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1、半导体材料,2,期末复习,3,考试题型,填空30分，每空一分 名词解释30分，每题4分 简答与计算题40分，6个题目 AB卷,5,半导体材料概述,从电学性质上讲（主要指电阻率） 绝缘体10121022 .cm 半导体10-61012 .cm 良导体10-6.cm 正温度系数（对电导率而言） 负温度系数（对电阻率而言） 导体？,6,半导体材料的分类（按化学组成分类）,无机物半导体 元素半导体：（Ge, Si） 化合物半导体 三、五族GaAs 二、六族 有机物半导体,7,能带理论（区别三者导电性）,金属中，由于组成金属的原子中的价电子占据的能带是部分占满的，所以金属是良好的导体。 半导体由于禁带宽
2、度比较小，在温度升高或有光照时，价带顶部的电子会得到能量激发到导带中去，这样在导带中就有自由电子，在价带中就相应的缺少电子，等效为带有正电子的空穴，电子和空穴同时参与导电，使得半导体具有一定的导电性能。 一般对于绝缘体，禁带宽度较大，在温度升高或有光照时，能够得到能量而跃迁到导带的电子很少，因此绝缘体的导电性能很差。,8,半导体结构类型,金刚石结构（Si/Ge):同种元素的两套面心立方格子沿对角线平移1/4套构而成 闪锌矿（三、五族化合物如GaAs)：两种元素的两套面心立方格子沿对角线平移1/4套构而成 纤锌矿,9,对禁带宽度的影响,对于元素半导体： 同一周期，左-右，禁带宽度增大 同一族，原
3、子序数的增大，禁带宽度减小,10,一.锗、硅的化学制备,硅锗的物理化学性质比较 高纯硅的制备方法 各种方法的具体步骤以及制备过程中材料的提纯 高纯锗的制备方法及步骤,11,二、区熔提纯,分凝现象，平衡分凝系数，有效分凝系数，正常凝固， 平衡分凝系数与杂质集中的关系P20图21 BPS公式及各个物理量的含义；分析如何提高分凝效果，如何变成对数形式 影响区熔提纯的因素 区熔的分类，硅和锗各采用什么方法,硅锗的区熔提纯,区熔是1952年 蒲凡 提出的一种物理提纯的方法。它是制备超纯半导体材料，高纯金属的重要方法。,区熔提纯的目的,区熔提纯的目的： 得到半导体级纯度（9到10个9）的硅，为进一步晶体生
4、长作准备,2-1分凝现象与分凝系数,211 分凝现象（偏析现象） 含量少的杂质在晶体和熔体中的浓度不同 分凝系数:,用来衡量杂质在固相和液相中浓度的不同,一 平衡分凝系数K0,平衡分凝系数（适用于假定固相和液相达到平衡时的情况） K0=Cs/ Cl,212平衡分凝系数和有效分凝系数,Cs:杂质在固相晶体中的浓度 Cl:杂质在液相熔体中的浓度,(1) T=TL-Tm 0(TL体系平衡熔点；Tm纯组分熔点), CSCL, K0 1 提纯时杂质向尾部集中 (2)T=TL-Tm 0, CS CL, K0 1 提纯时杂质向头部集中 (3)T=0, CS=CL, K0 = 1 分布状态不变,不能用于去除杂
5、质,二 有效分凝系数,上面讨论的是固液两相平衡时的杂质分配关系.但是实际上,结晶不可能在接近平衡状态下进行,而是以一定的速度进行.,(1)当K0 1时 CSCL,即杂质在固体中的浓度小,从而使结晶时,固体中的一部分杂质被结晶面排斥出来而积累在熔体中.当结晶的速度杂质由界面扩散到熔体内的速度时,杂质就会在熔体附近的薄层中堆积起来,形成浓度梯度而加快杂质向熔体的扩散,当界面排出的杂质量=因扩散对流而离开界面的向熔体内部流动的杂质量,达到动态平衡.界面薄层中的浓度梯度不再变化,形成稳定分布.这个杂质浓度较高的薄层叫杂质富集层 界面附近靠近固体端,杂质浓度高, 靠近熔体端,杂质浓度低.,(2) K0
