现代电子材料与元器件 (2).ppt

现代电子材料与元器件现在学习的是第1页，共82页3.1 半导体材料的物理基础n2 半导体中的杂质 qn型半导体 图3.2 非本征的n型半导体 现在学习的是第2页，共82页3.1 半导体材料的物理基础n2 半导体中的杂质 qp型半导体图3.2 非本征的p型半导体 现在学习的是第3页，共82页3.1 半导体材料的物理基础n2 半导体中的杂质 q浅能级杂质 q深能级杂质 图3.3 半导体硅中金的深能级 金在导带下0.54eV处有一个受主能级，在价带上0.35eV处有一个施主能级。现在学习的是第4页，共82页3.1 半导体材料的物理基础n2 半导体中的杂质p深能级杂质大多是多重能级。它反映出杂质可以有不同的荷电状态：在这两个能级中都没有电子填充的情况下，金杂质是带正电的，当受主能级上有一个电子而施主能级空着时，金杂质是中性的；当金杂质施主能级与受主能级上都有一个电子的情况下，金杂质带负电。p深能级杂质和缺陷在半导体中起着多方面的作用。例如，它可以是有效的复合中心，使得载流子的寿命大大降低；它可以成为非辐射复合中心，而影响发光效率；它可以作为补偿杂质，而大大提高材料的电阻率。现在学习的是第5页，共82页3.1 半导体材料的物理基础n3 费米能级和载流子浓度 由杂质能级或满带所激发的电子，使导带产生电子或使价带产生空穴，这些电子或空穴致使半导体导电，统称为载流子。半导体中电子的分布遵循费米分布的一般规律。图3.4 费米分布函数 满带中空穴的占据几率为 现在学习的是第6页，共82页3.1 半导体材料的物理基础n3 费米能级和载流子浓度 电子浓度 空穴浓度 电子和空穴的浓度分别决定于费米能级与导带底、费米能级与价带顶的距离。对于n型半导体，在杂质激发的范围，电子的数目远多于空穴，因此费米能级EF应在禁带的上半部，接近导带。而在p型半导体中，空穴的数目远多于电子，EF将在禁带下部，接近于价带。现在学习的是第7页，共82页3.1 半导体材料的物理基础n3 费米能级和载流子浓度 对于确定的材料来说，禁带宽度是确定的，所以电子和空穴密度的乘积只是温度的函数。半导体中导带电子越多，则空穴越少；反之，空穴越多则电子越少。例如，在n型半导体中，施主越多，电子越多，则空穴越少，故电子称为多数载流子，而空穴称为少数载流子。现在学习的是第8页，共82页3.1 半导体材料的物理基础n4 电导与霍尔效应 欧姆定律 迁移率一方面决定于有效质量，一方面决定于散射几率。散射可以是由晶格振动引起的，也可以是由于杂质引起的。在温度较高时，晶格振动是散射的主要原因，随温度的升高而增加。在低温时，杂质散射是主要的散射方式。图3.5 电导率与温度的关系 现在学习的是第9页，共82页3.1 半导体材料的物理基础n4 电导与霍尔效应 在温度较低时，随着温度升高电导率不断增加，这是由于在杂质电离随温度升高而增大，因而电导率对数与温度的倒数之间存在线性关系；在高温时本征激发已成为主要影响因素，载流子只取决于材料的能带结构，此时电导率对数与温度的倒数之间也存在线性关系，但直线的斜率不同。而在中间温度范围，电导率随温度的升高而降低，这是由于此时杂质已经全部电离，因此载流子的数目不会增加，而晶格散射随温度升高而增加，从而使得迁移率下降。现在学习的是第10页，共82页3.1 半导体材料的物理基础n4 电导与霍尔效应q由于电导率受多种因素的影响，其中电离的杂质浓度依赖于温度和杂质能级，所以半导体中杂质浓度可能与载流子浓度不同。为了直接测量载流子浓度和电导率，最直接的方法是利用霍尔效应霍尔效应。图3.6 霍尔效应 现在学习的是第11页，共82页3.1 半导体材料的物理基础n4 电导与霍尔效应当半导体片放置在x-y平面内，电流沿x方向，磁场垂直于x-y平面。如果是空穴导电，那么它们沿电流方向运动的同时，也受到洛伦兹力的作用发生偏转，造成电荷的积累，从而导致一个与洛伦兹力方向相反的电场力。当两者相等时，霍尔系数为 对于电子导电（n型半导体），霍尔系数为 由霍尔系数可以直接测得载流子的浓度，而且，由它的符号可以确定是空穴导电还是电子导电。