《硅半导体材料基础》PPT课件

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1、第3章硅半导体材料基础3.1半导体材料概述3.1.1半导体材料发展根据物质的导电性质，将它们分为导体、绝缘体和介于两者之间的半导体三大类。1947年锗晶体管的诞生引起了电子工业的革命，打破了电子管一统天下的局面，从此人类从使用电子管的时代进入半导体时代。进入20世纪60年代，半导体工业的发展发生了一次飞跃，这是由于以硅氧化和外延生长为前导的硅平面器件工艺的形成，使硅集成电路的研制获得成功。此外，GaN及其多元化合物还是半导体照明的首选材料。半导体灯将有可能像50年前，晶体管取代电子管那样替代白炽灯，使照明工程进入一个新时代。发光二极管（LED）全彩显示屏世界上第一只锗晶体管及

2、发明者3.1.2半导体材料的分类对半导体材料可从不同的角度进行分类，例如根据其性能可分为高温半导体、磁性半导体、热电半导体；根据其晶体结构可分为金刚石型、闪锌矿型、纤锌矿型、黄铜矿型半导体；根据其结晶程度可分为晶体半导体、非晶半导体、微晶半导体，但比较通用且覆盖面较全的则是按其化学组成的分类，依此可分为：元素半导体、化合物半导体和固溶半导体三大类。1.元素半导体已知有12种元素具有半导体性质，目前使用的元素半导体主要是硅和锗。2.化合物半导体化合物半导体材料的种类繁多，性能各异，因此用途也就多种多样。化合物半导体按其构成的元素数量可分为二元、三元、四元等。按其构成元素在元素周

3、期表中的位置可分为Ⅲ-Ⅴ族、Ⅱ-Ⅳ族等。3.固溶半导体由两个或两个以上的元素构成的具有足够的含量的固体溶液，如果具有半导体性质，就称为固溶半导体，简称固溶体或混晶。因为不可能做出绝对纯的物质，材料经提纯后总要残留一定数量的杂质，而且半导体材料还要有意地掺入一定的杂质，在这些情况下，杂质与本体材料也形成固溶体，但因这些杂质的含量较低，在半导体材料的分类中不属于固溶半导体。3.2硅材料的主要性质硅具有银白色或灰色金属光泽，晶体硬而脆，硅的外观如图3-4所示。硅熔体密度比固体密度大，故熔化后会发生体积收缩，类似于冰与水的关系。硅的外观3.2.1硅材料的化学性质在室温下，硅的化学性质

4、比较稳定，与空气、水和酸均无反应，但与强酸、强碱作用，硅极易被HNO3–HF的混合酸所溶解，因此，在硅片加工及集成电路器件工艺中，HNO3–HF混合酸常常用作硅的腐蚀液。在高温下，硅与锗的化学活性大，可与氧、卤素、卤化氢、碳等反应。硅与卤素或卤化氢作用可生成相应的卤化物。生成的SiCl4可作为硅外延生产的原料，生成的SiHCl3是高纯硅化学提纯的中间产物。硅在高温下可与H2O、O2发生如下反应，硅平面工艺中，常用此反应制备SiO2掩蔽膜。硅烷的活性很高，在空气中自燃，固态硅烷与液氧混合，在-190℃低温下也易发生爆炸，因其危险性，使用受到限制。硅烷由于4个键都是Si-H键，很

5、不稳定，易热分解。用这一特性可制取高纯硅。3.2.2硅材料的晶体结构固体材料按其结构可以分为晶体、非晶体和准晶体。晶体中的原子在空间上作周期性排列，具有长程有序性；非晶体中粒子在空间的分布是完全无序的或仅仅具有短程有序，不具有长程的周期性；准晶体的结构介于晶体和非晶体之间。1.晶体的共性（1）长程有序（2）自限性（3）各向异性（4）对称性（5）固定的熔点单晶、多晶和非晶体原子排列2.硅晶体的金刚石结构硅原子序数分别为14，核外电子分布为：Si—1S22S22P63S23P2硅每个原子周围都有4个最近的原子，可与邻近的4个原子生成4个共价键，形成正四面体结构，上述正四面体累积起

6、来就得到金刚石结构。正四面体及金刚石结构示意图3.2.3硅材料的电学性质半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间，半导体之所以得到广泛应用，是因为它的导电能力受掺杂、温度和光照的影响十分显著。（1）半导体的电导率随温度升高而迅速增加（2）杂质对半导体材料导电能力的影响非常大（3）光照对半导体材料的导电能力也有很大的影响（4）除温度、杂质、光照外，电场、磁场及其他外界因素（如外应力）的作用也会影响半导体材料的导电能力。3.2.4硅材料的热学性质硅是具有明显的热膨胀及热传导性质的材料，当硅在熔化时其体积会缩小，反之，当硅从液态凝固时其体积会膨胀，正因如此，在采用直拉法（CZ法）技术生

7、长晶体过程中，在收尾结束后，剩余的硅熔体冷却凝固时会导致石英坩埚破裂现象。由于硅具有较大的表面张力和较小的密度（液态时为2.533g/cm3），据此特性可采用悬浮区熔技术生长晶体，此法既可避免石英坩埚对硅的玷污，又可进行多次区熔提纯及制备低氧高纯的区熔硅单晶。3.2.5硅材料的机械性质在室温时，硅是一种无延展性的脆性材料。但在温度高于700-800℃时，硅却具有明显的热塑性，在应力的作用下会呈现塑性变形。硅的抗拉应力远远大于抗剪应力，故在硅片的加工过程中会产生弯曲和翘曲，也极容易产生裂纹或破碎。3.3硅