2014年浙江师范大学半导体材料期末考试复习大纲-作者 李泊位

第一章绪论
1、掌握半导体的概念和分类
半导体材料是导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。

2、掌握半导体材料的五大特性
整流效应、光电导效应、负电阻温度效应、光生伏特效应和霍尔效应
3、理解影响半导体材料发展的两大关键因素
半导体材料的不纯，半导体物理理论的不完善
4、了解摩尔定律、摩尔定律的极限、研发新器件的思路
能带论、导电机理模型和扩散理论得到了半导体理论。

半导体材料工艺可概括为提纯、单晶制备和杂质控制。

化学提纯的主要方法有电解、络合、萃取、精馏
物理提纯的方法有真空蒸发、区域精制、拉晶提纯
单晶制备一般可分大体积单晶(即体单晶)制备和薄膜单晶的制备。

悬浮区熔法－－生长高纯硅单晶水平区熔法－－生产锗单晶
垂直定向结晶法－－生长碲化镉、砷化镓
外延生长的优点
1. 外延生长中，外延层中的杂质浓度可以方便地通过控制反应气流中的杂质含量加以调节，而不依赖于衬底中的杂质种类与掺杂水平。

单晶生长需要进行杂质掺杂。

2. 外延生长可以选择性的进行生长，不同材料的外延生长，不同成分的外延生长，这对于器件的制备尤为重要。

3. 一些半导体材料目前只能用外延生长来制备，如GaN
集成度指单块芯片上所容纳的原件数目。

集成电路的意义
它标志着半导体器件由小型化开始进入集成化时期。

所谓集成电路指的是把二极管、三极管（晶体管）以及电阻、电容都制做在同一个硅芯片上，使一个片子所完成的不再是一个晶体管的放大或开关效应，而是具有一个电路的功能。

摩尔定律的极限
1. 功耗的问题
2. 掺杂原子均匀性的问题
3. SiO2层量子遂穿漏电的问题
4. 量子效应的问题改良的方法延长摩尔定律
1. 氧化物绝缘层的击穿和漏电问题，可以改用介电常数大的介质，厚度就会增加。

即用新的介电材料来代替SiO2，就可以避免由于量子隧穿导致的漏电问题。

2. 把硅CMOS 器件的源或漏电极集成一个共振隧穿器件，在不增加功耗和器件尺寸情况下，就可以把器件的逻辑功能提高上百倍千倍！这种混合集成的办法虽不能彻底克服硅微电子技术遇到的挑战，可以用于延长摩尔定律的寿命。

3.另外一种方法就是应变硅，CMOS 器件的沟道采用应变硅，可以在成本增加不多的情况下，大大地提高芯片的运算速度。

4. 新型半导体材料和器件，GaAs和GaN基材料和器件，可以提高器件和电路的速度以及解决由于集成度的提高带来的功耗增加出现的问题。

新的思路：1. 量子计算机2. 光子计算机3. 生物计算机4. 纳米计算机
第一代半导体材料，元素半导体材料，以Si和Ge为代表; Si：Eg=1.12 eV
第二代半导体材料，化合物半导体材料，以GaAs，InP等材料为代表; GaAs：Eg=1.46eV 第三代半导体材料，化合物半导体材料，以GaN，SiC，ZnO等材料为代表;GaN: Eg=3.3 eV 半导体材料的分类
1.禁带宽度的不同，又可分为：窄带隙半导体材料：Si，Ge
2. 宽带隙半导体材料：GaN ，ZnO ，SiC ，AlN
2. 化学组分和结构的不同，又可分为：
元素半导体、化合物半导体、固溶体半导体、非晶半导体、微结构半导体、有机半导体和稀磁半导体等
3. 使用功能的不同，可分为：电子材料、光电材料、传感材料、热电致冷材料等 第02章 半导体材料的基本性质
1、掌握半导体材料的晶体结构和晶体类型
常见的密排堆积方式的种类有： 简单立方堆积，体心立方堆积，面心立方堆积，密排六方堆积，金刚石型堆积
半导体的晶体结构 金刚石型Si ，金刚石，Ge 闪锌矿型GaAs ，ZnO ，GaN ，SiC
纤锌矿型InN ，GaN ，ZnO ，SiC NaCl 型PbS ，CdO
晶体类型
金属晶体 通过金属键而形成的晶体 离子晶体 通过离子键而形成的晶体
分子晶体 通过分子间作用力而形成的晶体 原子晶体 通过共价键形成的晶体
第03章 元素半导体材料
1、掌握硅材料的物理化学性质、晶体结构、能带结构
物理化学性质:常温下，只与强碱、氟气、氟化氢和硝酸的混合溶液反应。

