半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷能級

1、第二章半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷能級 要求：掌握半導(dǎo)體中雜質(zhì)的作用與雜質(zhì)能級；掌握半導(dǎo)體中的缺陷及其影響重點：淺能級和深能級雜質(zhì)及其作用，雜質(zhì)的 補(bǔ)償作用實際半導(dǎo) 體材料：i面缺陷f原子并非固定不動，格點原子在平衡位置附近振動； 半導(dǎo)體并非純凈，含有若干雜質(zhì)（基質(zhì)以外的任何元素）；r點缺陷1半導(dǎo)體晶格并非完美（完整），存在各種缺陷線缺陷§2Si、Ge晶體中的雜質(zhì)能級1、替（代）位式雜質(zhì)間隙式雜質(zhì)r原材料純度不夠；雜質(zhì)來源：1工藝過程中引入玷污；I人為摻入雜質(zhì)一為改善半導(dǎo)體材料性能;（1） Si、Ge都具有金剛石結(jié)構(gòu)，一個晶胞內(nèi)含有8個原子。（2）若視晶體中的原子為球體, 且最近原子相切：2

2、廠=、/3a4相鄰兩球的半徑之和（直 徑）為立方體體對角線的 1/4 o8個原子體積_8x§勿彳 晶胞體積則66%是空的3則66%是空的O#則66%是空的#則66%是空的= 34%8x 7Z( V3a)a38#（3）雜質(zhì)原子進(jìn)入半導(dǎo)體中的存在方式:#位于格點原子間的間隙位置 取代格點原子而位于格點上 間隙式雜質(zhì)（一般雜質(zhì)原子較?。?替代式雜質(zhì)（一般雜質(zhì)原子大小與#替位式雜質(zhì)和間隙式雜質(zhì)被取代的晶格原子大小近似，且價電子殼層結(jié)構(gòu)也較相似）Si、Ge是IV族元素，皿、V族元素在Si、Ge中是替位式雜質(zhì)。雜質(zhì)濃度：單位體積中的雜 質(zhì)原子數(shù)，表示半導(dǎo)體晶體中 雜質(zhì)含量的多少，雜質(zhì)濃度的 單位

3、為cm 3或/crrP。#2、施主雜質(zhì)施主能級電子脫離雜質(zhì)原子的束縛成為導(dǎo)電電子的過程。以Si中摻入V族替位式雜質(zhì)P為例效果卜形成Si中摻P竺聖正電中心P+ 個價電子束縛遠(yuǎn)小于共價鍵束縛，很小的能量 E就可以使其掙脫束縛，形成“自由”電子，在晶格中運(yùn)動（在導(dǎo)帶）。雜質(zhì)電離:雜質(zhì)電離能：電子脫離雜質(zhì)原子的束縛，成為導(dǎo)電電子所需的能量。記作AEd。(Si 中約 0040.05eV Ed的值 I Ge中約 o.OleVJ <<5施主雜質(zhì)或N型雜質(zhì):'V族元素施放電子的過程V族元素未電離時呈中性施主電離；束縛態(tài)或中性態(tài);V族元素電離后形成正電中心施主離化態(tài);-叫W冷涉EdEv晶體雜

4、質(zhì)PAsSbSi0.0440.0490.039Ge0.01260.01270.0096Si、Ge中V族雜質(zhì)的電離能AEd (eV)稱為施主能級。Ed：施主雜質(zhì)束縛電子的能量狀態(tài),7一般情況下，雜質(zhì)濃度較低雜質(zhì)原子間的相互作用可以忽略 所以施主能級是一些相同能量的孤立能級，即不形成能帶。摻入施主雜質(zhì)后，雜質(zhì)電離導(dǎo)致電子增多，增強(qiáng)半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力,主要依靠電子導(dǎo)電的半導(dǎo)體稱為N型半導(dǎo)體動畫:施主雜質(zhì)3、受主雜質(zhì)受主能級以Si中摻入口族替位式雜質(zhì)B為例Si中摻B |效二吟負(fù)電中心B：+二£空穴負(fù)電中心B束縛，位于B周圍，(此束縛遠(yuǎn)小于共價鍵束縛，很小的能量 E就可以使其掙脫束縛，形成價帶導(dǎo)

