期末复习半导体材料(福大).ppt

半导体材料,2,期末复习,3,考试题型,填空30分，每空一分 名词解释30分，每题4分 简答与计算题40分，6个题目 AB卷,4,考试内容,课上重点内容 作业,5,半导体材料概述,从电学性质上讲（主要指电阻率） 绝缘体10121022 .cm 半导体10-61012 .cm 良导体10-6.cm 正温度系数（对电导率而言） 负温度系数（对电阻率而言） 导体？,6,半导体材料的分类（按化学组成分类）,无机物半导体 元素半导体：（Ge, Si） 化合物半导体 三、五族GaAs 二、六族 有机物半导体,7,能带理论（区别三者导电性）,金属中，由于组成金属的原子中的价电子占据的能带是部分占满的，所以金属是良好的导体。 半导体由于禁带宽度比较小，在温度升高或有光照时，价带顶部的电子会得到能量激发到导带中去，这样在导带中就有自由电子，在价带中就相应的缺少电子，等效为带有正电子的空穴，电子和空穴同时参与导电，使得半导体具有一定的导电性能。 一般对于绝缘体，禁带宽度较大，在温度升高或有光照时，能够得到能量而跃迁到导带的电子很少，因此绝缘体的导电性能很差。,8,半导体结构类型,金刚石结构（Si/Ge):同种元素的两套面心立方格子沿对角线平移1/4套构而成 闪锌矿（三、五族化合物如GaAs)：两种元素的两套面心立方格子沿对角线平移1/4套构而成 纤锌矿,9,对禁带宽度的影响,对于元素半导体： 同一周期，左-右，禁带宽度增大 同一族，原子序数的增大，禁带宽度减小,10,一.锗、硅的化学制备,硅锗的物理化学性质比较 高纯硅的制备方法 各种方法的具体步骤以及制备过程中材料的提纯 高纯锗的制备方法及步骤,11,二、区熔提纯,分凝现象，平衡分凝系数，有效分凝系数，正常凝固， 平衡分凝系数与杂质集中的关系P20图21 BPS公式及各个物理量的含义；分析如何提高分凝效果，如何变成对数形式 影响区熔提纯的因素 区熔的分类，硅和锗各采用什么方法,硅锗的区熔提纯,区熔是1952年 蒲凡 提出的一种物理提纯的方法。它是制备超纯半导体材料，高纯金属的重要方法。,区熔提纯的目的,区熔提纯的目的： 得到半导体级纯度（9到10个9）的硅，为进一步晶体生长作准备,2-1分凝现象与分凝系数,211 分凝现象（偏析现象） 含量少的杂质在晶体和熔体中的浓度不同 分凝系数:,用来衡量杂质在固相和液相中浓度的不同,一 平衡分凝系数K0,平衡分凝系数（适用于假定固相和液相达到平衡时的情况） K0=Cs/ Cl,212平衡分凝系数和有效分凝系数,Cs:杂质在固相晶体中的浓度 Cl:杂质在液相熔体中的浓度,(1) T=TL-Tm 0(TL体系平衡熔点；Tm纯组分熔点), CSCL, K0 1 提纯时杂质向尾部集中 (2)T=TL-Tm 0, CS CL, K0 1 提纯时杂质向头部集中 (3)T=0, CS=CL, K0 = 1 分布状态不变,不能用于去除杂质,二 有效分凝系数,上面讨论的是固液两相平衡时的杂质分配关系.但是实际上,结晶不可能在接近平衡状态下进行,而是以一定的速度进行.,(1)当K0 1时 CSCL,即杂质在固体中的浓度小,从而使结晶时,固体中的一部分杂质被结晶面排斥出来而积累在熔体中.当结晶的速度杂质由界面扩散到熔体内的速度时,杂质就会在熔体附近的薄层中堆积起来,形成浓度梯度而加快杂质向熔体的扩散,当界面排出的杂质量=因扩散对流而离开界面的向熔体内部流动的杂质量,达到动态平衡.界面薄层中的浓度梯度不再变化,形成稳定分布.这个杂质浓度较高的薄层叫杂质富集层 界面附近靠近固体端,杂质浓度高, 靠近熔体端,杂质浓度低.,(2) K0 1 CS CL,固体中的杂质浓度大,因此固相界面会吸收一些界面附近的熔体中的杂质,使得界面处熔体薄层中杂质呈缺少状态,这一薄层称为贫乏层. 