《第五章半导体材料电化学课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第五章半导体材料电化学课件（138页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第五章 半导体材料与太阳能电池,5.1 半导体材料概述,半导体材料（semiconductor material）是一类具有半导体性能、可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。半导体材料的导电能力介于导体与绝缘体之间，其电导率在10-8106S/m范围内。 金属导体电导率：108106 S/m， 绝缘体电导率： 10-810-20 S/m.,半导体材料的电学性质对光、热、电、磁等外界因素的变化十分敏感，在半导体材料中掺入少量杂质可以控制这类材料的电导率。正是利用半导体材料的这些性质，才制造出功能多样的半导体器件。半导体材料是半导体工业的基础，它的发展对半导体技术的发展有极大的影响。,元素半导
2、体有锗、硅、硒、硼、碲、锑等。上世纪50年代，锗在半导体中占主导地位，但锗半导体器件的耐高温和抗辐射性能较差，到60年代后期逐渐被硅材料取代。用硅制造的半导体器件，耐高温和抗辐射性能较好，特别适宜制作大功率器件。因此，硅已成为应用最多的一种半导体材料，目前的集成电路大多数是用硅材料制造的。,4.1.1 半导体材料的分类,根据化学成分和内部结构，大致可分为以下几类：, 元素半导体（element semiconductor）,化合物半导体是由两种或两种以上的元素化合而成的半导体材料。它的种类很多，重要的有砷化镓、磷化铟、锑化铟、碳化硅、硫化镉及镓砷硅等。其中砷化镓是制造微波器件和集成电路的重要材
3、料。碳化硅由于其抗辐射能力强、耐高温和化学稳定性好，在航天技术领域有着广泛的应用。, 化合物半导体（compound semiconductor）,无定形半导体材料（玻璃体）是一种非晶态无定形半导体材料，分为氧化物玻璃和非氧化物玻璃两种。这类材料具有良好的开关和记忆特性及很强的抗辐射能力，主要用来制造阈值开关、记忆开关和固体显示器件。, 无定形半导体材料（amorphous semiconductor material）,已知的有机半导体材料有几十种，包括萘、蒽、聚丙烯腈、酞菁和一些芳香族化合物等，目前尚未得到应用。, 有机半导体材料（organic semiconductor materia
4、l）,半导体材料的导电性对某些微量杂质极敏感。纯度很高的半导体材料称为本征半导体，常温下其电阻率很高，是电的不良导体。 在高纯半导体材料中掺入适当杂质后，由于杂质原子提供导电载流子，使材料的电阻率大为降低。这种掺杂半导体常称为杂质半导体。,4.1.2 半导体材料的特性和参数, 半导体材料的特性和参数,杂质半导体靠导带电子导电的称N（Negative）型半导体，靠价带空穴导电的称P（Positive）型半导体。不同类型半导体间接触（构成PN结）或半导体与金属接触时，因电子（或空穴）浓度差而产生扩散，在接触处形成位垒，因而这类接触具有单向导电性。,利用PN结的单向导电性，可以制成具有不同功能的半导
5、体器件，如二极管、三极管、晶闸管等。此外，半导体材料的导电性对外界条件（如热、光、电、磁等因素）的变化非常敏感，据此可以制造各种敏感元件，用于信息转换。,半导体材料的特性参数有禁带宽度、电阻率、载流子迁移率、非平衡载流子寿命和位错密度。 禁带宽度由半导体的电子态、原子组态决定，反映组成这种材料的原子中价电子从束缚状态激发到自由状态所需的能量。 电阻率、载流子迁移率反映材料的导电能力。,非平衡载流子寿命反映半导体材料在外界作用（如光或电场）下内部载流子由非平衡状态向平衡状态过渡的弛豫特性。 位错是晶体中最常见的一类缺陷。位错密度用来衡量半导体单晶材料晶格完整性的程度，对于非晶态半导体材料，则没有
