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1、第一章绪论 固体的晶格结构 1 第一章固体晶格结构 1 1半导体材料典型半导体及分类 1 2固体类型三种固体形态 1 3空间晶格晶体学基本概念和基本晶格结构 1 4原子价键离子 原子 金属及分子晶体 1 5固体中的缺陷与杂质缺陷类型和杂质类型 1 6半导体单晶材料的生长单晶材料及外延生长 1 7小结 本章重点 什么是半导体 半导体的核心特质是什么 区别于普通导体和绝缘体材料的特殊性质可工业应用的半导体材料需要具备的技术条件硅材料特点 第一章绪论 固体的晶格结构 2 第一章绪论 固体的晶格结构 3 1 1半导体材料 半导体 semiconductor 顾名思义就是指导电性介于导体与绝缘体的物质
2、第一章绪论 固体的晶格结构 4 半导体的基本定义 Semiconductor 顾名思义就是指导电性介于导体与绝缘体的物质 电阻率 导体 10e 4 cm 绝缘体 10e8 cm种类 固体 多晶 非晶 无机物 有机物 特征 电导可调 整流效应 两种导电机制 力敏 光敏 热敏 磁敏效应 第一章绪论 固体的晶格结构 5 重要半导体 硅 锗 GaAs InP GaN SiC分类 元素半导体 化合物半导体 二元 三元 四元 有机半导体 窄禁带半导体 宽禁带半导体 Si GaAs GaN SiCCMOS MMIC LED LD 第一章绪论 固体的晶格结构 6 有机半导体LED 第一章绪论 固体的晶格结构
3、7 可以卷起来的显示器 有机柔性发光二极管 第一章绪论 固体的晶格结构 8 1 1半导体材料 元素半导体与化合物半导体 第一章绪论 固体的晶格结构 9 1 1半导体材料 构成半导体材料的主要元素及其在周期表中的位置 以四族元素对称III V族和II VI化合物半导体氮化物 氧化物 I VII 第一章绪论 固体的晶格结构 10 1 2固体类型 普通的半导体材料都以固体形式存在固体依据原子排列形式的不同 可分为单晶 多晶和非晶材料 1 单晶 长程有序 2 多晶 长程无序 短程有序 3 非晶 无定形 基本无序 第一章绪论 固体的晶格结构 11 1 2固体类型 单晶 长程有序 整体有序 宏观尺度 通常
4、包含整块晶体材料 一般在毫米量级以上 多晶 长程无序 短程有序 团体有序 成百上千个原子的尺度 每个晶粒的尺寸通常是在微米的量级 非晶 无定形 基本无序 局部 个体有序 仅限于微观尺度 通常包含几个原子或分子的尺度 即纳米量级 一般只有十几埃至几十埃的范围 单晶有周期性 非晶没有周期性 多晶短区域内周期性 第一章绪论 固体的晶格结构 12 1 3空间晶格 固体最终形成使系统的能量最小的结构保持电中性 静电能最小 使离子间的强烈排斥最小使原子尽可能的靠近满足键的方向性由于构成晶体的粒子的不同性质 使得其空间的周期性排列也不相同 为了研究晶体的结构 将构成晶体的粒子抽象为一个点 这样得到的空间点阵
5、成为晶格 第一章绪论 固体的晶格结构 13 1 3空间晶格 晶格的周期性晶格的周期性通常用原胞和基矢来描述 原胞 一个晶格最小的周期性单元 原胞的选取不是唯一的 三维晶格的原胞通常是一个平行六面体 第一章绪论 固体的晶格结构 14 1 3空间晶格 晶胞 是晶体中的一个小的单元 可以用来不断重复 从而得到整个晶体 通常能够反映出整块晶体所具有的对称性相同点用来描述晶体中晶格周期性的小的重复单元不同点 固体物理学 原胞只强调晶格的周期性 其最小重复单元为原胞结晶学 晶胞还要强调晶格中原子分布的的对称性 第一章绪论 固体的晶格结构 15 1 3空间晶格 立方晶系基本的晶体结构 常见的三个基本的立方结
