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天津理工大学天津理工大学第四章第四章 半导体材料半导体材料 1 天津理工大学天津理工大学uu半半导导体体：导电性能介于金属和绝缘体之间；（10-61012）u具有负的电阻温度系数。（导导体体具具有有正正的的电阻温度系数）电阻温度系数）绝缘体绝缘体半导体半导体导体导体10121022.cm10-61012.cm10-6.cm2半导体材料的半导体材料的 构成元素构成元素(元素、化合物半导体）元素、化合物半导体）3 天津理工大学天津理工大学国民经济国民经济国家安全国家安全科学技术科学技术半导体微电子和光电子材料半导体微电子和光电子材料通信、高速计算、通信、高速计算、大容量信息处理、大容量信息处理、空间防御、电子对空间防御、电子对抗、武器装备的微抗、武器装备的微型化、智能化型化、智能化半导体材料的地位：4 天津理工大学天津理工大学l单晶硅和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研制成功，单晶硅和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研制成功，导致了电子工业革命。导致了电子工业革命。l世纪世纪7070年代初，石英光导纤维材料和年代初，石英光导纤维材料和GaAsGaAs激光器的发明，促激光器的发明，促进了光纤通信技术迅速发展，使人类进入了信息时代。进了光纤通信技术迅速发展，使人类进入了信息时代。l超晶格概念的提出及其半导体超晶格、量子阱材料的成功超晶格概念的提出及其半导体超晶格、量子阱材料的成功 改变了光电器件的设计思想，改变了光电器件的设计思想，使半导体器件的设计与制造从使半导体器件的设计与制造从“杂质工程杂质工程”发展到发展到“能带工程能带工程”5 天津理工大学天津理工大学4.14.1半导体的晶体结构半导体的晶体结构1.1.金刚石型结构金刚石型结构2.2.闪锌矿型结构闪锌矿型结构3.3.纤锌矿型结构纤锌矿型结构6类型：类型：IV族元素族元素C（金刚石）、刚石）、Si、Ge、Sn(灰锡）的晶体。灰锡）的晶体。结合力：结合力：共价键力。共价键力。特征：特征：立方对称晶胞。立方对称晶胞。1.金金刚石型结构（刚石型结构（D D）共价四面体面心立方7 天津理工大学天津理工大学l面心立方结构面心立方结构的八个顶角和六个面心各有一个原子，内部的八个顶角和六个面心各有一个原子，内部四条空间对角线上距顶角原子四条空间对角线上距顶角原子1/4对角线长度处各有一个原对角线长度处各有一个原子，金刚石结构晶胞中共有子，金刚石结构晶胞中共有8个原子。个原子。l金刚石结构晶胞也可以看作是两个面心立方沿空间对角线金刚石结构晶胞也可以看作是两个面心立方沿空间对角线相互平移相互平移1/4对角线长度套构而成的。对角线长度套构而成的。l整个整个Si、Ge晶体就是由这样的晶胞周期性重复排列而成。晶体就是由这样的晶胞周期性重复排列而成。82.-ZnS（闪锌矿）型结构闪锌矿）型结构（Z）类型：类型：III-V和II-VI族形族形 成的化合物成的化合物 GaAs。结合力：结合力：共价键力部分离子共价键力部分离子 键力成分。键力成分。特征：特征：立方对称晶胞。立方对称晶胞。9 天津理工大学天津理工大学 GaAs的闪锌矿结构的闪锌矿结构lGaAsGaAs晶体中每个晶体中每个GaGa原子和原子和AsAs原子共有一对价电子，形原子共有一对价电子，形成四个共价键，组成共价四面体。成四个共价键，组成共价四面体。l闪锌矿结构和金刚石结构的不同之处在于套构成晶胞闪锌矿结构和金刚石结构的不同之处在于套构成晶胞的两个面心立方分别是由两种不同原子组成的。