第一章 硅和锗的化学制备.
半导体材料课程教学大纲
半导体材料课程教学大纲一、课程说明（一）课程名称：半导体材料所属专业：微电子科学与工程课程性质：专业限选学分： 3（二）课程简介：本课程重点介绍第一代和第二代半导体材料硅、锗、砷化镓等的制备基本原理、制备工艺和材料特性，介绍第三代半导体材料氮化镓、碳化硅及其他半导体材料的性质及制备方法。
目标与任务：使学生掌握主要半导体材料的性质以及制备方法，了解半导体材料最新发展情况、为将来从事半导体材料科学、半导体器件制备等打下基础。
（三）先修课程要求：《固体物理学》、《半导体物理学》、《热力学统计物理》；本课程中介绍半导体材料性质方面需要《固体物理学》、《半导体物理学》中晶体结构、能带理论等章节作为基础。
同时介绍材料生长方面知识时需要《热力学统计物理》中关于自由能等方面的知识。
（四）教材：杨树人《半导体材料》主要参考书：褚君浩、张玉龙《半导体材料技术》陆大成《金属有机化合物气相外延基础及应用》二、课程内容与安排第一章半导体材料概述第一节半导体材料发展历程第二节半导体材料分类第三节半导体材料制备方法综述第二章硅和锗的制备第一节硅和锗的物理化学性质第二节高纯硅的制备第三节锗的富集与提纯第三章区熔提纯第一节分凝现象与分凝系数第二节区熔原理第三节锗的区熔提纯第四章晶体生长第一节晶体生长理论基础第二节熔体的晶体生长第三节硅、锗单晶生长第五章硅、锗晶体中的杂质和缺陷第一节硅、锗晶体中杂质的性质第二节硅、锗晶体的掺杂第三节硅、锗单晶的位错第四节硅单晶中的微缺陷第六章硅外延生长第一节硅的气相外延生长第二节硅外延生长的缺陷及电阻率控制第三节硅的异质外延第七章化合物半导体的外延生长第一节气相外延生长（VPE）第二节金属有机物化学气相外延生长（MOCVD）第三节分子束外延生长（MBE）第四节其他外延生长技术第八章化合物半导体材料（一）：第二代半导体材料第一节 GaAs、InP等III-V族化合物半导体材料的特性第二节 GaAs单晶的制备及应用第三节 GaAs单晶中杂质控制及掺杂第四节 InP、GaP等的制备及应用第九章化合物半导体材料（二）：第三代半导体材料第一节氮化物半导体材料特性及应用第二节氮化物半导体材料的外延生长第三节碳化硅材料的特性及应用第十章其他半导体材料第一节半导体金刚石的制备及应用第二节低维半导体材料及应用第三节有机半导体材料（一）教学方法与学时分配按照教材中的内容，通过板书和ppt进行讲解。
锗的制备方法
锗的制备方法锗是一种重要的半导体材料，广泛应用于电子、光电子和太阳能电池等领域。
本文介绍了几种常见的锗的制备方法，包括锗的提纯、单晶生长和薄膜制备等。
下面是本店铺为大家精心编写的3篇《锗的制备方法》，供大家借鉴与参考，希望对大家有所帮助。
《锗的制备方法》篇1一、锗的提纯锗的提纯主要有以下几种方法:1. 离子交换法：利用锗离子选择性强的阳离子交换树脂，将锗从含有锗的矿物中提取出来。
然后再通过电解法将锗离子还原成锗金属。
2. 气相法：将含有锗的矿物与氢气一起加热，使锗转化为挥发性锗氢化物。
然后将锗氢化物通过冷凝器冷却回收，再通过氢气还原法将锗氢化物还原成锗金属。
3. 湿法冶金法：将含有锗的矿物与硫酸、硝酸等强酸一起加热，使锗转化为水溶性的锗化合物。
然后通过离子交换、电解等方法将锗提取出来。
二、锗单晶生长锗单晶生长主要有以下几种方法:1. 直拉法 (Czochralski 法):将多晶锗加热融化，然后通过一个叫做“晶圆炉”的设备，将熔融的锗液体上升到一个细长的晶圆坩埚中。
