半導體材料總結(jié)

1、除硼效果好/ 無腐蝕，降低污染/ 無需還原劑，分解效率高/ 制備多晶硅金屬雜質(zhì)低 二 Keff有效分凝系數(shù)：為描述界面處薄層中雜質(zhì)濃度的偏離對固相中雜質(zhì)濃度的影響，通常把固相雜質(zhì)濃度CS 與 固體內(nèi)部雜質(zhì)濃度CL0 的比值 Keff=CS/CL02 BPS公式:擴散層厚度 D擴散系數(shù) 熔區(qū)移動速度影響分凝系數(shù)的因素：F>>D/ 0,1F<<D/ 1,03正常凝固過程，一次區(qū)熔過程錠條中雜質(zhì)濃度CS公式說明物理量含義 1正常凝固過程 ：材料凝固前的雜質(zhì)濃度 ：分凝系數(shù) ：以凝固一部分長度 2一次區(qū)熔 以區(qū)熔部分長度 熔區(qū)長度影響區(qū)熔提純的因素 1熔區(qū)長度 2熔區(qū)移動速度

2、3區(qū)熔次數(shù)的選擇 4質(zhì)量運輸 三 1氣固 只有或時 即有一定飽和度時，,，為負 才可自發(fā)進行2均勻成核：在一定飽和度，過冷度的條件下，由體系直接形成晶核 臨界半徑 形核功= 非均勻成核：體系中存在外來質(zhì)點（塵埃，固體顆粒，籽晶等），在外來質(zhì)點上成核臨界半徑 形核功非均<均因此非均勻成核比均勻成核容易的多3直拉單晶生長工藝潤晶引晶縮徑放肩等徑生長收尾4自然對流：重力場中，以流體密度（）的差異產(chǎn)生浮力做驅(qū)動力，浮力克服粘滯力產(chǎn)生 強迫對流：為加快熱量與溶質(zhì)的輸運，改善均勻性，人為地進行攪拌，晶體與坩堝旋轉(zhuǎn)，這種人為造成熔體的流動。 花樣對流的主要特點： 1熱對流：如坩堝內(nèi)自然對流，沿坩堝上升

3、，在表面中心下降 2晶體旋轉(zhuǎn)引起強迫對流，晶體旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心率 3坩堝旋轉(zhuǎn)引起強迫對流3.1 正常情況下直拉單晶中生長各個階段界面形狀的變化 固液界面宏觀形狀與等于熔點的等溫面吻和界面有：平坦 凸向熔體 凹向熔體三種情況 引晶，放肩 等徑生長 收尾5柯賽爾得要點： 一個原子在晶格上的穩(wěn)定性由其受周圍原子力大小決定，晶格表面上不同格點位置所受吸引力是不同的，生長基元優(yōu)先生長在最穩(wěn)定的位置，吸引力大小 扭折處臺階上表面上棱邊上晶角處 弗蘭克要點： 在生長晶面上，螺旋位錯露頭點可作為晶體生長的臺階源，當生長基元擴散到臺階處，臺階便向前推進，晶體就生長了螺旋位錯形成的臺階具有以下特征： 1永遠不消失的臺

4、階想海浪一樣向前推進 2不需要二維成核過程 3生長連續(xù)飽和度過低6杰克遜因子表達式及推導 ：物質(zhì)的相變熵，決定于物質(zhì)的本性，共存兩相的類別 ：相變時平衡溫度 ：單個原子相變時內(nèi)能改變量 ：單個原子旳相變熵 ：取向因子，取決于晶體結(jié)構(gòu)和界面的取向，反應晶體的各向異性 ：原子在界面內(nèi)的一水平方向的近鄰原子數(shù)，它決定了界面的取向 ：晶體內(nèi)部的一個原子的近鄰原子數(shù)，與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)7與生長系統(tǒng) 1：光滑面 如氣相生長，溶液生長，氧化物熔體生長 2：粗糙面 如金屬熔體生長 3介于氧化物與金屬之間：為半導體材料 如取向因子起決定性作用， 對密排面（111），取向因子=最大，可為光滑面8界面熱流連續(xù)性方程 1

5、越大或越小，生長速度越大 2生長速度一定時， 越大或越小，A越大 3一定時（等徑勻速生長），要一定，即要隨變化 實際生產(chǎn)中： /常改變拉晶速度與加熱功率控制晶體半徑9熔體生長的晶體中溫度分布規(guī)律 溫度分布以晶體旋轉(zhuǎn)軸z為對稱軸，當一定時，溫度也相同 1徑向溫度分布 當z一定時在同一水平面以為半徑的周圍上各點溫度相同 2縱向溫度分布 當為常數(shù)，常數(shù)溫度隨z增大而指數(shù)關(guān)系降低 3等溫線是凹向的 。環(huán)境冷卻晶體，溫度隨的增大而減小 ，等溫線是凸向的。環(huán)境給晶體加熱，溫度隨的增大而增大 4當為常數(shù)時，溫度梯度的軸向分量與的變化關(guān)系 隨增大而下降 ，隨增大而增大10熔體生長時單晶爐內(nèi)熱場的基本要求1熔體