现在学习的是第12页，共82页3.1 半导体材料的物理基础n5 非平衡载流子 热平衡时，满足 但在外界作用下，有可能使电子浓度和空穴浓度偏离平衡值。例如，在光照下，由价带激发电子至导带而产生电子空穴对，使电子浓度增加n，空穴浓度增加p，多余的载流子称为非平衡载流子。多数载流子的数量一般会很大，非平衡载流子通常不会对它的数目产生显著的影响。但对于少数载流子而言，其数量的变化将是十分显著的。因此，在讨论非平衡载流子时，最关心的是非平衡少数载流子。现在学习的是第13页，共82页3.1 半导体材料的物理基础n5 非平衡载流子q非平衡载流子的复合和寿命 非平衡载流子会自发地发生复合，导电电子由导带回落到价带，导致一对电子和空穴消失，这是一种由非平衡恢复到平衡的自发过程。所谓热平衡，实际上是电子-空穴不断产生和复合的动态平衡。当存在非平衡载流子时，这种动态平衡被破坏。在最简单的情形中，非平衡载流子复合以一个固定的概率发生，单位时间、单位体积复合的数目可以用复合率表示，现在学习的是第14页，共82页3.1 半导体材料的物理基础n5 非平衡载流子q非平衡载流子的复合和寿命 光照撤去后，非平衡载流子逐渐消失 当光照撤去后，非平衡载流子是随时间呈指数形式衰减。描述了非平衡载流子平均存在时间，通常称为非平衡载流子寿命。对于光电导现象，决定着在变化光强下，光电导反应的快慢。现在学习的是第15页，共82页3.1 半导体材料的物理基础n5 非平衡载流子q非平衡载流子的复合和寿命 实验证明，非平衡载流子寿命与材料所含杂质有关。对于同一材料，制备方法不同，值可相差很大。这是由于电子从导带回落到价带往往主要通过杂质能级，电子先落入到一个空的杂质能级，然后再由杂质能级落到价带中的空穴。有些杂质在促进复合上特别有效，成为主要决定非平衡载流子寿命的杂质，被称为复合中心复合中心。现在学习的是第16页，共82页3.1 半导体材料的物理基础n5 非平衡载流子q非平衡载流子的扩散 在金属和一般半导体的导电过程中，载流子都是依靠电场的作用而形成电流，称为漂移电流。但半导体中的载流子还可以形成另外一种形式的电流，称为扩散电流。扩散电流是由于载流子的浓度分布不均匀而造成的扩散运动后所形成的。对于非平衡载流子而言，扩散往往是最主要的运动形式。在通常的情况下，少数载流子的数量极少，与多数载流子相比，漂移电流是微不足道的，但正是由于有非平衡载流子的存在，使得可以在不破坏电中性而形成载流子浓度的变化，从而形成显著的扩散电流。现在学习的是第17页，共82页3.1 半导体材料的物理基础n5 非平衡载流子q非平衡载流子的扩散 考虑一维稳定扩散的情况。以均匀光照射半导体表面，而且光在很薄的薄层内被吸收。光产生的非平衡载流子通过扩散向体内运动，一边扩散，一边复合。在稳定光照下，将在半导体内建立起稳定的非平衡载流子分布。载流子扩散流密度正比于载流子浓度变化梯度，比例系数D称为扩散系数，负号表明扩散运动总是从浓度高的地方流到浓度低的地方。现在学习的是第18页，共82页3.1 半导体材料的物理基础n5 非平衡载流子q非平衡载流子的扩散 非平衡少数载流子边扩散边复合，形成稳定分布，满足连续方程 L表示非平衡载流子深入样品的平均距离，称为扩散长度。第一项表示因扩散造成的积累，第二项表示因复合而造成的损失。通解为 扩散电流密度 现在学习的是第19页，共82页3.2 半导体材料的性质 n1 光吸收与光电导 在半导体中，光的衰减与光强成正比 光吸收系数 当光在介质中传播的距离为1/时，则光强衰减到原来的1/e，于是可把1/近似看成是光能够穿透样品的深度。光是一种电磁波，对于在沿某x方向传播的平面电磁波，其光强I是按照指数规律进行衰减 光损耗系数，或是消光系数，表示电磁波能量衰减的大小 现在学习的是第20页，共82页3.2 半导体材料的性质 n1 光吸收与光电导 不同波长的光能够穿过样品的深度也是不同的，对于吸收很强的材料，光吸收实际上只发生在样品的表面层内。半导体材料通常对光的吸收很强半导体材料通常对光的吸收很强，材料吸收光的辐射之后，使得电子由低能态跃迁到高能态。半导体材料受到光照射时电导率变大的现象称为半导体的光电导效应。