在晶圆坩埚中，锗液体会慢慢凝固成晶体，然后慢慢被拉出成长为锗单晶。
2. 悬浮区熔法：将多晶锗加热融化，然后在一个高温高压下，将融化的锗通过一个叫做“悬浮区熔炉”的设备，使其在熔体中形成一个稳定的熔体区域。
在这个熔体区域内，锗原子可以自由移动，形成单晶。
三、锗薄膜制备锗薄膜制备主要有以下几种方法:1. 化学气相沉积法 (CVD 法):将锗前驱体气体引入一个反应室中，通过加热反应室和控制反应条件，使锗前驱体气体在基底表面发生化学反应，形成锗薄膜。
2. 溅射法：将锗靶材放置在真空腔中，通过加热靶材和控制真空腔中的气体压力，使锗靶材上的锗原子被溅射到基底表面，形成锗薄膜。
《锗的制备方法》篇2锗的制备方法主要有以下几种：1. 锗的矿物提取法：锗主要存在于硫化物矿物中，如闪锌矿、方铅矿、辉锑矿等。
将含有锗的矿物原料经过破碎、磨粉、选矿等工艺，得到含锗的精矿。
半导体材料1-2章硅、锗的化学制备 区熔提纯课后答案
第一章硅、锗的化学制备㈠比较三氯氢硅氢还原法和硅烷法制备高纯硅的优缺点?答：1.S i HCl3氢还原法:优点: 产量大、质量高、成本低，由于S i HCl3中有一个S i-H键，活泼易分解，沸点低，容易制备、提纯和还原。
缺点：B、P杂质较难去除（基硼、基磷量），这是影响硅电学性能的主要杂质。
2.硅烷法：优点: 杂质含量小；无设备腐蚀；不使用还原剂；便于生长外延层。
缺点: 制备过程的安全性要求高。
㈡制得的高纯多晶硅的纯度：残留的B、P含量表示（基硼、基磷量）。
㈢*精馏提纯：利用混合液中各组分的沸点不同来达到分离各组分的目的。
第二章、区熔提纯1.以二元相图为例说明什么是分凝现象？平衡分凝系数？有效分凝系数？答：如图是一个二元相图，在一个系统中，当系统的温度为T0时，系统中有固相和液相。
由图中可知，固相中杂志含量Cs<C L（液相中杂志成分）。
1、这种含有杂志的晶态物质熔化后再结晶时，杂志在结晶的固体和未结晶的液体中浓度不同的现象叫做*分凝现象。
2、在一定温度下，平衡状态时，杂质在固液两相中浓度的比值K0=C S/C L叫作平衡分凝系数。
3、为了描述界面处薄层中杂质浓度偏离对固相中的杂质浓度的影响，把固相杂质浓度C S与熔体内部的杂质浓度C L0的比值定义为*有效分凝系数。
K eff=C S/C L02.推导BPS公式，说明各个物理量的含义并讨论影响分凝系数的因素。
答：*BPS公式推导：书P21~P23式中：K0为平衡分凝系数；K eff为有效分凝系数；f为固液相面的的移动速度；δ为扩散层厚度；D为扩散系数。
影响分凝系数的因素：①当f 远大于D/δ时, fD/δ→+∞,exp(-fD/δ) →0,Keff→1,即固液中杂质浓度差不多.分凝效果不明显。
②当f 远小于D/δ时, fD/δ→0,exp(-fD/δ) →1,Keff→K0,分凝效果明显。
③扩散层厚度和扩散系数，D/δ越小，分凝结果越差。
第1章 硅和锗的化学制备
