半-Ch9 半导体中的杂质和缺陷

§9-3.
1. 点缺陷
缺陷和位错能级
点缺陷是热缺陷（由温度决定）。 弗伦克耳缺陷——成对出现的间隙原子和空位； 肖特基缺陷——只形成空位而没有间隙原子； 对于化合物半导体，可以利用成分偏离正常的化学比来控制材料的导电类型； 化合物半导体中还存在另一种点缺陷：替位原子。 点缺陷（热缺陷）特点 -5Revised time: 2012-05-08 制作人：微电子学系 王少昊
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2011-2012 学年下学期
P 型半导体： III 族元素在硅、锗中电离时能够接受电子而产生导电空穴并形 成负电中心，称此类杂质为受主杂质或 p 型杂质。依靠价带空穴导电的半导体。 4. 浅能级杂质 电离能小的杂质称为浅能级杂质。所谓浅能级，是指施主能级靠近导带底， 受主能级靠近价带顶。室温下，掺杂浓度不很高的情况下，浅能级杂质几乎可以全 部电离。 五价元素磷（P）、锑在硅、锗中是浅施主杂质 三价元素硼（B）、铝、镓、铟在硅、锗中为浅受主杂质。 浅能级杂质特性 浅能级杂质电离能比禁带宽度小得多，杂质种类对半导体的导电性影响很大。 在 N 型半导体中，电子浓度大于空穴浓度，电子称为多数载流子，空穴称 为少数载流子。 在 P 型半导体中，空穴浓度大于电子浓度，空穴称为多数载流子，电子称 为少数载流子。 5. 浅能级杂质电离能简单计算 类氢模型： 氢原子中电子能量为 En 当 n = 1 和无穷时，有 E1
§9-2.
Ⅲ-Ⅴ族化合物中的杂质能级
组成的二元化合物称为Ⅲ-Ⅴ族化合物——化学比为 1：1 Ⅲ族元素 B、Al、Ga、In、Te； Ⅴ族元素 N、P、As、Sb、Bi； 组成的九种Ⅲ-Ⅴ族化合物晶体均为闪锌矿结构。 施主杂质 Ⅵ族元素(Se、S、Te) 在 GaAs 中通常都替代Ⅴ族元素 As 原子的晶格位置。 Ⅵ族杂质在 GaAs 中一般起施主作用，为浅施主杂质。 受主杂质 Ⅱ族元素（Zn、Be、Mg、Cd、Hg）在 GaAs 中通常都取代Ⅲ族元素 Ga 原 子的晶格位置。 Ⅱ族元素杂质在 GaAs 中通常起受主作用，均为浅受主杂质。 两性杂质 -4Revised time: 2012-05-08 制作人：微电子学系 王少昊
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热缺陷的数目随温度升高而增加 热缺陷中以肖特基缺陷为主（即原子空位为主）。原因：三种点缺陷中形成 肖特基缺陷需要的能量最小。 淬火后可以“冻结”高温下形成的缺陷。 退火后可以消除大部分缺陷。半导体器件生产工艺中，经高温加工（如扩散） 后的晶片一般都需要进行退火处理。离子注入形成的缺陷也用退火来消除。 点缺陷对半导体性质的影响 缺陷处晶格畸变，周期性势场被破坏，致使在禁带中产生能级。 热缺陷能级大多为深能级，在半导体中起复合中心作用，使非平衡载流子浓 度和寿命降低。 空位缺陷有利于杂质扩散 对载流子有散射作用，使载流子迁移率和寿命降低。 2. 硅、锗晶体中的点缺陷 空位易于间隙原子出现，因为空位周围有四个不成对电子，成为不饱和的共 价键，所以空位表现出受主作用； 每个间隙原子有四个可以失去的电子，所以表现出施主作用。 3. III-V 族化合物中的点缺陷 化合物成分偏离正常的化学比所引起的点缺陷。当 T ＞ 0 K 时： 空位: VGa、VAs 间隙原子: GaI、AsI 反结构缺陷(替位原子)——Ga 原子占据 As 空位，或 As 原子占据 Ga 空位， 记为 GaAs 和 AsGa。 化合物晶体中的各类点缺陷可以电离，释放出电子或空穴，从而影响材料的 电学性质。 