大學半導體材料課后習題答案期末考試復習資料

1、半導體材料復習資料緒論1 .半導體的根本特性？電阻率大體在10-3109Q?cm范圍整流效應負電阻溫度系數(shù)光電導效應光生伏特效應霍爾效應2 .為什么說有一天,硅微電子技術可能會走到盡頭？/.三：功耗的問題存儲器工作靠的是成千上萬的電子充放電實現(xiàn)記憶的,當芯片集成度越來越高耗電量也會越來越大,如何解決散熱的問題？摻雜原子均勻性的問題一個平方厘米有一億到十億個器件,摻雜原子只有幾十個,怎么保證在每一個期間的雜質(zhì)原子的分布式一模一樣的呢？是硅微電子技術開展遇到的又一個難題SiO2層量子隧穿漏電的問題隨著器件尺寸的減小,絕緣介質(zhì)SiO2的厚度也在減小,當減小到幾個納米的時候,及時很小的電壓,也有可能使

2、器件擊穿或漏電.量子隧穿漏電時硅微電子技術所遇到的另一個問題.量子效應的問題如果硅的尺寸到達幾個納米時,那么量子效應就不能忽略了,現(xiàn)有的集成電路的工作原理就可能不再適用第一章L比擬SiHCl3氫復原法和硅烷法制備高純硅的優(yōu)缺點?三氯氫硅復原法優(yōu)點：產(chǎn)率大,質(zhì)量高,本錢低,是目前國內(nèi)外制備高純硅的主要方法.缺點：基硼、基磷量較大.硅烷法優(yōu)點除硼效果好；硼以復鹽形式留在液相中無腐蝕,降低污染；無鹵素及鹵化氫產(chǎn)生無需復原劑,分解效率高；制備多晶硅金屬雜質(zhì)含量低SiH4的沸點低缺點：平安性問題相圖寫出合金IV由0經(jīng)1-2-3的變化過程第二章L什么是分凝現(xiàn)象？平衡分凝系數(shù)？有效分凝系數(shù)？答：分凝現(xiàn)象:含

3、有雜質(zhì)的晶態(tài)物質(zhì)溶化后再結晶時、雜質(zhì)在結晶的固體和未結晶的液體中濃度不同,這種現(xiàn)象較分凝現(xiàn)象.平衡分凝系數(shù):固液兩相到達平衡時,固相中的雜質(zhì)濃度和液相中的雜質(zhì)濃度是不同的,把它們的比值稱為平衡分凝系數(shù),用K0表示.Ko=CS/CL有效分凝系數(shù)：為了描述界面處薄層中雜質(zhì)濃度偏離對固相中雜質(zhì)濃度的影響,通常把固相雜質(zhì)濃度CS與固體內(nèi)部的雜質(zhì)濃度CL0的比值定義為有效分凝系數(shù)KeffKeff=CS/CL02.寫出BPS公式及各個物理量的含義,并討論影響分凝系數(shù)的因素.3 .分別寫出正常凝固過程、一次區(qū)熔過程錠條中雜質(zhì)濃度CS公式,并說明各個物理量的含義.正常凝固過程:CKCod-Cs=KC0(1-g

4、)k-1C0：材料凝固前的雜質(zhì)濃度K:分凝系數(shù).不同雜質(zhì)的不同K值可以通過查表得出.一次區(qū)熔過程:Cs=Co1-(1-K)e-KxlCO：錠條的原始雜質(zhì)濃度x:已區(qū)熔局部長度K:分凝系數(shù)1：熔區(qū)長度4.說明為什么實際區(qū)熔時,最初幾次要選擇大熔區(qū)后幾次用小熔區(qū)的工藝條件.一次區(qū)熔時Cs=Co1-1-Ke-Kxl,l一X,CS一小 f 提純效果好二一l越大越好極限分布時K一定K=Bl/eBl-1A=CoBL/eBL-1CSx=AeBxl一叢,B一小,A一火,CS一方,提純的效果越主二一l越小越好所以對于實際區(qū)熔,前幾次應該用大熔區(qū),越到后面越接近極限分布,應該用小熔區(qū).L解釋名詞：成核過程、均勻成

