半导体材料【课后习题答案】

《半导体材料》习题和答案题目和答案为什么半导体材料是信息社会的基础？半导体材料是半导体器件的基础，也是信息社会的基础。从半导体发展历史、性质以及重要性等方面阐述理由（见第1章）。什么是半导体材料？你知道哪些半导体材料，它们属于哪一类半导体材料？半导体材料具有一定的禁带宽度，电导率介于导体与绝缘体之间。相对于金属和绝缘体材料，半导体材料具有一定的电学特性和结构特性，对光、电、热、磁、声等的作用产生特定相应的功能材料。略。半导体材料具有哪些特性？电学特性（电阻率特性、导电特性、光电特性）和结构特性，它们分别指……（详见第1章）半导体材料的电阻率范围是多少？半导体材料的电阻率介于导体与绝缘体之间。半导体材料中的载流子与金属材料有何不同？半导体材料可以是电子或者空穴导电，而金属只有电子导电。半导体照明的应用主要利用了半导体材料的什么特性？半导体材料大多具有光电性特性，在器件结上加电压，电子和空穴复合，发出不同波长的光，这是发光二极管和激光器的基本原理。为了保证利用电活性掺杂剂准确控制载流子浓度，为什么半导体材料本身必须高纯？在制备半导体材料时，需要故意加入具有电活性的掺杂剂，以形成一定浓度的载流子（电子和空穴），最终得到所需要的具有一定电阻率的半导体材料。若材料中存在不确定数量、类型的杂质载流子将使得半导体材料中的载流子浓度偏离预定目标值，而且这些杂质可能会影响少数载流子的寿命，从而导致器件性能明显降低。半导体材料有哪些应用？略（见第1章）题目和答案在半导体材料中，载流子浓度和电导率之间存在什么样的关系？什么是少数载流子？半导体材料的导电性能不仅取决于载流子的浓度、分布和迁移率（见公式（2.2）），其中电子、空穴被统称为半导体材料的载流子。在半导体材料中，相对于多数载流子而言，浓度较低的载流子。在P型半导体，少数载流子是电子；在N型半导体中，少数载流子是空穴。少数载流子的浓度主要由本征激发决定，因此受温度影响较大。什么是能级，什么是能带？请画出单晶硅的能带示意图。电子处于一系列特定的运动状态，称为量子态；某个量子态中，电子的能量是一定的，被称为能级。靠近原子核的能级，电子受的束缚强，能级就低；远离原子核的能级，受的束缚弱，能级就高。根据一定的原则，电子只能在这些分裂的能级间跃迁。当电子从低能级跃迁到高能级时，电子要吸收能量；当电子从高能级跃迁到低能级时，电子要放出能量。能带是能级交互的产物：当原子沿空间三维方向周期性重复排列组成晶体时，相邻原子间的距离只有埃（Å）的数量级，原子核周围的电子会发生互相作用，晶体原子的外壳层电子由于发生能级重叠，因此电子不再局限于一个原子，可以很容易地从一个原子转移到相邻原子，可以在整个晶体中运动，成为共有化的电子。当两个相距很远的独立原子逐渐接近时，每个原子中的电子除受到自己原子的势场作用外，还受到另一个原子的势场作用。其结果是，根据电子能级的简并情况，原有的单一能级会分裂成m个相近的能级（m是能级的简并度）。如果N个原子组成晶体时每个原子的能级都会分裂成m个相近的能级，那么这mN个能级将组成一个能量相近的能带。单晶硅的能带示意图见2.6，注意标注禁带宽度数值。什么是本征载流子浓度？在室温300K时，硅晶体的本征载流子浓度如何计算？指由热激发所决定的载流子浓度，见公式（2.7）和（2.25）求T=400K时硅的热平衡空穴浓度，设费米能级位于价带上方0.27eV处，T=300K时，硅中的Nv=1.04×1019cm-3。P0=6.3×1015cm-3。（见教材第2章公式2.24和）。非平衡少数载流子如何产生和扩散？如果外加电场，对总电流密度有何影响？光照或是电场非平衡载流子从高浓度向低浓度扩散，见2.4.2节。如果外加电场非平衡载流子在电场中的漂移，总电流等于载流子扩散形成的电流和漂移形成的电流之和，见2.4.3节。PN结的制备方法有哪些？在相同掺杂浓度下，硅的PN结势垒和锗的PN结势垒谁的更高？在正向偏压下，空间电荷区与未加偏压下的状态有何不同？PN结的制备方法有合金法、扩散法、离子注入法、薄膜生长法。在相同掺杂浓度下，硅的PN结势垒比锗的PN结势垒更高。正向偏压下，空间电荷区相对未加偏压下变小。金属-半导体接触、MIS结构，与PN结有何异同？分别从材料组成，能带结构、器件特性等多个方面进行描述。略（参考第2章）题目和答案半导体块体材料如何界定？以电子的自由度作为一个基本物理量，当电子沿着材料三维方向运动的尺寸都大于半导体材料的德布罗意波长（1～100μm）时，这种半导体材料称为“块体材料”半导体晶体材料的生长方式有哪几类？有何特点？一般分为三类：固相生长、液相生长和气相生长。固相生长是利用固体材料中的扩散，使多晶体转变为单晶体或者非晶体转变为单晶体的一种晶体生长方式。例如，在高温高压下将石墨转变成金刚石晶体；又如将非晶硅固化再结晶成多晶硅。固相生长是一种材料再结晶的过程，通常可以利用退火、烧结、多形性转变、退玻璃化及固态沉淀等方式实现再结晶的固相生长。固相生长具有如下优点：（1）它可以在不添加组分的情况下，在低于熔点的温度实现晶体生长；（2）生长晶体的形状可以是事先设计的，直接生长出丝、箔等形状的晶体，取向也容易控制；（3）除脱溶外，杂质和其他添加组分的分布在晶体生长前就被固定下来，并且在生长过程中不发生改变（除稍微被相当慢的扩散所改变外）。但是，从固相中所生长晶体的成核密度高，固体中的原子扩散速率非常小，因此难以用此法得到大尺寸单晶。液相生长是由液相转变为固相的生长过程，包括从熔体中生长和从溶液中生长。从熔体中生长是目前制备大直径块体半导体单晶材料的主要方法，这种方法生长的晶体具有纯度高、体积大、完整性好、生长速度快等优点，但是要求所生长的材料在熔点附近相对稳定，不发生分解、升华和相变。根据生长工艺的不同，熔体法生长包括直拉单晶法、液态密封直拉法、布里奇曼法和区熔法等。从溶液中生长晶体是将原料溶解在适当的溶剂中，采取一定的方法使溶液达到饱和状态，从而使溶质从溶液中析出并结晶长大的方法，如从盐水溶液中结晶出盐。根据溶液性质的不同，将溶液法分为助溶剂法、水溶液法和水热法等。