  0.10  1.10×1019  3.67×10-4  52.7
 2  Si  Zn  0.50  5.40×1019  1.20×10-5  54.3
 3  Si  Zn  1.0  7.30×1019  6.70×10-6  55.3
 4  Si  Zn  3.0  1.60×1021  1.77×10-6  57.3
 5  Si  Zn  5.0  4.20×1021  2.06×10-6  60
 6  Si  Zn  7.0  8.30×1021  4.40×10-7  65.3
 7  Si  Cd  1.0  5.30×1019  1.270×10-5  56
 8  Si  B  3.0  8.00×1020  2.06×10-6  58.3
 9  Si  Al  0.10  5.80×1018  8.33×10-5  52
 10  Si  Al  0.50  2.90×1019  1.27×10-5  54
 11  Si  Al  1.0  3.30×1020  4.37×10-6  55.7
 12  Si  Al  5.0  2.00×1021  3.20×10-6  62
 13  Si  Al  7.0  4.80×1021  3.60×10-7  67.3
 14  Si  Ga  3.0  6.30×1020  2.80×10-6  61.7
 15  Si  In  3.0  4.90×1020  2.36×10-6  60.7
 16  Si  ZnCd  1.01.0  1.30×1021  1.20×10-6  57.7
 17  Si  ZnAl  1.02.0  1.80×1021  3.03×10-6  59.3
 18  Si  AlGa  1.51.5  1.00×1021  1.71×10-6  60
3a  19  Si  Zn  3.0  1.20×1021  6.20×10-5  9.0
 20  Si  Al  3.0  1.10×1021  6.40×10-5  5.6
表4
序号 基体 掺杂物的添加数量 载流子浓度(M/m3) 特性
掺杂物 添加数量(原子％) 电阻率ρ(Ω.m) 热传导率κ(W/m.K)
实施方式4  21  Si  P  0.10  4.80×1018  1.35×10-4  51.3
 22  Si  P  0.50  3.10×1019  1.42×10-5  55.7
 23  Si  P  1.0  7.30×1019  1.12×10-5  58.0
 24  Si  P  3.0  2.80×1020  3.20×10-6  61.7
 25  Si  P  5.0  1.20×1021  1.83×10-6  64.0
 26  Si  P  10.0  3.40×1021  1.10×10-6  68.0
 27  Si  P  15.0  7.90×1021  9.40×10-7  77.7
 28  Si  Bi  0.10  3.20×1018  1.24×10-4  52.7
 29  Si  Bi  0.50  2.40×1019  2.03×10-5  58.0
 30  Si  Bi  3.00  1.80×1020  4.84×10-6  61
 31  Si  Bi  10.0  1.20×1021  2.03×10-6  67
 32  Si  Bi  15.0  3.40×1021  1.20×10-6  74.7
 33  Si  N  3.0  1.30×1020  2.95×10-6  62
 34  Si  Sb  3.0  2.40×1020  2.34×10-6  63
 35  Si  Bi  3.0  2.70×1020  2.18×10-6  60.7
 36  Si  O  3.0  1.20×1020  5.42×10-6  58
 37  Si  S  3.0  2.60×1020  3.04×10-6  61.7
 38  Si  PSb  1.51.5  2.70×1020  2.82×10-6  63
 39  Si  PBi  1.02.0  2.40×1020  3.56×10-6  59.3
4a  40  Si-Ge  P  3.0  2.30×1020  2.05×10-5  5.2
 41  Si-Ge  Bi  3.0  1.40×1020  3.41×10-5  9.0
实施方式5
为了产生一种硅基导电材料，高纯度单晶硅(10N)和第3族和第5族中的元素按表5-1中所显示的组成混合，然后在一种氩气气氛中将它们电弧熔化。这样来调节被添加在熔化物中的数量，以使p-类型的元素稍微多一些，以使p-型载流子浓度为1019-1020(M/m3)。
这样，所获得的、按钮形状的块被切成5×5×5毫米，10×10×2毫米，和10毫米外直径×2毫米的尺寸，并且测量每一种的载流子浓度，电阻率，和热传导率。这些测量结果见表5-2。实施方式6
为了产生一种硅基导电材料，高纯度单晶硅(10N)和第3族和第5族中的元素按表6-1中所显示的组成混合，然后在一种氩气气氛中将它们电弧熔化。这样来调节被添加在熔化物中的数量，以使n-类型的元素稍微多一些，以使n-型载流子浓度为1019-1020(M/m3)。
这样，所获得的、按钮形状的块被切成5×5×5毫米，10×10×2毫米，和10毫米外直径×2毫米的尺寸，并且测量每一种的载流子浓度，电阻率，和热传导率。这些测量结果见表6-2。实施方式7
为了产生一种硅基导电材料，一种第2-6族化合物半导体或者一种第3-5族化合物半导体，高纯度单晶硅(10N)和一种第3族或者第5族中的元素按表7-1中所显示的组成混合，然后在一种氩气气氛中将它们电弧熔化。这样来调节被添加在熔化物中的第3族或者第5族中的元素数量，以使p-型载流子浓度和n-型载流子浓度为1019-1020(M/m3)。
这样，所获得的、按钮形状的块被切成5×5×5毫米，10×10×2毫米，和10毫米外直径×2毫米的尺寸，并且测量每一种的载流子浓度，电阻率，和热传导率。这些测量结果见表7-2。表5-1
  序号   基体 掺杂物 掺杂物
元素名 添加数量(原子％) 元素名 添加数量(原子％)
实施方式5     1     Si     B     2.2     P     2.0
    2     Si     B     3.0     P     2.0
    3     Si     B     5.0     P     2.0
    4     Si     B     8.0     P     2.0
    5     Si     B     3.2     Sb     3.0
    6     Si     B     4.0     Sb     3.0
    7     Si     B     6.0     Sb     3.0
    8     Si     B     9.0     Sb     3.0
    9     Si     Al     2.2     P     2.0
    10     Si     Al     3.0     P     2.0
    11     Si     Al     5.0     P     2.0
    12     Si     Al     8.0     P     2.0
    13     Si     Al     3.2     Bi     3.0
    14     Si     Al     4.0     Bi     3.0
    15     Si     Al     6.0     Bi     3.0
    16     Si     Al     9.0     Bi     3.0
    17     Si     Ga     2.2     P     2.0
    18     Si     Ga     3.0     P     2.0
    19     Si     Ga     5.0     P     2.0
    20     Si     Ga     8.0     P     2.0
    21     Si     Ga     3.2     Sb     3.0
