吉林大学-半导体材料-课件-第五章5.4-5.5
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半导体材料课件相图
3. 相平衡：在相变过程中，当宏观物质的迁移停止 时，称为相平衡，系统中各个相经过很长时间也不 互相转变，处于平衡状态。
4. 相图：一个多组分（或单组分）多相体系的平衡状 态随温度、压力、组分浓度等变化而改变的规律绘 制成的状态图。
对于多相体系，各相间的相互转化，新相的形成， 旧相的消失与温度，压力，组成有关。从相图上， 可以直观看出多相体系中各种聚集状态和它们所处 的条件（温度，压力，组成）。
Pmin = 1, Fmax = 2
温度、压力
Fmin = 0, Pmax = 3
不可能出现4相或 更多相平衡
吉林大学电子科学与工程学院 半导体材料
单元系统相图
水的相图中的相律
冰的熔融曲线
3个单相区
F=0，无变量
O点：三相点
水的饱和蒸汽压曲线
系统中冰、水、 汽三相平衡
（蒸发曲线）
冰的饱和蒸汽压曲 2个自由度：温度、压力线（升华曲线）
吉林大学电子科学与工程学院 半导体材料
二元系相图的建立
¾ 建立相图的方法有实验测定和理论计算两种 。 ¾ 建立过程：配制－测冷却曲线－确定转变温度－
填入坐标－绘出曲线。
用热分解法建立Cu-Ni相图(a)冷却曲线 (b)相图 吉林大学电子科学与工程学院 半导体材料
重要含义
液相线：组成不同的熔体 开始析出晶体时的温度连 线，其上方为液相区 固相线：组成不同的熔体 结晶终了时的温度连线， 其下方为固相区 液相线与固相线之间：固、 液共存
温度
1
α
2
③亚共晶合金（合金III） 位于E点以左 C点以右
时间
亚共晶合金的冷却曲线及 结晶过程示意图
吉林大学电子科学与工程学院 半导体材料
4. 相图：一个多组分（或单组分）多相体系的平衡状 态随温度、压力、组分浓度等变化而改变的规律绘 制成的状态图。
对于多相体系，各相间的相互转化，新相的形成， 旧相的消失与温度，压力，组成有关。从相图上， 可以直观看出多相体系中各种聚集状态和它们所处 的条件（温度，压力，组成）。
Pmin = 1, Fmax = 2
温度、压力
Fmin = 0, Pmax = 3
不可能出现4相或 更多相平衡
吉林大学电子科学与工程学院 半导体材料
单元系统相图
水的相图中的相律
冰的熔融曲线
3个单相区
F=0，无变量
O点：三相点
水的饱和蒸汽压曲线
系统中冰、水、 汽三相平衡
（蒸发曲线）
冰的饱和蒸汽压曲 2个自由度：温度、压力线（升华曲线）
吉林大学电子科学与工程学院 半导体材料
二元系相图的建立
¾ 建立相图的方法有实验测定和理论计算两种 。 ¾ 建立过程：配制－测冷却曲线－确定转变温度－
填入坐标－绘出曲线。
用热分解法建立Cu-Ni相图(a)冷却曲线 (b)相图 吉林大学电子科学与工程学院 半导体材料
重要含义
液相线：组成不同的熔体 开始析出晶体时的温度连 线，其上方为液相区 固相线：组成不同的熔体 结晶终了时的温度连线， 其下方为固相区 液相线与固相线之间：固、 液共存
温度
1
α
2
③亚共晶合金（合金III） 位于E点以左 C点以右
时间
亚共晶合金的冷却曲线及 结晶过程示意图
吉林大学电子科学与工程学院 半导体材料
半导体材料导论描述课件
半导体材料在集成电路、微电 子器件、光电子器件等领域发 挥着关键作用，推动着科技的 进步与发展。
半导体材料在能源转换和存储 、传感器、生物医疗等领域也 具有广泛应用，为人类生活带 来便利。
半导体材料的发展趋势与前景
随着科技的不断发展，新型半导体材 料不断涌现，如二维材料、氧化物半 导体等，具有更优异的性能和更广泛 的应用前景。
硅基半导体是指以硅为基底制造 的半导体材料。自20世纪50年 代以来，硅基半导体一直是半导
体产业的主流技术。
目前，硅基半导体在集成电路、 微电子、光电子、通信等领域得 到了广泛应用，是现代信息技术
的基石之一。
随着技术的不断进步，硅基半导 体的性能不断提高，制造成本不 断降低，使得其应用领域不断拓
展。
半导体材料导论描述 课件
目录
• 半导体材料简介 • 半导体材料的物理性质 • 半导体材料的制备与加工 • 半导体材料的发展趋势与挑战 • 案例分析：硅基半导体的应用与发展 • 总结与展望
CHAPTER 01
半导体材料简介
半导体的定义与特性
总结词
半导体的导电能力介于金属和绝缘体之间，其导电能力随温度、光照和杂质等因 素发生变化。
硅基半导体的优势与局限性
硅基半导体的优势在于其成熟度高、 可靠性好、稳定性高、制造成本低等 。
然而，硅基半导体的局限性也很明显 ，如硅材料的带隙较窄、光电性能较 差等，限制了其在某些领域的应用。
硅基半导体的未来发展方向
1
随着科技的不断发展，硅基半导体将继续在高性 能计算、物联网、人工智能等领域发挥重要作用 。
详细描述
半导体是指那些在一定条件下能够导电的材料，其导电能力随温度、光照和杂质 等因素发生变化。在常温下，纯净的半导体通常表现为绝缘体，但当温度升高或 受到光照等外部因素影响时，其导电性能会显著增强。
半导体材料总结ppt课件
ppt课件.
