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第一章绪论——固体的晶格结构1第一章固体晶格结构§1.1半导体材料典型半导体及分类§1.2固体类型三种固体形态§1.3空间晶格晶体学基本概念和基本晶格结构§1.4原子价键离子、原子、金属及分子晶体§1.5固体中的缺陷与杂质缺陷类型和杂质类型§1.6半导体单晶材料的生长单晶材料及外延生长§1.7小结本章重点•什么是半导体？–半导体的核心特质是什么？•区别于普通导体和绝缘体材料的特殊性质•可工业应用的半导体材料需要具备的技术条件–硅材料特点第一章绪论——固体的晶格结构2第一章绪论——固体的晶格结构3§1.1半导体材料半导体(semiconductor)，顾名思义就是指导电性介于导体与绝缘体的物质第一章绪论——固体的晶格结构4半导体的基本定义Semiconductor，顾名思义就是指导电性介于导体与绝缘体的物质。电阻率：导体：10e-4Ω/cm；绝缘体：10e8Ω/cm•种类：固体；多晶；非晶；无机物；有机物；•特征：电导可调；整流效应；两种导电机制；•力敏；光敏；热敏；磁敏效应第一章绪论——固体的晶格结构5•重要半导体：硅、锗、GaAs、InP、GaN、SiC•分类：–元素半导体；化合物半导体（二元，三元，四元）；有机半导体；–窄禁带半导体；宽禁带半导体；•Si、GaAs、GaN、SiC–CMOS、MMIC、LED、LD第一章绪论——固体的晶格结构6•有机半导体LED第一章绪论——固体的晶格结构7可以卷起来的显示器有机柔性发光二极管第一章绪论——固体的晶格结构8§1.1半导体材料元素半导体与化合物半导体第一章绪论——固体的晶格结构9§1.1半导体材料构成半导体材料的主要元素及其在周期表中的位置以四族元素对称III-V族和II-VI化合物半导体氮化物？氧化物？I-VII第一章绪论——固体的晶格结构10§1.2固体类型普通的半导体材料都以固体形式存在固体依据原子排列形式的不同，可分为单晶、多晶和非晶材料（1）单晶：长程有序（2）多晶：长程无序，短程有序（3）非晶（无定形）：基本无序第一章绪论——固体的晶格结构11§1.2固体类型单晶：长程有序（整体有序，宏观尺度，通常包含整块晶体材料，一般在毫米量级以上）；多晶：长程无序，短程有序（团体有序，成百上千个原子的尺度，每个晶粒的尺寸通常是在微米的量级）；非晶（无定形）：基本无序（局部、个体有序，仅限于微观尺度，通常包含几个原子或分子的尺度，即纳米量级，一般只有十几埃至几十埃的范围）单晶有周期性非晶没有周期性多晶短区域内周期性第一章绪论——固体的晶格结构12§1.3空间晶格固体最终形成使系统的能量最小的结构保持电中性（静电能最小）使离子间的强烈排斥最小使原子尽可能的靠近满足键的方向性由于构成晶体的粒子的不同性质，使得其空间的周期性排列也不相同；为了研究晶体的结构，将构成晶体的粒子抽象为一个点，这样得到的空间点阵成为晶格第一章绪论——固体的晶格结构13§1.3空间晶格晶格的周期性晶格的周期性通常用原胞和基矢来描述。原胞：一个晶格最小的周期性单元•原胞的选取不是唯一的;•三维晶格的原胞通常是一个平行六面体第一章绪论——固体的晶格结构14§1.3空间晶格晶胞：是晶体中的一个小的单元，可以用来不断重复，从而得到整个晶体，通常能够反映出整块晶体所具有的对称性相同点用来描述晶体中晶格周期性的小的重复单元不同点：固体物理学：原胞只强调晶格的周期性，其最小重复单元为原胞结晶学：晶胞还要强调晶格中原子分布的的对称性。第一章绪论——固体的晶格结构15§1.3空间晶格立方晶系基本的晶体结构：常见的三个基本的立方结构及其晶格常数，分别是简单立方、体心立方和面心立方，立方体的边长即为晶格常数。