大学半导体材料课后习题答案期末考试复习资料

1、半导体材料复习资料绪论1 .半导体的根本特性？电阻率大体在10-3109Q?cm范围整流效应负电阻温度系数光电导效应光生伏特效应霍尔效应2 .为什么说有一天,硅微电子技术可能会走到尽头？/.三：功耗的问题存储器工作靠的是成千上万的电子充放电实现记忆的,当芯片集成度越来越高耗电量也会越来越大,如何解决散热的问题？掺杂原子均匀性的问题一个平方厘米有一亿到十亿个器件,掺杂原子只有几十个,怎么保证在每一个期间的杂质原子的分布式一模一样的呢？是硅微电子技术开展遇到的又一个难题SiO2层量子隧穿漏电的问题随着器件尺寸的减小,绝缘介质SiO2的厚度也在减小,当减小到几个纳米的时候,及时很小的电压,也有可能使

2、器件击穿或漏电.量子隧穿漏电时硅微电子技术所遇到的另一个问题.量子效应的问题如果硅的尺寸到达几个纳米时,那么量子效应就不能忽略了,现有的集成电路的工作原理就可能不再适用第一章L比拟SiHCl3氢复原法和硅烷法制备高纯硅的优缺点?三氯氢硅复原法优点：产率大,质量高,本钱低,是目前国内外制备高纯硅的主要方法.缺点：基硼、基磷量较大.硅烷法优点除硼效果好；硼以复盐形式留在液相中无腐蚀,降低污染；无卤素及卤化氢产生无需复原剂,分解效率高；制备多晶硅金属杂质含量低SiH4的沸点低缺点：平安性问题相图写出合金IV由0经1-2-3的变化过程第二章L什么是分凝现象？平衡分凝系数？有效分凝系数？答：分凝现象:含

3、有杂质的晶态物质溶化后再结晶时、杂质在结晶的固体和未结晶的液体中浓度不同,这种现象较分凝现象.平衡分凝系数:固液两相到达平衡时,固相中的杂质浓度和液相中的杂质浓度是不同的,把它们的比值称为平衡分凝系数,用K0表示.Ko=CS/CL有效分凝系数：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与固体内部的杂质浓度CL0的比值定义为有效分凝系数KeffKeff=CS/CL02.写出BPS公式及各个物理量的含义,并讨论影响分凝系数的因素.3 .分别写出正常凝固过程、一次区熔过程锭条中杂质浓度CS公式,并说明各个物理量的含义.正常凝固过程:CKCod-Cs=KC0(1-g

4、)k-1C0：材料凝固前的杂质浓度K:分凝系数.不同杂质的不同K值可以通过查表得出.一次区熔过程:Cs=Co1-(1-K)e-KxlCO：锭条的原始杂质浓度x:已区熔局部长度K:分凝系数1：熔区长度4.说明为什么实际区熔时,最初几次要选择大熔区后几次用小熔区的工艺条件.一次区熔时Cs=Co1-1-Ke-Kxl,l一X,CS一小 f 提纯效果好二一l越大越好极限分布时K一定K=Bl/eBl-1A=CoBL/eBL-1CSx=AeBxl一丛,B一小,A一火,CS一方,提纯的效果越主二一l越小越好所以对于实际区熔,前几次应该用大熔区,越到后面越接近极限分布,应该用小熔区.L解释名词：成核过程、均匀成

5、核、非均匀成核、临界半径、自然对流、强迫对流成核过程：晶体生长过程中,新相核的发生形核和长大,在一定的驱动力下,借助于能量涨落越过位垒而形成晶核的过程.均匀成核自发成核：在一定过饱和度、过冷度的条件下,由体系中直接形成的晶核.非均匀成核非自发成核：体系中存在外来质点尘埃、固体颗粒、籽品等、在外来质点上成核.临界半径：与体系自由能变化量极大值点4G*相对应的晶胚半径r*称临界半径.T自然对流：在重力场中由于温度的不均匀,导致热膨胀的差异从而引起心体密度的差异产生浮力.当浮力克服了粘滞力,自然对流就发生.强迫对流：人为对熔体进行搅拌晶体和培竭旋转、磁场造成的对流.2.分别写出均匀成核与非均匀成核的

6、临界晶核半径、形核功,并说明为什么通常非均匀成核比均匀成核要容易？均匀成核：临界半径r*=-2H/V形核功4G均*=16冗3/3Zgv2非均匀成核：临界半径r*=-2Taf/Zgv形核功4G非均*=16兀地3/3/v2f8QG非均*0时,环境冷却晶体,温度随r的增大而降低,此时晶体中等温线是凹向熔体的.当h0,随r增加而减少：h0时,随r增加而增大.8.写出正常情况下(不发生组分过冷)直拉单晶中生长各个阶段界面形状的变化正常情况下,固液界面的宏观形状与等于熔点的等温面相吻合,由炉腔内热场决定界面有：平坦,凸向熔体,凹向熔体三种情况引晶,放肩：凸向熔体等径生长：先平坦后再凹向熔体9.写出直拉单晶