23
23
GaAs电学性质
电子迁移率高达 8000cm2 VS
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
ppt课件.
24
24
本征载流子浓度
T 3 0 0 K n i 1 .3 1 0 6/c m 3
体心原子的划分，属于每个晶胞 1
ppt课件.
9
9
（c）面心立方晶体 6个面中心各有1个原子， 6*1/2=3原子； 8个顶角各有1个原子，8*1/8=1个原子。 每个面心立方晶胞有4个原子。
ppt课件. 面心原子的划分，属于每个晶胞 110/2
10
（2）半导体材料的能带结构
间接带隙结构 直接带隙结构
∶ ∶
ppt课件.
4
4
按组成
元素半导体 无机半导体
化合物半导体
有机半导体
按结构
晶体
单晶半导体 多晶半导体
非晶、无定形半导体
ppt课件.
5
5
3.半导体材料的基本性质及应用
(1)半导体的晶体结构 (2)半导体的能带结构 (3) 半导体的杂质和缺陷 (4) 半导体的电学性质 (5) 半导体的光学性质
带隙大小
ppt课件.
11
11
(3) 半导体的杂质和缺陷
轻掺杂
掺杂浓度为1017 cm-3 杂质离子100%电离
中度掺杂 掺杂浓度为1017～1019 cm-3 载流子浓度低于掺杂浓度
重掺杂 掺杂浓度大于1019 cm-3
ppt课件.
12
12
硅中的杂质
1. n型掺杂剂：P，As，Sb
关于半导体材料优秀课件
电场E
4 1
2
3
4 1
2
3
则在弱场下，电场所导致的定向漂移速度和热运动速
度相比很小（~1%），因而加外场后空穴的平均漂移
时间并没有明显变化。利用用平均漂移时间，可求得
平均最大漂移速度为：
v
eE cp
m
* p
关于半导体材料优秀课件
化合物半导体材料与器件
因而空穴迁移率可表示为：
p
e cp
m
* p
同理，电子的平均漂移速度为：
f
假设有一个斜坡（足够长）， 一块石头（圆的），不考虑摩擦作用， mg 从坡顶滚下，则石头将作匀加速运动 直至坡底。
但若坡上生长了很多树木， 石头在滚落过程中不时地会与这些树 木相碰撞。碰撞改变了石头的速度大 小和运动方向。则最终石头以平均的 速度滚落山坡。
•没有考虑到石头自身运动的影响。 •碰撞方式不同
关于半导体材料优秀课件
化合物半导体材料与器件
碰撞：载流子的散射；即载流子速度的改变。 经典碰撞。实际的接触为碰撞。 类比：堵车时，汽车的移动速度和方向，不断由于 其它汽车的位置变化而变化。尽管没有实际接触，但 由于阻碍车的存在，造成了汽车本身速度大小和方向 的改变。这类似于载流子的散射，也即碰撞。
Jdrf
IeNAvtNevv
A At
E
A
v
V
eN
载流子浓度 单位电量
关于半导体材料优秀课件
化合物半导体材料与器件
Jdrf eNvE
一般说来，在弱场情况下，载流子的定向漂移速度与外 加电场成正比，即：
v E
Jdrf eN veN E
其中μ称作载流子的迁移率。 因而有电导率和迁移率的关系：
4 1
2
3
4 1
2
3
则在弱场下，电场所导致的定向漂移速度和热运动速
度相比很小（~1%），因而加外场后空穴的平均漂移
时间并没有明显变化。利用用平均漂移时间，可求得
平均最大漂移速度为：
v
eE cp
m
* p
关于半导体材料优秀课件
化合物半导体材料与器件
因而空穴迁移率可表示为：
p
e cp
m
* p
同理，电子的平均漂移速度为：
f
假设有一个斜坡（足够长）， 一块石头（圆的），不考虑摩擦作用， mg 从坡顶滚下，则石头将作匀加速运动 直至坡底。
但若坡上生长了很多树木， 石头在滚落过程中不时地会与这些树 木相碰撞。碰撞改变了石头的速度大 小和运动方向。则最终石头以平均的 速度滚落山坡。
•没有考虑到石头自身运动的影响。 •碰撞方式不同
关于半导体材料优秀课件
化合物半导体材料与器件
碰撞：载流子的散射；即载流子速度的改变。 经典碰撞。实际的接触为碰撞。 类比：堵车时，汽车的移动速度和方向，不断由于 其它汽车的位置变化而变化。尽管没有实际接触，但 由于阻碍车的存在，造成了汽车本身速度大小和方向 的改变。这类似于载流子的散射，也即碰撞。
Jdrf
IeNAvtNevv
A At
E
A
v
V
eN
载流子浓度 单位电量
关于半导体材料优秀课件
化合物半导体材料与器件
Jdrf eNvE
一般说来，在弱场情况下，载流子的定向漂移速度与外 加电场成正比，即：
v E
Jdrf eN veN E
其中μ称作载流子的迁移率。 因而有电导率和迁移率的关系：
吉林大学__半导体物理器件课件吉林大学__半导体物理器件课件
In dϕ n dϕ n Jn = = −qnµ n = −σ n ( x ) A dx dx
（1-166）
Jp = Ip A = −qpµ p dϕ p dx （1-167） = −σ p (x ) dϕ p dx
（1-166）式和（1-167）式称为修正的欧姆定律，其中 σ p ( x ) = qpµ p σ n ( x ) = qnµ n 分别称为电子和空穴的等效电导率。修正欧姆定律虽然在 形式上和欧姆定律一致，但它包括了载流子的漂移和扩散 的综合效应。 从修正欧姆定律可以看出，费米能级恒定（即 dϕ n dx = 0，ϕ p dx = 0 ）是电流为零的条件。处于热平衡的半 d 导体，费米能级恒定。或者说，热平衡系统具有统一的费 米能级。
利用电流密度表达式，式（1-211）式和（1-212）可以分别 写成
v ∂p 1 ∆p = − ∇ ⋅ jp + G − （1-213） ∂t q τp