5、核、非均勻成核、臨界半徑、自然對流、強迫對流成核過程：晶體生長過程中,新相核的發(fā)生形核和長大,在一定的驅(qū)動力下,借助于能量漲落越過位壘而形成晶核的過程.均勻成核自發(fā)成核：在一定過飽和度、過冷度的條件下,由體系中直接形成的晶核.非均勻成核非自發(fā)成核：體系中存在外來質(zhì)點塵埃、固體顆粒、籽品等、在外來質(zhì)點上成核.臨界半徑：與體系自由能變化量極大值點4G*相對應的晶胚半徑r*稱臨界半徑.T自然對流：在重力場中由于溫度的不均勻,導致熱膨脹的差異從而引起心體密度的差異產(chǎn)生浮力.當浮力克服了粘滯力,自然對流就發(fā)生.強迫對流：人為對熔體進行攪拌晶體和培竭旋轉(zhuǎn)、磁場造成的對流.2.分別寫出均勻成核與非均勻成核的

6、臨界晶核半徑、形核功,并說明為什么通常非均勻成核比均勻成核要容易？均勻成核：臨界半徑r*=-2H/V形核功4G均*=16冗3/3Zgv2非均勻成核：臨界半徑r*=-2Taf/Zgv形核功4G非均*=16兀地3/3/v2f8QG非均*0時,環(huán)境冷卻晶體,溫度隨r的增大而降低,此時晶體中等溫線是凹向熔體的.當h0,隨r增加而減少：h0時,隨r增加而增大.8.寫出正常情況下(不發(fā)生組分過冷)直拉單晶中生長各個階段界面形狀的變化正常情況下,固液界面的宏觀形狀與等于熔點的等溫面相吻合,由爐腔內(nèi)熱場決定界面有：平坦,凸向熔體,凹向熔體三種情況引晶,放肩：凸向熔體等徑生長：先平坦后再凹向熔體9.寫出直拉單晶

7、生長工藝過程籽品熔接一引晶一縮頸一放肩一等徑生長一收尾第四章1.解釋以下概念：小平面效應:晶體生長的固液界面,由于受培竭中熔體等溫線的限制,常常是彎曲的,如果在生長晶體時迅速提起晶體,那么在固液界面處會出現(xiàn)一小片平整的平面,通常稱之為小平面.小平面區(qū)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)域分布異常的現(xiàn)象叫小平面效應雜質(zhì)條紋:由晶體中雜質(zhì)濃度的起伏引起的腐蝕后外表出現(xiàn)寬窄不一條紋的現(xiàn)旋轉(zhuǎn)性條紋:由于晶體轉(zhuǎn)軸和熱場軸不重合,引起生長的晶體中雜質(zhì)濃度出現(xiàn)周期性的變化,這樣形成的條紋中子姬變摻雜(NTD):高純區(qū)熔硅單晶放入原子反響堆進行中子照射,使同位素Si30激活姬變?yōu)槭┲麟s質(zhì)P31進行摻雜

8、-NTD.漩渦缺陷:通常是指無位錯單品經(jīng)西特爾腐蝕液腐蝕后,在晶體生長方向的橫斷面上、觀察到的呈漩渦狀分布的宏觀缺陷花紋、微觀上看是由淺底腐蝕坑組成的.是微缺陷的一種.熱施主效應:450c熱處理硅、SiO以最快速度形成SiO4,SiO4是一個正電中央,能夠束縛電子,室溫下受熱激發(fā)而使電子電離出來參與導電,使硅單晶N型電導增強,P型電導下降,即熱施主效應.吸雜工藝:通過機械化學處理方法,在硅片的非電活性區(qū)引入缺陷,在熱處理時一些重金屬雜質(zhì)會擴散并淀積在這些缺陷處,從而減少了這些有害雜質(zhì)對器件工作區(qū)的影響,改善了器件的性能,這種工藝叫吸雜工藝.2.簡述CZ法中雜質(zhì)摻入方法及其選擇依據(jù).共熔法投雜法