这些方法可以使晶体在远低于熔点的温度下生长，适合制备高温下容易发生分解、汽化或晶型转变的材料，所制备的单晶体尺寸较大、均匀性良好。气相生长是将源材料用物理或者化学的方法转变为气态，并通过物理或者化学反应的方法沉积在衬底上，生长出固相材料的方法，就像水汽凝结成冰和雪花一样。气相生长适合制备那些本身或者中间产物可以汽化的材料，并可以在远低于晶体熔点的温度下进行生长。例如，将SiC源材料进行升华再重新凝华为SiC晶体。气相生长材料的速率要远低于液相生长的速率，因此，这种方法主要用来制备厚度在几百微米以下的，甚至是单原子或分子层厚度的薄膜材料，包括单晶、多晶或非晶薄膜材料。当吸附到衬底的原子或者分子有足够的能量在衬底表面自由迁移时，就可以排列成有序的晶体薄膜材料。根据反应方式的不同，气相生长方法又分为物理气相生长和化学气相生长两种方法。晶体生长的条件是什么？晶体生长过程中，为何达到一定的过冷度时才能自发进行熔体-固相转变？晶体生长的条件：形成晶体（新相）的自由能应该低于亚稳相（旧相）的自由能，也就是界面移动的驱动力f>0或者相变驱动力Δg<0。从式（3.6）和式（3.7）可以看出，只有当T>0，也就是熔体有一定的过冷度时，g<0，f>0，熔体-固相转变才可能自发进行。通常在熔体-固相转变过程中，体积的变化非常微小，因此压力的变化对总体自由能的影响很小，相变的驱动力主要来自过冷度。晶体生长过程从成核开始，晶体的生长是通过晶核的长大来实现。什么是“成核”？什么是“晶核”？晶核的形成有哪两种方式，各有何特点？成核：是指在旧相中形成等于或大于一定临界尺寸的平衡相晶核的过程。晶核：旧相中开始出现许多有序排列的小原子团，称之为晶胚。晶胚在到某一临界尺寸后，就成为可以稳定存在并自发长大的晶核。晶核的形成方式有两种：均质成核（又称均匀成核或自发成核）和异质成核（又称非均匀成核或非自发成核）。均质成核是指在一定的过饱和度或过冷度的条件下，从旧相直接形成晶核。非均匀成核是指在体系中存在外来质点（衬底、容器壁、固体颗粒、籽晶等），成核发生在外来质点上。晶体生长过程可以看作旧相不断转变成新晶体相的动力学过程，或者可以看作晶核不断形成和长大的过程。那么在新旧两相之间的界面对晶核形成和长大起着什么样的作用？晶体生长属于一级相变，在旧相和新相之间存在一个锐变的界面，其原子的排列方式既不同于新相，也不同于旧相。从微观结构来看，一般将界面分为光滑界面和粗糙界面。对不同的界面结构，晶核的生长机制也不同。对于光滑界面，可能采用二维台阶生长的方式，如二维成核机制生长晶体，也可能通过螺位错或者凹面角等缺陷机制来生长晶体。对于粗糙界面，认为晶体生长是连续进行的。画出简单立方晶体的二维界面能极图，以及尝试画出三维的界面能极图。通过式（3.26）可以确定三维的界面能极图。在自由生长系统中，画出金刚石结构的晶体外形。在自由生长系统中，金刚石结构的晶体外形是正八面体。题目和答案哪些晶体生长技术适合用于生长单晶硅，原因是什么？熔体法常用于生长单晶硅，如直拉法和悬浮区熔法。熔体生长技术，简称熔体法，是将原料先熔化成熔体，再生长成晶体，是生长高纯度和高完整性晶体的重要且常用的方法。熔体法中，晶体的生长主要依靠热输运，而不是物质的输运，因此晶体生长速度快（能达到cm/h的量级）。熔体法要求材料满足一定的要求：首先，材料应同质熔化，即在熔化过程中材料成分不变；其次，材料熔化前不会分解；另外，材料在室温和熔点之间不会发生相变。硅材料满足上述条件。同时描述溶液法和气相法的特点，说明不适用于硅单晶的生长（见第4章）。布里奇曼法和区熔法有何异同？如何实现悬浮区熔？同：都属于熔体生长的方法；都需要通过连续移动容器或者炉体，从而实现连续生长晶体。异：区熔法，固体材料（原料棒）中只有一小段区域处于加热熔融状态，整个体系由晶体、熔体和原料棒三部分所组成，因此体系中存在着固-液-固的界面。悬浮区熔法熔融的原料不与坩埚接触减小了晶体中的杂质浓度。布里奇曼法，需要用到籽晶，使原料和部分籽晶熔融，只存在一个熔体和晶体的界面。另外需要把原料密封在坩埚中，这容易带来杂质。如何实现悬浮区熔：利用射频加热线圈融化原料，依靠熔体界面张力维持熔区形状。什么是溶液生长技术？该方法的成核的驱动力是什么？包括了哪些方法，有何特点？溶液生长技术的基本原理是将晶体的组成元素（溶质）充分溶解在溶剂中，两者不发生化学反应，在采用适当的措施（如改变温度、蒸气压等状态参数）后，使溶质在溶液中处于过饱和状态，获得过饱和溶液，最后使溶质从溶液中析出并形成晶体。从溶液中析出晶体的必要条件是溶质在溶液中的浓度超过溶解度，形成溶液过饱和，这是晶体结晶成核的驱动力。溶液生长技术包括降温法、恒温蒸发法、温差水热法、助溶剂法等方法。降温法，对于一定温度下的饱和溶液，在封闭状态下保持溶剂总量不变，逐渐降低溶液温度，使溶液处于过饱和状态，适用于溶解度和溶解度温度系数都较大的物质，并需要一定的温度区间来生长晶体。恒温蒸发法,在一定温度的条件下，使溶剂不断蒸发导致溶液处于过饱和状态，适用于生长溶解度较大而溶解度温度系数又很小的物质。溶液温差水热法是在高温或高压的环境下，使常温常压下不易溶解的物质溶解于水溶液等溶剂中，依靠容器内的温差对流形成过饱和溶液并发生结晶，该方法适合生长存在相变、易形成玻璃体、在熔点时不稳定的晶体。溶剂分凝生长晶体技术，是指对于某些晶体材料在常用溶剂中的溶解度很低，可以通过向其添加辅助组元改变其溶解度，从而实现晶体生长的方法。气相生长技术适合用于生长块体材料吗？什么是升华法，有何特点？气相生长技术适合用于生长块体材料。气相生长技术主要通过蒸发、化学反应等方式产生气源，气体物质再经过扩散、对流至晶体生长的表面（衬底晶体的表面），再经过冷凝和沉积等过程在衬底表面生长薄膜晶体材料。气相生长晶体所采用的温度通常远低于晶体熔化温度，因此，生长的晶体材料往往具有低的点缺陷浓度和低的位错密度。升华法：它是将原料在高温区加热升华成气相，通过扩散或惰性气体携带的方式输运到容器的较低温度区，使其处于过饱和状态，经过冷凝成核生长晶体的一种方法。理论上，所有高蒸气压的材料都可以用升华法生长晶体。化学气相沉积的过程与物理气相沉积最大的不同是什么？化学气相沉积的方法有哪些？