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1、1 (一)、半导体材料特性(5学时)n1.半导体材料的发展趋势n2.半导体材料的分类半导体材料的分类n3.半导体材料的基本性质及应用半导体材料的基本性质及应用n4.实例说明如何运用半导体材料知识开展实验设计22. 半导体材料的分类n 禁带宽度的不同，又可分为： 窄带隙半导体材料：Si，Ge 宽带隙半导体材料：GaN，ZnO，SiC，AlNn化学组分和结构的不同，又可分为： 元素半导体、化合物半导体、固溶体半导体、非晶半导体、微结构半导体、有机半导体和稀磁半导体等n使用功能的不同，可分为： 电子材料、光电材料、传感材料、热电致冷材料等 34按功能和应用按功能和应用微电子半导体微电子半导体光电半导
2、体光电半导体热电半导体热电半导体微波半导体微波半导体气敏半导体气敏半导体 5按组成按组成无机半导体无机半导体有机半导体有机半导体按结构按结构晶体晶体非晶、无定形半导体非晶、无定形半导体多晶半导体多晶半导体单晶半导体单晶半导体元素半导体元素半导体化合物半导体化合物半导体63.半导体材料的基本性质及应用n(1)半导体的晶体结构n(2)半导体的能带结构n(3) 半导体的杂质和缺陷n(4) 半导体的电学性质n(5) 半导体的光学性质7（1 1）半导体材料结构）半导体材料结构晶体：晶体： 有有规则对称的几何外形；规则对称的几何外形； 物理性质物理性质(力、热、电、光力、热、电、光)各向异性各向异性； 有
3、确定的熔点；有确定的熔点； 微观微观上，分子、原子或离子呈有规则的周期性上，分子、原子或离子呈有规则的周期性 排列，形成排列，形成空间点阵空间点阵(晶格晶格)。简单立方晶格简单立方晶格 面心立方晶格面心立方晶格Au、Ag、Cu、Al 体心立方晶格体心立方晶格 Li、Na、K、Fe 六角密排晶格六角密排晶格 Be，Mg，Zn，Cd 8立方晶体立方晶体n半导体材料：多数是立方晶体和六角晶体。半导体材料：多数是立方晶体和六角晶体。n立方晶体（等轴晶系），三边等长，相互正交。立方晶体（等轴晶系），三边等长，相互正交。n（a）简单立方晶系）简单立方晶系n原子在顶角，每个原子为原子在顶角，每个原子为8个晶
4、胞共有，每个晶胞有个晶胞共有，每个晶胞有8个个原子在顶点上，晶胞体积就是一个原子占有体积。原子在顶点上，晶胞体积就是一个原子占有体积。9n（b）体心立方晶体）体心立方晶体n每个晶胞有每个晶胞有8个原子在顶点上，一个在体心，晶胞有个原子在顶点上，一个在体心，晶胞有2个原个原子。体心立方可看成简单立方体套构而成。子。体心立方可看成简单立方体套构而成。体心原子的划分，体心原子的划分，属于每个晶胞属于每个晶胞 110n（c）面心立方晶体）面心立方晶体n6个面中心各有个面中心各有1个原子，个原子， 6*1/2=3原子；原子；n8个顶角各有个顶角各有1个原子，个原子，8*1/8=1个原子。个原子。n每个面
5、心立方晶胞有每个面心立方晶胞有4个原子。个原子。面心原子的划分，面心原子的划分，属于每个晶胞属于每个晶胞 1/211（2）半导体材料的能带结构直接带隙结构带隙大小间接带隙结构12轻掺杂 掺杂浓度为1017 cm-3中度掺杂 掺杂浓度为10171019 cm-3重掺杂 掺杂浓度大于1019 cm-3杂质离子100%电离载流子浓度低于掺杂浓度n(3) 半导体的杂质和缺陷13硅中的杂质n1. n型掺杂剂：P，As，Sbn2. p型掺杂剂：Bn3. 轻元素杂质：O，C，N，Hn4. 过渡族金属杂质：Fe，Cu，Ni14（4）电学性质 本征载流子浓度 a. 本征半导体在一定温度下，就会在热激发下产生自由