为了描述界面处薄层中的杂质浓度与固相中的杂质浓度关系,引出有效分凝系数 Keff=CS/CL0 Cs:固相杂质浓度 CL0:界面附近熔体内部的杂质浓度 界面不移动或者移动速度=0, Keff K0 有 一定速度时, CS = KeffCL0,2-1-3BPS公式(描述Keff与 K0关系 ) 1. 结晶过程无限缓慢时，二者无限接近 2. 结晶过程有一定的速率时，二者不再相等，有效分凝系数与平衡分凝系数符合 BPS(Burton,Prim,Slichter)关系,1.f 远大于D/时, fD/ +,exp(-fD/ ) 0, Keff 1,即 固液中杂质浓度差不多.分凝效果不明显。 2. f 远小于D/时, fD/ 0,exp(-fD/ ) 1, Keff K0,分凝效果明显,平衡分凝系数,固液交界面移动速度 即熔区移动速度,扩散层厚度,扩散系数,Keff介于ko与1之间， 电磁搅拌或高频电磁场的搅动作用，使扩散加速， 变薄，使keff与Ko接近，分凝的效果也越显著 凝固速 度 f 越慢，keff与Ko接近，分凝的效果也越显著,2-2 区熔原理,2-2-1正常凝固 材料锭条全部熔化后,使其从一端向另一端逐渐凝固,这样的凝固方式叫正常凝固.,正常凝固过程中存在分凝现象,所以锭条中杂质分布不均匀.,(1) K0 1 提纯时杂质向尾部集中 (2) K0 1 提纯时杂质向头部集中 (3) K0 = 1 分布状态不变,不能用于去除杂质,正常凝固固相杂质浓度CS沿锭长的分布公式,Cs=KC0(1-g)k-1,C0:材料凝固前的杂质浓度,K,分凝系数.不同杂质的不同K值可以通过查表得出,杂质分布规律:图2-6,K1时 分布曲线接近水平,即杂质浓度沿锭长变化不大. K与1相差较大时(小于0.1或大于3) 杂质浓度随锭长变化较快,杂质向锭的一端集中,提纯效果好. (正常凝固有一定的提纯作用) 杂质浓度过大, 半导体材料与杂质形成合金状态,分布公式不成立,分布不再服从正常凝固定律。 .,正常凝固法的缺点 K小于1的杂质在锭尾，K大于1的杂质在锭头，多次提纯，每次头尾去除，造成材料的浪费且效率低.,区熔提纯: 它是把材料的一小部分熔化, 并使熔区从锭条的一端移到另一端.,解决办法：,2-2-2一次区熔提纯,一次区熔提纯时，锭中的杂质分布情况， CS=C01-(1-K) e-Kx/l C0:锭条的原始杂质浓度 X:已区熔部分长度 K:分凝系数 L:熔区长度,一次区熔提纯与正常凝固的效果比较,单就一次提纯的效果而言，正常凝固的效果好(怎么看?) l越大，Cs越小, 即熔区越宽，一次区熔提纯的效果越好 对于最后一个熔区,属于正常凝固,不服从一次区熔规律,2-2-3多次区熔与极限分布,一次区熔后,材料的纯度仍然达不到半导体器件的纯度要求,所以要进行多次区熔,使得各种杂质尽可能的赶到锭条的两头.,极限分布,经过多次区熔提纯后,杂质分布状态达到一个相对稳定且不再改变的状态,这种极限状态叫极限分布,也叫最终分布.,CS(x)=AeBx K=Bl/(eBl-1) A=C0BL/(eBL-1) CS(x):极限分布时在x处固相中杂质浓度 K:分凝系数, l:熔区长度 X:锭的任何位置 C0:初始杂质浓度 L:材料的锭长度 若知道KB A CS(x),达到极限分布时杂质在锭中分布的关系式,多次区熔规律: (图2-10,2-11),K越小, 两头杂质浓度越小,即Cs(x)越小 l越小 Cs(x)越小,K越小,l越小,区熔提纯效果越好!,影响杂质浓度极限分布的主要因素是杂质的分凝系数和熔区长度,2-2-4影响区熔提纯的因素,1.