7、生长工艺过程籽品熔接一引晶一缩颈一放肩一等径生长一收尾第四章1.解释以下概念：小平面效应:晶体生长的固液界面,由于受培竭中熔体等温线的限制,常常是弯曲的,如果在生长晶体时迅速提起晶体,那么在固液界面处会出现一小片平整的平面,通常称之为小平面.小平面区杂质浓度与非小平面区差异很大.杂质在小平面区域分布异常的现象叫小平面效应杂质条纹:由晶体中杂质浓度的起伏引起的腐蚀后外表出现宽窄不一条纹的现旋转性条纹:由于晶体转轴和热场轴不重合,引起生长的晶体中杂质浓度出现周期性的变化,这样形成的条纹中子姬变掺杂(NTD):高纯区熔硅单晶放入原子反响堆进行中子照射,使同位素Si30激活姬变为施主杂质P31进行掺杂

8、-NTD.漩涡缺陷:通常是指无位错单品经西特尔腐蚀液腐蚀后,在晶体生长方向的横断面上、观察到的呈漩涡状分布的宏观缺陷花纹、微观上看是由浅底腐蚀坑组成的.是微缺陷的一种.热施主效应:450c热处理硅、SiO以最快速度形成SiO4,SiO4是一个正电中央,能够束缚电子,室温下受热激发而使电子电离出来参与导电,使硅单晶N型电导增强,P型电导下降,即热施主效应.吸杂工艺:通过机械化学处理方法,在硅片的非电活性区引入缺陷,在热处理时一些重金属杂质会扩散并淀积在这些缺陷处,从而减少了这些有害杂质对器件工作区的影响,改善了器件的性能,这种工艺叫吸杂工艺.2.简述CZ法中杂质掺入方法及其选择依据.共熔法投杂法

9、不易挥发的杂质如硼,可采用共熔法掺入.即把掺入元素或母合金与原料一起放在培竭中融化.易挥发杂志,如神、睇等放在掺杂勺中、待材料熔化后,在拉晶前在投放到熔体中,并需充入氢气抑制杂质挥发.3、讨论CZ法中影响单晶纵向电阻率均匀性的因素及其限制方法.影响因素：分凝、蒸发、沾污.限制方法：从分凝作用考虑:变速拉晶：对应K1的杂质,晶体生长初期用较大的拉速,之后随晶体的长大而不断减小拉速,保持CL与Keff乘积不变.从蒸发作用考虑:如变速拉晶的晶体尾部电阻率较低,可把晶体尾部直径变细,降低拉速,增加杂质蒸发使CL变小而改善晶体电阻率的均匀性.从稀释溶质出发:双培竭及连续送料CZ技术：内地竭熔体V不变,C

10、L降低,外地竭液体对内地竭液体有稀释作用.当K较小时,生长的晶体所带走的杂质少.内地竭熔体中杂质浓度变化缓慢,纵向电阻率均匀从提升有效分凝系数出发强磁场中拉单晶MCZ增大有效分凝系数中子姬变掺杂NTD4、讨论CZ法中影响单晶径向电阻率均匀性的因素及其限制方法.影响因素：固液界面的平坦度小平面效应I.调平固液界面,具体方法有调整生长热系统,使径向温度梯度变小调节拉晶参数：凸界面,增加拉速,凹界面,降低拉速调整晶体或培竭的转速：增大晶转；使凸变凹；增大蜗转；使凹变凸增大地竭与晶体直径的比值：地竭直径晶体直径=32.5:1II .调平固液界面还可消除小平面效应带来的径向电阻率分布的不均匀性III.强

11、磁场中拉单晶MCZ增大有效分凝系数,IV .中子姬变掺杂NTD5、说明不同的固液生长界面形状凸、凹、平对电阻率径向分布的影响K1杂质K杂质浓度起氏的原因：短时间G不变nrciiTEnumrar3nircJ品特一定.5一定晶体生长速率的微起伏,造成了晶体中杂质浓度的起伏ITCC:体式0)履)临界组分过冷条件的建立熔体内距离固液界面距离为 Z 处的温度为 T(Z)=T(0)+“CL(Z)稳定的杂质富集层形成后,杂质在熔体中的分布为dZAn“立(Kh-f.叩0右七占阖液界面处举度分布曲线的斜率:dZ(JCL(Z)=CSCL(Z)=Cs(1-Ko)6CL(Z 尸 CLKeff幼分过存的临界条件细分过冷

