学教科版选修33 3.2半导体 课件（3）（116张）.ppt

1 3 2半导体 2 半导体材料的发展与器件紧密相关 可以说 电子工业的发展和半导体器件对材料的需求是促进半导体材料研究和开拓的强大动力 而材料质量的提高和新型半导体材料的出现 又优化了半导体器件性能 产生新的器件 两者相互影响 相互促进 3 20世纪70年代以来 电子技术以前所未有的速度突飞猛进 尤其是微电子技术的兴起 使人类从工业社会进人信息社会 微电子技术是电子器件与设备微型化的技术 一般是指半导体技术和集成电路技术 它集中反映出现代电子技术的发展特点 从而出现了大规模集成电路和超大规模集成电路 这样就促使对半导体材料提出了愈来愈高的要求 使半导体材料的主攻目标更明显地朝着高纯度 高均匀性 高完整性 大尺寸方向发展 4 此外 利用多种化学气相沉积技术 可制造一系列薄膜晶体 其中分子束外延技术可以人为地改变晶体结构 异质结 超晶格 量子阱的出现 改变了人们设计电子器件的思想 半导体材料的发展 有着光明的前景 5 1 半导体材料的分类 按功能和应用 微电子半导体 光电半导体 热电半导体 微波半导体 气敏半导体 4 1半导体材料的晶体结构与分类 6 按组成 无机半导体 有机半导体 按结构 晶体 非晶 无定形半导体 多晶半导体 单晶半导体 元素半导体 化合物半导体 7 晶体是由原子或分子在空间按一定规律周期性地重复排列构成的固体物质 具有规则几何外形 晶体之所以具有规则的几何外形 是因其内部的质点作规则的排列 实际上是晶体中最基本的结构单元重复出现的结果 3 半导体的晶体结构 8 半导体的晶体结构 9 硒结晶炭灰锡锗硅 4 2元素半导体 10 周期表中半导体相关元素 11 1 硒 实际应用的最早半导体材料禁带较宽 大于1 7ev分晶体和非晶体 晶体硒有两种同素异形体 红硒 灰硒 主要用来制作光电池 摄像靶 整流器 硒整流器具有耐高温 特性稳定 过载能力强等优点 12 2 结晶炭 1 金刚石金刚石薄膜具有禁带很宽 高热导率 高临界击穿电场 高电子饱和速度 低介电常数 适合制造高性能电力电子器件和高温电子学器件电阻率很高 但掺杂可使电阻率降低高热导率 可作切割工具燃料对光的折射率高 吸收系数低 在光电子学领域存在潜在的应用价值 金刚石 13 2 c60 c60分子由五原环和六元环构成的炭笼分子结构常温常压下发生向金刚石转变的结构变相 为金刚石的人工合成提供了潜在的新途径金刚石薄膜cvd淀积前在衬底上涂一层c60对成核起明显促进作用 炭笼分子结构 14 3 碳纳米管 cnt 碳纳米管是一种长约不到数微米 直径数纳米到数十纳米的中间空闭合管状物 螺旋矢量参数 n m 只有n m 3k k为非零整数 的碳纳米管为半导体 其余为导体替代硅进一步缩小高集成电路尺寸 提高电路运算速度有了希望 双壁碳纳米管纳机电系统用 15 3 锗 1871年 俄国科学家门捷列夫寓言 元素周期表si和sn之间存在着一个 类硅 的元素 1886年 德国科学家温克莱尔首先从银硫锗矿中分离出ge 并将其命名为ge germanium 以纪念他的祖国 ge是半导体研究的早期样板材料 在20世纪50年代 ge是主要的半导体电子材料 16 锗的分布 锗在地壳中含量约为百万分之一 分布极为分散 常归于稀有元素 1 在煤和烟灰中 2 与金属硫化物共生 3 锗矿石 锗 17 锗的应用 属金刚石结构由于ge的禁带较窄 器件稳定工作温度远不如硅器件高 加之资源有限 目前 ge电子器件不到总量的10 主要转向红外光学等方面 18 硅的分布氧化硅化学性质晶体结构能带结构电学性质硅中的杂质硅的优点硅的用途 