化学气相沉积的过程与物理气相沉积最大的不同在于化学气相沉积存在化学反应和反应副产物脱离衬底的过程。化学气相沉积的方法有化学气相输运（CVT）法、气体分解或合成法、金属有机化学气相沉积法、气-液-固生长（VLS）法等。低维半导体材料和块体半导体材料，除了维度的不同，还有何不同之处？当材料的维度从三维到零维，也就是从宏观到微观（小于100nm）时，特别是当半导体材料的尺寸接近特征尺寸（电子的德布罗意波长、玻尔半径、相干波长、激子波长等）时，电子被限制于一个体积十分狭小的空间，费米能级附近的电子能量发生量子化，能级分布不连续且带隙变宽，也就是产生了量子尺寸效应，这样的材料也被称为低维量子材料。在这种情况下材料的性质（电、光、磁、热、力等）发生了质的变化，其性能与块体材料有明显的不同。例如，从硅块体晶体到硅量子点，发光峰位发生蓝移，且发光效率明显提高从石墨块体到石墨烯，光透过率达到了97.7%，且电子的运动速率达到了光速的1/300。题目和答案为什么有人称硅是上帝的材料？硅材料的存在形态有哪些？硅具有良好的半导体特性，化学性质稳定，元素含量丰富，环境友好，制备成本低廉，易生长无位错单晶，此外，由硅制作的器件工作温度较高（达250℃），还可以方便地在表面形成结构高度稳定的SiO2绝缘层。因此，有人称硅是上帝的材料硅材料的存在形态有：单质硅，硅酸盐，氧化硅。其中单质硅如果按晶体结构划分，可以将硅分为单晶硅、多晶硅和非晶硅；按纯度，可分为金属硅、太阳能级硅和电子级硅；按掺杂类型，可分为本征硅、P型硅、N型硅；按维度，可分为块体硅、薄膜硅和纳米硅（线/棒、颗粒/点）；按晶体生长方式，可分为铸造硅、直拉硅和区熔硅等。晶体硅的结构有何特点？它的密排面和解理面分别是哪个面？滑移体系有哪些？硅晶体具有金刚石型结构，每个硅原子与周围四个最近邻硅原子以共价键结合。它的密排面和解理面均为{111}，常见的滑移体系有{111}面<110>方向，{111}面<112>方向，{100}面<110>方向。晶体硅中掺入百万分之一的硼，导电类型有何变化？对费米能级有何影响？电阻率是多少？硼为Ⅲ族元素，属于受主杂质，能够在价带中产生空穴，硅的导电类型转变为P型。对费米能级的影响是，由于空穴浓度高于电子浓度，费米能级向价带靠近。对于P型半导体，因此，晶体硅通过sp3杂化形成共价键，容易与哪些酸性和碱性溶液反应？硅对多数酸是稳定的，但硅容易与HF-HNO3混合液反应溶解，硅和NaOH或KOH能直接反应生成相应的硅酸盐而溶于水中。单晶硅有哪些光学特性？有哪些应用？单晶硅具有优良的光电转换性能，可以用于制造太阳能电池；硅在红外光谱范围内具有良好的透明性，可以用来制作红外聚焦透镜。太阳电池用单晶硅片的厚度仅为100～180m，大大小于微电子器件用硅片的厚度。请问是什么原因？这是由于太阳能电池的工作原理与微电子器件需求不同导致的。硅太阳能电池在可见光附近（波长400~1000nm）工作，需要的硅片的有效厚度在100μm左右即可；太阳电池使用较薄的硅片可以还减少光线通过硅片时的吸收损耗，减少光激发产生的电子和空穴扩散的距离，从而提高电池效率；此外，较薄的电池硅片可以减少硅用量，降低生产成本。相比之下，微电子器件通常使用较厚的硅片以容纳更多的电子器件结构和电连接层和线路，提供足够的电子通道和散热空间。锗晶体有哪些特性？为什么说锗是红外光学领域的重要的材料之一？锗晶体具有金刚石结构，是一种灰白色金属光泽的硬而脆的半导体材料。锗晶体具有优良的半导体特性，电子、空穴迁移率比硅高，但禁带宽度相对较小；化学性质稳定。全球锗的资源比较贫乏，晶体和器件成本高，密度比硅高，热导率比硅低，影响了锗在微电子领域的应用。锗具有红外折射率高、红外透过波段范围宽、对红外线吸收系数小等优点，特别适用于制造热成像仪、红外雷达及其他红外光学装置的窗口、透镜、棱镜和滤光片等，在军事、国防等领域具有重要的应用。题目和答案从石英砂到晶体硅需要经过哪些过程？金属硅提纯的技术路线有哪些？从石英砂到晶体硅需要经过以下步骤：①选矿：选取SiO2纯度在98%以上的石英砂矿石作为原料。②酸浸：使用氢氟酸（HF）溶解二氧化硅（SiO₂）中的杂质，如氧化铝（Al₂O₃）和氧化铁（Fe₂O₃）等③沉淀和过滤：将酸浸后的溶液进行沉淀和过滤，去除杂质离子。④将沉淀物进行煅烧，使其转化为二氧化硅。⑤碳热还原制备金属硅：SiO金属硅的提纯可以通过化学提纯、物理提纯和物理冶金技术提纯等技术路线实现。金属硅西门子法？通过氢化工艺将SiCl4转化为SiHCl3，在生产线形成“闭环”，实现了副产品的再利用的化学提纯方法。与传统的西门子法相比，改良西门子技术具有污染小、能耗低、成本低的优势。请阐述流化床工艺制备高纯多晶硅的原理和特点。原理：将流化床反应器通过底部加热，使反应器底部通入的气体流层上升，从而使由顶部进入的固体硅粉颗粒床层受到向上的作用力，流层流速不同，固体床层的存在形式也不同。当流速低于起始流化速度（Vmf）时，固体硅颗粒处于静止状态，此时称为固定床；当流速在Vmf至带走速度（Vt）之间时，固体硅颗粒处于悬浮状态，此时称为流化床；当流速大于Vt时，固体硅颗粒被流体带走，床层消失，若连续加入颗粒，则此时称为输送床。当处于流化床状态时，流体与颗粒接触得最为充分，原料的利用率最大。此时，在固体硅颗粒表面发生化学气相沉积过程，固体硅颗粒逐渐长大，达到一定重量后，最终沉积到反应器底部。特点：①优点：硅颗粒的表面积大，硅烷分解或者还原效率高；电耗低、成本低；可连续化生产，装置生产效率高；无须破碎；在坩埚中的装填密度大；此外，可用于连续加料系统，从而进一步提高产量、降低产品的单位制造成本。②不足：在于颗粒多晶硅的纯度不如硅芯沉积技术制备的棒状多晶硅，一般不适用于电子级高纯多晶硅制备，但可以满足太阳能级多晶硅原料的要求。太阳能级多晶硅的制备方法有哪些？化学制备方法：三氯氢硅工艺（改良西门子法）、硅烷热分解工艺（包括硅化镁氨化法、二氯二氢硅催化歧化反应法、氟硅酸钠方法）、流化床工艺等。物理冶金工艺：真空熔炼挥发、真空熔炼造渣、酸洗、电磁感应等离子处理、定向凝固、区熔技术、铝硅熔体提纯金属硅（铝热还原）技术。