微电子制造工艺Ch-2.ppt

Chapter2 PropertiesofSemiconductorMaterials 主要内容多种常见半导体材料的基本特性和用途常见材料的基本物理和化学性质主要材料的基本结构参数及测量 2 1常见的半导体材料及其物理和化学性质2 1 1常见的半导体材料Se 最早期的半导体之一 硒整流器 硒光电池 光敏硒鼓 已经很少用 Ge 早期的半导体 射线探测器 昂贵 Si 最重要的半导体 除发光以外的所有半导体器件 IC 分离器件 敏感器件 MEMS a Si amorphous 太阳能电池 应用薄膜PorousSi 发光 C 金刚石 潜在的高温 高频 高压 大功率器件材料C60纳米碳管 GaAs 高频 微波器件 发光InP 高频 微波器件 发光GaP 发光Ge1 xSix 高频异质结材料SiC 高温 高频 高压 大功率器件材料 GaN ZnO 蓝光材料和深紫外探测AlxGa1 xAs 发光HgCdTe PbSnTe 长波红外探测各种超晶格材料 能带工程 磁性 超导 有机半导体和生物半导体自旋半导体 MnxGa1 xAs PhysicalPropertiesRelatedtotheDevices 禁带宽度 最高工作温度 击穿 临界 电场 饱和漂移速度 电子 空穴 迁移率 电子 空穴 热导率 p型 n型 自建电场 VD Xp Xn VD为pn结接触电势 耗尽区宽度 Xp Xn非均匀分布导致扩散 并形成扩散电流Id 受主和施主离子形成自建电场 电场阻止载流子扩散 载流子在电场中形成与扩散电流相反的漂移电流 最后达到动态平衡 总电流为0 在正向偏置VF时 耗尽区 势垒区 电场减小 扩散电流大于漂移电流而形成净的正向电流 当VF VD时 扩散电流与漂移电流同方向正向电流加大 pn结导通 反向偏置VR时 耗尽区宽度 势垒 加大 扩散被阻止 耗尽区无载流子即无漂移电流 事实 IR I漏 I产生 I场发射 如何选择材料 1 双极器件 频率 电压 因而有频率 电流 频率 功率 如何选择材料 2 材料品质因子 Johnson因子F1 ECVSE O Johnson RCAReview 26 6 1965 163 177此外还有对双极开关器件的Keyes因子 为热导率 低频单极器件的Baliga因子高频单极器件的Baliga因子R W Keyes Proc IEEE 60 2 1972 225 B J Baliga IEEEElectronDeviceLett EDL 2 1981 162 164 如何选择材料 3 热品质因子 工作温度 如何选材 能带结构 材料可生长性 缺陷 含界面 的可控性 可氧化性 可掺杂性 半导体材料的主要物理参数固有物理参数 晶体结构 类型 晶格常数等 能带结构 直接 间接 子能谷等 熔点 膨胀系数介电常数 临界电场 饱和漂移速率等迁移率 晶格散射 可变物理参数 导电类型与电阻率迁移率 电离散射 少数载流子寿命 半导体工业常用的其它材料 硅器件 结构材料 二氧化硅 多晶硅等参杂材料 施主 受主 复合中心 磷 硼 砷 金等接触与连线材料 肖特基接触 欧姆接触 复合接触 连线 铝 金 镍 铜 钛 钨及其氧化物等 与器件工艺有关的化学特性Si 常温下 1 一般不溶于各种酸2 Si 2NaOH H2O Na2SiO3 H2 3 Si 4HNO3 SIO2 4NO2 2H2OSiO2 6HF H2 SiF6 2H2O即 Si 4HNO3 6HF H2 SiF6 4NO2 4H2O3 与Cu 2 Cr 2等金属离子发生置换反应 抛光工艺 高温下 1 Si 2Cl2 SiCl4Si HCl4 SiCl4 SiHCl3 SiH2Cl2 SiH42 Si O2 SiO23 Si H2O SiO2 H2GaAs 1 GaAs Ga As2 在室温下一般不与HCl H2SO4 HF3 与热HCl H2SO4反应与浓HNO3反应H2SO4 H2O2是常用的GaAs腐蚀液4 与卤素Cl2 Br2或I2 在甲醇等有机溶剂中 反应 1200 C 1050 1150 C 1050 1150 C 600 C 通常关心的化学性质 1 热稳定性 thermalstability 物理过程 2 腐蚀液 无机 有机 Forcleaningandetching 腐蚀和抗腐蚀工艺中浓度和缓冲剂的重要性 腐蚀过程中对晶向和缺陷的选择性 我们需要掌握所有用到的材料的化学性质 腐蚀 抗腐蚀 和热稳定性 组分稳定 扩散 热膨胀 2 2半导体材料的晶体结构2 2 1 Si GaAs SiC的晶体结构Si金刚石结构 GaAs闪锌矿zinc blende 