第一章 半导体材料

第一章半导体材料第1页，共86页，2023年，2月20日，星期三1.1半导体材料的基本性质半导体材料是非常重要的一种信息功能材料，是集成电路产业的支撑材料。半导体具有独特的物理性质，对力、热、光、杂质非常敏感，可用于制备各种功能器件。第2页，共86页，2023年，2月20日，星期三第3页，共86页，2023年，2月20日，星期三一、半导体的电子结构半导体的能带结构能带结构：直接带隙半导体：价带顶与导带底直接对应；间接带隙半导体：价带顶与导带底不直接对应第4页，共86页，2023年，2月20日，星期三第5页，共86页，2023年，2月20日，星期三

许多半导体（4000种）都具有面心立方结构第6页，共86页，2023年，2月20日，星期三

ⅳ族元素半导体（Si,Ge）大多具有金刚石结构(同一种元素构成)，化合物半导体（ⅲ-ⅴ族，如GaAs）具有闪锌矿结构（两套原子构成）。这两类结构都属于面心立方结构第7页，共86页，2023年，2月20日，星期三n-型施主杂质P+p–型受主杂质B–本征型纯-SiN型、p型半导体掺杂：在半导体认为引入某种杂质。第8页，共86页，2023年，2月20日，星期三间隙式杂质：杂质原子位于晶格原子的间隙位置；替位式杂质：杂质原子位于晶格原子的格点位置。掺杂工艺：主要为热扩散和离子注入第9页，共86页，2023年，2月20日，星期三替位式杂质杂质原子的大小与晶体原子相似，价电子的壳层结构比较相近。III、V族元素在硅、锗中均为替位式杂质。间隙式杂质：杂质原子较小，如离子锂(Li+)半径为0.068nm第10页，共86页，2023年，2月20日，星期三根据导电类型区分受主杂质施主杂质V族元素在硅、锗中电离时能产生导电电子并形成正电中心的杂质称为施主杂质。第11页，共86页，2023年，2月20日，星期三受主杂质第12页，共86页，2023年，2月20日，星期三硅、锗中掺入V族的磷原子杂质时，磷原子周围比硅原子周围多一个束缚着的价电子。好像在硅、锗晶体中多加了一个“氢原子”。杂质原子氢原子多余的价电子氢外层电子浅能级杂质电离能简单计算类氢模型氢原子电离后，电子位于无穷远处，受束缚力很弱，也是准自由电子。杂质离化后，杂质电子进入导带，成准自由电子；第13页，共86页，2023年，2月20日，星期三氢原子中的电子能量：n=1,2,3……，为主量子数，氢原子基态电子的电离能当n=1和无穷时第14页，共86页，2023年，2月20日，星期三考虑到晶体中正、负电荷处于介电常数ε=ε0εr的介质中，且在周期势场中运动，电子的质量要用有效质量所以有施主杂质电离能：受主杂质电离能：(2.2)(2.3)第15页，共86页，2023年，2月20日，星期三1、没反映出杂质原子的影响。2、本身是一个近似模型。类氢模型的不足：Si:

r=12,ΔED=0.1mn*/m0，小于0.1eV.mn*=0.26m0，ΔED=0.025eV.Ge:r=16,ΔED=0.05mn*/m0，小于0.05eVmn*=0.12m0，ΔED=0.0046eV.与实验结果很符合。第16页，共86页，2023年，2月20日，星期三3.半导体中载流子的统计分布★半导体中的能带结构第17页，共86页，2023年，2月20日，星期三热平衡状态下，半导体中导电的电子、空穴都称为热平衡载流子。导电电子浓度和空穴浓度都保持一个稳定的数值。Nc称为导带底有效状态密度。Nv称为价带顶的有效状态密度。导带电子价带空穴EF

为费米能级，电子填充率刚好等于1/2对应的能级第18页，共86页，2023年，2月20日，星期三对应关系：对导带：能级Ec，状态密度是Nc对价带：能级Ev，状态密度Nv1、n、p表达式的特点：共同点：结构很对称

