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1、1,参考书 半导体器件的材料物理学基础陈治明，王建农 科学出版社 半导体物理学 刘文明 半导体材料周永溶 北京理工大学出版社 半导体器件材料 刘锦春 电子工业出版社 半导体器件物理与工艺施敏 著 王阳元 译 科学出版社,2,绪 论 一、半导体材料 半导体材料是半导体科学的分支之一，是半导体科学发展的物质基础。 对半导体材料的认识是从18世纪电现象被发现以后开始。 导体（10-6cm） 物质按导电性质分 绝缘体（：10121022cm） 半导体（介于导体和绝缘体之间）,半导体材料的定义：电阻率10-3109 cm ，对外界变化（电场、磁场、光、温度等）非常敏感的材料。,3,二、半导体材料的特征
2、1.电阻率大体在10-3109 cm 2.电阻率的温度系数是负的（电阻率随温度升高，而减小） 3.整流效应 4.对光具有敏感性，能产生光伏效应或光电导效应 半导体材料有两种不同电荷类型的载流子，其数目比金属中的电子少，但迁移率较高。,4,三、半导体技术的发展 1947年，Ge晶体管的诞生引起了电子工业的革命,1947年12月23日 第一个晶体管 NPN Ge晶体管 W. Schokley J. Bardeen W. Brattain,获得1956年Nobel物理奖,5,半导体材料的制备技术（直拉单晶、区熔提纯等），解决了Si、Ge器件的材料问题 60年代，以Si氧化和外延生长为前导的Si平面器
3、件工艺的形成，使Si集成电路的研制获得成功。 52年Welker发现周期表中III族-V族元素形成的化合物及多元化合物也是半导体。如：GaAs具有许多Si、Ge不具备的特性。 50年代末用水平布里奇曼法制备了GaAs单晶。 65年氧化硼液封拉制GaAs单晶技术的发现，为工业化生长III-V族化合物打下了基础。,6, 60年代初，液相外延、气相外延生长技术成功地用于化合物半导体薄膜的生长，半导体激光器等化合物半导体器件相继问世。 70年代，分子束外延生长（Molecular Beam Epitaxy，MBE），金属有机气相外延生长（Metalorganic Vapor Phase Epitaxy
4、，MOVPE）技术的发展，可把外延层的厚度控制在原子层数量级（ ），制备出量子阱（QW）、超晶格（SL）和应变层复合材料。 超晶格的出现是半导体材料发展的里程碑，它推动着量子阱激光器、高速二维电子器件和光集成器件的发展，为器件制作从“杂质工程”走向“能带工程”开拓了广阔的道路。,7, 20世纪90年代初获得了高质量P型GaN外延薄层材料。制作了高亮度蓝色发光二极管并迅速产业化，为实现全彩显示奠定了基础，开辟了半导体在显示领域应用的新天地。 蓝色激光器达到了实用化的水平，GaN及其多元化合物还是半导体照明的首选材料。 根据材料的重要性和开发成功的先后，分别称Si为第一代，GaAs为第二代，GaN
5、为第三代半导体材料。,8, 半导体材料的研发是从无机材料开始的，20世纪60年代初发现一些有机材料和高分子聚合物属于半导体材料，利用它们可制作多种半导体元器件。它们具有制作和使用方便、价格便宜等优点。 缺点：寿命成为妨碍其发展和使用的问题。,9,四、分类 按材料的功能和使用分：光电材料、热电、微波、敏感等。 按材料的组成和状态分 结晶型 无机 半导体 无定型 有机 分子晶体、高分子聚合物。如蒽、聚乙炔等,元素,化合物,元素,化合物,（处于IIIA和VIIA的金属与非金属交界处，如：Si、Ge、Se、Te、Sn ）,a-Si，a-Ge,a-GaAs，a-SiC,（统计可能有四千多种，研究出的有一
