概述半导体材料

1第一章半导体材料概述21.1绪论31.1.1什么是半导体材料？定义一：依据材料导电能力的高低来区分导体、半导体、绝缘体，把电阻率介于金属和绝缘体之间的材料定义为半导体。导体：电阻率小于10－4cm；绝缘体：电阻率大于1010cm；半导体：电阻率介于于10－4cm到1010cm4能带理论导体导体导体半导体绝缘体EgEgEg5导体三种能带情况1、能带与能带之间有带隙存在，但是在任何温度下，价电子都是占满能带的一部分，在这个能带中还有一部分状态是空的；2、一个能带完全被电子占满，但和下一个空能带之间恰好能量连续没有能量间隔；3、一个能带完全被电子占满，和另外一个空能带重合；对于这3中情况从能级图上来看，是因为其共有化电子很易从低能级跃迁到高能级上去。在外电场的作用下，大量共有化电子很易获得能量，形成电流。6绝缘体能带之间的禁带宽度非常大，或杂质的电离能较高，通常情况下电阻率很高。某些晶体由外层轨道分裂而成的能带是被电子填满的满带，自然不能导电。理想的绝缘材料：在其熔点以下的任何温度，只要外加电压小于其击穿电压，就没有可察觉的电流通过。7半导体两个被禁带隔开的能带，各可容纳4N个电子。绝对零度时，所有的共价电子正好填满能量较低的一个能带，称此能带为价带；而能量较高的能带在绝对零度时完全空着，但在非零温度下会有少许电子，其定向运动能有效传递电流，因而称此能带为导带。在非零温度下，半导体的价带顶部附近有少量电子被激发到导带底部。同时，价带因缺失了这些电子出现少许空状态，即产生了可以导电的荷正电的载流子空穴。8金属、半导体与绝缘体之间的界限并不绝对半导体材料是一种电阻率易变，且变化范围很宽的材料，具有电阻率的结构和组分敏感性。某些结构完整且不包含杂质，或杂质浓度极低的高纯结晶态半导体，以及大多数未掺杂的非晶态半导体，室温下也会具有跟绝缘体不相上下的高电阻率；当它们含有足够高浓度的某些特殊杂质时，其电阻率又会下降到金属的电阻率范畴，甚至比某些导电性欠佳的金属电阻率还低。金刚石等宽禁带材料，不含杂质的高纯状态呈高阻如绝缘体，在有效杂质浓度足够高时又呈低阻如良导体。9半导体的导电能力还与某些外部条件有关。相对金属和绝缘体，半导体的电阻率对光照、磁场和电场等外部条件的敏感性要强得多。金属的电阻率随着温度的升高而升高，而半导体的电阻率基本上随着温度的升高而下降。只在有效杂质浓度较高时的某一段温度区为正数。在接近绝对零度的极低温下，金属电阻率普遍会极度下降，有许多金属还会成为电阻率无穷小的超导体；而半导体的电阻率则一般会极度增大，达到绝缘体的水平。TT0)(10半导体材料定义二在绝对零度无任何导电能力；但其导电性随温度升高呈总体上升趋势，且对光照等外部条件和材料的纯度与结构完整性等内部条件十分敏感。111.1.2半导体材料的分类一、按组分、结构分类无机半导体有机半导体结晶形半导体无定形半导体元素半导体化合物半导体元素半导体化合物半导体12二、按照半导体形态分类块状薄膜精细结构（纳米结构，超晶格结构）13三、按照禁带宽度分类窄带隙半导体材料：Si，Ge宽带隙半导体材料：GaN，ZnO，SiC，AlN14四、按照特性和功能分类微电子材料：集成电路、器件光电子材料：激光器，探测器等热电材料：半导体制冷器微波材料：微波高频器件敏感材料：压敏、温敏、湿敏、气敏传感器15元素半导体大约十几种，处于元素周期表中ⅢA—ⅦA族的金属与非金属的交界处，有人称为半导体、半金属范围。Ge、Si、Se、α-Sn、C、B、P、As、S、Sb、Te、I等16无机化合物半导体据统计可能有四千多种，已发现的约有一千多种，二千多种是预见性的。