第6章-電子與微電子材料-63-半導體材料.ppt

1、1,6.3.5 重要的化合物半導體,6.3.6 半導體的應用,6.3 半導體材料,2,什么是半導體？,從導電性（電阻）：固體材料可分成：超導體、導體、半導體、絕緣體。電阻率介于導體和絕緣體之間，并且具有負的電阻溫度系數(shù)半導體。,電阻率： 導體： 10-4cm 如：Cu=10-6cm 半導體：10-3cm108cm 如：Ge=0.2cm 絕緣體：108cm,6.3.1 半導體材料概述,電阻溫度系數(shù)圖,3,定義,半導體材料（semiconductor material）是一類具有半導體性能（導電能力介于導體與絕緣體之間，電阻率約在1mcm1Gcm范圍內(nèi)）、可用來制作半導體器件和集成電路的電子材料。

2、,4,凡具有上述兩種特征的材料都可歸入半導體材料的范圍。反映半導體內(nèi)在基本性質(zhì)的卻是各種外界因素如光、熱、磁、電等作用于半導體而引起的物理效應和現(xiàn)象，這些可統(tǒng)稱為半導體材料的半導體性質(zhì)。構成固態(tài)電子器件的基體材料絕大多數(shù)是半導體，正是這些半導體材料的各種半導體性質(zhì)賦予各種不同類型半導體器件以不同的功能和特性。半導體的基本化學特征在于原子間存在飽和的共價鍵。,5,2.負電阻溫度系數(shù) Si：T=300K =2 x 105 cm T=320K =2 x 104cm 3.具有整流效應,電學性質(zhì), 電阻率:電阻率可在很大范圍內(nèi)變化,半導體的主要特征,6,6.3.2 半導體分類及特點,7,一、 無機半導體

3、晶體材料(組分),無機半導體晶體材料包含元素、化合物及固溶體半導體。,1. 元素半導體晶體,Ge,Se,Si,C,B,Te,P,Sb,As,元素 半導體,S,I,Sn,熔點太高、 不易制成單晶,不穩(wěn)定,易揮發(fā),低溫某種固相,稀少,8,9,本征半導體的共價鍵結(jié)構,束縛電子,在絕對溫度T=0K時，所有的價電子都緊緊束縛在共價鍵中，不會成為自由電子，因此本征半導體的導電能力很弱，接近絕緣體。,（1）本征半導體化學成分純凈的半導體晶體。 制造半導體器件的半導體材料的純度要達到99.9999999%，常稱為“九個9”。,10,這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。,當溫度升高或受到光的照射時，束縛電子能量增

4、高，有的電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導電，成為自由電子。,自由電子產(chǎn)生的同時，在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)了一個空位，稱為空穴。,11,完全純凈、具有一定晶體結(jié)構的半導體,本征半導體,最常用的半導體為硅(Si)和鍺(Ge)。它們的共同特征是四價元素，每個原子最外層電子數(shù)為 4 。,Si,Ge,12,提純的硅材料可形成單晶單晶硅,相鄰原子由外層電子形成共價鍵,共價鍵,13,硅原子,價電子受到激發(fā)，形成自由電子并留下空穴。,半導體中的自由電子和空穴都能參與導電半導體具有兩種載流子。,載流子的產(chǎn)生與復合：,共價鍵,價電子,自由電子和空穴同時產(chǎn)生,14,本征半導體中的自由電子和空穴總是成對出現(xiàn)，同時又

5、不斷進行復合。在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生與復合會達到動態(tài)平衡，即載流子濃度與溫度有關。溫度愈高，載流子數(shù)目就愈多，導電性能就愈好溫度對半導體器件的性能影響很大。 半導體中的價電子還會受到光照而激發(fā)形成自由電子并留下空穴。光強愈大，光子就愈多，產(chǎn)生的載流子亦愈多，半導體導電能力增強。故半導體器件對光照很敏感。 雜質(zhì)原子對導電性能的影響將在下面介紹。,15,（2） 雜質(zhì)半導體,在本征半導體中摻入某些微量雜質(zhì)元素后的半導體稱為雜質(zhì)半導體。,1) N型半導體,在本征半導體中摻入五價雜質(zhì)元素，例如磷，砷等，稱為N型半導體。,在常溫下，本征半導體的兩種載流子數(shù)量還是極少的，其導電能力相當?shù)汀?如果在半導體

6、晶體中摻入微量雜質(zhì)元素，將得到摻雜半導體，而摻雜半導體的導電能力將大大提高。,由于摻入雜質(zhì)元素的不同，摻雜半導體可分為兩大類N型半導體和 P型半導體。,16,N型半導體,多余電子,磷原子,硅原子,多數(shù)載流子自由電子,少數(shù)載流子空穴,施主離子,自由電子,電子空穴對,17,摻入磷雜質(zhì)的硅半導體晶體中，自由電子的數(shù)目大量增加。自由電子是這種半導體的導電方式，稱之為電子半導體或N型半導體。,在N型半導體中電子是多數(shù)載流子、空穴是少數(shù)載流子。,室溫情況下，本征硅中n0=p01.51010/cm3，當磷摻雜量在106量級時，電子載流子數(shù)目將增加幾十萬倍。,18,在本征半導體中摻入三價雜質(zhì)元素，如硼、鎵等。