的两个面心立方分别是由两种不同原子组成的。共价四面体共价四面体103.-ZnS（纤锌矿）型结构纤锌矿）型结构（W）类型：类型：III-V和II-VI族形族形 成的化合物成的化合物 GaN。结合力：结合力：共价键力部分离子共价键力部分离子 键力成分。键力成分。特征：特征：六方对称晶胞。六方对称晶胞。11 天津理工大学天津理工大学4.2 4.2 半导体的分类半导体的分类l按功能和应用按功能和应用分分 微电子半导体微电子半导体光电半导光电半导体体热电半导热电半导体体微波半导微波半导体体气敏半导体气敏半导体 12 天津理工大学天津理工大学按组成分按组成分：无机半导体：元素、化合无机半导体：元素、化合物物有机半导有机半导体体按结构分按结构分:晶体：单晶体、多晶晶体：单晶体、多晶体体非晶、无定非晶、无定形形13 天津理工大学天津理工大学(1)(1)元素半导体晶体元素半导体晶体GeSeSiCBTePSbAs元素半导体SISn熔点太高、不熔点太高、不易制成单晶易制成单晶不稳定、不稳定、易挥发易挥发低温某种固相低温某种固相稀稀少少1 1、无机半导体晶体材料、无机半导体晶体材料14 天津理工大学天津理工大学化合物化合物半导体半导体-族族-族族金金属氧化物属氧化物-族族-族族-族族InP、GaP、GaAs、InSb、InAsCdS、CdTe、CdSe、ZnSSiCGeS、SnTe、GeSe、PbS、PbTeAsSe3、AsTe3、AsS3、SbS3CuO2、ZnO、SnO2(2)(2)化合物半导体及固溶体半导体化合物半导体及固溶体半导体 15 天津理工大学天津理工大学2 2、非晶态半导体、非晶态半导体(1)(1)元素半元素半导导体有非晶体有非晶SiSi、非晶、非晶GeGe以及非晶以及非晶TeTe、SeSe(2)(2)化合物有化合物有GeTeGeTe、AsAs2 2TeTe3 3、SeSe4 4TeTe、SeSe2 2AsAs3 3、AsAs2 2SeTeSeTe非非晶半晶半导导体体3 3、有机半导体、有机半导体 有机半有机半导导体通常分体通常分为为有机分子晶体、有机分子有机分子晶体、有机分子络络合物和高分子聚合物。合物和高分子聚合物。16 天津理工大学天津理工大学l元素半导体：元素半导体：Si Ge 集成电路应用集成电路应用l化合物半导体化合物半导体n-族族，GaN/GaAs/GaP/InP微波微波、光电器件的、光电器件的主要材料，主要材料，InSb/InAs禁带窄，电子迁移率高，主禁带窄，电子迁移率高，主要用于制作红外器件和霍耳器件。要用于制作红外器件和霍耳器件。n-族，族，Zn0，主要用于光电器件，主要用于光电器件，场致发光，场致发光n-族族，PbS/PbTe,窄禁带窄禁带，光敏器件，光敏器件n氧化物半导体氧化物半导体，SnO2n硫化物半导体硫化物半导体，As(S,Se,Te),Ge(S,Se,Te)n稀土化合物半导体稀土化合物半导体,EuO,TmS 一些一些重要半导体重要半导体17 天津理工大学天津理工大学长期以来将固体分为：长期以来将固体分为：晶体和非晶体。晶体和非晶体。晶体的基本特点：晶体的基本特点：具有一定的外形和固定的熔点，组成晶体的原子具有一定的外形和固定的熔点，组成晶体的原子（或离子）在较大的范围内（至少是微米量级）是（或离子）在较大的范围内（至少是微米量级）是按一定的方式有规则的排列而成按一定的方式有规则的排列而成长程有序长程有序。4.2 4.2 单晶半导体单晶半导体18 天津理工大学天津理工大学晶体又可分为：晶体又可分为：单晶和多晶单晶和多晶单晶：单晶：指整个晶体主要由原子指整个晶体主要由原子(或离子或离子)的一种规则的一种规则 排列方式排列方式 所贯穿。常用的半导体材料锗所贯穿。