12、的新件：广*7i4大.G和5小为易洋足蛆分呛,拉晶叶应避克！,(fZ/D)+Ko/Ko(1Ko)e-fZ/D)+Ko/KoT(Z)=T(0)+TCLK6ff(1Ko)e(-fZ/D)+Ko/Ko凝固点的曲线在固液界面 dT(Z)/dZ|z=o=CLKeff(Ko-1)f/KoD 处的斜率为:令固液界面处温度分布曲线的斜率：dT(Z)/dZ|L=G组分过冷的临界条件：G=rCLKeff(Ko-1)f/KoD.对于非平坦界面,以晶体的转轴为轴线的一连续螺蜷面,横截面为平面螺蜷线.纵截面为弯曲条纹,晶体外表产生细微的螺纹：旋转性外表条纹.7、解释组分过冷并推导组分过冷产生的条件,讨论出现组分过冷时平

13、坦界面上的干扰如何开展成胞状界面及枝蔓生长.组分过冷:原来固液界面前沿的过热熔体因杂质的聚集产生一过冷区,这种因组组分过冷的条件：G/fqCLKeff(K0-1)/K0D分变化而产生的冷现象称为组分过冷熔体O距离Z凝固点处曲缄的卦率为二F 大,G 和 K0 小均易满足组分过冷、拉晶时躲避KT1=1473K,kT1=0.1277eVKs1=3.452cm/shG=5cm/s:-G1=1.956X10-6cm/sT2=1471cm/skT2=0.1275evKs2=3.374cm/sG2=1.930X10-6cm/sAG=-2.6X10-8cm/sAGG1=-1.33%7、计算111晶向硅衬底上外

14、延层厚度为多少时,外延层上的刻蚀坑具有第六章1、名词解释?HB:水平布里奇曼法,又称横拉法.采用石英密封系统,系统置于双温区炉中,低温端放As源限制系统中As气压,高温端合成化合物并拉制晶体,而整个系统的温度都必须高于As源端温度,以预防As蒸汽凝结.?LECLEP液态密封法,在熔体上覆盖透明而粘滞的惰性熔体,再向单晶炉内充入大于熔体离解压的惰性气体,用此法来抑制化合物材料的理解.?SSD:合成溶质扩散法.化合物溶质在出于高温区的溶剂外表合成,在温度梯度和浓度梯度的驱动下向地期底部扩散,并在温度较低的地竭底部析出晶体.?VCZ:蒸汽限制直拉技术.把培竭-晶体置于一准密封的内生长室内,内生长室中

15、放置少量As,使内生长室内充满As气氛.这样即使在相当低的温度梯度下生长,晶体外表也不至于离解.?VGF:垂直梯度凝固法.炉体垂直放置,石英瓶垂直放入炉体中间,采用计算机精确限制热场进行缓慢降温2、从能带结构特点比拟Si和GaAs在应用上的不同.Si为间接带隙半导体,而GaAs为直接带隙半导体,因此GaAs作为光电材料,可作发光与激光器件,而Si只能作微电子器件.GaAs的禁带宽度比硅大,为1.43ev,因此GaAs可以在较高温度下工作.相比硅的工作温度仅为2500cGaAs方向上具有双能谷能带结构.导带中有两个能谷：F主能谷,X次能谷.当外电场超过某一阈值时：电子由主能谷向次能过转移,表现为

16、负电阻效应,因此GaAs可用作Gunn器件3、解释作为间接帚隙材料GaP为什么能成为可见光LED的主要材料？答：GaP虽然为间接帚隙半导体材料,但在GaP中掺入等电子杂质时、 等电子杂质可以俘获电子或空穴,成为等电子陷阱,等电子陷阱通过短程势俘获电子或空穴之后,成为负电或正电中央,可以借助长程库伦作用吸引一个空穴或电子,于是形成了等电子陷阱上的束缚激子.这种束缚是一种短程力,可以使陷阱内电子局限在一个局部的范围.根据量子力学的测不准关系APAx由/2冗,当电子的Ax十分小时,它的动量变动范围就很大,即K扩展;了,也就是在K=0处也会有一定数目的电子,这些电子便可不借声子的帮助而直接跃迁,从而大