    22     Si     Ga     4.0     Sb     3.0
    23     Si     Ga     6.0     Sb     3.0
    24     Si     Ga     9.0     Sb     3.0
    25     Si     In     2.2     P     2.0
    26     Si     In     3.0     P     2.0
    27     Si     In     5.0     P     2.0
    28     Si     In     8.0     P     2.0
表5-2
序号 载流子浓度(M/m3) 特性
电阻率ρ(Ω.m) 热传导率κ(W/m.K)
实施方式5  1  5.20×1018  7.80×10-3  25
 2  1.02×1019  3.60×10-5  19
 3  7.30×1020  6.90×10-6  15
 4  2.70×1021  2.40×10-6  13
 5  4.20×1018  7.60×10-3  33
 6  6.80×1019  4.10×10-5  24
 7  5.90×1020  7.80×10-6  18
 8  1.80×1021  3.40×10-6  15
 9  3.30×1018  8.50×10-3  28
 10  7.80×1019  6.30×10-5  20
 11  3.80×1020  2.10×10-5  18
 12  1.40×1021  7.80×10-6  16
 13  2.10×1018  8.20×10-3  41
 14  6.70×1019  5.90×10-5  26
 15  3.60×1020  1.80×10-5  24
 16  1.30×1021  7.20×10-6  22
 17  2.30×1018  9.80×10-3  21
 18  5.20×1019  7.20×10-5  17
 19  3.70×1020  3.60×10-5  13
 20  1.90×1021  9.30×10-5  11
 21  2.60×1018  9.20×10-3  26
 22  4.30×1019  6.80×10-5  20
 23  3.80×1020  3.20×10-5  16
 24  1.20×1021  8.90×10-6  13
 25  3.70×1018  9.40×10-3  23
 26  6.80×1019  6.70×10-5  18
 27  4.70×1020  2.90×10-5  15
 28  1.60×1021  7.70×10-6  13
表6-1
序号  基体 掺杂物 掺杂物
元素名 添加数量(原子％) 元素名 添加数量(原子％)
实施方式6  31  Si  B  2.0  P  2.2
 32  Si  B  2.0  P  3.0
 33  Si  B  2.0  P  8.0
 34  Si  B  2.0  P  13.0
 35  Si  B  3.0  Sb  3.2
 36  Si  B  3.0  Sb  4.0
 37  Si  B  3.0  Sb  9.0
 38  Si  B  3.0  Sb  14.0
 39  Si  Al  2.0  P  2.2
 40  Si  Al  2.0  P  3.0
 41  Si  Al  2.0  P  8.0
 42  Si  Al  2.0  P  13.0
 43  Si  Al  3.0  Bi  3.2
 44  Si  Al  3.0  Bi  4.0
 45  Si  Al  3.0  Bi  9.0
 46  Si  Al  3.0  Bi  14.0
 47  Si  Ga  2.0  P  2.2
 48  Si  Ga  2.0  P  3.0
 49  Si  Ga  2.0  P  8.0
 50  Si  Ga  2.0  P  13.0
 51  Si  Ga  3.0  Sb  3.2
 52  Si  Ga  3.0  Sb  4.0
 53  Si  Ga  3.0  Sb  9.0
 54  Si  Ga  3.0  Sb  14.0
 55  Si  In  2.0  P  2.2
 56  Si  In  2.0  P  3.0
 57  Si  In  2.0  P  8.0
 58  Si  In  2.0  P  13.0
表6-2
序号 载流子浓度(M/m3) 特性
电阻率ρ(Ω.m) 热传导率κ(W/m.K)
实施方式6  31  4.30×1018  7.20×10-3  48
 32  3.70×1019  3.60×10-5  24
 33  5.70×1020  9.60×10-6  15
 34  1.80×1021  5.20×10-6  13
 35  3.50×1018  8.40×10-3  52
 36  3.20×1019  4.20×10-5  36
 37  5.20×1020  1.04×10-5  24
 38  1.60×1021  5.80×10-6  21
 39  3.60×1018  5.60×10-3  51
 40  3.40×1019  4.20×10-5  27
 41  4.40×1020  9.80×10-6  19
 42  1.20×1021  5.60×10-6  14
 43  2.90×1018  8.40×10-3  59
 44  3.10×1019  4.60×10-5  41
 45  3.70×1020  1.04×10-5  28
 46  1.10×1021  5.60×10-6  24
 47  3.80×1018  7.40×10-3  33
 48  3.60×1019  4.00×10-5  19
 49  4.70×1020  1.02×10-5  10
 50  1.40×1021  5.40×10-6  7
 51  3.60×1018  8.60×10-3  36
 52  3.40×1019  5.20×10-5  26
 53  4.10×1020  1.10×10-5  20
 54  1.30×1021  6.40×10-6  15
 55  4.20×1018  7.20×10-3  44
 56  3.90×1019  3.80×10-5  23
 57  6.90×1020  9.80×10-6  16
 58  2.00×1021  5.00×10-6  13
表7-1
序号 基体 掺杂物 掺杂物
元素名 添加数量(原子％) 元素名 添加数量(原子％)
实施方式7  61  Si  AlP  1.0  B  1.0
 62  Si  AlP  3.0  B  1.0
 63  Si  AlP  10.0  B  1.0
 64  Si  AlP  1.0  P  1.0
 65  Si  AlP  3.0  P  1.0
 66  Si  AlP  10.0  P  1.0
 67  Si  GaP  1.0  B  1.0
 68  Si  GaP  3.0  B  1.0
 69  Si  GaP  10.0  B  1.0
 70  Si  GaP  1.0  As  1.0
 71  Si  GaP  3.0  As  1.0
 72  Si  GaP  10.0  As  1.0
 73  Si  GaAs  1.0  Al  1.0
 74  Si  GaAs  3.0  Al  1.0
 75  Si  GaAs  10.0  Al  1.0
 76  Si  GaAs  1.0  P  1.0
 77  Si  GaAs  3.0  P  1.0
 78  Si  GaAs  10.0  P  1.0
 79  Si  ZnO  1.0  B  1.0
 80  Si  ZnO  3.0  B  1.0
 81  Si  ZnO  10.0  B  1.0
 82  Si  ZnO  1.0  P  1.0
 83  Si  ZnO  3.0  P  1.0