常用的半导体材料锗 (GeGe)、硅、硅(SiSi)、砷化镓、砷化镓 (GaAsGaAs)都是单晶。都是单晶。多晶：多晶：是由大量的微小单晶体（晶粒）随机堆积成是由大量的微小单晶体（晶粒）随机堆积成 的整块材料，如各种金属材料和电子陶瓷材料。的整块材料，如各种金属材料和电子陶瓷材料。19 天津理工大学天津理工大学 非晶：无规则的外形和固定的熔点，内部结构也无规则的外形和固定的熔点，内部结构也不存在长程有序，但在若干原子间距内的较小范不存在长程有序，但在若干原子间距内的较小范围内存在结构上的有序排列围内存在结构上的有序排列短程有序短程有序 （如非晶硅：（如非晶硅：a-Sia-Si）非晶、非晶、多晶多晶 单晶单晶20 天津理工大学天津理工大学多晶多晶单单晶晶21 天津理工大学天津理工大学半导体材料的分代半导体材料的分代第一代半导体材料：第一代半导体材料：以以硅硅SiSi为代表为代表第二代半导体材料：第二代半导体材料：以以砷化镓砷化镓GaAsGaAs为代表为代表第三代半导体材料：第三代半导体材料：以以氮化镓氮化镓GaNGaN为代表的为代表的宽带隙化合物半导体材料宽带隙化合物半导体材料22 天津理工大学天津理工大学4.2.1 单晶硅、锗半导体材料单晶硅、锗半导体材料 （第一代半导体材料）（第一代半导体材料）1、硅、锗半导体材料物理、化学性质硅、锗半导体材料物理、化学性质23 天津理工大学天津理工大学浓硫酸浓硫酸 浓盐酸浓盐酸浓硝酸浓硝酸王水王水HF-HNO3 锗锗溶溶溶溶溶溶溶溶溶溶 硅硅不溶不溶不溶不溶不溶不溶不溶不溶溶溶半导体工业中常用半导体工业中常用HF-HNO3作为硅的腐蚀液作为硅的腐蚀液24 天津理工大学天津理工大学在周期性势场中运动的电子，满足薛定谔方程的波在周期性势场中运动的电子，满足薛定谔方程的波函数一定具有如下形式：函数一定具有如下形式：一维晶格一维晶格2、硅、锗半能带结构硅、锗半能带结构25 天津理工大学天津理工大学求解薛定谔方程求解薛定谔方程 -1/a -1/2a 0 1/2a 1/a kE E与与k的关系的关系 能带能带 简约布里渊区简约布里渊区允带允带允带允带允带允带允带允带禁带禁带1/2a 0 1/2a26 天津理工大学天津理工大学硅和锗沿硅和锗沿100100和和111111方向的能带结构方向的能带结构点：布里渊区中心点：布里渊区中心X点：点：100轴与该方向布里渊区边界的交点轴与该方向布里渊区边界的交点L点：点：111轴与该方向布里渊区边界的交点轴与该方向布里渊区边界的交点Eg:禁带宽度禁带宽度1.1ev0.66ev27 天津理工大学天津理工大学l硅和锗价带极大值位于硅和锗价带极大值位于k=0k=0处，三维晶体中为一球形等能面处，三维晶体中为一球形等能面l硅和锗导带多能谷结构，三维晶体中分别存硅和锗导带多能谷结构，三维晶体中分别存6 6和和8 8个能量最小值个能量最小值l硅和锗导带底和价带顶在硅和锗导带底和价带顶在k k空间处于不同的空间处于不同的k k值，为值，为间接带系半间接带系半导体导体28 天津理工大学天津理工大学画能带时只需画能量最高的价带和能量最低的导带。价带画能带时只需画能量最高的价带和能量最低的导带。价带顶和导带底都称为带边，分别用顶和导带底都称为带边，分别用Ev和和Ec表示它们的能量，表示它们的能量，带隙宽度带隙宽度EgEc-Ev。