v ∂n 1 ∆n = ∇ ⋅ jn + G − ∂t q τn
（1-214）
在一维情况下，
∂n ∂ 2n ∂n ∆n （1-219） ∂p ∂2 p ∂p ∆p = Dn 2 + µ n ε +G− = D p 2 − µ pε +G− （1-218） ∂t ∂x τn ∂x ∂t ∂x τp ∂x
和同样，对于型半导体，有
Na ψ = −VT ln ni
（1-152）
ε=
VT dN a N a dx
（1-153）
1.6非平衡载流子 非平衡载流子
在非平衡状态下可以定义 E 和 E 两个量以代替 E F ， 使得
Fn
Fp
E Fn − Ei n = ni exp KT
（1-166）
Jp = Ip A = −qpµ p dϕ p dx （1-167） = −σ p (x ) dϕ p dx
（1-166）式和（1-167）式称为修正的欧姆定律，其中 σ p ( x ) = qpµ p σ n ( x ) = qnµ n 分别称为电子和空穴的等效电导率。修正欧姆定律虽然在 形式上和欧姆定律一致，但它包括了载流子的漂移和扩散 的综合效应。 从修正欧姆定律可以看出，费米能级恒定（即 dϕ n dx = 0，ϕ p dx = 0 ）是电流为零的条件。处于热平衡的半 d 导体，费米能级恒定。或者说，热平衡系统具有统一的费 米能级。
利用电流密度表达式，式（1-211）式和（1-212）可以分别 写成
v ∂p 1 ∆p = − ∇ ⋅ jp + G − （1-213） ∂t q τp
v ∂n 1 ∆n = ∇ ⋅ jn + G − ∂t q τn
（1-214）
在一维情况下，
∂n ∂ 2n ∂n ∆n （1-219） ∂p ∂2 p ∂p ∆p = Dn 2 + µ n ε +G− = D p 2 − µ pε +G− （1-218） ∂t ∂x τn ∂x ∂t ∂x τp ∂x
和同样，对于型半导体，有
Na ψ = −VT ln ni
（1-152）
ε=
VT dN a N a dx
（1-153）
1.6非平衡载流子 非平衡载流子
在非平衡状态下可以定义 E 和 E 两个量以代替 E F ， 使得
Fn
Fp
E Fn − Ei n = ni exp KT
吉林大学-半导体材料-课件-第五章5.1-5.3
按气体的物理特性分 气溶胶辅助CVD ：Aerosol assisted CVD (AACVD) 直 接 液 体 喷 射 CVD ： Direct liquid injection CVD
(DLICVD)
等离子体法 微波等离子体协助CVD ：Microwave plasma-assisted CVD
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
硅源要求
通常使用的硅源是SiH4、SiH2Cl2、SiHCl3和SiCl4。
SiHCl3和SiCl4常温下是液体，外延生长温度高，但 生长速度快，易提纯，使用安全
SiH2Cl2和SiH4常温下是气体，反应温度低，外延 层杂质分布陡峭。缺点是：
要求生长系统具有良好的气密性，否则会因漏气而 产生大量的外延缺陷。
第 5 章 硅外延生长
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
第5章 硅外延生长
5-1、外延生长概述 5-2、硅衬底制备 5-3、硅的气相外延生长 5-4、硅外延层电阻率的控制 5-5、硅外延层的缺陷 5-6、硅的异质外延
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
5-1、外延生长概述
外延生长的定义 外延生长的分类 发展外延生长的动机
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
重掺杂的衬底区：低电阻率的衬底降低了基片的 电阻，降低饱和压降，提供在中等电流下高的器 件工作速度→高频
轻掺杂的外延层：集电极区高的电阻率保证高的 集电极-衬底的击穿电压→大功率
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
CMOS电路制作在一层很薄的轻掺杂p型外延层上；
SiH4在高温和高浓度下易发生气相分解而生成粉末 状硅使外延无法进行。
表5-1：常用硅源的特性
(DLICVD)
等离子体法 微波等离子体协助CVD ：Microwave plasma-assisted CVD
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半导体材料
硅源要求
通常使用的硅源是SiH4、SiH2Cl2、SiHCl3和SiCl4。
SiHCl3和SiCl4常温下是液体，外延生长温度高，但 生长速度快，易提纯，使用安全
SiH2Cl2和SiH4常温下是气体，反应温度低，外延 层杂质分布陡峭。缺点是：
要求生长系统具有良好的气密性，否则会因漏气而 产生大量的外延缺陷。
第 5 章 硅外延生长
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半导体材料
第5章 硅外延生长
5-1、外延生长概述 5-2、硅衬底制备 5-3、硅的气相外延生长 5-4、硅外延层电阻率的控制 5-5、硅外延层的缺陷 5-6、硅的异质外延
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半导体材料