现在学习的是第21页，共82页3.2 半导体材料的性质 n1 光吸收与光电导 无光照时半导体的电导率或暗电导率暗电导率 在光照条件下，半导体中将产生光生电子和光生空穴 称为光电导光电导 现在学习的是第22页，共82页3.2 半导体材料的性质 n1 光吸收与光电导 光电导有杂质光电导和本征光电导两大类 本征光电导由本征吸收引起，相应长波限是 杂质光电导是由杂质吸收引起的，吸收波长取决于杂质的电离能Ei 杂质吸收的吸收系数较本征吸收的吸收系数小，激发的光生载流子浓度也较小，故同一材料中本征光电导一般比杂质光电导大。本征光电导一般比杂质光电导大。此外，杂质吸收所产生的光生载流子或是空穴，或是电子，而本征吸收则能产杂质吸收所产生的光生载流子或是空穴，或是电子，而本征吸收则能产生电子空穴对。生电子空穴对。现在学习的是第23页，共82页3.2 半导体材料的性质 n1 光吸收与光电导 光电导效应的强弱表示为 式中，比值越大，则光电导效应就越强，反之就越弱。降低工作温度，使得n0和p0浓度减小，是获得较强光电导效应的有效措施。现在学习的是第24页，共82页3.2 半导体材料的性质n2 电容效应与击穿特性q电容效应n势垒电容 pn结空间电荷区内存在不能移动的正的和负的电离杂质电荷，当外加偏压使势垒区电场变化时，必须改变势垒区宽度以改变空间电荷量，这种微分电容效应，称为势垒电容。图3.7 pn结反偏电压的变化导致空间电荷区的变化 对于反偏pn结，空间电荷区的势垒电压为VD+VR，此时单位面积的势垒电容可表示 现在学习的是第25页，共82页3.2 半导体材料的性质n2 电容效应与击穿特性q电容效应n扩散电容 反偏的pn结以势垒电容起主要作用，而对于正偏的pn结，扩散电容和势垒电容都起作用。pn结在加正向偏压时，由于少子注入，在扩散区内有一定数量的少子和等量的多子积累，其浓度随外加电压而变化，这种电容效应称为扩散电容 在实际工作中，为简单起见，常以零偏时的势垒电容的4倍作为正偏时pn结的总电电容。现在学习的是第26页，共82页3.2 半导体材料的性质n2 电容效应与击穿特性q击穿特性 pn结上加反偏电压会形成很小的反向电流。但反偏电压不能无限制地增大，到某一临界值，反向电流将急剧增大，这种现象称为结的击穿。击穿并不等于器件的烧毁。若采用保护电阻或散热装置，使击穿电流控制在一定范围，pn结击穿后可以重新恢复高阻状态。否则，使反向电流无限增长，将导致pn结烧毁。现在学习的是第27页，共82页3.2 半导体材料的性质n2 电容效应与击穿特性q隧道击穿 q雪崩击穿 图3.8 pn结的击穿机理 隧穿几率随禁带宽度Eg增大而减小，因而由隧穿效应隧穿效应所决定的击穿电压具有负所决定的击穿电压具有负温度系数。温度系数。随温度的升高，载流子的平均自由程减小，需要更强的电场在较短距离内获得足够高的能量产生电子空穴对，因此雪崩击穿电压的温度系数是正的。雪崩击穿电压的温度系数是正的。现在学习的是第28页，共82页3.2 半导体材料的性质n3 压阻效应与磁阻效应q压阻效应 半导体材料在不受应力作用时，其电阻与电阻率与长度l成正比，与截面积S成反比 如果沿长度方向施加一个应力产生的拉伸应变与此同时，截面面积减小。又由于应力引起能带的变化，能谷的能量移由于应力引起能带的变化，能谷的能量移动，导致电阻率变化动，导致电阻率变化 称为泊松比 现在学习的是第29页，共82页3.2 半导体材料的性质n3 压阻效应与磁阻效应q压阻效应 电阻的变化有两部分组成前一项为纯几何效应；后一项代表的是物理效应，即压阻效应。对于金属，几何效应是主要的；对于半导体材料，物理效应是主要的。现在学习的是第30页，共82页3.2 半导体材料的性质n3 压阻效应与磁阻效应q压阻效应 以以Si为例简单说明为例简单说明nSi导带等能面是极值沿方向的6个旋转椭球面。n如图沿100方向施加应力T(0，则电导率增加。如果测试方向改变，则电导率增加。需要注意，压阻效应是各向异性的，压阻系数是一个张量。同时，由于发生了电子在能谷间的转移，即要考虑谷间散射，使得迁移率也会随应力变化。利用半导体压阻效应，可以制成各种器件，如半导体应变计，压敏二极管，压敏晶体管等。