6、这一参数。,半导体材料的特性参数不仅能反映半导体材料与其它非半导体材料之间的差别 ，更重要的是能反映各种半导体材料之间甚至同一种材料在不同情况下，其特性的量值差别。, 电阻效应 1833年，英国巴拉迪最先发现硫化银的电阻随着温度的变化情况不同于一般金属。一般情况下，金属的电阻随温度升高而增加，但巴拉迪发现硫化银材料的电阻是随着温度的上升而降低，这是半导体现象的首次发现，称为电阻效应或电阻特性。, 半导体材料的四大效应, 光伏效应 1839年，法国的贝克莱尔发现半导体和电解质接触形成的结，在光照下会产生一个电压，这就是后来人们熟知的光生伏特效应，这是被发现的半导体的第二个特征，称为光生伏特效应简
7、称光伏效应。, 整流效应 1874年，德国的布劳恩观察到某些硫化物的电导与所加电场的方向有关，即它的导电有方向性，在它两端加一个正向电压，它是导电的；如果把电压极性反过来，它就不导电，这就是半导体的整流效应，也是半导体所特有的第三种特性。, 光电导效应 1873年，英国的史密斯发现硒晶体材料在光照下导电，这就是光电导效应，这是半导体又一个特有的性质。,半导体的这四个效应，虽在1880年以前就先后被发现，但半导体这个名词大概到1911年才被考尼白格和维斯首次使用。而总结出半导体的这四个特性一直到1947年12月才由贝尔实验室完成，主要原因是当时的材料不纯。没有好的材料，很多与材料相关的问题就难以
8、说清楚。,半导体的第一个应用就是利用它的整流效应作为检波器，就是点接触二极管（将一个金属探针接触在一块半导体上，以检测电磁波）。除了检波器之外，在早期，半导体还用来做整流器、光伏电池、红外探测器等，半导体的四个效应都用到了。,4.1.2 半导体材料的应用, 半导体材料的早期应用,从1907年到1927年，美国的物理学家研制成功晶体整流器、硒整流器和氧化亚铜整流器。1931年，兰治和伯格曼研制成功硒光伏电池。1932年，德国先后研制成功硫化铅、硒化铅和碲化铅等半导体红外探测器，在二战中用于侦探飞机和船舰。二战时盟军在半导体方面的研究也取得了很大成效，英国就利用红外探测器多次侦探到了德国的飞机。,
9、晶体管的发明： 晶体管的发明实际上是在1947年的12月23日的半年之前，当时贝尔实验室的研究人员已经看出了晶体管的商业价值，为写专利，保密了半年，到1947年12月23日，巴丁和布尔吞才正式公布了他们的发明，这也成为晶体管的正式发明日。,他们用了一个非常简单的装置，就是在一块锗晶体上，用两个非常细的金属针尖扎在锗的表面，在一个针上加正电压，在另外一个探针上加一个负电压，我们现在分别称为发射极和集电极，N型锗就变成了一个基极，这样就形成了一个有放大作用的PNP晶体管。,1948年1月，即在晶体管发明不久之后，肖克莱提出了一个不是点接触而是面接触式晶体管结构。后来证明这种结构才真正有价值。科学界
10、对这个发明还是给予了很高的评价，1956年，巴丁、布尔吞和肖克莱三人被授予诺贝尔物理学奖。,晶体管的发明不仅引起了电子工业的革命，而是彻底的改变了我们人类的生产、生活方式。我们今天日常所用的电器几乎没有一样不用晶体管，如通信、电脑、电视、航天、航空等等。, 单晶硅技术 电子元器件90以上都是由硅材料制备的，全世界与硅相关的电子工业产值接近一万亿美元。直拉法是目前主要用于生产硅单晶的方法。上世纪50到60年代，拉出的硅单晶直径只有两英寸，现在8英寸，12英寸、长达1米多的硅单晶都已实现了规模生产。, 半导体材料的发展趋势,目前，单晶硅的世界年产量已超过1万吨。硅集成电路主要用的是8英寸硅，但12
11、英寸硅的用量逐年增加，预计到2012年18英寸的硅可能用于集成电路制造，27英寸的硅晶体研制也正在筹划中。,但随着硅的直径增大，杂质氧等在硅锭和硅片中的分布也变得不均匀，这将严重的影响集成电路的成品率，特别是高集成度电路。为避免氧的沉淀带来的问题，可采用外延的办法解决。即用硅单晶片为衬底，然后在其上通过气相反应方法再生长一层硅，如2个微米，1个微米，或0.5个微米厚等。,这一层外延硅中的氧含量就可以控制得非常低，器件和电路就做在外延硅上，而不是原来的硅单晶上，这样就可解决由氧导致的问题。尽管成本将有所提高，但集成电路的集成度和运算速度都得到了显著提高，这是目前硅技术发展的一个重要方向。,从提高