第一章硅和锗的化学制备第章和锗的化学制备§1-1 硅和锗的物理化学性质1、Si和Ge的物理性质Si、Ge——元素周期表中第Ⅳ族元素Si——银白色Ge——灰色二者熔体密度比固体密度大，故熔化后会体积收缩（锗收缩5.5%，而硅大约收缩10%）55%而硅大约收缩符硅锗性质号单位原子序数Z1432原子量W28.0872.60原子密度 5.22×1022 4.42×1022个/cm3晶体结构金刚石型金刚石型晶格常数a0.54310.5657nm密度d 2.329 5.323g/cm3熔点T1417937℃m沸点T b26002700℃热导率χ 1.570.60W/cm℃W/cm·比热C P0.69500.3140J/g· ℃线热胀系数α 2.33×10 5.75×10cm℃233-6575-6cm·-1性质符号硅锗单位熔化潜热Q 3956534750J/mol 冷凝时膨胀d v+9.0+5.5%介电常数ε11.716.3禁带宽度1153075（0K ）E g 1.1530.75eV (300 K) 1.1060.67eV 电子迁移率13503900/V μn cm 2/V·s 空穴迁移率μP 4801900cm 2/V·s 电子扩散系数D n 34.6100.0cm 2/s 空穴扩散系数D P 12.348.7cm 2/s 本征电阻率p i 2.3×10546.0Ω·cm 本征载流子密度n 1.5×1010 2.4×1013cm -34i 杨氏摸量E1.9×107N/cm 2从硅锗的主要物理性质可以看出：1、硅的禁带宽度比锗大，电阻率比锗大四个数量级，Si 可用做高压器件，且工作温度比锗器件高；器件高2、锗的迁移率比硅大，可做低压大电流和高频器件。
2、Si和Ge的化学性质室温下，硅、锗的化学性质比较稳定，但可与强酸、强碱作用。
锗提取工艺
锗是一种晶体硅锗合金材料，由硅、锗、磷等元素组成，具有半导体特性，被广泛应用于电子、光电和半导体领域。
锗提取工艺一般包括以下步骤：
1. 原料准备。
根据化学计量比例混合硅、锗、磷原料，然后将混合物进行破碎、筛分、洗涤等处理，得到粒度均匀的粉末。
2. 碳化炉反应。
将准备好的粉末装入碳化炉，并加入适量的氮气或氩气，使其在高温下进行反应，生成锗单质和碳化硅等产物。
3. 硼掺杂。
将生成的锗单质和碳化硅等材料进行混合，然后在一定条件下加入掺杂剂（如硼），进行掺杂处理。
4. 石墨坩埚熔炼。
将掺杂后的材料装入石墨坩埚中，在高温条件下进行熔炼处理，得到具有晶体结构的锗体。
5. 检测和加工。
对生成的锗体进行检测和测试，检查其性能是否符合要求，并进行裁切和打磨等加工，得到符合规格的锗体材料。
需要注意的是，锗体取工艺要求设备精度高，工艺流程严谨，操作技术熟练，且除尘排放等环保问题也需要得到重视。
半导体材料（复习资料）
半导体材料（复习资料）半导体材料复习资料0:绪论1.半导体的主要特征：（1）电阻率在10-3 ~ 109 ??cm 范围（2）电阻率的温度系数是负的（3）通常具有很高的热电势（4）具有整流效应（5）对光具有敏感性，能产生光伏效应或光电导效应2.半导体的历史：第一代：20世纪初元素半导体如硅（Si）锗（Ge）；第二代：20世纪50年代化合物半导体如砷化镓（GaAs）铟磷（InP）；第三代：20世纪90年代宽禁带化合物半导体氮化镓（GaN）碳化硅（SiC）氧化锌（ZnO）。
第一章：硅和锗的化学制备第一节：硅和锗的物理化学性质１.硅和锗的物理化学性质１）物理性质硅和锗分别具有银白色和灰色金属光泽，其晶体硬而脆。
二者熔体密度比固体密度大，故熔化后会发生体积收缩（锗收缩5.5%，而硅收缩大约为10%）。
硅的禁带宽度比锗大，电阻率也比锗大4个数量级，并且工作温度也比锗高，因此它可以制作高压器件。
但锗的迁移率比硅大，它可做低压大电流和高频器件。
2）化学性质（1）硅和锗在室温下可以与卤素、卤化氢作用生成相应的卤化物。
这些卤化物具有强烈的水解性，在空气中吸水而冒烟，并随着分子中Si(Ge)?H键的增多其稳定性减弱。