7、,空穴,硼原子,硅原子,多數(shù)載流子 空穴,少數(shù)載流子自由電子,受主離子,空穴,電子空穴對,2) P型半導體,19,摻硼半導體中，空穴的數(shù)目遠大于自由電子的數(shù)目?？昭槎鄶?shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子，這種半導體稱為空穴型半導體或P型半導體。,一般情況下，摻雜半導體中多數(shù)載流子的數(shù)量可達到少數(shù)載流子的1010倍或更多，電子載流子數(shù)目將增加幾十萬倍。,不論是N型半導體還是P型半導體，都只有一種多數(shù)載流子。然而整個半導體晶體仍是電中性的。,20,(1)本征半導體中加入五價雜質(zhì)元素，便形成N型半導體。N型半導體中，電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子，此外還有不參加導電的正離子。 (2)本征半導體中加入

8、三價雜質(zhì)元素，便形成P型半導體。其中空穴是多數(shù)載流子，電子是少數(shù)載流子，此外還有不參加導電的負離子。 (3)雜質(zhì)半導體中，多子濃度決定于雜質(zhì)濃度，少子由本征激發(fā)產(chǎn)生，其濃度與溫度有關。 常用的雜質(zhì)元素 三價的硼、鋁、銦、鎵 五價的砷、磷、銻,總結(jié),21,多子和少子 在n型半導體中，np,電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。 在p型半導體中，pn,空穴是多數(shù)載流子，電子是少數(shù)載流子。,22,化合物 半導體,-族,-族,金 屬氧化物,-族,-族,-族,InP、GaN、GaAs、InSb、InAs,CdS、CdTe、CdSe、 ZnS,SiC,GeS、SnTe、GeSe、PbS、PbTe,AsSe3

9、、AsTe3、AsS3、SbS3,CuO2、ZnO、SnO2,2. 化合物半導體及固溶體半導體,23,化合物半導體 -族，GaN/GaAs/GaP/InP微波、光電器件的主要材料，InSb/InAs禁帶窄，電子遷移率高，主要用于制作紅外器件和霍耳器件。 -族，Zn0，主要用于光電器件，場致發(fā)光 -族，PbS/PbTe,窄禁帶，光敏器件 氧化物半導體，SnO2 硫化物半導體，As(S,Se,Te),Ge(S,Se,Te) 稀土化合物半導體,EuO,TmS,24,二元化合物半導體： IIIA族的Al, Ga, In和 VA族的P, As, Sb可組成九種化合物，如 InP, GaP, InAs,

10、GaAs等，它們在制做發(fā)光器件、半導體激光器、高速晶體管和微波功率管等方面很有前途。 由IIB族的Zn, Cd, Hg 和VIA族的S, Se, Te組成的ZnS, CdS, CdSe, HgS等，主要用在制做光敏電阻、光探測器等方面。,25, Pb的S族化合物PbS, PbTe和 PbSe也是重要的半導體材料，它們由于禁帶寬度較窄，具有顯著的紅外光電導，可以制做紅外探測器，是一類人們感興趣的紅外光電導材料。 Bi的S族化合物也是半導體材料，如Bi2Te3可作為一種熱電材料。 IVA族的C, Si, Ge, Sn, Pb元素間組成的化合物半導體，如SiC。,26,除了二元化合物半導體外，還存在

11、一些三元甚至四元化合物半導體。如屬于黃銅礦的CuFeS2, CuInTe2, CuInSe2和CuAlTe2都具有明顯的整流特性。 但是，目前對多元化合物的研究進展并不大，主要是由于制備和提純這些化合物非常困難，有些材料甚至連單晶的生長都很難控制。,27,固熔體半導體,固熔體是由兩個或多個晶格結(jié)構類似的元素化合物相互溶合而成?？煞譃槎岛腿?，二元系有IVA-IVA組成的Ge-Si固熔體；VA-VA組成的Bi-Sb固熔體。三元系有GaAs-GaP組成的GaAs1-xPx和HgTe-CdTe組成的Hg1-xCdxTe。 這些混合晶體材料可以通過選取不同的配比x，來調(diào)節(jié)并達到需要的物理參量（如

