半导体材料复习.docx

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半导体材料复习

题型：

一.简答5*10分二.综述3题50分

Si（砂子SiO2）→粗硅（97%）→高纯多晶硅（99.999999%）→单晶硅棒→切片→外延片

第一章

粗硅的制备：

SiO2+还原剂→Si（97%）

SiO2+3C==SiC+2CO1600-1800℃

2SiC+SiO2===3Si+2CO

高纯硅的制备方法

1.三氯氢硅还原法

优点：

产率大，质量高，成本低

步骤：

粗硅→酸洗（去杂质）→粉碎→入干燥炉→通入热氮气→干燥→入沸腾炉→通干HCl→三氯氢硅

Si+3HCl=SiHCl3+H2

反应温度280-300℃，H2：

HCl=1:

3~5,硅粉与HCl在进入反应炉前要充分干燥（加氮气），并且硅粉粒度要控制在0.18-0.12mm之间。

三氯氢硅的提纯：

精馏：

多次部分汽化，多次部分冷凝。

三氯氢硅还原：

SiHCl3+3H2→Si+3HCl反应温度：

1100℃

高纯硅的纯度通常用以规范处理后，其中残留的B、P含量来表示，称为基硼量、基磷量。

2.硅烷法（吸附法）

⏹主要优点：

1.除硼效果好

2.无腐蚀性

3.分解温度低，不使用还原剂，效率高，有利于提高纯度

4.产物中金属杂质含量低，（在硅烷的沸点-111.8℃下，金属的蒸气压低）

5.外延生长时，自掺杂低，便于生长薄外廷层。

缺点：

对设备要求高，有一定的安全性问题（约占30%）

Mg2Si+4NH4Cl====SiH4+4NH3+2MgCl2+Q反应温度：

-30℃~-33℃

条件：

液氨中。

液氨作溶剂、催化剂Mg2Si：

NH4Cl=1：

3Mg2Si：

液氨=1：

10

硅烷的提纯：

低温精馏、吸附法（使用分子筛吸附杂质）

分子筛是一类多孔材料，其比表面积大，有很多纳米级的孔，可用于吸附气体（分子筛+活性炭）。

规格为：

3A，4A，5A，13X（≤10埃）型，指其孔洞的大小。

硅烷热分解SiH4=Si+2H2条件：

高温

热分解的温度控制在800℃，热分解的产物之一氢气必须随时排除，保证反应用右进行。

3.为什么不用四氯化硅还原法？

硅的收率低，生成的其他东西不能良好使用。

早些年使用，现在基本不用。

第二章区熔提纯

提纯方法：

1.纯固相：

分凝2.固液：

精馏3.固气：

吸附

分凝现象或偏析现象：

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的浓度是不同的。

区熔提纯：

利用分凝现象将物料局部熔化形成狭窄的熔区，并令其沿锭长一端缓慢地移动到另一端，重复多次使杂质尽量集中在尾部或头部，进而达到使中部材料提纯的目的。

平衡分凝系数k0=杂质在固相中的浓度CS/杂质在液相中的浓度CL

平衡分凝系数描述了固液平衡体系中杂质的分配关系

能使材料熔点下降的杂质，K0<1，熔融再凝固结晶时固相中的浓度小于液相中的浓度，所以提纯时杂质向尾部集中。

能使材料熔点上升的杂质，K0>1，提纯时杂质向头部集中

有效分凝系数Keff,是平衡分凝系数K0，固液界面移动速度f，扩散层厚度δ，和扩散系数D的函数。

一次区熔与正常凝固的比较：

正常凝固比一次区熔提纯的效果好。

熔区越宽，提纯效果越好。

最后一个熔区属于正常凝固，不服从区熔规律。

质量输运或质量迁移：

区熔时，物质会从一端缓慢地移向另一端的现象。

原因：

物质熔化前后材料密度变化。

熔化时体积缩小，输运的方向与区熔的方向一致，例如锗、硅；熔化时体积增大，输运的方向与区熔的方向相反。

解决：

在水平区熔时，将锭料容器倾斜一个角度θ，用重力作用消除质量输运效应。

第三章晶体生长

晶体形成的热力学条件

气-固相转变条件：

温度不变，物质的分压大于其饱和蒸汽压。

压力不变，物质的温度低于其凝华点。

固-液相转变的条件：

对熔体，压力不变，物质的温度低于其熔点

不能看出的条件：

液-固相，对溶液，物质的浓度大于其溶解度。

总结：

气－固相变，过饱和蒸气压。

液－固相变过程时，过饱和度。

固－固相变过程时，过冷度。

结晶过程是由形核与长大两个过程所组成

均匀形核：