（2）高温下，化学活性大，与氧，水，卤族(第七族)，卤化氢，碳等很多物质起反应，生成相应的化合物。
注：与酸的反应（对多数酸来说硅比锗更稳定）；与碱的反应（硅比锗更容易与碱起反应）。
2.二氧化硅（SiO2）的物理化学性质物理性质：坚硬、脆性、难熔的无色固体，1600℃以上熔化为黏稠液体，冷却后呈玻璃态存在形式：晶体(石英、水晶)、无定形(硅石、石英砂) 。
化学性质：常温下，十分稳定，只与HF、强碱反应3.二氧化锗（GeO2）的物理化学性质物理性质：不溶于水的白色粉末，是以酸性为主的两性氧化物。
两种晶型：正方晶系金红石型，熔点1086℃；六方晶系石英型，熔点为1116℃化学性质：不跟水反应，可溶于浓盐酸生成四氯化锗，也可溶于强碱溶液，生成锗酸盐。
锗和硅的化学制备
锗和硅的化学制备
目
CONTENCT
录
• 引言 • 锗的化学制备 • 硅的化学制备 • 锗硅合金的制备 • 实验结果讨论 • 结论与展望
01
引言
目的和背景
01
锗和硅作为重要的半导体材料， 在电子工业中有广泛应用。
02
随着科技的不断发展，对锗和硅 的纯度、性能等要求不断提高， 因此需要研究其化学制备方法。
锗和硅的性质与应用
系统研究了锗和硅的物理化学性质，如晶体结构、电学性 能、光学性能等，并探讨了它们在电子、光电、半导体等 领域的应用前景。
对未来研究的建议
深入研究制备机理
探索新的制备方法
加强应用研究
尽管已经取得了一些成果，但 对于锗和硅的制备机理仍需深 入研究，以便更好地控制制备 过程，提高产品质量和产量。
将混合物在高温下进行反应，通常温 度需要达到1400℃以上。
产物表征与分析
化学成分分析
通过化学分析方法，如X射线荧光光谱分析、原子吸收光谱分析等， 确定产物的化学成分及含量。
物理性质测试
通过测试产物的密度、硬度、熔点等物理性质，判断产物的纯度和 质量。
结构表征
利用X射线衍射、电子显微镜等手段，对产物的晶体结构和微观形 貌进行表征，以了解产物的结构和性质。
还原剂
如氢气、碳等，用于将硫酸锗还原为金属锗。
制备方法与步骤
80%
矿石破碎与溶解
将锗矿石破碎成小块，与浓硫酸 混合并加热，使氧化锗溶解于硫 酸中。
100%
还原反应
向硫酸锗溶液中加入还原剂（如 氢气或碳），加热反应，使硫酸 锗还原为金属锗。
80%
产物分离与纯化
通过过滤、洗涤、干燥等步骤， 将金属锗从反应体系中分离出来 ，并进行进一步的纯化。
锗烷制备工艺流程
锗烷制备工艺流程锗烷的制备工艺流程主要包括三个步骤：锗原料的准备、锗烷气体的制备和纯化。
在这篇文章中，我将详细介绍锗烷的制备工艺流程。
一、锗原料的准备锗烷是由锗的化合物制备而来，通常使用锗粉或锗砂作为原料。
锗砂是一种含有高纯度锗的硅酸盐矿石，通常含有约75%的锗。
锗砂首先需要进行研磨和过筛处理，以获得均匀的颗粒大小。
接着，锗砂需要进行还原反应，将锗还原为气态锗：GeO2 + 2C → Ge + 2CO这个过程需要高温和还原剂碳的参与。
通过这个反应，可以得到粗炼的气体态锗，后续需要经过多次的净化铭。
二、锗烷气体的制备锗烷气体是通过锗的还原反应获得的。
最常用的方法是在高温下，将氢气通过锗的原料，如锗粉或锗砂，进行还原反应产生锗烷气体：Ge + 2H2 → GeH4这个反应需要在高温下进行，通常在800-1000摄氏度之间。
反应过程中，需要控制反应温度和压力，以保证反应的进行。