12、禁帶寬度、折射率），這樣人們就可能根據(jù)需要設計具有某些電學和光學特性的材料來滿足器件的需要。,28,(1)非晶Si、非晶Ge以及非晶Te、Se元素半導體； (2)化合物有GeTe、As2Te3、Se4Te、Se2As3、As2SeTe非晶半導體,3. 非晶態(tài)半導體（結(jié)構）,有機半導體通常分為有機分子晶體、有機分子絡合物和高分子聚合物。,酞菁類及一些多環(huán)、稠環(huán)化合物，聚乙炔和環(huán)化脫聚丙烯腈等導電高分子，他們都具有大鍵結(jié)構。,4.有機半導體（組分）,29,1874年 F.Braun 金屬半導體接觸,氧化銅、硒 整流器、曝光計,1879年Hall效應 K.Beadeker半導 體中有兩種不同 類型的

13、電荷,1948年 Shockley ，Bardeen, Brattain 鍺晶體管 (transistor) 點接觸式的,硅 檢波器,萌芽期,硅 晶體管,二、半導體的發(fā)展,30,1955年德國西門子 氫還原三氯硅烷法 制得高純硅,1950年G.K.Teel 直拉法 較大的鍺單晶,1952年G.K.Teel 直拉法 第一根硅單晶,1957年 第一顆砷化鎵 單晶誕生,進入成長期,1952年H.Welker 發(fā)現(xiàn)-族化 合物,1958年W.C.Dash無位錯硅單晶,31,1963年 用液相外延法生長 砷化鎵外延層， 半導體激光器,1963年砷化鎵 微波振蕩效應,硅外延技術,1965年J.B.Mull

14、in發(fā)明氧化硼液封直拉法砷化鎵單晶,And then?,成熟期,32,分子束外延MBE,金屬有機化學汽相沉積MOCVD,半導體超晶格、量子阱材料,雜質(zhì)工程,能帶工程,電學特性和光學特性可裁剪,33,34,35,PN 結(jié)的形成,在同一片半導體基片上，分別制造P型半導體和N型半導體，經(jīng)過載流子的擴散，在它們的交界面處就形成了PN結(jié)。,6.3.3 PN結(jié)及半導體二極管,36,PN結(jié)的形成由于P區(qū)的多數(shù)載流子是空穴，少數(shù)載流子是電子；N區(qū)多數(shù)載流子是電子，少數(shù)載流子是空穴，這就使交界面兩側(cè)明顯地存在著兩種載流子的濃度差。因此，N區(qū)的電子必然越過界面向P區(qū)擴散，并與P區(qū)界面附近的空穴復合而消失，在N區(qū)的

15、一側(cè)留下了一層不能移動的施主正離子；同樣，P區(qū)的空穴也越過界面向N區(qū)擴散，與N區(qū)界面附近的電子復合而消失，在P區(qū)的一側(cè)，留下一層不能移動的受主負離子。擴散的結(jié)果，使交界面兩側(cè)出現(xiàn)了由不能移動的帶電離子組成的空間電荷區(qū)，因而形成了一個由N區(qū)指向P區(qū)的電場，稱為內(nèi)電場。隨著擴散的進行，空間電荷區(qū)加寬，內(nèi)電場增強，由于內(nèi)電場的作用是阻礙多子擴散，促使少子漂移，所以，當擴散運動與漂移運動達到動態(tài)平衡時，將形成穩(wěn)定的空間電荷區(qū)，稱為PN結(jié)。,37,P型半導體,N型半導體,空間電荷區(qū),PN結(jié)處載流子的運動,38,擴散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬。,內(nèi)電場越強，就使漂移運動越強，而漂移使空間

16、電荷區(qū)變薄。,39,所以擴散和漂移這一對相反的運動最終達到平衡，相當于兩個區(qū)之間沒有電荷運動，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。,40,空間電荷區(qū)及內(nèi)建電場的形成過程示意圖,達到熱平衡狀態(tài)時，擴散流等于漂移流, 勢壘區(qū)內(nèi)電子（空穴）的擴散和漂移抵消。 整個pn結(jié)具有統(tǒng)一的費米能級。 能帶彎曲勢壘高度。,41,PN結(jié)的單向?qū)щ娦?PN結(jié)加上正向電壓、正向偏置的意思都是： P區(qū)加正、N區(qū)加負電壓。,PN結(jié)加上反向電壓、反向偏置的意思都是： P區(qū)加負、N區(qū)加正電壓。,42,當電源正極接P區(qū)，負極接N區(qū)時，稱為給p-n結(jié)加正向電壓或正向偏置。結(jié)果在電路中形成了較大的正向電流。,當電源正極接N區(qū)、負極接P區(qū)時，

