半导体材料概述

1第四章半导体材料2半导体材料的发展与器件紧密相关。可以说，电子工业的发展和半导体器件对材料的需求是促进半导体材料研究和开拓的强大动力；而材料质量的提高和新型半导体材料的出现，又优化了半导体器件性能，产生新的器件，两者相互影响，相互促进。320世纪70年代以来，电子技术以前所未有的速度突飞猛进，尤其是微电子技术的兴起，使人类从工业社会进人信息社会。微电子技术是电子器件与设备微型化的技术，一般是指半导体技术和集成电路技术。它集中反映出现代电子技术的发展特点，从而出现了大规模集成电路和超大规模集成电路。这样就促使对半导体材料提出了愈来愈高的要求，使半导体材料的主攻目标更明显地朝着高纯度、高均匀性、高完整性、大尺寸方向发展。4此外，利用多种化学气相沉积技术，可制造一系列薄膜晶体，其中分子束外延技术可以人为地改变晶体结构，异质结、超晶格、量子阱的出现，改变了人们设计电子器件的思想，半导体材料的发展，有着光明的前景。51）半导体材料的分类按功能和应用微电子半导体光电半导体热电半导体微波半导体气敏半导体∶∶4.1半导体材料的晶体结构与分类6按组成无机半导体有机半导体按结构晶体非晶、无定形半导体多晶半导体单晶半导体元素半导体化合物半导体7晶体是由原子或分子在空间按一定规律周期性地重复排列构成的固体物质，具有规则几何外形。晶体之所以具有规则的几何外形，是因其内部的质点作规则的排列，实际上是晶体中最基本的结构单元重复出现的结果。3）半导体的晶体结构8半导体的晶体结构结构类型半导体材料极性差别金刚石型Si，金刚石，Ge闪锌矿型GaAs，ZnO，GaN，SiC小（共价键占优势）纤锌矿型InN，GaN，ZnO，SiC大NaCl型PbS，CdO9硒结晶炭灰锡锗硅4.2元素半导体10周期表中半导体相关元素周期ⅡⅢⅣⅤⅥ2硼B碳C氮N3铝Al硅Si磷P硫S4锌Zn镓Ga锗Ge砷As硒Se5镉Cd铟In锑Te111、硒实际应用的最早半导体材料禁带较宽，大于1.7ev分晶体和非晶体，晶体硒有两种同素异形体（红硒、灰硒）主要用来制作光电池、摄像靶、整流器；硒整流器具有耐高温、特性稳定、过载能力强等优点122、结晶炭1）金刚石金刚石薄膜具有禁带很宽、高热导率、高临界击穿电场、高电子饱和速度、低介电常数，适合制造高性能电力电子器件和高温电子学器件电阻率很高，但掺杂可使电阻率降低高热导率，可作切割工具燃料对光的折射率高，吸收系数低，在光电子学领域存在潜在的应用价值金刚石132）C60C60分子由五原环和六元环构成的炭笼分子结构常温常压下发生向金刚石转变的结构变相，为金刚石的人工合成提供了潜在的新途径金刚石薄膜CVD淀积前在衬底上涂一层C60对成核起明显促进作用炭笼分子结构143）碳纳米管（CNT）碳纳米管是一种长约不到数微米、直径数纳米到数十纳米的中间空闭合管状物。螺旋矢量参数（n,m）,只有n-m=3k(k为非零整数)的碳纳米管为半导体，其余为导体替代硅进一步缩小高集成电路尺寸，提高电路运算速度有了希望双壁碳纳米管纳机电系统用153、锗1871年，俄国科学家门捷列夫寓言，元素周期表Si和Sn之间存在着一个“类硅”的元素。1886年，德国科学家温克莱尔首先从银硫锗矿中分离出Ge，并将其命名为Ge（Germanium）以纪念他的祖国。Ge是半导体研究的早期样板材料，在20世纪50年代，Ge是主要的半导体电子材料16锗的分布锗在地壳中含量约为百万分之一，分布极为分散，常归于稀有元素；1.在煤和烟灰中；2.与金属硫化物共生；3.锗矿石锗17锗的应用属金刚石结构由于Ge的禁带较窄，器件稳定工作温度远不如硅器件高，加之资源有限，目前，Ge电子器件不到总量的10%，主要转向红外光学等方面。18硅的分布氧化硅化学性质晶体结构能带结构电学性质硅中的杂质硅的优点硅的用途4、硅19硅石(硅的氧化物)、水晶早为古代人所认识，古埃及就已经用石英砂为原料制造玻璃。