（材料物理与化学专业论文）半导体二极管正向电特性的检测.pdf

摘要 在本文中，我们对传统的半导体二极管电特性的检测方法一电容一电压( c - v ) 和电流电压( i v ) 方法进行了详尽的讨论，重点分析了它们的不足和局限性。 我们分别采用并联和串联两种模式细致地分析了各种条件下半导体二极管的正 向交流特性，指出正向交流特性实部分量和虚部分量总是紧密相连的，因此必须 同时测量，一并求解。 我们对并联和串联两种分析模式进行了比较。指出了不同模式在不同条件下 的优势和劣势。实践表明，在特定情况下选择正确的分析模式可以简化运算过程、 提高数据的精确度且更易于发现电特性对应的物理机制。我们针对以前文献中把 理想因子n 和串联电阻吩作为常数的过于简化的做法，提出了n 、r s ) 的概 念，并给出了测量方法和测量数据。我们的方法可以精确地得到半导体二极管的 串联电阻、结电容等参数对电压的函数关系。 我们在并联模式和串联模式下，分别测量了半导体二极管在不同频率下的表 观电导和表观电阻，通过观察其是否受到频率变化的影响来判断器件内是否有界 面层存在。若表观电导或表观电阻随频率明显变化，则存在界面层，反之则不存 在。 我们在测量半导体二极管正向偏压下的电容电压曲线时发现，在肖特基二 极管和p n 结二极管都存在着显著的负电容现象，通常频率越低，负电容效果 越强烈。 综上所述，本文提出了测量半导体二极管电特性的新方法，这种方法可以精 确地得到有关半导体二极管的串联电阻、结电容等详细信息，并判断结内的界面 层状况。对g a n 的肖特基结和p n 结二极管样品的测量表明这种方法可以大大 推进半导体器件正向电特性的检测，并在半导体器件物理研究中发挥重要的作 用。 关键词：半导体二极管，电特性，正向交流信号，界面层，串联电阻，结电容 i nt h i st h e s i s ，w ed e t a i l e d l yd i s c u s s e dt h et r a d i t i o n a im e t h o d st oc h a r a c t e r i z e s e m i c o n d u c t o rd i o d e s ，w h i c hm a i n l yi n c l u d ec u r r e n t v o l t a g e ( t - v ) m e t h o da n d c a p a c i t a n c e - v o l t a g e ( c - v ) m e t h o d ，a n dp u to u re m p h a s i so i la n a l y s e so ft h el i m i t a t i o n o ft h e s em e t h o d s u n d e rp a r a l l e lm o d e la n ds e r i e sm o d e lr e s p e c t i v e l y , w ea n a l y z e d t h ec h a r a c t e r i s t i c so fs e m i c o n d u c t o rd i o d ew i t ha cs i g n a la tf o r w a r db i a s i ti s p o i n t e do u tt h a tt h er e a la n di m a g i n a r yp a r t so ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fs e m i c o n d u c t o r d i o d ew i t ha c s i g n a la tf o r w a r db i a sh a v ev e r yc l o s er e l a t i o na n dn e e dt ob et e s t e d a n dc a l c u l a t e dt o g e t h e r w ec o m p a r e dt h ep a r a l l e la n ds e r i e sm o d e l ， s h o w e dt h ea d v a n t a g ea n d d i s a d v a n t a g eo fd i f f e r e n tm o d e lw i t hd i s s i m i l a rc o n d i t i o n i t i sc o n f i r m e dt h a t c h o o s i n gt h ec o r r e c tm o d e lc a l lp r e d i g e s tc a l c u l a t i o n ，i m p r o v et h ep r e c i s i o ni n c a l c u l a t i o n ，a n db eh e l p f u lf o rf i n d i n gt h ep h y s i c a lm e c h a n i s ma c c o r d i n gt ot h e e