半导体材料课件

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半导体材料*半导体材料

半导体导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。它是一类具有半导体性能、可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料，其电阻率在104～1010

欧姆·厘米范围内。半导体材料的电学性质对光、热、电、磁等外界因素的变化十分敏感，在半导体材料中掺

入少量杂质可以控制这类材料的电导率。正是利用半导体材料的这些性质，才制造出功能多样的半导体器件。

半导体材料是半导体工业的基础，它的发展对半导体技术的发展有极大的影响。

*半导体材料9.1半导体材料的分类

1.元素半导体

它大约有十几种处于ⅢA－ⅦA族的金属与非金属的交界处，如Ge（锗）,Si（硅）,Se（硒）,Te（碲）等。

2.化合物半导体

1）二元化合物半导体

AIIIA族和ⅤA族元素组成的化合物半导体。即Al(铝)、Ga（镓）、In（铟）和P（磷）、As（砷）、Sb（锑）组成的9种化合物半导体，如AsP,AlAs,GaP等。

BⅡB族和ⅥA族化合物半导体，即Zn,Hg,Cd和O,S,Se,Te组成的12种化合物半导体，如CdS,CdTe等。

CⅣA族元素之间组成的化合物半导体，如SiC等。

DⅣA与ⅥA族化合物半导体，如GeS,GeSe,SnTe等共9种。

EⅤA和ⅥA族元素组成的化合物半导体，如AsSe3，AsS3等。

*半导体材料2)

多元化合物半导体

A.ⅠB-ⅢA－（ⅥA）2组成的多元化合物半导体，如AgGeTe2等。

B.ⅠB-ⅤA—（ⅥA）2组成的多元化合物半导体，如AgAsSe2等。

C.

（ⅠB）2－ⅡB－ⅣA－（ⅥA）4组成的多元化合物半导体，如Cu2CdSnTe4等。*半导体材料3.固溶体半导体

固溶体是由二个或多个晶格结构类似的元素、化合物互溶而成。又有二元系和三元系之分，如ⅣA－ⅣA组成的Ge－Si固溶体;ⅤA－ⅤA组成的Bi－Sb固溶体。

由三种组元互溶的固溶体有：（ⅢA－ⅤA）－（ⅢA－ⅤA）组成的三元化合物固溶体，如GaAs－GaP组成的镓砷磷固溶体和（ⅡB－ⅥA）（ⅡB－ⅥA）组成的，如HgTe－CdTe两个二元化合物组成的连续固溶体碲镉汞等。

*半导体材料4.非晶态半导体

原子排列短程有序、长程无序的半导体称为非晶态半导体，主要有非晶Si、非晶Ge、非晶Te、非晶Se等元素半导体及GeTe，As2Te3，Se2As3等非晶化合物半导体。

5.有机半导体

有机半导体分为有机分子晶体、有机分子络合物和高分子聚合物，一般指具有半导体性质的碳－碳双键有机化合物。*半导体材料9.2半导体材料的结构与键合

一、金刚石结构金刚石结构是一种由相同原子构成的复式晶格。元素半导体材料Sｉ、Ge、Sn（灰锡）都具有金刚石结构。

图9－l金刚石结构（立方晶胞图）相关连的原子共有18个。此结构的一个重要特点是每个原于有４个最近邻，它们处在一个正四面体的顶角位置。

*半导体材料二、闪锌矿和纤锌矿结构１．闪锌矿结构（立方ZnS结构）

下图给出其立方晶胞图，它是由两种不同元素的原子分别组成面心晶格套构而成，套构的相对位置与金刚石结构相对位置相同。闪锌矿结构也具有四面体结构，每个原子有4个异类原子为最近邻、后者位于四面体的顶点，具有立方对称性。图9－2闪锌矿型结构

*半导体材料

许多重要的化合物半导体如III一V族化合物GaAs，InSb，GaP，InAs，BSb，AlSb，GaSb等，II－VI族比合物CdTe，ZnSe，HgSe，HgTe等和IV－IV族SiC，都为闪锌矿结构。由图9－l和图9－2对比可以看出，闪锌矿结构除去由两类不同原子占据着晶格的交替位置外，与金刚石结构是完全相同的。两种不同原子之间的化学键主要是共价键，同时又具有离子键成分即混合键。因此闪锌矿结构在半导体特性及电学、光学性质上除与金刚石结构有许多相同处外又有许多不同之处。

