半导体材料导论 第二部分

s = 1/r = nem, r = 1/nem (4-1） 式中e 是电子的电荷，e是常数，因此电阻率反映了载流 子浓度(n)与迁移率(m) 的关系。
图4.3 硅中杂质浓度与电 阻率的关系
如果知道迁移率与杂质浓度的关系，就可以求出杂质浓度。图4.3列出了硅的电阻率与电活性 杂质浓度的关系。
测量电阻率可用四探针法、两探针法。也可以直接切成矩形样品测其电阻，再用尺寸换算。在测 量电阻率均匀性时，也可用上述方法。但在测量微观电阻率不均匀性时，因要求其分辨率达mm级， 故采用扩展电阻法及电子束感应电流（EBIC）法等。 测量导电类型一般使用热探针法。将一个热探针和一个冷探针放在半导体材料上，保持一定距离， 因热端的多数载流子的扩散速度比冷端快，因此产生电位差，这电位差的正负取决于多数载流子带 正电荷还是带负电荷，从此可测出材料是n型还是p型。 载流子浓度与迁移率多用来表征化合物半导体的杂质浓度及缺陷状态。因载流子浓度可更直接反 映电活性杂质的浓度，而迁移率则可反映有害杂质（如过渡金属）、晶体缺陷等方面的情况。 采用霍尔测量（其原理是利用霍尔效应）法，结合电阻率测量可得出载流子浓度和迁移率。 使用电压-电容法、二次谐波法或红外吸收法可测出载流子浓度。 少数载流子寿命首先取决于半导体材料的本性，当材料确定后，则可反映半导体的深能级杂质与 缺陷的情况。而且少数载流子的寿命对一些器件，特别是双极型晶体管的性能有着重要的作用。 在杂质半导体中，如果是n型材料，那么它的多数载流子应是电子，少数载流子为空穴，对p型材 料，其少数载流子为电子。 少数载流子从其产生到其被复合的平均时间称为少数载流子寿命。测量的方法最常用的是光电导 衰退法，另外还有表面光电压法，电子束感生电流法等。
图4.1 刃位错的原理示意图
图4.1示出了其中的一种情况。其中FE为位错线，因为它处于变形部分与非变形部分的交界处。 箭头所指为滑移方向。由此可见，它的滑移方向与位错线相垂直。此类位错称为刃位错。
另一类位错的滑移方向与位错线（AD）相 平行，如图4.2所示。此类则称为螺位错。 第三类则为二者的混合，称为混合位错。不 论哪一类位错，在它的周围都是应力集中的区 域，这是因为质点脱离开正规的周期点阵所造 成的。 这种位错周围的应力可造成有位错处与无位 错处腐蚀速度的差异，因此使用择优腐蚀剂对 晶片进行腐蚀，在显微镜下可以直接观察到位 错坑，根据坑的数量可以求出位错密度。 位错对许多器件的性能都有影响，大多希望 位错密度愈低愈好。 硅在技术上容易获得无位错单晶，这也是它 能得到广泛应用的原因之一。
3. 化学配比偏离。 在实际的化合物半导体的晶体中，各组成元素的比例与理论的化学配比有所偏离。 例如在砷化镓中，砷原子与镓原子不能按1:1组成。这样，一些价电子不能相键合， 便构成载流子或形成点缺陷。因此在化合物的晶体制备中，要采取相应措施以尽 量减少化学配比偏离。
4.1.2 本底纯度 从上述的情况可以看出，在材料中杂质的行为多种多样，而所需要的杂质的种类 很少，却要求有准确的含量。所以可行的办法是先把半导体材料进行提纯，把其 中所有的杂质降到一定的水平，使材料获得较高的本底纯度，然后再掺入所需的 杂质。 这种本底纯度当然愈高愈好，但根据需要与可能至少使杂质含量降到10-4%以下， 有的则要求降到10-8%或更低。本底纯度是衡量半导体材料质量的、具有先决性 的重要参数。
图4.2 螺位错原理示意图