4 硅 19 硅石 硅的氧化物 水晶早为古代人所认识 古埃及就已经用石英砂为原料制造玻璃 由于硅石化学性质稳定 除了氢氟酸外 什么酸也不能侵蚀它 溶解它 因此长期以来人们把它看成是不能再分的简单物质 大约在18世纪70年代 化学家们用萤石与硫酸作用发现氢氟酸以后 便打开了人们认识硅石复杂组成的大门 20 尤其在电池发明以后 化学家们利用电池获得了活泼的金属钾 钠 初步找到了把硅从它的化合物中分离出来的途径 1823年 瑞典化学家贝采里乌斯 berzeliusj j 用金属钾还原四氟化硅或用金属钾与氟硅酸钾共热 首次制得较纯的粉状单质硅 1854年 法国人德维尔 s c deville 用混合物氯化物熔盐电解法制得晶体硅 21 地壳中各元素的含量 22 硅在自然界分布极广 地壳中约含26 3 在自然界中是没有游离态的硅主要以二氧化硅和硅酸盐的形式存在 硅的分布 23 硅的化学性质 原子序数14 相对原子质量28 09 有无定形和晶体两种同素异形体 属于元素周期表上iva族的类金属元素 14si 32ge 24 晶体硅 晶体硅为钢灰色 密度2 4g cm3 熔点1420 沸点2355 晶体硅属于原子晶体 硬而有光泽 有半导体性质 硅 25 化学性质稳定 常温下 只与强碱 氟化氢 氟气反应高温下 较活泼 si 2f2 sif4 si 4hf sif4 2h2 si 2naoh h2o na2sio3 2h2 si o2sio2 26 氧化硅 水晶 玛瑙 石英坩埚 光导纤维 27 表面易纯化 形成本征二氧化硅层 二氧化硅层在半导体器件中起着重要作用 1 对杂质扩散起掩蔽作用 2 对器件的表面保护和钝化作用3 用于器件的绝缘隔离层4 用作mos器件的绝缘栅材料等 28 硅的晶体结构 109 28 29 硅原子 sio2 四面体 氧原子 30 硅的能带结构 间接带隙结构 31 电学性质 本征载流子浓度1 本征半导体在一定温度下 就会在热激发下产生自由电子和空穴对 从而形成本征载流子浓度 2 温度一定 本征半导体中载流子的浓度是一定的 并且自由电子与空穴的浓度相等 3 当温度升高时 热运动加剧 挣脱共价键束缚的自由电子增多 空穴也随之增多 即载流子的浓度升高 导电性能增强 当温度降低 则载流子的浓度降低 导电性能变差 32 轻掺杂掺杂浓度为1017cm 3 中度掺杂掺杂浓度为1017 1019cm 3 重掺杂掺杂浓度大于1019cm 3 杂质离子100 电离 载流子浓度低于掺杂浓度 33 硅中的杂质 1 n型掺杂剂 p as sb2 p型掺杂剂 b3 轻元素杂质 o c n h4 过渡族金属杂质 fe cu ni 34 硅材料的优点 资源丰富 易于提高到极纯的纯度较易生长出大直径无位错单晶易于对进行可控n型和p型掺杂易于通过沉积工艺制备出单晶硅 多晶硅和非晶硅薄膜材料 35 易于进行腐蚀加工带隙大小适中硅有相当好的力学性能硅本身是一种稳定的绿色材料 36 可利用多种金属和掺杂条件在硅上制备低阻欧姆接触容易截断或者解理硅晶体硅表面上很容易制备高质量的介电层 sio2 37 多晶硅的优点 多晶硅具有接近单晶硅材料的载流子迁移率和象非晶硅那样进行大面积低成本制备的优点重掺杂的多晶硅薄膜作为电容器的极板 浮栅 电极等轻掺杂的多晶硅薄膜常用于mos存储器的负载电阻和其他电阻器 38 多晶硅薄膜由于具有比非晶硅tft 薄膜场效应晶体管 更高的载流子迁移率 更快的开关速度 更高的电流驱动能力 可与cmos工艺兼容等特点 39 非晶硅的优点 非晶硅薄膜是器件和电路加工所用表面钝化膜材料之一对活性半导体表面进行钝化对提高器件性能 