6、构及其晶格常数 分别是简单立方 体心立方和面心立方 立方体的边长即为晶格常数 1 简单立方结构 SC 2 体心立方结构 BCC 3 面心立方结构 FCC 第一章绪论 固体的晶格结构 16 1 3空间晶格 简单立方结构SimpleCubic 第一章绪论 固体的晶格结构 17 1 3空间晶格 体心立方结构Body Centered Cubic 第一章绪论 固体的晶格结构 18 1 3空间晶格 面心立方结构Face Centered Cubic 第一章绪论 固体的晶格结构 19 1 3空间晶格 基矢 晶胞的三个相互独立的边矢量 如 简立方晶格的立方单元就是最小的周期性单元 通常就选取它为原胞 晶格基
7、矢沿三个立方边 长短相等 第一章绪论 固体的晶格结构 20 1 3空间晶格 晶向指数晶体的一个基本特点是具有方向性 沿晶体的不同方面晶体的性质不同 晶格的格点 可以看成分列在一系列相互平行的直线系上 这些直线系称为晶列 同一个格子可以形成方向不同的晶列 每一个晶列定义了一个方向 该方向称为晶向 晶向用晶向指数标记 第一章绪论 固体的晶格结构 21 1 3空间晶格 晶向指数的确定 如果沿着某一晶向 从一个原子到最近的原子的位移矢量为 则该晶向就用l1 l2 l3来标志 写成 l1l2l3 标志晶向的这组数称为晶向指数 以简立方晶格为例 第一章绪论 固体的晶格结构 22 1 3空间晶格 立方边 面
8、对角线 体对角线都不止一个 它们的晶向指数确定方法和以上一样 涉及到负值的指数 按惯例 负值的指数用头顶上加一横来表示 用表示时代表所有的等效晶向 第一章绪论 固体的晶格结构 23 1 3空间晶格 晶面 晶格的格点还可以看成分列在平行等距的平面系上 这样的平面称为晶面 第一章绪论 固体的晶格结构 24 1 3空间晶格 晶面指数具体讨论晶体时 常常要谈及某些具体晶面 因此需要有一定的办法标志不同的晶面 常用的是所谓密勒指数 密勒指数可以这样确定 在晶格中 选一格点为原点 并以3个基矢a1 a2 a3为坐标轴建立坐标系 该晶面族中任一晶面与3个坐标轴交点的位矢分别为ra1 sa2 ta3 则它们的
9、倒数连比可化为互质的整数 即其中h k l为互质的整数 晶体学中以 hkl 来标志该晶面 称为密勒指数 第一章绪论 固体的晶格结构 25 1 3空间晶格 简立方格子中的重要晶面侧面 100 对角面 110 顶对角面 111 第一章绪论 固体的晶格结构 26 1 3空间晶格 等效晶面立方晶体中的立方体共有6个不同的侧面 由于晶格的对称性 晶体在这些晶面的性质完全相同 统称这些等效晶面时 写成 100 对角面共有12个 统称这些对角面时 写成 110 顶对角面共有8个 统称这些顶对角面时 写成 111 第一章绪论 固体的晶格结构 27 1 3空间晶格 图示为金刚石结构 锗 硅单晶材料均为金刚石结构
10、 它是由两个面心立方结构套构形成 第一章绪论 固体的晶格结构 28 1 4晶体中原子之间的价键 原子或分子结合形成晶体 最终达到平衡时系统的能量必须达到最低 1 离子晶体 离子键 Ionicbonding 例如NaCl晶体等 2 共价晶体 共价键 Covalentbonding 例如Si Ge以及GaAs晶体等 3 金属晶体 金属键 Metallicbonding 例如Li Na K Be Mg以及Fe Cu Au Ag等 4 分子晶体 范德华键 VanderWaalsbonding 例如惰性元素氖 氩 氪 氙等在低温下则形成分子晶体 HF分子之间在低温下也通过范德华键形成分子晶体 原子价键知
11、识可参考 第一章绪论 固体的晶格结构 29 硅材料中共价键形成示意图 第一章绪论 固体的晶格结构 30 1 5晶体中的缺陷与杂质 理想单晶材料中不含任何缺陷与杂质 且晶体中的原子都处于晶格中的平衡位置 实际的晶体材料并非如此理想和完美无缺一 点缺陷分为空位 间隙原子及杂质空位与间隙原子由于晶格热振动 而且振动能量存在涨落总有一部分原子的热运动能量大到能克服其所在位置的热能 脱离格点的位置 使格点处出现空位 离开正常格点位置的原子可能落入晶格间隙之中 成为自间隙原子 形成弗仑克尔缺陷 或移动到晶体表面 形成肖特基缺陷 若表面原子进入晶体内部晶格 则形成单独的间隙原子 第一章绪论 固体的晶格结构