17、大提升了发光效率.?因此GaP材料的发光实质上是激子复合发光.4、详细说明三温区横拉法中温度选择的依据.TI=12500c,T2=11000C,T3=610C答：高温区Ti1245-1260C限制其高于GaAs熔点,以维持其熔体状态合成GaAs中温区T2(1120-1200C)既可调整固液界面附近的温度梯度,还可利用抑制石英舟中Si对晶体的污染.本质在于抑制高温区反响生成的Ga2O从高温区向低4Ga(l)+SiO2(s).Si(s)+2Ga20(g)(高温区)3Ga2O(g)+As4(g)G_Ga2O3(s)+4GaAs(s)(低温区)5、GaAs成为继Si之后重要半导体材料的重要特征有哪些？

18、直接带隙,光电特性好,光电材料,可作发光与激光器件,Si,Ge只做微电子材料迁移率高(是硅的5-6倍),适于制作超高频高速器件和电路易于制成非掺杂半绝缘单晶,IC中不必作绝缘隔离层,简化IC,减少寄生电容,提升集成度Eg较大(1.43eV),可在较高温度下(450C)工作3硅：250C,籍：100c耐热,抗辐射水平强太阳能电池,转换率比Si高Gunn效应,新型功能器件第七章1.解释：MOVPE,MBE、CBE、ALE、二步外延法、双气流MPVPE.答：MOVPE:金属有机物气相外延生长,根本原理是：田族、II 族金属有机物+V 族、VI 族氢化物为源材料,热分解方式在衬底上进行外延生长 m-V

19、,H-VI族化合物半导体及它们的多元化合物的薄层单晶.MBE:分子束外延,是在超高真空超高真空的条件下,用分子束或原子束输运源进行外延生长的方法.在超高真空中,分子束中的分子之间以及分子束的分子与背景分子之间几乎不发生碰撞.CBE:化学束外延生长.用气态源代替固态源进行*MBE生长,即气态源MBE.ALE:原子层外延,是向衬底交替单独供应半导体组成元素的源,使各组成元素以单原子层在衬底上进行一层一层地生长一层分子层.二步外延法：GaN和蓝宝石衬底之间的失配到达15.4%,为此先用MOVPE发,低温下在550c左右,在衬底上先生长一层2050nm厚的GaN缓冲层,然后升温至1030C,接着生长G

20、aN外延层.,双气流MPVPE:采用二组输入反响室的气路进行外延生长,一路为主气路,沿与衬底平行方向输入反响气体.另一路称为副气路,在垂直于衬底方向高速度输入非反响气体,副气路输入的气体的作用是改变住气流的流向和抑制生长热对流,从而可生长具有高迁移率的单晶层.液相区,故它将溶掉GaAs衬底俗称吃片子.GaAs衬底被溶解后,溶液中As量增大,A点朝右移动至A后,GaAs才停止溶解.溶液为饱和态.降温后溶液变成过饱这时GaAs将析出并沉积在GaAs衬底上进行外延生长.3.为什么从70年代初就对GaN开展了研究工作但一直进展缓慢？答：目前没有生长GaN体单晶的技术:熔点高,离解压高,只能异质外延,而

21、通过异质厚外延层+衬底剥离技术获得GaN衬底价格十分昂贵.GaN的P型掺杂可题：Mg-H络合物的形成降低了掺杂效率,而且Mg的电离能较高,室温下只少局部电离,P型GaN电导率低.GaN异质外延生长的难点GaN生长温度下的离解,造成偏离化学计量比.衬底的匹配：异质外延的品格失配、热失配导致外延层的大量位错.4.在生长III-V族化合物时指出MBE、MOVPE和CBE法使用的III族源及各自的生长机理.答：MBE,田族为W体金属.生长机理:田族元素是以原子或分子束的形式射向衬底外表,并在其上面移动,占据适当的格点位置,生长速度受限于固态源形成分子束流的速度.MOVPE,田族源为金属有机化合物生长机

22、理:金属有机化合物到达衬底前局部热分解,金属有机化合物及分解产物通过扩散穿过衬底外表上面的边界层,再被加热的衬底完成全局部解成田族原子.限制边界层的扩散速度来限制生长速度.CBE,m族源为固体金属时牛长机理同MBE:m族源为金属有机化合物时.生长机理：分子束直接射到衬底外表,衬底外表上方没有边界层,衬底外表以外不发生热分解.生长速率由金属化合物的供应速率和衬底外表热分解的速率决定.第八章1.说明四元固溶体半导体与三元固溶体半导体相比的优势？三元固溶体通过调整组分可以调整材料的带隙；对于发光器材来说可以调整发光波长.但组分确定之后,固溶体的晶格常数也随之确定,除了组成固溶体两种化合物品格常数相近的自匹配体系外,这就会遇到其外延生长材料与品格不匹配的问题.使用四元固溶体可增加一个对其主要性能进行调整和裁剪的自由度.即可通过两种组元的组分改变来调