17、稱為給p-n結(jié)加反向電壓或反向偏置。結(jié)果在電路中形成了很小的反向電流。,p-n結(jié)的電壓、電流關系單向?qū)щ娦?43,PN結(jié)正向偏置,內(nèi)電場減弱，使擴散加強， 擴散飄移，正向電流大,P,N,+,_,44,PN結(jié)反向偏置,N,P,+,_,內(nèi)電場加強，使擴散停止， 有少量飄移，反向電流很小,反向飽和電流 很小，A級,45,綜上所述: PN結(jié)正向偏置時，結(jié)電阻很小，回路中產(chǎn)生一個較大的正向電流， PN結(jié)呈導通狀態(tài)；PN結(jié)反向偏置時，結(jié)電阻很大， 回路中的反向電流很小，幾乎接近于零，PN結(jié)呈截止狀態(tài)。 所以，PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?46,伏安特性,PN結(jié)伏安特性曲線,47,PN結(jié)的擊穿特性 當PN結(jié)外加反

18、向電壓超過某一電壓值時， 反向電流將急劇增加，這種現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。反向電流急劇增加時所對應的反向電壓U(BR)稱為反向擊穿電壓 。,PN結(jié)的擊穿特性,48,PN結(jié)的溫度特性 實驗證明，在室溫下，溫度每升高1，在同一正向電流下， PN結(jié)正向壓降VF減小22.5 mV；溫度每升高10，反向飽和電流Is大約增加 1 倍。所以當溫度升高時，PN結(jié)的正向特性曲線向左移動，反向特性曲線向下移動。 此外, PN結(jié)的反向擊穿特性也與溫度有關。理論分析表明， 雪崩擊穿電壓隨溫度升高而增大，具有正的溫度系數(shù)；齊納擊穿電壓隨溫度的升高而降低，具有負的溫度系數(shù)。,49,光生伏特效應-Photovoltaic

19、,用適當波長的光照射非均勻半導體，例如P-N結(jié)和金屬-半導體接觸等，由于勢壘區(qū)中內(nèi)建電場（也稱為自建電場）的作用，電子和空穴被分開，產(chǎn)生光生電流或者光生電壓。 這種由內(nèi)建電場引起的光-電效應，稱為光生伏特效應。 利用光電效應可以制成太陽能電池，直接把光能轉(zhuǎn)換成電能，這是它最重要的實際應用。另外，光生伏特效應也廣泛應用于光電探測器。下面以P-N結(jié)為例介紹這種效應。,50,光照能使半導體材料的不同部位之間產(chǎn)生電位差。這種現(xiàn)象后來被稱為“光生伏打效應”，簡稱“光伏效應”。,51,p-n 結(jié)和晶體管,p-n 結(jié)是構成各種半導體器件的基礎，其最重要的特性是單向?qū)щ娦?P-n結(jié)的構造：,P型半導體與n型半

20、導型接觸形成的偶電層結(jié)構 這種結(jié)構稱為P-n結(jié)。,擴散,52,晶體管：二極管和三極管,二極管單向?qū)щ?，三極管放大,P - n 結(jié)整流特性,53,硒 結(jié)晶炭 灰錫 鍺 硅,6.3.4 元素半導體,54,周期表中半導體相關元素,55,1、硒,實際應用的最早半導體材料 禁帶較寬，大于1.7ev 分晶體和非晶體，晶體硒有兩種同素異形體（紅硒、灰硒） 主要用來制作光電池、攝像靶、整流器； 硒整流器具有耐高溫、特性穩(wěn)定、過載能力強等優(yōu)點,56,2、結(jié)晶炭,1）金剛石 金剛石薄膜具有禁帶很寬、高熱導率、高臨界擊穿電場、高電子飽和速度、低介電常數(shù)，適合制造高性能電力電子器件和高溫電子學器件 電阻率很高，但摻雜

21、可使電阻率降低 高熱導率 ，可作切割工具燃料 對光的折射率高，吸收系數(shù)低，在光電子學領域存在潛在的應用價值,金剛石,57,2）C60,C60 分子由五原環(huán)和六元環(huán)構成的炭籠分子結(jié)構 常溫常壓下發(fā)生向金剛石轉(zhuǎn)變的結(jié)構變相，為金剛石的人工合成提供了潛在的新途徑 金剛石薄膜CVD淀積前在襯底上涂一層C60對成核起明顯促進作用。,炭籠分子結(jié)構,58,3）碳納米管（CNT）,碳納米管是一種長約不到數(shù)微米、直徑數(shù)納米到數(shù)十納米的中間空閉合管狀物。 螺旋矢量參數(shù)（n,m）,只有n-m=3k(k為非零整數(shù))的碳納米管為半導體，其余為導體 替代硅進一步縮小高集成電路尺寸，提高電路運算速度有了希望,雙壁碳納米管納