5-1、外延生长概述
外延生长的定义 外延生长的分类 发展外延生长的动机
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半导体材料
重掺杂的衬底区：低电阻率的衬底降低了基片的 电阻，降低饱和压降，提供在中等电流下高的器 件工作速度→高频
轻掺杂的外延层：集电极区高的电阻率保证高的 集电极-衬底的击穿电压→大功率
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半导体材料
CMOS电路制作在一层很薄的轻掺杂p型外延层上；
SiH4在高温和高浓度下易发生气相分解而生成粉末 状硅使外延无法进行。
表5-1：常用硅源的特性
半导体材料吉大 讲义绪论
超晶格的出现是半导体材料发展的里程碑，它推 动着量子阱激光器、高速二维电子器件和光集成器件 的发展，为器件制作从“杂质工程”走向“能带工程” 开拓了广阔的道路。
6
20世纪90年代初获得了高质量P型GaN外延薄层材料。 制作了高亮度蓝色发光二极管并迅速产业化，为实现全 彩显示奠定了基础，开辟了半导体在显示领域应用的新 天地。 蓝色激光器达到了实用化的水平，GaN及其多元化合物 还是半导体照明的首选材料。 根据材料的重要性和开发成功的先后，分别称Si为第一 代，GaAs为第二代，GaN为第三代半导体材料。
Si Ge B C 灰-Sn P 灰-As 灰-Sb S Se Te I
熔点 (℃ )
1412 958 2300 4027 230 44 817 431 119 217 450 113
禁带宽度 Eg(eV)
1.119 0.6643
1.6 5.4 0.08 2 1.2 0.1 0.24 1.8 0.3 1.3
13
连续单管激光器类
阵激光器类
光电二极管
高速光电探测器 大面积InGaAs光电二极管 高功率脉冲激光二极管
LED
IC
14
以Si材料为例，半导体器件对材料的要求， 归纳起来有三方面：
1. 器件对掺杂量 的要求； 2. 器件对半导体单晶 材料晶体完整性的要
求； 3. 对单晶材料均匀性和大尺寸方面的要求。
半导体
无机
结晶型 无定型
元素
（处于IIIA和VIIA的金属与非金属交界处， 如：Si、Ge、Se、Te、Sn ）
化合物 （统计可能有四千多种，研究出的有一
千多种）
元素 a-Si，a-Ge
化合物 a-GaAs，a-SiC 有机 分子晶体、高分子聚合物。如蒽、聚乙炔等
6
20世纪90年代初获得了高质量P型GaN外延薄层材料。 制作了高亮度蓝色发光二极管并迅速产业化，为实现全 彩显示奠定了基础，开辟了半导体在显示领域应用的新 天地。 蓝色激光器达到了实用化的水平，GaN及其多元化合物 还是半导体照明的首选材料。 根据材料的重要性和开发成功的先后，分别称Si为第一 代，GaAs为第二代，GaN为第三代半导体材料。
Si Ge B C 灰-Sn P 灰-As 灰-Sb S Se Te I
熔点 (℃ )
1412 958 2300 4027 230 44 817 431 119 217 450 113
禁带宽度 Eg(eV)
1.119 0.6643
1.6 5.4 0.08 2 1.2 0.1 0.24 1.8 0.3 1.3
13
连续单管激光器类
阵激光器类
光电二极管
高速光电探测器 大面积InGaAs光电二极管 高功率脉冲激光二极管
LED
IC
14
以Si材料为例，半导体器件对材料的要求， 归纳起来有三方面：
1. 器件对掺杂量 的要求； 2. 器件对半导体单晶 材料晶体完整性的要
求； 3. 对单晶材料均匀性和大尺寸方面的要求。
半导体
无机
结晶型 无定型
元素
（处于IIIA和VIIA的金属与非金属交界处， 如：Si、Ge、Se、Te、Sn ）
化合物 （统计可能有四千多种，研究出的有一
千多种）
元素 a-Si，a-Ge
化合物 a-GaAs，a-SiC 有机 分子晶体、高分子聚合物。如蒽、聚乙炔等
半导体照明课件 7 第5章 半导体发光材料体系
• 带隙宽度可随In0.5(Ga1-xAlx)P固溶体中组分x的变化而调
节，在从红光到绿光相当宽的波长范围可实现LED的超高 亮度。
半导体固溶体
1.由两种或两种以上同一类型的半导体相互溶合而组 成的，且一般是组分连续(无限)的，又称合金半导体 材料。
2.分类：按半导体类型分： 硅锗固溶体（SixGe1-x）， 各种III－V族化合物固溶体， 各种II－VI族化合物固溶体。
半导体固溶体性质
1. 带隙宽度：
对于三元系 AxB1-xC ，其能隙
E ABC g
(x)
x
EgAC
(1
x)
EgBC
bABC
x
(1
x)
其中，b 称为能隙弯曲参数（bowing parameter）
E(k) GaAs 导带
能 隙 宽 度 （ ）
eV
E(k)
GaP 导带
直接带隙
间接带隙
GaAs
组分比x
GaP
图 GaAs1-xPx能带跃迁类型因导带主能谷和子 能谷相对位置的变化而随组分变化的情况。
第二节 半导体发光材料
成为半导体发光材料的条件
1、半导体带隙宽度与可见或紫外光子能量相匹配。 (nm) 1239.5 Eg (eV)
2、只有直接带隙半导体才有较高的辐射复合概率。
成为半导体发光材料的条件
5、GaAs中的Si占据Ga或As位后形成施主或受主，因此是两性 杂质。从Ga溶液中液相外延生产GaAs时，在高温下掺Si形成 施主，在低温下掺Si形成受主，在940nm处出现发光峰。
6、 GaAs发光二极管采用普通封装结构时发光效率为4%，采