l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c s a i m i n ga tt h em e t h o d sw h i c hc o n s i d e ri d e a lf a c t o rna n d s e r i e sr e s i s t a n c e a sc o n s t a n t s ，w ed e f i n e d - 6 ) a n dr a y ) ，a n dg a v et h em e t h o d a n de x p e r i m e n td a t a w em e a s u r e dt h ea p p a r e n tc o n d u c t a n c ea n da p p a r e n tr e s i s t a n c ea td i f f e r e n t f r e q u e n c i e su n d e ra p p a r e la n ds e r i e sm o d e lt oj u d g ew h e t h e rt h e r ei sa l li n t e r r a c i a l l a y e ri ns e m i c o n d u c t o rd i o d e t h e s ec h a r a c t e r i s t i c sc h a n g ew i t hf r e q u e n c yo b v i o u s l y , a ni n t e f f a c i a ll a y e re x i s t si nt h ed i o d e o t h e r w i s e ，i td o e s n te x i s t w h e no b s e r v i n gt h ec 1 1 r v eo fc a p a c i t a n c e - v o l t a g e ，w ef o u n ds t r o n gn e g a t i v e c a p a c i t a n c eb o t hi ns c h o t t k ya n dp nd i o d e s g e n e r a l l gt h el o w e ri sf r e q u e n c y , m o l eo b v i o u si sn e g a t i v ec a p a c i t a n c e i naw o r d ，w ep u tf o r w a r dan e wm e t h o dt om e a s u r et h ec h a r a c t e r i s t i c so fd i o d e s w i t ht h i sm e t h o d , w eg a l la c c u r a t e l yg e td e t a i l e di n f o r m a t i o na b o u tt h es e r i e s r e s i s t a n c e ，j u n a i o nc a p a c i t a n c ea n do t h e rp a r a m e t e r so fd i o d e sa n dj u d g ew h e t h e r t h e r ei sa ni n t e f f a c i a ll a y e ri nt h ed i o d e s t h em e a s u r e m e n to fs c h o t t k ya n dp - 1 j u n c t i o nd i o d e so fg a np r o v e dt h a t t h i sm e t h o dc o u l di m p r o v et h em e a s u r e m e n to f s e m i c o n d u c t o rd e v i c e sa tf o r w a r db i a sa n dp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nr e s e a r c ho n p h y s i c a lm e c h a n i s mi ns e m i c o n d u c t o rd e v i c e s k e y w o r d s ：s e m i c o n d u c t o r - d i o d e ，e l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c , a cs i g n a la tf o r w a r db i a s ， i n t e r f a c i a ll a y e r , s e r i e sr e s i s t a n c e ，j u n c t i o nc a p a c i t a n c e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘生盘茔或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：鹰膏、 签字日期：珊弓年月知日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨洼盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 鹰再， 导师签名：丑彳薹u 乡 签字日期：扮哆年月扣日签字日期：伽。