导导 带带价价 带带EgECEV29 天津理工大学天津理工大学2、硅、锗中的杂质缺陷硅、锗中的杂质缺陷杂质进入晶格中的存在形式：杂质进入晶格中的存在形式：间隙式杂质间隙式杂质 替位式杂质替位式杂质间隙式杂质间隙式杂质:A,半径较小半径较小替位式杂质替位式杂质:B,原子大小与替换原子接近原子大小与替换原子接近 价电子壳层结构接近价电子壳层结构接近30 天津理工大学天津理工大学替位式杂质：两类替位式杂质：两类第一类：第一类：施主掺杂，施主掺杂，n型半导体型半导体第二类：第二类：受主掺杂，受主掺杂，p型半导体型半导体 族或过渡金属族或过渡金属 族或过渡金属族或过渡金属31 天津理工大学天津理工大学导导 带带价价 带带施主能级施主能级EDEgECEV施主掺杂施主掺杂32 天津理工大学天津理工大学导导 带带EA价价 带带受主能级受主能级EgECEV受主掺杂受主掺杂33 天津理工大学天津理工大学施主能级施主能级 +受主能级受主能级 -34 天津理工大学天津理工大学35 天津理工大学天津理工大学硅作为集成电路半导体材料的主要原因：硅作为集成电路半导体材料的主要原因：1.1.硅含量丰富（占地壳硅含量丰富（占地壳27%27%）；）；2.2.硅提纯和结晶方便；硅提纯和结晶方便；3.3.硅的器件工作温度高；硅的器件工作温度高；4.Si4.SiO O2 2膜的钝化和掩模作用是器件的稳定性膜的钝化和掩模作用是器件的稳定性 以可靠性提高。以可靠性提高。36 天津理工大学天津理工大学u晶体二极管、三极管、变容二极管晶体二极管、三极管、变容二极管(利用利用p-n结电容效应结电容效应)、混、混频二极管频二极管(利用肖特基势垒效应利用肖特基势垒效应)、光电二极管、光电二极管(利用光电导和光利用光电导和光伏效应伏效应)、雪崩光电二极管、雪崩渡越二极管、雪崩光电二极管、雪崩渡越二极管(利用利用p-n结雪崩倍结雪崩倍增效应增效应)u半导体探测器半导体探测器(利用光电效应利用光电效应)u集成电路集成电路u热敏电阻热敏电阻(利用热电效应利用热电效应)u太阳能电池太阳能电池(利用光生伏特效应利用光生伏特效应)硅、锗半导体材料的主要应用硅、锗半导体材料的主要应用（1 1）硅材料）硅材料37 天津理工大学天津理工大学（2）锗材料）锗材料 根根据据锗锗的的性性能能也也可可以以制制作作用用硅硅制制作作的的大大部部分分半半导导体体器器件件，但但是是出出于于硅硅具具有有许许多多优优良良的的特特性性和和丰丰富富的的资资源源，目前绝大多数半导体器件都是用硅制造的。目前绝大多数半导体器件都是用硅制造的。尽尽管管如如此此，锗锗器器件件在在一一些些领领域域还还占占有有优优势势，例例如如高高频频小小功功率率晶晶体体管管，特特别别对对低低压压条条件件锗锗材材料料更更有有利利，还还有有锗锗材材料料制制作作的的红红外外探探测测器器在在红红外外检检测测、原原子子能能分分析析、探探矿分析等方面的应用都有重要地位。矿分析等方面的应用都有重要地位。38 天津理工大学天津理工大学新一代信息功能材料研发是必然趋势新一代信息功能材料研发是必然趋势n随着无线通讯时代的到来，硅被应用到通讯方面随着无线通讯时代的到来，硅被应用到通讯方面的电子元件。但是，硅电路传送讯息的速度太慢、的电子元件。但是，硅电路传送讯息的速度太慢、杂讯太多。杂讯太多。n传讯的关键在于电子移动速率的快慢，这是材料传讯的关键在于电子移动速率的快慢，这是材料的基本电学特性之一，很难加以改良。硅元件的的基本电学特性之一，很难加以改良。硅元件的电子移动速率不够快，已无法满足人们的需要，电子移动速率不够快，已无法满足人们的需要，因此新材料的研发是必然趋势。因此新材料的研发是必然趋势。