用半球形结构时发光效率可达20%以上。它们被大量应用于遥 控器和光电耦合器件。
节，在从红光到绿光相当宽的波长范围可实现LED的超高 亮度。
半导体固溶体
1.由两种或两种以上同一类型的半导体相互溶合而组 成的，且一般是组分连续(无限)的，又称合金半导体 材料。
2.分类：按半导体类型分： 硅锗固溶体（SixGe1-x）， 各种III－V族化合物固溶体， 各种II－VI族化合物固溶体。
半导体固溶体性质
1. 带隙宽度：
对于三元系 AxB1-xC ，其能隙
E ABC g
(x)
x
EgAC
(1
x)
EgBC
bABC
x
(1
x)
其中，b 称为能隙弯曲参数（bowing parameter）
E(k) GaAs 导带
能 隙 宽 度 （ ）
eV
E(k)
GaP 导带
直接带隙
间接带隙
GaAs
组分比x
GaP
图 GaAs1-xPx能带跃迁类型因导带主能谷和子 能谷相对位置的变化而随组分变化的情况。
第二节 半导体发光材料
成为半导体发光材料的条件
1、半导体带隙宽度与可见或紫外光子能量相匹配。 (nm) 1239.5 Eg (eV)
2、只有直接带隙半导体才有较高的辐射复合概率。
成为半导体发光材料的条件
5、GaAs中的Si占据Ga或As位后形成施主或受主，因此是两性 杂质。从Ga溶液中液相外延生产GaAs时，在高温下掺Si形成 施主，在低温下掺Si形成受主，在940nm处出现发光峰。
6、 GaAs发光二极管采用普通封装结构时发光效率为4%，采
用半球形结构时发光效率可达20%以上。它们被大量应用于遥 控器和光电耦合器件。
半导体材料课件硅外延层电阻率的控制、缺陷
形成原因：衬底加工时造成片边磨损偏离 衬底片晶向。
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半导体材料
划痕：由机械损伤、表面 不洁引起
星形线（滑移线）：平行 的高低不平的线条，热应 力造成
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半导体材料
5-4-2 外延层的内部缺陷
1. 层错
层错形貌：分为单线，开口，正三角形，套叠三 角形和其他组态
第 5 章 硅外延生长
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半导体材料
第5章 硅外延生长
5-1、外延生长概述
5-2、硅的气相外延生长
5-3、硅外延层电阻率的控制
5-4、硅外延层的缺陷
5-5、硅的异质外延
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半导体材料
5-3 硅外延层电阻率的控制
5-3-1 外延层中的杂质及掺杂 5-3-2 外延层中杂质的再分布 5-3-3 外延层生长中的自掺杂
外延层
X(Si)
+
3HCl
↔
XCl3
(g)
+
3 2
H
2
③基座、反应室、气流系统的污染也能造成自掺杂
¾带有埋层的衬底片： 9纵向自掺杂 9横向自掺杂
Epitaxy Buried Layer
Substrate
¾邻片效应：气流上方片子蒸发杂质扩散到气流下方 片子表面附近。相邻片子的自掺杂影响
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半导体材料
5-3 硅外延层电阻率的控制
5-3-1 外延层中的杂质及掺杂 5-3-2 外延层中杂质的再分布 5-3-3 外延层生长中的自掺杂
5-3-4 外延层的夹层
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半导体材料
划痕：由机械损伤、表面 不洁引起
星形线（滑移线）：平行 的高低不平的线条，热应 力造成
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半导体材料
5-4-2 外延层的内部缺陷
1. 层错
层错形貌：分为单线，开口，正三角形，套叠三 角形和其他组态
第 5 章 硅外延生长
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半导体材料
第5章 硅外延生长
5-1、外延生长概述
5-2、硅的气相外延生长
5-3、硅外延层电阻率的控制
5-4、硅外延层的缺陷
5-5、硅的异质外延
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半导体材料
5-3 硅外延层电阻率的控制
5-3-1 外延层中的杂质及掺杂 5-3-2 外延层中杂质的再分布 5-3-3 外延层生长中的自掺杂
外延层
X(Si)
+
3HCl
↔
XCl3
(g)
+
3 2
H
2
③基座、反应室、气流系统的污染也能造成自掺杂
¾带有埋层的衬底片： 9纵向自掺杂 9横向自掺杂
Epitaxy Buried Layer
Substrate
¾邻片效应：气流上方片子蒸发杂质扩散到气流下方 片子表面附近。相邻片子的自掺杂影响
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半导体材料
5-3 硅外延层电阻率的控制
5-3-1 外延层中的杂质及掺杂 5-3-2 外延层中杂质的再分布 5-3-3 外延层生长中的自掺杂
5-3-4 外延层的夹层
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半导体材料课件