年月沁日 第一章绪论 第一章绪论 人类社会进入了二十一世纪，高新技术( h i g h t e c h ) 这个新名词也悄然流行。 在所有被称得上高新技术的技术中，半导体技术应该说是最当之无愧的了。半导 体工业直至本世纪五十年代还处于萌芽状态，却依仗着科技进步的最新进展迅速 发展，取得了惊人的成果，又反过来成为所有高新技术赖以诞生和发展的基础。 而二极管作为最简单的半导体器件，也是更复杂器件的基本组成单元，这使它成 为应用最为广泛的半导体器件之一。由于半导体二极管的重要地位，对其电特性 的表征及测量就成为一个非常有价值的研究课题。 而在在二极管的电特性研究方向中，迄今为止最重要的方法是电流电压 ( i v ) 方法和电容电压( c - v ) 方法，但是它们各具有很大的局限性。而且我 们查阅文献发现，在对半导体二极管电特性的测量方法中，居然缺乏正确的正向 交流特性的表征理论。而半导体二极管在实际应用中多存在于正向交流环境下。 这种理论以及实验验证的缺乏使已有的有关正向交流特性的理论研究工作受到 了严重的阻碍，这大大影响了半导体二极管的实际应用。与此相关各种课题的重 要性和其目前研究现状的强烈反差令人乞惊。因此，人们迫切需要一种新的正向 交流表征理论和实验方法来弥补这一空白。 针对以上问题，本文首次提出了在并联和串联两种模式下利用正向偏压下的 交流( a c ) 信号的实部和虚部与正向的电流一电压( i - v ) 特性相结合的方法，来 计算二极管的串联电阻、理想因子以及结电容等参数对电压的函数关系，这些方 法还可以用来判断各种器件中是否存在高阻界面层并精确求解出不同正向电压 下的界面层的电阻和电容。 利用这种方法，本文研究了不同工艺条件的g a n 肖特基结二极管和p 一1 1 结 蓝光二极管的电特性。对二极管的串联电阻、结电容等参数进行了计算；对二极 管内是否存在界面层进行了判断并计算了有界面层的二极管的界面层电阻和电 容；最后在观察二极管的电容电压曲线时，发现了显著的负电容现象，并对其 进行了大概的分析。 - 本文第二章介绍了半导体二极管的发展状况以及功能各异的各种二极管；第 三章概括了半导体二极管的几种常用的制作工艺；第四章简要讲述了半导体二极 莓一章缝论 管的传统测量方法；第五章详细介绍了本文研究的理论方法；第六章简骤讲述了 实验梯晶豹割各并潮耀我们的方法详细分耩了实验结果；繁七章总结了我们豹理 论方法和分拆结爨。 2 第二章半导体二极管的发展及分类 第二章半导体二极管的发展及其分类 2 1 半导体二极管的发展概况 早在晶体管发明之前，人们就已经将半导体用于电子学中了，第一个无线电 检测器采用金属丝与方铅矿石或硅相接触来工作，但这种检测器性能很不稳定， 而且取决于操纵者找到最佳整流点的能力。3 0 年代初，其他半导体，诸如氧化 亚铜和硒，被用做整流器。在此期间，人们对半导体材料的体特性和表面特性有 了进一步的认识。但是，当时因缺少纯而稳定的半导体样品而无法通过实验来证 实。从3 0 年代后期，特别是在第二次世界大战期间，人们对微波频率做了大量 的工作，因此，对用于低噪音、小电容检波器的点接触二极管再次表现出极大的 兴趣。从此，对硅的性质进入了深入细致的研究，一直持续到6 0 年代。 与此同时，贝尔实验室有一个以肖特基( s h o c k l c y ) 和摩根( m o r g a n ) 领导 的固体物理研究组，主要研究半导体材料。战前，肖特基和摩根就从事氧化亚铜 整流器和肖特基势垒理论的研究，这个研究小组在研究半导体基础特性上面花了 差不多两年半的时间，直到1 9 4 7 年1 1 月1 7 日1 2 月1 6 臼才有结果，在这一 个月内，诞生了世界上第一个点接触半导体二极管。这个晶体管的诞生标志着一 个新时代的开始，引起全球科学界的极大兴趣，从而对材料制备和工艺技术方面 进行了深入的研究，发展速度日新月异，直至进入集成电路时代，却是人们始料 未及的【5 1 。而二极管作为半导体基本器件，也得到了应用的重视和迅速发展。 随着点接触二极管的问世，各种类型和特点的二极管相继问世。而其中对近 三十多年来二极管的发展最具有影响力的大概就是两种特殊的二极管：发光二极 管( l e d ) 和激光二极管( l d ) 。 发光二极管具有体积小、功耗低、响应速度快、易集成、寿命长、可靠性高 且单色性好、波段范围宽、视觉性能好等特点。虽然早在1 9 2 3 年，0 w l o s s e w 就已经发现了碳化硅的p n 结发光现象，但是发光二极管作为一种电子器件来说， 直至6 0 年代后期，才得到了较大的发展。自1 9 6 5 年以后，由于在发光机理、晶 体生长和器件工艺等方面卓有成效的研究，使发光二极管的研制和应用得到了较 快的发展。