高温下，较活泼。

能带结构:间接带隙结构, 价带：轻空穴和重空穴 轻空穴－－－有效质量小
重空穴－－－有效质量大
Si 的本征载流子浓度：
2、掌握硅中的C 、O 、H 和金属杂质及其他缺陷
氧对单晶硅性能的影响
（1）：氧原子
氧处于间隙位置，对位错起到了钉扎的作用,增加机械强度。

（2）氧沉淀：
第一，钉扎位错，增加机械强度；
第二，适量的氧沉淀起到内吸杂或称本征吸杂的作用；
第三，过量的氧沉淀引起大的应力，使硅片翘曲，诱生二次缺陷；
第四，与杂质形成复合体，成为载流子复合中心，影响少子寿命。

（3）氧施主：
直拉硅单晶的氧杂质在低温热处理时，会产生施主效应，使得N 型硅晶体的电阻率下降，P 型硅晶体的电阻率上升。

施主效应严重时，能使P 型硅晶体转化为N 型。

消除热施主的方法：650℃退火，退火时间小于10小时。

O 的危害/O 的作用：增强机械强度 内吸杂
热处理过程中，过饱和间隙氧会在晶体中偏聚，沉淀而形成氧施主、氧沉淀和二次缺陷等 氧沉淀过大会导致硅片翘曲，并引入二次缺陷
碳对单晶硅性能的影响
103
1.510i n cm -=⨯
（1）非电活性杂质，替位杂质。

碳的原子半径小于晶格中硅原子的半径，碳原子处于晶格位置，会引入晶格应变，碳浓度的增加能够引起晶格常数的减小。

（2）碳和氧会相互作用
第一，促进氧沉淀：碳在低温退火时参与了氧沉淀的形核过程，从而促进了氧沉淀；
第二，抑制热施主：碳和氧作用形成C一O复合体，能抑制热施主的形成；
第三，促进新施主：在高碳硅晶体中，碳原子能够促进新施主的生成，原因不明确。

C的危害
碳沉淀的形成会降低击穿电压，增加漏电流；C会促进氧沉淀和新施主的形成；
C会抑制热施主的形成
金属杂质对单晶硅性能的影响
（1）单个金属原子对器件性能的影响：深能级复合中心，俘获少数载流子，导致少子寿命大幅度降低；
（2）金属原子沉淀在硅晶体：
第一，它也能使少数载流子的寿命减少，降低其扩散长度；
第二，金属沉淀在空间电荷区，由于它的介电常数和硅基体不一样，而产生漏电流。

H的作用
H在硅中处于间隙位置，可以正负离子两种形态出现；
H在硅中形成H-O复合体
H能促进氧的扩散和热施主的形成；
H会钝化杂质和缺陷的电活性；
H能钝化晶体的表面或界面，提高器件的性能
3、了解硅材料的用途
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
4、掌握粗硅的制备方法
对于金属杂质而言，冶金级硅的纯度（2-3）个9；高纯多晶硅的纯度高于（6）个9；高纯单晶硅的纯度高于（11）个9；电子级硅的纯度高于（9）个9；用于超大规模集成电路的硅材料的纯度（10-11）个9；太阳能级多晶硅的纯度一般认为需大于（6）个9。

方法：（1）三氯氢硅氢还原法；（2）甲硅烷热分解法。

（3）四氯化硅氢还原法；
（4）二氯二氢硅还原法；
5、掌握三氯氢硅氢还原法和硅烷热分解法制备高纯多晶硅的工艺
三氯氢硅还原法(西门子法)制备高纯多晶硅的工艺。

三步骤：（1）合成中间化合物三氯氢硅SiHCl3 主要反应式：
（2）三氯氢硅提纯
（3）用氢还原三氯氢硅得到高纯硅多晶
硅烷热分解法制备高纯多晶硅
（1）硅烷（SiH4）的制备
（2）硅烷（SiH4）的提纯
（3）硅烷（SiH4）的热分解
1、氢化铝锂在乙醚溶液中与四氯化硅反应生成硅烷（不安全，易爆炸）
（2）硅烷的提纯
1、金属杂质在制备硅烷的过程中不能形成挥发性化合物，在硅烷生成过程中，金属杂质已被除去；
2、去硼，
3、提纯的对象是施主杂质和碳化物
（3）硅烷的热分解
6、掌握分凝效应
分凝现象：含有杂质的晶态物质熔化后再结晶时，杂质在结晶的固体和未结晶的液体中浓度不同，这种现象叫分凝现象。