4.2.3 微缺陷 在半导体单晶中发现有尺寸很小，一般是微米级到几十纳米的缺陷。 其中有些是由点缺陷聚集而成的，例如自间隙原子的聚合体、空位的聚合体等； 另一类则属微沉积物，由于一些杂质的含量在晶体凝固后，超过了它的溶解度而被析出； 还有一些微缺陷的本性至今还未弄清楚。 微缺陷的种类不同，它们对器件的影响也不相同。在无位错硅单晶中所发现的漩涡A型缺陷是 自间隙原子构成的位错环，对集成电路和电力电子器件都是有害的。
4.1.3 杂质分布的均匀性 在晶体制备的过程中，首先根据器件设计所要求的杂质性质与载流子浓度来进行 掺杂，掺杂量可以由计算求得。但掺入的杂质在晶体中的分布却是不均匀的。不均 匀度可分为宏观的与微观的。 因为器件一般是作在晶片上，所以宏观的纵向不均匀度，即晶体自头部至尾部的 杂质浓度的差异，主要影响晶体的可用部分的大小；而径向不均匀度则影响器件的 质量与成品率。 微观不均匀度表现为杂质条纹，它亦对一些器件的性能有明显的影响。
4.2 晶体缺陷 晶体内的原子是按一定的原则周期性地排列着的。如果在晶体中的一些区域，这种排列遭到 破坏，我们称这种破坏为晶体缺陷。 从这个意义上讲，杂质也是一类缺陷，因为任何的杂质都会使晶体的正规点阵遭到破坏，因 此我们在这里也将叙述杂质对晶体结构方面所引入的问题。 晶体缺陷对半导体材料的使用性能影响很大，在大多数的情况下，它使器件性能劣化直至失 效。因此在材料的制备过程中，特别是在晶体制备过程中都尽量排除缺陷或降低其密度。 但靠近器件有源区的缺陷可以吸收有源区的杂质与缺陷，常利用这一原理来改善器件性能。 晶体缺陷的控制是材料制备技术中的一项重要课题，称为“缺陷工程”。
4.2.2 位错 当一种固体材料受到外力时就会发生形变， 如果外力消失后，形变也随着消失，这种形变 称为弹性形变； 如果在外力消失后，形变不消失，则称为范 性形变。 位错就是由范性形变造成的，它可以使晶体 内的一些质点（原子或离子）脱离规则的周期 排列而位移一段距离，位移区与非位移区交界 处必有原子的错位，这样产生的线性缺陷称为 “位错”。
4.3 几何尺寸与精度 对半导体单晶的直径与截面面积一般要求愈大愈好。出发点基本上是两个： 一个是技术性的，例如整流器或晶闸管，如果要求它们通过的电流大，那么器件的尺寸就必需 大，因此所需的晶片直径也要大； 另一类是经济上的，晶片愈大，一次作出的器件就多，单个器件的成本也就随之降低。 对晶片尺寸精度的要求主要来自器件工艺。 这些要求有直径公差、厚度公差、弯曲度、翘曲度、平坦度、定位面位置与尺寸等。 集成度高的集成电路对晶片的几何精度有很严格的要求，而且随着集成度的提高、器件的几何 尺寸的缩小，其中有些要求将随之进一步提高。 对量子阱与超晶格材料则要求有原子级的精度。
2. 电中性杂质。 大多数的中性杂质是与本体材料或本体材料的一个组成元素处于元素周期表的同一族。这些 杂质的价电子数与本体材料中的一种元素的相同，故又称等电子杂质。 这种等电子杂质虽然不能释放出电子与空穴，但它们电子层数与本体元素不同。例如在磷化 镓中的氮，它与磷的价电子数都是5，但它的价电子在L层，而磷在L层已填满，它们价电子就 在M 层。因此氮就更容易俘获电子，而成为等电子陷阱。类似地，如果杂质对空穴的引力比 较大，就成为空穴陷阱。可以利用这些陷阱制作器件。 另外对所有类型的杂质，包括电活性与电中性杂质，由于它们的结合半径与本体原子不同， 所以会改变晶体的晶格常数与力学性能。晶格常数的变化可造成高纯层与掺杂层的晶格失配， 当然也可掺入一定数量杂质（通常是电中性杂质）以调整晶体的晶格常数。一些电中性杂质 也可以用来改善材料的力学性能。