熔区长度 (1)一次区熔时 Cs=C01-(1-K)e-kx/l l 大,Cs 小提纯效果好 l越大越好 (2)极限分布时(K一定) l 大,B 小A 大Cs(x) 大提纯效果差 l越小越好,一次区熔的效果，l 越大越好 极限分布时，l越小，A越小，B越大，锭头杂质浓度 越低，纯度越高 应用：前几次用宽熔区，后几次用窄熔区。,2.熔区的移动速度 BPS公式?,f越小，keff越接近k0，提纯效果好, 区熔次数少, 但是过低 的f使得生产效率低 过快的f使得提纯效果差, 区熔次数增多,f与区熔次数产生矛盾? 如何解决,对策：用尽量少的区熔次数和尽量快的区熔速度来区熔,即 使n/(f/D)最小 实际操作中的对策: 实际区熔速度的操作规划是选f/D近似于1,3.区熔次数的选择,区熔次数的经验公式 n=(11.5)L/l n:区熔次数 L:锭长 l:熔区长度 20次左右最好,4.质量输运(质量迁移),现象：一头增粗，一头变细 原因：熔体与固体的密度不同， 对策：在水平区熔时，将锭料倾斜一个角度，(经验表明，3-5度）以重力作用消除输运效应。,2-3锗、硅的区熔提纯,区熔法晶体生长 crystal growth by zone melting method 利用多晶锭分区熔化和结晶来生长单晶体的方法。将棒状多晶锭熔化一窄区,其余部分保持固态,然后使这一熔区沿锭的长度方向移动，使整个晶锭的其余部分依次熔化后又结晶。,在头部放置一小块单晶即籽晶(seed crystal)，并在籽晶和原料晶锭相连区域建立熔区，移动晶锭或加热器使熔区朝晶锭长度方向不断移动，使单晶不断长大。 分类: 水平区熔 悬浮区熔,锗的水平区熔法,Ge中所含的杂质 K大于1，B K小于1，Ni, Fe, Cu, Mn, As 提纯装置(34页) 提纯步骤 根据提纯要求确定熔区长度、区熔速度和次数 清洗石墨舟、石英管、锗锭 将舟装入石英管、通氢气或抽真空，排气 熔区的产生：电阻加热炉，高频线圈(附加电磁搅拌作用) 区熔若干次,硅的悬浮区熔提纯,采用悬浮区熔的原因： 高温下硅很活泼,易反应， 悬浮区熔可使之不与任何材料接触； 利用熔硅表面张力大 而密度小的特点，可使熔区悬浮,1.什么是分凝现象？平衡分凝系数？有效分凝系数？ 2.写出BPS公式及各个物理量的含义，并讨论影响分凝系数的因素。 3.分别写出正常凝固过程、一次区熔过程锭条中 杂质浓度Cs公式,并说明各个物理量的含义。 4.说明为什么实际区熔时，最初几次要选择大熔 区后几次用小熔区的工艺条件。,问题,答案：,1.分凝现象：含有杂质的晶态物质熔化后再结晶时，杂质再结晶的固体和未结晶的液体中浓度不同，这种现象叫分凝现象。 平衡分凝系数： 固液两相达到平衡时，固相中的杂质浓度和液相中的杂质浓度是不同的，把它们的比值称为平衡分凝系数，用K0表示。 K0Cs/CL 有效分凝系数：为了描述界面处薄层中杂质浓度偏离固相对固相中杂质浓度的影响，通常把固相杂质浓度Cs与熔体内部的杂质浓度CL0的比值定义为有效分凝系数Keff KeffCs/ CL0,2.f 远大于D/时, fD/ +,exp(-fD/ ) 0, Keff 1,即 固液中杂质浓度差不多.分凝效果不明显。 f 远小于D/时, fD/ 0,exp(-fD/ ) 1, Keff K0,分凝效果明显,平衡分凝系数,固液交界面移动速度 即熔区移动速度,扩散层厚度,扩散系数,3. 正常凝固过程： Cs=KC0(1-g)k-1 C0:材料凝固前的杂质浓度 K,分凝系数.不同杂质的不同K值可以通过查表得出 一次区熔过程： CS=C01-(1-K) e-K x/l C0:锭条的原始杂质浓度 X:已区熔部分长度 K:分凝系数 L:熔区长度,4.