立方硫化锌 SiC200余种同质多构体 SiC zinc blende or3C SiC Cubic SiC Wurtzite 纤锌矿 六角硫化锌 密堆积的不同方式 简单面心 AABABAABC 复式格子密堆积 双层密排 page10 AB 不同的堆积 3C 2H 4H 6H 15R 27R 由k bilayer和h bilayer构成的 超晶格 k 位和h 位使晶体中的缺陷结构复杂化2 2 2 晶面 晶向及测定 一些物理 化学性质的各向异性解理腐蚀氧化生长扩散表面态迁移率 Page28 SiC的Si face和C face x ray衍射 激光定向 最佳解理面 111 最佳划片方向 110 2 3半导体中的缺陷和杂质施 受主杂质Si O C杂质GaAs 施主S Te等 As site 受主Zn等 Ga site SiAs site和Ga siteSiC 施主N C site P Si site 受主B Al等 Si site 杂质浓度和电阻率测量 Hall effect 四探针法 单探针 扩展电阻 法IR 热探针 4 热探针 Hot Cool 点缺陷 反位缺陷 线缺陷 位错 page12 面缺陷 层错 体缺陷 原子团 旋涡等 测量 1 腐蚀坑显微测量2 缀饰红外透视3 透射电子显微 2 3 3 杂质 O 1017 1018cm 3 总量控制 增加机械强度 杂质吸除效应 氧施主page24 26C 1016 1017cm 3 减小机械强度Fe 1011cm 3 少子寿命 吸附体缺陷Au Pt 1015 1016cm 3 控制少子寿命N 固溶度 P 12替位式固溶体间隙式固溶体 常用测量方法 PhotoSpectrum 光源 探测器 Wavelengthadjustable sample 半导体材料对光的吸收机理 原子吸收 能带吸收 XPS 价态的影响 PhotoAbsorptionSpectrumIR Infrared FTIR PLRaman 晶格吸收 IR Infrared 杂质使晶格振动的正则模式产生变化 而出现局域摸声子 若光子 IR 的频率与声子同则产生吸收 共振吸收 红外吸收强度正比于电偶极矩跃迁矩阵元的平方 这一矩阵元不为0 方有红外活性 Cz Si中的O C含量MCz Si用途 红外透明 IR FTIR 光源 探测器 Wavelengthadjustable sample 探测器 computer reference SiO2薄膜 Annealingproperty 吸收带边 红外成象器 Pt SiSchottky势垒中红外CCD成象单元 问题 窄禁带半导体材料有很好的红外光电性质但是 高质量材料制备难 或只能制作二极管探测单元 而Si是红外透明的 Pt Si 特点 光生载流子刚好能越过势垒 常用测量方法 DLTS DeepLevelTransientSpectroscopy inemissionprocess incaptureprocess If Bydenoting and thefinalexpressionoftheemissioncapacitancetransientcanbewrittenas ProfChih TangSah OneofthepersonswithWilliamShockleyfoundedtheFairchildSemiconductorCorporation thermallystimulatedcapacitance TSCAP ArrheniusPlot However itisdifficulttoobtainreliabledatainexperimentalworkwhenmorethanonedeeplevelisinvolved Inthiscase theaboveequationshouldberewrittenas Howwecando D V Lang 1972 JournalofAppliedPhysicsRate Windows 1 boxcaraverager here and and hereS T istheoutputofDLTS andtheadjustabletimeparameterst1andt2 arefixedbytheratewindowsystem TheemissionratecorrespondingtothemaximumofadeeplevelpeakobservedinaDLTSthermalscanispreciselydeterminedby 1 Lock inAmplifier here and