半导体材料总结

除硼效果好/无腐蚀，降低污染/无需还原剂，分解效率高/制备多晶硅金属杂质低《二》Keff有效分凝系数：为描述界面处薄层中杂质浓度的偏离对固相中杂质浓度的影响，通常把固相杂质浓度CS与固体内部杂质浓度CL0的比值Keff=CS/CL02BPS公式000)1(kekkKDfeff:扩散层厚度D扩散系数f熔区移动速度影响分凝系数的因素：FD/δDfe→0,effK→1FD/Dfe→1,effK→03正常凝固过程，一次区熔过程锭条中杂质浓度CS公式说明物理量含义1正常凝固过程10)1(ksgkcc0c：材料凝固前的杂质浓度k：分凝系数g：以凝固一部分长度2一次区熔[lkxsekcc)1(10]x以区熔部分长度l熔区长度影响区熔提纯的因素1熔区长度2熔区移动速度3区熔次数的选择4质量运输《三》01101lnln001ppRTppRTdppRTvdpGppPPlnln010KTppNRTg1气固只有01pp或1时即有一定饱和度时，ΔG,Δg，Δvg为负才可自发进行2均匀成核：在一定饱和度，过冷度的条件下，由体系直接形成晶核临界半径vgr2*形核功2*316*rG=2316vg非均匀成核：体系中存在外来质点（尘埃，固体颗粒，籽晶等），在外来质点上成核临界半径vgr2*形核功33316*vgG)(f非均*G均*G因此非均匀成核比均匀成核容易的多3直拉单晶生长工艺润晶→引晶→缩径→放肩→等径生长→收尾4自然对流：重力场中，以流体密度（）的差异产生浮力做驱动力，浮力克服粘滞力产生强迫对流：为加快热量与溶质的输运，改善均匀性，人为地进行搅拌，晶体与坩埚旋转，这种人为造成熔体的流动。花样对流的主要特点：1热对流：如坩埚内自然对流，沿坩埚上升，在表面中心下降2晶体旋转引起强迫对流，晶体旋转产生离心率3坩埚旋转引起强迫对流3.1正常情况下直拉单晶中生长各个阶段界面形状的变化固液界面宏观形状与等于熔点的等温面吻和界面有：平坦凸向熔体凹向熔体三种情况引晶，放肩等径生长收尾5柯赛尔得要点：一个原子在晶格上的稳定性由其受周围原子力大小决定，晶格表面上不同格点位置所受吸引力是不同的，生长基元优先生长在最稳定的位置，吸引力大小扭折处》台阶上》表面上》棱边上》晶角处弗兰克要点：在生长晶面上，螺旋位错露头点可作为晶体生长的台阶源，当生长基元扩散到台阶处，台阶便向前推进，晶体就生长了螺旋位错形成的台阶具有以下特征：1永远不消失的台阶想海浪一样向前推进2不需要二维成核过程3生长连续饱和度过低6杰克逊因子表达式及推导vykTLE10*EkTL0：物质的相变熵，决定于物质的本性，共存两相的类别ET：相变时平衡温度0L：单个原子相变时内能改变量ETL0：单个原子旳相变熵vy1：取向因子，取决于晶体结构和界面的取向，反应晶体的各向异性1y：原子在界面内的一水平方向的近邻原子数，它决定了界面的取向v：晶体内部的一个原子的近邻原子数，与晶体结构有关7与生长系统12：光滑面如气相生长，溶液生长，氧化物熔体生长22：粗糙面如金属熔体生长3介于氧化物与金属之间：为半导体材料如is取向因子vy1起决定性作用，对密排面（111），取向因子=43最大，2，可为光滑面8界面热流连续性方程CFLQQQ~HfAdQFAddKQLZTLL)(AddKQSZTSC)(SZTSLZTLddAKHfAdddAK)()(~1SZTdd)(越大或LZTdd)(越小，生长速度f越大2生长速度f一定时，~/)(HfdQQALCCQ越大或LQ越小，A越大3fA,一定时（等径匀速生长），)(LCQQ要一定，即LQ要随CQ变化《》实际生产中：rf1//常改变拉晶速度与加热功率控制晶体半径9熔体生长的晶体中温度分布规律温度分布以晶体旋转轴z为对称轴，当zr,一定时，温度也相同1径向温度分布当z一定时在同一水平面以r为半径的周围上各点温度相同2纵向温度分布当r为常数，常数)z(常数e温度随z增大而指数关系降低3,0h等温线是凹向的。