增强器件和电路的稳定性 可靠性 提高其封装成品率等有重要作用 40 硅的用途 高纯的单晶硅是重要的半导体材料 金属陶瓷 宇宙航行的重要材料 光导纤维通信 最新的现代通信手段 性能优异的硅有机化合物等 41 1 重要的半导体材料 硅可用来制造集成电路 晶体管等半导体器件 太阳能电池 42 2 高温材料 金属陶瓷的重要材料 将陶瓷和金属混合烧结 制成金属陶瓷复合材料 它耐高温 富韧性 可以切割 既继承了金属和陶瓷的各自的优点 又弥补了两者的先天缺陷 宇宙航行的重要材料耐高温隔热层 航天飞机能抵挡住高速穿行稠密大气时磨擦产生的高温 全靠它那三万一千块硅瓦拼砌成的外壳 43 3 光导纤维通信 用纯二氧化硅拉制出高透明度的玻璃纤维 激光在玻璃纤维的通路里 无数次的全反射向前传输 代替了笨重的电缆 光纤通信容量高 一根头发丝那么细的玻璃纤维 可以同时传输256路电话 它还不受电 磁干扰 不怕窃听 具有高度的保密性 44 4 3化合物半导体 所有完全由iv元素组成的元素半导体和化合物半导体的能带结构均为间接跃迁型 晶体结构为闪锌矿结构的iii v族化合物以gaas为界 平均原子序数比gaas小的是间接跃迁型 其余均为直接跃迁型 ii vi族化合物全为直接跃迁型 45 iii v族化合物半导体材料ii vi族化合物半导体材料iv vi族化合物半导体材料iv iv族化合物半导体材料其它化合物半导体材料 46 常见的iii v化合物半导体 47 一 gaas 能带结构物理性质化学性质电学性质光学性质 48 gaas能带结构 直接带隙结构双能谷 强电场下电子从高迁移率能谷向低迁移率能谷转移 引起电子漂移速度随电场的升高而下降的负微分迁移率效应存在子能谷 子能谷与主能谷能量差小于禁带宽度而大于kt 电子在子能谷的有效质量大于在主能谷的有效质量 带隙为1 42ev 49 gaas物理性质 gaas晶体呈暗灰色 有金属光泽分子量为144 64原子密度4 42 1022 cm3 50 gaas化学性质 gaas室温下不溶于盐酸 可与浓硝酸反应 易溶于王水室温下 gaas在水蒸气和氧气中稳定加热到6000c开始氧化 加热到8000c以上开始离解 51 gaas电学性质 电子迁移率高达8000gaas中电子有效质量为自由电子的1 15 是硅电子的1 3用gaas制备的晶体管开关速度比硅的快3 4倍高频器件 军事上应用 52 gaas光学性质 直接带隙结构发光效率比其它半导体材料要高得多 可以制备发光二极管 光电器件和半导体激光器等 53 gaas的应用 gaas在无线通讯方面具有众多优势gaas是功率放大器的主流技术 54 1 gaas在无线通讯方面 砷化镓晶片与硅晶片主要差别 在于它是一种 高频 传输使用的晶片 由于其频率高 传输距离远 传输品质好 可携带信息量大 传输速度快 耗电量低 适合传输影音内容 符合现代远程通讯要求 一般讯息在传输时 因为距离增加而使所能接收到的讯号越来越弱 产生 声音不清楚 甚至 收不到信号 的情形 这就是功率损耗 砷化镓晶片的最大优点 在于传输时的功率损耗比硅晶片小很多 成功克服讯号传送不佳的障碍 砷化镓具有抗辐射性 不易产生信号错误 特别适用于避免卫星通讯时暴露在太空中所产生的辐射问题 55 砷化镓与硅元件特性比较 56 2 gaas是功率放大器的主流技术 砷化镓具备许多优异特性 但材料成本及良品率方面比不上硅 因基频部分以处理数字信号为主 内部组件多为主动组件 线路分布密集 故以细微化和高集成度纯硅cmos制程为主 手机中重要关键零部件功率放大器 poweramplifier pa 