*半导体材料

闪锌矿结构中的离子键成分，使电子不完全公有，电子有转移，即“极化现象”。这与两种原子的电负性之差△X＝XA－

XＢ有关，两者之差愈大，离子键成分愈大，导致极化愈大。表７－１为电负性与离子键比例关系。

表9－１电负性与离子键比例*半导体材料

2．纤锌矿结构（六方硫化锌结构）*半导体材料

2．纤锌矿结构（六方硫化锌结构）图７－３给出其晶胞图。它是由两种不同元素的原子分别组成hｃｐ晶格适当错位套构而成的，并且也有四面体结构，具有六方对称性。其中Ｓ２－位于整个六方柱大晶胞的各个角顶和底心以及由六方柱划分出的六个三方柱中的相间的三个三方柱的轴线上，

Zn２＋则位于各个三方柱的棱上及相间的三个三方柱之轴线上。相当于Ｓ２－构成简单六方紧密堆积，而Zn２＋则填塞于半数的四面体间隙中，即每个原子均处于异种原子构成的正四面体中心，配位数均为4。纤锌矿是闪锌矿的同素异构体，晶体结构差别只是第三最近邻的相对位置，闪锌矿结构在（111）方向上下两层不同原子错开60o，纤锌矿结构在（111）方向上下两层不同原子是重叠的。因此纤锌矿晶体结构更适合于电负性差别大的两类原子组成的晶体。例如III－V族化合物中的BN、GaN、InN，III－VI族化合物中的ZnO、ZnS、CdS、HgS有纤锌矿结构。但是有些化合物在不同的生长条件下，可以按不同方式结晶。*半导体材料３．氯化钠结构氯化钠结构可看成是由两种不同元素原子分别组成的两套面心立方格子沿1／2［100］方向套构而成的，如图７－4所示。这两种元素的电负性有显著的差别，其中金属原子失去电子成为正离子，非金属原子得到电子成为负离子，它们之间形成离子键。具有氯化钠结构的半导体材料，主要有CdO、PbS、

PbSe、PbTe、SnTe等。图9－4氯化钠型结构图

*半导体材料４．四面体共价键与轨道杂化硅、锗和灰锡都具有金刚石结构，每个原子和4个最近邻原子形成四面体共价键。根据轨道杂化理论，当四价元素形成晶体时，原子相互靠近，改变了孤立原子状态，主要表现在使价电子的状态发生变化，即有1个S轨道和3个P轨道，混合组成4个SP3杂化轨道，使原子有强的成健能力，原有电子处于现在4个杂化轨道状态，电子云几率分布沿四面体顶角方向最大，在这4个方向上，一个原子和周围最近邻原子之间形成共价键，键和键之间的夹角为109o28。碳、硅、锗和灰锡都有四面体共价键，成键数都等于价电子数4，只是原子半径从硅至灰锡逐渐增大，它们的共价键强度逐渐减小。对于III

－V族和II－VI族化合物半导体是与IV族元素半导体等电子的，它们每个原子所具有的平均价电子数也是4，仍以Sp3杂化轨道成键形成四面体配位的晶体，只是由于它们是两种原子组成的化合物，形成了闪锌矿结构或纤锌矿结构。*半导体的共价键结构

硅晶体的空间排列*半导体的共价键结构硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构价电子：最外层原子轨道上具有的电子（4个）。*半导体材料

9.3半导体材料的物理基础

研究半导体中载流子运动的基本规律、基本物理过程、物理现象及物理性质是认识、发展和开发半导体功能材料的基础。一、导电特性

载流子晶体中参与导电的粒子被称为载流子。半导体中对电导有贡献的载流子：导带中的电子，价带中的空穴，它俩是具有不同符号的电荷。对纯净半导体，理想情况下，半导体内不存在可以自由移动的电子，电子均被束缚在原子核周围，其中价电子构成共价键。