12、31 由于晶格热振动 而且振动能量存在涨落总有一部分原子的热运动能量大到能克服其所在位置的热能 脱离格点的位置 使格点处出现空位 离开正常格点位置的原子可能落入晶格间隙之中 成为自间隙原子 形成弗仑克尔缺陷 或移动到晶体表面 形成肖特基缺陷 若表面原子进入晶体内部晶格 则形成单独的间隙原子 第一章绪论 固体的晶格结构 32 反结构缺陷对于化合物半导体存在一种反结构缺陷 即应该是A原子的格点上为B原子所占据 应为B原子的格点为A原子所据 第一章绪论 固体的晶格结构 33 杂质晶体中与本体原子不同的元素的原子均称为杂质 来源 有可能是材料制备或器件制造工艺过程中的沾污 也有可能来源于人为的引入 用
13、以控制其电学及其它特性 杂质在半导体中存在方式 间隙式和替位式 间隙式杂质 位于本体原子晶格间隙中 这类杂质原子半径较小 如H Li 第一章绪论 固体的晶格结构 34 替位式杂质 取代本体原子位置 处于晶格点上 这类杂质原子价电子壳层结构接近本体原子 如 族在Si Ge 族 中的情况 族在 化合物中 第一章绪论 固体的晶格结构 35 杂质原子激活 人为引入的杂质原子 只有处于替位式时 才能激活 起到改变和控制半导体材料导电性的作用 例如 族元素原子掺入Si Ge中 多以替位式存在 第一章绪论 固体的晶格结构 36 晶体中引入杂质的方法称为掺杂 Doping 掺杂的方法可分为 1 高温扩散掺杂
14、hightemperaturediffusion 2 离子注入掺杂 Ionimplantation 半导体 semiconductor 顾名思义就是指导电性介于导体与绝缘体的物质 暗含假设 仅电特性变化 其他物 化特性几乎不变 半导体的特殊性 杂质 半导体的导电性之所以可以在很宽的范围内发生如此大的变化 是因为半导体中存在的 微 量杂质对半导体的导电特性存在着巨大的影响 举例 硅原子密度 5 1022 cm3典型掺杂浓度 1015 1017 cm3 杂质含量 0 000001 典型纯度99 9999 本征硅晶体纯度99 999999999 可见我们所谓的杂质半导体远比日常生活中接触到的采用材料
15、纯度要高的多的多 可以看出 对杂质的精确控制 是半导体工业的基本要求 半导体的特殊性与杂质 第一章绪论 固体的晶格结构 39 1 6半导体单晶材料的生长硅单晶材料可以说是目前纯度最高的一种材料 其纯度已达到百亿分之一 生长半导体单晶材料的方法主要有以下几种 1 熔体生长法 又称为切克劳斯基 Czochralski 生长方法 或CZ法 籽晶直拉法 进一步采用区熔再结晶方法提纯 第一章绪论 固体的晶格结构 40 籽晶直拉法示意图 第一章绪论 固体的晶格结构 41 实际拉制出的12英寸硅单晶锭该硅单晶锭长1米 直径300毫米 重量达140千克 第一章绪论 固体的晶格结构 42 将硅单晶锭切割成硅晶园
16、片的切片机 第一章绪论 固体的晶格结构 43 工作人员利用卡塞 Cassette 装载的300毫米硅晶园片 第一章绪论 固体的晶格结构 44 2 外延层生长法 外延生长方法按照材料的类型可分为以下两大类 1 同质外延 homoepitaxy 2 异质外延 heteroepitaxy 常用的外延方法有 1 化学气相淀积法 CVD 也称为气相外延法 VPE SiCl4 2H2 Si 4HCl 2 液相外延法 LPE 温度低于CZ法 常用于化合物半导体材料的外延 3 分子束外延法 MBE 高真空 400至800 可精确控制 第一章绪论 固体的晶格结构 45 气相外延法 VPE 示意图 第一章绪论 固体的晶格结构 46 分子束外延 MBE 设备原理示意图 第一章绪论 固体的晶格结构 47 实际的MBE设备 第一章绪论 固体的晶格结构 48 小结 半导体的概念例题1 2 1 3 点缺陷 空位 填隙原子 杂质 第一章绪论 固体的晶格结构 49 作业 1 71 121 181 19 第一章绪论 固体的晶格结构 50 谢谢
