33 第三代半导体材料及制造工艺 电子器件与工艺.ppt

连通式双反应室MOCVD系统实物图 实例：Si 衬底上 3C-SiC 薄膜的异质外延 不锈钢外壁 石墨基座 热屏蔽罩 电源接口 电源接口 石墨加热器 石墨屏蔽层 SiC 反应室的简化示意图 实例：Si 衬底上 3C-SiC 薄膜的异质外延 连通式双反应室MOCVD系统结构示意图 实例：Si 衬底上 3C-SiC 薄膜的异质外延 实例：Si 衬底上 3C-SiC 薄膜的异质外延 由于Si衬底价格便宜、质量高、单晶尺寸大，而3C-SiC在已知SiC多型体中迁移率最高并且SiC的器件制作工艺可以与成熟的Si器件工艺相兼容。因此在Si衬底上生长3C-SiC颇具商业价值和应用成本优势 清洗衬底 1. 分别使用四氯化碳、甲苯、丙酮和无水乙醇超声清洗多次，以去除Si表面的有机物，然后用大量去离子水冲洗。 2. 在 H2O:H2O2：浓H2SO4=8:1:1的混合液中浸泡10分钟，以去除金属离子，再用大量去离子水冲洗。 3. 用 HF: H2O=1:20 的混合溶液浸泡 Si 衬底2分钟，以除去Si表面的SiO2氧化层，再用大量去离子水冲洗。 4. 用去离子水冲洗，接着快速用 N2 吹干。 生长温度对SiC薄膜生长的影响 实例：Si 衬底上 3C-SiC 薄膜的异质外延 不同生长温度下SiC薄膜的XRD谱 1150 oC 1230 oC 1270 oC 1350 oC 生长温度对SiC薄膜生长的影响 实例：Si 衬底上 3C-SiC 薄膜的异质外延 SiC薄膜的摇摆曲线半高宽和生长温度的关系 生长温度对SiC薄膜生长的影响 实例：Si 衬底上 3C-SiC 薄膜的异质外延 不同生长温度下SiC薄膜的表面形貌 1150 oC 1230 oC 1270 oC 1350 oC 生长温度对SiC薄膜生长的影响 实例：Si 衬底上 3C-SiC 薄膜的异质外延 1350 oC 生长温度下 SiC 薄膜的 (a) TED图，(b) HRTEM像 实例：Si 衬底上 3C-SiC 薄膜的异质外延 SiC 薄膜的电阻与温度关系图 制备出的SiC薄膜之导电特性 实例：Si 衬底上 3C-SiC 薄膜的异质外延 SiC薄膜的迁移率、载流子浓度与温度关系 制备出的SiC薄膜之导电特性 随着温度的升高，SiC薄膜的电阻率下降，电导率升高。该实验结果和K. Sasaki [1]等人的结果相反，而和M. Eickhoff [2]等人的纳米晶的结果相似。并且该样品的电导率比以上两个小组的电导率都大，说明我们的样品非掺杂现象严重，非掺杂浓度较高。进一步的测试表明薄膜的室温载流子浓度为2×1019/cm3，载流子迁移率为20 cm2/V.s。 实例：Si 衬底上 3C-SiC 薄膜的异质外延 室温载流子浓度较大进一步说明了薄膜中由杂质和缺陷态引起的非掺杂施主浓度较高；而20 cm2/V.s的载流子迁移率低于文献上常见的载流子迁移率的数值(100-200 cm2/V.s)，远低于理想的3C-SiC迁移率(1000 cm2/V.s)，说明薄膜中存在的杂质、缺陷态和晶界等对载流子的迁移率存在较大影响。 由载流子浓度和霍尔迁移率随温度的变化关系可知，他们的变化规律和经典的半导体理论不符，这些现象的起因目前还不太清楚，可能和薄膜中存在的大量深能级中心和缺陷态有关。 [1] K. Sasaki, et al, Appl. Phys. Lett., 1984, 45, 72. [2] M. Eickhoff, et al, J. Appl. Phys., 2004, 95, 7908. 半导体中的电子状态 半导体中杂质能级 半导体中载流子的统计分布 半导体的导电性（载流子的输运现象） 半导体的霍耳效应 非平衡载流子 PN 结 金属和半导体接触 半导体表面和 MIS 结构 异质结 半导体的光学性质和光电与发光现象 半导体材料包括的内容（橙色是我们学到的部分） 本章思考题 一、试论述半导体材料的基本特征 二、何谓本征半导体、杂质半导体？举例说明之。 三、设本征半导体的禁带宽度为Eg，试推导本征载流子浓 度随温度的变化规律。 四、简述直接带隙半导体和间接带隙半导体的特点。 五、试推导当半导体中同时存在两种载流子情况下霍耳系 数与载流子浓度之间的关系，并讨论对于 n 型和 p 型 半导体霍耳系数随温度的变化行为。 六、何谓非平衡载流子，试举例说明测量非平衡载流子寿 命的方法。 七、简述P-N结形成过程以及P-N结的导电特性。 3.3 第三代半导体材料（宽禁带半导体材料） Si为代表的，第一代半导体材料 GaAs为代表的，第二代半