39 天津理工大学天津理工大学4.2.2 单晶化合物半导体材料单晶化合物半导体材料40 天津理工大学天津理工大学V族化合物族化合物特性特性单位单位半导体材料半导体材料硅硅砷化镓砷化镓磷化铟磷化铟氮化镓氮化镓能阶带能阶带eV1.11.421.353.44300K电子电子迁移迁移cm2/vs15008500540010002000饱和电压饱和电压107cm/s1.01.31.01.3热传导热传导V/cm*k1.50.50.71.5介电常数介电常数11.812.812.59.041 天津理工大学天津理工大学第二代半导体材料代表砷化镓第二代半导体材料代表砷化镓砷化镓砷化镓100100和和111111方向的能带方向的能带1.42ev点：布里渊区中心点：布里渊区中心X点：点：100轴与该方向布里渊区边界的交点轴与该方向布里渊区边界的交点L点：点：111轴与该方向布里渊区边界的交点轴与该方向布里渊区边界的交点Eg:禁带宽度禁带宽度42 天津理工大学天津理工大学l砷化镓砷化镓价带极大值位于价带极大值位于k=0k=0处，导带极小值也在处，导带极小值也在k=0k=0处，处，为直接带系型。为直接带系型。和硅的间接带系相比和硅的间接带系相比光电转换效率更高光电转换效率更高。l砷化镓的禁带宽度比硅大，晶体管的工作温度上限与砷化镓的禁带宽度比硅大，晶体管的工作温度上限与EgEg有关，有关，因此砷化镓工作温度上限比硅高，而且大的禁带宽度是晶体管击因此砷化镓工作温度上限比硅高，而且大的禁带宽度是晶体管击穿电压大。穿电压大。1.42ev1.1ev43 天津理工大学天津理工大学V族化合物半导体具有如下特点。(1)(1)禁带宽度比硅大。禁带宽度比硅大。可做高温、大功率器件。可做高温、大功率器件。(2)(2)大都为直接跃迁型能带。大都为直接跃迁型能带。其光电转换效率较高，其光电转换效率较高，适宜制作光电器件。适宜制作光电器件。(2)(2)电子迁移率比硅大。电子迁移率比硅大。故具有适于高频、高速开关的故具有适于高频、高速开关的 优点。优点。如如GaAsGaAs的迁移率比硅大的迁移率比硅大4-54-5倍倍用它制用它制 作集成电路时，工作效率比硅更高。作集成电路时，工作效率比硅更高。(3)(3)各种化合物间可形成固溶体。各种化合物间可形成固溶体。因而可制成禁带宽度、因而可制成禁带宽度、点阵常数、迁移率等连续变化的半导体材料。点阵常数、迁移率等连续变化的半导体材料。44 天津理工大学天津理工大学化合物半导体最大的优点是：化合物半导体最大的优点是：可按任意比例组合两种可按任意比例组合两种以上的化合物半导体，以上的化合物半导体，从而获得混合晶体化合从而获得混合晶体化合物半导体，它的性能处物半导体，它的性能处于原来两种半导体材料于原来两种半导体材料之间。因此材料选择之间。因此材料选择的自由度显著增大的自由度显著增大45 天津理工大学天津理工大学砷化镓砷化镓硅硅最大频率范围最大频率范围2300GHz1GHz最大操作温度最大操作温度200oC120oC电子迁移速率电子迁移速率高高低低抗辐射性抗辐射性高高低低具光能具光能是是否否高频下使用高频下使用杂讯少杂讯少杂讯多，不易克服杂讯多，不易克服功率耗损功率耗损小小高高元件大小元件大小小小大大材料成本材料成本高高低低产品良率产品良率低低高高砷化镓元件与硅元件特性比较砷化镓元件与硅元件特性比较46 天津理工大学天津理工大学应用领域应用领域频率范围频率范围个人通讯服务个人通讯服务900MHz（cellular）1.82.2GHz（PCS）2.22.4GHz（3G wireless）有线电视有线电视501000MHzGPS1.6GHz卫星电视卫星电视1113GHzWireless LAN900MHz2.4、5.8、60GHzPoint-to-point Radio6、8、11、15、18、23、38、60GHzVSAT（小型卫星地面站）（小型卫星地面站）6、14、28GHz卫星移动电话卫星移动电话1.6、2.5GHz（subscriber）20、23、29GHz（up/down/crosslink）宽频卫星服务宽频卫星服务28GHz汽车雷达控制系统汽车雷达控制系统7677GHz电子收费系统电子收费系统5.8GHzGaAsGaAs非常适合高频无线通讯非常适合高频无线通讯47 