（1）一次区熔时 Cs=C01-(1-K)e-kx/l l 大,Cs 小提纯效果好 l越大越好 (2)极限分布时(K一定) l 大, Cs(x) 大提纯效果差 l越小越好 所以对于实际区熔，前几次应该用大熔区，越到后面越接近极限分布，应该用小熔区,48,影响区熔的因素,熔区长度 一次区熔的效果，l越大越好 极限分布时，l越小，锭头杂质浓度越低，纯度越高 应用：前几次用宽熔区，后几次用窄熔区。 熔区的移动速度 电磁搅拌或高频电磁场的搅动作用，使扩散加速， 变薄，使keff与Ko接近，分凝的效果也越显著 凝固速 度 f 越慢，keff与Ko接近，分凝的效果也越显著 区熔次数的选择 区熔次数的经验公式 n=(1-1.5)L/l 质量输运 通过使锭料倾斜一个角度，用重力作用消除质量输运效应,49,问题,1.什么是分凝现象？平衡分凝系数？有效分凝系数？ 2.写出BPS公式及各个物理量的含义，并讨论影响分凝系数的因素。 3.分别写出正常凝固过程、一次区熔过程锭条中杂质浓度Cs公式,并说明各个物理量的含义。 4.说明为什么实际区熔时，最初几次要选择大熔区后几次用小熔区的工艺条件。,50,五 硅外延生长,名词解释 同质外延,异质外延,直接外延,间接外延 外延不同的分类方法以及每种分类所包括的种类 硅气相外延原料 硅气相外延分类 用SiCL4外延硅的原理以及影响硅外延生长的因素,51,问题,什么是同质外延,异质外延,直接外延,间接外延? 什么是自掺杂?外掺杂?抑制自掺杂的途径有哪些? 什么是SOI技术 SOI材料的生长方法有哪些?每种方法是如何实现的?,名词解释 1.精馏提纯：精馏提纯是利用混合液中各组分的沸点不同(挥发性的差异)来达到分离各组分的目的。它是在精馏塔中，上升的气相与下降的液相接触，通过热交换进行部分汽化和部分冷凝实现质量交换的过程，经过多次交换来达到几乎完全分离各组分的提纯方法。 2.分凝现象：将含有杂质的晶态物质熔化后再结晶时，杂质在结晶的固体和末结晶的液体中浓度是不同的，这种现象叫分凝现象(亦叫偏析现象)。 3.区熔提纯：区熔提纯就是利用分凝现象将物料局部熔化形成狭窄的熔区，并令其沿锭长从一端缓慢地移动到另一端，重复多次使杂质尽量被集中在尾部或头部，进而达到使中部材料被提纯的技术。 4.极限分布：经过多次区熔提纯后，杂质分布状态将达到一个相对稳定且不再改变的状态，把这种极限状态叫做极限分布或最终分布。,6.直拉法：又称乔赫拉尔斯基(Czochralski)法，简称CZ法。它是生长半导体单晶的主要方法。该法是在直拉单晶炉内，向盛有熔硅(锗)坩埚中，引入籽晶作为非均匀晶核，然后控制热场，将籽晶旋转并缓慢向上提拉，单晶便在籽晶下按籽晶的方向长大 7.外延生长：外延生长就是在一定条件下，在经过切、磨、抛等仔细加工的单晶衬底上，生长一层合乎要求的单晶层的方法。 8.外延层：由于所生长的单晶层是衬底晶格的延伸，所以所生长的材料层叫做外延层。 9.外延层的分类： 同质外延:如果外延层与衬底是同种材料，则称为同质外延;异质外延:如果衬底材料和外延层是不同种材料,则称为异质外延; 10.直接外延: 直接外延是用加热、电子轰击或外加电场等方法使生长的材料原子获得足够能量，直接迁移沉积在衬底表面上完成外延生长的方法，如真空淀积、溅射、升华等。,11.间接外延: 间接外延法是利用化学反应在衬底表面上沉积生长外延层，广义上称为化学气相淀积(chemical vapor deposition, CVD) 。 但CVD 所生长的薄膜不一定是单晶;因此严格地讲只有生长的薄膜是单晶的CVD才是外延生长。,12.半导体超晶格：半导体超晶格是由两种不同材料交替生长而成的多层异质结构晶体。 13.量子阱：当窄禁带材料、宽禁带材料这两种薄层材料的厚度和周期长度小于电子平均自由程时，整个电子系统进入了量子领域，产生量子尺寸效应。