22、機電系統(tǒng)用,59,3、灰錫,錫有兩種同素異形體，灰錫和白錫 灰錫：不穩(wěn)定；具有金剛石結(jié)構，立方晶系 白錫：四方晶系 窄禁帶特征有可能用于遠紅外探測器方面,60,4、 鍺,1871年，俄國科學家門捷列夫寓言，元素周期表Si和Sn之間存在著一個“類硅”的元素。 1886年，德國科學家溫克萊爾首先從銀硫鍺礦中分離出Ge，并將其命名為Ge（Germanium）以紀念他的祖國。 Ge是半導體研究的早期樣板材料，在20世紀50年代，Ge是主要的半導體電子材料,61,鍺的分布,鍺在地殼中含量約為百萬分之一，分布極為分散，常歸于稀有元素； 1. 在煤和煙灰中； 2. 與金屬硫化物共生； 3. 鍺礦石,鍺,62

23、,鍺的應用,屬金剛石結(jié)構 由于Ge的禁帶較窄，器件穩(wěn)定工作溫度遠不如硅器件高，加之資源有限，目前，Ge電子器件不到總量的10%，主要轉(zhuǎn)向紅外光學等方面。,63,硅的分布 氧化硅 化學性質(zhì) 晶體結(jié)構 能帶結(jié)構 電學性質(zhì) 硅中的雜質(zhì) 硅的優(yōu)點 硅的用途,5、 硅,64,硅石(硅的氧化物)、水晶早為古代人所認識，古埃及就已經(jīng)用石英砂為原料制造玻璃。 由于硅石化學性質(zhì)穩(wěn)定，除了氫氟酸外，什么酸也不能侵蝕它、溶解它，因此長期以來人們把它看成是不能再分的簡單物質(zhì)。 大約在18世紀70年代，化學家們用螢石與硫酸作用發(fā)現(xiàn)氫氟酸以后，便打開了人們認識硅石復雜組成的大門。,65,尤其在電池發(fā)明以后，化學家們利用電

24、池獲得了活潑的金屬鉀、鈉，初步找到了把硅從它的化合物中分離出來的途徑。 1823年，瑞典化學家貝采里烏斯(Berzelius J.J.)用金屬鉀還原四氟化硅或用金屬鉀與氟硅酸鉀共熱，首次制得較純的粉狀單質(zhì)硅。 1854年，法國人德維爾（S.C.Deville）用混合物氯化物熔鹽電解法制得晶體硅。,66,地殼中各元素的含量,67,硅在自然界分布極廣，地殼中約含26.3， 在自然界中是沒有游離態(tài)的硅 主要以二氧化硅和硅酸鹽的形式存在。,硅的分布,68,硅的化學性質(zhì),原子序數(shù)14，相對原子質(zhì)量28.09，有無定形和晶體兩種同素異形體，屬于元素周期表上IVA族的類金屬元素。,14Si,32Ge,69,

25、晶體硅,晶體硅為鋼灰色，密度2.4 gcm3，熔點1420，沸點2355，晶體硅屬于原子晶體，硬而有光澤，有半導體性質(zhì)。,硅,70,化學性質(zhì)穩(wěn)定,常溫下，只與強堿、氟化氫、氟氣反應 高溫下，較活潑,Si+2F2=SiF4,Si+4HF=SiF4 +2H2,Si+ 2NaOH + H2O = Na2SiO3 +2H2,Si + O2 SiO2,71,氧化硅,水晶,瑪瑙,石英坩堝,光導纖維,72,表面易純化，形成本征二氧化硅層,二氧化硅層在半導體器件中起著重要作用： 1. 對雜質(zhì)擴散起掩蔽作用； 2. 對器件的表面保護和鈍化作用 3. 用于器件的絕緣隔離層 4. 用作MOS器件的絕緣柵材料等,73

26、,硅的晶體結(jié)構,10928,74,硅原子,SiO2四面體,氧原子,75,硅的能帶結(jié)構,間接帶隙結(jié)構,76,電學性質(zhì),本征載流子濃度 1. 本征半導體在一定溫度下，就會在熱激發(fā)下產(chǎn)生自由電子和空穴對，從而形成本征載流子濃度。 2. 溫度一定，本征半導體中載流子的濃度是一定的，并且自由電子與空穴的濃度相等。 3. 當溫度升高時，熱運動加劇，掙脫共價鍵束縛的自由電子增多，空穴也隨之增多（即載流子的濃度升高），導電性能增強；當溫度降低，則載流子的濃度降低，導電性能變差。,77,硅中的雜質(zhì),1. n型摻雜劑：P，As，Sb 2. p型摻雜劑：B 3. 輕元素雜質(zhì)：O，C，N，H 4. 過渡族金屬雜質(zhì)：F

27、e，Cu，Ni,78,O的危害,熱處理過程中，過飽和間隙氧會在晶體中偏聚，沉淀而形成氧施主、氧沉淀和二次缺陷等； 氧沉淀過大會導致硅片翹曲，并引入二次缺陷；,79,C的危害,C會降低擊穿電壓，增加漏電流； C會促進氧沉淀和新施主的形成； C會抑制熱施主的形成,80,H的作用,H在硅中處于間隙位置，可以正負離子兩種形態(tài)出現(xiàn)； H在硅中形成H-O復合體 H能促進氧的擴散和熱施主的形成； H會鈍化雜質(zhì)和缺陷的電活性； H能鈍化晶體的表面或界面，提高器件的性能,81,過渡金屬的危害,在硅中形成深能級中心或沉淀而影響器件的電學性能； 減少少子擴散長度從而降低壽命； 形成金屬復合體，影響器件和材料的性能,