6、电子和空穴对，从而形成本征载流子浓度。 b. 温度一定，本征半导体中载流子的浓度是一定的，并且自由电子与空穴的浓度相等。 c. 当温度升高时，热运动加剧，挣脱共价键束缚的自由电子增多，空穴也随之增多（即载流子的浓度升高），导电性能增强；当温度降低，则载流子的浓度降低，导电性能变差。15电导率和电阻率n电导率n电阻率16（5）光学性质n晶体半导体晶体半导体n直接跃迁和间接跃迁n满足能量守恒和动量守恒n间接跃迁时需要声子的参与n非晶半导体非晶半导体n电子跨越禁带时的跃迁没有直接跃迁和间接跃迁的区别n电子跃迁时不再遵守动量守恒的选择定则n非晶结构上的无序使非晶半导体中的电子没有确定的波失17n吸收系
7、数n透射率n折射率n自发辐射、受激辐射18(二)、半导体材料 IV族（元素）、III-V族 、II-VI（氧化物）族半 导体 材料 1.典型半导体材料的应用与工艺技术 2 .硅和锗半导体材料 3. 砷化镓、氮化镓、磷化铟半导体材料 4. 氧化锌、硫化镉193. 砷化镓、氮化镓、磷化铟半导体材料 IIIAIIIA族族族族和和和和VAVA族族族族元元元元素素素素组组组组成成成成的的的的IIIA-VAIIIA-VA族族族族化化化化合合合合物物物物半半半半导导导导体体体体。即即即即AlAl，GaGa，InIn和和和和N, N, P P，AsAs，SbSb组组组组成成成成的的的的9 9种种种种IIIA-
8、VAIIIA-VA族族族族化化化化合合合合物物物物半半半半导导导导体体体体，如如如如AlPAlP，AlAsAlAs，AlsbAlsb，GaPGaP，GaAsGaAs，GaSbGaSb，InPInP，InAsInAs，InSb, GaN, InNInSb, GaN, InN等。等。等。等。n n需要掌握需要掌握需要掌握需要掌握GaAsGaAs， GaN, InPGaN, InP， GaSbGaSb，InNInN20（1）砷化镓性质 n能带结构能带结构n物理性质物理性质n化学性质化学性质n电学性质电学性质n光学性质光学性质21GaAs能带结构n直接带隙结构直接带隙结构n双能谷：强电场下电子从双能谷
9、：强电场下电子从高迁移率能谷向低迁移率高迁移率能谷向低迁移率能谷转移，引起电子漂移能谷转移，引起电子漂移速度随电场的升高而下降速度随电场的升高而下降的的负微分迁移率效应负微分迁移率效应 n带隙为带隙为1.42 eV22GaAs物理性质nGaAs晶体呈暗灰色，有金属光泽晶体呈暗灰色，有金属光泽n分子量为分子量为144.64n原子密度原子密度4.421022/cm323GaAs化学性质nGaAs室温下不溶于盐酸，可与浓硝酸反应，室温下不溶于盐酸，可与浓硝酸反应，易溶于王水易溶于王水n室温下，室温下，GaAs在水蒸气和氧气中稳定在水蒸气和氧气中稳定n加热到加热到6000C开始氧化，开始氧化，加热到加
10、热到8000C以上以上开始离解开始离解24GaAs电学性质n电子迁移率高达电子迁移率高达 8000nGaAs中电子有效质量为自由电子的中电子有效质量为自由电子的1/15，是硅电子的是硅电子的1/3n用用GaAs制备的晶体管开关速度比硅的快制备的晶体管开关速度比硅的快34倍倍n高频器件，军事上应用高频器件，军事上应用25本征载流子浓度26GaAs光学性质n直接带隙结构直接带隙结构n发光效率比其它半导体材料要高得多发光效率比其它半导体材料要高得多，可，可以制备发光二极管，光电器件和半导体激以制备发光二极管，光电器件和半导体激光器等光器等27GaAs的应用nGaAs在无线通讯方面具有众多优势在无线通