本征激发当外界对半导体有某种作用时，如光照、加热等，价电子获得足够能量，摆脱共价键束缚，成为自由电子，而原来共价键上留下一个空位叫空穴，即产生电子一空穴对，这个过程叫本征激发。电子和空穴都可参与导电，它们数目接近叫做本征半导体。在室温下锗的本征载流子浓度ni=2.3X1019个／m3，硅的ni=1.5

X1019个／m3。*第7章半导体材料

实际用的半导体材料中总会有杂质存在，其中有的杂质会使半导体中自由电子数增加，成为以电子为主要载流子的n型半导体；有的杂质使半导体中空穴数增多，成为以空穴为主要载流子的P型半导体。

例如在半导体材料中掺入比其多一个价电子的元素，多余的价电子不能进入共价键，但仍受杂质中心的约束，只是比共价键约束弱得多，只要很小的能量就会摆脱约束，成为自由导电电子。同样在半导体材料中掺入比其少一个价电子的元素，组成共价键时，形成一个空穴状态，只要很小的能量就会从附近原子接受一个电子，把空状态转移到附近共价键里，这就是空穴，空穴数增多并参与导电。以上两种情况发生时，杂质原子分别形成正电中心和负电中心，都可以近似用类氢系统和载流子的有效质量来处理。

半导体材料的导电特点即是具有两种载流子，而且可以人为地改变其种类和数目，这也是半导体材料可以得到广泛应用的重要原因。*本征半导体本征半导体——化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。空穴——共价键中的空位。电子空穴对——由热激发而产生的自由电子和空穴对。空穴的移动——空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。*杂质半导体

在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。

N型半导体——掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。（Negative负的字头）P型半导体——掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。（Positive正的字头)*

1.N型半导体

因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。

在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子,由热激发形成。

提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。*

2.P型半导体

因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。

在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子，由热激发形成。

空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。*

掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下:

T=300K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:

n=p=1.4×1010/cm31

本征硅的原子浓度:

4.96×1022/cm3

3以上三个浓度基本上依次相差106/cm3

。

2掺杂后N型半导体中的自由电子浓度:

n=5×1016/cm3

3.杂质对半导体导电性的影响*半导体材料二、能带结构固体物理学中常用能带来表示电子的各种行为。

能带结构通常把能带、禁带宽度以及电子填充能带的情况统称为能带结构，其中能带和禁带宽度取决于晶体的原子结构和晶体结构，而电子填充要遵从能量最小原理和泡利不相容原理。

带边价带顶和导带底都称为带边，分别用Ev和Ec表示它们的能量，带隙宽度Eg=Ev-Ec。用晶体中电子的能量E与波矢k的函数关系来描述电子在能带中的填充，对半导体起作用的常常是接近于导带底或价带顶的电子。**

纯净材料的导电性能与材料的电子结构有直接的关系。电子结构由一系列能级组成，电子有序地填充在这些能级中。金属有部分能级没有填满，因此，电子可以在这些能级间自由地移动也就是说，电子可以在金属中流动。绝缘体的能级是被电子填满的，并且，两个能级之间的能量差距很大。电子只有获得足够的能量才能从一个能级级跃迁到另一个能级。能级之间的能量差距越大，电子跃迁就越困难，绝缘性能也就越好。半导体和绝缘体一样，存在满带，但由于能隙较小，它的电子在跃迁时需要的能量就较少。因此一些电子有足够的能量来跃迁。当然电子的平均能量是温度的函数，因此半导体的导电性也与温度有关。*半导体材料三、p-n结（PN结的形成及特性）

1.PN结的形成

2.PN结的单向导电性

3.PN结的反向击穿*

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

最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。

对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。多子的扩散运动

由杂质离子形成空间电荷区

*1.PN结的形成（1）扩散运动

（2）PN结（3）漂移运动***

2.

PN结的单向导电性

当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。

(1)PN结加正向电压时PN结加正向电压时的导电情况

低电阻大的正向扩散电流PN结的伏安特性*PN结的伏安特性

(2)PN结加反向电压时PN结加反向电压时的导电情况

高电阻很小的反向漂移电流

在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。*

PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；

PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。

由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。*

3.