28、82,硅材料的優(yōu)點,資源豐富、易于提高到極純的純度 較易生長出大直徑無位錯單晶 易于對進行可控n型和p型摻雜 易于通過沉積工藝制備出單晶硅、多晶硅和非晶硅薄膜材料,83,易于進行腐蝕加工 帶隙大小適中 硅有相當好的力學性能 硅本身是一種穩(wěn)定的綠色材料,84,可利用多種金屬和摻雜條件在硅上制備低阻歐姆接觸 容易截斷或者解理硅晶體 硅表面上很容易制備高質(zhì)量的介電層SiO2,85,多晶硅的優(yōu)點,多晶硅具有接近單晶硅材料的載流子遷移率和象非晶硅那樣進行大面積低成本制備的優(yōu)點 重摻雜的多晶硅薄膜作為電容器的極板、浮柵、電極等 輕摻雜的多晶硅薄膜常用于MOS存儲器的負載電阻和其他電阻器,86,多晶硅薄膜由

29、于具有比非晶硅TFT(薄膜場效應晶體管)更高的載流子遷移率、更快的開關速度、更高的電流驅(qū)動能力、可與CMOS工藝兼容等特點,87,非晶硅的優(yōu)點,非晶硅薄膜是器件和電路加工所用表面鈍化膜材料之一 對活性半導體表面進行鈍化對提高器件性能、增強器件和電路的穩(wěn)定性、可靠性；提高其封裝成品率等有重要作用,88,硅的用途,高純的單晶硅是重要的半導體材料； 金屬陶瓷、宇宙航行的重要材料； 光導纖維通信，最新的現(xiàn)代通信手段； 性能優(yōu)異的硅有機化合物等,89,1）重要的半導體材料,硅可用來制造集成電路、晶體管等半導體器件,太陽能電池,90,2）高溫材料,金屬陶瓷的重要材料： 將陶瓷和金屬混合燒結(jié)，制成金屬陶瓷復

30、合材料，它耐高溫，富韌性，可以切割，既繼承了金屬和陶瓷的各自的優(yōu)點，又彌補了兩者的先天缺陷。,宇宙航行的重要材料 耐高溫隔熱層，航天飛機能抵擋住高速穿行稠密大氣時磨擦產(chǎn)生的高溫，全靠它那三萬一千塊硅瓦拼砌成的外殼。,91,3）光導纖維通信,用純二氧化硅拉制出高透明度的玻璃纖維，激光在玻璃纖維的通路里，無數(shù)次的全反射向前傳輸，代替了笨重的電纜。 光纖通信容量高，一根頭發(fā)絲那么細的玻璃纖維，可以同時傳輸256路電話，它還不受電、磁干擾，不怕竊聽，具有高度的保密性。,92,化合物半導體,所有完全由IV元素組成的元素半導體和化合物半導體的能帶結(jié)構均為間接躍遷型； 晶體結(jié)構為閃鋅礦結(jié)構的IIIV族化合物

31、以GaAs為界，平均原子序數(shù)比GaAs小的是間接躍遷型，其余均為直接躍遷型； IIVI族化合物全為直接躍遷型。,93,IIIV族化合物半導體材料 IIVI族化合物半導體材料 IV VI族化合物半導體材料 IV IV族化合物半導體材料 其它化合物半導體材料,94,常見的III-V化合物半導體,95,一、GaAS,能帶結(jié)構 物理性質(zhì) 化學性質(zhì) 電學性質(zhì) 光學性質(zhì),96,GaAs能帶結(jié)構,直接帶隙結(jié)構 雙能谷：強電場下電子從高遷移率能谷向低遷移率能谷轉(zhuǎn)移，引起電子漂移速度隨電場的升高而下降的負微分遷移率效應 存在子能谷；子能谷與主能谷能量差小于禁帶寬度而大于Kt；電子在子能谷的有效質(zhì)量大于在主能谷的

32、有效質(zhì)量。 帶隙為1.42 eV,97,GaAs物理性質(zhì),GaAs晶體呈暗灰色，有金屬光澤 分子量為144.64 原子密度4.421022/cm3,98,GaAs化學性質(zhì),GaAs室溫下不溶于鹽酸，可與濃硝酸反應，易溶于王水 室溫下，GaAs在水蒸氣和氧氣中穩(wěn)定 加熱到6000C開始氧化，加熱到8000C以上開始離解,99,GaAs電學性質(zhì),電子遷移率高達 8000 GaAs中電子有效質(zhì)量為自由電子的1/15，是硅電子的1/3 用GaAs制備的晶體管開關速度比硅的快34倍 高頻器件，軍事上應用,100,GaAs光學性質(zhì),直接帶隙結(jié)構 發(fā)光效率比其它半導體材料要高得多，可以制備發(fā)光二極管，光電器