9、不易揮發(fā)的雜質(zhì)如硼,可采用共熔法摻入.即把摻入元素或母合金與原料一起放在培竭中融化.易揮發(fā)雜志,如神、睇等放在摻雜勺中、待材料熔化后,在拉晶前在投放到熔體中,并需充入氫氣抑制雜質(zhì)揮發(fā).3、討論CZ法中影響單晶縱向電阻率均勻性的因素及其限制方法.影響因素：分凝、蒸發(fā)、沾污.限制方法：從分凝作用考慮:變速拉晶：對應K1的雜質(zhì),晶體生長初期用較大的拉速,之后隨晶體的長大而不斷減小拉速,保持CL與Keff乘積不變.從蒸發(fā)作用考慮:如變速拉晶的晶體尾部電阻率較低,可把晶體尾部直徑變細,降低拉速,增加雜質(zhì)蒸發(fā)使CL變小而改善晶體電阻率的均勻性.從稀釋溶質(zhì)出發(fā):雙培竭及連續(xù)送料CZ技術：內(nèi)地竭熔體V不變,C

10、L降低,外地竭液體對內(nèi)地竭液體有稀釋作用.當K較小時,生長的晶體所帶走的雜質(zhì)少.內(nèi)地竭熔體中雜質(zhì)濃度變化緩慢,縱向電阻率均勻從提升有效分凝系數(shù)出發(fā)強磁場中拉單晶MCZ增大有效分凝系數(shù)中子姬變摻雜NTD4、討論CZ法中影響單晶徑向電阻率均勻性的因素及其限制方法.影響因素：固液界面的平坦度小平面效應I.調(diào)平固液界面,具體方法有調(diào)整生長熱系統(tǒng),使徑向溫度梯度變小調(diào)節(jié)拉晶參數(shù)：凸界面,增加拉速,凹界面,降低拉速調(diào)整晶體或培竭的轉(zhuǎn)速：增大晶轉(zhuǎn)；使凸變凹；增大蝸轉(zhuǎn)；使凹變凸增大地竭與晶體直徑的比值：地竭直徑晶體直徑=32.5:1II .調(diào)平固液界面還可消除小平面效應帶來的徑向電阻率分布的不均勻性III.強

11、磁場中拉單晶MCZ增大有效分凝系數(shù),IV .中子姬變摻雜NTD5、說明不同的固液生長界面形狀凸、凹、平對電阻率徑向分布的影響K1雜質(zhì)K雜質(zhì)濃度起氏的原因：短時間G不變nrciiTEnumrar3nircJ品特一定.5一定晶體生長速率的微起伏,造成了晶體中雜質(zhì)濃度的起伏ITCC:體式0)履)臨界組分過冷條件的建立熔體內(nèi)距離固液界面距離為 Z 處的溫度為 T(Z)=T(0)+“CL(Z)穩(wěn)定的雜質(zhì)富集層形成后,雜質(zhì)在熔體中的分布為dZAn“立(Kh-f.叩0右七占闔液界面處舉度分布曲線的斜率:dZ(JCL(Z)=CSCL(Z)=Cs(1-Ko)6CL(Z 尸 CLKeff幼分過存的臨界條件細分過冷

12、的新件：廣*7i4大.G和5小為易洋足蛆分嗆,拉晶葉應避克！,(fZ/D)+Ko/Ko(1Ko)e-fZ/D)+Ko/KoT(Z)=T(0)+TCLK6ff(1Ko)e(-fZ/D)+Ko/Ko凝固點的曲線在固液界面 dT(Z)/dZ|z=o=CLKeff(Ko-1)f/KoD 處的斜率為:令固液界面處溫度分布曲線的斜率：dT(Z)/dZ|L=G組分過冷的臨界條件：G=rCLKeff(Ko-1)f/KoD.對于非平坦界面,以晶體的轉(zhuǎn)軸為軸線的一連續(xù)螺蜷面,橫截面為平面螺蜷線.縱截面為彎曲條紋,晶體外表產(chǎn)生細微的螺紋：旋轉(zhuǎn)性外表條紋.7、解釋組分過冷并推導組分過冷產(chǎn)生的條件,討論出現(xiàn)組分過冷時平

13、坦界面上的干擾如何開展成胞狀界面及枝蔓生長.組分過冷:原來固液界面前沿的過熱熔體因雜質(zhì)的聚集產(chǎn)生一過冷區(qū),這種因組組分過冷的條件：G/fqCLKeff(K0-1)/K0D分變化而產(chǎn)生的冷現(xiàn)象稱為組分過冷熔體O距離Z凝固點處曲緘的卦率為二F 大,G 和 K0 小均易滿足組分過冷、拉晶時躲避KT1=1473K,kT1=0.1277eVKs1=3.452cm/shG=5cm/s:-G1=1.956X10-6cm/sT2=1471cm/skT2=0.1275evKs2=3.374cm/sG2=1.930X10-6cm/sAG=-2.6X10-8cm/sAGG1=-1.33%7、計算111晶向硅襯底上外