 84  Si  ZnO  10.0  P  1.0
 85  Si  CdS  1.0  B  1.0
 86  Si  CdS  3.0  B  1.0
 87  Si  CdS  10.0  B  1.0
 88  Si  CdS  1.0  Sb  1.0
 89  Si  CdS  3.0  Sb  1.0
 90  Si  CdS  10.0  Sb  1.0
表7-2
序号 载流子浓度(M/m3) 特性
电阻率ρ(Ω.m) 热传导率κ(W/m.K)
实施方式7  61  4.50×1020  6.40×10-6  109
 62  4.20×1020  7.20×10-6  19
 63  4.10×1020  7.40×10-6  15
 64  5.30×1020  9.00×10-6  102
 65  5.10×1020  9.20×10-6  20
 66  4.90×1020  9.40×10-6  16
 67  4.80×1020  7.00×10-6  107
 68  4.60×1020  7.40×10-6  16
 69  4.40×1020  7.60×10-6  13
 70  4.70×1020  1.06×10-5  108
 71  4.40×1020  1.12×10-5  18
 72  4.30×1020  1.12×10-5  14
 73  3.90×1020  1.24×10-5  92
 74  3.70×1020  1.34×10-5  17
 75  3.80×1020  1.32×10-5  13
 76  4.90×1020  8.80×10-6  103
 77  4.70×1020  9.20×10-6  18
 78  5.00×1020  9.40×10-6  15
 79  4.70×1020  7.40×10-6  105
 80  4.30×1020  7.60×10-6  16
 81  4.40×1020  7.80×10-6  11
 82  4.30×1020  1.00×10-5  107
 83  4.30×1020  1.04×10-5  17
 84  4.10×1020  1.06×10-5  13
 85  4.50×1020  7.20×10-6  107
 86  4.10×1020  7.40×10-6  18
 87  4.20×1020  7.40×10-6  14
 88  3.70×1020  1.16×10-5  109
 89  3.80×1020  1.18×10-5  15
 90  3.40×1020  1.20×10-5  13
实施方式8
为了产生一种硅基导电材料，高纯度单晶硅(10N)和第3族和第4族中的元素按表8-1中所显示的组成混合，然后在一种氩气气氛中将它们电弧熔化。这样，所获得的、按钮形状的块被切成5×5×5毫米，10×10×2毫米，和10毫米外直径×2毫米的尺寸，并且测量每一种的载流子浓度，电阻率，和热传导率。这些测量结果见表8-2。实施方式9
为了产生一种硅基导电材料，高纯度单晶硅(10N)和第5族和第4族中的元素按表9-1中所显示的组成混合，然后在一种氩气气氛中将它们电弧熔化。这样，所获得的、按钮形状的块被切成5×5×5毫米，10×10×2毫米，和10毫米外直径×2毫米的尺寸，并且测量每一种的载流子浓度，电阻率，和热传导率。这些测量结果见表9-2。表8-1
序号 基体 掺杂物 掺杂物
元素名 添加数量(原子％) 元素名 添加数量(原子％)
 1  Si  C  0.05  B  1.0
 2  Si  C  3.0  B  1.0
 3  Si  C  5.0  B  1.0
 4  Si  Ge  0.05  B  1.0
 5  Si  Ge  3.0  B  1.0
 6  Si  Ge  5.0  B  1.0
 7  Si  Sn  0.05  Al  1.0
 8  Si  Sn  3.0  Al  1.0
 9  Si  Sn  5.0  Al  1.0
 10  Si  B  3.0  -  -
 11  Si  Ga  3.0  -  -
 12  Si  Ge  20.0  B  3.0
 13  Si  Ge  20.0  Ga  3.0
表8-2
序号 载流子浓度(M/m3) 特性
电阻率ρ(Ω.m) 热传导率κ(W/m.K)
 1  3.20×1020  5.40×10-6  92
 2  3.10×1020  5.80×10-6  22
 3  3.05×1020  5.90×10-6  18
 4  3.40×1020  5.70×10-6  83
 5  3.30×1020  5.90×10-6  18
 6  3.20×1020  6.10×10-6  15
 7  2.50×1020  7.60×10-6  86
 8  2.60×1020  7.80×10-6  20
 9  2.40×1020  7.90×10-5  16
 10  4.50×1020  5.30×10-6  32
 11  3.70×1020  6.70×10-6  36
 12  4.50×1019  2.80×10-4  15
 13  3.70×1019  3.40×10-4  9
表9-1
序号 基体 掺杂物 掺杂物
元素名 添加数量(原子％) 元素名 添加数量(原子％)
 21  Si  C  0.05  P  1.0
 22  Si  C  3.0  P  1.0
 23  Si  C  5.0  P  1.0
 24  Si  Ge  0.05  Sb  1.0
 25  Si  Ge  3.0  Sb  1.0
 26  Si  Ge  5.0  Sb  1.0
 27  Si  Sn  0.05  P  1.0
 28  Si  Sn  3.0  P  1.0
 29  Si  Sn  5.0  P  1.0
 30  Si  P  3.0  -  -
 31  Si  Bi  3.0  -  -
 32  Si  Ge  20.0  P  3.0
 33  Si  Ge  20.0  Ga  3.0
表9-2
序号 载流子浓度(M/m3) 特性
电阻率ρ(Ω.m) 热传导率κ(W/m.K)
 21  4.30×1020  6.70×10-6  102
 22  4.10×1020  6.80×10-6  25
 23  4.05×1020  7.00×10-6  18
 24  3.50×1020  7.30×10-6  97
 25  3.40×1020  7.50×10-6  22
 26  3.30×1020  7.70×10-6  15
 27  3.10×1020  6.80×10-6  99
 28  2.90×1020  7.10×10-6  23
 29  2.80×1020  7.20×10-6  18
 30  1.02×1020  6.80×10-6  52
 31  9.70×1019  7.40×10-6  78
 32  1.02×1020  3.80×10-4  8
 33  9.70×1019  2.60×10-4  13
实施方式10
为了产生一种p-型硅半导体，称量了特定比例的高纯度单晶硅(10N)和表10所显示的元素，然后在一种氩气气氛中将它们电弧熔化。这样，所获得的、按钮形状的块被切成5×5×5毫米，10×10×2毫米，和10毫米外直径×2毫米的尺寸，并且测量每一种的载流子浓度，电阻率，和热传导率。这些测量结果见表10。实施方式11
为了产生一种n-型硅半导体，称量了特定比例的高纯度单晶硅(10N)和表11-1所显示的元素，然后在一种氩气气氛中将它们电弧熔化。这样，所获得的、按钮形状的块被切成5×5×5毫米，10×10×2毫米，和10毫米外直径×2毫米的尺寸，并且测量每一种的载流子浓度，电阻率，和热传导率。这些测量结果见表11-1和11-2。表10
序号 基体 掺杂物的添加数量 载流子浓度(M/m3) 特性
掺杂物 添加数量(原子％) 电阻率ρ(Ω.m) 热传导率κ(W/m.K)
实施方式10  1  Si  Y  0.10  1.70×1019 8.4×10-4  62
 2  Si  Y  0.50  8.10×1019 3.60×10-5  57