5、電空穴。一r空穴掙脫受主雜質(zhì)束縛的過程一受主電離；受主雜質(zhì)未電離時呈中性束縛態(tài)或中性態(tài)；受主雜質(zhì)或P型雜質(zhì):HI族元素電離后形成負(fù)電中心一受主離化態(tài);使空穴掙脫受主雜質(zhì)束縛成為導(dǎo)電空穴所需的能i量AEa受主雜質(zhì)電離能;9EcEvA%Aea晶體雜質(zhì)BAlGaInSi0.0450.0570.0650.16Ge0.010.010.0110.011Si、Ge中HI族雜質(zhì)的電離能AEa （eV）Ea：被受主雜質(zhì)束縛的空穴的能量狀態(tài)，稱為受主能級。摻入受主雜質(zhì)后，價帶導(dǎo)電空穴增多，增強(qiáng)了半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力，將主要依靠空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體稱為P型半導(dǎo)體動畫：受主摻雜總結(jié)： ID族元素（受主雜質(zhì)）：在禁帶中引入比E

6、v高AEa的受主能級Ea（束縛態(tài)（中性態(tài)）t離化態(tài)（向價帶提供導(dǎo)電空穴，成為負(fù)電中心）V族元素（施主雜質(zhì)）：在禁帶中引入比Ec低AEd的施主能級Ed（束縛態(tài)（中性態(tài)）© 去孑空診1離化態(tài)（向?qū)峁?dǎo)電電子，成為正電中心） 皿、V族元素的雜質(zhì)電離能（AEa、AEd）很小，即：受主能級Ea距Ev 很近、施主能級Ed距Ec很近，故雜質(zhì)能級稱為淺能級，相應(yīng)的雜質(zhì)稱為淺 能級雜質(zhì)。 室溫下（T=300k） , Si、Ge中的皿、V族雜質(zhì)幾乎全部離化。（濃度不高，一般全部離化）4. 淺能級雜質(zhì)電離能的簡單計算（氫原子模型估算）氫原子基態(tài)電子電離能Eo=13. 6ev； 硅、錯的相對介電常數(shù)為1

7、2、16 oz夕2 fifff *f 5、雜質(zhì)的補(bǔ)償作用如果在半導(dǎo)體中既摻入施主雜質(zhì)，又摻入受主雜質(zhì)，施主 雜質(zhì)和受主雜質(zhì)具有相互抵消的作用，稱為雜質(zhì)的補(bǔ)償作用。 設(shè)：g施主雜質(zhì)濃度g受主雜質(zhì)濃度n°：導(dǎo)帶中的電子濃度 Po：價帶中的空穴濃度1）對于雜質(zhì)補(bǔ)償?shù)陌雽?dǎo)體，若Nd>Na：> 在T=OK時，電子按順序填充能量由低到高的各個能級， 由于受主能級Ea比施主能級Ed低，電子將先填滿受主能級Ea， 然后再填充施主能級E»因此施主能級上的電子濃度為n0=ND-雜質(zhì)補(bǔ)償T=OK, Nd>Na>通常當(dāng)溫度達(dá)到大約100K以上時，施主能級上的血叫個電子 就全

8、部被激發(fā)到導(dǎo)帶，這時導(dǎo)帶中的電子濃度no=ND'NA»為 型半導(dǎo)體，丄_±2丄上Ec雜質(zhì)補(bǔ)償室溫Nd>Na如果半導(dǎo)體中：Nd»Na,則n0=ND-NAND；稱為有效 施主濃度。2）對于雜質(zhì)補(bǔ)償?shù)陌雽?dǎo)體，若比弘：，/將呈現(xiàn)P型半導(dǎo)體的特性，價帶空穴濃度Po二Na»Nd,貝JPo=Na-Nd Na,稱Po為有效受主濃度。電離施主電離受主應(yīng)用：晶體管制造過程中的雜質(zhì)補(bǔ)償半導(dǎo)體器件和集成電路生產(chǎn)中就是利用雜質(zhì)補(bǔ)償作用, 在n型Si外延層上的特定區(qū)域摻入比原先n型外延層濃度更高的受主雜質(zhì)，通過雜質(zhì)補(bǔ)償作用就形成了p型區(qū)，而在n型區(qū)與p型區(qū)的交界處就形