1 9 6 8 年美国盂山都公司首先提供磷砷化钾红色发光二极管商品。随 3 第二章半导体二极管的发展及分类 着红色发光二极管的研制成功，黄色、绿色、紫色以及蓝色和白色二极管相继研 制成功并逐渐实现了商品化，并在现实生活中取得了越来越广泛的应用【5 川。二 极管成为人们生活中越发不可缺少的电子器件。 随着发光二极管的研制成功和快速的商品化，和其机制类似的激光二极管也 得到了迅猛的发展。激光二极管除了具有激光器的高亮度、良好方向性和单色性 ( 和相干性) 外，和气体激光器比较起来还具有成本低、稳定性高、效率高而体 积小的特点。在激光二极管在1 9 6 2 年问世以后，7 0 年代初实现了g a a l a s g a a s 双异质结激光器的室温连续运转。而激光二极管的商品化也迅速到来。在8 0 年 代激光二极管首次用于激光音响之后，其产品和市场迅速发展，新的生产工艺技 术与新型器件不断涌现，随着光信息时代的到来，激光二极管在光通讯、显示器 件、光存储、硬拷贝等领域都拥有广阔的应用前景，也得到了人们非常多的关注 1 5 8 9 】。 第一只二极管点接触二极管问世以后的五十多年中，各种新型二极管不断 涌现出来，在我们的生活中起到了越来越重要的作用。相信在未来的信息时代中， 半导体二极管会起到更为重要的作用，也会得到人们更多的重视。下面我们大概 介绍一下各种类型的半导体二极管【1 0 1 。 2 2 半导体二极管的分类 2 2 1 根据构造分类 半导体二极管主要是依靠p n 结而工作的。与p n 结不可分割的点接触型和肖 特基型，也被列入一般的二极管的范围内。包括这两种型号在内，根据p n 结构 造面的特点，把晶体二极管分类如下： 1 点接触型二极管 点接触型二极管是在锗或硅材料的单晶片上压触一根金属针后，再通过电流 法而形成的。因此，其p n 结的静电容量小，适用于高频电路。但是，与面结型 相比较，点接触型二极管正向特性和反向特性都差，因此，不能使用于大电流和 4 第二章半导体二极管的发展及分类 整流。因为构造简单，所以价格便宜。对于小信号的检波、整流、调制、混频和 限幅等一般用途而言，它是应用范围较广的类型。 2 键型二极管 键型二极管是在锗或硅的单晶片上熔接金或银的细丝而形成的。其特性介于 点接触型二极管和合金型二极管之间。与点接触型相比较，虽然键型二极管的 p n 结电容量稍有增加，但正向特性特别优良。多作开关用，有时也被应用于检 波和电源整流( 不大于5 0 m a ) 。在键型二极管中，熔接金丝的二极管有时被称 金键型，熔接银丝的二极管有时被称为银键型。 3 金型二极管 在n 型锗或硅的单晶片上，通过合金铟、铝等金属的方法制作p n 结而形成 的。正向电压降小，适于大电流整流。因其p n 结反向时静电容量大，所以不适 于高频检波和高频整流。 4 扩散型= 极管 在高温的p 型杂质气体中，加热n 型锗或硅的单晶片，使单晶片表面的一部 变成p 型，以此法形成p n 结。因p n 结正向电压降小，适用于大电流整流。最近， 使用大电流整流器的主流已由硅合金型转移到硅扩散型。 5 台面型二极管 p n 结的制作方法虽然与扩散型相同，但是，只保留p n 结及其必要的部分， 把不必要的部分用药品腐蚀掉。其剩余的部分便呈现出台面形，因而得名。初期 生产的台面型，是对半导体材料使用扩散法而制成的。因此，又把这种台面型称 为扩散台面型。对于这一类型来说，似乎大电流整流用的产品型号很少，而小电 流开关用的产品型号却很多。 第二章半导体二极管的发展及分类 6 平面型二极管 在半导体单晶片( 主要地是n 型硅单晶片) 上，扩散p 型杂质，利用硅片表 面氧化膜的屏蔽作用，在n 型硅单晶片上仅选择性地扩散一部分而形成的p n 结。 因此，不需要为调整p n 结面积的药品腐蚀作用。由于半导体表面被制作得平整， 故而得名。并且，p n 结合的表面，因被氧化膜覆盖，所以公认为是稳定性好和 寿命长的类型。最初，对于被使用的半导体材料是采用外延法形成的，故又把平 面型称为外延平面型。对平面型二极管而言，似乎使用于大电流整流用的型号很 少，而作小电流开关用的型号则很多。 7 合金扩散型二极管 它是合金型的一种。合金材料是容易被扩散的材料。把难以制作的材料通过 巧妙地掺配杂质，就能与合金一起扩散，以便在已经形成的p n 结中获得杂质的 恰当的浓度分布。此法适用于制造高灵敏度的变容二极管。 8 外延型二极管 用外延面生长的过程制造p n 结而形成的二极管。制造时需要非常高超的技 术。因能随意地控制杂质的不同浓度的分布，故适宜于制造高灵敏度的变容二极 管。 9 肖特基二极管 基本原理是：在金属( 例如铅) 和半导体( n 型硅片) 的接触面上，用已形 成的肖特基来阻挡反向电压。肖特基与p n 结的整流作用原理有根本性的差异。 其耐压程度只有4 0 v 左右。其特长是：开关速度非常快：反向恢复时间t r r 特别 地短。因此，能制作开关二极管和低压大电流整流二极管。 第二章半导体二极管的发展及分类 2 2 2 根据用途分类 1 检波用二极管 就原理而言，从输入信号中取出调制信号是检波，以整流电流的大小( 1 0 0 m h ) 作为界线通常把输出电流小于1 0 0 m h 的叫检波。