平衡分凝系数：固液两相达到平衡时，固相中的杂质浓度和液相中的杂质浓度的比值称为平衡分凝系数，用K0表示。

K0＝Cs/CL
(1)CS＜CL, K0 ＜1提纯时杂质向尾部集中
(2) CS ＞CL, K0 ＞1提纯时杂质向头部集中
(3) K0 = 1分布状态不变,不能用于去除杂质
7、掌握悬浮区熔法制备高纯单晶硅的原理及工艺
区熔法：水平区熔法（Ge,GaAs）
悬浮区熔法（Si）
悬浮区熔法：在气氛或真空的炉室中，利用高频线圈在单晶籽晶和其上方悬挂的多晶硅棒的接触处产生熔区，然后使熔区向上移动进行单晶生长。

由于硅熔体完全依靠其表面张力和高频电磁力的支托，悬浮于多晶棒与单晶之间，故称为悬浮区熔法。

工艺：原料准备，装炉，抽真空，充惰性气体，高频感应加热，熔接籽晶，缩颈，放肩，等径生长，停炉
区熔法制备单晶硅的特点：
1.不使用坩埚，单晶生长过程不会被坩埚材料污染
2.由于杂质分凝和蒸发效应，可以生长出高电阻率硅单晶（可以利用悬浮区熔进行多次提纯，所以单晶的纯度高。

）
8、掌握直拉法制备单晶硅的原理及工艺
直拉法：切克劳斯基法，CZ法
在一个直通型的热系统中，用石墨电阻加热，将装在高纯石英坩埚中的多晶硅融化，然后将籽晶在熔体表面进行熔接，同时转动籽晶，反向转动坩埚，籽晶缓慢向上提升，经过引晶、放肩、转肩、等径生长、收尾等过程，单晶就生长出来了。

（1）炉体：夹层水冷式不锈钢炉壁，上下炉室用隔离阀隔开；（2）晶体和坩埚的转动及提升部分；（3）控制部分：晶体转速、坩埚转速、坩埚升速、炉内压力、氩气流量、冷却水流量、安全报警进行全程监控；（4）气体控制：炉内压力和气体流量；（5）热场配置：石英坩埚、石墨坩埚、加热器、保温层。

电压几十伏、电流几千安培、加热器电阻0.01~0.015欧姆备料工艺：硅料和籽晶腐蚀、清洗。

腐蚀:用氢氟酸和硝酸的混合溶液腐蚀掉硅料表面的污染物
清洗:洗去浮渣
拉晶工艺：（装炉、抽真空、）多晶硅料加热熔化、浸入籽晶、熔接、引晶、放肩、转肩、等
径生长、收尾、（降温、停炉）。

9、掌握直拉法制备单晶硅的各种影响因素及解决方案
检漏
通氩气：避免产生位错
位错产生的两个原因：
（1）熔体过热，其中的气体会形成“鼓泡”，熔体波动，易形成位错
（2）挥发物冷凝形成颗粒，落入熔体，会形成位错源
加热熔化：熔料时温度不高也不低；温度过低，时间太长；温度过高，硅与石英坩埚反应，增加硅中的杂质。

常见的异常现象：（1）跳硅：熔硅在坩埚中沸腾；
（2）挂边：绝大部分硅熔化后，硅熔体上面坩埚边上粘有硅块；
（3）搭桥：硅熔完后，部分硅块在硅熔体上边形成一座桥；
10、掌握晶片加工工艺
第04章化合物半导体材料
1、掌握III-V族化合物半导体的共有的特性
GaAs，GaP，GaN，InAs，InP，InN，AlN
（1）带隙较大－－带隙大于1.1eV
（2）直接跃迁能带结构－－光电转换效率高
（3）电子迁移率高－－高频、高速器件
2、掌握GaAs, InP, GaN的电学性质、光学性质及应用
A．GaAs直接带隙结构。

双能谷。

轻空穴和重空穴带隙为1.42 eV。

负阻现象
GaAs电学性质
有效质量越低，电子速度越快。

GaAs中电子有效质量为自由电子的1/15，是硅电子的1/3GaAs 电子迁移率比Si大五倍。

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
GaAs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GaAs的应用
微电子领域：用于移动通信、卫星通信、雷达系统、红外探测及成像。