半导体级高纯多晶硅的制备方法有哪些？改良西门子法、硅化镁氨化法、四氯化硅氢还原法和二氯二氢硅还原法等。半导体级高纯多晶锗的制备过程和方法有哪些？制备过程：①制备金属锗：锗的富集、GeCl4的制备、GeCl4的提纯、GeCl4的水解、GeO2的氢还原。②制备高纯锗：水平区熔法。制备方法：①金属锗：锗矿石制备金属锗、烟道灰制备金属锗；②高纯锗：水平区熔法。常用的金属硅物理冶金提纯工艺有哪些？各有什么特点？真空熔炼挥发：需要一定的真空度、常常需要通入气体和机械搅动、对于挥发系数小的物质没有提纯作用、需要长时间挥发、能耗大、成本较高。真空熔炼造渣：通过添加剂与金属反应造渣或形成挥发性物质，但添加剂的选择和重量控制比较困难，同时需要注意不能引入新的杂质。酸洗：酸腐蚀剂的选择对于酸洗的效果非常重要，需要合理控制块状硅的尺寸和腐蚀时间，以达到较好的腐蚀效果和尽可能降低破碎成本。电磁感应等离子处理：可以更有效的除去B、P杂质，但工艺产能低、能耗高、设备贵、总体成本高、工业化的可能较低。定向凝固：可以有效的取出金属杂质，但对B、P杂质的去除作用不大。题目和答案平衡分凝系数与有效分凝系数间有何异同？平衡分凝系数是指在某温度下，当固液两相平衡时，固相中的杂质浓度（CS）与液相中的杂质浓度（CL）的比值；有效分凝系数是在试剂实际晶体生长过程中，由于存在杂质扩散以及自然对流、强迫对流等引起的杂质的移动，分凝系数会偏移平衡分凝系数，此时的分凝系数为有效分凝系数；当结晶速度十分缓慢时，符合热力学平衡的条件，杂质原子完全混合在熔体中，此时有效分凝系数接近于平衡分凝系数。简言之，平衡分凝系数和有效分凝系数都是描述杂质分凝行为的系数，区别在于前者适用于热力平衡状态，后者适用于非平衡状态。什么是正常凝固？与分凝系数有何关系？材料全部熔化成熔体后，从熔体的一端向另一端缓慢移动并逐渐凝固，受分凝现象的影响，凝固后的晶体会出现杂质的宏观偏析，这个过程被称为正常凝固。在熔体凝固的过程中，杂质分布和k的大小有关。k<1时，越接近凝固的尾部，杂质浓度越大，杂质原子集中在尾部；k>1时，越接近头部，杂质浓度越大，杂质原子集中在头部；k≈1时，杂质基本保持原有的分布方式，均匀分布在整个晶体中。但k≈1的情况一般不存在。阐述区熔提纯的原理。区熔提又称区域熔炼，是一种利用凝固过程来提纯晶体、排除杂质的方法。它利用分凝现象将原料局部熔化形成狭窄的熔区，并使其从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，进而达到使中部区域的材料更纯并最终达到提纯材料的目的。影响区熔提纯的因素有哪些？区熔的次数是不是越多越好？为什么？影响因素：杂质分凝系数、熔区的长度、区熔次数、熔区移动的速度。区熔次数不是越多越好。多次区熔能够得到更高纯度的晶体，但也不可能把纯度无限提高。对于长度为一定的原料棒，用同样长度的熔区进行多次区熔后，再增加一次区熔，杂质分布将不再变化，这一现象被称为“极限分布”或“最终分布”。因此，若达到极限分布后再进行区熔，则固体中的杂质分布将维持不变。一般区熔次数为10~15次。区熔单晶硅的工艺特点有哪些？无坩埚污染、最大生长速率高、耗能较小、设备硅贵重、体积大、精度复杂、多晶硅原料棒要求高、晶体尺寸受限、成本高。区熔单晶硅有哪些特点？优点：纯度很高，其杂质含量少，电阻大，少数载流子寿命长。.缺点：内应力大、机械强度低。题目和答案直拉单晶硅生长的工艺过程包括哪些？装料、熔料、引晶、缩颈、放肩、等径生长、收尾。什么是“缩颈”技术？在直拉单晶硅生长过程中有何作用？如何克服缩颈的局限？采用高拉速将晶体直径缩小到大约3mm，快速生长出足够长的细颈，一旦位错产生，就会沿着滑移面向体外滑移，位错很快就会滑移出单晶硅表面，而不是继续向晶体内延伸，以保证其后的直拉单晶硅可进行无位错生长。通过重掺可以使细颈短而粗，提高晶锭承重。在直拉单晶硅的生长过程中，如何抑制直拉单晶硅中位错的产生？缩颈工艺，避免生长条件突然变化，保持晶体中适当的温度场，避免外来颗粒掉进熔体，使晶体中的各种应力小于位错产生的临界应力。比较直拉单晶硅法和区熔单晶硅法的异同。区熔单晶硅利用高频感应线圈在多晶硅原料棒上形成区域熔化，没有用到石英坩埚，其纯度可以很高，电学性能均匀，然而由于生长过程中熔体需要依靠液体表面张力支持而不坠落，只能生长较小直径的单晶。和区熔单晶硅相比，利用直拉法生长的单晶硅对高纯多晶硅原料纯度、形状和尺寸的要求都相对较低，可以获得较大直径的单晶（最大直径可以达到450mm），但由于用到坩埚，其纯度受到影响，氧、碳等杂质含量更高。区熔法和直拉法均需要籽晶，通过引晶缩细颈排除位错；都是通过加热使晶体熔化后重新结晶生长。为何重复装料直拉单晶硅生长法和连续加料直拉单晶硅生长法只能连续进行数次？生长数次晶体后，硅熔体中聚集的杂质的量增大；同时，随着时间的推移，石英坩埚的腐蚀也越来越厉害，更多的杂质（特别是氧杂质）会溶入硅熔体，最终使得硅熔体中的杂质浓度上升，晶体的质量变得较差；而且，石英坩埚会变薄，存在破裂的危险。因此，重复装料直拉单晶硅生长和连续加料直拉单晶硅生长的次数会受到一定的限制。从晶锭加工为硅片，需要经过哪些步骤？各自起到哪些作用？晶锭切断：切去无用部分，检查单晶硅的质量，切断分段，保证每个晶锭的单晶硅电阻率保持在一定范围之内。晶锭滚圆和切方：微电子器件外圆滚磨使硅单晶外形和直径统一，太阳电池需要切方，方形硅片可以最大利用组件面积。切片：切割成具有一定厚度的硅片。化学腐蚀：去除硅片表面在机械加工过程中产生的加工损伤层和沾污。倒角：去除硅片边缘锋利的棱角、崩边、裂缝等，改善硅片表面质量，提高器件成品率。研磨：去除了硅片切割产生的损伤层（切痕），同时改善了硅片的弯曲度、翘曲度和厚度不均匀性，提高了硅片的平整度和平行性。抛光：去除硅片研磨损伤，降低硅片表面的粗糙度，减少硅片表面的金属杂质污染。晶锭切片后可否直接进行化学抛光？不可以，需要先进行清洗。因为切片后硅片表面残留有油污和杂质等，会影响化学抛光效果。题目和答案P型掺杂的直拉单晶硅中的可能存在哪些主要的杂质？其中，哪些杂质引入深能级中心？