14、延層厚度為多少時,外延層上的刻蝕坑具有第六章1、名詞解釋?HB:水平布里奇曼法,又稱橫拉法.采用石英密封系統(tǒng),系統(tǒng)置于雙溫區(qū)爐中,低溫端放As源限制系統(tǒng)中As氣壓,高溫端合成化合物并拉制晶體,而整個系統(tǒng)的溫度都必須高于As源端溫度,以預防As蒸汽凝結.?LECLEP液態(tài)密封法,在熔體上覆蓋透明而粘滯的惰性熔體,再向單晶爐內(nèi)充入大于熔體離解壓的惰性氣體,用此法來抑制化合物材料的理解.?SSD:合成溶質(zhì)擴散法.化合物溶質(zhì)在出于高溫區(qū)的溶劑外表合成,在溫度梯度和濃度梯度的驅(qū)動下向地期底部擴散,并在溫度較低的地竭底部析出晶體.?VCZ:蒸汽限制直拉技術.把培竭-晶體置于一準密封的內(nèi)生長室內(nèi),內(nèi)生長室中

15、放置少量As,使內(nèi)生長室內(nèi)充滿As氣氛.這樣即使在相當?shù)偷臏囟忍荻认律L,晶體外表也不至于離解.?VGF:垂直梯度凝固法.爐體垂直放置,石英瓶垂直放入爐體中間,采用計算機精確限制熱場進行緩慢降溫2、從能帶結構特點比擬Si和GaAs在應用上的不同.Si為間接帶隙半導體,而GaAs為直接帶隙半導體,因此GaAs作為光電材料,可作發(fā)光與激光器件,而Si只能作微電子器件.GaAs的禁帶寬度比硅大,為1.43ev,因此GaAs可以在較高溫度下工作.相比硅的工作溫度僅為2500cGaAs方向上具有雙能谷能帶結構.導帶中有兩個能谷：F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過轉(zhuǎn)移,表現(xiàn)為

16、負電阻效應,因此GaAs可用作Gunn器件3、解釋作為間接帚隙材料GaP為什么能成為可見光LED的主要材料？答：GaP雖然為間接帚隙半導體材料,但在GaP中摻入等電子雜質(zhì)時、 等電子雜質(zhì)可以俘獲電子或空穴,成為等電子陷阱,等電子陷阱通過短程勢俘獲電子或空穴之后,成為負電或正電中央,可以借助長程庫倫作用吸引一個空穴或電子,于是形成了等電子陷阱上的束縛激子.這種束縛是一種短程力,可以使陷阱內(nèi)電子局限在一個局部的范圍.根據(jù)量子力學的測不準關系APAx由/2冗,當電子的Ax十分小時,它的動量變動范圍就很大,即K擴展;了,也就是在K=0處也會有一定數(shù)目的電子,這些電子便可不借聲子的幫助而直接躍遷,從而大

17、大提升了發(fā)光效率.?因此GaP材料的發(fā)光實質(zhì)上是激子復合發(fā)光.4、詳細說明三溫區(qū)橫拉法中溫度選擇的依據(jù).TI=12500c,T2=11000C,T3=610C答：高溫區(qū)Ti1245-1260C限制其高于GaAs熔點,以維持其熔體狀態(tài)合成GaAs中溫區(qū)T2(1120-1200C)既可調(diào)整固液界面附近的溫度梯度,還可利用抑制石英舟中Si對晶體的污染.本質(zhì)在于抑制高溫區(qū)反響生成的Ga2O從高溫區(qū)向低4Ga(l)+SiO2(s).Si(s)+2Ga20(g)(高溫區(qū))3Ga2O(g)+As4(g)G_Ga2O3(s)+4GaAs(s)(低溫區(qū))5、GaAs成為繼Si之后重要半導體材料的重要特征有哪些？