天津理工大学天津理工大学手手机机使用使用通讯频率通讯频率是是1.8GHz1.8GHz,因此因此手手机机上使用的上使用的ICIC，多多为为砷化砷化镓镓的化合物的化合物半导体半导体48 天津理工大学天津理工大学GaAs的应用普及度仍不比硅，的应用普及度仍不比硅，硅比砷化镓具有几个明显的优点硅比砷化镓具有几个明显的优点49 天津理工大学天津理工大学第三代半导体材料代表氮化镓第三代半导体材料代表氮化镓l禁带宽度禁带宽度Eg2eV称为窄禁带半导体，称为窄禁带半导体，如：锗、硅、砷化镓、磷化铟如：锗、硅、砷化镓、磷化铟l禁带宽度禁带宽度Eg为为2.06.0eV称为宽禁带半导体材料称为宽禁带半导体材料 如：碳化硅、氮化镓、氮化铝以及氮化镓铝如：碳化硅、氮化镓、氮化铝以及氮化镓铝50 天津理工大学天津理工大学l宽带隙化合物半导体材料，宽带隙化合物半导体材料，有很高的禁带宽度有很高的禁带宽度（2.36.2eV)，可以覆盖红、黄、绿、蓝、紫可以覆盖红、黄、绿、蓝、紫和紫外光谱范围和紫外光谱范围，是到目前为止其它任何半导体，是到目前为止其它任何半导体材料都无法达到的材料都无法达到的l高频特性，高频特性，可以达到可以达到300G Hz（硅为硅为10G，砷化砷化镓为镓为80G）GaNGaN半导体材料特点半导体材料特点51 天津理工大学天津理工大学氮化镓具有禁带宽度氮化镓具有禁带宽度52 天津理工大学天津理工大学半导体的光致发光：半导体的光致发光：是指在外来激发光作用下，物体将吸收的能量以光是指在外来激发光作用下，物体将吸收的能量以光子形式再发射而产生发光的现象。子形式再发射而产生发光的现象。在半导体的光致发光现象中，存在着三个过程，在半导体的光致发光现象中，存在着三个过程，1 1 光吸收，光吸收，半导体中的电子吸收一定能量的光子后，由基态半导体中的电子吸收一定能量的光子后，由基态跃迁至激发态，从而在一定能级上产生非平衡载流子；跃迁至激发态，从而在一定能级上产生非平衡载流子；2 2能量传递过程，能量传递过程，既上述非平衡载流子通过晶格弛豫的方式既上述非平衡载流子通过晶格弛豫的方式到达较低能级进行电子一空穴对复合；到达较低能级进行电子一空穴对复合；3 3发光，发光，通过复合辐射的光子一部分从样品表面辐射出来，通过复合辐射的光子一部分从样品表面辐射出来，发出一定颜色的光。发出一定颜色的光。53 天津理工大学天津理工大学54 天津理工大学天津理工大学DV过过程程 松弛的束缚在中性杂质上的电子和一个价带中的空穴复合，相应跃迁能量是EgED。CA过程过程 半导体导带中的一个电子落在受主杂质原子上，并使受主杂质原子电离化，这个过程的能量为EgEA。CDA过过程程 导带电子向深受主杂质上的跃迁，其能量小于能隙很多，这就是深受主杂质跃迁。DA过过程程 如果同一半导体材料中，施主和受主杂质同时存在，那么可能发生中性施主杂质给出一个电子跃迁到受主杂质上的过程。半导体的光致发光过程半导体的光致发光过程55 天津理工大学天津理工大学lGaNGaN区别于第一和第二代半导体材料最重要的物理特点是区别于第一和第二代半导体材料最重要的物理特点是具有更宽的带宽，具有更宽的带宽，可以发射波长比红光更短的蓝光。可以发射波长比红光更短的蓝光。在在室温下，室温下，GaNGaN是优良的短波光电子材料。是优良的短波光电子材料。l凭借凭借GaNGaN半导体材料在高温高频、大功率工作条件下的出半导体材料在高温高频、大功率工作条件下的出色性能取代部分硅和其它化合物半导体材料器件市场。色性能取代部分硅和其它化合物半导体材料器件市场。GaN应用领域应用领域56 天津理工大学天津理工大学4.2.34.2.3半导体中的缺陷半导体中的缺陷1 本征点缺陷（无掺杂）本征点缺陷（无掺杂）一一 、点缺陷、点缺陷本征半导体：本征半导体：完全纯净的、没有任何掺杂的半导体称为本征半导体。