第19页，共86页，2023年，2月20日，星期三1.温度A、影响Nc和Nv：与温度T3/2成正比关系.电子、空穴浓度与温度有关2.EF在能带中的相对位置;2、影响因素的特点第20页，共86页，2023年，2月20日，星期三对gc(E)fF(E)求导可知，最多电子数的能级出现在x=1/2处，即E=Ec+koT/2。第21页，共86页，2023年，2月20日，星期三n型半导体p型半导体：EF在能带图中的位置体现了半导体的载流子浓度分布情况。EF的变化，实质上反应了允带载流子浓度的变化。本征半导体：EF随掺杂变化情况EFEcEvEFEF第22页，共86页，2023年，2月20日，星期三设本征半导体的载流子浓度ni,对本征半导体，存在ni=n0=p0，则有ni2=n0p0Eg=Ec-Ev,为半导体电子能带隙宽度，为导带底与价带顶之间的距离说明任何非简并半导体热平衡时载流子浓度的乘积等于该温度时本征载流子浓度的平方，与所含杂质无关。适用范围：本征半导体和杂质半导体第23页，共86页，2023年，2月20日，星期三对一定的半导体材料，本征载流子浓度随温度的升高而迅速增加。这就是载流子浓度与温度的定量关系；对不同的半导体材料，禁带宽度越大，本征载流子浓度就越小。第24页，共86页，2023年，2月20日，星期三对杂质半导体，一种载流子浓度增加，另一种载流子浓度必然减小。一定温度下，只要EF确定，电子、空穴浓度也确定。第25页，共86页，2023年，2月20日，星期三二、半导体的导电性质1.载流子的漂移运动和电导率电子的运动A.热运动：无规则扩散B.漂移运动：外电场作用下电子所做的规则、定向运动电子带负电，运动方向与电场方向相反，空穴带正电，运动方向与电场方向相同载流子浓度载流子的运动速度电导率：导电能力的强弱（σ）第26页，共86页，2023年，2月20日，星期三在截面为S,长度为l的材料上流过电流I，则界面上的电流密度为J=I/S=Eμ称为载流子的迁移率，反映电子在晶体中运动能力的大小。电场不很强时(E<103V/cm),Vd和E成正比，设比例系数为μ，则满足关系式：Vd=μE,第27页，共86页，2023年，2月20日，星期三电导率与迁移率成正比。第28页，共86页，2023年，2月20日，星期三

实际半导体中的载流子在外电场作用下，速度不会无限增大，根本原因:受散射（碰撞）的缘故。

载流子本身在晶格中作无规则热运动，格点原子在格点附近作热振动，半导体中还有杂质原子。Vd=μE（2）载流子的散射第29页，共86页，2023年，2月20日，星期三碰撞：载流子与晶格、杂质(电离、未电离)、电子、晶格缺陷及其它等。（粒子性角度），不断改变运动速度和方向。

在外电场和散射双重作用下，载流子从电场中获得速度，散射又不断地将载流子散射到各个方向，使漂移不能无限地增大。第30页，共86页，2023年，2月20日，星期三电离杂质的散射(1)、库仑势场：施主杂质电离形成正电中心、受主杂质电离形成负电中心，引入库仑附加势场，破坏了原来的周期性势场，使载流子的运动方向发生改变，产生电离杂质散射。晶格散射第31页，共86页，2023年，2月20日，星期三三、半导体的光电性质1.半导体的光吸收(1)本征吸收光照下，价带中的电子吸收光子能量后从价带跃迁到导带，产生电子-空穴对。电子的这种带与带间跃迁的吸收过程。本征吸收发生的必要条件：光子能量h大于等于禁带宽度Eg,即hh0=Eg本征吸收限：当光子频率小于0(波长大于0)时，吸收系数迅速下降，对应的频率0或波长0为本征吸收限。第32页，共86页，2023年，2月20日，星期三第33页，共86页，2023年，2月20日，星期三直接跃迁：跃迁过程中，价带中的电子垂直跃迁到具有相同波矢k的导带上。直接带隙半导体：在本征吸收过程中，产生电子的直接跃迁过程间接带隙半导体：导带极小值和价带极大值不具有相同的k的半导体。在本征吸收过程中，产生电子的间接跃迁过程第34页，共86页，2023年，2月20日，星期三（2）.激子吸收如果光子的能量小于禁带宽度，电子不能跃迁到导带。但可以与价带上的空穴形成一个束缚较弱的电子-空穴对，这种电子-空穴对称为激子。（3）.杂质吸收束缚在杂质能级上的电子-空穴对发生跃迁引起的光吸收。第35页，共86页，2023年，2月20日，星期三（4）.自由载流子吸收