11、讯方面具有众多优势nGaAs是功率放大器的主流技术是功率放大器的主流技术n光伏器件光伏器件n发光器件发光器件28GaAs在无线通讯方面n砷化镓晶片与硅晶片主要差别，在于它是一种砷化镓晶片与硅晶片主要差别，在于它是一种“高频高频”传输传输使用的晶片，由于其使用的晶片，由于其频率高，传输距离远，传输品频率高，传输距离远，传输品质好，可携带信息量大，传输速度快，耗电量低质好，可携带信息量大，传输速度快，耗电量低，适合，适合传输影音内容，传输影音内容，符合现代远程通讯要求符合现代远程通讯要求。n一般讯息在传输时，因为距离增加而使所能接收到的讯一般讯息在传输时，因为距离增加而使所能接收到的讯号越来越弱，
12、产生号越来越弱，产生“声音不清楚声音不清楚”甚至甚至“收不到信号收不到信号”的情形，这就是功率损耗。砷化镓晶片的最大优点，在的情形，这就是功率损耗。砷化镓晶片的最大优点，在于传输时的于传输时的功率损耗功率损耗比硅晶片比硅晶片小小很多，成功很多，成功克服讯号传克服讯号传送不佳的障碍。送不佳的障碍。n砷化镓砷化镓具有抗辐射性具有抗辐射性，不易产生信号错误，特别适用于，不易产生信号错误，特别适用于避免避免卫星通讯时暴露在太空中所产生的辐射问题卫星通讯时暴露在太空中所产生的辐射问题。29砷化镓与硅元件特性比较砷化镓硅最大频率范围2300GHz1.5介电常数11.812.812.510.09.038Ga
13、N材料的特性材料的特性 n高频特性，高频特性，可以达到可以达到300G Hz（硅为（硅为10G，砷化镓为，砷化镓为80G）n高温特性高温特性，在，在300正常工作（非常适用于航天、军正常工作（非常适用于航天、军事和其它高温环境）事和其它高温环境）n电子漂移饱和速度高、介电常数小、导热性能好电子漂移饱和速度高、介电常数小、导热性能好n耐酸、耐碱、耐腐蚀耐酸、耐碱、耐腐蚀（可用于恶劣环境）（可用于恶劣环境）n高压特性高压特性（耐冲击，可靠性高）（耐冲击，可靠性高）n大功率大功率（对通讯设备是非常渴望的）（对通讯设备是非常渴望的）39GaN的化学特性的化学特性 n 在室温下，GaN不溶于水、酸和碱；
14、n在热的碱溶液中以非常缓慢的速度溶解；nNaOH、H2SO4和H3PO4能较快地腐蚀质量差GaN，可用于这些质量不高的GaN晶体的缺陷检测；nGaN在HCL或H2气下，在高温下呈现不稳定特性；n而在N2气下最为稳定。 40结构特征结构特征n立方系闪锌矿结构和六方纤锌矿结构；n在大气压力下，GaN晶体一般是六方纤锌矿结构。 41GaN的电学特性的电学特性 nGaN的电学特性是影响器件的主要因素。n未有意掺杂的GaN在各种情况下都呈n型，最好的样品的电子浓度约为n一般情况下所制备的P型样品，都是高补偿的。 42GaN的光学特性的光学特性 n宽带隙化合物半导体材料，有很高的禁带宽度（2.36.2eV
15、)，可以覆盖红、黄、绿、蓝、紫和紫外光谱范围 ，是到目前为止其它任何半导体材料都无法达到的n主要在蓝光和紫光发射器件上应用 43GaN的应用n 实现半导体照明。实现半导体照明。 国内外倍加关注的半导体照明是一种国内外倍加关注的半导体照明是一种新型的新型的高效、节能和环保光源高效、节能和环保光源，将取代目前使用的，将取代目前使用的大部分传统光源，被称为大部分传统光源，被称为21世纪照明光源的世纪照明光源的革命，而革命，而GaN基高效率、高亮度发光二极管基高效率、高亮度发光二极管的研制的研制是实现半导体照明的是实现半导体照明的核心技术和基础核心技术和基础。44（3）磷化铟 磷化铟(InP)晶体呈银