and hereS T istheoutputofDLTS andtheadjustabletimeparameterst1andt2 arefixedbytheratewindowsystem TheemissionratecorrespondingtothemaximumofadeeplevelpeakobservedinaDLTSthermalscanispreciselydeterminedby Fig 2 6 Banddiagramshowingholeemissionandcaptureregiononthen sidehalfofp ndiodeunderzeroandreversebiascondition 移相器 灵敏度 1011cm 3 常用测量方法 SIMS SecondaryIonMassSpectrum NAA NeutronActivationAnalysis Fig 2 7 SchematicdrawingtoshowthebasicprincipleofSIMS whichconsistof1 Primaryionsource 2 Primaryionmassanalyzer 3 Electrostaticlens 4 Sample 5 Electrostaticlensandanalyzer 6 Secondaryionmassanalyzer 7 Iondetector 灵敏度 1016cm 3 放射性同位素 热中子 2 1 2 3小结常见半导体材料及参数与器件的关系常见半导体材料的结构 晶向与器件的关系施 受主 缺陷 杂质及测量熟悉名词和物理机制测量材料参数或性质与器件的关系举例 界面应力对超薄Ga1 xMnxAs材料特性的影响龚敏 石瑞英 苏平四川大学物理科学与技术学院 2009年9月19日 CPS2009 上海 自旋半导体材料器件和研究概况超薄Ga1 xMnxAs材料特性研究几点问题 SchoolofPhysicalScienceandTechnologySichuanUniversity 各种类型的自旋半导体器件研究已经有了相当的进展 自旋场效应晶体管 SpinFET 自旋发光二极管 SpinLED 自旋共振磁隧道结 SpinRTD 光隔离器 OpticalIsolator 磁传感器 MagneticSensor 而这些进展是随新材料研发而推动的 SchoolofPhysicalScienceandTechnologySichuanUniversity SchoolofPhysicalScienceandTechnologySichuanUniversity 由于低温分子束外延技术 LT MBE 的有效应用 Mn掺杂的III V族稀磁半导体 In Mn As Ga Mn As和 Ga Mn N等成为了热选的自旋半导体之一 Ga Mn As的晶体结构如图所示 掺杂的Mn占据Ga位置 即 MnGa 可以同时提供局域自旋和空穴 因此在外延生长 Ga Mn As薄膜时 不必再刻意掺杂其它元素就可以获得导电特征为p型的 Ga Mn As 自旋器件自旋调控获得功能自旋极化 自旋载流子浓度 自旋注入 欧姆接触 隧穿接触 弹道接触 自旋导出 电学 光学 自旋输运 扩散长度 退相干时间 材料生长获得性能杂质极化 居里温度 极化强度 异质结形成 势垒 界面应变 杂质与缺陷 SchoolofPhysicalScienceandTechnologySichuanUniversity naturephysics V3 153 2007 对于Ga1 xMnxAs Phys Rev B63 1952052001在没有第二相形成和Mn析出的情况下 Mn浓度x 9 Tc 173K被认为是极限 Phys Rev B72 1652042005如何增加Mn浓度 提高Tc SchoolofPhysicalScienceandTechnologySichuanUniversity SchoolofPhysicalScienceandTechnologySichuanUniversity ShinobuOhyaa等 通过降低生长温度和减小外延层厚度获得了掺Mn浓度达到22 的Ga1 xMnxAsAPPLIEDPHYSICSLETTERS90 1125032007 可以注意到 居里温度和极化都是当x 12 2时最高 x 12 2时 空穴浓度 杂质和缺陷等 Mn层结构 Tc 250K PRL 95172012 2005 本研究 LT MBE 生长Ga1 xMnxAs 25nm 半绝缘 100 GaAs衬底Mn浓度1 2 3 4