现在学习的是第34页，共82页3.2 半导体材料的性质n3 压阻效应与磁阻效应q磁阻效应 半导体材料受到与电流方向垂直的外加磁场作用时，不但具有霍尔效应，还会出现电流密度下降和电阻率增大的现象，这种外加磁场使电阻变化的现象称为磁阻效应。半导体的磁阻效应由两部分组成，一部分由材料的物理性质所决定，称为半导体材料的物理磁阻效应；另一部分由材料的几何形状所决定，称为材料的几何磁阻效应。现在学习的是第35页，共82页3.2 半导体材料的性质n3 压阻效应与磁阻效应q物理磁阻效应 以p型半导体为例考虑正交电磁场，合成电场与J成一定夹角，即霍尔角。在洛伦兹力和电场力的作用下，空穴如图所示呈弧线运动。因而散射几率增大，平均自由时间减少，迁移率下降，电导率降低，但该因素引起的电阻率几乎可忽略。即不考虑速度统计分布时，（认为平均自由时间与速度无关），则不显示横向磁阻效应。现在学习的是第36页，共82页3.2 半导体材料的性质n3 压阻效应与磁阻效应q物理磁阻效应 实际上，半导体材料中载流子的速度分布是一种统计分布，即平均自由时间与速度有关。那些以平均速度运动的载流子，所受到的洛仑兹力和霍尔电场力会达到平衡，载流子运动的方向为外加电场所指定的方向。但那些比平均速度大的载流子，它们所受到的洛仑兹力将大于霍尔电场力，并沿洛仑兹力指定的方向偏转。那些比平均速度小的载流子则沿霍尔电场的方向偏转。结果使得沿外加电场指定方向运动的载流子数量减少，表现为材料的电阻率增大。表现出横向磁阻效应现在学习的是第37页，共82页3.2 半导体材料的性质n3 压阻效应与磁阻效应q物理磁阻效应 设半导体薄片在外加磁感应强度为零时所具有的电阻率为0，在外加磁感应强度为B时所具有的电阻率为B。半导体材料的电阻率变化为磁场不太强时，对于等能面为球面的非简并半导体有横向磁阻系数霍尔迁移率现在学习的是第38页，共82页3.2 半导体材料的性质n3 压阻效应与磁阻效应q几何磁阻效应 在相同磁场作用下，由于半导体片几何形状的不同，而出现电阻值不同变化的现象称为几何磁阻效应。n没有磁场时，电流密度与外加电场方向一致。n加磁场后，由于横向电场的作用，使得电流密度与合成电场不一致。现在学习的是第39页，共82页3.2 半导体材料的性质n3 压阻效应与磁阻效应q几何磁阻效应 n如图所示的长条形样品，在金属电极处，由于霍尔电场EH受到电流电极短路作用而减弱，电子运动受洛伦兹力的影响而发生偏斜，所以电流方向偏斜。在半导体中间部分，霍尔电场EH不受电流电极短路作用的影响，霍尔电场力作用及洛伦兹力作用达到平衡，运动方向不发生变化。但合成电场因受霍尔电场作用而发生偏斜，它与电流方向夹角也是霍尔角。现在学习的是第40页，共82页3.2 半导体材料的性质n3 压阻效应与磁阻效应q几何磁阻效应 故而在磁场作用下，电流流通的路径增加，样品电阻增大。其中l的增加与样品的形状有关，对于长宽比大的长条形样品，l的增大不明显，而长宽比远远小于l的扁条形样品，电流偏转很厉害，电阻增大明显。若形状为圆盘，则电流以螺旋形流通，l大大加长，此时的几何磁阻效应最明显。该圆盆称为科比诺圆科比诺圆盘盘。现在学习的是第41页，共82页3.2 半导体材料的性质n3 压阻效应与磁阻效应q几何磁阻效应 一般来说，霍尔效应明显的则几何磁阻效应不显著；反之霍尔电压低，则几何磁阻效应显著。n利用磁阻效应可以制作半导体磁敏电阻。迁移率越大，霍尔角越大，磁阻效应越明显，因此一般选用InSb、InAs等高迁移率的材料制作磁敏电阻。n磁敏电阻比霍尔器件的灵敏度更高，结构更简单。现在学习的是第42页，共82页3.2 半导体材料的性质n4 电阻率的温度特性 当温度为电离区的最低温度时 在非本征温度区，n=Nd，电阻率与温度的关系为 在本征温度区，则随着温度升高，电阻率下降。现在学习的是第43页，共82页3.3 半导体材料的分类 元素半导体-化合物-化合物-化合物SiSiCAlPZnSGeSiGeAlAsZnSeAlSbZnTeGaNCdSGaPCdSeGaAsCdTeGaSbInPInAsInSb现在学习的是第44页，共82页3.3 半导体材料的分类n1 元素半导体材料（1）Si是目前应用于半导体工业的主要材料 n硅在地壳中含量约占27%，仅次于氧，自然界中，Si以二氧化硅和硅酸盐的形式存在。