33、件和半導體激光器等,101,GaAs的應用,GaAs在無線通訊方面具有眾多優(yōu)勢 GaAs是功率放大器的主流技術,102,1）GaAs在無線通訊方面,砷化鎵晶片與硅晶片主要差別，在于它是一種“高頻”傳輸使用的晶片，由于其頻率高，傳輸距離遠，傳輸品質(zhì)好，可攜帶信息量大，傳輸速度快，耗電量低，適合傳輸影音內(nèi)容，符合現(xiàn)代遠程通訊要求。 一般訊息在傳輸時，因為距離增加而使所能接收到的訊號越來越弱，產(chǎn)生“聲音不清楚”甚至“收不到信號”的情形，這就是功率損耗。砷化鎵晶片的最大優(yōu)點，在于傳輸時的功率損耗比硅晶片小很多，成功克服訊號傳送不佳的障礙。 砷化鎵具有抗輻射性，不易產(chǎn)生信號錯誤，特別適用于避免衛(wèi)星通訊時

34、暴露在太空中所產(chǎn)生的輻射問題。,103,砷化鎵與硅元件特性比較,104,GaAs非常適合高頻無線通訊,105,2）GaAs是功率放大器的主流技術,砷化鎵具備許多優(yōu)異特性，但材料成本及良品率方面比不上硅，因基頻部分以處理數(shù)字信號為主，內(nèi)部組件多為主動組件、線路分布密集，故以細微化和高集成度純硅CMOS制程為主。 手機中重要關鍵零部件功率放大器（Power Amplifier，PA），由于對放大功率的嚴格要求，因此使用GaAs制造將是最佳方式。 GaAs在無線通訊射頻前端應用具有高工作頻率、低噪聲、工作溫度使用范圍高以及能源利用率高等優(yōu)點，因此在未來幾年內(nèi)仍是高速模擬電路，特別是功率放大器的主流制

35、程技術。,106,手機是促進GaAs IC市場增長的主要動力,根據(jù)Strategy Analytics的報告，手機仍將是促進砷化鎵（GaAs）IC市場增長的主要動力。 2004年GaAs芯片市場29億美元，2008年達37億美元 GaAs器件市場將繼續(xù)主要依賴無線市場，手機市場是主要增長動力，2003年無線市場占GaAs器件總體需求的41%以上，來自汽車雷達等其它應用的需求將會增長，但2008年手機仍至少占GaAs市場的33% 隨著手機需求成長，以及每支手機所需PA從單頻增為雙頻和三頻，僅手機這項需求，2008年GaAs芯片達到約30億顆,107,國內(nèi)外現(xiàn)狀對比,目前我國在研制通信用砷化鎵器件

36、方面尚處于起步階段。 手機用砷化鎵電路基本靠進口。隨著我國通信產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，對砷化鎵器件需求越來越大。 砷化鎵電路用于手機的功放和開關部分，還可用于移動通信基站、光通信、衛(wèi)星通信、CATV、軍事通信等重要用途，應用領域非常廣泛。,108,3）GaAs還有更多的應用領域,光纖通信具有高速、大容量、信息多的特點，是構筑“信息高速公路”的主干，大于2.5G比特/秒的光通信傳輸系統(tǒng)，其收發(fā)系統(tǒng)均需要采用GaAs超高速專用電路。 隨著光電子產(chǎn)業(yè)和自動化的發(fā)展，用作顯示器件LED、測距、玩具、條形碼識別等應用的高亮度發(fā)光管、可見光激光器、近紅外激光器、量子阱大功率激光器等均有極大市場需求，還有GaAs基高

37、效太陽能電池的用量也十分大，對低阻低位錯GaAs產(chǎn)業(yè)的需求十分巨大而迫切。 我國數(shù)十億只LED管芯，所有的可見光激光器、高亮度發(fā)光管、近紅外激光器等幾乎都依靠進口，因此生產(chǎn)高質(zhì)量的低阻GaAs單晶，促進LED管芯、可見光激光器、高亮度發(fā)光管和高效率高效太陽能電池的商品化生產(chǎn)，將有力地發(fā)展我國民族的光電子產(chǎn)業(yè)。,109,GaN材料的研究與應用是目前全球半導體研究的前沿和熱點，是研制微電子器件、光電子器件的新型半導體材料，并與SiC、金剛石等半導體材料一起，被譽為是繼第一代Ge、Si半導體材料、第二代GaAs、InP化合物半導體材料之后的第三代半導體材料。 它具有寬的直接帶隙、強的原子鍵、高的熱導

