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1、半导体材料半导体材料(2) Semiconductor Materials 光电技术学院光电技术学院 1 Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software For evaluation only. 主要内容 半导体材料的半导体材料的分类分类 半导体材料的半导体材料的制备方法 块状单晶 制备方法 块状单晶的生长技术的生长技术 薄膜薄膜的制备技术的制备技术 Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software For evaluation only. 1.半导体材料的分类半导体材料的分类 按其按其功能及应用功能及应用：
2、 微电子材料、光电半导体材料、热电半导体材料、微波半导 体材料、敏感半导体材料等； ： 微电子材料、光电半导体材料、热电半导体材料、微波半导 体材料、敏感半导体材料等； 按按材料种类材料种类：无机半导体、有机半导体；：无机半导体、有机半导体； 按按化学组成化学组成：元素半导体、化合物半导体；：元素半导体、化合物半导体； 按按结构结构：晶态和非晶态半导体：晶态和非晶态半导体 按按形态形态：块体和薄膜：块体和薄膜 Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software For evaluation only. 元素半导体元素半导体 在元素周期表中介于金属和非金属
3、之间具有半导体性质的元 素有十二种，B ，C ，S i ，P ，S ，G e ，A s ，S e ，S n ，S b ，T e 和I 。 其中具备实用价值的元素半导体材料只有硅、锗和硒。硒是 最早使用的，而 在元素周期表中介于金属和非金属之间具有半导体性质的元 素有十二种，B ，C ，S i ，P ，S ，G e ，A s ，S e ，S n ，S b ，T e 和I 。 其中具备实用价值的元素半导体材料只有硅、锗和硒。硒是 最早使用的，而硅和锗是当前最重要的半导体材料硅和锗是当前最重要的半导体材料。目前， 9 0 以上的半导体器件和电路都是用S i 来制作的。 目前， 9 0 以上的半导体器
4、件和电路都是用S i 来制作的。 Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software For evaluation only. 元素半导体材料分为元素半导体材料分为本征半导体本征半导体和和杂质半导体杂质半导体 （1 ）本征半导体（1 ）本征半导体 非常纯且缺陷极少的半导体称为非常纯且缺陷极少的半导体称为本征半导体本征半导体。本征 半导体中导电的电子空穴对是由热激活导致其共价 键破裂而产生的。 （2 ）杂质半导体 。本征 半导体中导电的电子空穴对是由热激活导致其共价 键破裂而产生的。 （2 ）杂质半导体 掺入高一价的元素，造成半导体的载流子是电子，这样的
5、半导体是 掺入高一价的元素，造成半导体的载流子是电子，这样的 半导体是n 型半导体。 （如S i 、G e 中加入P 、S b 、B i 、A s 等） n 型半导体。 （如S i 、G e 中加入P 、S b 、B i 、A s 等） 掺入少一价电子的元素，造成半导体的载流子是空穴，这 样的半导即是 掺入少一价电子的元素，造成半导体的载流子是空穴，这 样的半导即是P 型半导体。 （如S i 、G e 中加入B 、A l 、I n 、G a 等） P 型半导体。 （如S i 、G e 中加入B 、A l 、I n 、G a 等） Generated by Foxit PDF Creator F
6、oxit Software For evaluation only. 化合物半导体 （1 ）二元化合物半导体 Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software For evaluation only. （2 ）多元化合物半导体（2 ）多元化合物半导体 IB-IIIA -(VIA)2组成的多元化合物半导体，如组成的多元化合物半导体，如AgGeTe2等。 等。 IB-VA-(VIA)2组成的多元化合物半导体，如组成的多元化合物半导体，如AgAsSe2等。 等。 (IB)2-IIB-IVA-(VIA)4组 成的 多元 化合物半 导体 ，如组 成的 多元 化合
7、物半 导体 ，如 Cu2CdSnTe4等。 大多数多元化合物半导体为 等。 大多数多元化合物半导体为固溶体（由二个或多个晶格结 构类似的元素化合物相互溶合而成）。 固溶体（由二个或多个晶格结 构类似的元素化合物相互溶合而成）。 常见的固溶体有：常见的固溶体有： Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software For evaluation only. 非晶态半导体 原子排列短程有序、长程无序的半导体称 为非晶态半导体，主要有非晶 原子排列短程有序、长程无序的半导体称 为非晶态半导体，主要有非晶Si、非晶、非晶Ge、 非晶 、 非晶Te、非晶、非晶Se等
8、元素半导体及等元素半导体及GeTe， As2Te3，Se2As3等非晶化合物半导体。等非晶化合物半导体。 Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software For evaluation only. 有机半导体 有机半导体分为有机分子晶体、有机分子络 合物和高分子聚合物，一般指具有半导体性质的 碳- 碳双键有机化合物，电导率为 有机半导体分为有机分子晶体、有机分子络 合物和高分子聚合物，一般指具有半导体性质的 碳- 碳双键有机化合物，电导率为10-10102cm。 一些有机半导体具有良好的性能，如聚乙烯咔唑 衍生物有良好的光电导特性，光照后电导率可改 变