由于对放大功率的严格要求 因此使用gaas制造将是最佳方式 gaas在无线通讯射频前端应用具有高工作频率 低噪声 工作温度使用范围高以及能源利用率高等优点 因此在未来几年内仍是高速模拟电路 特别是功率放大器的主流制程技术 57 手机是促进gaasic市场增长的主要动力 根据strategyanalytics的报告 手机仍将是促进砷化镓 gaas ic市场增长的主要动力 2004年gaas芯片市场29亿美元 2008年达37亿美元gaas器件市场将继续主要依赖无线市场 手机市场是主要增长动力 2003年无线市场占gaas器件总体需求的41 以上 来自汽车雷达等其它应用的需求将会增长 但2008年手机仍至少占gaas市场的33 随着手机需求成长 以及每支手机所需pa从单频增为双频和三频 仅手机这项需求 2008年gaas芯片达到约30亿颗 58 国内外现状对比 目前我国在研制通信用砷化镓器件方面尚处于起步阶段 手机用砷化镓电路基本靠进口 随着我国通信产业迅速发展 对砷化镓器件需求越来越大 砷化镓电路用于手机的功放和开关部分 还可用于移动通信基站 光通信 卫星通信 catv 军事通信等重要用途 应用领域非常广泛 59 3 gaas还有更多的应用领域 光纤通信具有高速 大容量 信息多的特点 是构筑 信息高速公路 的主干 大于2 5g比特 秒的光通信传输系统 其收发系统均需要采用gaas超高速专用电路 随着光电子产业和自动化的发展 用作显示器件led 测距 玩具 条形码识别等应用的高亮度发光管 可见光激光器 近红外激光器 量子阱大功率激光器等均有极大市场需求 还有gaas基高效太阳能电池的用量也十分大 对低阻低位错gaas产业的需求十分巨大而迫切 我国数十亿只led管芯 所有的可见光激光器 高亮度发光管 近红外激光器等几乎都依靠进口 因此生产高质量的低阻gaas单晶 促进led管芯 可见光激光器 高亮度发光管和高效率高效太阳能电池的商品化生产 将有力地发展我国民族的光电子产业 60 gan材料的研究与应用是目前全球半导体研究的前沿和热点 是研制微电子器件 光电子器件的新型半导体材料 并与sic 金刚石等半导体材料一起 被誉为是继第一代ge si半导体材料 第二代gaas inp化合物半导体材料之后的第三代半导体材料 它具有宽的直接带隙 强的原子键 高的热导率 化学稳定性好 几乎不被任何酸腐蚀 等性质和强的抗辐照能力在光电子 高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景 是很优越的微波材料 二 gan 61 室温下gan禁带宽度为3 4ev在大气压力下 gan晶体一般是六方纤锌矿结构其硬度高 又是一种良好的涂层保护材料 62 氮化镓与其它半导体材料的比较 63 1 gan材料的特性 高频特性 可以达到300ghz 硅为10g 砷化镓为80g 高温特性 在300 正常工作 非常适用于航天 军事和其它高温环境 电子漂移饱和速度高 介电常数小 导热性能好耐酸 耐碱 耐腐蚀 可用于恶劣环境 高压特性 耐冲击 可靠性高 大功率 对通讯设备是非常渴望的 64 2 gan的化学特性 在室温下 gan不溶于水 酸和碱 在热的碱溶液中以非常缓慢的速度溶解 naoh h2so4和h3po4能较快地腐蚀质量差gan 可用于这些质量不高的gan晶体的缺陷检测 gan在hcl或h2气下 在高温下呈现不稳定特性 而在n2气下最为稳定 65 3 结构特征 立方系闪锌矿结构和六方纤锌矿结构 在大气压力下 gan晶体一般是六方纤锌矿结构 66 4 gan的电学特性 