半导体材料复习资料

1、半导体材料绪论1、半导体的主要特征（1）电阻率大体在10-3109·范围（2）电阻率的温度系数是负的（3）通常具有很高的热电热（4）具有整流效应（5）对光具有敏感性，能产生光伏效应或光电效应2、三代半导体材料的主要代表第一代：Si第二代：GaAs第三代：GaN3、纯度及其表示方法纯度：表征半导体材料中杂质含量多少的一个物理量表示方法：ppm:1个ppm相当于百万分之一 m(million)ppb:1个ppb相当于十亿分之一b(billion)4、半导体材料的分类第一章 硅和锗的化学制备1、高纯硅的制备方法（1）三氯氢硅氢还原法（2）硅烷法2、硅烷法制备高纯硅的优点（1）制取硅烷时，硅

2、烷中的杂质容易去除（2）硅烷无腐蚀性，分解后也无卤素及卤化氢产生，降低对设备的玷污（3）硅烷热分解温度低，不使用还原剂，有利于提高纯度（4）制备的高纯多晶硅的金属杂质含量很低（5）用硅烷外延生长时，自掺杂低，便于生长薄的外延层第二章 区熔提纯1、 分凝现象与区熔提纯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未结晶的液体中浓度是不同的，这种现象叫分凝现象区熔提纯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2、 平衡分凝系数与有效分凝系数杂质在固相与液相接近平衡时，固相中杂质浓度为

3、CS，液相中杂质浓度为CL，它们的比值称为有效分凝系数K0，即K0=CSCL为了描述界面处薄层中杂质浓度偏离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,即Keff=CS/CL03、 正常凝固和区熔法中的杂质分布情况（1） 对于K<1的杂质，其浓度越接近尾部越大，向尾部集中（2） 对于K>1的杂质，其浓度越接近头部越大，向头部集中（3） 对于K1的杂质，基本保持原有的均匀分布的方式4、 能否无限区熔提纯不能 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5、 熔区长

4、度在实际区熔时，最初几次应该用大熔区，后几次用小熔区的工艺条件第三章 晶体生长1、 晶体生长的热力学条件系统处于过冷状态，体系自由能G<0时，才可能进行相转变生长晶体2、 均匀成核与非均匀成核均匀成核：在一定的过饱和度、过冷度的条件下，由体系中直接形成晶核非均匀成核：在体系中存在外来质点，在外来质点上成核3、 均匀成核中的临界晶核（胚）以及生成临界晶核的条件临界晶核是指新相胚芽可以与母相达到平衡从而可以存在的晶核形成临界晶核的条件 要想形成临界晶核，其自由能的降低量必须达到晶核表面能的1/3，才能越过表面能势垒，形成稳定晶核4、 晶体的形核能在临界状态下成核必须提供其体系1/3的表面能，

5、这部分能量应由外界提供，称这部分能量为形核能（功）5、 硅单晶直拉生长法在直拉单晶炉内，向盛有熔硅坩埚中，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第四章 硅、锗晶体中的杂质和缺陷1、 掺杂方式（1） 元素掺杂：直接将纯元素加入到制备的单晶材料（2） 合金掺杂：将掺杂的元素与要制备的单晶材料制成合金，根据合金中掺杂的含量加入相应的合金2、 掺杂量的计算材料的电阻率与杂质浓度CS的关系=1CSe (4-1)式中为电子（或空穴）迁移率杂质分布为CS=KC0(1-g)-(1-K)(4-2)由（4-1）及（4-2）可得某一位置g处的电阻率与原来熔体中

6、杂质浓度C0的关系=1eKC01-g-1-K （4-3）如果要拉w克锗，则所需加入的杂质量m为m=C0wAdN0=1eK(1-g)-(1-K)wAdN0（4-4）式中，d为锗的密度，N0为阿佛加德罗数，A是杂质的摩尔质量，K为杂质的分凝系数3、 位错对器件的影响及来源影响（1） 金属杂质极容易在位错上沉淀，破坏PN结的反向特性（2） 在应力作用下，位错处出现增强扩散（3） 位错引起噪声增加来源（1） 在单晶生长时籽晶（或衬底）中含有位错，而且位错露头在生长面上，因位错线不能在晶体内部中断，它们将随着晶体的生长由籽晶延伸到新生长的晶体中，直到与晶体表面相交时为止，这叫位错遗传（2） 由于应力引入