16、灰色，质地软脆。磷化铟具有载流子速度高、工作区长、热导率大等特点，可以制作低噪声和大功率器件。 磷化铟材料主要用于制作光电器件、光电集成电路和高频高速电子器件。在光电器件的应用方面，主要制作长波长(1.31.6m)激光器、激光二极管、光电集成电路等，用于长距离通信。 45 磷化铟的抗辐射性能优于砷化镓，作为空间应用太阳能电池的材料更理想，其转换效率可达20。在高频高速电子器件应用方面，工作在毫米波范围内显示出它的优势。InP的异质结双极晶体管(简称HBT) fT (特征频率)已超过160GHz，InP的高电子移动率晶体管(简称HEMT)最高fT已达到320GHz，W波段(波 长 范 围 0.3
17、750.3cm， 频 率 范 围80100GHz)振荡功率达到10mW，这些器件可用于毫米波雷达、卫星通信。 464. II-VI 族半 导体 材料 IIB族和VIA族IIB-VIA族化合物半导体，即Zn，Cd，Hg与O, S，Se，Te成的多种IIB-VIA族化合物半导体，如ZnO， CdS，CdTe，CdSe等。nZnO，CdS47nZnO的基本性质及能带结构nZnO的缺陷、掺杂、合金及能带工程nZnO薄膜的制备技术nZnO半导体器件nZnO的纳米结构nZnO的应用（1）ZnO48ZnO的基本性质nZnO热力学稳定相为钎锌矿结构，宽带隙3.37eV（常温），缺乏中心对称性，对可见光透明。纤
18、锌矿常温具有较大激子束缚能60meV，本证载流子浓度 nj70（3）分子束外延分子束外延(Molecular Beam Epitaxy) =Epi+taxis外延技术是在单晶衬底上，在合适的条件下沿衬底原来的结晶轴向生成一层晶格结构完整的新的单晶层的制膜方法。外延包括化学外延方法（CVD），液相外延（LPD）及分子束外延由外延方法获得的新生长的单晶层叫外延层。若外延 层与衬底材料在结构性质上相似，则 称同质外延。若两材料在结构和性质上不同，则称为异质外延。分子束外延是在超高真空环境中，把一定比例的构成晶体的组分和掺杂原子（分子）的气态束流，直接喷射到温度适应的衬底上，进行晶体外延生长的制膜方法
19、.该方法是七十年代在真空蒸发镀膜的基础上发展起来的。是真空镀膜技术的改进与提高。其特点是生长速度很慢（1m/h）生长温度较低（500600C），结构厚度组分与掺杂分布可控制，可生长极薄的单晶薄膜层。在微波器件、光电器件、多层结构器件、纳米材料、纳米电子学等领域有广泛应用。在硅半导体器件中，用于制作双极器件及其他有特殊要求的CMOS、DRAM器件。71MBE原理原理在超高真空条件下（10-8Pa）,将组成化合物的各种元素（如Ga、As）和掺杂剂元素分别放入不同的喷射炉内加热，使它们的原子（或分子）以一定的热运动速度和比例喷射到加热的衬底表面上，与表面进行相互作用并进行晶体薄膜的外延生长。分子束向
20、衬底喷射，当蒸气分子与衬底表面为几个原子间距时，由于受到表面力场的作用而被吸附到衬底表面，并能沿表面进一步迁移，然后在适当的位置上释放出潜热，形成晶核或嫁接到晶格点上。但是也有可能因其能量大而重新返回到气相中。因此，在一定的温度下，吸附与解吸处于动态平衡。粘附系数：常以粘附系数来表示被化学吸附的分子数与入射到表面的分子数的比例。晶格失配：利用MBE方法在晶格常数为a的衬底A上外延极薄的一层晶格常数a2的材料B，则a2会膨胀或收缩以求得A材料的晶体常数为a1匹配。如果外延厚度超过了一定的临界值，就会产生失配位错，应力被弛豫。72 超高真空是指残余气体的总压力P 1.3310-7 Pa 的真空。在
21、这样的真空条件下，气体分子穿越空间的平均自由程L 可表示为 L = (1/nd2) （1.1） 其中d为分子的直径，n为真空中气体分子的浓度，它与真空中的压力P和温度T的关系 n = P / KT （1.2） K为玻耳兹曼常量(K = 1.381 10-23 。即 L = 3.11 10-24 T/P （1.3） 在分子束外延设备中，参与外延生长的各个分子束是从特殊的喷射炉中产生的，通常，从炉口到衬底表面的距离为0.2m但残余气体处于高真空的压力范围内时，从炉口喷出的分子、原子形成定向束，无碰撞地射向衬底表面，因此，超高真空环境是分子束外延技术的基础条件 737475（4）CVD薄膜生长767