P型掺杂的直拉单晶硅中的可能存在B、Al、Ga或In等掺杂元素以及O、C等轻元素。在氮气气氛下生长，晶体中会含有一定量的N元素。如果源料或者生长过程控制不好，甚至可能引入Cu、Fe、Ni、Cr、Na等金属元素。金属元素一般会引入深能级中心。另外，B原子和硅中的氧形成B-O复合体缺陷，也可能引入深能级，在太阳光的照射下会产生光致衰减现象。直拉单晶硅的掺杂技术有哪些？（在书中介绍了掺杂的思想，但是没有直接给答案，本题请结合本书外的信息回答）

直拉单晶硅的掺杂一般通过在多晶硅装料时同步加入适量的掺杂剂来实现。这些掺杂剂可以是单质，也可以是合金/化合物（硅化物），一般都是固体粉末，熔点低于硅材料，蒸发系数比较小，在晶体生长过程中掺杂原子少蒸发或不蒸发，最终实现在单晶硅中掺入电活性原子、控制单晶硅电阻率（载流子浓度）的目的。目前，掺杂技术主要包括共熔法和投杂法等。其中共熔法主要是在直拉法制备硅单晶的装料工序中将高纯的固体掺杂剂与多晶硅原料同时放入石英坩埚中。掺杂浓度可通过改变固体掺杂剂所占比例来进行调整。在此过程中，需要让石英坩埚不断旋转以保证掺杂剂在硅熔体中均匀分布。投杂法则是将高纯固体掺杂剂在多晶硅原料熔化之后掺入硅熔体中，这种方法比较适用于一些蒸发系数较大的掺杂剂。利用高纯多晶硅做原料，生长60公斤的P型掺硼直拉硅单晶，需要在凝固分数g=0.9处的电阻率为1Ω·cm，问需要掺入高纯硼单质的质量是多少？如果利用硼浓度为0.001%的母合金，需要母合金的质量是多少？高纯B单质4.6mg，母合金1183.2g。（见教材第9章公式9.3-9.7）N型硅中掺杂磷元素浓度在1014-1016/cm3浓度范围，其电阻率（室温）大约是多少？（见教材第一章公式9.1）对于3Ω·cm的P型掺硼单晶硅和N型掺磷单晶硅，硼和磷的杂质浓度分别为多少？

对于3Ω·cm的P型掺硼单晶硅，硼杂质浓度为4.2×1015cm-3，对于3Ω·cm的N型掺磷单晶硅，磷的杂质浓度为1.1×1015cm-3。直拉单晶硅中的氧杂质来自于哪里？它在单晶硅中的存在形态有哪些？对晶体的电学性能有哪些影响？

直拉单晶硅中的氧杂质来自晶体生长时石英坩埚的污染。进入直拉单晶硅中的氧原子占据着硅晶格间隙位置，同时可能会因偏聚形成氧施主或氧沉淀及相关缺陷。以间隙态形式存在的氧原子对电学性能无影响，而其偏聚形成的氧施主则能提供电子，使得N型直拉单晶硅的电子浓度增大或者使P型直拉单晶硅中的空穴浓度减少。氧沉淀除了可能引起二次缺陷、钉扎位错等，氧沉淀和硅晶体的界面悬挂键可能会引入载流子或提供深能级缺陷中心。如果在单晶硅中掺入锗杂质，对单晶硅有何影响？为什么？

在直拉单晶硅中掺入适量的锗原子，不仅可以像掺氮直拉单晶硅那样抑制COP缺陷的形成，提高机械强度，改善内吸杂性能，还可以调控硅晶体的晶格应力，消除硅基外延失配位错，又可以抑制太阳电池中的光衰减。这是由于锗原子的原子半径大于硅原子的，因此当锗原子处于硅晶格的替代位置时，会对周边原子产生张应力，从而能够调控晶格应力；同时锗非常容易吸引硅晶格中的空位结合成锗-空位（Ge-V）复合体，从而抑制的COP缺陷的形成。直拉硅中金属杂质主要有哪些？它们有哪些危害？

直拉单晶硅中的金属杂质主要是指过渡金属杂质，如Fe、Cu、Ni等杂质。这些金属杂质具有电活性，既可以和掺杂原子复合，从而影响载流子浓度，也可以是深能级复合中心，缩短少数载流子的寿命。如果直拉单晶硅中的过渡金属杂质是以金属沉淀形式存在的，它也能使少数载流子的寿命缩短，减小其扩散长度，增大器件的漏电流。如果金属杂质原子沉淀在器件的空间电荷区，由于它的介电常数和硅基体的不一样，因此还能导致器件漏电。直拉单晶硅中的主要缺陷有哪些？什么是原生缺陷？什么是诱生缺陷？直拉单晶硅中的主要缺陷分为原生缺陷和工艺诱生缺陷。原生缺陷是指存在于未经过机械加工、器件制备过程的“原生”直拉单晶硅中的缺陷，在直拉单晶硅中原生缺陷有两类：由点缺陷形成的和由氧原子形成的。在直拉单晶硅生长时，晶体中存在过饱和的点缺陷（空位、自间隙硅原子）及氧、碳等杂质原子。在单晶硅生长完成后的晶体冷却过程中，点缺陷将扩散、聚集形成空洞型（VOID）缺陷；而氧原子也可能扩散、聚集，形成原生氧沉淀，甚至产生诱生缺陷。在单晶硅材料及器件加工过程中因机械加工或热处理工艺而引入的缺陷被统称为工艺诱生缺陷。在硅片的加工过程中，单晶硅会经历切、磨、抛等机械加工过程，在硅片的表面和边缘造成机械损伤，也会引入位错、裂纹等晶体缺陷。而且在硅器件的制备过程中，单晶硅片将经历氧化、扩散、外延和离子注入等工艺，还会经历数十道热处理过程。在这些工艺过程中，单晶硅中的点缺陷、氧杂质等也会扩散、聚集，形成新的氧沉淀及位错等缺陷；热处理过程中的热应力也会引起位错及其滑移等。题目和答案什么是外延？单晶硅薄膜外延生长工艺的主要步骤有哪些？

外延是一种单晶材料（外延层）在另一种单晶材料（衬底）上定向生长的现象。典型的外延生长单晶硅薄膜工艺包括如下几个主要步骤：将抛光的单晶硅衬底片清洗烘干并放在基座上；通入高纯氢气（H2）净化反应器中的空气；将反应器加热到一定的温度，通入干燥的盐酸（HCl）对单晶硅衬底进行气相腐蚀，从而去除表面的损伤、污染物及表面氧化层等；通入高纯氢气及硅源气体，使之形成混合气体后进入反应器；调整反应器温度至生长温度，按需、按比例通入硅源和氢气进行单晶硅薄膜的外延生长；生长结束后，停止通硅源气体，继续通氢气作为保护气，并将反应器降温至室温，最后通入氮气，再取出硅外延片。单晶硅薄膜采用化学气相外延技术在单晶硅衬底上生长，那么外延过程中的化学反应主要有哪几类？