光电子领域：作为发光二极管和激光器的衬底材料。

太阳能电池领域：转换效率、抗辐照、温度稳定性方面有独特优势
B．InP特性
高电场下，电子峰值漂移速度高于GaAs中的电子，是制备超高速、超高频器件的良好材料；InP作为转移电子效应器件材料，某些性能优于GaAs
InP的直接跃迁带隙为1.35 eV，正好对应于光纤通信中传输损耗最小的波段；
InP的热导率比GaAs好，散热效能好
InP是重要的衬底材料
C．GaN
III族氮化物InN(0.7eV), GaN(3.4eV), AlN(6.2eV),多元合金化合物禁带宽度（2.3～6.2eV)，直接带隙，可以覆盖红、黄、绿、蓝、紫和紫外光谱范围，是到目前为止其它任何半导体材料都无法达到的
光电子器件，特别是短波长光电子器件的优选材料
优良的化学稳定性和热稳定性，适合发展高温、高频、大功率电子器件
GaN基III族氮化物是目前最引人注目的新一代半导体材料
GaN的应用
1实现半导体照明。

2. 提高光存储密度。

3. 改善军事系统与装备性能。

LED照明的优点
发光效率高，节省能源，耗电量为同等亮度白炽灯的10%-20%，荧光灯的1/2，绿色环保，冷光源，不易破碎，没有电磁干扰，产生废物少，寿命长，寿命可达10万小时，固体光源、体积小、重量轻、方向性好，单个单元尺寸只有3~5mm，响应速度快，并可以耐各种恶劣条件，低电压、小电流。

3、掌握II-VI族化合物半导体的共有的特性
II-VI族化合物离子键成分更多，极性更强，具有更高的蒸气压，生长单晶更为困难。

II-VI族化合物均为直接跃迁带隙结构，带隙比周期表同一行的III-V族要大
4、掌握ZnO的性质及应用
目前宽禁带半导体研究的有一个重要热点
ZnO被认为在紫外光电子器件方面具有很好的应用前景，成为继GaN材料之后又一备受关注的半导体光电材料。

ZnO n型掺杂容易，p型掺杂异常困难
II-VI族化合物中，Zn和O的电负性相差最大极性最强。

C轴极性，c/a<理想六方结构的数值
ZnO的极化面对材料的性质和材料的生长、掺杂有重要的影响
（1）Zn极化面，Zn原子作为正电中心，易与具有电负性的原子成键；
O极化面，难与具有电负性的原子成键，影响掺杂效率和杂质浓度。

（2）Zn极化面比O极化面具有较快的生长速率。

（3）O面具有较快的腐蚀速度
最重要的点缺陷：氧空位（VO）、锌间隙（Zni），被认为是本征ZnO n型导电的原因。

ZnO的发光机制非常复杂。

ZnO的光学性质
发光机制：带间跃迁发光、激子复合发光、杂质缺陷能级跃迁发光。

可见光发光过程非常复杂，与不同类型的杂质缺陷有关。

紫带发光（3.06eV）绿带发光（2.45eV）黄带发光（2.2eV）红带发光（2.0eV）
第05章固溶体半导体材料
1、掌握半导体固溶体的概念及其性质
半导体固溶体定义：
两种或两种以上同一类型的半导体材料组成的一种具有半导体性质的固溶体，又称为混晶半导体或者合金半导体。

可看成是两种或两种以上的材料通过互溶方式形成，每种材料的含量用组分表示。

主要有硅锗固溶体、III-V族化合物固溶体和II-VI族化合物固溶体等。

（1）晶格常数服从Vegard关系：通过对固溶体晶格常数的测定，可以确定固溶体的组分。

（2）能带结构是其组分的函数
（3）固溶体的禁带展宽与跃迁类型的转变同类型的半导体材料的禁带宽度随组成元素的平均原子序数的增加而减小。

影响固溶体的因素（1）质点尺寸因素（2）晶体结构类型（3）电价因素
2、掌握SiGe固溶体的性质及其应用
SiGe固溶体的性质电学性质－－禁带宽度
应用（1）新型的微电子和光电子器件。

（2）在SiGe上再生长Si，Si材料受到生长平面内的张应变，可得到迁移率高的应变Si，大大提高器件的速度。

（3）应用于高速SiGe双极晶体管及其相关电路的研制（4）用于制作新型硅基太阳能电池
3、掌握几种III-V族和II-VI族固溶体半导体的性质
4、掌握稀磁半导体的性质及其应用
稀磁半导体材料是将一部分的非磁半导中的原子由磁性原子代替，形成具有磁性的三元或更多的半导体材料。