nSi的单晶相对容易制备，成本低nSi平面工艺使得集成电路成为可能nSi的特性虽不是最优，但基本覆盖常用的场合现在学习的是第45页，共82页3.3 半导体材料的分类n1 元素半导体材料（2）Ge是开发较早的半导体材料nGe在地壳中含量约为210-4%。（稀有元素）nGe的资源：q煤和烟灰，分散的Geq与金属硫化物共生q锗矿石锗精矿提纯现在学习的是第46页，共82页3.3 半导体材料的分类n1 元素半导体材料（2）Ge是开发较早的半导体材料n迁移率高n较高的工作频率和开关速度q雪崩二极管q高速开关q探测器n高折射率和低吸收率q光学器件q光纤掺杂剂现在学习的是第47页，共82页3.3 半导体材料的分类n1 元素半导体材料（3）硒是一种黑色玻璃态半金属 n灰色金属光泽n六种形态n地壳中含量少n对光敏感 q光电池q整流器q硒鼓现在学习的是第48页，共82页3.3 半导体材料的分类n1 元素半导体材料（4）金刚石是碳的同素异构体n光学、化学、物理化学、机械方面有广泛应用n可做热沉提高芯片散热效率n对远红外到紫外是透明的，可做透镜的保护膜和窗口材料现在学习的是第49页，共82页3.3 半导体材料的分类n2 化合物半导体材料（1）砷化镓(GaAs)单晶是目前应用最广泛的化合物半导体材料 性质GeSiGaAs介电常数16.011.813.1能隙，Eg（eV）0.671.121.43折射率4.03.43.3热膨胀系数（1/）5.810-62.610-66.8610-6 电子，n3,9001,5008,500 空穴，p1,900500400比热（J/g-）0.610.70.35热导率（W/cm-）0.61.50.46热扩散率（cm2/s）0.360.90.44现在学习的是第50页，共82页3.3 半导体材料的分类n2 化合物半导体材料（1）砷化镓(GaAs)q双能谷结构微波器件qEg大，可在更高的温度和更大的反向电压下工作功率放大器q电子迁移率高高频、高速器件和微波单片集成电路q直接跃迁发光器件、激光器q掺入杂质可得到半绝缘的高阻材料集成电路的衬底和红外探测器现在学习的是第51页，共82页3.3 半导体材料的分类n2 化合物半导体材料（2）磷化铟(InP)单晶是最重要的III-V族化合物半导体材料之一典型的极性半导体InPIn：1.8；P：2.2；相差0.4则离子键成分：4%，共价键成分：96%Ga可以与3个P构成共价键所以，对于整个晶体来说，共价键成分：963/4=72%；离子键成分：28%现在学习的是第52页，共82页3.3 半导体材料的分类n2 化合物半导体材料（2）磷化铟(InP)q银灰色，质地软脆q负阻效应大于GaAs，制作微波器件和放大器比GaAs器件好q抗辐射性能强空间应用太阳能电池q截止频率高毫米波雷达、卫星通信qInP衬底上生长的GaInAsP/InP双异质结制作的光电器件能满足1.1-1.6um波长范围的光纤通信技术的要求q热导率大于GaAs，有利于散热以及大功率器件现在学习的是第53页，共82页3.3 半导体材料的分类n2 化合物半导体材料（3）SiGe材料被称为“第二代硅微电子材料”q无限互溶q与Si的平面工艺兼容q电学性能较Si强q本征跃迁发光波长范围是1.3m1.55m，是长距离光纤通信的理想波长窗口。qSiGe/Si的应变超晶格，可形成直接带隙结构，从而可用于光电集成路。qSiGe加C可造成异质结能带突变，从而增强电子的量子限制作用，适用于HBT。现在学习的是第54页，共82页3.3 半导体材料的分类n2 化合物半导体材料（4）碳化硅(SiC)有独特的物理及电子特性 q宽禁带半导体材料q高击穿电场q高热导率q高电子饱和速度q硬度大高功率、高频率、高温的“三高”器件现在学习的是第55页，共82页3.3 半导体材料的分类n3 非晶体半导体 q非晶态物质是原子排列上的长程无序而短程有序的一种结构。