单晶硅薄膜采用化学气相外延过程中的化学反应主要有三类：歧化反应、还原反应和热解反应。歧化反应一般发生在密闭的外延炉内，将硅的卤化物（SiX2）分解为固态硅和气态的4价硅卤化物。通常，硅卤化物的生成需要很高的温度，且要求较长的反应时间才能生成足够的源物质，这样就要求气体流速慢；同时，歧化反应的效率低，导致硅源气体的利用率低。因此，歧化反应在单晶硅薄膜的外延中未得到广泛应用。硅的还原反应是指利用氢气还原硅的卤化物（包括SiH2Cl2、SiHCl3和SiCl4）。其中SiH2Cl2成本高，在产业中未被普遍采用。SiCl4和SiHCl3常温下都是液体，在反应时需要氢气作为载气，因此氢气既是还原剂，又是载气。在反应过程中，氢气从液相源鼓泡蒸发，使得液相的温度降低，从而影响了液相的饱和蒸气压及硅源气体与氢气的比例。因此，需要稳定液相源（硅的卤化物）的温度，以便获得稳定的单晶硅薄膜生长速率。硅外延的热解反应利用硅烷在高温下分解出硅原子并沉积为单晶硅薄膜。虽然该反应需要在高温下进行，但是相对于还原反应和歧化反应，所需的温度仍相对较低，一般温度达到850℃就可以实现单晶硅薄膜的外延生长。该反应不可逆，不存在卤化物等什么是“自掺杂”现象？如何抑制外延单晶硅薄膜的自掺杂？

自掺杂效应是指由于热蒸发或者化学反应的副产物对衬底的腐蚀，使衬底中的硅和杂质进入气相，改变了气相中的掺杂成分和浓度，从而导致了外延层中的杂质实际分布偏离理想情况的现象。目前，抑制外延单晶硅薄膜的自掺杂有两种途径：一是通过采用背封技术、二次外延生长、低温外延等方式尽量减少单晶硅衬底杂质的逸出；二是通过冲洗气相沉积反应器或低压外延生长的方式使已蒸发到气相的杂质尽量不进入外延层硅薄膜。详细描述见10.1.2外延单晶硅薄膜的缺陷有哪些？

单晶硅薄膜外延层的缺陷主要有两种：1、微缺陷（内部结构缺陷），包括层错、位错、微缺陷等；2、表面宏观缺陷，包括云雾状表面、角锥体、多晶点、塌边、划痕、位错滑移线等。详细描述见10.1.3比较多晶硅薄膜和非晶硅薄膜的异同？

同：通过薄膜生长技术在衬底材料上生长出薄膜，制备方法上可选择低成本、制备简单和可大面积制备的化学气相沉积的生长方法；在晶体结构中存在大量的悬挂键。

异：多晶硅薄膜由众多大小不一且晶向不同的硅晶粒组成，而非晶硅薄膜无晶体结构，存在短程有序长程无序的结构；非晶硅的能带结构和晶体硅不同，多晶硅薄膜在态密度模型中可以很明显地区分出价带、导带和禁带，但是非晶体的能带结构则不能。多晶硅薄膜是间接带隙半导体薄膜，而非晶硅薄膜是直接带隙半导体薄膜且禁带宽度更宽；非晶硅薄膜的迁移率、少子寿命、熔点、密度和硬度均小于晶体硅，但是化学性质比晶体硅活泼，对可见光的光吸收系数比晶体硅大一个数量级。氢原子是非晶硅材料中最重要的杂质之一，它在非晶硅材料中起到哪些作用？

非晶硅材料中的氢原子一方面能补偿非晶硅中未饱和的悬挂键，从而降低缺陷密度，影响能带结构和电学性质，另一方面，氢会在非晶硅材料中形成不同的形态的SiH、SiH2、SiH3、(SiH2)n等基团，甚至导致微空洞等缺陷，从而影响非晶硅薄膜的应用。SOI材料的制备方法有哪些？