表1.1 半导体材料分类及其开发情况 * 此处所列子项只举其中重要者，并未完全列出。
1.2.1 元素半导体 已知有12个元素具有半导体性质，它们在元素周期表中的位置如图1.1所示。 从这里也可以看出半导体材料与物质结构的密切关系。
处于III-A族的只有硼，其熔点高(2300oC)，制备单晶困难，而且其载流子迁移率 很低，对它研究的不多，未获实际应用。 IV-A 族中第一个是碳，它的同素异形体之一金刚石具有优良的半导体性质，但制 备单晶困难，是目前研究的重点；石墨是碳的另一个同素异形体，系层状结构，难 以获得单晶，故作为半导体材料未获得应用。 IV-A族的第二个元素是硅，具有优良的半导体性质，是现代最主要的半导体材料。 再往下是锗，它具有良好的半导体的性质，是重要的半导体材料之一。 锡在常温下的同素异形体为b-Sn，属六方晶系，但在13.2oC以下 可变为立方晶 系灰锡（a-Sn）。灰锡具有半导体性质，属立方晶系。在从b-Sn转化为a-Sn 的过 程中，体积增大并变粉末，故难以在实际中应用。
为了提高晶体管的性能及改善其生产的稳定性，在半导体材料的制备方面实现 了两个突破。 1950 年，由蒂尔（G.Teal)等用乔赫拉斯基法（直拉法）首先拉制出锗单晶。 1952 年由蒲凡（W. Pfann）发明了区熔提纯法，使锗能提纯到本征纯度。 这两项成果的应用满足了晶体管的工业化生产的要求，也使半导体锗材料的制
造能够实现产业化。同时，这两项突破构成了半导体材料制备工艺的基础，即
超提纯与晶体制备。
硅的优异性能早已被人们所注意，但上述的杜邦法在纯度上满足不了半导体器件 的要求，又因硅在熔点下性质活泼，难以找到偏析或区熔提纯所用的容器材料。 但锗提纯的成功，以及纯度对晶体管的重要性推动了人们去解决硅的提纯技术。 1956年西门子公司（Simens）研究成功了三氯氢硅氢还原法使硅中有害杂质含 量降到10-9级或更低，并实现了工业化生产。 用这种多晶硅作原料，用直拉法制出的单晶用作晶体管已显示出许多优越性，但 还满足不了大功率的电力电子器件整流器与晶闸管等的要求。曾于1952发明的悬 浮区熔法，用这种高纯多晶硅棒作原料，可得出纯度很高的硅单晶。用这种单晶， 成功地制出大功率的电力电子器件。 1958年发明的集成电路是电子学的又一次革命，同时它给硅的发展带来新的推动， 使硅的工艺在单晶的大直径、高完整性、杂质可控等方面取得显著的进步，使硅片 精密加工工艺也得到巨大的发展。
1.2.1 元素半导体 已知有12个元素具有半导体性质，它们在元素周期表中的位置如图1.1所示。 从这里也可以看出半导体材料与物质结构的密切关系。
处于III-A族的只有硼，其熔点高(2300oC)，制备单晶困难，而且其载流子迁移率 很低，对它研究的不多，未获实际应用。 IV-A 族中第一个是碳，它的同素异形体之一金刚石具有优良的半导体性质，但制 备单晶困难，是目前研究的重点；石墨是碳的另一个同素异形体，系层状结构，难 以获得单晶，故作为半导体材料未获得应用。 IV-A族的第二个元素是硅，具有优良的半导体性质，是现代最主要的半导体材料。 再往下是锗，它具有良好的半导体的性质，是重要的半导体材料之一。 锡在常温下的同素异形体为b-Sn，属六方晶系，但在13.2oC以下 可变为立方晶 系灰锡（a-Sn）。灰锡具有半导体性质，属立方晶系。在从b-Sn转化为a-Sn 的过 程中，体积增大并变粉末，故难以在实际中应用。
为了提高晶体管的性能及改善其生产的稳定性，在半导体材料的制备方面实现 了两个突破。 1950 年，由蒂尔（G.Teal)等用乔赫拉斯基法（直拉法）首先拉制出锗单晶。 1952 年由蒲凡（W. Pfann）发明了区熔提纯法，使锗能提纯到本征纯度。 这两项成果的应用满足了晶体管的工业化生产的要求，也使半导体锗材料的制
造能够实现产业化。同时，这两项突破构成了半导体材料制备工艺的基础，即
超提纯与晶体制备。
硅的优异性能早已被人们所注意，但上述的杜邦法在纯度上满足不了半导体器件 的要求，又因硅在熔点下性质活泼，难以找到偏析或区熔提纯所用的容器材料。 但锗提纯的成功，以及纯度对晶体管的重要性推动了人们去解决硅的提纯技术。 1956年西门子公司（Simens）研究成功了三氯氢硅氢还原法使硅中有害杂质含 量降到10-9级或更低，并实现了工业化生产。 用这种多晶硅作原料，用直拉法制出的单晶用作晶体管已显示出许多优越性，但 还满足不了大功率的电力电子器件整流器与晶闸管等的要求。曾于1952发明的悬 浮区熔法，用这种高纯多晶硅棒作原料，可得出纯度很高的硅单晶。用这种单晶， 成功地制出大功率的电力电子器件。 1958年发明的集成电路是电子学的又一次革命，同时它给硅的发展带来新的推动， 使硅的工艺在单晶的大直径、高完整性、杂质可控等方面取得显著的进步，使硅片 精密加工工艺也得到巨大的发展。
吉林大学-半导体材料-课件-第五章5.6
在衬底表面被覆盖之后，这些腐蚀反应还会在衬 底背面发生，造成Al、O等沾污。
衬底表面被腐蚀，会增加外延层中的缺陷，甚至 局部长成多晶。
SiCl4对衬底的腐蚀大于SiH4，SOS外延生长采用 SiH4热分解法更为有利。
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半导体材料
为了解决生长和腐蚀的矛盾，可采用双速率生长 和两步外延等外延生长方法。
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半导体材料
SOI材料 制造技 术分类
如何实现SOI?