产生的锗烷气体需要进行冷却和净化处理，以获得高纯度的锗烷气体。
三、锗烷气体的纯化锗烷气体通常包含杂质，如其他气体和有机物。
为了获得高纯度的锗烷气体，需要进行纯化处理。
最常用的方法是通过冷却和凝结技术，将锗烷气体中的杂质分离出来。
冷凝后的锗烷液体可以通过蒸馏、凝固和再次冷凝处理，来继续提纯锗烷。
此外，还可以采用化学吸附剂和分子筛等技术，来去除锗烷气体中的有机物和其他杂质。
这些技术可以帮助提高锗烷气体的纯度和稳定性。
四、总结锗烷是一种重要的无机化合物，在半导体工业和光电器件制造中具有广泛的应用。
通过以上介绍的制备工艺流程，可以生产高纯度的锗烷气体，用于相关应用领域。
在生产过程中，需要严格控制各个步骤的参数，以确保锗烷气体的质量和稳定性。
希望本文对锗烷制备工艺有所帮助，谢谢阅读。
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• 从组成和状态分
无机半导体,有机半导体,元素半导体,化合物半导体
第一章 硅和锗的化学制备
1-1 硅和锗的物理化学性质
一
物理性质比较
性质
位置
Si
Ⅳ族
Ge
Ⅳ族
原子序数
颜色 介电常数ε 禁带宽度(室温) 本征电阻率（.cm） 电子迁移率(cm2/V.s) 空穴迁移率(cm2/V.s)
14
银白色金属光泽 11.7 1.1eV 2.3105 1350 480
1-2 高纯硅的制备
粗硅(工业硅)的生产
绪论
• 根据物质的导电性,物质可以分为哪几种? • 集成电路中主要研究的是哪种?原因是什么?
一 半导体的主要特征
⒈ 电阻率ρ : 10-3---109Ω .cm 导体＜10-3 Ω .cm 绝缘体＞109 Ω .cm 2.负温度系数 T升高,电阻率减小,导电能力增强 导体怎样? T升高,电阻率增大,导电能力减弱 3.具有高热电势 4.整流效应 5.光敏特性 6.掺杂可以提高导电能力
常温下 不与水反应 只与HF,强碱反应
化学性质:十分稳定
除去硅片 上的SiO2
SiO2+4HF=SiF4+2H2O SiO2+2NaOH=Na2SiO3+2H2O
四 硅烷 (SiH4) 锗烷(GeH4)
• 活性高,空气中能自燃,-190℃下可发生爆炸
硅烷的制备
硅(锗)镁合金+无机酸(卤铵盐) Mg2Si+4HCL→SiH4+2MgCL2 Mg2Si+4NH4CL→SiH4+4NH3+2MgCL2
• 52年，H.WELKER发现三、五族化合物具有半导体性质。这 类化合物电子迁移率高、禁带宽度大，能带结构是直接跃 迁，呈现负阻效应。但是当年，由于这些化合物中存在挥 发元素，制备困难。 • 多元半导体化合物制备技术的发展：
– 晶体生长方面，五十年代末，水平布里奇曼法、温度梯度法、磁耦 合提拉法生长GaAs、InP单晶。65年,J.B.MULLIN，氧化硼液封直拉 法，在压力室中制取GaAs单晶，为工业化生长三、五族化合物单晶 打下了基础。 – 薄膜制备技术方面：63年，H.NELSON，LPE方法生长GaAs外延层， 半导体激光器。其后，VPE生长三、五化合物，外延生长技术应用 到器件制作中去。
• • • • ••
Si+O2 = SiO2 Si+H2O=SiO2+H2 Si+2CL2=SiCL4 Si+3HCL=SiHCL3＋H2 Ge+2CL2=GeCL4 GeO2+4HCL=GeCL4+2H2O
熟悉吗？
可逆反应
三 二氧化硅的物理化学性质
物理性质
坚硬,脆性,难熔,无色固体 晶体(石英,水晶) 存在形式 无定形(硅石,石英砂)