导带上的电子（空穴）在其所在的导带（价带）内的能级上跃迁发生的光吸收，通常称为带内跃迁。由于带内能级间隔很小，所以其吸收谱基本上为连续谱。（5）.声子吸收晶格振动产生的吸收第36页，共86页，2023年，2月20日，星期三2.光电导用一定波长的光照射半导体，若光子能量hEg,吸收光子能量，电子被激发到导带，产生电子-空穴对。即产生非平衡载流子n、p，n称为非平衡载流子第37页，共86页，2023年，2月20日，星期三小注入时，0+0第38页，共86页，2023年，2月20日，星期三n和p又称之为光生载流子。显然,n和p将使半导体的电导增加一个量σ,我们称之为光电导。电导增量为光电导增加将在外电路增加的光电流i这种光电导型光电器件已广泛应用于光敏电阻、光电探测器等。第39页，共86页，2023年，2月20日，星期三四、半导体的界面特性1.pn结Pn相关器件认识二极管整流桥第40页，共86页，2023年，2月20日，星期三第41页，共86页，2023年，2月20日，星期三一块P型半导体和一块N型半导体结合在一起，在其交接面处形成PN结。PN结是各种半导体器件，如结型晶体管、集成电路的心脏。pn结附近电离的受主、施主所带电荷称为空间电荷（不可移动）。所在的区域为空间电荷区第42页，共86页，2023年，2月20日，星期三电子从费米能级高的n区流向费米能级低的p区，空穴从p流到n区。最后，Pn具有统一费米能级EF,Pn结处于平衡状态。第43页，共86页，2023年，2月20日，星期三外加正向偏压下产生现象：势垒区电场减小；势垒区空间电荷减小；净电流〉0；宽度减小；势垒高度降低(高度从qVD降到q（VD-V)第44页，共86页，2023年，2月20日，星期三外加反向电场与内建势场方向一致。现象：势垒区电场增大，势垒区空间电荷增大；宽度增大；势垒高度升高(高度从qVD升高到q（VD+V)；

第45页，共86页，2023年，2月20日，星期三理想pn结的电流、电压方程正向偏压下，电流密度随电压V指数式迅速增大反向偏压下，V<0,当qV>>k0T时，Pn结的单向导电性第46页，共86页，2023年，2月20日，星期三2.光生伏特效应光照下，在P区光生空穴对空穴浓度影响很小，而对电子浓度影响很大，从P形成电子扩散势。若P区厚度小于电子扩散长度，则电子进入pn结，内建电场扫向n区，光生电子空穴对被内建电场分开，p区、n区两端形成负的开路电压，称为光生伏特效应。第47页，共86页，2023年，2月20日，星期三光伏现象——半导体材料的“结”效应。光照下激发电子－空穴对时，内建电场将电子空穴对分开，在势垒两侧形成电荷堆积，形成光生伏特效应。光照零偏pn结产生开路电压的效应——光伏效应——光电池，u0=R0i0光照反偏工作时，观察到的光电信号是光电流，不是光电压，结型光电探测器的工作原理反偏pn结通常称为光电二极管第48页，共86页，2023年，2月20日，星期三五、半导体的磁学性质1.霍尔效应霍尔效应是霍尔（A.H.Hall）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。后来发现半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这现象制成的各种霍尔元件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。通过测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。第49页，共86页，2023年，2月20日，星期三将一块半导体或导体材料，沿Z方向加以磁场沿X方向通以电流I，则在Y方向产生出电动势这现象称为霍尔效应，称为霍尔电压。，原理第50页，共86页，2023年，2月20日，星期三在磁场不太强时，电位差VH与电流强度I和磁感应强度B成正比，与板的厚度d成反比，即称为霍尔系数电子所受到的洛仑兹力和电场力为