当母相中各个区域出现新相晶核的几率相同，晶核由液相中的一些原子团直接形成，不受杂质粒子或外来表面的影响，又称均质形核或自发形核。

非均匀形核：

若新相优先在母相某些区域中存在的异质处形核，即依附于液相中的杂质或外来表面形核。

又称异质形核或非自发形核

临界状态下的体系自由能

形核功：

在临界状态下，成核必须提供1/3的表面能，这部分由外部提供的能量，称形核功。

△Gmax=1/3△GsP39

层生长理论：

在晶核的光滑表面上生长一层原子面时，质点在界面上进入晶格“座位”的最佳位置是具有三面凹入角的位置。

（能量最低，△G*最低，最稳定）

螺旋生长理论：

在晶体生长界面上螺旋位错露头点所出现的凹角及其延伸所形成的二面凹角可作为晶体生长的台阶源，促进光滑界面上的生长。

位错是晶体中的一维缺陷，它是在晶体某一列或若干列原子出现了错位现象，即原子离开其平衡位置，发生有规律的错动。

单晶生长：

锗单晶主要用直拉法，硅单晶常采用直拉法与悬浮区熔法

直拉法：

有坩埚，电阻加热，直径大，电阻低，掺杂易，杂质多

区熔法：

无坩埚，高频加热，直径小，电阻高，掺杂难，杂质低

直拉法工艺：

炉体、籽晶、硅多晶，掺杂剂，石英坩埚—清洁处理—装炉—抽真空（或通保护气体—加热熔化—润晶（下种）—缩颈（消除位错）—放肩—等径生长—拉光—降温出炉—性能测试

悬浮区熔法用于与容器反应比较严重的体系，例如硅。

由于熔融的硅有较大的表面张力和小的密度，所以悬浮区熔法正是依靠其表面张力支持正在生长的单晶的熔区。

片状单晶的制法主要有：

枝蔓法和蹼状法，斯杰哈诺夫法，EFG法，横拉法。

枝蔓法是在过冷熔体中生长树枝状晶体，选取枝蔓籽晶和过冷液体接触，可生长成平行的，具有孪晶结构的双晶薄片。

蹼状法是以两枝枝蔓为骨架，在过冷熔体中迅速提拉，利用熔融硅较大的表面张力，带出一个液膜，凝固后可得蹼状晶体。

斯杰哈诺夫法是将有狭缝的导模具放在熔体中，熔体通过毛细管现象由狭缝上升到模具的顶端，在此熔体部分下入晶种，按导模狭缝规定的形状连续地拉制晶体，其形状完全由毛细管狭缝决定。

横拉法是利用坩埚内的熔硅的表面张力形成一个凸起的弯月面，用片状籽晶在水平方向与熔硅熔接，利用氩或氦等惰性气体强制冷却，造成与籽晶相接的熔体表面的过冷层来进行生长

EFG法：

在润湿角θ满足0<θ<90°的条件下，使得熔体在毛细管作用下能上升到模具的顶部，并能在顶部的模具截面上扩展到模具的边缘而形成一个薄膜熔体层，再用籽晶引出成片状的晶体。

第四章

直拉法单晶中纵向电阻率均匀性的控制

（1）变速拉晶法。

此法基于Cs=KCL这一基本原理，因为在拉晶时，若杂质K

实际上，K应为Keff，它随拉速和转速而变。

当拉速f小时，Keff→K0，f增大，Keff也增加。

（2）双坩埚法：

当拉出部分单晶，内坩埚的CL变大时，外坩埚中的锗液进入内坩埚，又使CL变小。

第五章硅外延生长

外延生长：

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。

直接外延是用加热、电子轰击或外加电场等方法使生长的材料原子获得足够能量，直接迁移沉积在衬底表面上完成外延生长的方法，如真空淀积、溅射、升华等。

间接外延是利用化学反应在衬底表面上沉积生长外延层，广义上称为化学气相沉积CVD。

外延生长的特点：

•

（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。

•（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及浓度，浓度的变化可以是陡变的，也可以是缓变的。

•（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，如GaN，三、四元系化合物的单晶层等。

气相硅外延生长是在高温下使挥发性强的硅源与氢气发生反应或热解，生成的硅原子淀积在硅衬底上长成外延层。

通常使用的硅源是SiH4、SiH2Cl2、SiHCl3和SiCL4。

硅外延生长设备主要由四部分组成，即氢气净化系统、气体输运及控制系统、加热设备和反应室。

硅的异质外延

SOS，在蓝宝石或尖晶石衬底上外延生长硅。

SOI,先在硅晶圆上嵌埋一层Si02绝缘层，以此绝缘层作为基板来制造晶体管.