半导体材料
杨树人 王宗昌 王兢 编著
课程成绩
• 40%：平时成绩（作业、出勤、课上表现、 笔记） • 60%：期末考试 • 考试内容以课本，上课ppt，作业为主
参考书目:
• 《半导体材料》王季陶 刘明登主编 高教出 版社 • 《半导体材料浅释》万群 化学工业出版社 • 《半导体材料》邓志杰 郑安生 化学工业出 版社
• 根据材料的重要性和开发成功的先后顺序,半导体 材料可以分为三代
第一代半导体材料----硅(Si)
• 作为第一代半导体材料,硅基半导体材料及 其集成电路的发展导致了微型计算机的出现 和整个计算机产业的飞跃. • 半导体中的大部分器件都是以硅为基础的
第二代半导体材料---砷化镓(GaAs)
• 硅基半导体材料虽然在微电子领域得到广泛应用,但 硅材料本身间接能带结构的特点限制了其在光电子 领域的应用。
• GaAs相比硅和锗,有很多优异特性, 如电子迁移率 高,禁带宽度大,直接跃迁型能带结构,负阻效应.
• 随着以光通信为基础的信息高速公路的崛起和社会 信息化的发展,第二代半导体材料崭露头角,砷化镓 和磷化铟(InP)半导体激光器成为光通信系统中的关 键元器件。
第三代半导体材料---氮化镓(GaN)
28
灰色 16.3 0.67eV 46 3900 1900
二
• 室温下
化学性质
稳定,与空气,水,硫酸(H2SO4),硝酸(HNO3) 不反应 但是,与氟,氢氟酸,强碱 反应
• 高温下
反应
活性大,与O2 ,水,卤族(第七族),卤化氢,碳….
– 与酸的反应(对多数酸来说硅比锗更稳定) – 与碱的反应（硅比锗更容易与碱起反应）
与O2反应: SiH4+2O2 →SiO2+2H2O 与水反应: SiH4+ 4H2O →Si(OH)4+2H2 与碱反应: SiH4+ 2Na(OH)+H2O →Na2SiO3+2H2O 与卤素反应: SiH4+4CL2 →SiCL4+4HCL 如何检测硅烷的存 不稳定性 : SiH4= Si ↓ + 2H2可用于制备 在? 高纯度的硅和锗 GeH4= Ge ↓ + 2H2 还原性: SiH4+2KMnO4 →2MnO2↓+K2SiO3+H2O+H2↑
• 第三代半导体材料的兴起,是以氮化镓材料P－型掺 杂的突破为起点,以高效率蓝绿光发光二极管和蓝 光半导体激光器的研制成功为标志的。 • 它将在光显示、光存储、光照明等领域有广阔的应 用前景。 • 在未来10年里,氮化镓材料将成为市场增幅最快的 半导体材料。
三 半导体材料的分类
• 从功能用途分
光电材料,热电材料,微波材料,敏感材料
二 半导体材料的发展
• 对于半导体材料的电现象的认识，自十 八世纪以来就有了，但是真正巨大的发 展却是半个世纪以来的事，两种重要力 量推动了这个进程：
– 应用的需求(应用范围,器件需求) – 制备技术和实验技术的提高(MBE,MOCVD等)
• 1950年，G.K.Teal、J.B.Little直拉法锗单晶 • 1952年，W.G.Pfann区熔提纯技术高纯锗、 G.K.Teal直拉法硅单晶，P.H.Keck悬浮区熔技 术，提高硅的纯度 • 1955年，SIMENS在硅芯发热体上用氢还原三氯 化硅法制得高纯硅。 • 1957年，工业化生产。 • 1958年，W.C.DASH无位错硅单晶，为工业化大 生产硅集成电路作好了准备。 • 六十年代初，外延生长锗、硅薄膜工艺，与硅 的其它显微加工技术相结合，形成了硅平面器 件工艺。