III-V族化合物半导体II-VI族化合物半导体IV-IV族化合物半导体IV-VI族化合物半导体V-VI族化合物半导体17主要半导体材料及其分类无机材料有机材料晶体非晶态精细结构材料元素半导体化合物及其固溶体III-VII-VIIV-IVIV-VIV-VI氧化物多元系金刚石GeSi-SnSe…GaAsGaPGaSbGaNInAsInPInSbInNAlN…GaAsPInGaAsAlGaInN…CdSCdSeCdTeZnSZnSeZnTeHgSHgSeHgTe…TeCdHgZnSeTe…SiCSiGePbSPbSePbTeSnSSnSeSnTeGeSGeSeGeTePbSnTe…Bi2S3Bi2Se3Bi2Te3…Cu2OZnONiOTiO2SnO2V2O5Cr2O3In2O3Fe2O3WO3EuO…CuFeS2（黄铜矿）CdCr2S4（尖晶石）Cu2FeSnS4（黄锡矿）a-Si:Ha-SiGe:Ha-SiC:H…GexTe1-xGexSe1-xGexS1-x…多孔硅纳米硅…超晶格聚合物C60…芳香族萘蒽…络合物181.1.3半导体材料的特性和特性参数1、半导体材料的重要性质电阻率特性：在杂质、光、电、磁等因素的作用下，可产生大范围波动，从而电学性能可被调控。导电特性：半导体中电子和空穴共同参与导电。负的电阻率温度系数：温度升高，电阻率下降，变化趋势与金属截然不同的材料。绝对零度，电阻率极度增大。光电导效应：适当波长的光照可以改变半导体的导电能力。光生伏特效应：太阳能电池。整流效应：PN结单向导电。霍尔效应：磁敏元件、电流传感器、材料测试。192、物理特性参数（1）半导体材料的晶体结构半导体的晶体结构一般指构成半导体单晶材料的原子在空间的排列形式。固态晶体具有多种结晶形态，分属7大晶系14种类型。结晶半导体大多数属于立方晶系和六角晶系，且都是四面体结构，只有少数半导体具有其他结构。20（2）结晶状态除了单晶的结晶形态以外，还有另外的形态，如非晶，微晶态。举例：单晶硅，非晶硅，微晶硅，纳米硅。同一种材料结晶形态不同，其性质和应用上都有很大差别。21（3）晶格常数在制作异质结和超晶格材料的时候，要求晶格常数必须匹配（4）熔点和沸点（5）硬度（6）热导率223、电学特性参数基本电学特性参数：对于一种选定的半导体材料而言，在器件制造和应用的过程中基本不会发生变化。对于不同的半导体材料这些参数存在较大差异，禁带宽度：安全工作温度和抗辐射能力临界击穿电场强度：最大功率传输能力介电常数：与器件的阻抗有关载流子的饱和漂移速度：频率特性，饱和时得到最大频率。根据器件特性的需要进行材料选择时重点考虑的因素！23非基本电学特性参数载流子的密度，少子寿命，载流子的迁移率特点是容易变化，而且变化的范围很大，对同一种半导体材料而言也没有确定的大小，而且这三个参数不仅会随着材料制备情况的不同发生变化，而且在制造器件的过程中乃至器件使用的过程中都会发生很大变化。对于一种选定的材料，这些参数的控制，是决定器件工作特性的关键。24迁移率是载流子在电场作用下运动快慢的量度，是限制器件工作频率的一个重要因素；载流子的密度和迁移率共同决定了材料的电阻率。电阻率的大小关系到器件的耐压情况和电流的容量问题，电阻率小耐压低，电流大，反之电阻率大耐压高，电流小；少子寿命与器件的开关特性以及光生电流和光生电动势有密切关系。254其他性质化学稳定性（耐腐蚀，耐高温等）材料的均匀性和尺寸261.1.4半导体材料的应用制造种类繁多、丰富多彩的半导体器件、集成电路：二极管、三极管、集成电路、激光器、探测器、传感器、太阳电池等。无处不在，无时不在以半导体技术为基础的电子信息产业将成为世界第一大产业。271.1.5器件及集成电路对材料的要求1、对原材料或杂质掺入量要求要求原材料很纯，并人为精确控制杂质的掺入量。举例：硅中掺入6X1015cm-3的杂质，其电阻率从2.15X105Ω·cm降到1Ω·cm，降低20万倍。高纯硅要求九个“9”至十个“9”，一般要求至少六个“9”至七个“9”28材料的纯度：表征半导体中杂质含量的多少，通常的表示方法有两种：ppmpartpermillion（百万分之一）99.9999％6个9ppbpartperbillion（十亿分之一）9个929严格控制中金属杂质，如铜Cu、铁Fe、金Au等快扩散、深能级杂质，以免形成复合中心，导致少子寿命降低和电阻率变化，影响器件性能。