 3  Si  Y  1.0  1.10×1020 2.10×10-5  47
 4  Si  Y  5.0  2.40×1021 6.6×10-6  33
 5  Si  Y  10.0  6.30×1021 3.8×10-6  26
 6  Si  Y  15.0  1.20×1022 1.6×10-6  19
 7  Si  Mo  0.10  2.40×1019 3.2×10-4  63
 8  Si  Mo  0.50  1.10×1020 1.8×10-5  48
 9  Si  Mo  5.0  1.20×1021 5.1×10-6  28
 10  Si  Mo  10.0  2.20×1021 3.2×10-6  22
 11  Si  Mo  15.0  3.40×1021 1.8×10-6  18
 12  Si  YMo  1.51.5  2.40×1020 1.10×10-5  38
 13  Si  Zr  5.0  1.60×1020 4.00×10-6  27
表11-1
序号 基体 掺杂物的添加数量 载流子浓度(M/m3) 特性
掺杂物 添加数量(原子％) 电阻率ρ(Ω.m) 热传导率κ(W/m.K)
实施方式11  14  Si  Nd  0.10  1.80×1019  3.5×10-4  112
 15  Si  Nd  0.50  7.50×1018  3.20×10-5  98
 16  Si  Nd  1.0  1.20×1020  1.70×10-5  72
 17  Si  Nd  5.0  5.30×1020  6.0×10-6  48
 18  Si  Nd  10.0  1.30×1021  3.0×10-6  35
 19  Si  Nd  15.0  2.80×1021  8.3×10-7  25
 20  Si  Fe  0.10  1.30×1019  4.3×10-4  134
 21  Si  Fe  0.50  3.40×1019  2.1×10-5  105
 22  Si  Fe  3.0  1.80×1020  6.2×10-6  74
 23  Si  Fe  10.0  8.30×1020  3.4×10-6  55
 24  Si  Fe  15.0  1.70×1021  1.5×10-6  42
 25  Si  La  3.0  3.40×1020  6.80×10-6  54
 26  Si  Ce  3.0  3.10×1020  6.4×10-6  54
 27  Si  Pr  3.0  3.50×1020  6.5×10-6  52
 28  Si  Sm  3.0  2.50×1020  6.6×10-6  52
 29  Si  Dy  3.0  3.70×1020  6.2×10-6  51
 30  Si  Ti  3.0  3.20×1020  3.20×10-6  8
 31  Si  V  3.0  3.60×1020  7.7×10-6  80
 32  Si  Cr  3.0  1.8×1020  8.4×10-6  77
 33  Si  Mn  3.0  1.40×1020  8.7×10-6  76
表11-2
序号 基体 掺杂物的添加数量 载流子浓度(M/m3) 特性
掺杂物 添加数量(原子％) 电阻率ρ(Ω.m) 热传导率κ(W/m.K)
实施主式11  34  Si  Co  3.0  1.60×1020 3.4×10-6 74
 35  Si  Ni  3.0  1.3×1020 6.90×10-6 72
 36  Si  Cu  3.0  1.4×1020 7.30×10-6 71
 37  Si  Nb  3.0  2.6×1020 3.7×10-6 63
 38  Si  Ag  3.0  2.8×1020 6.0×10-6 60
 39  Si  CeNd  1.02.0  3.3×1020 5.9×10-6 58
 40  Si  DyZr  1.02.0  3.1×1020 6.7×10-6 58
 41  Si  NdNbFe  1.02.01.0  2.2×1020 5.6×10-6 63
 42  Si  LaDyNb  1.02.01.0  2.60×1020 6.9×10-6 56
 43  Si  LaFeNi  1.02.01.0  1.80×1020 9.2×10-6 60
实施方式12
为了产生一种p-型硅半导体，称量了特定比例的高纯度单晶硅(10N)和表12-1所显示的元素，然后在一种氩气气氛中将它们电弧熔化。这样，所获得的、按钮形状的块被切成5×5×5毫米，10×10×2毫米，和10毫米外直径×2毫米的尺寸，并且测量每一种的载流子浓度，电阻率，和热传导率。这些测量结果见表12-1和12-2。实施方式13
为了产生一种n-型硅半导体，称量了特定比例的高纯度单晶硅(10N)和表13-1所显示的元素，然后在一种氩气气氛中将它们电弧熔化。这样，所获得的、按钮形状的块被切成5×5×5毫米，10×10×2毫米，和10毫米外直径×2毫米的尺寸，并且测量每一种的载流子浓度，电阻率，和热传导率。这些测量结果见表13-1和13-2。通过在进行电弧熔化以前添加Si3N4和SiO2，添加了氮和氧。实施方式12a和13a
为了产生n-型和p-型Si-Ge半导体，以一种原子比例为4∶1的比例混合硅和多晶锗(4N)，以特定比例测量了表14-1和15-1中序号为29,30,59和60的元素，并且这些成分在一种氩气气氛中被电弧熔化。在熔化后，测量样品被切成与实施方式12中形状相同的形状，并且其测量条件也与实施方式1中的相同。表12-1
序号   基体 掺杂物 掺杂物
元素名 添加数量(原子％) 元素名 添加数量(原子％)
实施方式12  1  Si  Al  0.1  Y  0.1
 2  Si  Al  0.3  Y  0.2
 3  Si  Al  1.5  Y  1.5
 4  Si  Al  4  Y  2
 5  Si  Al  8  Y  3
 6  Si  Al  1.5  Mo  1.5
 7  Si  Al  0.1  Zr  0.1
 8  Si  Al  0.3  Zr  0.2
 9  Si  Al  1.5  Zr  1.5
 10  Si  Al  3  Zr  2
 11  Si  Al  8  Zr  3
 12  Si  Al  0.1  La  0.1
 13  Si  Al  0.3  La  0.2
 14  Si  Al  1.5  La  1.5
 15  Si  Al  3  La  2
 16  Si  Al  8  La  3
 17  Si  Al  1.5  Ce  1.5
 18  Si  Al  1.5  Pr  1.5
 19  Si  Al  1.5  Nd  1.5
 20  Si  Al  1.5  Sm  1.5
 21  Si  Al  1.5  Dy  1.5
 22  Si  Ga  0.1  Zr  0.1
 23  Si  Ga  0.3  Zr  0.2
 24  Si  Ga  1.5  Zr  1.5
 25  Si  Ga  3  Zr  2
 26  Si  Ga  8  Zr  3
 27  Si  In  1.5  Zr  1.5
 28  Si  Be  1.5  Zr  1.5
12a  29  Si-Ge  Al  3
 30  Si-Ge  Ga  3
表12-2
  序号 载流子浓度(M/m3) 特性
电阻率ρ(Ω.m) 热传导率κ(W/m.K)
实施方式12     1     4.30×1017     7.80×10-3     106
    2     1.02×1019     7.20×10-6     89
    3     5.60×1019     5.40×10-6     78
    4     7.30×1020     1.10×10-6     65
    5     2.60×1021     7.60×10-7     59
    6     6.80×1019     6.20×10-6     64
    7     6.20×1017     4.80×10-5     95