环境冷却晶体，温度随r的增大而减小0h，等温线是凸向的。环境给晶体加热，温度随r的增大而增大4当z为常数时，温度梯度的轴向分量z与r的变化关系,0hz随r增大而下降0h，z随r增大而增大10熔体生长时单晶炉内热场的基本要求1熔体中：纵向温度梯度(dT/dz)L0，径向温度梯度（dT/dr）L0即熔点内部温度高于熔点，保证熔体中不发生均匀成核同时坩埚壁处温度高于熔点，保证坩埚边缘处不发生非均匀成核2晶体中(dT/dz)S0，且大小相当，既能排出相变潜热又不因过大使缺陷增加而影响晶体完整性《四》1小平面效应晶体生长的固液界面，由于受坩埚中熔体等温面的限制，常常是弯曲的，如果再生长晶体时迅速提起晶体，则固液界面处会出现一小片完整的平面，通常称为小平面。小平面杂质浓度与非小平面区差异很大，杂质在小平面区分布异常的情况。2CZ法中影响单晶纵向电阻率均匀性的因素及控制办法分凝，蒸发，玷污1分凝：变速拉晶2蒸发：调节真空度3稀释：双坩埚及连续送料CZ技术4提高有效分凝系数：强磁场中拉单晶MCZ5中子嬗变掺杂NTD3CZ法中影响单晶纵向电阻率均匀性的因素及控制办法小平面效应，固液界面平坦度1调平固液界面1调整生长热系统，使径向温度梯度变小2拉晶参数凸界面增大拉速凹界面降低拉速3晶体或坩埚转速增大晶转使凸变凹增大坩埚转使凹变凸4坩埚与晶体直径的比值3——2.5：12调频固液界面可消除小平面效应带来的径向电阻率分布不均匀性3提高有效分凝系数：强磁场中拉单晶MCZ4中子嬗变掺杂NTD3漩涡缺陷无位错单晶在生长方向的横断面经西特尔腐蚀后所观察到的呈漩涡状分布的宏观缺陷花纹4组分过冷条件，在平坦界面的干扰如何发展为胞状界面及枝蔓生长1组分过冷：原来固液界面前沿的过热熔体因杂质聚集产生过冷区，这种因组分变化而产生冷现象T(Z)=T(0)+)(ZCLeffSLKCZC)(effLSKCCeffeffLLKKCZC)(凝固点处曲线斜率dT(Z)/dZ|Z=0=DfKKKCeffL00)1(固液界面斜率:GdZZdTL|)(|组分过冷临界条件GDfKKKCeffL00)1(组分过冷条件001DKKKCfGeffL2K1的溶质在界面前不断排泄溶质，使相邻凸起间的沟槽内溶质增加的比凸起尖端的更为迅速，而沟槽中溶质扩散到“大块”熔体中的速度又较凸起尖端的小，于是沟槽溶质浓集由于溶液凝固点随浓度增加而降低，因而沟槽不断加深，在一定条件下界面达稳定状态此后晶体生长就是该稳定的胞状界面以恒速向熔体中推进5CZ法中杂质参入的办法与其选择依据共熔法投杂法共熔法：不易挥发的杂质如硼。把参入元素或母合金与原料一起放到坩埚中融化投杂法：易挥发的杂质，如砷，锑等放入掺杂勺中，待材料融化，在拉晶前再投放到熔体中，并需充入氢气抑制杂质挥发6控制无位错单晶1正确选择籽晶：表面光洁没有属性结构籽晶晶向：生长方向与{111}面最小夹角最大2采用合适的拉晶工艺：缩颈，籽晶预热7位错对材料性能的影响1载流子浓度2迁移率3非平衡载流子寿命4器件《五》1外延生长在一定条件下，经切，磨，刨等仔细加工的单晶衬底上，生长一层合乎要求的单晶层方法2自掺杂杂质从衬底及基座中蒸发出来进入气相中继而再次掺杂到外延层中，也包括衬底基座被腐蚀而进入气相中进而掺入外延层中3影响外延生长生长速率的因素1化学源：化学速率——来于所选硅源，随Cl元素增大而下降2反应物摩尔分数：对于4SiCl源，随浓度增加，生长速率先增大后减小3沉积温度：生长速率随温度升高而增加，低温区生长速率随温度升高呈指数规律上升，生长速率对温度敏感，高温区变化较平缓，生长速率对温度变化不敏感4气流速度：生长速率与流速平方根成正比5衬底晶向：晶面间共价键数目越多，键合能力越强，生长速率越快,晶面面密度越小，生长速率越快4格洛夫解释在高温区与低温区