9、成了pn結(jié)。如果再次摻入比p型 區(qū)濃度更高的施主雜質(zhì)，在二次補(bǔ)償區(qū)域內(nèi)P型半導(dǎo)體就再次轉(zhuǎn)化為n型，從而形成雙極型晶休管的npn結(jié)構(gòu)。15#r f <硼M j磷LLU#接觸孔非本征基區(qū) p 2糠 :核 2琛沙0nn外延發(fā)射極集電極n埋層P溝道阻擋：=:.pT*Z本征基區(qū)P紂底隔離氧化物173) NaNDz高度補(bǔ)償，雜質(zhì)很多，性能很差。此時電阻率與本征 半導(dǎo)體相同。動畫：雜質(zhì)補(bǔ)償作用6、深能級雜質(zhì)實驗表明：非HL V族元素?fù)饺氚雽?dǎo)體,在Si、Ge中的禁帶 也產(chǎn)生能級，其特點蠱(1)雜質(zhì)能級深非III、V族元素在Si、Ge禁帶中產(chǎn)生的施主能級Ed距導(dǎo)帶底Ec較遠(yuǎn)，產(chǎn)生的受主能級Ea距價帶頂Ev

10、較遠(yuǎn)，這種朵質(zhì)能級稱為深能級，對應(yīng)的雜質(zhì)稱為深能級雜質(zhì)。19(2)深能級雜質(zhì)主要以替位式存在(3)深能級雜質(zhì)產(chǎn)生多次電離，每次電離對應(yīng)一個能級，有的雜質(zhì)既引入施主能級又引入受主能級。以Ge中摻Au為例:0.04 eV0.20"0.15eV0.04MAu在Ge中的能級圖中Ei表示禁帶中線位置，Ei以上注明的是雜質(zhì)能級距導(dǎo)帶底Ec的距離，Ei以下標(biāo)出的是雜質(zhì)能級距價帶頂Ev的距離。_ 16 解釋：中性AJ的一個價電子可以電離釋放到導(dǎo)帶，形成施主能級Ed，其電離 能為(Ec-Ed),從而成為帶一個正電荷的單重電離施主離化態(tài)Af。這 個價電子因受共價鍵束縛，它的電離能僅略小于禁帶寬度Eg,所

11、以施 主能級Ed很接近Ev。中性AJ為與周圍四個Ge原子形成共價鍵，還可以依次由價帶再接受 三個電子，分別形成Eai，Ea2, Ea3三個受主能級。價帶激發(fā)一個電 子給AJ,使之成為單重電離受主離化態(tài)A，電離能為Ea1-Ev ；從價 帶再激發(fā)一個電子給使之成為二重電離受主離化態(tài)，所需能量為 eA2-ev；從價帶激發(fā)第三個電子給使之成為三重電離受主離化 態(tài)如巧 所需能量為Ea3-Ev o由于電子間存在庫侖斥力，EA3>EA2>EA1 oSchool of Microelectronics（4）復(fù)合作用強(qiáng)深能級雜質(zhì)對半導(dǎo)體中載流子濃度和導(dǎo)電類型的影響不 像淺能級雜質(zhì)那樣顯著，其濃度通常

