段辉高2半导体中的材料、硅片制作流程.pptx
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➢ 金刚石具有最大的禁带宽度、最高的击穿场强和 最大的热导率，被称为最终的半导体。此外，极 窄带隙半导体材料，如InAs（0.36 eV）等，也 被人们广泛研究。
➢ 石墨烯与碳纳米管等半导体材料。
22
几种常见半导体材料的主要特性参数
8
绝缘体
• 绝缘体的价电子层不具有束缚松散的电子可用于导电，它有很 高的禁带宽度来分隔开价带电子和导带电子。
半导体制造中的绝缘体包括二氧化硅（SiO2）、氮化硅（Si3N4） 和聚酰亚胺（一种塑料材料）。
半导体
半导体材料具有较小的禁带宽度,其值介于绝缘体（>2eV）和导体 之间。这个禁带宽度允许电子在获得能量时从价带跃迁到导带。
图2.2 钠和氯原子的电子壳层
4
2.2 化学键
2.2.1 离子键
当价电子层电子从一种原子转移到另一种原子上 时，就会形成离子键，不稳定的原子容易形成离子 键。
图2.3 NaCl的离子键
5
2.2.2 共价键
不同元素的原子共有价电子形成的粒子键，原子 通过共有电子来使价层完全填充变得稳定。束缚电 子同时受两个原子的约束，如果没有足够的能量， 不易脱离轨道。
➢ 磷化铟器件的电子迁移率高达10000 cm2/V﹒s， 比砷化镓还高，所以其高频性能更好，工作频率 更高，且有更低的噪声和更高的增益。目前在 100 GHz左右的3mm波段多数都用磷化铟器件。
20
2.5.3宽带隙半导体——SiC、GaN
➢ 碳化硅原子束缚能力非常强，禁带宽度很宽，机 械硬度也很高，在20世纪80年代人们逐步掌握了 碳化硅晶体的生长技术后，90年代用于蓝光发光 材料，同时以碳化硅材料为基础的电力电子器件 和微波功率器件也相继问世。
➢ 硅具有很多优点，地球上储量丰富，易于提纯， 热稳定性好，在表面可生长质量很高的二氧化硅 层，工作温度可达160℃。硅几乎成了半导体的 代名词，全球硅集成电路年产值在2400亿美元左 右。
19
2.5.2 化合物半导体——GaAs、InP
➢ 砷化镓等材料的电子迁移率差不多是硅材料的6 倍。它们的峰值电子速度也是硅饱和速度的2倍 多。禁带宽度和临界击穿场强也比硅高，因此是 制造高频电子器件的理想材料。目前砷化镓是化 合物半导体的主流材料，全球砷化镓高频电子器 件和电路的年产值24亿美元。
镓、铟），主要载流子为空穴。
16
N型硅
硅原子 磷原子
Si
Si
多余电子
P
Si
17
P型硅
硅原子 空穴
硼原子
Si Si
B
Si
18
2.5 可选择的半导体材料
2.5.1 元素半导体——Ge、Si
➢ 最初大量使用的半导体材料是锗。1947年第一只 晶体管用的就是锗。但是锗的禁带宽度为0 67 V 热稳定性差最高工作温度只有85℃。
图2.1 碳原子的基本模型
3
电子能级：原子级的能量单位是电子伏特，它代表一个电子 从低电势处移动到高出1V的的电势处所获得的动能。 价电子层：原子最外部的电子层就是价电子层，对原子的化 学和物理性质具有显著的影响，只有一个价电子的原子很容 易失去这个电子，有7个价电子的原子容易得到一个电子， 具有亲和力。
14
2.4.2 纯硅
• 纯硅是指没有杂质或者其他物质污染的本征硅。 纯硅的原子通过共价键共享电子结合在一起。
+4
+4
+4
+4
共价键有很强的结合力， 使原子规则排列，形成晶体。
共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为
束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电
子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导
圆片制造中最重要的半导体材料是硅。
9
周期表中半导体相关元素
周期 2 3 4 5
Ⅱ
锌Zn 镉Cd
Ⅲ 硼B 铝Al 镓Ga 铟In
Ⅳ 碳C 硅Si 锗Ge
Ⅴ 氮N 磷P 砷As
Ⅵ
硫S 硒Se 锑Te
2.4 硅
硅是一种元素半导体材料，因为它有4个 价电子，与其他元素一起位于周期表中的ⅣA 族。硅中价层电子的数目使它正好位于优质 导体（1个价电子）和绝缘体（8个价电子） 的中间。
➢ 实验表明，氮化镓具有更好的发光性能，因此蓝 光发光领域内碳化硅已被氮化镓代替，目前氮化 镓是蓝光和白光发光器件的主流材料。同时，人 们还发现在微波功率放大领域，氮化镓的输出微 波功率比砷化镓和硅高出一个数量级以上。
21
2.5.4 半导体材料的新探索
➢ 随着材料技术的不断发展和成熟，新材料层出不 穷。人们可以用三种或四种元素人工合成混晶半 导体薄层单晶材料，调节这些元素的比例就可以 得到所想要的不同禁带宽度和不同晶格常数，称 此为能带工程。