熔融再结晶 束致再结晶---激光或电子束
多晶/非晶 （ZMR） 区熔再结晶---石墨条加热
单晶化 固相外延
或卤素灯
（SPE）
单晶衬底 的隔离
氧离子注入形成SiO2埋层（SIMOX） 多孔硅氧化隔离法（FIPOS）
硅片键合背面腐蚀法（BESOI）
体硅的问题：
超大规模集成电路取得快速发展的动力主要源于不断减小 的器件尺寸和不断增加的芯片面积，当特征尺寸减小到 100nm以下时会出现以下一系列问题：
器件尺寸减小，导致热载流子效应，工作电源电压必须降 低。为了保证电路性能，阈值电压应随之降低，导致关态 漏电流的迅速增加。
体硅中的寄生可控硅闩锁效应。
智能剥离技术（Smart-cut）
硅单晶薄膜 选择外延横向生长法（ELO） 的沉积 异质外延法（SOS,SOZ等）
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半导体材料
5-6 硅的异质外延
5-6-1 SOS技术 5-6-2 SOI技术
5-6-3 SiGe/Si
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半导体材料
1．异质外延衬底材料的选择 首先要考虑的是外延层与衬底材料之间的相容性 如晶体结构、熔点、蒸气压、热膨胀系数等
衬底表面被腐蚀，会增加外延层中的缺陷，甚至 局部长成多晶。
SiCl4对衬底的腐蚀大于SiH4，SOS外延生长采用 SiH4热分解法更为有利。
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半导体材料
为了解决生长和腐蚀的矛盾，可采用双速率生长 和两步外延等外延生长方法。
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半导体材料
SOI材料 制造技 术分类
如何实现SOI?
熔融再结晶 束致再结晶---激光或电子束
多晶/非晶 （ZMR） 区熔再结晶---石墨条加热
单晶化 固相外延
或卤素灯
（SPE）
单晶衬底 的隔离
氧离子注入形成SiO2埋层（SIMOX） 多孔硅氧化隔离法（FIPOS）
硅片键合背面腐蚀法（BESOI）
体硅的问题：
超大规模集成电路取得快速发展的动力主要源于不断减小 的器件尺寸和不断增加的芯片面积，当特征尺寸减小到 100nm以下时会出现以下一系列问题：
器件尺寸减小，导致热载流子效应，工作电源电压必须降 低。为了保证电路性能，阈值电压应随之降低，导致关态 漏电流的迅速增加。
体硅中的寄生可控硅闩锁效应。
智能剥离技术（Smart-cut）
硅单晶薄膜 选择外延横向生长法（ELO） 的沉积 异质外延法（SOS,SOZ等）
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5-6 硅的异质外延
5-6-1 SOS技术 5-6-2 SOI技术
5-6-3 SiGe/Si
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半导体材料
1．异质外延衬底材料的选择 首先要考虑的是外延层与衬底材料之间的相容性 如晶体结构、熔点、蒸气压、热膨胀系数等
半导体材料绪论通用课件
半导体材料的分类
总结词
半导体材料可根据其元素组成、能带结构、载流子类 型等不同特征进行分类。
详细描述
根据元素组成，半导体材料可分为元素半导体和化合 物半导体两大类。元素半导体是由单一元素组成的， 如硅、锗等；化合物半导体则是由两种或两种以上元 素组成的化合物，如砷化镓、磷化铟等。根据能带结 构，半导体材料可分为直接跃迁型和间接跃迁型半导 体。根据载流子类型，半导体材料可分为n型和p型半 导体，分别指电子导电和空穴导电的半态的化学原料在衬底上沉 积成膜。
具体技术
包括热丝化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积、 金属有机物化学气相沉积等。
溶胶-凝胶法
定义
将固体材料溶解在有机溶剂中， 形成溶胶，再通过凝胶化过程形 成凝胶，最后经过热处理得到所 需材料。
优点
可制备高纯度、高均匀性的薄膜 材料，适用于制备多种类型的半 导体材料。
半导体材料的应用领域
总结词
半导体材料广泛应用于电子、通信、能源、医疗等领域。
详细描述
在电子领域，半导体材料被用于制造集成电路、微电子 器件等，实现电子产品的微型化、高效化和智能化。在 通信领域，半导体材料被用于制造光电子器件、激光器、 探测器等，实现高速、大容量信息传输和处理。在能源 领域，半导体材料被用于制造太阳能电池、风力发电设 备等，实现可再生能源的转换和利用。在医疗领域，半 导体材料被用于制造医疗设备、生物传感器等，实现疾 病的早期诊断和治疗。
自组装与生物功能化半导体材料
自组装技术
自组装技术是一种利用分子间的相互作 用力，将分子自发地聚集在一起形成有 序结构的技术。在半导体领域，自组装 技术可用于制备具有特定功能的纳米结构。
VS
生物功能化
将生物分子或生物活性物质与半导体材料 结合，实现半导体的生物功能化是当前研 究的热点。这种生物功能化的半导体材料 在生物传感器、生物成像和药物输送等领 域具有广泛的应用前景。
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衬底扩散造成的杂质分布
N2 x, t
1 2
N f 1
erf 2
x Dt
外部掺入的杂质浓度分布
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同型杂质
N(x)
Nsub
理想
N1(x)
实际
异型杂质
N(x)
Nsub
理想
实际
N1(x)
杂质浓度 杂质浓度
Nepi N2(x) 衬底(N +) 外延层(N) x
x
N2(x)
杂质从硅表面蒸发速度
v C衬 KexpK
t 2
D
erfc K
t
D
C衬为衬底中原来杂质浓度 K为硅表面蒸发速度常数
D杂质在硅中的扩散系数
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外延层 衬底
半导体材料
t 2 t
v C衬 KexpK
D
erfc K
D
K t 0.1 D
2
expK
t
D
erfc K
t D
1
v C衬K
外延生长过程最初阶段(t 很小)