SOI制备方法：

熔化横向生长，CVD横向生长，氧离子注入隔离法、硅片面键合法

第六章III-V化合物半导体

负阻现象：

当外电场超过一定值时，电子可由迁移率大的主能谷转移到迁移率较小的次能谷，而出现电场增大电流减小的负阻现象，这是制作体效应微波二极管的基础。

GaP发光机理（间接带隙）

目前已用GaP制出了很好的发红、绿、黄等光的发光二极管，而且发光效率很高，这是因为某些杂质在GaP，中可形成发光的辐射复合中心，使GaP从间接跃迁向直接跃迁转化的缘故。

1）当GaP掺入一些杂质时，这些杂质在禁带中形成一定的杂质能级，导带中的电子和价带中的空穴可通过这些杂质能级进行复合而发光。

2）GaP掺入一些杂质时，还可以形成等电子陷阱束缚激子，将间接跃迁转化为直接跃迁而发光。

GaAs制备方法

1.水平布里奇曼法（双温区横拉法）：

As:

Ga=1:

1温度T＞1237℃；As617℃Ga1250℃9.5*10^4Pa

缺点：

“粘舟”，即GaAs与石英舟粘在一起不易分开。

2.液态密封法

它是在高压炉内，将欲拉制的化合物材料盛于石英坩埚中，上面覆盖一层透明而黏滞的惰性熔体，将整个化合物熔体密封起来，然后再在惰性熔体上充以一定压力的惰性气体，用此法来抑制化合物材料的离解，用这种技术可拉制（GaAs、InP、GaP等的大直径单晶。

B2O3密度比化合物材料小，透明，不与化合物及石英坩埚反应，易提纯，蒸气压低，易熔化，易去掉。

III－V族化合物的平衡相图的分析方法

分析图6-10，

（1）说明各图的意义，

（2）从相图中如何确定生长GaAs的工艺条件。

PPT第八讲P4-P7

通过分析相图，可知：

1、根据图a，可知GaAs的熔点为1237℃，合成GaAs要求温度较高。

2、根据图b，可知在780℃以上，砷的蒸汽压大于106Pa（10个大气压），如果直接把As和Ga放在密封容器中加热，压力太大，对设备要求高，不易拉制单晶，而且在高压下拉制的单晶位错密度大。

根据图C，GaAs（固）和液相平衡时，砷的蒸汽压为9.5×104Pa，只要维持这个压力就可以长出化学计量比为1：

1的GaAs，偏离此压力，则产物中会砷或镓的比例会偏大。

3、根据图b中的曲线4-2-1（纯砷的蒸汽压与温度的关系）可知，固态砷在617℃时的蒸汽压为1×105Pa，可设计一个二温区的设备。

在一抽空的石英管两端放置砷和镓，砷端的温度为617℃，镓端的温度大于1237℃，砷蒸汽与镓反应完全，达到平衡后，熔体中Ga与As的化学计量比一定是1：

1

第七章III-V族化合物半导体的外延生长

气相外延生长VPE：

卤化物法，氢化物法，金属有机物气相外延生长MOVPE

液相外延生长LPE

分子束外延生长MBE

金属有机物气相外延生长MOVPE：

采用Ⅲ族、Ⅱ族元素的有机化合物和V族、Ⅵ族元素的氢化物等作为晶体生长的源材料，以热分解方式在衬底上进行外延生长Ⅲ一V族，Ⅱ一Ⅵ族化合物半导体以及它们的多元化合物的薄层单晶。

常用原料：

TMG\TMI\TMAI\TEG\TEI\DMZn\DEZn\DMCA\DECA

三甲基镓Tri-methyl-galliumTMG．TMGa

三甲基铟Tri-methyl-indiumTMI．TMIn

三甲基铝Tri-methyl-alumiumTMAI

三乙基镓Tri-ethyl-galliumTEG．TEGa

三乙基铟Tri-ethyl-indiumTEI．TEIn

二甲基锌Di-methyl-zincDMZn

二乙基锌Di-ethyl-zincDEZn

二甲基镉Di-methyl-cadmiumDMCA

二乙基镉Di-ethyl-cadmiumDECA

优点：

（1）可以通过精确控制各种气体的流量来控制外延层的性质

（2）反应器中气体流速快，可以迅速改变多元化合物组分和杂质浓度

（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。

便于多片和大片外延生长，有利于批量生长。

（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。

MOVPE设备：

源供给系统，气体输运系统，反应室和加热系统，尾气处理系统，安全保护及报警系统，控制系统

分子束外延MBE：

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。

优点：

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（0.1-1nm/s），利用快门可精密地控制掺杂、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；

③MBE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生长难以得到的晶体；

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。

MBE设备：

真空系统、生长系统及监控系统等

第八章

晶格失配：

在异质外延层和衬底或相邻的两个外延层之间，如果存在晶格常数的差异。

减少办法：

（1）临界厚度法

（2）界面缓变法（3）组分突变法（4）生长应变超晶格

超晶格：

一种新型结构的半导体化合物，由两种极薄的不同材料的半导体单晶薄膜周期性地交替生长的多层异质结构，每层薄膜一般含几个以至几十个原子层。

多量子阱：

当势垒厚度（宽带隙材料的厚度）>20nm和势垒高度大于0.5eV时，那么多个阱中的电子行为如同单个阱中电子行为的总和，这种结构材料称为多量子阱

超晶格的方法：

MBE、MOVPE、CBE、ALE