gan的电学特性是影响器件的主要因素 未有意掺杂的gan在各种情况下都呈n型 最好的样品的电子浓度约为一般情况下所制备的p型样品 都是高补偿的 67 5 gan的光学特性 宽带隙化合物半导体材料 有很高的禁带宽度 2 3 6 2ev 可以覆盖红 黄 绿 蓝 紫和紫外光谱范围 是到目前为止其它任何半导体材料都无法达到的主要在蓝光和紫光发射器件上应用 68 gan的应用 1 实现半导体照明 国内外倍加关注的半导体照明是一种新型的高效 节能和环保光源 将取代目前使用的大部分传统光源 被称为21世纪照明光源的革命 而gan基高效率 高亮度发光二极管的研制是实现半导体照明的核心技术和基础 69 半导体照明是21世纪最具发展前景的高技术领域之一 70 日亚公司1994年首创用mocvd制备了ganled 71 发光二极管led 发光二极管light emittingdiode是由数层很薄的掺杂半导体材料制成 当通过正向电流时 n区电子获得能量越过pn结的禁带与p区的空穴复合以光的形式释放出能量 发蓝光的二极管 72 led应用 半导体白光照明车内照明交通信号灯装饰灯大屏幕全彩色显示系统太阳能照明系统其他照明领域紫外 蓝光激光器高容量蓝光dvd 激光打印和显示 军事领域等 73 led照明的优点 发光效率高 节省能源耗电量为同等亮度白炽灯的10 20 荧光灯的1 2 绿色环保冷光源 不易破碎 没有电磁干扰 产生废物少寿命长寿命可达10万小时固体光源 体积小 重量轻 方向性好单个单元尺寸只有3 5mm响应速度快 并可以耐各种恶劣条件低电压 小电流 74 ge eg 0 67ev红光gap eg 2 25ev绿光gan eg 3 4ev蓝光 波长 h eg 其中 h是普朗克常数 eg是禁带宽度 75 高亮度白光led的实现 基于蓝光led 通过黄色荧光粉激发出黄光 组合成为白光 通过红 绿 蓝三种led组合成为白光 基于紫外光led 通过三基色粉 组合成为白光 76 2 提高光存储密度 dvd的光存储密度与作为读写器件的半导体激光器的波长平方成反比 如果dvd使用gan基短波长半导体激光器 则其光存储密度将比当前使用gaas基半导体激光器的同类产品提高4 5倍 因此 宽禁带半导体技术还将成为光存储和处理的主流技术 77 3 改善军事系统与装备性能 高温 高频 高功率微波器件是雷达 通信等军事领域急需的电子器件 如果目前使用的微波功率管输出功率密度提高一个数量级 微波器件的工作温度将提高到300 不仅将大大提高雷达 尤其是相控阵雷达 通信 电子对抗以及智能武器等军事系统与装备的性能 而且将解决航天与航空用电子装备以及民用移动通信系统的一系列难题 78 2 cds cdse cdte 具有高度光敏性cds cdse属于n型单极性材料 空穴陷阱大大减少了光生载流子的复合机会 提高了寿命 79 应用 cds cdse 光敏元件 用于相机自动曝光 机电光电控制 光电耦合 光电检测 cds太阳电池转换效率10 左右 工艺简单 成本低廉 器件面积易扩大 cdte高能辐射 高能粒子探测器cds cdte相配可制成pn结异质太阳电池 80 a 苯的衍生物 主要有萘 蒽等芳香族化合物 b 电荷转移型有机半导体 施 受主络合物 4 4有机半导体 81 主要应用 光电子技术领域和薄膜场效应器件领域 有机薄膜发光二极管 oled 主要使用聚对苯撑乙烯 ppv 制造全色荧光屏有机薄膜太阳能电池 转换效率3 4 但成本低 82 4 5ntc半导体陶瓷负温度系数 ntc negativetemperaturecoefficient 热敏半导体陶瓷是研究最早 生产最成熟 