杂质半导体的扩散

杂质半导体的扩散第一页，共二十二页，2022年，8月28日目录杂质半导体的简介1杂质半导体与扩散技术2杂质半导体与PN结3第二页，共二十二页，2022年，8月28日在本征半导体中掺入某些三价或者五价的微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入杂质的本征半导体则称为杂质半导体。杂质半导体的定义：发光材料本征半导体杂质半导体从不用，性能不稳定第三页，共二十二页，2022年，8月28日杂质半导体的定义：杂质在带隙中产生杂质能级，当杂质原子取代半导体晶体中的原子时：Si掺杂磷掺杂硼多一个价电子，为施主杂质多一个空穴，为受主杂质当杂质原子周围的势场与晶体本身的势场有很大差异，则借助于短程势场的作用往往形成俘获电子或空穴的能级--等电子陷阱。等电子陷阱形成束缚激子（电子空穴对），其中电子和空穴可直接跃迁复合，产生高效率发光。第四页，共二十二页，2022年，8月28日

根据掺入杂质性质的不同，杂质半导体分为N型半导体和P型半导体两种。施出价电子--施主接受电子--受主第五页，共二十二页，2022年，8月28日半导体发光材料的条件：1带隙宽度合适（释放光子能量小于带隙宽度）2可获得电导率高的PN型晶体3可获得完整性好的优质晶体4发光复合几率大掺杂技术第六页，共二十二页，2022年，8月28日GaN的掺杂：n型掺杂：掺杂元素主要是硅和锗，激活能较低，成品易获得较低导电率p型掺杂：掺杂元素主要是镁，镁为深受主，因被氢顿化为Mg-H络合物，因此呈现高阻，可通过低能电子辐照及在氮气中退火得到低阻氮化镓。但目前P型掺杂水平仍很低。半导体的更新换代：硅——砷化镓、磷化铟——氮化镓氮化镓具有优异电学性能、热稳定性好、光电转化率高。氮化镓基白光LED灯能耗为白炽灯的1/8，寿命是传统荧光灯的50~100倍。第七页，共二十二页，2022年，8月28日杂质半导体的形成：

通过扩散将一定数量和种类的杂质掺入硅片或其他晶体中，以改变其电学性质，并使掺入的杂质数量和分布情况都满足要求。扩散技术是一种基本而又重要的半导体制造工艺技术。第八页，共二十二页，2022年，8月28日间隙式扩散

半径较小的杂质原子从半导体晶格的间隙中挤进去。替位式扩散

半径较大的杂质原子代替半导体原子而占据格点（即空位）的位置，再依靠周围空的格点来进行扩散。扩散机构第九页，共二十二页，2022年，8月28日扩散方程：

将菲克第一定律方程与半导体连续性方程联立，即得到半导体掺杂的一维扩散方程（菲克第二定律）第十页，共二十二页，2022年，8月28日恒定表面源扩散恒定表面源扩散杂质的分布情况表达式：第十一页，共二十二页，2022年，8月28日有限表面源扩散表达式：有限表面源扩散杂质的分布情况有限表面源扩散杂质的高斯分布第十二页，共二十二页，2022年，8月28日（1）二维扩散

（2）杂质浓度对扩散系数的影响

（3）电场效应（4）发射区推进效应影响杂质浓度分布的因素第十三页，共二十二页，2022年，8月28日常用杂质的扩散方法按所用杂质源的形式：液态源扩散、固态源扩散、气态源扩散、涂源扩散和金扩散等按所用扩散系统的形式：开管式扩散、闭管式扩散以及箱法扩散第十四页，共二十二页，2022年，8月28日ＰＮ结第十五页，共二十二页，2022年，8月28日采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体（通常是硅或锗）基片上，在它们的交界面就形成空间电荷区称为PN结。什么是ＰＮ结？第十六页，共二十二页，2022年，8月28日

在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:

因浓度差

多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区

空间电荷区形成内电场

内电场促使少子漂移内电场阻止多子扩散PN结的形成第十七页，共二十二页，2022年，8月28日PN结的形成第十八页，共二十二页，2022年，8月28日PN结形成过程中的扩散运动P型、N型半导体由于分别含有较高浓度的“空穴”和自由电子，存在浓度梯度，所以二者之间将产生扩散运动。即：自由电子由N型半导体向P型半导体的方向扩散空穴由P型半导体向N型半导体的方向扩散第十九页，共二十二页，2022年，8月28日高掺杂n+型氮化镓体单晶衬底

2011年8月美国Kyma公司新推出尺寸为10´10mm-2和18´18mm-2的高掺杂n+型氮化镓体单晶衬底。电阻率小于0.02欧姆厘米，比以前的n型氮化镓衬底低两个数量级。n型载流子浓度达到了6´1018cm-3，对应电阻率仅为0.005欧姆厘米第二十页，共二十二页，2022年，8月28日高掺杂n+型氮化