    8     2.10×1019     6.90×10-6     79
    9     5.70×1020     4.90×10-6     72
    10     6.40×1020     1.30×10-6     66
    11     1.90×1021     7.60×10-7     61
    12     6.30×1018     1.40×10-4     67
    13     3.10×1019     9.40×10-6     41
    14     8.90×1019     4.60×10-6     32
    15     3.60×1020     2.40×10-6     29
    16     1.00×1021     1.70×10-6     25
    17     1.02×1021     2.40×10-6     35
    18     4.90×1020     1.90×10-6     45
    19     9.20×1019     2.60×10-6     38
    20     1.80×1020     2.00×10-6     36
    21     7.40×1020     1.60×10-6     42
    22     6.70×1017     9.60×10-5     94
    23     4.90×1019     1.30×10-5     88
    24     3.70×1020     7.90×10-6     67
    25     9.80×1020     3.30×10-6     46
    26     2.40×1021     9.60×10-7     45
    27     2.80×1020     8.30×10-6     54
    28     1.80×1020     6.70×10-6     58
12a     29     4.50×1019     2.80×10-5     15
    30     3.70×1019     3.40×10-5     9
表13-1
 序号   基体 掺杂物 掺杂物
元素名 添加数量(原子％) 元素名 添加数量(原子％)
实施方式13  31  Si  Bi  0.1  Ti  0.1
 32  Si  Bi  0.5  Ti  0.5
 33  Si  Bi  1.5  Ti  1.5
 34  Si  Bi  3  Ti  3
 35  Si  Bi  6  Ti  6
 36  Si  Bi  1.5  V  1.5
 37  Si  Bi  1.5  Mn  1.5
 38  Si  Bi  1.5  Fe  1.5
 39  Si  Bi  1.5  Co  1.5
 40  Si  Bi  0.1  Ni  0.1
 41  Si  Bi  0.5  Ni  0.5
 42  Si  Bi  1.5  Ni  1.5
 43  Si  Bi  3  Ni  3
 44  Si  Bi  6  Ni  6
 45  Si  Bi  1.5  Cu  1.5
 46  Si  Bi  0.1  La  0.1
 47  Si  Bi  0.5  La  0.5
 48  Si  Bi  1.5  La  1.5
 49  Si  Bi  3  La  3
 50  Si  Bi  6  La  6
 51  Si  Bi  1.5  Ce  1.5
 52  Si  Bi  1.5  Pr  1.5
 53  Si  Bi  1.5  Nd  1.5
 54  Si  Bi  1.5  Sm  1.5
 55  Si  Bi  1.5  Dy  1.5
 56  Si  P  1.5  Ni  1.5
 57  Si  O  0.75  Ni  1.5
 58  Si  N  1.5  Ni  1.5
13a  59  Si-Ge  P  3
 60  Si-Ge  Bi  3
表13-2
序号 载流子浓度(M/m3) 特性
电阻率ρ(Ω.m) 热传导率κ(W/m.K)
实施方式13  31  7.90×1017  3.60×10-4  93
 32  3.70×1019  2.60×10-5  68
 33  2.40×1020  4.80×10-6  45
 34  5.70×1020  2.40×10-6  37
 35  1.60×1021  8.20×10-7  32
 36  6.30×1019  6.20×10-6  41
 37  7.20×1019  6.50×10-5  39
 38  7.20×1019  6.50×10-6  39
 39  7.80×1019  8.60×10-6  34
 40  6.40×1020  7.90×10-4  42
 41  4.10×1018  4.70×10-6  42
 42  7.40×1020  2.00×10-6  42
 43  7.40×1020  1.3×10-6  38
 44  7.40×1020  1.1×10-6  33
 45  4.60×1020  3.40×10-6  48
 46  2.70×1018  4.20×10-4  68
 47  6.90×1019  9.40×10-5  34
 48  3.50×1020  7.40×10-6  31
 49  6.70×1020  5.20×10-6  29
 50  1.40×1021  2.60×10-6  27
 51  3.90×1020  6.80×10-6  29
 52  4.60×1020  5.60×10-6  27
 53  4.10×1020  6.20×10-6  33
 54  4.70×1020  5.80×10-6  30
 55  5.30×1020  5.00×10-6  34
 56  8.90×1021  4.00×10-6  41
 57  6.90×1020  4.80×10-6  45
 58  6.50×1020  5.40×10-6  44
13a  59  1.02×1020  3.80×10-5  8
 60  9.70×1019  2.60×10-5  13
实施方式14
为了产生一种硅基导电材料，称量了特定比例的高纯度单晶硅(10N)和表14-1和14-4所显示的元素，然后使用一种标准的方法在一种氩气气氛中将它们电弧熔化，在这以后就立即将一种冷却器放置在这个熔化物上以对其进行淬火，而这就产生了一种样品。为了进行比较，将使用标准方法进行电弧熔化所获得的样品在大约1000℃进行加热，以长出晶体晶粒并且产生一种用于比较的样品。
这个电弧熔炉的形状是倒过来的一种圆锥并且是被切去顶部的一种圆锥，如图6所显示的。其顶部的内直径为60毫米，其底部的内直径是40毫米，其深度是30毫米。冷却器是由铜制作的，并且被设计成能够放置到这个熔炉中。为了提高冷却的效率，这个冷却器被加工成厚度为50毫米，以使其热容量较大。
这样，所获得的、按钮形状的块的尺寸是40毫米外直径×4毫米。这些块被切成5×5×3毫米，10×10×2毫米，和10毫米外直径×2毫米的尺寸，并且测量每一种的载流子浓度，电阻率，和热传导率。这些测量结果见表14-1和14-2。
在首先对其抛光然后用化学的方法蚀刻这个样品后，测量了其平均晶粒直径。使用标准方法进行电弧熔化的一种样品的平均晶粒直径为大约10到20微米。并且使用EPMA的方法来观察了掺杂物在晶体晶粒内部和在晶界上的沉淀状态，结果这个被淬火样品中掺杂物是沿晶界分散的，但是，对两类没有被淬火的样品，掺杂物是出现在基本上连续地沿晶界的一些局部带。
实施方式15
为了产生一种n-型半导体，称量了特定比例的高纯度单晶硅(10N)和表15-1和15-2所显示的元素，然后使用一种标准的方法在一种氩气气氛中将它们电弧熔化来产生了两类样品：一种电弧熔化样品和在进行电弧熔化以后就立即将一种冷却器放置在这个熔化物上以对其进行淬火而获得的一种样品。为了进行比较，将使用标准方法进行电弧熔化所获得的样品在大约1000℃进行加热，以生长晶体晶粒并且产生一种用于比较的样品。在电弧熔化以后进行淬火的方法与实施方式14中淬火的方法相同。