22、7CVDCVD化学反应Disproportionation irreversibleAsCl3(g) 3Ga(s) 3GaCl(g) 1/4 As4(g)3GaCl(g) 1/2 As4(g) 2GaAs(s) GaCl3(g)Disadvantages: multizone furnacelow gas flowlow reaction efficiency (66%)system contamination (hot wall)78CVDCVD化学反应Pyrolysis irreversibleHydride reaction, SiH4(g) Si(s) 2H2(g)Metal-orga
23、nic reaction MOCVD(CH3)3Ga(g) AsH3(g) GaAs(s) 3CH4(g)Advantages: low growth temperaturecold wall reactorDisadvantage: chemical purity and cost79Plasma-Enhanced CVD8081等离子体化学气相沉积 通过射频场,直流场或微波场使得反应气体呈等离子体态,其中的电子运动(1-20eV)导致气体分子的电离分解,形成自由原子,分子,离子团簇,沉积在基片表面。 优点：低温沉积、沉积速度快、易生长亚稳相。 应用等离子体化学气相沉积，可以制备多种薄膜材料
24、：金属、介电和绝缘体，化合物半导体,非晶态和其他的合金相。82（5）反应离子刻蚀83RF-powered plasma etch systemRF-powered plasma etch system84等离子体刻蚀原理n等离子体刻蚀是采用高频辉光放电反应，使反应气体激活成活性粒子，如原子或游离基，这些活性粒子扩散到需刻蚀的部位，在那里与被刻蚀材料进行反应，形成挥发性生成物而被去除。它的优势在于快速的刻蚀速率同时可获得良好的物理形貌 。（这是各向同性反应）n这种腐蚀方法也叫做干法腐蚀。85等离子体刻蚀反应86n首先，母体分子CF4在高能量的电子的碰撞作用下分解成多种中性基团或离子。n其次，这些
25、活性粒子由于扩散或者在电场作用下到达SiO2表面，并在表面上发生化学反应。n生产过程中，CF4中掺入O2，这样有利于提高Si和SiO2的刻蚀速率。87Etchants and etch products88Plasma assisted etchingnPlasma assisted etching sequenceTake a molecular gas nCF4Establish a glow dischargenCF4+e CF3 + F + e Radicals react with solid films to form volatile productnSi + 4F SiF4 Pump away volatile product (SiF4 ) 89Physical EtchingIon Enhanced EtchingNo plasmasputteringSILICON VLSI TECHNOLOGYFundamentals, Practice and ModelingBy Plummer, Deal & Griffin 2000 by Prentice HallUpper Saddle River NJ90