应用最广泛的半导体陶瓷之一 这类热敏半导体陶瓷材料大都是用锰 钴 镍 铁等过渡金属氧化物按一定比例混合 采用陶瓷工艺制备而成 温度系数通常在 1 6 左右 按使用温区可分为低温 60 300 中温 300 600 及高温 大于600 三种类型 83 ntc半导体陶瓷一般为尖晶石结构 其通式为ab2o4 式中a一般为二价正离子 b为三价正离子 o为氧离子 84 ntc热敏半导体陶瓷材料通常都以mno为主材料 同时引入coo nio cuo feo等氧化物 使其在高温下形成半反或全反尖晶石结构的半导体材料 常温热敏半导瓷材料主要有含锰二元系氧化物半导体陶瓷mno coo o2系 mno nio o2系 mno feo o2系及mn cuo o2系等 含锰三元系热敏半导体陶瓷材料主要有mn co ni系 mn fe ni系和mn co cu系等 85 高温热敏材料主要有mn co ni al cr o系 zr y o系 al mg fe o系 ni ti o系等 高温热敏材料与常温热敏材料不同 由于其工作温度很高 材料本身有可能发生不可逆的化学变化引起老化 高温热敏材料宜选择接近化学计量比 离解能大的氧化物制备 ntc半导体陶瓷已广泛用于电路的温度补偿 控温和测温传感器的制作 在汽车发动机排气和工业上高温设备的温度检测及家用电器 防止公害污染的温度检测等方面应用 86 ptc半导体陶瓷ptc热敏半导体陶瓷 是指一类具有正温度系数的半导体陶瓷材料 典型的ptc半导体陶瓷材料系列有batio3或以batio3为基的 ba sr pb tio3固溶半导体陶瓷材料 氧化钒等材料及以氧化镍为基的多元半导体陶瓷材料等 其中以batio3半导体陶瓷最具代表性 也是当前研究得最成熟 实用范围最宽的ptc热敏半导体陶瓷材料 87 batio3陶瓷是一种典型的铁电材料 常温电阻率大于1012 cm 相对介电系数高于104 1955年 海曼等人发现在纯净的batio3陶瓷中引入微量的稀土元素 其常温电阻率可下降到10 2 104 cm 与此同时 若温度超过材料的居里温度 则电阻率在几十度的温度范围内能增大3 10个数量级 即产生ptc效应 ptc是positivetemperaturecoefficient的缩写 图4 12为ptc陶瓷的电阻率随温度的变化关系 若温度继续升高 电阻率又逐渐降低 88 图4 12ptc陶瓷的电阻率随温度的变化关系 89 batio3半导体陶瓷存在ptc效应是材料的铁电性和陶瓷的多晶特性共同作用所产生的物理现象 其机理是batio3在室温下是铁电体 存在着自发极化 对晶界层势垒起屏蔽作用 势垒高度降低 ptc材料的室温电阻率主要由晶粒的电阻率所决定 为低阻的n型半导体 90 当温度达到居里温度附近时 自发极化迅速减小 并在材料由铁电体转变为顺电体时完全消失 晶界势垒阻碍晶粒中电子的流通 材料的电阻率由晶界电阻率所决定 呈现高电阻特性 所以在材料的温度由室温向高温连续变化过程中 将在居里温度附近出现低电阻到高电阻的突变 即ptc效应 91 ptc材料所具有的独特电阻率随温度的变化关系 使其应用十分广泛 目前主要用于温度自控 过电流和过热保护 彩电消磁 马达启动 液面深度探测等方面 92 二 半导体材料的制备 一 无机半导体材料晶锭的制备1 硅 锗的制备原理 半导体材料制备方法 多晶工艺 单晶工艺 薄膜工艺 外延工艺 93 图4 2高纯多晶si的制备原理及工艺流程图 2000 以制备多晶硅为例 94 4 2 硅和锗晶体的制备生长锗 硅单晶的方法很多 目前锗主要用直拉法 硅除了直拉法之外还用悬浮区熔法 