这样，所获得的、按钮形状的块的尺寸是40毫米外直径×4毫米。这些块被切成5×5×3毫米，10×10×2毫米，和10毫米外直径×2毫米的尺寸，并且测量每一种的载流子浓度，电阻率，和热传导率。这些测量结果见表15-1和15-2。
在首先对其抛光然后用化学的方法蚀刻这个样品后，测量了其平均晶粒直径。使用标准方法进行电弧熔化的一种样品的平均晶粒直径为大约10到20微米。并且使用EPMA的方法来观察了掺杂物在晶体晶粒内部和在晶界上的沉淀状态，结果这个被淬火样品中掺杂物是沿晶界分散的，但是，对两类没有被淬火的样品，掺杂物是出现在基本上连续地沿晶界的一些局部带。表14-1
 序号  基体 掺杂物的添加数量 平均晶粒直径(μm) 特性
掺杂物 添加数量(原子％) 电阻率ρ(Ω.m) 热传导率κ(W/m.K)
淬火  1  Si  Al  0.10  4.5  5.0×10-5 37.7
 2  Si  Al  1.0  3.4  8.40×10-6 33.7
 3  Si  Al  3.0  2.8  7.40×10-6 29.3
 4  Si  Al  5.0  2.2  3.0×10-6 26
 5  Si  Ga  3.0  3.1  6.4×10-6 21.7
 6  Si  In  3.0  2.5  6.8×10-6 18
 7  Si  Zn  1.5  3.2  4.6×10-6 20
 8  Si  AlY  1.50.5  2.7  7.8×10-6 17
 9  Si  Y  3.0  4.8  6.4×10-6 19
 10  Si  Mo  3.0  2.2  8.6×10-6 17.3
 11  Si  Zr  3.0  3.5  6.0×10-6 17.7
 12  Si  Be  3.0  2.8  4.6×10-6 32
 13  Si  Mg  3.0  4.3  5.2×10-6 27
表14-2
 序号  基体 掺杂物的添加数量 平均晶粒直径(μm) 特性
掺杂物 添加数量(原子％) 电阻率ρ(Ω.m) 热传导率κ(W/m.K)
不淬火(热处理)  16  Si  Al  3.0  15  9.3×10-6 48
 17  Si  Ga  3.0  18  7.0×10-6 37
 18  Si  AlY  1.50.5  11  9.7×10-6 32
 19  Si  Mo  3.0  17  1.6×10-5 30
 20  Si  Be  3.0  19  9.3×10-6 45
 21  Si  Al  3.0  46  1.97×10-5 67
 22  Si  Ga  3.0  53  8.3×10-6 63
 23  Si  AlY  1.50.5  35  1.07×10-5 57
 24  Si  Mo  3.0  56  1.8×10-5 48
 25  Si  Be  3.0  68  1.2×10-5 51
表15-1
 序号  基体 掺杂物的添加数量 平均晶粒直径(μm) 特性
掺杂物 添加数量(原子％) 电阻率ρ(Ω.m) 热传导率κ(W/m.K)
淬火 26  Si  P  0.10  4.8  2.6×10-5 43
 27  Si  P  1.0  3.6  7.2×10-6 37
 28  Si  P  3.0  2.9  4.8×10-6 30
 29  Si  P  5.0  1.5  3.6×10-6 26
 30  Si  Sb  3.0  3.4  4.8×10-6 21
 31  Si  Bi  3.0  2.3  3.4×10-6 16
 32  Si  PNd  1.50.5  2.5  6.4×10-6 15
 33  Si  BiDy  1.50.5  2.8  4.2×10-6 13
 34  Si  Cr  3.0  3.1  7.2×10-6 25
 35  Si  Fe  3.0  2.5  4.2×10-6 24
 36  Si  Nb  3.0  4.3  5.0×10-6 23
 37  Si  Ag  3.0  4.8  2.8×10-6 21
 38  Si  Nd  3.0  1.2  7.2×10-6 17
 39  Si  La  3.0  1.5  8.4×10-6 18
 40  Si  FeLa  1.51.5  2.0  6.4×10-6 25
表15-2
 序号  基体 掺杂物的添加数量 平均晶粒直径(μm) 特性
掺杂物 添加数量(原子％) 电阻率ρ(Ω.m) 热传导率κ(W/m.K)
不淬火(热处理)  41  Si  P  3.0  14  6.5×10-6 48
 42  Si  Bi  3.0  17  4.5×10-6 37
 43  Si  PNd  1.50.5  12  7.0×10-6 27
 44  Si  Fe  3.0  15  5.8×10-6 34
 45  Si  La  3.0  12  1.1×10-5 28
 46  Si  P  3.0  36  7.0×10-6 63
 47  Si  Bi  3.0  58  4.3×10-6 52
 48  Si  PNd  1.50.5  27  6.5×10-6 47
 49  Si  Fe  3.0  39  8.8×10-6 42
 50  Si  Nd  3.0  46  1.3×10-5 37
实施方式16
为了产生一种p-型半导体，称量了特定比例的高纯度单晶硅(10N)和表16-1所显示的元素，然后在一种氩气气氛中将它们电孤熔化。这样，所获得的、按钮形状的块在一种盘式研磨机中被粗研磨，在这以后，它们在一种气流研磨机中被研磨来产生其平均颗粒直径如表1所显示的粉末。然后，每一种粉末在如表16-2和16-3所显示的热压条件下放置3个小时，来产生具有如表16-2所显示的各种孔隙度的烧结块。
这样，所获得的、按钮形状的块在一种氩气气氛中进行机械形成合金，时间为50个小时，在这以后，在如表16-2和16-3所显示的热压条件下放置3个小时，来产生具有如表16-3所显示的各种平均晶粒直径的烧结块。
这样所获得的烧结块被切成5×5×5毫米，10×10×2毫米，和10毫米外直径×2毫米的尺寸，并且测量每一种的载流子浓度，电阻率，和热传导率。这些测量结果见表16-1和16-2，和16-3。
实施方式17
为了产生一种n-型半导体，测量了特定比例的高纯度单晶硅(10N)和表17-1所显示的元素，然后在一种氩气气氛中将它们电弧熔化。这样，所获得的、按钮形状的块在一种盘式研磨机中被粗研磨，在这以后，它们在一种气流研磨机中被研磨来产生其平均颗粒直径如表17-1所显示的粉末。然后，每一种粉末在如表17-2所显示的热压条件下放置3个小时，来产生具有如表17-3所显示的各种孔隙度的烧结块。
这样，所获得的、按钮形状的块在一种氩气气氛中进行机械形成合金，时间为50个小时，在这以后，在如表17-3所显示的热压条件下放置3个小时，来产生具有如表17-5所显示的各种平均晶粒直径的烧结块。
这样所获得的烧结块被切成尺寸与实施方式1中尺寸相同的块。在与实施方式1中条件相同的条件下测量其热传导率。这些测量结果见表17-2和17-3。表16-1
样品号  基体 掺杂物的添加数量 载流子浓度(M/m3) 平均晶粒直径(μm)
掺杂物 添加数量(原子％)
实施方式16  1  Si  Al  3.0  1.1×1021 2.7
 2  Si  Ga  3.0  1.2×1021 3.0
 3  Si  Zn  3.0  1.8×1021 2.8
 4  Si  Be  3.0  1.0×1021 3.2
 5  Si  Mo  3.0  0.9×1021 2.9
 6  Si  AlMo  1.51.5  1.0×1021 3.0
表16-2
 序号 样品号 热压条件 孔隙度％ 平均晶粒直径(μm) 特性
温度℃ 压强MPa 电阻率ρ(Ω.m) 热传导率κ(W/m.K)
实施方式16  1  1  -  -  0  15  1.2×10-5 56
 2  1  1000  49  47  3  2.8×10-5 19
 3  1  1000  98  40  4  1.5×10-5 24
 4  1  1000  196  32  5  1.4×10-5 33
 5  1  1000  294  26  5  1.3×10-5 37