完全纯净的、没有任何掺杂的半导体称为本征半导体。硅和锗都是四价元素，都是由同一种原子构成硅和锗都是四价元素，都是由同一种原子构成的的“单晶体单晶体”，属于本征半导体，属于本征半导体本征点缺陷：本征点缺陷：本征半导体中出现的点缺陷本征半导体中出现的点缺陷,包括：包括：弗兰克尔缺陷、肖特基缺陷弗兰克尔缺陷、肖特基缺陷 57 天津理工大学天津理工大学l弗仑克尔缺陷：弗仑克尔缺陷：一定温度下，一定温度下，格点原子在平衡位格点原子在平衡位置附近振动，其中某些原子能够获得较大的热运动置附近振动，其中某些原子能够获得较大的热运动能量，克服周围原子化学键束缚而挤入晶体原子间能量，克服周围原子化学键束缚而挤入晶体原子间的空隙位置，形成间隙原子，原先所处的位置相应的空隙位置，形成间隙原子，原先所处的位置相应成为空位。这种间隙原子和空位成对出现的缺陷称成为空位。这种间隙原子和空位成对出现的缺陷称为弗仑克尔缺陷为弗仑克尔缺陷。58 天津理工大学天津理工大学l肖特基缺陷：肖特基缺陷：一定温度下、一定温度下、表面附近的原子表面附近的原子A A和和B B依依靠热运动能量运动到外面新的一层格点位置上，而靠热运动能量运动到外面新的一层格点位置上，而A A和和B B处的空位由晶体内部原子逐次填充，从而在晶体处的空位由晶体内部原子逐次填充，从而在晶体内部形成空位，而表面则产生新原子层，结果是晶体内部形成空位，而表面则产生新原子层，结果是晶体内部产生空位但没有间隙原子，这种缺陷称为肖特基内部产生空位但没有间隙原子，这种缺陷称为肖特基缺陷。缺陷。59 天津理工大学天津理工大学n虽然这两种点缺陷同时存在，但由于在虽然这两种点缺陷同时存在，但由于在Si、Ge中中形成间隙原子一般需要较大的能量，所以肖特基形成间隙原子一般需要较大的能量，所以肖特基缺陷存在的可能性远比弗仑克尔缺陷大，因此缺陷存在的可能性远比弗仑克尔缺陷大，因此Si、Ge中主要的点缺陷是空位中主要的点缺陷是空位弗仑克尔缺陷弗仑克尔缺陷 肖特基缺陷肖特基缺陷60 天津理工大学天津理工大学lGaGa空位：空位：化合物半导体化合物半导体GaAsGaAs中，如果成份偏离正常化学比，中，如果成份偏离正常化学比，也会出现间隙原子和空位。如果也会出现间隙原子和空位。如果GaGa成份偏多会造成成份偏多会造成GaGa间隙原间隙原子和子和AsAs空位；空位；AsAs成份偏多会造成成份偏多会造成AsAs间隙原子和间隙原子和GaGa空位。空位。l反结构缺陷：反结构缺陷：化学比偏离还可能形成所谓反结构缺陷，如化学比偏离还可能形成所谓反结构缺陷，如GaAsGaAs晶体中晶体中AsAs的成份偏多，不仅形成的成份偏多，不仅形成GaGa空位，而且空位，而且AsAs原子还原子还可占据可占据GaGa空位，称为反结构缺陷。空位，称为反结构缺陷。l此外高能粒子轰击半导体时，也会使原子脱离正常格点位置，此外高能粒子轰击半导体时，也会使原子脱离正常格点位置，形成间隙原子、空位以及空位聚积成的空位团等。形成间隙原子、空位以及空位聚积成的空位团等。61 天津理工大学天津理工大学杂质缺陷是由外来杂质进入晶体而产生的缺陷。杂质缺陷是由外来杂质进入晶体而产生的缺陷。任何物质都不可能达到任何物质都不可能达到100%100%的纯净，或多或少总的纯净，或多或少总含有其他成分。因此杂质缺陷是材料中不可避免含有其他成分。因此杂质缺陷是材料中不可避免的一种缺陷形式，也是很重要的一种点缺陷的一种缺陷形式，也是很重要的一种点缺陷.2 杂质点缺陷（掺杂）：杂质点缺陷（掺杂）：杂质点缺陷：杂质点缺陷：间隙杂质缺陷间隙杂质缺陷 替位杂质缺陷替位杂质缺陷（N型半导体型半导体 P型半导体）型半导体）62 天津理工大学天津理工大学l位错是晶体中的另一种缺陷，它是一种线缺陷。