由于硅石化学性质稳定，除了氢氟酸外，什么酸也不能侵蚀它、溶解它，因此长期以来人们把它看成是不能再分的简单物质。大约在18世纪70年代，化学家们用萤石与硫酸作用发现氢氟酸以后，便打开了人们认识硅石复杂组成的大门。20尤其在电池发明以后，化学家们利用电池获得了活泼的金属钾、钠，初步找到了把硅从它的化合物中分离出来的途径。1823年，瑞典化学家贝采里乌斯(BerzeliusJ.J.)用金属钾还原四氟化硅或用金属钾与氟硅酸钾共热，首次制得较纯的粉状单质硅。1854年，法国人德维尔（S.C.Deville）用混合物氯化物熔盐电解法制得晶体硅。21地壳中各元素的含量22硅在自然界分布极广，地壳中约含26.3％，在自然界中是没有游离态的硅主要以二氧化硅和硅酸盐的形式存在。硅的分布23硅的化学性质原子序数14，相对原子质量28.09，有无定形和晶体两种同素异形体，属于元素周期表上IVA族的类金属元素。14Si32Ge24晶体硅晶体硅为钢灰色，密度2.4g／cm3，熔点1420℃，沸点2355℃，晶体硅属于原子晶体，硬而有光泽，有半导体性质。硅25化学性质稳定常温下，只与强碱、氟化氢、氟气反应高温下，较活泼①Si+2F2=SiF4②Si+4HF=SiF4↑+2H2↑③Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2↑Si+O2SiO2△26氧化硅水晶玛瑙石英坩埚光导纤维27表面易纯化，形成本征二氧化硅层二氧化硅层在半导体器件中起着重要作用：1.对杂质扩散起掩蔽作用；2.对器件的表面保护和钝化作用3.用于器件的绝缘隔离层4.用作MOS器件的绝缘栅材料等28硅的晶体结构109º28´29[SiO2]四面体氧原子30硅的能带结构间接带隙结构31电学性质本征载流子浓度1.本征半导体在一定温度下，就会在热激发下产生自由电子和空穴对，从而形成本征载流子浓度。2.温度一定，本征半导体中载流子的浓度是一定的，并且自由电子与空穴的浓度相等。3.当温度升高时，热运动加剧，挣脱共价键束缚的自由电子增多，空穴也随之增多（即载流子的浓度升高），导电性能增强；当温度降低，则载流子的浓度降低，导电性能变差。32轻掺杂掺杂浓度为1017cm-3中度掺杂掺杂浓度为1017～1019cm-3重掺杂掺杂浓度大于1019cm-3杂质离子100%电离载流子浓度低于掺杂浓度33硅中的杂质1.n型掺杂剂：P，As，Sb2.p型掺杂剂：B3.轻元素杂质：O，C，N，H4.过渡族金属杂质：Fe，Cu，Ni34硅材料的优点资源丰富、易于提高到极纯的纯度较易生长出大直径无位错单晶易于对进行可控n型和p型掺杂易于通过沉积工艺制备出单晶硅、多晶硅和非晶硅薄膜材料35易于进行腐蚀加工带隙大小适中硅有相当好的力学性能硅本身是一种稳定的绿色材料36可利用多种金属和掺杂条件在硅上制备低阻欧姆接触容易截断或者解理硅晶体硅表面上很容易制备高质量的介电层－－SiO237多晶硅的优点多晶硅具有接近单晶硅材料的载流子迁移率和象非晶硅那样进行大面积低成本制备的优点重掺杂的多晶硅薄膜作为电容器的极板、浮栅、电极等轻掺杂的多晶硅薄膜常用于MOS存储器的负载电阻和其他电阻器38多晶硅薄膜由于具有比非晶硅TFT(薄膜场效应晶体管)更高的载流子迁移率、更快的开关速度、更高的电流驱动能力、可与CMOS工艺兼容等特点39非晶硅的优点非晶硅薄膜是器件和电路加工所用表面钝化膜材料之一对活性半导体表面进行钝化对提高器件性能、增强器件和电路的稳定性、可靠性；提高其封装成品率等有重要作用40硅的用途高纯的单晶硅是重要的半导体材料；金属陶瓷、宇宙航行的重要材料；光导纤维通信，最新的现代通信手段；性能优异的硅有机化合物等411）重要的半导体材料硅可用来制造集成电路、晶体管等半导体器件太阳能电池422）高温材料金属陶瓷的重要材料：将陶瓷和金属混合烧结，制成金属陶瓷复合材料，它耐高温，富韧性，可以切割，既继承了金属和陶瓷的各自的优点，又弥补了两者的先天缺陷。