目前制备SOI材料的主要技术有：注氧隔离技术、键合和反面腐蚀技术、注氢智能切割技术和多孔氧化硅全隔离技术。详细介绍见10.4SiGe薄膜的有哪些特性？制备方法有哪些？SiGe薄膜的禁带宽度可调，其随着含锗量的增加而缩小，且具有比单晶硅更高的载流子漂移和更低的电阻。此外，SiGe薄膜在高温下的稳定性更好，不仅具有较小的热漂移，而且还能够抵抗电迁移现象。SiGe薄膜的制备主要有两种方式：一种是在整个硅片上生长SiGe薄膜；另一种是在硅器件部位上局部制备SiGe薄膜。详细介绍见10.5第11章题目和答案III-V族化合物半导体材料有哪些特性？如果要获得它们的单晶，建议采用哪些类型的生长方式？Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料的禁带宽度（带隙）较大，大部分的带隙在室温时大于硅的带隙（1.1eV），因而其器件能够耐受较大的功率，以及更高的工作温度。大部分Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料都是直接带隙（如GaAs、GaN、InN、InP、GaSb、InAs等），其光电转换效率比硅更高，适合制作光电器件，如发光二极管（LED）、激光二极管（LD）、太阳电池等。另外，Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的电子迁移率高，很适合制备高频、高速器件。Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的晶体结构主要为闪锌矿结构，Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料的化学键属于混合型化学键，在Ⅴ族原子处出现负的有效电荷，而在Ⅲ族原子处出现正的有效电荷，即产生了极化的现象。闪锌矿结构的Ⅲ-Ⅴ族化合物晶体在晶格上是非中心对称的，Ⅲ-Ⅴ族化合物在晶体结构上也具有极性。Ⅲ-Ⅴ族化合物体单晶主要通过熔体法生长获得，如布里奇曼法、液封直拉法等，也可以采用气相外延的方式制备，比如气相外延法、液相外延法和分子束外延等方式。以硅半导体材料为参考，砷化镓有哪些特性？GaAs材料与硅半导体材料相比，是直接带隙半导体材料，具有电子迁移率高、禁带宽度大、消耗功率低等特性，其器件具有高速、高频、高温、低温性能好、噪声小、抗辐射能力强等优点；GaAs晶体具有闪锌矿结构，有极性非中心对称的特点。其化学键属于混合型，一般认为除Ga和As+的共价键外，还有Ga3+和As3形成的离子键；闪锌矿结构的布里渊区与金刚石结构的布里渊区相同，但GaAs在<100>方向上具有双能谷的能带结构，存在可以制作微波二极管；GaAs对可见光具有良好的吸收，当波长小于850nm时，GaAs的光吸收系数比硅材料要高1个数量级；GaAs在高温下会离解，不易精确控制其化学计量比，并且难以获得无位错GaAs的单晶。用熔体法生长砷化镓的体单晶，需要注意什么？GaAs熔体在高温下会离解，并且As易挥发，使得精确控制GaAs的化学计量比存在一定困难，同时高的蒸气压给GaAs的晶体生长带来了困难和安全隐患，另外As还具有一定的毒性。和晶体硅不同，砷化镓晶体中的杂质和缺陷情况更加复杂，也更难控制，这是为什么？首先，在生长过程中Ga和As均易挥发，生长条件难以控制，晶体力学性能较差及热导率较低等问题导致难以获得无位错GaAs的单晶；其次，GaAs晶体有一部分离子键，而离子性强的晶体比共价键晶体更易于产生点缺陷，且机械强度比硅单晶低也易于产生位错；另外，不论是有意掺杂或者非掺杂的杂质在GaAs晶体中可能占据不同的晶格位置，又可能与缺陷相互作用形成各种复合体。GaN基半导体材料有哪些？禁带宽度分别是多少？是直接带隙半导体还是间接带隙半导体？Ⅲ族氮化物半导体材料包括GaN、AlN、InN及其三元（InGaN、AlGaN、InAlN）、四元（InAlGaN）化合物半导体材料，带隙在6.2～0.7eV之间连续可调，是直接带隙半导体。氮化镓半导体材料的制备方法有哪些？氮化镓半导体材料有哪些应用？氮化镓单晶制备方法有氨热法、氢化物气相外延、高压生长法，薄膜制备方法有金属有机化合物化学气相沉积法、分子束外延和氢化物气相外延法等方法。基于GaN材料的LED（发光二极管）作为固态光源，具有节能高效、寿命长、无污染、可控性强等特点，除发光器件应用外，GaN在光电探测器方面同样具有广阔应用前景。基于GaN基材料的紫外光电探测器与传统紫外探测器相比，具有灵敏度高、噪声低、能耗低、体积小、可直接实现可见光或日盲操作、能够在恶劣环境下工作等优势，其构成的紫外成像系统在民用和军用领域都有重要应用。在民用领域，紫外成像系统可被广泛应用于火焰检测、环境监测、医学成像、天文观测等领域；在军用领域，基于AlGaN的日盲紫外探测器可被应用于导弹尾焰监测，实现导弹预警，与紫外发射源结合可构建高保密通信系统。磷化铟和磷化镓半导体材料的制备方法有哪些？两种半导体主要制备方法是主要采用液封直拉法（LEC）和垂直容器法（VGF）。第12章题目和答案II-VI族化合物半导体材料有哪些特性？直接能隙：II-VI族化合物半导体通常具有较窄的能隙，使其在太阳能电池和激光器等光电子器件中具有优势；高吸收系数：这些材料对光具有很高的吸收系数，这使它们成为制造光探测器和光电二极管的理想选择；优异的光电特性：II-VI族化合物半导体材料具有优良的光电特性，包括良好的载流子迁移率和短的复合时间，这些特性使其在光电子器件中表现出色。可调节的能隙：由于II-VI族化合物半导体材料的能隙可以通过改变组分进行调节，因此可以实现从红外到紫外波段的范围，使其在光谱工程中具有灵活性。优异的热稳定性：这些材料通常具有良好的热稳定性，能够在高温环境下保持稳定的性能，这使其在高温电子器件中具有应用潜力。总之，II-VI族化合物半导体材料以其优异的光电特性、可调节的能隙和热稳定性，在光电子器件和光学器件中具有广泛的应用前景。II-VI族化合物半导体晶体的制备方法有哪些？。详见12.2.1。Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体薄膜材料的制备方法有哪些？金属有机化学气相沉积（MOCVD）法、分子束外延（MBE）法、液相外延（LPE）法及热壁外延（HWE）法等。详见12.2.2。什么是两性半导体材料？Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料为何很难实现两性掺杂？（1）改变掺杂剂或晶体生长方法使半导体材料表现出不同的导电类型，可形成N型或P型半导体。这种半导体材料称为两性半导体材料。（2）Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料中存在本征缺陷的自补偿现象、掺杂剂的非补偿溶解度低、两性杂质及某些杂质引入深能级等原因共同造成了Ⅱ-Ⅵ族化合物很难实现两性掺杂。CdTe是典型的Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料，它有哪些特点，是两性半导体材料吗？CdTe材料是具有较大带隙的直接禁带半导体材料，对红外线是透明的，但是对于波长小于700nm的光具有很高的吸收系数。CdTe的带隙位于太阳光谱的中间，是理想的光伏材料；CdTe的平均原子数大、带隙宽、输运性质好，适合作为核探测材料；CdTe既有高的电光系数，又有低的吸收系数，可实现高性能的电光调制器和光致折变器件；CdTe作为两性半导体，可实现二极管和场效应晶体管等电学器件。除此之外，CdTe基材料还可实现磁性（如CdMnTe）、红外探测（如CdHgTe）等功能。目前，CdTe的主要用途是作为太阳电池材料和红外光学窗口材料。CdTe薄膜材料的制备方法有哪些？CdTe薄膜材料的制备方法有很多种，如近空间升华（CSS）法、电化学沉积（ED）法、物理/化学气相输运（PVT/CVT）法、丝网印刷（SP）法、溅射（SD）法、MOCVD法等方法。