6、中：縱向溫度梯度(dT/dz)L>0，徑向溫度梯度（dT/dr）L>0即熔點內(nèi)部溫度高于熔點，保證熔體中不發(fā)生均勻成核同時坩堝壁處溫度高于熔點，保證坩堝邊緣處不發(fā)生非均勻成核 2晶體中(dT/dz)S>0，且大小相當，既能排出相變潛熱又不因過大使缺陷增加而影響晶體完整性 四 1小平面效應 晶體生長的固液界面，由于受坩堝中熔體等溫面的限制，常常是彎曲的，如果再生長晶體時迅速提起晶體，則固液界面處會出現(xiàn)一小片完整的平面，通常稱為小平面。小平面雜質(zhì)濃度與非小平面區(qū)差異很大，雜質(zhì)在小平面區(qū)分布異常的情況。2 CZ法中影響單晶縱向電阻率均勻性的因素及控制辦法 分凝，蒸發(fā)，玷污 1分凝：

7、變速拉晶2蒸發(fā)：調(diào)節(jié)真空度3稀釋：雙坩堝及連續(xù)送料CZ技術(shù)4提高有效分凝系數(shù)：強磁場中拉單晶MCZ5中子嬗變摻雜NTD3 CZ法中影響單晶縱向電阻率均勻性的因素及控制辦法小平面效應，固液界面平坦度1調(diào)平固液界面 1調(diào)整生長熱系統(tǒng)，使徑向溫度梯度變小 2拉晶參數(shù) 凸界面增大拉速 凹界面降低拉速 3晶體或坩堝轉(zhuǎn)速 增大晶轉(zhuǎn)使凸變凹 增大坩堝轉(zhuǎn)使凹變凸 4坩堝與晶體直徑的比值 32.5：12調(diào)頻固液界面可消除小平面效應帶來的徑向電阻率分布不均勻性3提高有效分凝系數(shù)：強磁場中拉單晶MCZ4中子嬗變摻雜NTD3漩渦缺陷無位錯單晶在生長方向的橫斷面經(jīng)西特爾腐蝕后所觀察到的呈漩渦狀分布的宏觀缺陷花紋4組分過

8、冷條件，在平坦界面的干擾如何發(fā)展為胞狀界面及枝蔓生長1組分過冷：原來固液界面前沿的過熱熔體因雜質(zhì)聚集產(chǎn)生過冷區(qū)，這種因組分變化而產(chǎn)生冷現(xiàn)象 T(Z)=T(0)+ 凝固點處曲線斜率dT(Z)/dZ|Z=0= 固液界面斜率: 組分過冷臨界條件 組分過冷條件2 K<1的溶質(zhì)在界面前不斷排泄溶質(zhì)，使相鄰凸起間的溝槽內(nèi)溶質(zhì)增加的比凸起尖端的更為迅速，而溝槽中溶質(zhì)擴散到“大塊”熔體中的速度又較凸起尖端的小，于是溝槽溶質(zhì)濃集 由于溶液凝固點隨濃度增加而降低，因而溝槽不斷加深，在一定條件下界面達穩(wěn)定狀態(tài) 此后晶體生長就是該穩(wěn)定的胞狀界面以恒速向熔體中推進5 CZ法中雜質(zhì)參入的辦法與其選擇依據(jù)共熔法 投雜

9、法共熔法：不易揮發(fā)的雜質(zhì)如硼。把參入元素或母合金與原料一起放到坩堝中融化投雜法：易揮發(fā)的雜質(zhì)，如砷，銻等放入摻雜勺中，待材料融化，在拉晶前再投放到熔體中，并需充入氫氣抑制雜質(zhì)揮發(fā)6控制無位錯單晶 1正確選擇籽晶：表面光潔沒有屬性結(jié)構(gòu)籽晶晶向：生長方向與111面最小夾角最大 2采用合適的拉晶工藝：縮頸，籽晶預熱7位錯對材料性能的影響 1載流子濃度 2遷移率 3非平衡載流子壽命 4器件 五 1外延生長在一定條件下，經(jīng)切，磨，刨等仔細加工的單晶襯底上，生長一層合乎要求的單晶層方法2自摻雜雜質(zhì)從襯底及基座中蒸發(fā)出來進入氣相中繼而再次摻雜到外延層中，也包括襯底基座被腐蝕而進入氣相中進而摻入外延層中3影響

10、外延生長生長速率的因素 1化學源： 化學速率來于所選硅源，隨元素增大而下降 2反應物摩爾分數(shù)： 對于源，隨濃度增加，生長速率先增大后減小 3沉積溫度： 生長速率隨溫度升高而增加，低溫區(qū)生長速率隨溫度升高呈指數(shù)規(guī)律上升，生長速率對溫度敏感，高溫區(qū)變化較平緩，生長速率對溫度變化不敏感 4氣流速度： 生長速率與流速平方根成正比 5襯底晶向： 晶面間共價鍵數(shù)目越多，鍵合能力越強，生長速率越快,晶面面密度越小，生長速率越快4 格洛夫解釋在高溫區(qū)與低溫區(qū)的外延生長是溫度與生長速度的關(guān)系 1 2 1低溫區(qū)，表面反應慢，反應速率受表面反應控制，: 2高溫區(qū)，表面反應快，反應速率受質(zhì)量輸運控制: 5外延層 生長