6、1 CS CL,固体中的杂质浓度大,因此固相界面会吸收一些界面附近的熔体中的杂质,使得界面处熔体薄层中杂质呈缺少状态,这一薄层称为贫乏层. 为了描述界面处薄层中的杂质浓度与固相中的杂质浓度关系,引出有效分凝系数 Keff=CS/CL0 Cs:固相杂质浓度 CL0:界面附近熔体内部的杂质浓度 界面不移动或者移动速度=0, Keff K0 有 一定速度时, CS = KeffCL0,2-1-3BPS公式(描述Keff与 K0关系 )1. 结晶过程无限缓慢时，二者无限接近2. 结晶过程有一定的速率时，二者不再相等，有效分凝系数与平衡分凝系数符合 BPS(Burton,Prim,Slichter)关系
7、,1.f 远大于D/时, fD/ +,exp(-fD/ ) 0, Keff 1,即 固液中杂质浓度差不多.分凝效果不明显。 2. f 远小于D/时, fD/ 0,exp(-fD/ ) 1, Keff K0,分凝效果明显,平衡分凝系数,固液交界面移动速度 即熔区移动速度,扩散层厚度,扩散系数,Keff介于ko与1之间， 电磁搅拌或高频电磁场的搅动作用，使扩散加速， 变薄，使keff与Ko接近，分凝的效果也越显著 凝固速 度 f 越慢，keff与Ko接近，分凝的效果也越显著,2-2 区熔原理,2-2-1正常凝固 材料锭条全部熔化后,使其从一端向另一端逐渐凝固,这样的凝固方式叫正常凝固.,正常凝固过
8、程中存在分凝现象,所以锭条中杂质分布不均匀.,(1) K0 1 提纯时杂质向尾部集中 (2) K0 1 提纯时杂质向头部集中 (3) K0 = 1 分布状态不变,不能用于去除杂质,正常凝固固相杂质浓度CS沿锭长的分布公式,Cs=KC0(1-g)k-1,C0:材料凝固前的杂质浓度,K,分凝系数.不同杂质的不同K值可以通过查表得出,杂质分布规律:图2-6,K1时 分布曲线接近水平,即杂质浓度沿锭长变化不大. K与1相差较大时(小于0.1或大于3) 杂质浓度随锭长变化较快,杂质向锭的一端集中,提纯效果好. (正常凝固有一定的提纯作用) 杂质浓度过大, 半导体材料与杂质形成合金状态,分布公式不成立,分
9、布不再服从正常凝固定律。 .,正常凝固法的缺点 K小于1的杂质在锭尾，K大于1的杂质在锭头，多次提纯，每次头尾去除，造成材料的浪费且效率低.,区熔提纯: 它是把材料的一小部分熔化, 并使熔区从锭条的一端移到另一端.,解决办法：,2-2-2一次区熔提纯,一次区熔提纯时，锭中的杂质分布情况， CS=C01-(1-K) e-Kx/l C0:锭条的原始杂质浓度 X:已区熔部分长度 K:分凝系数 L:熔区长度,一次区熔提纯与正常凝固的效果比较,单就一次提纯的效果而言，正常凝固的效果好(怎么看?) l越大，Cs越小, 即熔区越宽，一次区熔提纯的效果越好 对于最后一个熔区,属于正常凝固,不服从一次区熔规律,
10、2-2-3多次区熔与极限分布,一次区熔后,材料的纯度仍然达不到半导体器件的纯度要求,所以要进行多次区熔,使得各种杂质尽可能的赶到锭条的两头.,极限分布,经过多次区熔提纯后,杂质分布状态达到一个相对稳定且不再改变的状态,这种极限状态叫极限分布,也叫最终分布.,CS(x)=AeBx K=Bl/(eBl-1) A=C0BL/(eBL-1) CS(x):极限分布时在x处固相中杂质浓度 K:分凝系数, l:熔区长度 X:锭的任何位置 C0:初始杂质浓度 L:材料的锭长度 若知道KB A CS(x),达到极限分布时杂质在锭中分布的关系式,多次区熔规律: (图2-10,2-11),K越小, 两头杂质浓度越小
11、,即Cs(x)越小 l越小 Cs(x)越小,K越小,l越小,区熔提纯效果越好!,影响杂质浓度极限分布的主要因素是杂质的分凝系数和熔区长度,2-2-4影响区熔提纯的因素,1.熔区长度 (1)一次区熔时 Cs=C01-(1-K)e-kx/l l 大,Cs 小提纯效果好 l越大越好 (2)极限分布时(K一定) l 大,B 小A 大Cs(x) 大提纯效果差 l越小越好,一次区熔的效果，l 越大越好 极限分布时，l越小，A越小，B越大，锭头杂质浓度 越低，纯度越高 应用：前几次用宽熔区，后几次用窄熔区。,2.熔区的移动速度 BPS公式?,f越小，keff越接近k0，提纯效果好, 区熔次数少, 但是过低