9、两个数量级。 。 一些有机半导体具有良好的性能，如聚乙烯咔唑 衍生物有良好的光电导特性，光照后电导率可改 变两个数量级。C60也属有机半导体。也属有机半导体。 Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software For evaluation only. 薄膜半导体的主要有以下一些类别： 同质外延型 薄膜半导体的主要有以下一些类别： 同质外延型基片材料与薄膜材料同质基片材料与薄膜材料同质 如如Si/Si、GaAs/GaAs 、GaP/GaP; 异质外延型 异质外延型基片材料与薄膜材料异质基片材料与薄膜材料异质 如如Si/Al2O3、GaS/Si、GaAlA
10、s/GaAs； 超晶格薄膜 ； 超晶格薄膜两种不同掺杂的半导体薄膜或不同成分的 薄膜交替生长而成的周期性多层结构材料 两种不同掺杂的半导体薄膜或不同成分的 薄膜交替生长而成的周期性多层结构材料 如如GaAs-GaAlAs( 周期重复) /( 周期重复) / GaAs； 非晶薄膜，如 ； 非晶薄膜，如-Si/ 玻璃或金属;/ 玻璃或金属; 薄膜半导体薄膜半导体（厚度为几微米）（厚度为几微米） Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software For evaluation only. 薄膜半导体比体单晶优越之处薄膜半导体比体单晶优越之处： 固溶体的偏析，薄
11、膜半导体可以极少偏析甚至完全 不偏析； 提高半导体纯度及晶体完整性； 生长异质结，这是靠体单晶根本无法解决的问题； 生长特殊结构，如超晶格结构、非晶硅薄膜等，这 也是无法靠体单晶解决的问题； 制造三维电路，这是集成电路重要的发展方向，也 非靠体单晶能实现的。 ： 固溶体的偏析，薄膜半导体可以极少偏析甚至完全 不偏析； 提高半导体纯度及晶体完整性； 生长异质结，这是靠体单晶根本无法解决的问题； 生长特殊结构，如超晶格结构、非晶硅薄膜等，这 也是无法靠体单晶解决的问题； 制造三维电路，这是集成电路重要的发展方向，也 非靠体单晶能实现的。 Generated by Foxit PDF Creator
12、 Foxit Software For evaluation only. 半导体陶瓷 半导体陶瓷是指导电性能介于导电陶瓷和 绝像介质陶瓷之间的一类材料，其电阻率介于 半导体陶瓷是指导电性能介于导电陶瓷和 绝像介质陶瓷之间的一类材料，其电阻率介于 10-410-7之间。一般是由一种或数种金属氧化 物，采用陶瓷制备工艺制成的多晶半导体材料。 这种半导体的特性与通常单晶( 如硅、锗) 半导 体相比有很大差别，因而研究方法及理论也不 尽相同。 之间。一般是由一种或数种金属氧化 物，采用陶瓷制备工艺制成的多晶半导体材料。 这种半导体的特性与通常单晶( 如硅、锗) 半导 体相比有很大差别，因而研究方法及理
13、论也不 尽相同。 Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software For evaluation only. 2.半导体材料的制备工艺方法 半导体材料制备方法：半导体材料制备方法：多晶工艺、单晶工艺、薄膜多晶工艺、单晶工艺、薄膜 工艺（外延工艺）工艺（外延工艺）。 2 . 1 多晶体的制备工艺2 . 1 多晶体的制备工艺 制备多晶半导体材料的工艺流程： 高纯多晶S i 的制备工艺流程图 制备多晶半导体材料的工艺流程： 高纯多晶S i 的制备工艺流程图 原料的化学处理原料的化学处理提纯提纯还原或合成还原或合成 2000 以制备多晶硅为例以制备多晶硅为例
14、Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software For evaluation only. 2 . 2 单晶体的制备工艺2 . 2 单晶体的制备工艺 l 单晶是由结构基元（原子，原子团，离子），在三 维空间内按长程有序排列而成的固态物质。或者说 是由结构基元在三维空间内，呈周期排列而成的固 态物质。 单晶是由结构基元（原子，原子团，离子），在三 维空间内按长程有序排列而成的固态物质。或者说 是由结构基元在三维空间内，呈周期排列而成的固 态物质。 l 单晶材料的制备又称晶体生长，是物质的非晶态， 多晶态，或能够形成该物质的反应物，通过一定的 物理或化学手
15、段转变为单晶状态的过程。首先将结 晶的物质通过熔化或溶解方式转变成熔体或溶液。 再控制其热力学条件生成晶相，并让其长大。 单晶材料的制备又称晶体生长，是物质的非晶态， 多晶态，或能够形成该物质的反应物，通过一定的 物理或化学手段转变为单晶状态的过程。首先将结 晶的物质通过熔化或溶解方式转变成熔体或溶液。 再控制其热力学条件生成晶相，并让其长大。 Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software For evaluation only. l 可分为溶体生长法、溶液生长法和气相生长法。可分为溶体生长法、溶液生长法和气相生长法。 l 而从生长方式来说，可分为
16、水平生长、垂直生长 和晶体的拉制等。 （ 而从生长方式来说，可分为水平生长、垂直生长 和晶体的拉制等。 （1）水平生长（）水平生长（HG） 密封管 多段炉障板 盛放 密封管 多段炉障板 盛放V族元素锭条盛放族元素锭条盛放III族元素族元素 用于I I I V 族化合物制备和区熔的常规水平生长装置示意图用于I I I V 族化合物制备和区熔的常规水平生长装置示意图 加热器加热器 Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software For evaluation only. 关键技术关键技术：必须精确控制热分布；：必须精确控制热分布； 采取的措施采取的措施：采用功率控制和相互独立的小加热器 结合，炉子采用多段炉。 ：采用功