 6  1  1200  49  15  8  1.3×10-5 42
 7  1  1200  98  11  9  1.3×10-5 44
 8  1  1200  147  8  10  1.3×10-5 46
 9  1  1200  196  6  12  1.2×10-5 47
 10  1  1200  245  5  13  1.2×10-5 50
 11  1  1250  245  2  15  1.2×10-5 55
 12  2  1000  196  28  6  1.4×10-5 36
 13  3  1000  196  31  6  1.4×10-5 34
表16-3
 序号 样品号 热压条件 孔隙度％ 平均晶粒直径(μm) 特性
温度℃ 压强MPa 电阻率ρ(Ω.m) 热传导率κ(W/m.K)
实施方式16  14  11  800  294  12  0.05  3.3×10-5  19
 15  1  900  245  10  0.10  2.1×10-5  21
 16  1  1000  196  10  0.90  1.6×10-5  24
 17  1  1100  98  9  2.4  1.4×10-5  27
 18  1  1200  49  8  5.0  1.3×10-5  32
 19  1  1250  24  7  8.4  1.2×10-5  45
 20  2  1100  98  8  3.1  1.4×10-5  29
 21  3  1100  98  8  2.8  1.5×10-5  27
 22  4  800  294  15  0.11  3.6×10-5  20
 23  4  900  294  8  0.35  2.6×10-5  22
 24  5  800  294  19  0.12  3.7×10-5  21
 25  5  900  294  11  0.31  3.0×10-5  24
 26  6  800  294  9  0.14  3.4×10-5  23
表17-1
样品号  基体 掺杂物的添加数量 载流子浓度(M/m3) 平均研磨颗粒直径(μm)
掺杂物 添加数量(原子％)
实施式式17  7  Si  P  3.0  2.8×1020  2.6
 8  Si  Sb  3.0  2.8×1020  2.8
 9  Si  Bi  3.0  3.5×1020  2.8
 10  Si  Cr  3.0  3.4×1020  3.5
 11  Si  La  3.0  3.5×1020  2.9
 12  Si  PCr  1.51.5  3.0×1020  3.4
 13  Si  PCrLa  1.01.01.0  3.2×1020  3.1
表17-2
 序号 样品号 热压条件 孔隙度％ 平均晶粒直径(μm) 特性
温度℃ 压强MPa 电阻率ρ(Ω.m) 热传导率κ(W/m.K)
实施方式17  27  7  -  -  0  14  1.3×10-5  30
 28  7  1000  49  45  3  2.9×10-5  9
 29  7  1000  98  40  4  1.9×10-5  13
 30  7  1000  196  31  5  1.7×10-5  15
 31  7  1000  294  24  5  1.6×10-5  17
 32  7  1200  49  17  8  1.4×10-5  19
 33  7  1200  98  13  9  1.4×10-5  21
 34  7  1200  147  9  10  1.4×10-5  22
 35  7  1200  196  7  12  1.4×10-5  23
 36  7  1200  245  5  13  1.3×10-5  25
 37  7  1250  245  2  14  1.3×10-5  29
 38  8  1000  196  27  6  1.6×10-5  18
 39  9  1000  196  30  6  1.7×10-5  17
表17-3
 序号 样品号 热压条件 孔隙度％ 平均晶粒直径(μm) 特性
温度℃  压强MPa 电阻率ρ(Ω.m) 热传导率κ(W/m.K)
实施方式17  40  7  800  294  9  0.06  2.9×10-5 13
 41  7  900  245  8  0.10  1.7×10-5 16
 42  7  1000  196  7  1.0  1.6×10-5 19
 43  7  1100  98  7  2.3  1.5×10-5 21
 44  7  1200  49  5  5.0  1.4×10-5 24
 45  7  1250  24  4  8.6  1.4×10-5 26
 46  8  1100  98  5  3.4  1.5×10-5 24
 47  9  1100  98  5  3.5  1.6×10-5 23
 48  10  1000  196  11  1.4  2.5×10-5 25
 49  11  1000  196  9  1.8  1.6×10-5 17
 50  12  1000  196  9  1.5  1.8×10-5 24
 51  12  1100  98  8  2.4  1.6×10-5 27
 52  13  1000  196  8  1.2  1.1×10-5 21
实施方式18
为了产生一种p-型半导体，以特定比例形成高纯度单晶硅(10N)或者低纯度单晶硅(3N)和表18所显示的硅基化合物的混合物，然后在一种氩气气氛中将它们电弧熔化，以使载流子浓度为1020(M/m3)。这样，所获得的、按钮形状的块被切成5×5×5毫米，10×10×2毫米，和10毫米外直径×2毫米的尺寸，并且测量每一种的载流子浓度，电阻率，和热传导率。这些测量结果见表18。
如从表18中可以看出的，当掺杂物是一种硅化合物时，熔化的掺杂物很少被蒸发和分散，如在熔化后的分析值所表示的，剩余了95原子％的掺杂物。这使能够更精确地控制掺杂物的被添加数量。
实施方式19
为了产生一种n-型半导体，以特定比例形成高纯度单晶硅(10N)或者低纯度单晶硅(3N)和表19所显示的硅基化合物的化合物，然后在一种氩气气氛中将它们电弧熔化，以使载流子浓度为1020(M/m3)。这样，所获得的、按钮形状的块被切成5×5×5毫米，10×10×2毫米，和10毫米外直径×2毫米的尺寸，并且测量每一种的载流子浓度，电阻率，和热传导率。这些测量结果见表19。
如从表19中可以看出的，当掺杂物是一种硅化合物时，熔化的掺杂物很少被蒸发和分散，如在熔化后的分析值所表示的，剩余了95原子％的掺杂物。这使能够更精确地控制掺杂物的被添加数量。表18
序号 基体硅的纯度 掺杂物  熔化后的分析值原子％ 载流子浓度n(M/m3) 特性
元素名  添加的物质  添加数量(原子％) 电阻率ρ(Ω.m) 热传导率κ(W/m.K)
 1  10N  Al  Al4Si  3.00  2.95  1.6×1020 4.0×10-6 51
 2  10N  B  B4Si  3.00  2.82  1.0×1020 6.4×10-6 43
 3  10N  Mg  Mg2Si  3.00  2.89  3.2×1020 5.6×10-6 53
 4  10N  Ba  Ba2Si  3.00  2.91  2.5×1020 1.4×10-5 39
 5  3N  Al  Al4Si  3.00  2.94  1.5×1020 4.0×10-6 51
 6  10N  B  B4Si  3.00  2.95  1.0×1020 4.4×10-6 42
 7  10N  Y  Y3Si5  3.00  2.85  1.2×1020 8.4×10-6 49
 8  10N  Mo  Mo3Si  3.00  2.91  1.8×1020 6.2×10-6 19
 9  10N  Al,B  AlB2  3.00  2.65  8.7×1019 9.2×10-6 48
 10  3N  Al  Al  3.00  2.35  9.9×1019 7.2×10-6 55