PN结的单向导电性

(3)PN结V-I特性表达式其中PN结的伏安特性IS——反向饱和电流VT——温度的电压当量且在常温下（T=300K）*

2.2.3

PN结的反向击穿当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。热击穿——不可逆PN结的电流和温升不断增加，使PN结的发热超过它的耗散功率。电击穿——可逆雪崩击穿：由于碰撞电离使载流子产生倍增效应，使反向电流急剧增大。齐纳击穿：在杂质浓度特别大的PN结中加有较高的反向电压，破坏共价键将束缚电子分离出来造成电子空穴对，使反向电流急剧增大。*半导体材料

9.4半导体材料中的杂质

一、杂质的种类按杂质原子存在方式分两类：单个原子，复合体。以单个原子存在的位置分两类：替代式，间隙式。按杂质原子对半导体材料电学性质的影响分为5类：受主杂质、施主杂质（Ⅲ族和Ⅴ族）、两性杂质（Si中的Au）、中性杂质（Ⅳ族硅中锗、碳和锡）和深能级杂质（IB族和过渡族金属杂质）。*半导体材料二、杂质对半导体材料电学性能的影响

1．杂质对半导体材料导电类型的影响当材料中施主杂质和受主杂质共存时，有补偿作用，材料的导电类型，取决于哪一种占优势。设杂质在室温下全部电离，ND表示施主杂质浓度，NA表示受主杂质浓度，当ND≥

NA时半导体呈n型，如若ND≤NA呈P型，当ND≈

NA或ND=

NA时，杂质高度补偿，呈弱n或弱p型，甚至是本征的。人们常常利用扩散或注入法，改变材料中某一区域的导电类型，制作各种器件；同时人们在选择半导体材料时，也提出对补偿度的要求，保证器件的质量和稳定性。

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2．杂质对半导体材料电阻率的影响材料中有多种杂质，并且饱和电离时，电阻率用ρ表示。在有补偿的情况下，电阻率主要由有效杂质浓度（ND-NA

）或（NA-ND

）决定，但总的杂质浓度N1=NA+ND

，也对电阻率有影响，因为杂质浓度很大时，对载流子散射将加强，则迁移率下降，电阻率增加。有补偿时，电阻率数值偏高，数据不可靠。因此制备半导体材料，应提纯达到规格要求。

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3．杂质对非平衡载流子寿命的影响半导体中深能级杂质对材料的平衡态电学性能影响较小，对非平衡态的电学性能影响较大。在禁带中有多重能级，对电子和空穴的复合起中间站作用，称为复合中心或陷阱中心，大大缩短了非平衡载流子的寿命，因此一般在制备材料时要严防重金属玷污，它们对光电器件特别有害，而对一些特殊器件还可以人为注入微量重金属来降低非平衡载流子寿命。

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9.5元素半导体中的缺陷

晶体的缺陷半导体晶体中原子的周期性排列经常受到局部破坏，这些被破坏的区域称为晶体的缺陷。

晶体的缺陷的分类按它们区域的大小分为点、线、面、体四类。

研究晶体的缺陷的意义各种缺陷的相互作用，与杂质原子的相互影响，形成复合体，对材料和器件的性能会产生重大影响，因此材料中的缺陷是材料应用研究中的一个中心问题。

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一、点缺陷（热缺陷）

半导体晶体中点缺陷的类型有肖特基缺陷、填隙原子缺陷和弗仑克尔缺陷等。热缺陷不断产生、复合，在一定温度下有确定的平衡浓度，应用统计物理方法可得到空位的数目：

填隙原子的数目：

式中，N、N’分别为单位体积中的原子数和间隙位置数，Evf、Eif分别是一个空位、一个填隙原子形成能。

弗会克尔缺陷的数目为

其中，EFf是一个弗会克尔缺陷的形成能。

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二、位错

1．可能的位错组态根据位错理论可知，位错线应在晶体的滑移面上，而滑移面常常是原子面密度大的低指数晶面，金刚石结构晶体面密度最大的是（111）面，其次是（110）面和（100）面，位错线的滑移方向多是原子的密排方向「110］，因此最短的柏氏矢量在[110]方向。

