《半导体材料导论》.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
整理课件
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，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。
（4）体缺陷　　如空洞、夹杂物、杂质沉淀物等。
（5）微缺陷　　几何尺寸在微米级或更小，如点缺陷的聚集物、微沉积物等。
缺陷如按其形成过程，可分为原生缺陷（在晶体制备过程中所引入的缺陷）和二次缺陷（在晶体加工过程，包括器件制备过程所引入的缺陷）。
整理课件
点缺陷
原子尺度的晶体点阵缺陷，分为热点缺陷和杂质缺陷。
我们在晶体结构中把组成晶体的原子或离子看成一个点，在绝对零度下，这些点是固定在点阵的位置上的。当温度升到零度以上，这些点因获得动能而振动，由于能量的非均匀分布，一些点具有较大的能量而挣脱出原来点阵的位置，那么原有的位置就成为空位，脱离点阵的原子可处于点阵的间隙位置，称为自间隙原子，也可以运动到晶体表面。这类点缺陷的形成都与温度有关，称为热点缺陷。
化合物半导体中的点缺陷比较复杂。以砷化镓为例，热点缺陷可以是砷空位、也可以是镓空位、也可以是砷占镓位或镓占砷位的反位缺陷。各类点缺陷之间可形成复合体。
化学配比的偏离，根据质量作用定律，可以改变点缺陷的浓度，例如富砷的砷化镓单晶会减少砷空位、增加镓空位及砷占镓位的反位缺陷。
杂质点缺陷是由杂质造成晶体点阵的变化所形成的。有的杂质原子取代本体原子而成替位型原子，有的杂质则进入到点阵的间隙位置而成间隙型原子。杂质也可与空位、反位缺陷等形成复合体。
点缺陷可以起到电活性中心的作用，影响材料的电学性质。
非平衡的点缺陷也可聚集成团，构成微缺陷。
整理课件
位错
当一种固体材料受到外力时就会发生形变，如果外力消失后，形变也随着消失，这种形变称为弹性形变；
如果在外力消失后，形变不消失，则称为范性形变。
位错就是由范性形变造成的，它可以使晶体内的一些质点（原子或离子）脱离规则的周期排列而位移一段距离，位移区与非位移区交界处必有原子的错位，这样产生的线性缺陷称为“位错”。
刃位错的原理示意图
。其中FE为位错线，因为它处于变形部分与非变形部分的交界处。箭头所指为滑移方向。由此可见，它的滑移方向与位错线相垂直。此类位错称为刃位错。
整理课件
另一类位错的滑移方向与位错线（AD）相平行，。此类则称为螺位错。
第三类则为二者的混合，称为混合位错。不论哪一类位错，在它的周围都是应力集中的区域，这是因为质点脱离开正规的周期点阵所造成的。
这种位错周围的应力可造成有位错处与无位错处腐蚀速度的差异，因此使用择优腐蚀剂对晶片进行腐蚀，在显微镜下可以直接观察到位错坑，根据坑的数量可以求出位错密度。
位错对许多器件的性能都有影响，大多希望位错密度愈低愈好。
硅在技术上容易获得无位错单晶，这也是它能得到广泛应用的原因之一。
螺位错原理示意图
整理课件
微缺陷
在半导体单晶中发现有尺寸很小，一般是微米级到几十纳米的缺陷。
其中有些是由点缺陷聚集而成的，例如自间隙原子的聚合体、空位的聚合体等；
另一类则属微沉积物，由于一些杂质的含量在晶体凝固后，超过了它的溶解度而被析出；
还有一些微缺陷的本性至今还未弄清楚。
微缺陷的种类不同，它们对器件的影响也不相同。在无位错硅单晶中所发现的漩涡A型缺陷是自间隙原子构成的位错环，对集成电路和电力电子器件都是有害的。
整理课件
几何尺寸与精度
对半导体单晶的直径与截面面积一般要求愈大愈好。出发点基本上是两个：
一个是技术性的，例如整流器或晶闸管，如果要求它们通过的电流大，那么器件的尺寸就必需大，因此所需的晶片直径也要大；
另一类是经济上的，晶片愈大，一次作出的器件就多，单个器件的成本也就随之降低。
对晶片尺寸精度的要求主要来自器件工艺。
这些要求有直径公差、厚度公差、弯曲度、翘曲度、平坦度、定位面位置与尺寸等。
集成度高的集成电路对晶片的几何精度有很严格的要求，而且随着集成度的提高、器件的几何尺寸的缩小，其中有些要求将随之进一步提高。
对量子阱与超晶格材料则要求有原子级的精度。
整理课件
常用的表征参数与测量方法
在半导体材料的实践中，能反映上述要求的常用参数可分为电学的、化学的、晶体学的和几何尺寸等几个方面。
电学参数
包括电阻率、导电类型、载流子浓度、迁移率、少数载流子寿命、电阻率均匀性等。
电阻率为电导率的倒