锗材料点接触型工作频率可达 4 0 0 m h z ，正向压降小，结电容小，检波效率高，频率特性好，为2 h p 型。类似点 触型那样检波用的二极管，除用于检波外，还能够用于限幅、削波、调制、混频、 开关等电路。也有为调频检波专用的特性一致性好的两只二极管组合件。 2 整流用二极管 就原理而言，从输入交流中得到输出的直流是整流。以整流电流的大小 ( 1 0 0 m h ) 作为界线通常把输出电流大于1 0 0 m h 的叫整流。面结型，工作频率小 于i h z ，最高反向电压从2 5 伏至3 0 0 0 伏分a x 共2 2 档。分类如 下：硅半导 体整流二极管2 c z 型、硅桥式整流器q l 型、用于电视机高压硅堆工作频率 近1 0 0 k h z 的2 c l g 型。 3 限幅用二极管 大多数二极管能作为限幅使用。也有像保护仪表用和高频齐纳管那样的专用 限幅二极管。为了使这些二极管具有特别强的限制尖锐振幅的作用，通常使用硅 材料制造的二极管。也有这样的组件出售：依据限制电压需要，把若干个必要的 整流二极管串联起来形成一个整体。 4 调制用二极管 通常指的是环形调制专用的二极管。就是正向特性一致性好的四个二极管的 组合件。即使其它变容二极管也有调制用途，但它们通常是直接作为调频用。 第二章半导体二极管的发展及分类 5 频用二极管 使用二极管混频方式时，在5 0 0 1 0 ，0 0 0 h z 的频率范围内，多采用肖特基型 和点接触型二极管。 6 放大用二极管 用二极管放大，大致有依靠隧道二极管和体效应二极管那样的负阻性器件的 放大，以及用变容二极管的参量放大。因此，放大用二极管通常是指隧道二极管、 体效应二极管和变容二极管。 7 开关用二极管 有在小电流下( 1 0 m a 程度) 使用的逻辑运算和在数百毫安下使用的磁芯激 励用开关二极管。小电流的开关二极管通常有点接触型和键型等二极管，也有在 高温下还可能工作的硅扩散型、台面型和平面型二极管。开关二极管的特长是开 关速度快。而肖特基型二极管的开关时间特短，因而是理想的开关二极管。2 a k 型点接触为中速开关电路用；2 c k 型平面接触为高速开关电路用；用于开关、限 幅、钳位或检波等电路；肖特基( s b d ) 硅大电流开关，正向压降小，速度快、 效率高。 8 变容二极管 用于自动频率控制( a f c ) 和调谐用的小功率二极管称交容二极管。日本厂商 方面也有其它许多叫法。通过施加反向电压，使其p n 结的静电容量发生变化。 因此，被使用于自动频率控制、扫描振荡、调频和调谐等用途。通常，虽然是采 用硅的扩散型二极管，但是也可采用合金扩散型、外延结合型、双重扩散型等特 殊制作的二极管，因为这些二极管对于电压而言，其静电容量的变化率特别大。 结电容随反向电压v r 变化，取代可变电容，用作调谐回路、振荡电路、锁相环 路，常用于电视机高频头的频道转换和调谐电路，多以硅材料制作。 第二章半导体二极管的发展及分类 9 频率倍增用二极管 对二极管的频率倍增作用而言，有依靠变容二极管的频率倍增和依靠阶跃 ( 即急变) 二极管的频率倍增。频率倍增用的变容二极管称为可变电抗器，可变 电抗器虽然和自动频率控制用的变容二极管的工作原理相同，但电抗器的构造却 能承受大功率。阶跃二极管又被称为阶跃恢复二极管。从导通切换到关闭时的反 向恢复时间t r r 短，因此，其特长是急速地变成关闭的转移时间显著地短。如果 对阶跃二极管施加正弦波，那么，因t t ( 转移时间) 短，所以输出波形急骤地 被夹断，故能产生很多高频谐波。 1 0 稳压用二极管 是代替稳压电子二极管的产品。被制作成为硅的扩散型或合金型。是反向击 穿特性曲线急骤变化的二极管。作为控制电压和标准电压使用而制作的。二极管 工作时的端电压( 又称齐纳电压) 从3 v 左右到1 5 0 v 。按每隔1 0 9 6 ，能划分成许 多等级。在功率方面，也有从2 0 0 m w 至i o o w 以上的产品。工作在反向击穿状态， 硅材料制作，动态电阻r z 很小，一般为2 c w 型；将两个互补二极管反向串接以 减少温度系数则为2 d w 型。 1 i p i n 型二极管( p i nd i o d e ) 这是在p 区和n 区之间夹一层本征半导体( 或低浓度杂质的半导体) 构造的 晶体二极管。p i n 中的i 是“本征”意义的英文( i n t r i n s i c ) 略语。当其工作频 率超过i o o m h z 时，由于少数载流子的存贮效应和“本征”层中的渡越时间效应， 其二极管失去整流作用而变成阻抗元件，并且，其阻抗值随偏置电压而改变。在 零偏置或直流反向偏置时，“本征”区的阻抗很高；在直流正向偏置时，由于载 流子注入“本征”区，而使“本征”区呈现出低阻抗状态。因此，可以把p i n 二 极管作为可变阻抗元件使用。它常被应用于高频开关( 即微波开关) 、移相、调 制、限幅等电路中。 9 第二章半导体二极管的发展及分类 1 2 雪崩二极管( v a i a n c h ed i o d e ) 它是在外加电压作用下可以产生高频振荡的晶体管。