（1）简单立方结构（SC）（2）体心立方结构（BCC）（3）面心立方结构（FCC）第一章绪论——固体的晶格结构16§1.3空间晶格简单立方结构SimpleCubic第一章绪论——固体的晶格结构17§1.3空间晶格体心立方结构Body-Centered-Cubic第一章绪论——固体的晶格结构18§1.3空间晶格面心立方结构Face-Centered-Cubic第一章绪论——固体的晶格结构19§1.3空间晶格基矢：晶胞的三个相互独立的边矢量。如：简立方晶格的立方单元就是最小的周期性单元，通常就选取它为原胞，晶格基矢沿三个立方边，长短相等：123aaiaajaak第一章绪论——固体的晶格结构20§1.3空间晶格晶向指数晶体的一个基本特点是具有方向性，沿晶体的不同方面晶体的性质不同。晶格的格点，可以看成分列在一系列相互平行的直线系上，这些直线系称为晶列。◆同一个格子可以形成方向不同的晶列◆每一个晶列定义了一个方向，该方向称为晶向◆晶向用晶向指数标记第一章绪论——固体的晶格结构21§1.3空间晶格◆晶向指数的确定：如果沿着某一晶向，从一个原子到最近的原子的位移矢量为：，则该晶向就用l1、l2、l3来标志，写成[l1l2l3]。标志晶向的这组数称为晶向指数。以简立方晶格为例112233lalala第一章绪论——固体的晶格结构22§1.3空间晶格立方边，面对角线，体对角线都不止一个，它们的晶向指数确定方法和以上一样，涉及到负值的指数，按惯例，负值的指数用头顶上加一横来表示：用l1l2l3表示时代表所有的等效晶向。第一章绪论——固体的晶格结构23§1.3空间晶格晶面：晶格的格点还可以看成分列在平行等距的平面系上，这样的平面称为晶面，第一章绪论——固体的晶格结构24§1.3空间晶格晶面指数具体讨论晶体时，常常要谈及某些具体晶面，因此需要有一定的办法标志不同的晶面，常用的是所谓密勒指数。密勒指数可以这样确定：在晶格中，选一格点为原点，并以3个基矢a1、a2、a3为坐标轴建立坐标系。该晶面族中任一晶面与3个坐标轴交点的位矢分别为ra1、sa2、ta3，则它们的倒数连比可化为互质的整数，即其中h、k、l为互质的整数，晶体学中以（hkl）来标志该晶面，称为密勒指数。111::::hklrst第一章绪论——固体的晶格结构25§1.3空间晶格简立方格子中的重要晶面侧面（100）、对角面（110）、顶对角面（111）第一章绪论——固体的晶格结构26§1.3空间晶格等效晶面立方晶体中的立方体共有6个不同的侧面，由于晶格的对称性，晶体在这些晶面的性质完全相同，统称这些等效晶面时，写成{100}；对角面共有12个，统称这些对角面时，写成{110}；顶对角面共有8个，统称这些顶对角面时，写成{111}；第一章绪论——固体的晶格结构27§1.3空间晶格图示为金刚石结构，锗、硅单晶材料均为金刚石结构，它是由两个面心立方结构套构形成。第一章绪论——固体的晶格结构28§1.4晶体中原子之间的价键原子或分子结合形成晶体，最终达到平衡时系统的能量必须达到最低。1.离子晶体：离子键（Ionicbonding），例如NaCl晶体等；2.共价晶体：共价键（Covalentbonding），例如Si、Ge以及GaAs晶体等；3.金属晶体：金属键（Metallicbonding），例如Li、Na、K、Be、Mg以及Fe、Cu、Au、Ag等；4.分子晶体：范德华键（VanderWaalsbonding），例如惰性元素氖、氩、氪、氙等在低温下则形成分子晶体，HF分子之间在低温下也通过范德华键形成分子晶体。原子价键知识可参考：第一章绪论——固体的晶格结构29硅材料中共价键形成示意图第一章绪论——固体的晶格结构30§1.5晶体中的缺陷与杂质理想单晶材料中不含任何缺陷与杂质，且晶体中的原子都处于晶格中的平衡位置，实际的晶体材料并非如此理想和完美无缺一、点缺陷分为空位，间隙原子及杂质空位与间隙原子由于晶格热振动，而且振动能量存在涨落总有一部分原子的热运动能量大到能克服其所在位置的热能，脱离格点的位置，使格点处出现空位，离开正常格点位置的原子可能落入晶格间隙之中，成为自间隙原子，形成弗仑克尔缺陷；或移动到晶体表面，形成肖特基缺陷；若表面原子进入晶体内部晶格，则形成单独的间隙原子。