2．位错对材料和器件性能的影响位错对材料性能的影响表现在对刃型位错存在一串原子带有未饱和的悬挂键，可起施主或受主作用（与单晶类型有关），使材料电阻率改变。位错还会影响迁移率和电导率，并具有明显的方向性。位错的存在还会改变少数载流子的寿命。

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实验表明“清洁的”位错对器件特性没什么影响，但是当杂质原子沿位错线沉积，特别是贵金属杂质的沉积，会引起p－n结漏电、V－I特性“软化”。位错线还会使杂质的扩散增强，特别在浅结n－P－n晶体管中引起器件失效。提高材料纯度，减少工艺过程中的杂质玷污，消除诱生位错，是提高器件性能和成品率的重要措施。另一方面“吸除工艺”，它是利用非有源区的位错，吸除有源区的有害杂质、点缺陷，则能改善性能，提高器件的成品率。

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3、堆垛层错

层错的来源：（1）外延生长时，由于衬底表面存在机械损伤、表面沾污、微氧化斑、小合金点等都可成为层错成核中心，外延生长时可生成本征型和非本征型层错。（2）单晶生长时，在固液界面上有掉渣、热应力、籽晶和熔体浸润不好等情况，也可引入层错。（3）硅片热氧化或热处理时引入层错。

层错对材料和器件性能的影响层错可以引起杂质不规则扩散和不均匀分布，使器件结构不规则，引起漏电流增大，二次击穿，局部击穿甚至短路。层错也成为重金属等有害杂质聚集、沉淀核心，引起击穿。层错还成为载流子的复合中心和散射中心，使少数载流子寿命和迁移率下降，使器件放大系数下降，增大反向电流和正向电压下降，降低截止频率。层错还增加晶体管噪声。*半导体材料

4.化合物半导体中的缺陷主要关注点缺陷，以GaAs为例。（1）Ga原子和As原子本身产生空位和间隙原子。（2）肖特基缺陷，按严格化学计量比，产生As空位同时形成相等数目的Ga空位。（3）弗伦克尔缺陷，产生As空位的同时形成相等数目的As间隙原子、（4）代位原子，即产生As占Ga的代位原子或Ga占As的代位原子。（5）反结构缺陷，即产生As占Ga的代位原子的同时，产生相同数目的Ga占As的代位原子。*半导体材料

9.6典型半导体材料一、硅材料硅是当前最重要、产量最大、发展最快、用途最广的半导体材料，95％以上的半导体器件是用硅材料制作。据报道，1996年世界硅半导体器件的市场规模为1851亿美元，消费硅片则达33.46亿平方英寸。

1.硅材料概况硅在地壳中的含量为27％。硅晶体具有灰色金属光泽，硬而脆，熔点1420℃，室温下本征电阻率为23X105Ω·cm。常温下硅的化学性质稳定，升温时，很容易同氧、氯等多种物质发生反应，高温下极活泼。硅不溶于盐酸、硫酸、硝酸及王水，但容易溶于HF－HNO3混合液，后者常用来作为硅的腐蚀液；硅容易与碱反应，可用来显示晶体缺陷；硅与金属作用能生成多种硅化物，它们具有导电性良好、耐高温、抗电迁移等特性，可用来制作大规模和超大规模集成电路内部引线、电阻等。*第7章半导体材料

2．硅单晶的制备单晶硅的生长方法有直拉法（CZ）、悬浮区熔法（FZ）、磁控拉制法（MCZ）和采用外延法（EPI）制备硅外延片。

CZ法是在盛有熔硅的坩埚内，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。

CZ法是目前生长元素和Ⅲ一V族化合物半导体单晶的最主要方法，工艺成熟。CZ单晶硅的特点是直径大、机械强度高、电阻率低、氧含量较高，适于生产中、低阻，大直径单晶，主要用于制造集成电路、晶体管、低电压小功率二极管、传感器和太阳能电池。由CZ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，生长高阻单晶困难。