第51页，共86页，2023年，2月20日，星期三平衡时若N型单晶中的电子浓度为n，则流过样片横截面的电流I=nebdV

第52页，共86页，2023年，2月20日，星期三称为霍尔系数，它表示材料产生霍尔效应的本领大小第53页，共86页，2023年，2月20日，星期三（2）半导体的磁阻效应当半导体处于磁场中时，半导体的电阻会增加。这就是磁阻效应。电阻值随外加磁场变化而变化的现象。若外加磁场与外加电场垂直，称为横向磁阻效应；若外加磁场与外加电场平行，称为纵向磁阻效应。磁阻效应原理第54页，共86页，2023年，2月20日，星期三磁阻分物理磁阻效应和几何磁阻效应

物理磁阻效应：如果霍尔电场作用和某载流子的洛仑兹力作用刚好抵消，因而沿外加电场方向运动的载流子数目将减少，使该方向的电阻增大，表现横向磁阻效应。如果将a、b端短接，霍尔电场将不存在，所有电子将向b端偏转，使电阻变得更大，因而磁阻效应加强。因此，霍尔效应比较明显的样品，磁阻效应就小；霍尔效应比较小的，磁阻效应就大。

第55页，共86页，2023年，2月20日，星期三几何磁阻效应：磁阻效应也与样品的形状有关，不同几何形状的样品，在同样大小的磁场作用下，其电阻变化不同一般磁阻开始，磁阻发展经历了巨磁阻（GMR）、庞磁阻（CMR）、穿隧磁阻（TMR）、直冲磁阻（BMR）和异常磁阻（EMR）。磁阻器件由于灵敏度高、抗干扰能力强等在工业、交通、仪器仪表、医疗器械、探矿等领域得到广泛应用，如数字式罗盘、交通车辆检测、导航系统、伪钞检别、位置测量等。

2007年诺贝尔物理学奖授予法国物理学家阿尔伯特·福特和德国物理学家彼得·格林德，以表彰他们发现巨磁电阻效应的贡献。

第56页，共86页，2023年，2月20日，星期三1.2半导体材料的制备技术一、块状单晶的生长技术广泛应用的方法是切克劳斯基方法，又称为提拉法。

第57页，共86页，2023年，2月20日，星期三1）工业硅工业硅：纯度约为97%石英砂与焦炭反应制得：半导体器件要求：9个9以上第58页，共86页，2023年，2月20日，星期三第59页，共86页，2023年，2月20日，星期三溅射法：溅射原理，出射的粒子大多呈原子状态，常称为溅射原子。用于轰击靶的高能粒子可以是电子、离子或中性粒子，由于离子在电场下易于加速并获得所需动能，因此大多采用离子作为轰击粒子，称为溅射离子。溅射现象是1852年Grove在研究辉光放电时首次发现的，现已广泛用于各种薄膜的制备之中。第60页，共86页，2023年，2月20日，星期三第61页，共86页，2023年，2月20日，星期三第62页，共86页，2023年，2月20日，星期三第63页，共86页，2023年，2月20日，星期三溅射技术的最新成就之一是磁控溅射。在磁控溅射中引入了正交电磁场，使离化率提高到5-6%，于是溅射速率大大提高，对许多材料，溅射速率达到了电子束蒸发的水平。第64页，共86页，2023年，2月20日，星期三第65页，共86页，2023年，2月20日，星期三分子束外延外延（Epitaxis）是指在适当的衬底和合适的条件下，沿衬底材料晶向生长一层结晶结构完整的新单晶层薄膜的方法（薄膜的晶体结构和衬底的晶体结构保持严格的延伸关系），新生单晶层称为外延层。外延用于生长元素、半导体化合物和合金薄结晶层。这一方法可以较好地控制膜的纯度、完整性以及掺杂级别。