AsGa：当 Ga 的位置被 As 取代后，多出一个电子，相当于施主； GaAs：当 As 的位置被 Ga 取代后，少一个电子，相当于受主； 4. 离子晶体中的点缺陷 Ⅱ-Ⅵ 族化合物半导体中主要是离子键起作用，正负离子相间排列组成了非常 稳定的结构，所以外界杂质对它们性能的影响不显著。 其导电类型主要是由它们自身结构的缺陷（间隙原子或空格点）所决定，这 类缺陷在半导体中常起施主或受主作用。 .a. 负离子空位：产生正电中心，起施主作用——电负性小； -6Revised time: 2012-05-08 制作人：微电子学系 王少昊
2 4 0
2 2
m0 q 4
2 2
n2
，其中 n = 1,2,3……，为主量子数，
2 4 0
m0 q 4
,
E 0 。则氢原子基态电子的电离能为 m0 q 4 13.6eV 。
E0 E E1
2 4 0
2
2
考虑到：1)、正、负电荷处于介电常数 ε = ε0εr 的介质中；2)、电子不在空间 运动，而是处于晶格周期性势场中运动，所以用到有效质量。则 施主杂质电离能为 ED 受主杂质电离能为 EA
2 4 0 r
4 m* pq
* 4 mn q
2
2

* mn E0 。 m0 r2
2 4 0 r
2
2
m* E0 p 2 。 m0 r
6. 杂质的补偿作用
-3Revised time: 2012-05-08 制作人：微电子学系 王少昊
ห้องสมุดไป่ตู้
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Ⅳ族元素杂质（Si、Ge、Sn、Pb）在 GaAs 中的作用比较复杂，可以取代Ⅲ 族的 Ga（成为施主杂质），也可以取代Ⅴ族的 As（成为受主杂质），甚至 可以同时取代两者。 硅、锗、锡在 GaAs 中主要起浅施主杂质作用，用以制备 N 型 GaAs。 中性杂质 Ⅲ 族元素（B、Al、In）和Ⅴ族元素（P、Sb）在 GaAs 中通常分别替代 Ga 和 As，由于杂质在晶格位置上并不改变原有的价电子数，因此既不给出电 子也不俘获电子而呈电中性，对 GaAs 的电学性质没有明显影响。 1. 等电子陷阱 等电子杂质特征：与本征元素同族但不同原子序数。例如：GaP 中掺如 V 族 的 N 或 Bi： 以替位形式存在于晶体中，基本上是电中性的。 等电子杂质（如 N）占据本征原子位置（如 GaAsP 中的 P 位置）后，即 存在着由核心力引起的短程作用力，它们可以吸引一个导带电子（空穴）而 变成负（正）离子，前者就是电子陷阱，后者就是空穴陷阱。 等电子络合物也能形成等电子陷阱，例如： GaP： ZnGa OP 在 GaP 中，若 Zn 取代 Ga，O 取代 P 后，Zn、O 处于相邻格点形成络合物。 由于 Zn>Ga 阳性（正电性）强，O>P 负电性（阴性）强，因此，Zn-O 结合 比 Zn-P、Ga-O 结合都强，所以 Zn-O 仍能俘获电子，俘获后电离能为 0.3eV， 引入施主能级。 2. 束缚激子 即等电子陷阱俘获一种符号的载流子后，又因带电中心的库仑作用又俘获另 一种带电符号的载流子，这就是束缚激子。
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第九章
一、 教学基本要求
半导体中的杂质和缺陷