q目前主要的非晶态半导体有两大类：n一类是四面体键非晶态半导体，如非晶态Si、Ge、GaAs等；n另一类是硫系玻璃，即含硫族元素非晶态半导体，如二元系（As-Se、As-S）和多元系（As-Se-Ge-Te）。现在学习的是第56页，共82页3.3 半导体材料的分类n3 非晶体半导体q非晶态半导体的电子结构与晶态半导体具有类似的基本能带结构，只是在非晶态中键角和键长有一定程度的畸变。n非晶态半导体不存在有周期性 n非晶态半导体中结构缺陷的畸变使得电子的平均自由程大大减小 n非晶态半导体能带边态密度的变化不像晶态那样陡，而是拖有不同程度的带尾 图3.11 电子态密度与能量之间的关系 现在学习的是第57页，共82页3.3 半导体材料的分类n3 非晶体半导体q非晶态半导体中的缺陷 n非晶硅中的缺陷 存在有空位和微空洞使得有些硅原子周围四个近邻原子不足，而产生一些悬挂键。悬挂键还有两种可能的带电状态：释放未成键的电子成为正电中心，这是施主态；接受第二个电子成为负电中心，这是受主态。因为受主态表示悬挂键上有两个电子占据的情况，两个电子间的库仑排斥作用，使得受主能级位置高于施主能级，称为正相关能使得受主能级位置高于施主能级，称为正相关能。这些缺陷同时是有效的复合中心。为了提高非平衡载流子的寿命，也必须降低缺陷态密度。因此，控制非晶硅中的缺陷，成为目前材料制备中的关键问题之一。这些缺陷在禁带之中引入一系列局域能级，它们对非晶态半导体的电学和光学性质有着重要的影响。现在学习的是第58页，共82页3.3 半导体材料的分类n3 非晶体半导体q非晶态半导体中的缺陷 n硫系非晶态半导体中的缺陷 图3.12 硫系玻璃的换价对 以非晶态硒为例，有六个价电子，可以形成两个共价键，通常呈链状结构，另外有两个未成键的p电子称为孤对电子。在链的端点处相当于有一个中性悬挂键，这个悬挂键很可能发生畸变，与邻近的孤对电子成键并放出一个电子（形成D+），放出的电子与另一悬挂键结合成一对孤对电子(形成D-)，如图所示。因此，这种D+、D-又称为换价对。现在学习的是第59页，共82页3.3 半导体材料的分类n3 非晶体半导体q非晶态半导体的应用 非晶硫早已广泛应用在复印技术中，由S.R.奥夫辛斯基首创的 As-Te-Ge-Si系玻璃半导体制作的电可擦写只读存储器已批量生产，利用光脉冲使碲微晶薄膜玻璃化这种性质制作的光存储器正在研制之中。对于非晶硅的应用，目前研究最多的是太阳能电池。非晶硅比晶体硅制备工艺简单，易于做成大面积，非晶硅对于太阳光的吸收效率高，器件只需大约1m厚的薄膜材料，因此可望做成一种廉价的太阳能电池，现已受到各国科学家的广泛重视。非晶硅场效应晶体管还可用于液晶显示和集成电路。现在学习的是第60页，共82页3.4 半导体材料的制备工艺方法 n晶体生长理论n层生长？n螺旋生长？n枝晶生长？晶体的生长是质点面网一层接一层地不断向外平行移动的结果 在晶体生长界面上螺旋位错露头点所出现的凹角及其延伸所形成的二面凹角可作为晶体生长的台阶源，促进光滑界面上的生长。树枝一样蔓延生长 现在学习的是第61页，共82页3.4 半导体材料的制备工艺方法 n晶体生长方法q根据晶体生长时的物相变化，晶体生长技术可以分成以下几类：q气相固相：雪花的形成。q液相固相：分为两类。一类是从溶液中通过降温、蒸发、化学反应等方式控制饱和度等使得晶体结晶；另一类是从熔体中结晶。q固相固相：由于晶体的化学能较低，自然界中的非晶态、多晶态等物质，经过亿万年多少会有晶化现象，而晶体物质也有可能通过相变、再结晶等方式发生变化。现在学习的是第62页，共82页3.4 半导体材料的制备工艺方法 n气相法 气相法生长晶体，将晶体材料通过升华、蒸发、分解等过程转化为气相，然后通过适当条件下使它成为饱和蒸气，经冷凝结晶而生长成晶体。n特点：特点：q生长的晶体纯度高；q生长的晶体完整性好；q晶体生长速度慢；q有一系列难以控制的因素，如温度梯度、过饱和比、携带气体的流速等。