38、率、化學穩(wěn)定性好（幾乎不被任何酸腐蝕）等性質(zhì)和強的抗輻照能力 在光電子、高溫大功率器件和高頻微波器件應用方面有著廣闊的前景。是很優(yōu)越的微波材料,二、GaN,110,室溫下GaN禁帶寬度為3.4 Ev 在大氣壓力下，GaN晶體一般是六方纖鋅礦結(jié)構 其硬度高，又是一種良好的涂層保護材料,111,氮化鎵與其它半導體材料的比較,112,材料的特性 化學性質(zhì) 結(jié)構特征 電學性質(zhì) 光學性質(zhì) 材料的應用,113,1）GaN材料的特性,高頻特性，可以達到300G Hz（硅為10G，砷化鎵為80G） 高溫特性，在300正常工作（非常適用于航天、軍事和其它高溫環(huán)境） 電子漂移飽和速度高、介電常數(shù)小、導熱性能好 耐

39、酸、耐堿、耐腐蝕（可用于惡劣環(huán)境） 高壓特性（耐沖擊，可靠性高） 大功率（對通訊設備是非?？释模?114,2）GaN的化學特性,在室溫下，GaN不溶于水、酸和堿； 在熱的堿溶液中以非常緩慢的速度溶解； NaOH、H2SO4和H3PO4能較快地腐蝕質(zhì)量差GaN，可用于這些質(zhì)量不高的GaN晶體的缺陷檢測； GaN在HCL或H2氣下，在高溫下呈現(xiàn)不穩(wěn)定特性； 而在N2氣下最為穩(wěn)定。,115,3）結(jié)構特征,立方系閃鋅礦結(jié)構和六方纖鋅礦結(jié)構； 在大氣壓力下，GaN晶體一般是六方纖鋅礦結(jié)構。,116,4）GaN的電學特性,GaN的電學特性是影響器件的主要因素。 未有意摻雜的GaN在各種情況下都呈n型，最

40、好的樣品的電子濃度約為 一般情況下所制備的P型樣品，都是高補償?shù)摹?117,5）GaN的光學特性,寬帶隙化合物半導體材料，有很高的禁帶寬度（2.36.2eV)，可以覆蓋紅、黃、綠、藍、紫和紫外光譜范圍 ，是到目前為止其它任何半導體材料都無法達到的 主要在藍光和紫光發(fā)射器件上應用,118,GaN的應用,1. 實現(xiàn)半導體照明。 國內(nèi)外倍加關注的半導體照明是一種新型的高效、節(jié)能和環(huán)保光源，將取代目前使用的大部分傳統(tǒng)光源，被稱為21世紀照明光源的革命，而GaN基高效率、高亮度發(fā)光二極管的研制是實現(xiàn)半導體照明的核心技術和基礎。,119,半導體照明是21世紀最具發(fā)展前景的高技術領域之一,120,日亞公司1

41、994年首創(chuàng)用MOCVD制備了GaN LED,121,發(fā)光二極管 LED,發(fā)光二極管Light-Emitting Diode 是由數(shù)層很薄的摻雜半導體材料制成。 當通過正向電流時，n區(qū)電子獲得能量越過PN結(jié)的禁帶與p區(qū)的空穴復合以光的形式釋放出能量。,發(fā)藍光的二極管,122,LED應用,半導體白光照明 車內(nèi)照明 交通信號燈 裝飾燈 大屏幕全彩色顯示系統(tǒng) 太陽能照明系統(tǒng) 其他照明領域 紫外、藍光激光器 高容量藍光DVD、激光打印和顯示、軍事領域等,123,LED照明的優(yōu)點,發(fā)光效率高，節(jié)省能源 耗電量為同等亮度白熾燈的 10%-20%，熒光燈的1/2。 綠色環(huán)保 冷光源，不易破碎，沒有電磁干擾，

42、產(chǎn)生廢物少 壽命長 壽命可達10萬小時 固體光源、體積小、重量輕、方向性好 單個單元尺寸只有35mm 響應速度快，并可以耐各種惡劣條件 低電壓、小電流,124,Ge： Eg0.67 eV 紅光 GaP：Eg2.25 eV 綠光 GaN：Eg3.4 eV 藍光,波長h/Eg; 其中，h是普朗克常數(shù)，Eg是禁帶寬度,125,高亮度白光LED的實現(xiàn),基于藍光LED，通過黃色熒光粉激發(fā)出黃光，組合成為白光,通過紅、綠、藍三種LED組合成為白光,基于紫外光LED，通過三基色粉，組合成為白光,126,2. 提高光存儲密度 DVD的光存儲密度與作為讀寫器件的半導體激光器的波長平方成反比，如果DVD使用GaN基短波長半導體激光器，則其光存儲密度將比當前使用GaAs基半導體激光器的同類產(chǎn)品提高45倍，因此，寬禁帶半導體技術還