4.1化学组成 4.1.1 杂质的种类与行为 1. 电活性杂质。 根据2.3节所述，由于杂质原子的价电子数与本体材料的价电子数不同，从而形成施主或受主。 如果这些杂质的能级是在导带底或价带顶附近（图3.2）称为浅施主或浅受主。 这些杂质会影响材料的电阻率、迁移率等。因此要将它们的浓度尽量降低。但在半导体材料 或器件的制备过程中也常常利用某种浅施主或浅受主杂质来形成n型或p型半导体。 这些杂质都分布在周期表中与本体材料邻近的一族中。由于它们所形成的能级与导带或价带 靠得非常近，因此它们的解离能非常小，在室温下就可以完全解离。 另一类电活性杂质的电离能较大，它们的能级位置靠近禁带的中部，这类杂质称为深能级杂 质，它们常常有几个能级，在室温下不全部电离，但对载流子起复合中心或陷阱作用，因此这 类杂质一般对材料是有害的，它们主要是元素周期表中的IB族，如铜、金和VIII族，如铁、镍 等。
4.2.1 点缺陷 原子尺度的晶体点阵缺陷，分为热点缺陷和杂质缺陷。 我们在晶体结构中把组成晶体的原子或离子看成一个点，在绝对零度下，这些点是固定在点 阵的位置上的。当温度升到零度以上，这些点因获得动能而振动，由于能量的非均匀分布，一 些点具有较大的能量而挣脱出原来点阵的位置，那么原有的位置就成为空位，脱离点阵的原子 可处于点阵的间隙位置，称为自间隙原子，也可以运动到晶体表面。这类点缺陷的形成都与温 度有关，称为热点缺陷。 化合物半导体中的点缺陷比较复杂。以砷化镓为例，热点缺陷可以是砷空位、也可以是镓空 位、也可以是砷占镓位或镓占砷位的反位缺陷。各类点缺陷之间可形成复合体。 化学配比的偏离，根据质量作用定律，可以改变点缺陷的浓度，例如富砷的砷化镓单晶会减 少砷空位、增加镓空位及砷占镓位的反位缺陷。 杂质点缺陷是由杂质造成晶体点阵的变化所形成的。有的杂质原子取代本体原子而成替位型 原子，有的杂质则进入到点阵的间隙位置而成间隙型原子。杂质也可与空位、反位缺陷等形成 复合体。 点缺陷可以起到电活性中心的作用，影响材料的电学性质。 非平衡的点缺陷也可聚集成团，构成微缺陷。
4.4 常用的表征参数与测量方法 在半导体材料的实践中，能反映上述要求的常用参数可 分为电学的、化学的、晶体学的和几何尺寸等几个方面。 4.4.1 电学参数 包括电阻率、导电类型、载流子浓度、迁移率、少数载 流子寿命、电阻率均匀性等。 电阻率为电导率的倒数，用W.cm（欧姆.厘米）作单位， 它可以反映半导体材料的掺杂浓度，并在一定程度上反 映材料的本底纯度，在硅、锗中常用电阻率来表达其杂 质浓度。根据（2-1）式
4.4.2 化学纯度 材料的本底纯度是利用中子活化法、质谱法、原子吸收光谱法、发射光谱、红外吸收法、光 荧光法进行分析与测量的。 材料的微区分析则使用离子探针、电子探针、分析电镜等手段进行测定。 半导体材料的表面纯度则是利用俄歇能谱、全反射X光荧光分析、气相色谱等方法测定。
4.4.3 晶体学参数 由于晶体的各向异性，所以器件设计都要求材料的晶体学取向。确定晶向的方法有X光衍射 法、光图法等。立方晶系的晶体的常用取向为<111>和<100>。有时还要求有一定的偏离 度。 要求测量的精度一般为1o以内，有时则要求3o以内。 晶体中常见的缺陷是位错。位错密度直接影响器件的性能与成品率。检测的方法有择优腐蚀 -光学显微镜观测法、 X光形貌法等。 晶体中的微缺陷也是重要的检测对象，特别对硅，因它已可能消除位错，于是微缺陷的影响 就突出出来了。微缺陷可以用择优腐蚀-光学显微镜、缀饰X 光形貌、透射电子显微镜等 对半导体材料的技术要求