第四章 硅锗晶体中的杂质和缺陷

1、1第四章第四章 硅硅/锗晶体中的杂质和缺陷锗晶体中的杂质和缺陷2杂质的分类杂质的分类族杂质族杂质一、杂质能级浅能级杂质浅能级杂质深能级杂质深能级杂质对材料电阻对材料电阻率影响大率影响大起复合中心起复合中心或陷阱作用或陷阱作用3二、杂质对材料性能的影响二、杂质对材料性能的影响n1.杂质对材料导电类型的影响杂质对材料导电类型的影响 掺杂一种杂质掺杂一种杂质 掺杂两种杂质掺杂两种杂质n2.杂质对材料电阻率的影响杂质对材料电阻率的影响n3.杂质对非平衡载流子寿命的影响杂质对非平衡载流子寿命的影响 降低了载流子的寿命降低了载流子的寿命4三、硅锗晶体的掺杂三、硅锗晶体的掺杂n半导体的半导体的电学参数通过掺

2、杂来控制电学参数通过掺杂来控制的，拉的，拉单晶的过程时就掺入杂质。单晶的过程时就掺入杂质。n杂质掺入的方法杂质掺入的方法 共熔法：共熔法：纯材料与杂质一起放入坩锅熔化纯材料与杂质一起放入坩锅熔化 投杂法：投杂法：向已熔化的材料中加入杂质向已熔化的材料中加入杂质不易挥发的材不易挥发的材料料易挥发的材料易挥发的材料5单晶生长时，单晶生长时，杂质分布不均匀会造成杂质分布不均匀会造成横向和纵向电阻率不均匀横向和纵向电阻率不均匀n1.直拉法单晶直拉法单晶纵向纵向电阻率均匀性的控制电阻率均匀性的控制电阻率均匀性电阻率均匀性是半导体材料质量的一个指标是半导体材料质量的一个指标变速拉晶法变速拉晶法：先用大拉速

3、，再用小拉速：先用大拉速，再用小拉速双坩锅法双坩锅法（连通坩锅法，浮置坩锅法）（连通坩锅法，浮置坩锅法）（P80）n一、直拉法生长单晶的电阻率的控制一、直拉法生长单晶的电阻率的控制6n2. 径向径向电阻率均匀性的控制电阻率均匀性的控制固液界面的平坦度固液界面的平坦度 为了获得径向电阻率均匀的单晶，必须调平固液界面。为了获得径向电阻率均匀的单晶，必须调平固液界面。采用的方法有采用的方法有:A：调整晶体生长热系统，：调整晶体生长热系统，使热场的径向温度梯度变小使热场的径向温度梯度变小B ：调节拉晶运行参数，例如调节拉晶运行参数，例如对凸向熔体的界面，增加对凸向熔体的界面，增加拉速；对凹向熔体的界面

4、，降低拉速拉速；对凹向熔体的界面，降低拉速C：调整晶体或者坩锅的转速：调整晶体或者坩锅的转速 增加晶体转动速度，界面由凸变凹增加晶体转动速度，界面由凸变凹 增加坩锅转动速度，界面由凹变凸增加坩锅转动速度，界面由凹变凸D：增大坩锅内径与晶体直径的比值：增大坩锅内径与晶体直径的比值，一般，一般 坩锅内径：晶体直径坩锅内径：晶体直径32.5：17n晶体生长的固液界面，由于受坩锅中熔体等温晶体生长的固液界面，由于受坩锅中熔体等温线的限制，常常是弯曲的。如果在晶体生长时线的限制，常常是弯曲的。如果在晶体生长时迅速提起晶体，在原子密排面的固液界面会出迅速提起晶体，在原子密排面的固液界面会出现一小片平整的平

5、面，称之为现一小片平整的平面，称之为小平面。小平面。小平面效应小平面效应n在小平面区杂质浓度与非小平面区有很大差在小平面区杂质浓度与非小平面区有很大差异，这种杂质在小平面区域分布异常的现象异，这种杂质在小平面区域分布异常的现象叫叫小平面效应。小平面效应。n由于小平面效应，小平面区域的电阻率会降由于小平面效应，小平面区域的电阻率会降低。低。为了消除小平面效应带来的径向电阻率为了消除小平面效应带来的径向电阻率不均匀性，不均匀性，需将固液界面调平。需将固液界面调平。8二、水平区熔拉晶时杂质的控制二、水平区熔拉晶时杂质的控制 （区域匀平法）（区域匀平法）n在用水平区熔法生长单晶时的掺杂，是在用水平区熔

6、法生长单晶时的掺杂，是把把杂质放在籽晶与料锭之间，杂质放在籽晶与料锭之间，随着熔区随着熔区的移动使杂质分布在整个晶锭中。的移动使杂质分布在整个晶锭中。n利用这种方法可以得到比较均匀的电阻利用这种方法可以得到比较均匀的电阻率分布，因此又称为率分布，因此又称为区域匀平法。区域匀平法。9根据根据导电类型和电阻率的要求导电类型和电阻率的要求选择掺杂元素选择掺杂元素n轻掺杂（轻掺杂（1010141410101616，在功率整流级单晶）、中，在功率整流级单晶）、中掺杂（掺杂（1010161610101919，晶体管级单晶）、重掺杂，晶体管级单晶）、重掺杂（大于（大于10101919外延衬底级单晶）外延衬底