7、位错4、 硅单晶中的微缺陷指无位错单晶在生长方向的横断面经西特尔（Sirtl）腐蚀液腐蚀后，所观察到的呈漩涡状分布的宏观缺陷花纹，故俗称漩涡缺陷第五章硅外延生长1、 外延生长的定义及特点定义在一定条件下，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特点（1） 可以在低（高）阻衬底上外延生长高（低）阻外延层（2） 可以在P（N）型衬底上外延生长N（P）型外延层，直接形成PN结，而不存在用扩散法在单晶基片制作PN结时的补偿的问题（3） 与掩膜技术结合，在指定的区域进行选择外延生长，为集成电路和结构特殊的器件的制作创造了条件（4） 可以在外延生长过程中根据需要改变掺杂的种类

8、及浓度，浓度的变化可以是陡变的，也可以缓变的（5） 可以生长异质，多层，多组分化合物且组分可变的超薄层（6） 可在低于材料熔点温度下进行外延生长，生长速率可控，可以实现原子级尺寸厚度的外延生长（7） 可以生长不能拉制单晶材料、抑制自掺杂尽量减少杂质由衬底逸出（1） 使用蒸发速度较小的杂质做衬底和埋层中的杂质（2） 外延生长前高温加热衬底，使硅衬底表面附近形成一杂质耗尽层，再外延时杂质逸出速度减少自掺杂效应（3） 采用背面封闭技术（4） 采用低温外延和不含卤素的硅源（5） 采用二段外延生长使已蒸发到气相中的杂质不再进入外延层（低压外延）2、 硅外延层的缺陷第六章 -族化合物半导体1、 GaAs单

9、晶的制备方法（1） 水平布里奇曼法（横拉法）（2） 液态密封法第七章 -族化合物半导体的外延生长1、 金属有机物气相外延生长（MOVPE）的特点（1） 用来生长化合物晶体的各组分和掺杂剂都以气态通入反应器（2） 反应器中气体流速快（3） 晶体生长是以热分解方式进行，是单温区外延生长，需要控制的参数少，设备简单（4） 晶体的生长速度与金属有机源的供给量成正比，因此改变其输入量，可以大幅度地改变外延生长速度（5） 源及反应产物中不含有HCl一类腐蚀性的卤化物，因此生长设备和衬底不被腐蚀，自掺杂比较低2、 液相外延生长（LPE）及其特点从饱和溶液中在单晶衬底上生长外延层的方法叫液相外延（LPE）优点

10、（1） 生长设备比较简单（2） 有较高的生长速率（3） 掺杂剂选择范围广（4） 晶体完整性好，外延层位错密度较衬底低（5） 晶体纯度高生长系统中没有剧毒和强腐性的原料及产物，操作安全、简便3、 分子束外延生长（MBE）及其特点分子束外延是在超高真空条件下，用分子束或原子束输运源进行外延生长的方法特点（1） 源和衬底分别进行加热和控制，生长温度低（2） 生长速度低，可利用快门精密地控制掺杂、组分和厚度，是一种原子级的生长技术，有利于生长多层异质结构（3） 生长不是在热平衡条件下进行的，是一个动力学过程，因此可以生长一般热平衡难以得到的晶体（4） 生长过程中，表面处于真空中，利用附设的设备可进行原位（即时）观测、分析、研究生长过程、组分、表面状态等第十章 氧化物半导体材料1、 氧化物半导体材料的合成及提纯合成（1） 在含有氧气的气氛中进行金属高温氧化（2） 从含有氧化物的化合物中用化学反应方法制备提纯（物理提纯）（1） 悬浮区熔法（2） 升华法（3） 挥发性杂质的蒸发2、 氧化物半导体原子价控制原理提供在氧化物中掺入与金属或氧