18、直接帶隙,光電特性好,光電材料,可作發(fā)光與激光器件,Si,Ge只做微電子材料遷移率高(是硅的5-6倍),適于制作超高頻高速器件和電路易于制成非摻雜半絕緣單晶,IC中不必作絕緣隔離層,簡化IC,減少寄生電容,提升集成度Eg較大(1.43eV),可在較高溫度下(450C)工作3硅：250C,籍：100c耐熱,抗輻射水平強太陽能電池,轉(zhuǎn)換率比Si高Gunn效應,新型功能器件第七章1.解釋：MOVPE,MBE、CBE、ALE、二步外延法、雙氣流MPVPE.答：MOVPE:金屬有機物氣相外延生長,根本原理是：田族、II 族金屬有機物+V 族、VI 族氫化物為源材料,熱分解方式在襯底上進行外延生長 m-V

19、,H-VI族化合物半導體及它們的多元化合物的薄層單晶.MBE:分子束外延,是在超高真空超高真空的條件下,用分子束或原子束輸運源進行外延生長的方法.在超高真空中,分子束中的分子之間以及分子束的分子與背景分子之間幾乎不發(fā)生碰撞.CBE:化學束外延生長.用氣態(tài)源代替固態(tài)源進行*MBE生長,即氣態(tài)源MBE.ALE:原子層外延,是向襯底交替單獨供應半導體組成元素的源,使各組成元素以單原子層在襯底上進行一層一層地生長一層分子層.二步外延法：GaN和藍寶石襯底之間的失配到達15.4%,為此先用MOVPE發(fā),低溫下在550c左右,在襯底上先生長一層2050nm厚的GaN緩沖層,然后升溫至1030C,接著生長G

20、aN外延層.,雙氣流MPVPE:采用二組輸入反響室的氣路進行外延生長,一路為主氣路,沿與襯底平行方向輸入反響氣體.另一路稱為副氣路,在垂直于襯底方向高速度輸入非反響氣體,副氣路輸入的氣體的作用是改變住氣流的流向和抑制生長熱對流,從而可生長具有高遷移率的單晶層.液相區(qū),故它將溶掉GaAs襯底俗稱吃片子.GaAs襯底被溶解后,溶液中As量增大,A點朝右移動至A后,GaAs才停止溶解.溶液為飽和態(tài).降溫后溶液變成過飽這時GaAs將析出并沉積在GaAs襯底上進行外延生長.3.為什么從70年代初就對GaN開展了研究工作但一直進展緩慢？答：目前沒有生長GaN體單晶的技術:熔點高,離解壓高,只能異質(zhì)外延,而

21、通過異質(zhì)厚外延層+襯底剝離技術獲得GaN襯底價格十分昂貴.GaN的P型摻雜可題：Mg-H絡合物的形成降低了摻雜效率,而且Mg的電離能較高,室溫下只少局部電離,P型GaN電導率低.GaN異質(zhì)外延生長的難點GaN生長溫度下的離解,造成偏離化學計量比.襯底的匹配：異質(zhì)外延的品格失配、熱失配導致外延層的大量位錯.4.在生長III-V族化合物時指出MBE、MOVPE和CBE法使用的III族源及各自的生長機理.答：MBE,田族為W體金屬.生長機理:田族元素是以原子或分子束的形式射向襯底外表,并在其上面移動,占據(jù)適當?shù)母顸c位置,生長速度受限于固態(tài)源形成分子束流的速度.MOVPE,田族源為金屬有機化合物生長機

22、理:金屬有機化合物到達襯底前局部熱分解,金屬有機化合物及分解產(chǎn)物通過擴散穿過襯底外表上面的邊界層,再被加熱的襯底完成全局部解成田族原子.限制邊界層的擴散速度來限制生長速度.CBE,m族源為固體金屬時牛長機理同MBE:m族源為金屬有機化合物時.生長機理：分子束直接射到襯底外表,襯底外表上方?jīng)]有邊界層,襯底外表以外不發(fā)生熱分解.生長速率由金屬化合物的供應速率和襯底外表熱分解的速率決定.第八章1.說明四元固溶體半導體與三元固溶體半導體相比的優(yōu)勢？三元固溶體通過調(diào)整組分可以調(diào)整材料的帶隙；對于發(fā)光器材來說可以調(diào)整發(fā)光波長.但組分確定之后,固溶體的晶格常數(shù)也隨之確定,除了組成固溶體兩種化合物品格常數(shù)相近的自匹配體系外,這就會遇到其外延生長材料與品格不匹配的問題.使用四元固溶體可增加一個對其主要性能進行調(diào)整和裁剪的自由度.即可通過兩種組元的組分改變來調(diào)