12、的f使得生产效率低 过快的f使得提纯效果差, 区熔次数增多,f与区熔次数产生矛盾? 如何解决,对策：用尽量少的区熔次数和尽量快的区熔速度来区熔,即 使n/(f/D)最小 实际操作中的对策: 实际区熔速度的操作规划是选f/D近似于1,3.区熔次数的选择,区熔次数的经验公式 n=(11.5)L/l n:区熔次数 L:锭长 l:熔区长度 20次左右最好,4.质量输运(质量迁移),现象：一头增粗，一头变细 原因：熔体与固体的密度不同， 对策：在水平区熔时，将锭料倾斜一个角度，(经验表明，3-5度）以重力作用消除输运效应。,2-3锗、硅的区熔提纯,区熔法晶体生长 crystal growth by zo
13、ne melting method 利用多晶锭分区熔化和结晶来生长单晶体的方法。将棒状多晶锭熔化一窄区,其余部分保持固态,然后使这一熔区沿锭的长度方向移动，使整个晶锭的其余部分依次熔化后又结晶。,在头部放置一小块单晶即籽晶(seed crystal)，并在籽晶和原料晶锭相连区域建立熔区，移动晶锭或加热器使熔区朝晶锭长度方向不断移动，使单晶不断长大。 分类: 水平区熔 悬浮区熔,锗的水平区熔法,Ge中所含的杂质 K大于1，B K小于1，Ni, Fe, Cu, Mn, As 提纯装置(34页) 提纯步骤 根据提纯要求确定熔区长度、区熔速度和次数 清洗石墨舟、石英管、锗锭 将舟装入石英管、通氢气或抽
14、真空，排气 熔区的产生：电阻加热炉，高频线圈(附加电磁搅拌作用) 区熔若干次,硅的悬浮区熔提纯,采用悬浮区熔的原因： 高温下硅很活泼,易反应， 悬浮区熔可使之不与任何材料接触； 利用熔硅表面张力大 而密度小的特点，可使熔区悬浮,1.什么是分凝现象？平衡分凝系数？有效分凝系数？ 2.写出BPS公式及各个物理量的含义，并讨论影响分凝系数的因素。 3.分别写出正常凝固过程、一次区熔过程锭条中 杂质浓度Cs公式,并说明各个物理量的含义。 4.说明为什么实际区熔时，最初几次要选择大熔 区后几次用小熔区的工艺条件。,问题,答案：,1.分凝现象：含有杂质的晶态物质熔化后再结晶时，杂质再结晶的固体和未结晶的液
15、体中浓度不同，这种现象叫分凝现象。 平衡分凝系数： 固液两相达到平衡时，固相中的杂质浓度和液相中的杂质浓度是不同的，把它们的比值称为平衡分凝系数，用K0表示。 K0Cs/CL 有效分凝系数：为了描述界面处薄层中杂质浓度偏离固相对固相中杂质浓度的影响，通常把固相杂质浓度Cs与熔体内部的杂质浓度CL0的比值定义为有效分凝系数Keff KeffCs/ CL0,2.f 远大于D/时, fD/ +,exp(-fD/ ) 0, Keff 1,即 固液中杂质浓度差不多.分凝效果不明显。 f 远小于D/时, fD/ 0,exp(-fD/ ) 1, Keff K0,分凝效果明显,平衡分凝系数,固液交界面移动速度
16、 即熔区移动速度,扩散层厚度,扩散系数,3. 正常凝固过程： Cs=KC0(1-g)k-1 C0:材料凝固前的杂质浓度 K,分凝系数.不同杂质的不同K值可以通过查表得出 一次区熔过程： CS=C01-(1-K) e-K x/l C0:锭条的原始杂质浓度 X:已区熔部分长度 K:分凝系数 L:熔区长度,4.（1）一次区熔时 Cs=C01-(1-K)e-kx/l l 大,Cs 小提纯效果好 l越大越好 (2)极限分布时(K一定) l 大, Cs(x) 大提纯效果差 l越小越好 所以对于实际区熔，前几次应该用大熔区，越到后面越接近极限分布，应该用小熔区,48,影响区熔的因素,熔区长度 一次区熔的效果，l越大越好 极限分布时，l越小，锭头杂质浓度越低，纯度越高 应用：前几次用宽熔区，后几次用窄熔区。 熔区的移动速度 电磁搅拌或高频电磁场的搅动作用，使扩散加速， 变薄，使keff与Ko接近，分凝的效果也越显著 凝固速 度 f 越慢，k