12、也較低，主要起復(fù)合 中心的作用。#§11 nbv族化合物中的雜質(zhì)能級化合物半導(dǎo)體中目前研究比較多的是GaAsGaAs具有閃鋅礦結(jié)構(gòu):Ga原子周圍四個As原子包冃° V族元素Cr雜質(zhì)原子進(jìn)入化合物半導(dǎo)體，其存在方式:r間隙式雜質(zhì)周圍可以是四個Ga原子#圍可以是四個As原子I替位式雜質(zhì)可以取代HI族元素位于HI族元素格點上#'可以取代V族元素位于V族元素格點上一些實驗結(jié)果：(D II族元素通常是替位式雜質(zhì)(替代ni族原子位于ni族原子格 點上)。由于ii族元素比hi族元素少一個價電子，有獲取一個電子完成 共價鍵的傾向，表現(xiàn)為受主雜質(zhì)，引入淺受主胄總級(2) VI族元素通

13、常取代V族原子一位于V族原子格點上，也是替位式雜質(zhì)。因為VI族元素比V族元素多一個價電子，表現(xiàn)為施主雜質(zhì)，引(3) iv族元素?fù)饺雖v族化合物，出現(xiàn)兩種情況:摻入Si取代m族原子施主作用取代V族原子一受主作用當(dāng)si濃度較低時，取代ni族元素(施主)'當(dāng)Si濃度較高時，取代V族元素(受主) 雜質(zhì)的雙性行為IA雜質(zhì)補(bǔ)償A有效雜質(zhì)濃度下降，其結(jié)果為電子濃度飽和。(4) in族元素和v族元素?fù)饺氩皇怯善渥陨硇纬傻膇nv族化合物半導(dǎo)體時, 實驗測不到這些雜質(zhì)的影響，在禁帶中不引入能級。A等電子雜質(zhì)：某些lll：v族化合物中摻入III、V族元素雜質(zhì)時，雜質(zhì)取 代基質(zhì)中的同族原子后，基本上仍呈電中性

14、，由于它與被 取代的原子共價半徑和電負(fù)性有差別，能俘獲某種載流子 而成為帶電中心，這個帶電中心稱為等電子陷阱。21A等電子陷阱:被等電子雜質(zhì)取代的原子共價半徑和電負(fù)性與化合物半導(dǎo)體中的III、V族元素有差別，能俘獲某種載流子而成為帶電中心，這個帶電中心稱為等電子陷阱。A束縛激子：華電子陷阱俘獲載流子后成為帶電中心，這一中心 由于庫侖作用又能俘獲另一種帶電符號相反的載流子(5) I族元素在GaAs中引入受主能級。(6) 過渡元素在GaAs中引入深受主能級。23§X3缺陷、位錯能級1點缺陷弗侖克爾缺陷：一定溫度下，格點原子在平衡位置附近振動，其中某 些原子能夠獲得較大的熱運(yùn)動能量，克服周

15、圍原子化學(xué)鍵束縛而擠入晶體原子間的空隙位置，形成間隙原子，原先所處的位置相應(yīng)成為空位。這種間隙原子和空位成對出現(xiàn)的缺陷稱為弗侖克爾缺陷。肖特基缺陷：由于原子擠入間隙位置需要較 大的能量，所以常常是表面附近的原子A和B 依靠熱運(yùn)動能量運(yùn)動到外面新的一層格點位 置上，而A和B處的空位由晶體內(nèi)部原子逐次 填充，從而在晶體內(nèi)部形成空位，而表面則 產(chǎn)生新原子層，結(jié)果是晶體內(nèi)部產(chǎn)生空位但 沒有間隙原子，這種缺陷稱為肖特基缺陷。OO OO OOO0000*口O04-00.00 000A 十oo0Bo o o o oo0肖特基缺陷和弗侖克爾缺陷統(tǒng)稱點缺陷。雖然這兩種點缺陷同時存在，但由于在Si、Ge中形成間隙