11
硅的晶体结构
109º28´
地壳中各元素的含量
2.4.1 硅作为电子材料的优点
➢ 原料充分； ➢ 硅晶体表面易于生长稳定的氧化层，这对于保护
硅表面器件或电路的结构、性质很重要； ➢ 重量轻，密度只有2.33g/cm3； ➢ 热学特性好，线热膨胀系数小，2.5×10-6/℃ ，热
导率高，1.50W/cm·℃； ➢ 单晶圆片的缺陷少，直径大，工艺性能好； ➢ 化学性质稳定，常温下只有强碱、氟气反应； ➢ 机械性能良好。
图2.4 HCl的共价键
6
2.3 材料分类-能带理论
7
导体
导体在原子的最外层通常有一些束缚松散的价电子，容 易失去，金属典型地具有这种价电子层结构。
在一般的半导体制造中，铝是最普遍的导体材料，可以 用来充当器件之间的互连线，而钨可作为 金属层之间的互连 材料。
铜是优质金属导体的一个例子，逐渐被引入到硅片制造 中取代铝充当微芯片上不同器件之间的互连材料。
体的导电能力很弱。
15
2.4.3 掺杂硅
在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使 半导体的导电性能发生显著变化。
其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增 加。载流子：电子，空穴。 N型硅——在本征硅中掺入五价杂质元素（例如磷、
氮），主要载流子为电子。 P型硅——在本征硅中掺入三价杂质元素（例如硼、
第二章 半导体材料特性
1
பைடு நூலகம்纲
2.1 原子结构 2.2 化学键 2.3 材料分类 2.4 硅 2.5 可选择的半导体材料 2.6 新型半导体电子与光电材料
2
2.1 原子结构
原子由三种不同的粒子构成：中性中子和带正电的质子 组成原子核，以及围绕原子核旋转的带负电核的电子，质子 数与电子数相等呈现中性。
➢ 石墨烯与碳纳米管等半导体材料。
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几种常见半导体材料的主要特性参数
8
绝缘体
• 绝缘体的价电子层不具有束缚松散的电子可用于导电，它有很 高的禁带宽度来分隔开价带电子和导带电子。
半导体制造中的绝缘体包括二氧化硅（SiO2）、氮化硅（Si3N4） 和聚酰亚胺（一种塑料材料）。
半导体
半导体材料具有较小的禁带宽度,其值介于绝缘体（>2eV）和导体 之间。这个禁带宽度允许电子在获得能量时从价带跃迁到导带。
图2.2 钠和氯原子的电子壳层
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2.2 化学键
2.2.1 离子键
当价电子层电子从一种原子转移到另一种原子上 时，就会形成离子键，不稳定的原子容易形成离子 键。
图2.3 NaCl的离子键
5
2.2.2 共价键
不同元素的原子共有价电子形成的粒子键，原子 通过共有电子来使价层完全填充变得稳定。束缚电 子同时受两个原子的约束，如果没有足够的能量， 不易脱离轨道。
➢ 磷化铟器件的电子迁移率高达10000 cm2/V﹒s， 比砷化镓还高，所以其高频性能更好，工作频率 更高，且有更低的噪声和更高的增益。目前在 100 GHz左右的3mm波段多数都用磷化铟器件。
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2.5.3宽带隙半导体——SiC、GaN
➢ 碳化硅原子束缚能力非常强，禁带宽度很宽，机 械硬度也很高，在20世纪80年代人们逐步掌握了 碳化硅晶体的生长技术后，90年代用于蓝光发光 材料，同时以碳化硅材料为基础的电力电子器件 和微波功率器件也相继问世。
➢ 硅具有很多优点，地球上储量丰富，易于提纯， 热稳定性好，在表面可生长质量很高的二氧化硅 层，工作温度可达160℃。硅几乎成了半导体的 代名词，全球硅集成电路年产值在2400亿美元左 右。
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2.5.2 化合物半导体——GaAs、InP
➢ 砷化镓等材料的电子迁移率差不多是硅材料的6 倍。它们的峰值电子速度也是硅饱和速度的2倍 多。禁带宽度和临界击穿场强也比硅高，因此是 制造高频电子器件的理想材料。目前砷化镓是化 合物半导体的主流材料，全球砷化镓高频电子器 件和电路的年产值24亿美元。
镓、铟），主要载流子为空穴。
16
N型硅
硅原子 磷原子
Si
Si
多余电子
P
Si
17
P型硅
硅原子 空穴
硼原子
Si Si
B
Si
18
2.5 可选择的半导体材料
2.5.1 元素半导体——Ge、Si