第一章绪论——固体的晶格结构31由于晶格热振动，而且振动能量存在涨落总有一部分原子的热运动能量大到能克服其所在位置的热能，脱离格点的位置，使格点处出现空位，离开正常格点位置的原子可能落入晶格间隙之中，成为自间隙原子，形成弗仑克尔缺陷；或移动到晶体表面，形成肖特基缺陷；若表面原子进入晶体内部晶格，则形成单独的间隙原子。第一章绪论——固体的晶格结构32反结构缺陷对于化合物半导体存在一种反结构缺陷，即应该是A原子的格点上为B原子所占据，应为B原子的格点为A原子所据。第一章绪论——固体的晶格结构33杂质晶体中与本体原子不同的元素的原子均称为杂质。◆来源：有可能是材料制备或器件制造工艺过程中的沾污，也有可能来源于人为的引入，用以控制其电学及其它特性。◆杂质在半导体中存在方式：间隙式和替位式。间隙式杂质：位于本体原子晶格间隙中，这类杂质原子半径较小，如H、Li第一章绪论——固体的晶格结构34替位式杂质：取代本体原子位置，处于晶格点上；这类杂质原子价电子壳层结构接近本体原子，如Ⅲ、Ⅴ族在Si、Ge(Ⅵ族)中的情况；Ⅱ、Ⅵ族在Ⅲ－Ⅴ化合物中。第一章绪论——固体的晶格结构35◆杂质原子激活：人为引入的杂质原子，只有处于替位式时，才能激活，起到改变和控制半导体材料导电性的作用。例如Ⅲ,Ⅴ族元素原子掺入Si、Ge中，多以替位式存在。第一章绪论——固体的晶格结构36晶体中引入杂质的方法称为掺杂（Doping），掺杂的方法可分为：（1）高温扩散掺杂（hightemperaturediffusion）（2）离子注入掺杂（Ionimplantation）；•半导体(semiconductor)，顾名思义就是指导电性介于导体与绝缘体的物质电阻率可在很宽的范围内可控调节的材料称之为半导体暗含假设：仅电特性变化，其他物、化特性几乎不变半导体的特殊性杂质•半导体的导电性之所以可以在很宽的范围内发生如此大的变化，是因为半导体中存在的“微”量杂质对半导体的导电特性存在着巨大的影响。•举例：–硅原子密度：5×1022/cm3–典型掺杂浓度：1015~1017/cm3。–杂质含量：0.000001，典型纯度99.9999%–本征硅晶体纯度99.999999999%–可见我们所谓的杂质半导体远比日常生活中接触到的采用材料纯度要高的多的多！可以看出，对杂质的精确控制，是半导体工业的基本要求半导体的特殊性与杂质第一章绪论——固体的晶格结构39§1.6半导体单晶材料的生长硅单晶材料可以说是目前纯度最高的一种材料，其纯度已达到百亿分之一。生长半导体单晶材料的方法主要有以下几种：1.熔体生长法：又称为切克劳斯基（Czochralski）生长方法，或CZ法。籽晶直拉法。进一步采用区熔再结晶方法提纯：第一章绪论——固体的晶格结构40籽晶直拉法示意图第一章绪论——固体的晶格结构41实际拉制出的12英寸硅单晶锭该硅单晶锭长1米，直径300毫米，重量达140千克第一章绪论——固体的晶格结构42将硅单晶锭切割成硅晶园片的切片机第一章绪论——固体的晶格结构43工作人员利用卡塞(Cassette）装载的300毫米硅晶园片第一章绪论——固体的晶格结构442.外延层生长法：外延生长方法按照材料的类型可分为以下两大类：（1）同质外延（homoepitaxy）；（2）异质外延（heteroepitaxy）；常用的外延方法有：（1）化学气相淀积法（CVD）：也称为气相外延法（VPE）SiCl4+2H2→Si+4HCl（2）液相外延法（LPE）：温度低于CZ法，常用于化合物半导体材料的外延。（3）分子束外延法（MBE）：高真空，400至800℃，可精确控制。第一章绪论——固体的晶格结构45气相外延法（VPE）示意图第一章绪论——固体的晶格结构46分子束外延（MBE）设备原