半导体材料导论4课件

第4章对半导体材料的技术要求

材料学院半导体材料第4章对半导体材料的技术要求半导体材料的实际应用是以其作出的器件来实现的。器件对材料的要求总的说来有两个方面:一方面是根据器件的功能来选择能满足其性能的材料，这包括材料的能带结构、晶体结构、迁移率、光学性质等；另一方面，在材料选定后，要使材料具有相应的物理参数与化学纯度，以保证器件获得良好的功能，同时为了保证器件工艺的实施，还要求材料具有相应的几何尺寸。一般都要求材料的本底纯度高、晶体缺陷少、晶体的尺寸大、加工精度高等。这就涉及到材料的化学组成、晶体缺陷、几何精度等方面的问题。4.1化学组成4.1.1杂质的种类与行为1.电活性杂质。根据2.3节所述，由于杂质原子的价电子数与本体材料的价电子数不同，从而形成施主或受主。如果这些杂质的能级是在导带底或价带顶附近（图3.2）称为浅施主或浅受主。这些杂质会影响材料的电阻率、迁移率等。因此要将它们的浓度尽量降低。但在半导体材料或器件的制备过程中也常常利用某种浅施主或浅受主杂质来形成n型或p型半导体。这些杂质都分布在周期表中与本体材料邻近的一族中。由于它们所形成的能级与导带或价带靠得非常近，因此它们的解离能非常小，在室温下就可以完全解离。另一类电活性杂质的电离能较大，它们的能级位置靠近禁带的中部，这类杂质称为深能级杂质，它们常常有几个能级，在室温下不全部电离，但对载流子起复合中心或陷阱作用，因此这类杂质一般对材料是有害的，它们主要是元素周期表中的IB族，如铜、金和VIII族，如铁、镍等。3.化学配比偏离。在实际的化合物半导体的晶体中，各组成元素的比例与理论的化学配比有所偏离。例如在砷化镓中，砷原子与镓原子不能按1:1组成。这样，一些价电子不能相键合，便构成载流子或形成点缺陷。因此在化合物的晶体制备中，要采取相应措施以尽量减少化学配比偏离。4.1.2本底纯度从上述的情况可以看出，在材料中杂质的行为多种多样，而所需要的杂质的种类很少，却要求有准确的含量。所以可行的办法是先把半导体材料进行提纯，把其中所有的杂质降到一定的水平，使材料获得较高的本底纯度，然后再掺入所需的杂质。这种本底纯度当然愈高愈好，但根据需要与可能至少使杂质含量降到10-4%以下，有的则要求降到10-8%或更低。本底纯度是衡量半导体材料质量的、具有先决性的重要参数。4.1.3杂质分布的均匀性在晶体制备的过程中，首先根据器件设计所要求的杂质性质与载流子浓度来进行掺杂，掺杂量可以由计算求得。但掺入的杂质在晶体中的分布却是不均匀的。不均匀度可分为宏观的与微观的。因为器件一般是作在晶片上，所以宏观的纵向不均匀度，即晶体自头部至尾部的杂质浓度的差异，主要影响晶体的可用部分的大小；而径向不均匀度则影响器件的质量与成品率。微观不均匀度表现为杂质条纹，它亦对一些器件的性能有明显的影响。晶体缺陷通常可分为：（1）点缺陷这主要是单个原子之间的变化，如空位、间隙原子、反位缺陷、替位缺陷，和由它们构成的复合体。（2）线缺陷呈线状排列，例如位错就是这类缺陷。（3）面缺陷呈面状，在另一个方向上尺寸较小，如晶界、堆垛层错、相界等。（4）体缺陷如空洞、夹杂物、杂质沉淀物等。（5）微缺陷几何尺寸在微米级或更小，如点缺陷的聚集物、微沉积物等。缺陷如按其形成过程，可分为原生缺陷（在晶体制备过程中所引入的缺陷）和二次缺陷（在晶体加工过程，包括器件制备过程所引入的缺陷）。4.2.1点缺陷原子尺度的晶体点阵缺陷，分为热点缺陷和杂质缺陷。我们在晶体结构中把组成晶体的原子或离子看成一个点，在绝对零度下，这些点是固定在点阵的位置上的。当温度升到零度以上，这些点因获得动能而振动，由于能量的非均匀分布，一些点具有较大的能量而挣脱出原来点阵的位置，那么原有的位置就成为空位，脱离点阵的原子可处于点阵的间隙位置，称为自间隙原子，也可以运动到晶体表面。这类点缺陷的形成都与温度有关，称为热点缺陷。化合物半导体中的点缺陷比较复杂。