n主要用于外延薄膜的生长现在学习的是第63页，共82页3.4 半导体材料的制备工艺方法 n气相法n同质外延衬底和外延层的材料属于同一种材料，如在硅衬底上生长硅外延层衬底和外延层的材料属于同一种材料，如在硅衬底上生长硅外延层n异质外延 衬底和外延层的材料属于不同材料，如在蓝宝石上生长衬底和外延层的材料属于不同材料，如在蓝宝石上生长GaAs外延层外延层n准异质外延 外延层与衬底之间存在着某些化学上的共性，如外延层与衬底之间存在着某些化学上的共性，如GaP/GaAs，GaSb/GaAs，ZnSe/ZnTe，即外延层与衬底的晶格结构一般是相同的，即外延层与衬底的晶格结构一般是相同的现在学习的是第64页，共82页3.4 半导体材料的制备工艺方法 n溶液法n溶液法的基本原理是将原料（溶质）溶解在溶剂中，采取适当的措施造成溶液的过饱和状态，使晶体在其中生长。(1)降温法：依靠溶液过冷以获得过饱和。适宜于溶解度和溶解温度系数大的溶体。(2)恒温蒸发法：依靠相对提高浓度以获得过饱和。溶解温度系数较小或负温度系数的溶体，可以选用该方法。现在学习的是第65页，共82页3.4 半导体材料的制备工艺方法 n溶液法n优点：优点：q晶体可在远低于其熔点的温度下生长；q容易长成大块的、均匀性良好的晶体，并且有较完整的外形；q在多数情况下，可直接观察晶体生长过程，便于对晶体生长动力学的研究。n缺点缺点q影响因素复杂；q生长速度慢，周期长，数十天一年；q溶液法生长晶体对控温精度要求较高，温度波动一般小于0.010.001；现在学习的是第66页，共82页3.4 半导体材料的制备工艺方法 n熔融法n从熔体中生长晶体是制备大单晶和特定形状的单晶最常用的和最重要的一种方法，电子学、光学等现代技术应用中所需要的单晶材料，大部分是用熔体生长方法制备的，如单晶硅，GaAs，LiNbO3，Nd：YAG，Al2O3等以及某些碱土金属和碱土金属的卤族化合物等，许多晶体品种早已开始进行不同规模的工业生产。n与其他方法相比，熔体生长通常具有生长快、晶体的纯度和完整性高等优点。n主要有提拉法、坩埚下降法、泡生法、水平区熔法、焰熔法、浮区法等 现在学习的是第67页，共82页3.4 半导体材料的制备工艺方法 n1高纯多晶Si的制备n硅石硅石工业硅（粗硅）工业硅（粗硅）多晶硅多晶硅硅单晶。硅单晶。98%电电弧弧炉炉熔熔炼炼直拉法直拉法 区熔法区熔法 磁场拉晶法磁场拉晶法 化化学学提提纯纯物物理理提提纯纯微重力下生长晶体微重力下生长晶体 现在学习的是第68页，共82页3.4 半导体材料的制备工艺方法 n1高纯多晶Si的制备n工业硅的制备q用硅石和焦炭以一定比例混合q在电炉中加热至16001800qSiO2+3C=SiC+2COq2SiC+SiO2=3Si+2COn最后可得含量为98%以上的工业粗硅。现在学习的是第69页，共82页3.4 半导体材料的制备工艺方法 n1高纯多晶Si的制备n然后采用三氯氢硅氢还原法三氯氢硅氢还原法、硅烷法和四氯化硅氢还原法高纯多晶硅。qSi+3HCl=SiHCl3+H2（280-300 ）q精馏提纯qSiHCl3+H2=Si+3HCl（1100 ）SiHCl3法所制备的多晶硅价格较低，其沉积速率是SiCl4法的2倍，生产的安全性好。且多晶硅的纯度完全满足直拉法和区域熔炼法的要求。现在学习的是第70页，共82页3.4 半导体材料的制备工艺方法 n2 单晶制备工艺q提拉法提拉法把晶体原料装入坩埚中，并加热到原料融化，在适当的温度中下降籽晶与液面接触，使熔体在籽晶末端成核生长，然后旋转籽晶缓慢向上提拉并不断调节温度，晶体就在籽晶上逐渐长大。最后快速提拉晶体使其脱离液面，再缓慢降温到室温。现在学习的是第71页，共82页3.4 半导体材料的制备工艺方法 n2 单晶制备工艺q提拉法提拉法n优点：n通过精密控制温度梯度、提拉速度、旋转速度等，可以获得优质大单晶；n可以通过工艺措施降低晶体缺陷，提高晶体完整性；n通过籽晶制备不同晶体取向的单晶；n容易控制。n缺点：n由于使用坩埚，因此，容易污染；n对于蒸气压高的组分，由于挥发，不容易控制成分；n不适用于对于固态下有相变的晶体。现在学习的是第72页，共82页3.4 半导体材料的制备工艺方法 n2 单晶制备工艺q坩埚下降法将一个垂直放置的坩埚逐渐下降，使其通过一个温度梯度区(温度上高下低)，熔体自下而上凝固。通过坩埚和熔体之间的相对移动，形成一定的温度场，使晶体生长。