7、级单晶）根据杂质根据杂质元素在硅、锗中的溶解度元素在硅、锗中的溶解度选择选择固溶度是指杂质在一定温度下能溶入固体硅中的最大浓度。固溶度是指杂质在一定温度下能溶入固体硅中的最大浓度。 三、五族元素在硅中的固溶度较大三、五族元素在硅中的固溶度较大。 杂质原子半径越大杂质原子半径越大，特征原子构型与锗、硅的越特征原子构型与锗、硅的越不同，不同，它们在锗、硅中的固溶度越小它们在锗、硅中的固溶度越小。根据根据分凝系数分凝系数选择选择n分凝系数远离分凝系数远离1 1的杂质难于进行重掺杂的杂质难于进行重掺杂掺杂元素的选择标准掺杂元素的选择标准10根据杂质在晶体中的根据杂质在晶体中的扩散系数扩散系数选择选择n

8、在高温工艺中，如扩散、外延，掺杂元素的扩散系数小在高温工艺中，如扩散、外延，掺杂元素的扩散系数小些好些好n快扩散杂质：快扩散杂质：H H，LiLi, Na, Cu, Fe, K, Au, He, Ag, , Na, Cu, Fe, K, Au, He, Ag, SiSin慢扩散杂质：慢扩散杂质：Al,P,B,CaAl,P,B,Ca, Ti, , Ti, SbSb，AsAs根据根据杂质元素的蒸发常数杂质元素的蒸发常数选择选择n快蒸发杂质的掺杂不宜在真空而应在保护性气氛下进行快蒸发杂质的掺杂不宜在真空而应在保护性气氛下进行尽量尽量选择与锗、硅原子半径近似的杂质选择与锗、硅原子半径近似的杂质元素作为

9、元素作为掺杂剂，以保证晶体生长的完整性掺杂剂，以保证晶体生长的完整性11 晶体中常见的缺陷种类晶体中常见的缺陷种类n点缺陷点缺陷n线缺陷线缺陷 位错位错n面缺陷面缺陷n体缺陷体缺陷n微缺陷微缺陷四、硅锗单晶中的位错四、硅锗单晶中的位错12点缺陷点缺陷n杂质点缺陷杂质点缺陷 来源：制备过程中或环境中杂质沾污或掺杂，来源：制备过程中或环境中杂质沾污或掺杂， 间隙间隙 替替位位n热点缺陷热点缺陷 弗伦克尔缺陷弗伦克尔缺陷 肖特基缺陷肖特基缺陷 来源：与温度直接相关来源：与温度直接相关13n1. 1. 刃型位错刃型位错( (棱位错棱位错) ) 特点特点: :位错线垂直滑移方向位错线垂直滑移方向n2.2

10、.螺位错螺位错: : 特点特点: :位错线平行滑移方向位错线平行滑移方向线缺陷：位错的基本类型线缺陷：位错的基本类型14位错产生的原因位错产生的原因n籽晶体内原有位错籽晶体内原有位错n籽晶表面损伤籽晶表面损伤n由于外界的振动、外加应力、热起伏等由于外界的振动、外加应力、热起伏等而使籽晶或单晶中位错倍增。而使籽晶或单晶中位错倍增。n固液交界面过冷固液交界面过冷15位错对器件性能的影响位错对器件性能的影响位错对半导体材料的影响（位错对半导体材料的影响（P93P93）（1 1）位错对载流子浓度的影响：）位错对载流子浓度的影响： 影响不大影响不大（2 2）位错对迁移率和电导率的影响：）位错对迁移率和电

11、导率的影响： 平行于位错线的方向上电导增强，垂直于位错线方向时则减弱平行于位错线的方向上电导增强，垂直于位错线方向时则减弱（3 3）位错对载流子寿命）位错对载流子寿命 的影响的影响. .（图（图4 41111） 设载流子的浓度为设载流子的浓度为N ND D，当，当N ND D低于低于10103 3cmcm2 2时，时， 随随N ND D 减少而降低减少而降低 当当N ND D在在 10103 310104 4 cmcm2 2 时，又最长的寿命值。当时，又最长的寿命值。当N ND D 大于大于10104 4 cmcm2 2 时，寿命随着时，寿命随着N ND D的增加而降低。的增加而降低。16位错同杂质沉淀相结合使位错同杂质沉淀相结合使P-N结反向性能劣化结反向性能劣化 纯净位错并不对纯净位错并不对P-N结造成可觉察的坏影响结造成可觉察的坏影响 但但位错处易导致重金属杂质沾污位错处易导致重金属杂质沾污位错的存在易造成位错的存在易造成P-N结贯通结贯通 杂质在位错线附近扩散快，因此在晶体管中，扩散发射区时，杂质在位错线附近扩散快，因此在晶体管中，扩散发射区时，局部穿透了基区，局部穿透了基