FZ法不使用坩埚，它是将区域提纯与晶体生长结合起来制取高纯单晶，该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。FZ单晶硅的特点是电阻率高、补偿度小、少数载流子寿命长、NTD单晶硅电阻率均匀性好，主要用于制作电力电子器件（SR、SCR、GTO等）、高反压晶体管、射线探测器、高压整流器、可控硅。*第7章半导体材料

9．6．1．3硅单晶中的做缺陷在硅材料的发展过程中，人们曾把拉制无位错单晶作为提高材料性能和器件成品率的最佳要求，但在实践应用中发现无位错单晶硅中存在微缺陷，其中有一类称为旋涡缺陷，人们对它研究的比较深入广泛。区熔单晶中微缺陷研究开展得较早，文献较多，对其分类及特征大致如表10－－5所示，但对其形成原因和本质的研究又提出多种模型，如早期迪考克的“空位团模型”，后来较为流行的有“非平衡间隙原子模型”和“平衡间隙原子模型”，还有人提出“液滴模型”、“St。C4复合体”、“纯空位模型”等，目前还没有统一的理论解释微缺陷的形成。直拉单晶中微缺陷和区熔单晶中微缺陷在成因和性质上又很不相同。袅10－5桂单硅中的微缺陷一微缺陷的存在引起人们的极大重视。在微缺陷上会产生金属微沉淀、绝缘微沉淀及层错，使器件性能变坏，如导致p－n结漏电流增大，载流子迁移率降低，对大规模集成电路会带来更大的危害，所以微缺陷已成为影响器件成品率的重要因素。*第7章半导体材料

10．6．1．罩住单晶中的日和碳由于原材料和生长时气氛和环境站污的影响，硅单晶中一般都含有一定数量的氧和碳。如CZ－Si中氧含量可达101’个／。m－‘，碳101’个／cm－‘；FZ－－Si中氧可达10“～10’‘个／cm－‘，碳10“个／cm－’，因此硅中氧、碳一直是人们研究的重要课题。氧在硅中大部分处于间隙位置，形成St一O－－St键，在1106cm－‘处产生红外吸收带，它与空位复合还产生836cm－‘红外吸收带，氧在硅中一般认为有两个施主能级，三个受主能级，扩散系数为D一队23exp（一2．561士0．005／k。T）。氧在硅中的作用有害也有利，因此应综合考虑其含量与作用。对氧含量较高的CZ硅，热处理时会产生热施主（450t左右）或新施主（550～800t长时间处理），在1000oC以上氧以g－SIO。微沉积形式析出，高于1300℃热处理氧重新处于分散的间隙位置。关于新施主的结构和产生机理至今还不很清楚。碳在硅中为替位式，是非电活性杂质，高碳样品在830cm－‘处有Si－C吸收峰，热处理时在450t拆出沉淀物SIC，700oC时溶质破开始消失。其在硅中扩散系数为D—0．33exP［一（2．9士0．25）从。Ti。碳对硅器件有害，应尽量减少其含量。*第7章半导体材料