以砷化镓为例，热点缺陷可以是砷空位、也可以是镓空位、也可以是砷占镓位或镓占砷位的反位缺陷。各类点缺陷之间可形成复合体。化学配比的偏离，根据质量作用定律，可以改变点缺陷的浓度，例如富砷的砷化镓单晶会减少砷空位、增加镓空位及砷占镓位的反位缺陷。杂质点缺陷是由杂质造成晶体点阵的变化所形成的。有的杂质原子取代本体原子而成替位型原子，有的杂质则进入到点阵的间隙位置而成间隙型原子。杂质也可与空位、反位缺陷等形成复合体。点缺陷可以起到电活性中心的作用，影响材料的电学性质。非平衡的点缺陷也可聚集成团，构成微缺陷。4.2.2位错当一种固体材料受到外力时就会发生形变，如果外力消失后，形变也随着消失，这种形变称为弹性形变；如果在外力消失后，形变不消失，则称为范性形变。位错就是由范性形变造成的，它可以使晶体内的一些质点（原子或离子）脱离规则的周期排列而位移一段距离，位移区与非位移区交界处必有原子的错位，这样产生的线性缺陷称为“位错”。图4.1刃位错的原理示意图图4.1示出了其中的一种情况。其中FE为位错线，因为它处于变形部分与非变形部分的交界处。箭头所指为滑移方向。由此可见，它的滑移方向与位错线相垂直。此类位错称为刃位错。4.2.3微缺陷在半导体单晶中发现有尺寸很小，一般是微米级到几十纳米的缺陷。其中有些是由点缺陷聚集而成的，例如自间隙原子的聚合体、空位的聚合体等；另一类则属微沉积物，由于一些杂质的含量在晶体凝固后，超过了它的溶解度而被析出；还有一些微缺陷的本性至今还未弄清楚。微缺陷的种类不同，它们对器件的影响也不相同。在无位错硅单晶中所发现的漩涡A型缺陷是自间隙原子构成的位错环，对集成电路和电力电子器件都是有害的。4.3几何尺寸与精度对半导体单晶的直径与截面面积一般要求愈大愈好。出发点基本上是两个：一个是技术性的，例如整流器或晶闸管，如果要求它们通过的电流大，那么器件的尺寸就必需大，因此所需的晶片直径也要大；另一类是经济上的，晶片愈大，一次作出的器件就多，单个器件的成本也就随之降低。对晶片尺寸精度的要求主要来自器件工艺。这些要求有直径公差、厚度公差、弯曲度、翘曲度、平坦度、定位面位置与尺寸等。集成度高的集成电路对晶片的几何精度有很严格的要求，而且随着集成度的提高、器件的几何尺寸的缩小，其中有些要求将随之进一步提高。对量子阱与超晶格材料则要求有原子级的精度。4.4常用的表征参数与测量方法在半导体材料的实践中，能反映上述要求的常用参数可分为电学的、化学的、晶体学的和几何尺寸等几个方面。4.4.1电学参数包括电阻率、导电类型、载流子浓度、迁移率、少数载流子寿命、电阻率均匀性等。电阻率为电导率的倒数，用W.cm（欧姆.厘米）作单位，它可以反映半导体材料的掺杂浓度，并在一定程度上反映材料的本底纯度，在硅、锗中常用电阻率来表达其杂质浓度。根据（2-1）式s=1/r=nem,r=1/nem(4-1）式中e是电子的电荷，e是常数，因此电阻率反映了载流子浓度(n)与迁移率(m)的关系。图4.3硅中杂质浓度与电阻率的关系如果知道迁移率与杂质浓度的关系，就可以求出杂质浓度。图4.3列出了硅的电阻率与电活性杂质浓度的关系。4.4.2化学纯度材料的本底纯度是利用中子活化法、质谱法、原子吸收光谱法、发射光谱、红外吸收法、光荧光法进行分析与测量的。材料的微区分析则使用离子探针、电子探针、分析电镜等手段进行测定。半导体材料的表面纯度则是利用俄歇能谱、全反射X光荧光分析、气相色谱等方法测定。4.4.3晶体学参数由于晶体的各向异性，所以器件设计都要求材料的晶体学取向。确定晶向的方法有X光衍射法、光图法等。立方晶系的晶体的常用取向为<111>和<100>。有时还要求有一定的偏离度。要求测量的精度一般为1o以内，有时则要求3o以内。晶体中常见的缺陷是位错。位错密度直接影响器件的性能与成品率。检测的方法有择优腐蚀-光学显微镜观测法、

X光形貌法等。晶体中的微缺陷也是重要的检测对象，特