蒸发速度常数K很小 扩散系数D很大
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5-4 硅外延层电阻率的控制
5-4-1 外延层中的杂质及掺杂 5-4-2 外延层中杂质的再分布 5-4-3 外延层生长中的自掺杂
5-4-4 外延层的夹层
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半导体材料
5-4-3外延层生长中的自掺杂
自掺杂效应
①衬底背面自掺杂模型
外延生长开始时，衬底正面的杂质蒸发受抑制，引 起自掺杂的杂质主要由衬底内扩散到背面，以元素 形式蒸发而来。
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N(x)
外 延 生 长 速 度 远 大 Nsub 于杂质扩散速度，
理想
杂质浓度
衬 底 中 杂 质 在 外 延
N1(x)
层中的分布相当于一
实际
个界面浓度恒定杂质
源的余误差分布函数。 N2(x)
Nepi
衬底(N +) 外延层(N) 气相
x
N1 x,t
1 2
N Suberfc
2
x Dt
与体单晶生长时掺杂不同，没有一个简单 的准则，要针对每个过程经验地确定。
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3.固态扩散（外扩散）和气相自掺杂
VLSI要求：重掺杂衬底（1019~1021/cm3）上淀积一 层轻掺杂的外延层（1014~1017/cm3)—自掺杂效应
CMOS器件：使用均匀掺杂的衬底 双极型：使用有埋层的衬底
2.外延生长的掺杂（主动掺杂） 外延N型掺杂剂：PCl3，AsCl3，SbCl3，AsH3 P型掺杂剂：BCl3，BBr3，B2H6 卤化物掺杂剂：稀释在反应气体中
氢化物掺杂剂：稀释在氢气中
通过调节流量来调整外延层的电阻率
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2.外延生长的掺杂（主动掺杂）
影响掺杂的因素： 衬底温度、沉积速度、掺杂剂摩尔分数、 反应室几何尺寸等 注意： 固相中掺杂剂/硅的比例≠气相中的比例
杂质类型与衬底相同取“+”，相反取“-”
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N总＝N衬底 N扩散 N邻片N基座N系统N气 I. 衬底对外延层掺杂的影响
固态扩散N扩散与气相自掺杂N衬底 II. 来自衬底以外的其他因素的掺杂
基座、反应室、系统的污染---反应室的记忆效应
III. 来自混合气体的气相掺杂
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外扩散和自掺杂增加了过渡层的厚度，同时 设置了一个对外延层的最小厚度和掺杂水平 的极限。 过渡层尾巴的程度取决于温度、硅源、生长 速率、反应室尺寸和压强。 在接近衬底处外扩散占优势，离开表面区域 自掺杂为主。 反应室记忆效应：生长一个低阻层后很难立 刻生长一个高阻层。
Nepi
衬底(N +) 外延层(P)
N1(x)+N2(x)
N1(x)-N2(x)
过渡层：从重掺杂衬底到均匀掺杂外延层的厚度
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实际中外延层中杂质的纵向分布要比只有衬 底杂质向外延层的外扩散的情况更平坦，说 明进入外延层杂质要比固态扩散的大。 这一部分杂质是衬底中的杂质进入气相中再 掺 入 外 延 层 造 成 的 ， 也包括由于衬底基座被 腐蚀而进入气相中进而掺入外延层中— 自 掺 杂效应。 自掺杂可来源于硅片边缘和背面，以及覆盖 了重掺杂材料的基座和支架。
外延中，杂质从重掺衬底进入正在生长的外延层中 的两种方式：固态扩散（外扩散）和气相自掺杂
固态扩散：高温时杂质从衬底扩散到 正在生长的外延层中
自掺杂效应：杂质从衬底及基座中蒸 发出来进入气相中继而再次掺入外延 层中，也包括由于衬底基座被腐蚀而 进入气相中进而掺入外延层中
外延层 衬底
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型的杂质，但是其浓度不同。
杂质浓度
通常希望外延层和衬底之间界面 处的掺杂浓度梯度很陡，但是由 于高温下进行外延生长，衬底中 的杂质会进入外延层，使得外延
衬底(N +)
理 想
实 际 Nepi
外延层 x (N或P)
层和衬底处的杂质浓度变平。 外延层与衬底之间杂质的互扩散及自掺杂效应
导致杂质再分布。
吉林大学电子科学与工程学院源自半导体材料5-4 硅外延层电阻率的控制
5-4-1 外延层中的杂质及掺杂 5-4-2 外延层中杂质的再分布 5-4-3 外延层生长中的自掺杂
5-4-4 外延层的夹层
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半导体材料
5-4-2外延中杂质的再分布
外延层中含有和衬底中的杂质不 N(x) 同类型的杂质，或者是同一种类 Nsub
第 5 章 硅外延生长
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第5章 硅外延生长
5-1、外延生长概述
5-2、硅衬底制备
5-3、硅的气相外延生长 5-4、硅外延层电阻率的控制 5-5、硅外延层的缺陷 5-6、硅的异质外延
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5-4 硅外延层电阻率的控制
5-4-1 外延层中的杂质及掺杂 5-4-2 外延层中杂质的再分布 5-4-3 外延层生长中的自掺杂
5-4-4 外延层的夹层
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1.外延层中的杂质
外延层中杂质来源很多，总的载流子浓度N总可以 表示为：N总＝N衬底 N扩散 N邻片N基座N系统N气
N衬底：衬底挥发的杂质掺入外延层中的杂质浓度分量 N扩散：衬底中杂质经固相扩散进入外延层的杂质浓度分量 N邻片：外延层中来自相邻衬底的杂质浓度分量 N基座：来自基座的杂质浓度分量 N系统：除上述因素外整个生长系统引入的杂质浓度分量 N气： 外延层中来自混合气体的杂质浓度分量