位错是晶体中的另一种缺陷，它是一种线缺陷。l半导体单晶制备和器件生产的许多步骤都在高温半导体单晶制备和器件生产的许多步骤都在高温下进行，因而在晶体中会产生一定应力。在应力下进行，因而在晶体中会产生一定应力。在应力作用下会产生一定的位错。作用下会产生一定的位错。二、二、线缺陷线缺陷：螺旋位错螺旋位错 刃型位错刃型位错63 天津理工大学天津理工大学l位错使得晶体中存在一系列悬挂键，起到施主和受主位错使得晶体中存在一系列悬挂键，起到施主和受主的作用。的作用。失去电子失去电子施主，得到电子施主，得到电子受主。受主。l晶格畸变，能带发生变化，影响半导体的性能晶格畸变，能带发生变化，影响半导体的性能l形成电子空穴的复合形成电子空穴的复合产生中心以及散射中心，并产生中心以及散射中心，并且还可能是造成漏电管道、其它缺陷成核中心等不良且还可能是造成漏电管道、其它缺陷成核中心等不良现象的重要因素。现象的重要因素。位错对半导体材料及器件产生的影响位错对半导体材料及器件产生的影响64 天津理工大学天津理工大学三、面缺陷三、面缺陷 堆垛层错：堆垛层错：如果晶体中有某一个原子面的堆叠次序发如果晶体中有某一个原子面的堆叠次序发生了错乱，则在该晶面处即出现了原子排列的混乱生了错乱，则在该晶面处即出现了原子排列的混乱原子面的缺陷，这就是堆垛层错（简称为层错）。原子面的缺陷，这就是堆垛层错（简称为层错）。65 天津理工大学天津理工大学4.3 非晶半导体材料非晶半导体材料与晶态半导体材料相比，非晶态材料的原子在空间排与晶态半导体材料相比，非晶态材料的原子在空间排列上失去了长程有序性，但其组成原子也不是杂乱无列上失去了长程有序性，但其组成原子也不是杂乱无章排布的，由于受到化学键，特别是共价键的约束，章排布的，由于受到化学键，特别是共价键的约束，有几个原子在为小范围内小区域内有着与晶体相似的有几个原子在为小范围内小区域内有着与晶体相似的结构特征。结构特征。所以对非晶材料的结构描述：所以对非晶材料的结构描述：长程无序，短程有序长程无序，短程有序。66 天津理工大学天津理工大学n在非晶硅材料中包含大量的悬挂键、空位键等缺陷，在非晶硅材料中包含大量的悬挂键、空位键等缺陷，因而又很高的缺陷态密度，他们提供了电子和空穴的因而又很高的缺陷态密度，他们提供了电子和空穴的复合场所，所以一般非晶硅是不适合作电子器件的。复合场所，所以一般非晶硅是不适合作电子器件的。67 天津理工大学天津理工大学n 19751975年斯皮尔等人用年斯皮尔等人用硅烷分解沉积法制得非硅烷分解沉积法制得非晶态硅薄膜。由于在该晶态硅薄膜。由于在该膜中含有大量的氢，使膜中含有大量的氢，使许多悬挂键被氢化。致许多悬挂键被氢化。致使缺陷态密度降低。并使缺陷态密度降低。并且成功地实现对非晶硅且成功地实现对非晶硅材料的材料的n n型和型和p p型掺杂型掺杂68 天津理工大学天津理工大学l非晶硅比晶体硅制备工艺简单，易于做成大面积。非晶硅比晶体硅制备工艺简单，易于做成大面积。l非晶硅对于太阳光的吸收效率高非晶硅对于太阳光的吸收效率高,器件只需大约器件只需大约1 1微米厚的微米厚的薄膜材料，因此，可望做成一种廉价的太阳能电池。薄膜材料，因此，可望做成一种廉价的太阳能电池。l当连续的改变非晶硅中掺杂元素合和掺杂量时，可以连续当连续的改变非晶硅中掺杂元素合和掺杂量时，可以连续的改交电导率、禁带宽度等。这为获得所需的新材料提供的改交电导率、禁带宽度等。这为获得所需的新材料提供了了 广阔的天地。广阔的天地。对于非晶半导体的应用目前研究最多的是非晶硅太阳能电池对于非晶半导体的应用目前研究最多的是非晶硅太阳能电池69