温度梯度形成的结晶前沿过冷是维持晶体生长的驱动力。使用尖底坩埚可以成功得到单晶，也可以在坩埚底部放置籽晶。现在学习的是第73页，共82页3.4 半导体材料的制备工艺方法 n2 单晶制备工艺q坩埚下降法n优点优点：n坩埚封闭，可生产挥发性物质的晶体；n成分易控制；n可生长大尺寸单晶；n常用于培养籽晶。n缺点缺点：n不宜用于负膨胀系数的材料；n由于坩埚作用，容易形成应力和污染；n不易于观察。现在学习的是第74页，共82页3.4 半导体材料的制备工艺方法 n2 单晶制备工艺q水平区熔法该法与坩埚移动法大体相似，但水平区熔法的熔区被限制在一个狭小的范围内。首先将原料烧结或者压制成棒状，固定两端，然后，移动原料棒或者加热高频线圈，使得只有受加热的部分熔融，而绝大部分材料处于固态。随着熔区沿着原料棒由一端向另一端缓慢移动，晶体就慢慢生长，并慢慢冷却直至完成生长过程。现在学习的是第75页，共82页3.4 半导体材料的制备工艺方法 n2 单晶制备工艺q水平区熔法n水平区熔法与坩埚移动法相比，其优点是减小了坩埚对熔水平区熔法与坩埚移动法相比，其优点是减小了坩埚对熔体的污染，并降低了加热功率，可以用于生长高纯度晶体，体的污染，并降低了加热功率，可以用于生长高纯度晶体，或者多次结晶以提纯晶体。水平区熔法常用高频线圈加热，或者多次结晶以提纯晶体。水平区熔法常用高频线圈加热，需要有惰性气氛来进行保护。需要有惰性气氛来进行保护。n主要用于材料的物理提纯主要用于材料的物理提纯，硅单晶生长初期的提纯即采，硅单晶生长初期的提纯即采用此法。用此法。现在学习的是第76页，共82页3.4 半导体材料的制备工艺方法 n3 外延生长技术q化学气相沉积化学气相沉积采用加热、等离子和紫外线等方式，向化学反应提供能量，促使气态物质发生化学反应且生长固态薄膜的工艺即为化学气相沉积。薄膜可以是单晶态，也可以是非晶。典型的结构有：卧式、钟罩式和圆筒式。现在学习的是第77页，共82页3.4 半导体材料的制备工艺方法 n3 外延生长技术q化学气相沉积化学气相沉积目前使用最多的Si外延片就是用该工艺制备的。将Si衬底在还原性气氛或惰性气氛中加热，并输入Si源气体，使之反应沉积在衬底上。生长出的Si单晶与衬底具有相同的晶格取向。主要控制的参数：衬底温度、源气体流量、载气流量。除了在Si衬底上外延外，还可以在绝缘材料如蓝宝石上生长。现在学习的是第78页，共82页3.4 半导体材料的制备工艺方法 n3 外延生长技术q化学气相沉积化学气相沉积将金属的氢化物、卤化物或金属有机物金属有机物（MOCVD）蒸发成气相，或用适当的气体做为载体，输送至使其冷凝的较低温度带内，通过化学反应，在一定的衬底上沉积，形成所需要的固体薄膜材料。III-V族化合物半导体如InP衬底上生长GaInAsP外延片就是采用MOCVD。现在学习的是第79页，共82页3.4 半导体材料的制备工艺方法 n3 外延生长技术q分子束外延生长分子束外延生长在超高真空条件下，一种或几种组分的热原子束或分子束喷射到加热的衬底表面，与衬底表面反应，沉积生成薄膜单晶的外延工艺。现在学习的是第80页，共82页3.4 半导体材料的制备工艺方法 n3 外延生长技术q分子束外延生长分子束外延生长生长速度慢生长速度慢，温度低，可随意改变外延层的组分和进行掺杂可随意改变外延层的组分和进行掺杂，可在原子尺度范围内精确地控制外延层的厚度精确地控制外延层的厚度、异质结界面的平整度和掺杂分布，目前已发展到能一个原子层接一个原子层精确地控制生长的水平。主要用于制备制备半导体多层单晶薄膜，是目前生长晶体薄主要用于制备制备半导体多层单晶薄膜，是目前生长晶体薄膜的主要方法膜的主要方法。可以制备：III-V族化合物半导体GaAs/AlGaAs；IV族元素半导体Si、Ge；II-VI族化合物半导体ZnS、ZnSe等。现在学习的是第81页，共82页3.4 半导体材料的制备工艺方法 n4 单晶硅抛光片工艺流程固定固定切片切片倒角倒角退火退火研磨研磨检测检测腐蚀腐蚀检测检测粗抛光粗抛光精抛光精抛光包装包装检测检测检测检测清洗清洗现在学习的是第82页，共82页