10．6．1．5住单晶中缺陷的控制和利用为了消除缺陷给材料和器件带来的危害，人们一直是在如下两个方面努力的。（1）消除缺陷通过提高原材料的纯度、改善多晶、籽晶、衬底的质量，改进材料加工技术、单晶制备、热处理和器件制造工艺，控制氧、碳、氮和其他杂质含量和均匀分布，改善超净条件，减少治污等措施来消除缺陷，制备高度完整的晶体。化）利用缺陷实践证明，完全消除缺陷是难于实现的，人们就通过控制并利用晶体在拉制和加工过程中产生的缺陷，来保证和提高集成电路的性能，有人称之为“缺陷工程”具体方法很多，可分为两类：①内吸除，又称“本征吸除”（IG），主要用于间隙氧含量较高的硅片，具体做法是用CZ硅片在一定热处理制度下，使硅片内部生成氧沉淀、位错、层措等缺陷复合作，而在距表面的一定深度内形成无氧层，硅片内部缺陷通过和表面层内杂质、缺陷交互作用，对表面吸除，获得表面完整层（DZ）的优质硅片；②外吸除，利用外部因素来处理硅片，减少硅片表面活性层（有源区）的污染和防止缺陷的产生，常用的外吸除方法有在背面制造划伤或研磨伤痕、离子注入，扩磷、硼，引入位错，附一层St。N4膜，激光照射、声波冲击等产生畸变场，也能施以对表面的吸附作用，以也获得DZo实验表明，内吸除和外吸除工艺配合可以产生更好的作用，且适用于低氧含量硅片。*第7章半导体材料10．6．1．6挂材料的主要应用硅材料是目前可以获得的纯度最高、完整性最好、直径最大、用途最广和消耗量最大的半导体材料，已成为半导体工业的重要基础材料。如前所述，95％以上的半导体器件均用硅制成，而在这些器件中集成电路（IC）又占60％～80％。根据硅材料的不同性优制作的半导体器件主要有晶体二极管、三极管、IC（利用整流效应、离子注入）、热敏电阻（利用热电效应）、霍尔器件（利用霍尔效应）、变容二极管（利用p－n结电容效应）、混频二极管（利用肖特基势垒效应）、光敏电阻（利用光电效应）、光电二极管和雪崩光电二极管（利用光电导和光伏效应）、雪崩渡越二极管（利用P－n结雪崩倍增效应）、晶闸管（利用整流效应）等，其应用领域涉及通信、雷达、广播、电视、各种计算机、自动控制和各种仪表；太阳能电池（利用光生伏特效应）应用于空间或地面发电；半导体探测器（利用内光电效应）、核辐射探测器（利用本征激发或杂质电离）应用于原子能、分析、光量子检测；利用超纯硅对l～7ym红外光透过率高达90％～95％这一特性，制作红外聚焦透镜，用以对红外辐射目标进行夜视跟踪，照相等；其他加整流器和可控硅应用于整流、高频振荡器、超声波振荡器。

*第7章半导体材料10．6．1．7健材料的发展状况硅作为最主要的半导体材料，自从1948年发明第1只硅晶体管后，借助硅的优越性，已在20世纪50年代制成了可控硅和在别世纪助年代实现了集成电路（IC），这为开创微电子工业和开发半导体工业奠定了基础。从此，硅材料的产量逐年上升，据西方国家统计，1990年世界硅多晶产量已接近万吨。从硅单晶的生产情况看，至1998年世界f125mm（sin）和f150mm（6in）的硅单晶片产量已占硅片生产总量的70％以上，同时各国都在大力扩大f200mm（出山片的生产能力，f300mm（12i）的单晶硅也已问世。另一方面，高压大功率器件的发展，区熔硅单晶生产水平也有很大提高，f100mm（4in和fi25mm（sin）区熔硅单晶已可工业化生产，历n的也已研制成功，并投入生产。近年来硅单晶生产的平均增长率达20％，直径几乎每两年增加lin，f200mm（sin）的硅片现已成为常规产品，f300mm（12in）的硅片已在最近几年逐步投入器件生产线。硅片质量是随后制出的器件和集成电路性能的关键，为提高计算机的贮存容量的速度以及不断地降低成本，要求其贮存器芯片尽量减少每个元件的面积共提高集成度，这需要大面积无缺陷的硅单晶片作保证。国外对单晶硅的要求重点在于稳定和提高大直径硅片的质量，其中主要是氧含量、均匀性和尺寸精度，即平整度和表面质量。表10－6列出1998～2014年随机动态存储器（DRAM）的发展趋势和性能要求。宗10－61998～2014年随机动态存储器（DRAM）的发展和性能基求——

我国硅材料生产和研究的整体水平落后于先进国家，虽然已能生产100～150mm各种规格的电路级抛光片和100in外延片，品种和规格基本满足国内电子工业的需要，但在大批量生产、大尺寸和硅片质量等方面还与国外同类产品有一定的差距。当前，硅材料的国产化关键在于提高硅片尺寸和质量。与此同时，研究原料与硅材料的关系，硅材料与器件的关系以及开展与之有关的基础和应用研究等也十分重要。