的外延生长是温度与生长速度的关系YNCKhhKGTSGGS*1)(kTESaeK23/203/203/2)(TTDDhAG1低温区，表面反应慢，反应速率受表面反应控制，SGKh:NYCKGTS/2高温区，表面反应快，反应速率受质量输运控制SGKh:NYChGTG/5外延层生长沉积在衬底上的一部分，外延片是外延层加衬底6边界层在接近基座表面的流体中就出现一个流体速度受到干扰而变化的薄层，而在此薄层外的流速则不受影响7角锥体又称三角锥或乳突，如星体结构ld816.0《六》1发光机制2三温区横拉法高温区：1T（1250·）控制其高于GaAs熔点，以维持其熔体状态合成GaAs中温区：2T（1100·）即可调整固液界面附近生成的温度梯度，还可抑制石英舟中硅中Si对警惕的污染。本质在于抑制高温区反应生成OGa2从高温区向低温区扩散高温区)(22)()(2)(4gOGasSisSiOlGa低温区)(4)(32)(4)(23sGaAssOGagAsgOGa3LEP/LEC在熔体上覆盖透明而粘滞的惰性气体，再向单晶炉内充入大于熔体离解压的惰性气体，并用此法抑制化合物材料的理解4SSD化合物溶质在出于高温区的溶剂表面合成，在温度梯度与浓度梯度的驱动下向坩埚底部扩散，并在温度较低的坩埚底部析出晶体5从能带结构特点比较Si与GaAs在应用上的不同1Si作间接带隙半导体，只做微电子器件。GaAs直接带隙半导体，作光电材料做发光与激光器件2GaAs的禁带宽度比Si大为1.43ev，因此它可在较高温度下工作。而Si工作温度250·3GaAs在100方向上具有双能谷能带结构。导带中有两个能谷：主能谷。X次能谷。当外电场超过某一阈值时：电子由主能谷向次能谷转移，表现为负阻效应《七》1卤化物与氢化物法差别2MOVPE原理采用Ⅲ族，Ⅱ族元素的有机化合物与Ⅴ族，Ⅵ族元素的氢化物作为晶体生长的原材料，以热分解方式在衬底上进行外延生长Ⅲ-Ⅴ族，Ⅱ-Ⅵ族化合物及它们的多元化合物薄层单晶3双气流MOVPE采用二组输入反应室的气路进行外延生长：一路；主气路，沿与衬底平行方向输入反应气体另一路：副气路，在垂直于衬底的方向高速输入非反应气体《副气路的输入气体作用是改变气流的流向与抑制生长热对流，从而可生长具有高迁移率的单晶层4LPE生长GaAs说明如何在A点开始外延生长1Ga溶液组分为1LC,当温度ATT时，它与GaAs衬底接触，此时A点处于液相区，故它将溶解掉GaAs衬底2GaAs衬底溶解后溶液中As量增大，A点朝右移动至A’后GaAs才停止溶解，溶液为饱和态3降温后，溶液为过饱和，此时GaAs将析出并沉积在GaAs衬底上进行外延生长5GaN进度慢1目前没有生长GaN体单晶的技术：熔点高，离解压高，只能异质外延，价格昂贵2GaN的P型掺杂问题HMg络合物的形成降低了掺杂效率，P型GaN电导率低3异质外延生长难点：1GaN生长温度下的离解，造成偏离化学计量比2衬底的匹配：异质外延的晶格失配与热失配造成外延层大量位错6在Ⅲ-Ⅴ族化合物指出CBEMOVPEMBE,,法使用的Ⅲ族源及各自生长机理1MBE,Ⅲ族为固体金属。生长机理：Ⅲ族元素是以原子或分子束的形式射向衬底表面，并在其上面移动，占据适当的格点，生长速度受限于固态源的形成分子束流的速度。2MOVPE,Ⅲ族源为金属有机化合物。生长机理：金属有机化合物到达衬底前部分热分解，，金属有机化合物及分解物通过扩散穿到衬底表面上面的边界层，再被加热的衬底完成全部分解成Ⅲ族原子。控制边界层的扩散速度来控制生长速度3CBE,Ⅲ族源为固体金属时生长机理和MBE相同。Ⅲ族源为金属有机化合物时，生长机理：分子束直接射到衬底表面，衬底表面上方没有边界层，衬底表面以外不发生热分解。生长速率由金属化合物的供给速率与衬底表面热分解的速率决定《八》1四元固溶体半导体与三元固溶体半导体相比较优势1三元固溶体通过调整组分