11、沉積在襯底上的一部分，外延片是外延層加襯底6邊界層 在接近基座表面的流體中就出現(xiàn)一個流體速度受到干擾而變化的薄層，而在此薄層外的流速則不受影響7角錐體 又稱三角錐或乳突，如星體結(jié)構(gòu) 六 1發(fā)光機制2三溫區(qū)橫拉法 高溫區(qū)：（1250·）控制其高于熔點，以維持其熔體狀態(tài)合成 中溫區(qū)：（1100·）即可調(diào)整固液界面附近生成的溫度梯度，還可抑制石英舟中硅中對警惕的污染。本質(zhì)在于抑制高溫區(qū)反應生成從高溫區(qū)向低溫區(qū)擴散 高溫區(qū) 低溫區(qū) 3 LEP/LEC 在熔體上覆蓋透明而粘滯的惰性氣體，再向單晶爐內(nèi)充入大于熔體離解壓的惰性氣體，并用此法抑制化合物材料的理解4 SSD化合物溶質(zhì)在出于高

12、溫區(qū)的溶劑表面合成，在溫度梯度與濃度梯度的驅(qū)動下向坩堝底部擴散，并在溫度較低的坩堝底部析出晶體5從能帶結(jié)構(gòu)特點比較與在應用上的不同 1作間接帶隙半導體，只做微電子器件。直接帶隙半導體，作光電材料做發(fā)光與激光器件 2的禁帶寬度比大為1.43，因此它可在較高溫度下工作。而工作溫度250· 3在<100>方向上具有雙能谷能帶結(jié)構(gòu)。導帶中有兩個能谷：主能谷。X次能谷。當外電場超過某一閾值時：電子由主能谷向次能谷轉(zhuǎn)移，表現(xiàn)為負阻效應 七 1鹵化物與氫化物法差別2MOVPE原理采用 族，族元素的有機化合物與族，族元素的氫化物作為晶體生長的原材料，以熱分解方式在襯底上進行外延生長-族，

13、-族化合物及它們的多元化合物薄層單晶3雙氣流MOVPE采用二組輸入反應室的氣路進行外延生長：一路；主氣路，沿與襯底平行方向輸入反應氣體另一路：副氣路，在垂直于襯底的方向高速輸入非反應氣體副氣路的輸入氣體作用是改變氣流的流向與抑制生長熱對流，從而可生長具有高遷移率的單晶層4 LPE生長說明如何在A點開始外延生長 1溶液組分為,當溫度時，它與襯底接觸，此時A點處于液相區(qū)，故它將溶解掉襯底 2襯底溶解后溶液中As量增大，A點朝右移動至A后才停止溶解，溶液為飽和態(tài) 3降溫后，溶液為過飽和，此時將析出并沉積在襯底上進行外延生長5進度慢 1目前沒有生長體單晶的技術(shù)：熔點高，離解壓高，只能異質(zhì)外延，價格昂貴

14、 2的P型摻雜問題絡合物的形成降低了摻雜效率，P型電導率低 3異質(zhì)外延生長難點：1生長溫度下的離解，造成偏離化學計量比 2襯底的匹配：異質(zhì)外延的晶格失配與熱失配造成外延層大量位錯6在-族化合物指出法使用的族源及各自生長機理 1,族為固體金屬。生長機理：族元素是以原子或分子束的形式射向襯底表面，并在其上面移動，占據(jù)適當?shù)母顸c，生長速度受限于固態(tài)源的形成分子束流的速度。 2,族源為金屬有機化合物。生長機理：金屬有機化合物到達襯底前部分熱分解，金屬有機化合物及分解物通過擴散穿到襯底表面上面的邊界層，再被加熱的襯底完成全部分解成族原子。控制邊界層的擴散速度來控制生長速度 3,族源為固體金屬時生長機理和

15、相同。族源為金屬有機化合物時，生長機理：分子束直接射到襯底表面，襯底表面上方?jīng)]有邊界層，襯底表面以外不發(fā)生熱分解。生長速率由金屬化合物的供給速率與襯底表面熱分解的速率決定 八 1四元固溶體半導體與三元固溶體半導體相比較優(yōu)勢 1三元固溶體通過調(diào)整組分可以調(diào)整材料帶隙 2但組分確定后，固溶體的晶格常數(shù)也隨之確定，但會遇到晶格不匹配的問題 3四元固溶體可增加一個對其主要性能進行調(diào)整和剪裁的自由度。即可通過兩種組元的組分的改變來調(diào)整其帶隙和晶格常數(shù)，因而能較容易滿足制作具有載流子限制和光限制作用的雙異質(zhì)激光器的要求2超晶格，組分超晶格，摻雜超晶格，應變超晶格 1超晶格：有兩種或兩種以上的組分不同，厚度極小的薄層材料膠體生長在一起而得到一種多周期性半導體結(jié)構(gòu)材料 2組分超晶格：超晶格的重復單元是由不同半