因为一般掺入的杂质浓度不高，磁性比较弱，因而叫做稀磁半导体，或者半磁半导体
具有半导体和磁性的性质，在一种材料中同时应用电子电荷和自旋两种自由度，因而引起科研工作者的广泛关注，目前尚处于研究阶段。

第06章非晶、有机和微结构半导体材料
1、掌握非晶半导体的概念
与晶态半导体材料相比，非晶态半导体材料的原子在空间排列上失去了长程有序性，但其组成原子也不是完全杂乱无章地分布的。

由于受到化学键，特别是共价键的束缚，在几个原子的微小范围内，可以看到与晶体非常相似的结构特征。

所以，一般将非晶态材料的结构描述为：“长程无序，短程有序”。

2、掌握非晶半导体的基本性质
（1）能带模型
（1）短程有序－－基本能带：每个原子与周围原子的键和与相应的结晶态相同，有相同的共价键数。

（2）长程无序－－定域态带尾：键长和键角发生起伏。

（3）悬挂键－－带隙中间形成隙态：悬挂键
（2）直流电导率
晶态半导体的导电主要是靠导带中的电子或价带中的空穴
而在非晶态半导体中存在有扩展态、尾部定域态、禁带中的缺陷定域态等，这些状态中的电子(或空穴)都可对电导有贡献。

非晶半导体中载流子输运是一种弥散输运－－长程无序
弥散输运有两种机制：a 多次陷落机制b 跳跃机制
（3）光学性质
电子跨越禁带时的跃迁没有直接跃迁和间接跃迁的区别，
电子跃迁时不再遵守动量守恒的选择定则，可比晶体硅更有效的吸收光子，
非晶结构上的无序使非晶半导体中的电子没有确定的波矢。

3、掌握非晶硅的优缺点及其在太阳能电池中的应用
优点: 1.很好的光学性能，在可见光谱区域内具有高的光吸收系数和光电导特性
2. 可实现高浓度掺杂，也能制备高质量的pn结和多层结构，易形成异质结，有利于器件的制造。

3.只要改变原材料的气相成分或气体流量，便可对非晶硅薄膜改性
非晶硅可形成禁带宽度各不相同的多种非晶合金（α-Si:H 中掺入C, N, O, Sn, Ge），而且每种非晶合金的禁带宽度还可用调节成分的方法，在一定范围内进行调节，以满足各种器件的需要4. 可在较低温度下(180~250℃) ，采用化学气相沉积等方法进行制备薄膜，能耗低，成本少5. 材料和制备工艺成本低，可生长在廉价的衬底，如：玻璃、塑料、不锈钢
缺点：1.它的内部构造的混乱导致电子和空穴等载流子的寿命短，扩散长度小，因此，缺乏长期稳定性，处于非平衡态，使器件特性下降；在长期的强光照射下，会产生光疲劳效应，使光电导和其他特性下降。

2. 载流子迁移率低，不利于制备高频高速器件；但可用于低功耗产品中
应用:1、非晶硅具有较高的光吸收系数。

特别是在0.3-0.75μm的可见光波段，它的吸收系数比单晶硅要高出一个数量级。

它比单晶硅对太阳辐射的吸收效率要高40倍左右，用很薄的非晶硅膜（约1 μm厚）就能吸收90%有用的太阳能。

2、非晶硅是准直接带隙结构，禁带宽度比单晶硅大，随制备条件的不同约在1.5-2.0 eV的范围内变化，这样制成的非晶硅太阳能电池的开路电压高。

3、制备非晶硅的工艺和设备简单，淀积温度低，时间短，适于大批生产。

4、由于非晶硅没有晶体所要求的周期性原子排列，可以不考虑制备晶体所必须考虑的材料与衬底间的晶格失配问题。

因而它几乎可以淀积在任何衬底上，包括廉价的玻璃衬底，并且易于实现大面积化
4、了解有机半导体的概念及其在有机发光半导体中的应用
有机半导体是指电导率介于有机绝缘体和有机导体之间的一类有机化合物,其电导率一般为10- 10 ～102 Ω/ cm。

应用:
5、掌握异质结、超晶格、量子阱、量子线和量子点的概念,性质,应用
由两种不同半导体材料所组成的结，称为异质结。

两种或两种以上不同材料的薄层周期性地交替生长，构成超晶格。

当两个同样的异质结背对背接起来，构成一个量子阱。