➢ 最初大量使用的半导体材料是锗。1947年第一只 晶体管用的就是锗。但是锗的禁带宽度为0 67 V 热稳定性差最高工作温度只有85℃。
图2.1 碳原子的基本模型
3
电子能级：原子级的能量单位是电子伏特，它代表一个电子 从低电势处移动到高出1V的的电势处所获得的动能。 价电子层：原子最外部的电子层就是价电子层，对原子的化 学和物理性质具有显著的影响，只有一个价电子的原子很容 易失去这个电子，有7个价电子的原子容易得到一个电子， 具有亲和力。
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2.4.2 纯硅
• 纯硅是指没有杂质或者其他物质污染的本征硅。 纯硅的原子通过共价键共享电子结合在一起。
+4
+4
+4
+4
共价键有很强的结合力， 使原子规则排列，形成晶体。
共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为
束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电
子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导
圆片制造中最重要的半导体材料是硅。
9
周期表中半导体相关元素
周期 2 3 4 5
Ⅱ
锌Zn 镉Cd
Ⅲ 硼B 铝Al 镓Ga 铟In
Ⅳ 碳C 硅Si 锗Ge
Ⅴ 氮N 磷P 砷As
Ⅵ
硫S 硒Se 锑Te
2.4 硅
硅是一种元素半导体材料，因为它有4个 价电子，与其他元素一起位于周期表中的ⅣA 族。硅中价层电子的数目使它正好位于优质 导体（1个价电子）和绝缘体（8个价电子） 的中间。
➢ 实验表明，氮化镓具有更好的发光性能，因此蓝 光发光领域内碳化硅已被氮化镓代替，目前氮化 镓是蓝光和白光发光器件的主流材料。同时，人 们还发现在微波功率放大领域，氮化镓的输出微 波功率比砷化镓和硅高出一个数量级以上。
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2.5.4 半导体材料的新探索
➢ 随着材料技术的不断发展和成熟，新材料层出不 穷。人们可以用三种或四种元素人工合成混晶半 导体薄层单晶材料，调节这些元素的比例就可以 得到所想要的不同禁带宽度和不同晶格常数，称 此为能带工程。
11
硅的晶体结构
109º28´
地壳中各元素的含量
2.4.1 硅作为电子材料的优点
➢ 原料充分； ➢ 硅晶体表面易于生长稳定的氧化层，这对于保护
硅表面器件或电路的结构、性质很重要； ➢ 重量轻，密度只有2.33g/cm3； ➢ 热学特性好，线热膨胀系数小，2.5×10-6/℃ ，热
导率高，1.50W/cm·℃； ➢ 单晶圆片的缺陷少，直径大，工艺性能好； ➢ 化学性质稳定，常温下只有强碱、氟气反应； ➢ 机械性能良好。
图2.4 HCl的共价键
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2.3 材料分类-能带理论
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导体
导体在原子的最外层通常有一些束缚松散的价电子，容 易失去，金属典型地具有这种价电子层结构。
在一般的半导体制造中，铝是最普遍的导体材料，可以 用来充当器件之间的互连线，而钨可作为 金属层之间的互连 材料。
铜是优质金属导体的一个例子，逐渐被引入到硅片制造 中取代铝充当微芯片上不同器件之间的互连材料。
体的导电能力很弱。
15
2.4.3 掺杂硅
在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使 半导体的导电性能发生显著变化。
其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增 加。载流子：电子，空穴。 N型硅——在本征硅中掺入五价杂质元素（例如磷、
氮），主要载流子为电子。 P型硅——在本征硅中掺入三价杂质元素（例如硼、
第二章 半导体材料特性
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பைடு நூலகம்纲
2.1 原子结构 2.2 化学键 2.3 材料分类 2.4 硅 2.5 可选择的半导体材料 2.6 新型半导体电子与光电材料
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2.1 原子结构
原子由三种不同的粒子构成：中性中子和带正电的质子 组成原子核，以及围绕原子核旋转的带负电核的电子，质子 数与电子数相等呈现中性。