半导体材料导论4解读.ppt

第4章　对半导体材料的技术要求 材料学院 徐桂英 * 半导体材料 第4章　对半导体材料的技术要求 半导体材料的实际应用是以其作出的器件来实现的。 器件对材料的要求总的说来有两个方面: 一方面是根据器件的功能来选择能满足其性能的材料，这包括材料的能带结构、晶体结构、迁移率、光学性质等； 另一方面，在材料选定后，要使材料具有相应的物理参数与化学纯度，以保证器件获得良好的功能，同时为了保证器件工艺的实施，还要求材料具有相应的几何尺寸。 一般都要求材料的本底纯度高、晶体缺陷少、晶体的尺寸大、加工精度高等。 这就涉及到材料的化学组成、晶体缺陷、几何精度等方面的问题。 4.1化学组成 4.1.1 杂质的种类与行为 1. 电活性杂质。 根据2.3节所述，由于杂质原子的价电子数与本体材料的价电子数不同，从而形成施主或受主。如果这些杂质的能级是在导带底或价带顶附近（图3.2）称为浅施主或浅受主。 这些杂质会影响材料的电阻率、迁移率等。因此要将它们的浓度尽量降低。但在半导体材料或器件的制备过程中也常常利用某种浅施主或浅受主杂质来形成n型或p型半导体。 这些杂质都分布在周期表中与本体材料邻近的一族中。由于它们所形成的能级与导带或价带靠得非常近，因此它们的解离能非常小，在室温下就可以完全解离。 另一类电活性杂质的电离能较大，它们的能级位置靠近禁带的中部，这类杂质称为深能级杂质，它们常常有几个能级，在室温下不全部电离，但对载流子起复合中心或陷阱作用，因此这类杂质一般对材料是有害的，它们主要是元素周期表中的IB族，如铜、金和VIII族，如铁、镍等。 2. 电中性杂质。 大多数的中性杂质是与本体材料或本体材料的一个组成元素处于元素周期表的同一族。这些杂质的价电子数与本体材料中的一种元素的相同，故又称等电子杂质。 这种等电子杂质虽然不能释放出电子与空穴，但它们电子层数与本体元素不同。例如在磷化镓中的氮，它与磷的价电子数都是5，但它的价电子在L层，而磷在L层已填满，它们价电子就在M 层。因此氮就更容易俘获电子，而成为等电子陷阱。类似地，如果杂质对空穴的引力比较大，就成为空穴陷阱。可以利用这些陷阱制作器件。 另外对所有类型的杂质，包括电活性与电中性杂质，由于它们的结合半径与本体原子不同，所以会改变晶体的晶格常数与力学性能。晶格常数的变化可造成高纯层与掺杂层的晶格失配，当然也可掺入一定数量杂质（通常是电中性杂质）以调整晶体的晶格常数。一些电中性杂质也可以用来改善材料的力学性能。 3. 化学配比偏离。 在实际的化合物半导体的晶体中，各组成元素的比例与理论的化学配比有所偏离。例如在砷化镓中，砷原子与镓原子不能按1:1组成。这样，一些价电子不能相键合，便构成载流子或形成点缺陷。因此在化合物的晶体制备中，要采取相应措施以尽量减少化学配比偏离。 4.1.2 本底纯度 从上述的情况可以看出，在材料中杂质的行为多种多样，而所需要的杂质的种类很少，却要求有准确的含量。所以可行的办法是先把半导体材料进行提纯，把其中所有的杂质降到一定的水平，使材料获得较高的本底纯度，然后再掺入所需的杂质。 这种本底纯度当然愈高愈好，但根据需要与可能至少使杂质含量降到10-4%以下，有的则要求降到10-8%或更低。本底纯度是衡量半导体材料质量的、具有先决性的重要参数。 4.1.3 杂质分布的均匀性 在晶体制备的过程中，首先根据器件设计所要求的杂质性质与载流子浓度来进行掺杂，掺杂量可以由计算求得。但掺入的杂质在晶体中的分布却是不均匀的。不均匀度可分为宏观的与微观的。 因为器件一般是作在晶片上，所以宏观的纵向不均匀度，即晶体自头部至尾部的杂质浓度的差异，主要影响晶体的可用部分的大小；而径向不均匀度则影响器件的质量与成品率。 微观不均匀度表现为杂质条纹，它亦对一些器件的性能有明显的影响。 4.2 晶体缺陷 晶体内的原子是按一定的原则周期性地排列着的。如果在晶体中的一些区域，这种排列遭到破坏，我们称这种破坏为晶体缺陷。 从这个意义上讲，杂质也是一类缺陷，因为任何的杂质都会使晶体的正规点阵遭到破坏，因此我们在这里也将叙述杂质对晶体结构方面所引入的问题。 晶体缺陷对半导体材料的使用性能影响很大，在大多数的情况下，它使器件性能劣化直至失效。因此在材料的制备过程中，特别是在晶体制备过程中都尽量排除缺陷或降低其密度。 但靠近器件有源区的缺陷可以吸收有源区的杂质与缺陷，常利用这一原理来改善器件性能。 晶体缺陷的控制是材料制备技术中的一项重要课题，称为“缺陷工程”。 晶体缺陷通常可分为： （1）点缺陷　　这主要是单个原子之间的变化，如空位、间隙原子、反位缺陷、替位缺陷，和由它们构成的复合体。 （2）线缺陷　　呈线状排列，例如位错就是这类缺陷。 （3）面缺陷　　呈面状，在另一个方向上尺寸较小，如晶界、堆垛层错、相界等