表19
序号 基体硅的纯度 掺杂物 熔化后的分析值原子％ 载流子浓度n(M/m3) 特性
元素名 添加的物质 添加数量(原子％) 电阻率ρ(Ω.m) 热传导率κ(W/m.K)
 11  10N  P  SiP  3.00  2.91  1.3×1020  6.9×10-6  42
 12  10N  S  SiS2  3.00  2.92  1.9×1020  1.0×10-5  68
 13  10N  O  SiO2  3.00  2.95  1.8×1020  9.8×10-6  75
 14  10N  As  SiAs2  3.00  2.86  1.0×1020  1.2×10-6  82
 15  3N  N  Si3N4  3.00  2.95  1.8×1020  4.3×10-6  56
 16  3N  P  SiP  3.00  2.92  1.4×1020  7.1×10-6  41
 17  10N  Co  CoSi  3.00  2.92  2.1×1020  8.2×10-6  45
 18  10N  Ce  CeSi2  3.00  2.86  1.6×1020  9.3×10-6  36
 19  10N  P,O  P2O5  3.00  1.95  6.3×1019  7.8×10-6  62
 20  10N  P,S  P2S5  3.00  2.13  7.5×1019  8.7×10-6  85
 21  10N  P  P  3.00  2.32  7.3×1019  4.8×10-5  62
实施方式20
为了产生一种硅基导电材料，以这样一种方法来在一种高纯度单晶硅(10N)衬底中掺杂硼，以使用一种离子束装置来画一条细线，以使在一预定宽度和预定深度区域中的硅包含3原子％的硼。对被掺杂区域的电阻率的测量结果表明被掺杂区域的电阻率大约是10-5(Ω.m)，另外，还发现这样所获得的导电材料的特性与前面通过使用熔化方法所获得的、包含3原子％的硼的导电材料的特性类似。
通过添加各种所需元素，过渡金属元素，或者稀土元素到具有一金刚石类型结构的硅中，并且通过合适的选择掺杂物的数量和类型来进行调节，可以降低本发明的硅基导电材料的电阻。淬火产生了一种结构，其中半导体的平均晶粒直径很小，并且显示金属导电性或者半金属导电性的一种晶界相是分散的，这产生了导电性能很好的(电阻率为10-5(Ω.m)或者更少)的一种硅基导电材料。另外，也能够通过将其它元素的原子基本上分布在硅晶格中来获得导电性能很好的(电阻率为10-5(Ω.m)或者更少)的一种导电材料。
根据本发明的硅基导电材料可以用于任何需要导电的应用中，并且还可以根据应用的需要，形成任何形状，例如片状，棒状，球状，带状，或者微粒状。例如，与所需元素一起被熔化的原材料可以被注塑形成一种导电部分，其形状可以是片状，棒状，线状，或者其它所需形状，或者通过使用汽相生长技术和成膜可以产生一种薄膜，或者使用一种离子束和成膜技术可以在一种硅衬底中注入磷或者硼，以允许按照需要而形成导电路径。

Claims (27)

1．一种硅基导电材料，其中所述硅包含含量至少为0.001原子％的至少一种其它元素，并且其电阻率ρ不大于1×10-3(Ω.m)。
2．如权利要求1的硅基导电材料，由一种半导体晶粒相和分散在材料中的一种金属或者半金属导体晶界相组成。
3．如权利要求1的硅基导电材料，其中所述其它元素的原子均匀地分布在硅晶格中。
4．如权利要求1到3的硅基导电材料，其中所述其它元素是从下述元素组中选择出的一种或者多种元素，这组元素包括：掺杂物A(Be,Mg,Ca,Sr,Ba,Zn,Cd,Hg,B,Al,Ga,In,Tl)和过渡金属元素M1(Y,Mo,Zr)。
5．如权利要求1到3的硅基导电材料，其中所述其它元素是从下述元素组中选择出的一种或者多种元素，这组元素包括：掺杂物B(N,P,As,Sb,Bi,O,S,Se,Te)，过渡金属元素M2(Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Nb,Ru,Rh,Pd,Ag,Hf,Ta,W,Re,Os,Ir,Pt,Au)，和稀土元素RE(La,Ce,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Yb,Lu)。
6．如权利要求1到3的硅基导电材料，其中所述其它元素是从下述元素组中选择出的一种或者多种元素，这组元素包括：掺杂物A(Be,Mg,Ca,Sr,Ba,Zn,Cd,Hg,B,Al,Ga,In,Tl)，掺杂物B(N,P,As,Sb,Bi,O,S,Se,Te)，过渡金属元素M1(Y,Mo,Zr),过渡金属元素M2(Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Nb,Ru,Rh,Pd,Ag,Hf,Ta,W,Re,Os,Ir,Pt,Au)，和稀土元素RE(La,Ce,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Yb,Lu)。
7．如权利要求1到6的硅基导电材料，其中所述其它元素的含量是0.1原子％到25原子％，其电阻率ρ不大于1×10-5(Ω.m)。
8．如权利要求1到7的硅基导电材料，其形状是一种带状，片状，棒状，或者球状。
9．如权利要求1到7的硅基导电材料，其形状是形成于衬底上的薄膜。
10．如权利要求1到7的硅基导电材料，其形状是单晶硅或者多晶硅衬底，并且仅在需要导电的地方包括掺杂物。
11．如权利要求10的硅基导电材料，其中使用离子注入技术，以所需形状在硅衬底掺入所需的掺杂物。
12．如权利要求11的硅基导电材料，其中掺杂物是硼或者磷。
13．如权利要求1到7的硅基导电材料，其形状是单晶硅或者多晶硅衬底，并且这个被掺杂了所需掺杂物的单晶硅或者多晶硅衬底连接到另一种衬底。
14．如权利要求1到7的硅基导电材料，它被做成很细的形状并且分布在一种金属或者合金材料或者粉末中。
15．如权利要求1到7的硅基导电材料，它被做成很细的形状并且分布在一种树脂材料中。
16．如权利要求1到7的硅基导电材料，它被做成很细的形状并且分布在陶瓷或者玻璃材料中。
17．如权利要求1到7的硅基导电材料，它被做成很细的形状并且分布在从金属或者合金材料或者粉末，树脂材料，和陶瓷或者玻璃材料中选择出的混合物材料中。
18．如权利要求1到7的硅基导电材料，它分布在从金属或者合金材料或者粉末，树脂材料，和陶瓷或者玻璃材料中选择出的混合物材料中并形成很细的浆糊状混合物，并且浆糊状混合物被注塑成形并且被固化在所需表面上。
19．用于制造硅基导电材料的方法，其中由包含含量至少为0.001原子％的至少一种其它元素的硅组成的熔化物被淬火，以获得由半导体晶粒相和分散在材料中的一种金属或者半金属导体晶界相组成的一种结构。
20．如权利要求19所述的用于制造硅基导电材料的方法，其中淬火的方法包括用一种冷却器进行淬火。
21．如权利要求19所述的用于制造硅基导电材料的方法，其中淬火的方法包括通过与一种旋转的辊子进行接触来激冷，以使大部分或者全部材料均被变成非晶体，然后对这个产品进行加热处理。
22．如权利要求21所述的用于制造硅基导电材料的方法，包括在激冷后进行热处理。
23．如权利要求19所述的用于制造硅基导电材料的方法，其中淬火的方法包括对这个熔化物进行淬火，以使其平均晶粒直径为0.1到5微米。
24．用于制造硅基导电材料的方法，其中由包含含量至少为0.001原子％的至少一种其它元素的硅组成的一种熔化物被淬火，然后被进行热处理，以获得由半导体晶粒相和分散在材料中的金属或者半金属导体晶界相组成的一种结构。
25．用于制造硅基导电材料的方法，其中使用离子注入技术，在单晶硅或者多晶硅衬底中掺杂所需的掺杂物，并且在被掺杂的位置形成导体。
26．用于制造硅基导电材料的方法，其中通过将如权利要求1到7的形状很细的硅分布在从金属或者合金材料或者粉末，树脂材料，和陶瓷或者玻璃材料中选择出的混合物材料中制成浆糊状混合物，并且这个浆糊状混合物被注塑成形并且被固化在所需表面上。
27．用于制造硅基导电材料的方法，其中使用汽相生长技术，如权利要求1到7中任何一项的硅基导电材料被形成为薄膜。
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