直拉法又称 czochralski 法 简称cz法 它是生长元素半导体和iiia va族化合物半导体单晶的主要方法 该法是在盛有熔硅或锗的坩埚内 引入籽晶作为非均匀晶核 然后控制温度场 将籽晶旋转并缓慢向上提拉 晶体便在籽晶下按籽晶的方向长大 95 由直拉法生长的单晶 由于坩埚与材料反应和电阻加热炉气氛的污染 杂质含量较大 生长高纯单晶困难 工业上将区域提纯与晶体生长结合起来 可制取高纯单晶 这就是区熔法 在高纯石墨舟前端放上籽晶 后面放上原料锭 建立熔区 将原料锭与籽晶一端熔合后 移动熔区 单晶便在舟内生长 96 单晶体的制备工艺单晶是由结构基元 原子 原子团 离子 在三维空间内按长程有序排列而成的固态物质 或者说是由结构基元在三维空间内 呈周期排列而成的固态物质 单晶材料的制备又称晶体生长 是物质的非晶态 多晶态 或能够形成该物质的反应物 通过一定的物理或化学手段转变为单晶状态的过程 首先将结晶的物质通过熔化或溶解方式转变成熔体或溶液 再控制其热力学条件生成晶相 并让其长大 97 可分为溶体生长法 溶液生长法和气相生长法 而从生长方式来说 可分为水平生长 垂直生长和晶体的拉制等 1 水平生长 hg 多段炉 障板 盛放v族元素锭条 盛放iii族元素 用于iii v族化合物制备和区熔的常规水平生长装置示意图 加热器 98 关键技术 必须精确控制热分布 采取的措施 采用功率控制和相互独立的小加热器结合 炉子采用多段炉 特点 hg装置结构比较简单 易于实现自动化 较适于熔点在1250 以下 熔化后蒸气压不超过105pa并可在石英管中生长的化合物 优点 易于在固液界面形成低的温度梯度 99 缺点 一是成分过冷或应力问题 二是晶体生长方向 玷污及晶体外形等问题 成分过冷 由于浓度起伏使某部分成分达到相变点 但整体成分远没有达到相变的温度 就形成局部成分过冷 应用 生长经切片后制作小面积分立器件的材料 但不适合于生长集成电路用材料 水平区域法 100 2 垂直生长 b2o3覆盖剂 b2o3覆盖剂作用 防止挥发性组元损失 使系统更简单 更安全 而且可使熔体与容器壁不浸润减少孪生的几率 101 该技术是为了适应集成电路工艺需要的低成本 几何尺寸精确 电学均匀性良好的大直径材料 gaas gap inp等 该技术要求 盛于管状垂直容器中的熔融材料由底部向上可控凝固 特点 生长过程简单 能很自然地提供低的温度梯度 从而降低位错密度 另外 可生长出符合直径要求 有良好外形的锭条 存在问题 加热炉难以设计 舟材料的选择 引晶条件不易确定 不易生成无孪生的 100 晶体 102 3 晶体拉制 cz法 又称提拉法 半导体工艺所用硅单晶的大部分 80 90 是由cz法制备的 优点 能比较便宜地得到大口径单晶体 103 工艺流程 1 同成分的结晶物质熔化 但不分解 不与周围反应 2 预热籽晶 旋转着下降后 与熔体液面接触 待熔后 缓慢向上提拉 3 降低坩埚温度或熔体温度梯度 不断提拉籽晶 使其籽晶变大 104 4 等径生长 保持合适的温度梯度与提拉速度 使晶体等径生长 5 收晶 晶体生长所需长度后 拉速不变 升高熔体温度或熔体温度不变 加快拉速 使晶体脱离熔体液面 6 退火处理晶体 提拉法适于半导体单晶si ge及大多数激光晶体 105 a b c 直径分别为100 150 300mm 制备过程中需要严格控制的参数 单晶直径的控制 自动化控制固液界面的弯月面移动 红外线检测提拉速度 光检测法 106 给坩埚内熔体施加水平或垂直磁场 抑制熔体的对流 到达消除对流条纹缺陷的目的 在熔体的表面多了一层覆盖剂 通过覆盖剂密封可实现高