第66页，共86页，2023年，2月20日，星期三第67页，共86页，2023年，2月20日，星期三MBE：由超高真空室、基片加热块、分子束盒和各种监控仪器组成。此外，除生长室外，系统还包括用于交换样品的进样室和用于分析样品的分析室。第68页，共86页，2023年，2月20日，星期三第69页，共86页，2023年，2月20日，星期三(ULVACBCS2000)MBE系统的改造*捐赠者：新日本制铁公司使用历史：II-VI腔生长了三年MgZnCdSeIII-V腔GaAsII-VI腔内机械清除3个月连续高温烘烤安装氧rf-plasma及氮rf-plasma系统安装氢等离子体系统增加Ga-cell第70页，共86页，2023年，2月20日，星期三3.金属有机化学气相沉积在加热衬底表面上，通过一种或者几种气态元素或者化合物间发生的化学反应而形成薄膜材料的薄膜制备手段称为化学气相沉积法，简称CVD（ChemicalVaporDeposition）。第71页，共86页，2023年，2月20日，星期三MOCVD是近年迅速发展起来的新型外延技术，成功地用于制备超晶格结构、超高速器件和量子阱激光器等。第72页，共86页，2023年，2月20日，星期三MOCVD的独特优点：MOCVD的最主要特点是沉积温度低。例如ZnSe薄膜，采用普通CVD技术沉积温度在850℃左右，而MOCVD仅为350℃左右；MOCVD由于不采用卤化物原料，因此在沉积过程中不存在刻蚀反应，可以制备极薄的突变膜层；MOCVD的适用范围广，几乎可以生长所有化合物和合金半导体。单一的生长温度范围，反应装置容易设计，较气相外延简单。适合大批量生产。可在蓝宝石、尖晶石基片上实现外延生长。第73页，共86页，2023年，2月20日，星期三1.3锗、硅半导体材料

金刚石结构(diamondstructure)特点：每个原子周围都有四个最近邻原子。共价键夹角109度28分硅Si，锗Ge都是共价键晶体,银白色金属光泽,晶体硬而脆第74页，共86页，2023年，2月20日，星期三主要特点：1.每一个原子有4个最近邻原子。例如，离顶点o点最近邻原子为一个对角线1/4处的原子、三个面心原子，它们形成了一个正四面体，每个键为共价鍵结合。第75页，共86页，2023年，2月20日，星期三性质符号硅锗单位晶体结构晶格常数介电常数

禁带宽度(300K)

电子迁移率空穴迁移率

电子扩散系数空穴扩散系数本征电阻率本征载流子密度

aεEgμnμpDnDpρini金刚石型0.543111.71.111350480

34.612.32.3×1051.5×1010

金刚石型0.5657

16.30.6739001900100.048.746.02.4×1013nmeVcm2／V·scm2／V·scm2／scm2／sΩ·cmcm-3表1-1硅锗的主要物理性质第76页，共86页，2023年，2月20日，星期三在自然界存在形式：硅：

二氧化硅（SiO2）硅酸盐硅酸三钙(3CaO·SiO2)，硅酸二钙(2CaO·SiO2)，Na2SiO3，CaSiO3，A12(Si2O5)(OH)4。锗：硫化物形式存在：4Ag2S·GeS2(硫银锗矿)和2PbS·GeS2(硫铅锗矿)。第77页，共86页，2023年，2月20日，星期三锗、硅与卤素或卤化氢作用可生成相应的卤化物

Si+2Cl2===SiCl4Si十3HCl===SiHCl3+H2

Ge+2Cl2===GeCl4GeO2+4HCl===GeCl4+2H2O第78页，共86页，2023年，2月20日，星期三硅、锗沿<111>和<100>方向上的能带结构图。间接带隙第79页，共