产生高频振荡的工作原 理是栾的：利用雪崩击穿对晶体注入载流子，因载流子渡越晶片需要一定的时间， 所以其电流滞后于电压，出现延迟时间，若适当地控制渡越时间，那么，在电流 和电压关系上就会出现负阻效应，从而产生高频振荡。它常被应用于微波领域的 振荡电路中。 1 3 江崎二极管( t u n n e ld i o d e ) 它是以隧道效应电流为主要电流分量的晶体二极管。其基底材料是砷化镓和 锗。其p 型区的n 型区是高掺杂的( 即高浓度杂质的) 。隧道电流由这些简并态 半导体的量子力学效应所产生。发生隧道效应具备如下三个条件：费米能级位 于导带和满带内；空间电荷层宽度必须很窄( o 0 1 微米以下) ：简并半导体p 型区和n 型区中的空穴和电子在同一能级上有交叠的可能性。江崎二极管为双端 子有源器件。其主要参数有蜂谷电流比( i p p v ) ，其中，下标“p ”代表“峰”； 而下标“v ”代表“谷”。江崎二极管可以被应用于低噪声高频放大器及高频振 荡器中( 其工作频率可达毫米波段) ，也可以被应用于高速开关电路中。 1 4 快速关断( 阶跃恢复) 二极管( s t e pr e c o v e r yd i o d e ) 它也是一种具有p n 结的二极管。其结构上的特点是：在p n 结边界处具有陡 峭的杂质分布区，从而形成“自助电场”。由于p n 结在正向偏压下，以少数载 流子导电，并在p n 结附近具有电荷存贮效应，使其反向电流需要经历一个“存 贮时间”后才能降至最小值( 反向饱和电流值) 。阶跃恢复二极管的“自助电场” 缩短了存贮时间，使反向电流快速截止，并产生丰富的谐波分量。利用这些谐波 分量可设计出梳状频谱发生电路。快速关断( 阶跃恢复) 二极管用于脉冲和高次 谐波电路中。 1 0 第二章半导体二极管的发展及分类 1 5 肖特基二极管( s c h o t t k yb a r r i e rd i o d e ) 它是具有肖特基特性的“金属半导体结”的二极管。其正向起始电压较低。 其金属层除材料外，还可以采用金、铝、镍、钛等材料。其半导体材料采用硅或 砷化镓，多为n 型半导体。这种器件是由多数载流子导电的，所以，其反向饱和 电流较以少数载流子导电的p n 结大得多。由于肖特基二极管中少数载流子的存 贮效应甚微，所以其频率响仅为r c 时间常数限制，因而，它是高频和快速开关 的理想器件。其工作频率可达i o o g h z 。并且，m i s ( 金属一绝缘体一半导体) 肖 特基二极管可以用来制作太阳能电池或发光二极管。 1 6 阻尼二极管 具有较高的反向工作电压和峰值电流，正向压降小，高频高压整流二极管， 用在电视机行扫描电路作阻尼和升压整流用。 1 7 瞬变电压抑翩二极管 t v p 管，对电路进行快速过压保护，分双极型和单极型两种，按峰值功率( 5 0 0 w - - 5 0 0 0 w ) 和电压( 8 2 v 2 0 0 v ) 分类。 1 8 双基极二极管( 单结晶体管) 两个基极，一个发射极的三端负阻器件，用于张驰振荡电路，定时电压读出 电路中，它具有频率易调、温度稳定性好等优点。 1 9 发光二极管 用磷化镓、磷砷化镓、砷化钾、氮化钾材料制成，体积小，正向驱动发光。 工作电压低，工作电流小，发光均匀、寿命长、可发红、黄、绿和蓝单色光。 第三章半导体二极管材料的制各工艺 第三章半导体二极管材料的制备工艺 目前，用于制造半导体器件和集成电路等的晶片基本上都是从晶锭上一片片 切取下来得。半导体晶体制备通常指的就是单晶锭的制备。但是在许多半导体器 件中，真正的器件功能实际只用到芯片表面数十微米甚至不足一个微米的薄层， 单晶片在这种情况下往往只起支撑薄膜的衬底作用，尤其是在半导体二极管中更 是如此。因此，本章主要讨论半导体薄层制备f 1 1 】。 半导体薄层分为单晶薄层和非单晶薄层，非单晶薄层包括多晶薄膜和非晶薄 膜两种。非单晶薄膜的制备一般对衬底材料没有特殊要求，对温度等其他工艺条 件的限制也比较宽松。而单晶薄层的生长对衬底材料和生长温度等条件都有比较 严格的要求，因为淀积原子要按照严格的晶格周期性排列起来，跟晶锭制备一样 也需要籽晶的引导。因此，单晶薄层的生长犹如衬底晶片的延拓，于是把这种薄 层生长工艺称为晶体外延，是最重要的半导体薄层生长技术。 3 1 晶体外延技术 所谓外延，就是在单晶衬底片上，按照器件或者电路设计所需要的电阻和厚 度，延衬底的结晶方向再生长一层新的单晶。这一层单晶是外来原子严格因循村 底的原子排列方式，从衬底表面开始，一个原子层一个原子层的堆积起来的。 单晶薄层的外延生长有以下特点： ( 1 ) 杂质浓度和薄层厚度都易于控制； ( 2 ) 可直接生长与衬底导电类型不同的薄层，因而可以利用外延法直接制 备p n 结； ( 3 ) 外延层与衬底可以是同一种物质，也可以是不同物质。 在不同物质衬底上进行的外延称为异质外延，在相同物质衬底上进行的外延 称为同质外延。这里面所说的相同与不同，包含了化学和结晶学两方面的含义。 衬底和外延层的化学成分不相同固然是一种异质外延；化学成分相同但晶体结构 不同也是一种异质外延。异质外延为采用隔离性能良好的绝缘材料作为外延层的 衬底创造了良好的条件。但二者的晶体结构必须相同或相近。 第三章半导体二极管材料的制备工艺 根据向衬底表面输送外延原子的方式，半导体薄层的外延生长分为气相外 延、液相外延、固相外延以及分子束外延和离子团束外延等。 