控制氧、碳含量。易产生热施主能级，使材料电阻率变化，甚至改变导电类型。302、对单晶材料完整性方面的要求主要要求：晶向、位错和微缺陷。单晶材料不一定越完美越好：位错可以吸收晶体中的空位、间隙原子和有害杂质。一般要求位错密度小于1000cm-2硅结型器件采用111晶向，而表面器件如MOSFET等采用100晶向。313、对单晶材料均匀性和大尺寸方面的要求要求材料缺陷和电参数的均匀性越来越高。为提高生产率，要求衬底的尺寸和面积愈来愈大。32晶片面积利用率1、R越大，利用率越高2、缩小芯片面积可降低生产成本直径从200mm增大到300mm,成本下降了30－40％2)/1(RA33晶片有效利用面积晶片直径越大，有效利用面积的百分比越大84.6%87.1%90.3%93.4%80%84%88%92%96%125150200300硅片直径(mm)有效利用面积百分比晶片直径与有效利用面积之间的关系（边缘5mm区域为无效区域）341.1.6半导体材料的发展简史（兼半导体技术发展简史）半导体技术发展时间非常短，发展速度也是非常迅速。从半导体基本物性的发现算起，至今也只有不到200年的历史；从半导体技术的最初应用算起则不到100年；而半导体产业的形成则更是近在眼前的事情，不过60年多一点。35首次报道半导体伏特A.Volta(1745~1827)，意大利物理学家国际单位制中,电压的单位伏即为纪念他而命名。1800年，他发明了世界上第一个伏特电池，这是最早的直流电源。从此，人类对电的研究从静电发展到流动电，开拓了电学的研究领域。他利用静电计对不同材料接地放电，区分了金属，绝缘体和导电性能介于它们之间的“半导体”。他在给伦敦皇家学会的一篇论文中首先使用了“Semiconductor”（半导体）一词。36负电阻温度系数法拉第M.Faraday(1791~1867)，英国物理学家、化学家，现代电工科学的奠基者之一。电容的单位法（拉）即为纪念他而命名。法拉第发明了第一台电动机，另外法拉第的电磁感应定律是他的一项最伟大的贡献。1833年，法拉第就开始研究Ag2S半导体材料，发现了负的电阻温度系数，即随着温度的升高，电阻值下降。37光电导效应1873年，英国史密斯W.R.Smith用光照在硒的表面，发现了硒的光电导效应，它开创了半导体研究和开发的先河。光电导探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。38整流效应布劳恩K.F.Braun(1850~1918)，德国物理学家。布劳恩与马可尼共同获得1909年度诺贝尔奖金物理学奖。1874年，他观察到某些硫化物（硫化铅PbS和硫化亚铁FeS2）的电导与所加电场的方向有关，在它两端加一个正向电压，它是导通的；如果把电压极性反过来，它就不导通，这就是半导体的整流效应。39光生伏特效应1876年，英国物理学家亚当斯(W.G.Adams)发现晶体硒和金属接触在光照射下产生了电动势，这就是半导体光生伏特效应。光生伏特效应最重要的应用就是把太阳能直接转换成电能，称为太阳能电池。1954年美国贝尔实验室制成了世界上第一个实用的太阳能电池，效率为4%。40霍尔效应1879年，霍尔(E.H.Hall)在研究通有电流的导体在磁场中受力，发现在垂直于磁场和电流的方向上产生了电动势，这个电磁效应称为“霍尔效应”。“霍尔效应”就是为纪念霍尔而命名的。利用“霍尔效应”可以测量半导体材料的载流子浓度、迁移率、电阻率、霍尔系数等重要参数。41电致发光特性英国电子工程师朗德（H.J.Round）1907年在马可尼（Marconi）公司工作期间发现在碳化硅（SiC）晶体的两点间加上电压时有黄光发出，揭示了半导体的电致