12、集成电路的成品率、降低成本看，增大硅单晶的直径是发展的大趋势，向12英寸，18英寸方向发展；另一方面，从提高硅集成电路的速度和它的集成度看，发展适用于深亚微米乃至纳米电路的硅外延技术，制备高质量硅外延材料是关键。,硅单晶中氧的沉淀将产生微缺陷，目前集成电路的线条宽度已达到0.1微米以下，如果缺陷的直径大小为1个微米或者是0.5个微米，一个电路片上有一个缺陷就会导致整个片子失效，这对集成电路的成品率将带来严重影响。 制备硅单晶的原材料是多晶硅，我国多晶硅产量2005年仅有60吨，2006年也只有287吨，2007年为1156吨，2008年已超过3000吨，2009年达近万吨。,从集成电路的线宽来
13、看，我国目前集成电路工艺技术水平在0.350.25微米，而国际上目前的生产技术已达到0.13-0.09微米，在实验室70纳米的技术也已经通过鉴定。前几年在北京建成投产的（中芯国际）集成电路技术已进入0.13微米，并即将升级到0.09微米，因而我国的微电子集成电路技术同国外的差距也大大缩短。, 硅微电子技术 目前硅的集成电路大规模生产技术已经达到0.130.09微米，进一步将到0.07微米，也就是70个纳米甚至更小。根据预测，到2022年，硅集成电路技术的线宽可能达到10个纳米，这个尺度被认为是硅集成电路的“物理极限”，总有一天硅微电子技术会走到尽头。,随着集成电路线宽的进一步减小，硅微电子技术
14、必然要遇到许多难以克服的问题，比如说长度为100个纳米的源和漏电极之间，掺杂原子也只有100个左右，如何保证这100个原子在成千上万个器件里的分布保持一致，显然是非常困难的。,也就是说杂质原子分布不均匀，将导致器件性能不一，性质的不一致，就难保证电路的正常工作。又如MOS器件的栅极下面的绝缘层就是二氧化硅，它的厚度随着器件尺寸的变小而变小，当沟道长度达到0.1个微米时，SiO2的厚度大概也在一个纳米左右。尽管上面加的栅电压很低，如一个纳米上加0.5伏或者是1伏电压，但是加在其上的电场强度就要达到每厘米5-10兆伏以上，超过了材料的击穿电压。当这个厚度非常薄的时候，很容易发生击穿，导致器件无法正
15、常工作。,随着集成电路集成度的提高，芯片的功耗也急剧增加，使其难以承受；现在电脑CPU的功耗已经很高，如果说将来把它变成“纳米结构”，即不采用新原理，进一步提高集成度，那么加在它上面的功耗就有可能把硅熔化掉。 另外一个问题是光刻技术，目前大约可以做到0.1微米，虽然还有些正在发展的光刻技术，如X光、超紫外光刻技术等，但要满足纳米加工技术的需求，还相差很远。,再者，就是电路器件之间的互连问题，对每一个芯片来说，每一个平方厘米上有上千万、上亿只管子，管子与管子之间的联线的长度要占到器件面积的6070，现在的连线就多达8层到10多层，尽管两个管子之间的距离可以做得很小，但是从这个管子到另外一个管子，
16、电子走的路径不是直线，而要通过很长的连线。我们知道线宽越窄，截面越小，电阻越大，加上分布电容，电子通过引线所需的时间就很长，这就使CPU的速度变慢。,另外纳米加工的制作成本也很高，由于这些原因，硅基微电子技术最终将没有办法满足人类对信息量不断增长的需求。,人们要想突破上述的“物理极限”，就必须要探索新原理、开发新技术，如量子计算、光计算机等，它们的工作原理是与现在的完全不同，尚处于初始的探索阶段。在目前这个过渡期间，人们把希望放在发展新型半导体材料和开发新技术上，比如说GaAs、InP和GaN基材料体系，采用这些材料，可以提高器件和电路的速度以及解决由于集成度的提高带来的功耗增加出现的问题。, GaAs和InP单晶材料 化合物半导体材料，以砷化镓（GaAs）为例，有以下几个特点：一是发光效率比较高，二是电子迁移率高，同时可在较高温度和在其它恶劣的环境下工作，特别适合于制作超高速、超高频、低噪音的电路，它的另一个优势是可以实现光电集成，即把微电子和光电子结合起来，光电集成可大大的提高电路的功能和运算的速度。,氮化镓、