3 1 1气相外延 气相外延利用化合物气体在适当高的温度下通过热解或置换等化学反应产 生晶体生长所需要的物质源。如果在气体中按适当比例掺入杂质气体，生长出来 的外延层即含有适量杂质而具有希望的导电类型和电阻率，改变掺杂气体的性质 和比例即可实现对外延层导电类型和杂质浓度乃至浓度梯度的有效控制。 和用金属有机化合物进行化合物半导体薄层的气相外延。即m o c v d 1 z 埘， 随着半导体超晶格研究的深入而越来越受到普遍重视。许多不能形成稳定的氢化 物或卤化物的元素，却可以形成具有适当蒸汽压的、稳定的金属有机化合物。而 且，改变其有机链或有机组成，还可以进一步提高其蒸汽压，使之可凭借普通输 气系统进入气相外延沉积室。这种方法广泛用于在绝缘衬底上进行一v 族化合 物或i i 一化合物的异质外延。 3 1 2 液相外延 液相外延是将衬底晶片浸没在外延材料的低温熔体中生长出单晶薄层的一 种薄膜生长方法，在需要避免使用高温条件的时候特别有用，因而在g a a s 等 一v 族化合物及相关固溶体的制备中广为应用。由于混合物可能比它的某个组成 物质的熔点低得多，因而可以利用这一热力学特性来实现晶体薄层的低温生长。 液相外延法有倾覆法、浸渍法、滑板法等多种形式。使用液相外延可以避免 高温生长时难以避免的杂质玷污，当外延层与衬底包含有不同导电类型的杂质， 甚至本身就是两种不同的材料时，衬底原子或其中的杂质原子不会以扩散的方式 进入外延层中。液相外延的另一个特点是生长素率低，薄层厚度易于精确控制， 因而适合于生长亚微米以下的极薄层，以及每一层的组份和厚度都需要精确控制 的多层结构，只要我们能够在生长过程中灵巧得将衬底在不同的生长源之间进行 倒换。也正因为此，用液相外延往往不太容易获得较厚的结构完整的外延层。此 外，液相外延不像气相外延那样容易在生长过程中随时改变生长源内的杂质浓 第三章半导体二极管材料的制备工艺 度，因而也就不容易随心所欲地建立外延膜中的杂质浓度梯度。 在液相外延中使生长界面通电，利用电流通过生长界面时产生的致冷效应和 电迁徙效应控制生长界面的温度和生长速率，可以解决液相外延因温度难以精确 控制面造成外延层组份和杂质分布不均的问题。由于这些效应只发生在生长界面 附近，且与电流大小有关，而电流的精确调节十分容易，因此用这种方法可以明 显改善液相外延的生长效果。这种方法被称作为电外延法。 3 1 3 固相外延 固相外延即不经过固一液或固一气相变，直接通过固体的中间介质向生长界 面输运生长物质。因此，固相外延系统只能有两种可能的形式。一种是固体生长 源直接与生长表面接触，一种是固体生长源与生长表面之间隔一层由其他固体物 质构成的输运介质，如图( 3 - 1 一1 ) 所示。从实际意义上来讲，固体生长源是否 是晶体没有意义，因而通常是非晶薄膜。对有输运介质的锗、硅固相外延而言， 输运介质一般是某种金属膜或硅化物膜。 班存盛 。- 生丧界厨 醋蛊带 嚣a 甚 、耋长再露 醋占带 图3 - 1 1 无输运介质( a ) 和有输运介质( b ) 的硅固相外延系统结构示意图 人们对固相外延的兴趣起因于对半导体器件的离子注入掺杂工艺的研究。离 子注入掺杂常常导致掺杂层原子排列周期性的消失，即形成长程无序的非晶层。 1 4 第三章半导体二极管材料的制备工艺 为了回复其原本完美无缺的晶格结构，需要采用热退火或激光退火的方法来令其 重新结晶。这个过程并不是简单的非晶层再结晶，而是非晶层作为固体生长源向 有序与无序的界面输运硅原子而重新生长单晶硅薄层。 当有氧化物或其他杂质玷污夹杂在结晶衬底和非晶生长源之间时。固相外延 的进行会受到明显阻碍。因此，进行固相外延之前必须对衬底表面进行非常严格 的清洁处理，并且要在超高真空下进行固体生长源的淀积。对于在不是很高的真 空条件下淀积的非晶固体生长源，可以先用离子注入法打透界面层，然后进行固 相外延，也可以得到很好的效果。 3 1 4 分子束外延 分子束外延( m b e ) f 悼圩1 是在超高真空中通过分子束或原子束将生长物质输 运到衬底表面生长单晶薄层的一种晶体外延方法，是在7 0 年代才发展起来的一 种单晶薄膜生长技术，最初用于砷化镓等i 一v 族化合物及其固溶体薄层的外延 生长。 m b e 设备从本质上看仍是一个电子束蒸发系统。事实上，固体源m b e 的物理 基础就是真空蒸发，但常规的真空蒸发淀积设备和工艺无论是在材料纯度方面， 还是在晶体结构的完整性方面都达不到生长半导体单晶薄膜的要求，而且方法本 身也不易控制。随着超高真空工艺的发展、生长源设计方法和控制方法的进步以 及夕 延衬底的净化技术和蒸发工艺的改进，常规蒸发淀积法的上述不足已经能够 很好的克服，这样就逐渐发展为分子柬外延。 与气相外延相比，m b e 的掺杂过程没有多大差别，但可供选用的杂质要多得 多。而且由于每一种组元的分子束束流密度都可以独立地得到精确的调节和控 制，杂质浓度的分布可以得到更为精确的控制。 3 2 其他制备方法 除了外延，半导体薄膜还可以用许多其他的方法来制各，譬如辉光放电淀积 ( 或称为等离子体反应淀积) 、化学气相淀积( c v d ) 等等。除此之外，真空蒸 发和真空溅射也是非常重要的制备方法。