这时夹在两个垒层间的阱就是量子阱。,简答题、论述题 1.熔区长度的确定？P30 （1）二次区熔杂质分布公式，它所描述的是区熔开始时的情况，这时杂质集中现象不太明显，杂质分布曲线不太陡，杂质倒流现象几乎可以忽略。此时，K1的杂质被固相排出到熔区中，由于熔区长度l大，在大熔区中均匀后杂质浓度CL变化不大，Cs也不太增加，所以提纯效果好。 （2）当体系处于接近极限分布状态时；熔区l大，会造成杂质倒流严重。因为此时杂质分布己经很陡，熔区长度l大，必然会造成大范围的杂质倒流使CL大，Cs也大。这是不利于提高纯度的。 通过上面分析，得到了在实际区熔时，最初几次应该用大熔区，后几次用小熔区的工艺条件。 2.晶体生长的发展过程： 它主要包括：20 世纪20 年代柯塞尔(Kossel) 等人提出的完整晶体生长微观理论模型；40 年代弗兰克(Frank)发展了的缺陷晶体生长理论；50年代后伯顿(Burton)等人在晶体生长及其界面的平衡结构理论以及杰克逊(Jackson)平衡界面理论等方面的研究，使晶体生长从生长技术研究进入了微观理论定性与半定量的研究阶段。,3.硅外延生长动力学模型是什么？有何异同？p109 主要有两种，即气-固表面复相化学反应模型和气相均质反应模型 区别： 复相化学反应模型认为硅外延生长过程包括下列步骤: 反应物气体混合向反应区输运。 反应物穿过边界层向衬底表面迁移。 反应物分子被吸附在高温衬底表面上。 在衬底表面发生化学反应，生成生长晶体的原子和气体副产物，原子在晶体表面移动到达衬底晶面的扭折处，进入晶格格点位置形成晶格点阵，实现晶体生长。 副产物气体从表面脱附并穿过边界层向主气流中扩散。 气体副产物和末反应的反应物，离开反应区被排出系统。 均质反应模型认为，外延生长反应不是在固-气界面上，而是在距衬底表面儿微米的空间中发生的。反应生成的原子或原子团再转移到衬底表面上完成晶体生长。在反应物浓度很大，温度较高时有可能在气相中成核并长大。例如，高浓度SiH4高温热分解时就能观察到这种现象。 相同： 不论是复相反应还是均质反应，都认为反应物或反应生成物总要通过体系中的边界层而达到衬底表面的，且在理论上和实验上都证明了边界层的存在。,4.GaP是间接跃迁型材料，为什么发光效率高？ 因为某些杂质在GaP中可形成发光的辐射复合中心，使GaP中的间接跃迁向直接跃迁转化的缘故。 例如GaP中掺入氮时，氮原子取代磷原子的位置而呈电中性。但氮原子的电子亲合力比磷原子大，因此氮原子可俘获一个电子而带负电，由于库仑力的作用，带负电的氮原子又吸引一个空穴而形成束缚激子状态。 产生这种束缚是方阱束缚，是一种短程力，即阱内有力，阱外无力，作用只限于辨宽，因此束缚使陷阱内电子局限在一个局部的范围。 根据量子力学的测不准关系pxh，当电子的x十分小时，它的动量变动范围就很大，即k扩展了，也就是在k=0处也会有一定数目的电子，这些电子便可不借声子的帮助而直接跃迁，从而大大提高了发光效率。目前在GaP中能形成电子陷阱束缚激子的杂质有N(绿光)，Bi(橙光)，Zn-O(红光)，Cd-O(红光)等。,计算题 1. 例1 欲拉制g=1/2处，=1cm 的N型锗单晶50g，所用的锗为本征纯度的，问需掺入杂质砷多少? 己知:KAs=0.04，AAs=74.9gmol-1，=4000cm2/Vs ， N0=6.02x1023mol-1 应用 和 可求出C0和m, C0 2 x 1016 cm-3 m 0.025 mg 计算结果表明，掺杂的量很小，这样少的杂质用天平称量时将会产生较大的误差，因此除拉制重掺杂单晶外，一般都是把杂质和锗(硅)先做成合金，称为母合金，然后再掺入，这样就可以准确地控制掺杂量。常用的母合金有P-Si，B-Si，