宇宙航行的重要材料耐高温隔热层，航天飞机能抵挡住高速穿行稠密大气时磨擦产生的高温，全靠它那三万一千块硅瓦拼砌成的外壳。433）光导纤维通信用纯二氧化硅拉制出高透明度的玻璃纤维，激光在玻璃纤维的通路里，无数次的全反射向前传输，代替了笨重的电缆。光纤通信容量高，一根头发丝那么细的玻璃纤维，可以同时传输256路电话，它还不受电、磁干扰，不怕窃听，具有高度的保密性。444.3化合物半导体所有完全由IV元素组成的元素半导体和化合物半导体的能带结构均为间接跃迁型；晶体结构为闪锌矿结构的III－V族化合物以GaAs为界，平均原子序数比GaAs小的是间接跃迁型，其余均为直接跃迁型；II－VI族化合物全为直接跃迁型。45III－V族化合物半导体材料II－VI族化合物半导体材料IV－VI族化合物半导体材料IV－IV族化合物半导体材料其它化合物半导体材料46常见的III-V化合物半导体化合物晶体结构带隙跃迁性质GaAs闪锌矿1.42直接GaP闪锌矿2.27间接GaN纤锌矿3.4间接InAs闪锌矿0.35直接InP闪锌矿1.35直接InN纤锌矿2.05AlN纤锌矿6.2447一、GaAS能带结构物理性质化学性质电学性质光学性质48GaAs能带结构直接带隙结构双能谷：强电场下电子从高迁移率能谷向低迁移率能谷转移，引起电子漂移速度随电场的升高而下降的负微分迁移率效应存在子能谷；子能谷与主能谷能量差小于禁带宽度而大于Kt；电子在子能谷的有效质量大于在主能谷的有效质量。带隙为1.42eV49GaAs物理性质GaAs晶体呈暗灰色，有金属光泽分子量为144.64原子密度4.42×1022/cm350GaAs化学性质GaAs室温下不溶于盐酸，可与浓硝酸反应，易溶于王水室温下，GaAs在水蒸气和氧气中稳定加热到6000C开始氧化，加热到8000C以上开始离解51GaAs电学性质电子迁移率高达8000GaAs中电子有效质量为自由电子的1/15，是硅电子的1/3用GaAs制备的晶体管开关速度比硅的快3~4倍高频器件，军事上应用SVcm252GaAs光学性质直接带隙结构发光效率比其它半导体材料要高得多，可以制备发光二极管，光电器件和半导体激光器等53GaAs的应用GaAs在无线通讯方面具有众多优势GaAs是功率放大器的主流技术541）GaAs在无线通讯方面砷化镓晶片与硅晶片主要差别，在于它是一种“高频”传输使用的晶片，由于其频率高，传输距离远，传输品质好，可携带信息量大，传输速度快，耗电量低，适合传输影音内容，符合现代远程通讯要求。一般讯息在传输时，因为距离增加而使所能接收到的讯号越来越弱，产生“声音不清楚”甚至“收不到信号”的情形，这就是功率损耗。砷化镓晶片的最大优点，在于传输时的功率损耗比硅晶片小很多，成功克服讯号传送不佳的障碍。砷化镓具有抗辐射性，不易产生信号错误，特别适用于避免卫星通讯时暴露在太空中所产生的辐射问题。55砷化镓与硅元件特性比较砷化镓硅最大频率范围2～300GHz1GHz最大操作温度200oC120oC电子迁移速率高低抗辐射性高低具光能是否高频下使用杂讯少杂讯多，不易克服功率耗损小高元件大小小大材料成本高低产品良率低高562）GaAs是功率放大器的主流技术砷化镓具备许多优异特性，但材料成本及良品率方面比不上硅，因基频部分以处理数字信号为主，内部组件多为主动组件、线路分布密集，故以细微化和高集成度纯硅CMOS制程为主。手机中重要关键零部件功率放大器（PowerAmplifier，PA），由于对放大功率的严格要求，因此使用GaAs制造将是最佳方式。GaAs在无线通讯射频前端应用具有高工作频率、低噪声、工作温度使用范围高以及能源利用率高等优点，因此在未来几年内仍是高速模拟电路，特别是功率放大器的主流制程技术。57手机是促进GaAsIC市场增长的主要动力根据StrategyA