相关性：在第八章提出的半导体电子能带结构的基础上，本章提出半导体中 的杂质和缺陷的概念。从中引出有效增加半导体载流子的方法，为第十章中介绍的 半导体中的载流子统计分布的基础。同时也指出杂质和缺陷对半导体器件的不利影 响。 基本要求：硅、锗晶体中的杂质能级，Ⅲ-Ⅴ族化合物中的杂质能级，缺陷和 位错能级。 内容重点：半导体中的杂质和缺陷能级对半导体特性的影响。 学习难点：半导体中的杂质和缺陷能级对半导体特性的影响。 预习知识：固体物理、大学物理、半导体中的电子状态。 工程应用：半导体器件生产工艺中，淬火后可以“冻结”高温下形成的缺陷。 退火后可以消除大部分缺陷。经高温加工（如扩散）后的晶片一般都需要进行退火 处理。离子注入形成的缺陷也用退火来消除。 实验：无。
二、 授课安排
学时安排： 编号 1 2 教学内容 硅、锗晶体中的杂质能级；Ⅲ-Ⅴ族化合物中的杂质 能级； 缺陷和位错能级。 总学时：3 学时 2 1
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当半导体中同时存在施主和受主杂质时，令 ND 表示施主能级， NA 表示受主 能级，n 代表导带中电子浓度，p 代表价带中的空穴浓度。 当 ND >> NA 时，n = ND − NA ≈ ND，半导体是 n 型的 当 ND << NA 时，p = NA − ND ≈ NA，半导体是 p 型的 当 ND ≈ NA 时，杂质的高度补偿 有效杂质浓度——补偿后半导体中的净杂质浓度。 当 ND > NA 时， ND − NA 为有效施主浓度 当 ND < NA 时， NA − ND 为有效受主浓度 杂质的补偿作用的应用 利用杂质的补偿作用，根据扩散或离子注入的方法来改变半导体某一区域的 导电类型，制成各种器件。 例如在一块 n 型半导体基片的一侧掺入较高浓度的受主杂质，由于杂质的补 偿作用，该区就成为ｐ型半导体。 7. 深能级杂质 非 III、V 族元素在硅、锗的禁带中产生的施主能级距离导带底和价带顶较远， 形成深能级，称为深能级杂质。 深能级杂质特点 不容易电离，对载流子浓度影响不大 深能级杂质能够产生多次电离，每次电离均对应一个能级。 能起到复合中心作用，使少数载流子寿命降低
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b.正离子填隙：产生正电中心，起施主作用； c.正离子空位：产生负电中心，起受主作用——电负性大； d.负离子填隙：产生正电中心，起受主作用。 离子性强的化合物半导体（M,X），正离子空位是受主，负离子空位是施主， 金属原子为间隙原子时为施主，非金属原子为间隙原子时为受主 5. 替位原子造成的反结构缺陷 特征：出现在化合物半导体中； 化合物半导体：A、B 两种原子组成的半导体。 6. 位错 位错是半导体中的一种缺陷，它对半导体材料和器件的性能会产生严重的影 响。 例子：锗中的 60° 棱位错——图 2-18(a) 位错线在（111 ）面内 10 1 方向，滑移方向是 1 10 ，位错线和滑移方向之 间的夹角是 60° 。图 2-18(b)为其中一个位错截面。 在棱位错周围，晶格发生畸变，在体积形变时，导带底 Ec 和价带顶 Ec 的改变 可以分别表示为 V V Ec Ec Ec 0 c , Ev Ev Ev 0 v V0 V0 其中 εc 和 ε c 称为形变势常数，而 Ec0 和 Ev0 分别为完整半导体内导带底和价带 顶位置，所以禁带宽度变化为 V Eg ( c v ) V0 棱位错对半导体性能的影响 位错线上的悬挂键可以接受电子变为负电中心，表现为受主；悬挂键上的一 个电子也可以被释放出来而变为正电中心，此时表现为施主，即不饱和的悬 挂键具有双性行为，可以起受主作用，也可以起施主作用。 位错线处晶格变形，导致能带变形； 位错线影响杂质分布均匀性； 位错线若接受电子变成负电中心，对载流子有散射作用。（第四章） 影响少子寿命，原因：一是能带变形，禁带宽度减小，有利于非平衡载流子 复合；二是在禁带中产生深能级，促进载流子复合。（第五章）