本节将对这些方法做一些简要的介绍。 第三章半导体二极管材料的制各工艺 3 2 1c v d 法 一般文献中，c v d 专指加热化学气相沉积( t h e r m o c v d ) ，用其他方法提 供反应和淀积动力的c v d 往往要加字说明，例如光c v d 和等离子体增强c v d ( p e c v d ) 等。根据淀积温度和衬底材料不同，用c v d 法可获得单晶、多晶或 非晶半导体薄膜。制备单晶薄膜的气相外延其实就是一种热c v d 。 按淀积时使用的气体压力的大小，热c v d 可以分为常压c v d 和低压c v d ( c v d ) ；按加热方式，有热壁c v d 和冷壁c v d 之分。 p e c v d 是一种利用等离子体反应对热c v d 进行能量增强的改进方法，有 降低淀积温度的效果，适用于极薄薄层的淀积。 光c v d 利用气体分子对特定波长光的强吸收作用提供反应动力。它的特点 是既能降低温度又不存在重离子。 3 2 2 蒸发法 蒸发与溅射是应用最广的两种薄膜制各方法。与以上方法不同的是，这两种 方法可以不借助任何化学反应，因而对于单元素物质的淀积容易保持其纯度。即 使是淀积某些组份不易控制的化合物半导体薄膜，有时不得不采用反应蒸发或反 应溅射等特殊方法。但是在这些过程中发生的化学反应也往往是化合而非分解。 用蒸发法淀积薄膜的关键一步是将淀积物原料气化。通常用电阻加热法或电 子束加热法在低气压条件下使淀积物从固态源蒸发出来，在真空中膨胀并最后冷 凝在衬底上。电阻加热法所用的加热电阻通常是钨丝，也有用钼舟加热的。 蒸发法在常见的器件工艺中主要用来制作金属接触，硫化锌等】i 一化合物 也经常用蒸发法制备。这些材料直接使用化合物原料加热蒸发时，淀积膜的组份 比往往同源材料不一致，特痢是在各组元的蒸汽压差剐较大的情况下更是如此， 蒸汽压高的组元在薄膜中的组份比明显增高。为了能够精确控制薄膜中的组份， 可采用两种不同的方法：一种是闪蒸法，另一种是多源法。 闪蒸法就是将源材料按需要的薄膜组份比配制成均匀的细粒，蒸发时用加料 机构将源材料一点一点的添加到蒸发器上，使之迅速气化，即蒸即添，从而保持 蒸汽组份比与固体源中组份比的相同。这种方法对制备多元合金材料尤其方便， 1 6 第三章半导体二极管材料的制备工艺 只是蒸发速率的控制比较困难。为此，人们近年来开发了一种用激光加热固体靶 源，通过对激光脉冲的控制来控制蒸发速率的方法，即激光闪蒸法( 1 a s e r a b l a t i o n ) 。 多源法，顾名恩义就是将各组元的纯物质分别作为蒸发源同时蒸发，薄膜的 组份比依靠各组元蒸发速率的调节来控制。这主要依靠精确调节各蒸发器的温度 来实现，因而又称多温度蒸发法。 反应蒸发就是在加热蒸发固体源的同时，将活性气体导入真空室内，使活性 气体与源材料的蒸汽分子在淀积表面附近或淀积表面上化合，然后结合到生长薄 膜之中。由于反应气体的压力远比蒸发物中易挥发成分的蒸汽压易于控制，采用 反应蒸发法容易对淀积物的组份比进行精确控制，从而容易获得品质理想的薄 膜。氧化物半导体等材料通常用这种来制各。 3 。2 3 溅射法 溅射法是利用气体辉光放电过程中产生的正离子与靶材料的表面原子之间 的动量互换，把物质从源材料移向衬底，实现薄膜的淀积。为了把正离子导向被 溅射物，源材料应作为阴极使用。 图3 - 2 1 溅射淀积系统示意图 图3 2 1 是射频辉光放电溅射沉积系统的示意图。惰性气体通常被选作产生 1 7 第三章半导体二极管材料的制各工艺 工作离子的气体源，因为它不与溅射物反应，且原子质量较大。 按辉光放电的性质，溅射分为直流溅射和射频溅射。一般对不良导电材料的 溅射淀积采用射频溅射。 与蒸发法相似，也可以在对固体靶进行溅射的同时通入组元气体，进行反应 溅射。进行反应溅射时，既可以用化合物靶，也可以用单元素物质靶。溅射膜的 组份比例主要靠反应气体的分压来加以控制。对含有易挥发组元的化合物宜用反 应溅射法。 溅射在半导体工艺中的应用非常广泛。除了淀积，溅射法还可以用来清洁衬 底、刻蚀图形，这是其他淀积工艺都无能为力的。 3 2 4 辉光放电淀积法 辉光放电淀积是利用稀薄气体在电场中发生的等离子体反应，在低温衬底上 淀积固体薄膜的一种材料制备方法，又称等离子体淀积或等离子体c v d 。此法主 要用于制备非晶半导体薄膜，也用于氧化物和氮化物等介质薄膜的制备。 气体的辉光放电既可以在直流电场发生，也可以在交流电场下发生。单就能 否维持等离子体的反应而言，电源频率不是什么问题。对频率的选择主要是从如 何能够更好的避免反应产物中的重离子对生长薄膜的轰击来考虑。在半导体薄膜 淀积中实际应用的大多是射频以上频率的辉光放电方式。 比射频辉光放电淀积更先进的方法是采用微波电源，并利用磁场进一步对等 离子体反应作有效控制的电子回旋共振( e c r ) 等离子体反应淀积方法。实验表 明，e c r 比射频辉光放电能更好的调节和控制淀积薄膜的微结构及其组份。 3 2 5m o c v d 法 m o c v d 即为金属有机物化学气相淀积，或称金属有机物气相外延( m o v p e ) ， 是最近2 0 余年间发展起来的一种主要用于化合物半导体薄膜和固溶体薄膜淀