对于大面积高效率的太阳电池用的CdTe薄膜，主要采用近空间升华法、电化学沉积法、物理气相输运法和丝网印刷法。CdTe半导体材料的制备方法有哪些？CdS半导体材料的制备方法包括布里奇曼法、化学气相输运（CVT）、物理气相输运（PVT）、气相外延（VPE）、热壁外延（HWE）、原子层外延（ALE）、金属有机化学气相沉积（MOCVD）及分子束外延（MBE）等方法。见表12.1。第13章题目和答案氧化锌常见的晶体结构有哪些？其中自然条件下热力学稳定相是哪一种？氧化锌常见的晶体结构是闪锌矿型结构，纤锌矿型结构（六方结构，氧原子层和锌原子层呈六方紧密排列）和立方岩盐结构（即NaCL型结构）。自然条件下，氧化锌热力学稳定相是六方纤锌矿结构。氧化锌的N型掺杂可以通过哪些掺杂元素实现？氧化锌的N型掺杂可以通过掺杂Al、Ga、Sn。氧化锌单晶P型掺杂难度大的主要原因是什么？未掺杂ZnO中存在着很高的背景电子浓度和P型ZnO中存在着大量的施主缺陷补偿。氧化镓的晶体结构中，热力学最稳定的是哪一种？它的主要制备方法有哪些？氧化镓的晶体结构中热力学最稳定相为β相，块状单晶制备方法主要有提拉法、浮区法、垂直布里奇曼法、导模法以及铸造法等方法，薄膜制备方法有金属有机化合物化学气相沉积、分子束外延、原子层沉积、卤化物气相外延法等。详见12.2.3。氧化镓存在哪些晶相？分别属于什么晶系？最稳定的晶相是哪一种？目前，氧化镓中已发现六种晶才相，包括一种稳态相β，四种亚稳相α、γ、δ、ε，及一个瞬态相κ，各相的晶格结构、空间群及晶格参数如上表所示。其中，单斜β-Ga2O3因其热稳定性高、易制备、在功率及日盲探测器件应用方面优势明显等性能特点，研究最为深入和广泛。刚玉结构α-Ga2O3易于在蓝宝石衬底上异质外延生长；γ和δ-Ga2O3分别具有缺陷尖晶石和立方类双晶石结构；六方ε-Ga2O3具有内部极化特性。氧化镓是否可以实现稳定的P型掺杂？并解释相应的原因。稳定的P型掺杂是目前氧化镓研究的热点与难点，氧化镓由于自身晶体结构的原因导致空穴的有效质量较大，空穴难以有效地进行迁移，另一方面氧化镓在生长过程中难以避免的杂质和缺陷为浅能级缺陷，极易形成补偿效应。氧化镓有多种晶体生长方式，请举出三种生长大尺寸氧化镓单晶的方法。提拉法是传统的半导体生长方法，也能成功应用于氧化镓单晶生长，在生长导电晶体时，高浓度载流子在近红外波段产生强烈吸收，而且β-Ga2O3晶体热导率低，热量难以通过晶体即时散出，导致固液界面反转，进而形成螺旋生长的现象。因此，提拉法更适合生长半绝缘β-Ga2O3晶体。与提拉法相比，导模法的技术特点体现在金属坩埚中模具的使用，模具带有狭窄的缝隙，由于毛细作用熔体将从坩埚转移到模具表面。考虑到β-Ga2O3晶体熔点较高，坩埚和模具均有铱金属材料制成，通常采用射频线圈感应加热。生长速度快是EFG法的另一个特点，但由于模具和与生长晶体之间存在刚性接触，所以晶体旋转不宜使用。晶体生长方向为[010]，该方向具有较高的对称性，且为晶体主轴方向。导模法生长β-Ga2O3晶体特点在速度快、成本低且能够生长特定形状的晶体。此外由于可以在模具上增加坩埚盖，避免了高温下氧化镓气体的挥发，有利于大面积单晶生长。但该方面也存在一定需要改进度地方，需要对生长条件严格控制，产生缺陷较多，而且由于使用了铱金属坩埚，长时间使用也会受到腐蚀。垂直布里奇曼法可以使用Pt-Rh坩埚替代Ir坩埚，能在一定程度上降低成本，但是其使用也存在着不少缺点。首先，生长周期较长，不能实时观察。还有，Pt-Rh合金坩埚熔点和β-Ga2O3较为接近，存在对于晶体污染的问题。还有就是所制备的β-Ga2O3晶体缺陷密度很高。未来，垂直布里奇曼法在生长β-Ga2O3晶体过程中仍需进行设备、坩埚、热场等方面工艺的改进提升。请举例适合生长氧化镓外延层的薄膜生长方法，并对比不同方法的生长速度及温度范围。金属有机化合物化学气相沉积（MOCVD）：MOCVD法通常以Ga(DMP)3、TEGa、TMGa等为镓源，氧气、臭氧或水为氧源，氩气或氮气等为载气，通过前驱体和氧源在衬底上反应制备氧化镓薄膜。MOCVD方法是工业化的首选生长技术，可实现薄膜的大面积沉积，膜厚高精度控制，同时通过控制气体流速可调控薄膜组分和掺杂浓度等，且生长设备具有可拓展性。但由于前驱体含C，导致薄膜也含C、H等杂质，但杂质浓度不高，可采用工艺手段缓解。卤化物气相外延（HVPE）：HVPE是一种可实现高速生长的技术。HVPE的生长通常以GaClx（由HCl与Ga反应制得）为镓源、氧气或水为氧源，前驱体在衬底上加热反应得到薄膜。HVPE的特点是可高速沉积，但制得的薄膜表面粗糙，缺陷密度高，不宜用作制备器件。表面粗糙的问题可通过抛光处理解决，但会损失一定厚度的材料。分子束外延（MBE）：MBE是一种适用于实验室制备超高质量氧化镓薄膜的技术，通常以氧等离子体或臭氧为氧源、高纯金属镓为镓源，在超高真空条件下实现氧化镓薄膜的沉积。该技术能实现原子层级的精确控制，但沉积速率极低，低浓度掺杂困难。HVPE生长温度约在1000℃，生长速度也最快，有报道能接近250μm/h；MOCVD生长温度在800℃左右，生长速度也低于HVPE，但是仍可作为大规模快速生长氧化镓薄膜的方式；MBE生长温度在500-800℃，生长速度慢，但是得到的氧化镓薄膜质量高，可以作为实验室研究用。氧化镓材料中通常存在哪些杂质元素？这些杂质会对什么性质产生影响？主要的杂质元素有在原料中存在的Si、Al和坩埚成分Ir，作为前施主能级使得非故意掺杂的氧化镓呈现n型导电的特征。氧化镓单晶中存在哪些缺陷？缺陷产生的原因可能有哪些？点缺陷：点缺陷可以分为本征点缺陷和非本征点缺陷。本征点缺陷像氧空位、镓空位，非本征点缺陷则以杂质缺陷为主，产生的原因则是原料引入的杂质和生长过程中坩埚腐蚀混入晶体形成杂质缺陷。线缺陷：位错是主要的线缺陷，分析其主要来源如下：长晶过程中籽晶缺陷的延伸；杂质原子的不均匀分布；由于温度梯度和机械振动等原因，导致相邻晶块间的位相差引起位错；熔体对流冲击及热应力；长晶后降温速度快引起空位聚集形成位错；加工过程中在应力作用下致使局部区域产生滑移形成位错。面缺陷：已报道的面缺陷主要是孪晶和层错，孪晶认为是晶体生长过程中热应力梯度不均匀所致，层错则是在机械加工过程中应力在表面集中而形成的。体缺陷：氧化镓的体缺陷主要是晶体中存在的空洞凹槽。主要成因如下：由于热场不对称、提拉速快等客观实验条件的影响导致固－液生长界面失稳，气泡在界面处形成并沿着晶界或其它类型缺陷聚集形成空洞；生长过程中氧分压较高，在高温生长过程中挥发分解形成大量的空位缺陷，并沿着某一晶面或者晶向有序堆叠形成空洞。第14章题目和答案碳化硅有多种晶型，为何4H-SiC成为制造功率器件的主要选择？从电学参数来看，4H-SiC的电子迁移率更高，具备更高的电流密度，且制造的器件具有更高的开关速度；从晶体生长来看，4H-SiC具有成熟的大尺寸单晶制备技术，3C-SiC并不稳定，在高温下易转变为六方多型。怎样分辨不同晶型的碳化硅？（1）直接观察法，该方法适用与掺杂型碳化硅，这些杂质引起碳化硅颜色的改变，不同的晶型具有不同的颜色，例如对于n型掺杂碳化硅而言，4H-SiC一般呈现棕色或琥珀色，6H-SiC一般呈现蓝绿色，而15R-SiC一般呈现黄色。（2）通过Raman测试分辨，这也是常用的方法，在碳化硅的Raman光谱中，最大强度的FTA模和FTO模其简约波矢x均等于该晶体的六方百分比n，不同晶型含有的六方百分比不同，如4H-SiC的六方百分比是50%。（3）不同的晶型具有不同的带隙，可采用PL，吸收光谱等方法测试带隙来进行分辨。（4）通过高分辨电镜查看原子的堆垛顺序。掺杂对碳化硅光学性质的影响是什么？掺杂会在碳化硅的带隙中引入各种杂质能级，引入的辐射复合中心可以在光或电等的激发下发出对应波长的光。另外，掺入的杂质可以吸收某些波长的可见光，从而引起碳化硅材料本