16、原 子一般需要較大的能量，所以肖特基缺陷存在的可能性遠(yuǎn)比弗 侖克爾缺陷大，因此Si、Ge中主要的點缺陷是空位。27化合物半導(dǎo)體GaAs中，如果成份偏離正?；瘜W(xué)比，也會出現(xiàn)間隙原子和空位。如果Ga成份偏多會造成Ga間隙原 子和As空位；As成份偏多會造成As間隙原子和Ga空位。化學(xué)比偏離還可能形成所謂反結(jié)構(gòu)缺陷，如GaAs晶體中As的成份偏多，不僅形成Ga空位，而且As原子還可占據(jù)Ga空位，稱為反結(jié)構(gòu)缺陷。此外高能粒子轟擊半導(dǎo)體時，也會使原子脫離正常格點位 置，形成間隙原子、空位以及空位聚積成的空位團(tuán)等。292、線缺陷位錯（一維缺陷）半導(dǎo)體單晶制備和器件生產(chǎn)的許多步驟都在高溫下進(jìn)行， 因而在晶體

17、中會產(chǎn)生一定應(yīng)力。在應(yīng)力作用下晶體的一部分原子相對于 otototOto 另一部分原子會沿著某一晶面發(fā)生移動， 如圖所示。這種相對移動稱為滑移，產(chǎn)生° Q 滑移的晶面稱為滑移面，滑移的方向稱為丨_.OO06滑移向。31實驗表明滑移運(yùn)動所需應(yīng)力并不很大，因為參加滑移的所有原 子并非整體同時進(jìn)行相對移動，而是左端原子先發(fā)生移動推動 相鄰原子使其發(fā)生移動，然后再逐次推動右端的原子，最終是 上下兩部分原子整體相對滑移了一個原子間距b,見圖。O O O OI IOOOO整體位錯對半導(dǎo)體的影響:雖然在晶體兩側(cè)表面產(chǎn)生小臺階，但由于內(nèi)部原子都相對移動了一個原子間距，因此晶體內(nèi)部原子相互排列位置并沒

18、有33刃形位錯（棱位錯、邊緣位錯）在上述逐級滑移中會因為應(yīng)力變小而使滑移中途中止，滑移的最前端原子面AEFD左側(cè)原子都完成了一個原子間距的移 動，而右側(cè)原子都沒有移動，其結(jié)果是好像有一個多余的半晶 面AEFD插在晶體中。在AD線周圍晶格產(chǎn)生畸變，而距AD線較遠(yuǎn)處似乎沒有影響，原子仍 然規(guī)則排列，是一種發(fā)生在AD線附近的線缺陷，AD線稱為位錯線。滑移方向BA與位錯線AD垂直，稱為棱位錯。因為它有一個多余的半 逐 晶面AEFD像刀一樣插入晶體，也稱刃形位錯。35刃形位錯對半導(dǎo)體的影響:1）刃形位錯產(chǎn)生了多余半晶面，在Si、Ge晶體中位錯線AD上的每個原子周圍只有三個原子與之構(gòu)成共價鍵，還存在一個懸

19、 掛鍵，這些非飽和共價鍵可以接受或釋放電子從而影響半導(dǎo)體器 件的性能。2）導(dǎo)致晶體中產(chǎn)生了應(yīng)力。晶格中，上半部分接近位錯處存在壓應(yīng)力，下半部分接近位錯存在張應(yīng)力。螺旋位錯螺旋位錯的滑移是沿BC方向，而原子移動沿BA方向傳遞，位錯線AD和滑移方向BC平行。與刃型位錯不同的是，這時晶體中與位錯線AD垂直的晶面族不再是一個個平行面,而是相互連接、延續(xù)不斷并形成一個整體的螺旋面。/ 7孑-.C螺旋位錯-螺旋位錯的形成機(jī)理在點缺陷群形成之初，它們通常呈無序（或半有序）結(jié)構(gòu),隨著群的演變，受能量方面的影響，有序的結(jié)構(gòu)逐漸形成，這種有序結(jié)構(gòu)通常呈現(xiàn)薄層或片狀結(jié)構(gòu)O31當(dāng)大量的點缺陷（空位或額外原子）集結(jié)時，它們會沿著"%某平面向一個薄層內(nèi)塌陷。這個薄層（或片）的邊緣便形成邊界位錯線，或稱為位錯環(huán)。位錯環(huán)通常呈圓形，因為相同面積 下，圓形有最短的邊長（這樣便使總體的位錯能量最低）。應(yīng)力的產(chǎn)生有多種原因,包括:(