*************10.6典型半导体材料一、硅材料1.1硅材料的制备1.2硅单晶的微缺陷1.3硅单晶中的氧和碳1.4硅单晶中缺陷的控制和利用（1）消除缺陷（2）利用缺陷：内消除和外吸除1.5硅材料的应用二极管、三极管、热敏电阻、光敏电阻、太阳能电池、半导体探测器、整流器和可控硅等方面。*二、锗材料三、砷化镓材料四、碲镉汞材料五、镓砷磷材料六、薄膜半导体材料七、高温半导体材料八、碳化硅九、人造金刚石薄膜*十、非晶半导体材料1、分类：（1）共价键非晶半导体1）四面体非晶半导体如Si、Ge、SiC、InSb2）“链状”非晶半导体如S、Se、Te、As2S33）交链网络非晶半导体Ge－Sb－Se2）3）两类都还有S、Se和Te，称为硫系化合物（2）离子键非晶半导体主要是氧化物玻璃V2O5-P2O5、MnO-Al2O3-SiO2、CaO-Al2O3-SiO2*2、非晶态半导体器件的研究和应用（1）光盘（2）太阳能电池（3）薄膜场效应晶体管（4）传感器*半导体材料的介绍

电子陶瓷材料*

按IEC标准，陶瓷电容器被分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ共三大类型。

Ⅰ型陶瓷电容器是电容量随温度变化稳定度较高的电容器，主要用于高频谐振回路中，常被称为高频陶瓷电容器。按照介电常数高低，Ⅰ型陶瓷电容器又可分为低介高频瓷与高介高频瓷，其中，高介高频瓷包括了热补偿高频瓷、热稳定高频瓷。

陶瓷电容器的分类*

Ⅱ型陶瓷电容器以高介电常数为主要特征，其材料主体是具有钙钛矿型结构的铁电强介磁料，其基本组成主要有和弛豫铁电体。铁电强介质陶瓷的高介电常数来源与材料中存在的自发极化随外电场而呈现的其介电常数高达

。由于介电常数受温度影响很大，电容器容量温度特性通常用在规定温度范围内的上、下极值容量相对于室温下的容量变化百分比来表示。

*

用这种材料制作的电容器在频率超过一定范围时衰减幅度很大，因而主要应用于低频电路或对容量要求不大苛刻的中高频电路。最为常见的Ⅱ型陶瓷电容器有以下几类特性：Y5V、Y5U、X7R特性。*

Ⅲ型陶瓷电容器又被称为半导体陶瓷电容器，它是一种利用特殊的显微结构（晶粒或瓷体半导体，晶界或表面绝缘化）来获取巨大的宏观效益的高性能陶瓷电容器，用于制作这类电容器的主要材料有钛酸钡和钛酸锶。这类电容器的结构类型主要有晶界层（BLC）和表面阻挡层（SLC）两种。晶界层陶瓷电容器具有介电常数高（30000～50000），使用频率宽（0～

Hz），温度变化率及介电*

损耗相对较小的特点，这种重要的性能优势使晶界层电容器对于优化电子线路、提高电路工作频率特性和温度适用范围、改善整机性能具有重要作用，如容量温度变化率在范围之内、介质损耗小于的晶界层电容器，在技术发达国家被广泛用于各种高性能电子仪器设备中。被晶界层电容器制作的小型大容量穿心电容器应用于电源及微波电路滤波接口时，可增加各种人为或自然的电磁干扰型号的抑制、消除功能，从而提高军事电子装备的抗电磁干扰能力。*

号的抑制、消除功能，从而提高军事电子装备的抗电磁干扰能力。

Ⅰ型陶瓷电容器常用来表示温度每变化1℃时介电常数的相对变化率，可用下式表示：

*1.

Ⅰ型陶瓷电容器瓷的分类*1.

值不同的原因有正、负、零，取决于不同温度下质点的极化程度，也决定于相应温度下单位体积的质点数。a、

TiO2、CaTiO3b、

CaSnO3、CaZrO3c