6、千多种）,10,表1 元素半导体材料的特性,11,最早获得应用的半导体材料是VI族元素硒（Se），1920年，人们用Se蒸发膜制备整流器。 静电复印机和激光打印机的应用已相当普遍，而这些办公自动化产品的主要部件，称之为复印鼓或感光鼓的光敏元件，是用Se作感光材料，以致复印鼓被习惯称为硒鼓。 元素半导体种类最少，除Si、Ge、Se外，其它材料易挥发、熔点高、晶型稳定性差。目前没有作为半导体材料应用的价值，但它们的大多数是重要的化合物半导体材料的主要组元。如：ZnTe、CdTe。,12,五、半导体材料的应用 从材料的应用来看，半导体器件的性能好坏与半导体材料的质量密切相关。半导体器件的性能、成品率
7、和可靠性，除与器件本身的设计、制造工艺有关外，很大程度上取决于半导体材料的质量。 半导体器件的发展，促进了半导体材料性能的提高，而半导体材料的内在质量的改进，反过来推动着器件向更高的水平迈进，两者息息相关，相辅相成，互相促进。 早期人们根据材料的某些性质设计制造具有某种功能的器件。今天材料科学的发展，进入了人们可按器件功能的要求，设计和制备相应的半导体材料，充分反映对材料深入研究的重要性。,13,半导体器件的种类繁多，功能各异，不同器件对材料的要求也各不相同，表列举了常见的一些半导体器件所选用的材料。,14,连续单管激光器类,阵激光器类,光电二极管,高速光电探测器,大面积InGaAs光电二极管
8、,高功率脉冲激光二极管,LED,IC,15,以Si材料为例，半导体器件对材料的要求，归纳起来有三方面： 器件对掺杂量 的要求； 器件对半导体单晶 材料晶体完整性的要求； 对单晶材料均匀性和大尺寸方面的要求。,16,讨论如下： 1.只有原材料很纯，才能做到按人为要求控制杂质掺入量，以满足器件的要求。 如：Si中掺入微量III族或V族元素，会引起导电性能的显著变化，本征Si中掺入61015cm-3杂质（P或Sb），电阻率：从2.15105cm降到1cm 。 为了能人为精确控制杂质掺入量，电子工业要求原始半导体材料的纯度必须很高，要求纯度在六个“9”（99.9999%）至七个“9”, 杂质含量为10
9、.1个ppm（百万分之一），高纯要求九个“9”至十个“9”，杂质含量为10.1ppb（十亿分之一）。,17,2.单晶体在生长过程中，不可避免地会使单晶体内部存在缺陷。对Si单晶体材料而言，讨论最多的是位错和微缺陷，这两类缺陷对器件性能影响最明显。 60年代初，人们曾片面强调无位错Si单晶作器件可提高器件性能和成品率，提出了生长无位错Si单晶的要求。但随着无位错高纯Si单晶的问世与应用，实验与理论证明：器件的性能和成品率并不像预期的那样好。实验发现：无位错单晶中会产生大量“微缺陷”，给器件带来许多不良后果。 对位错的认识进一步深入，发现位错虽然存在有害的一面，但也存在有利的一面，即位错可吸收晶体
10、中的空位、间隙原子和有害杂质。,18,一般Si器件（晶体管和集成电路）对Si单晶材料位错密度的要求 1000cm-2。 器件对单晶材料晶向方面的要求，不同器件有不同的要求，多数Si结型器件大多采用晶向Si片，对表面器件，如：MOSFET、CCD等大都采用晶向，这是因为晶向界面密度低。,19,3.均匀性和大尺寸方面的要求 当前集成电路集成度不断提高，每隔两年集成度就翻一番，集成度的提高，表明元器件尺寸越来越小，因而电路对材料缺陷更加敏感；另一方面，集成度提高到一定程度，就需要在同一衬底片上增多元器件的数量，以满足超大规模集成电路的需要，因此要求同一衬底Si片上材料电参数的均匀性越来越高。随着器件工艺自动化程度的提高，同时为提高生产率，要求衬底片的面积也越来越大。 大尺寸，大面积电参数均匀且无缺陷或很少缺陷的Si单晶材料的制备，已成为当前SI材料发展进程中急待解决的攻关课题之一。,20,21,六、对材料的研究 1.材料的提纯技术、晶体生长原理、生长方法和生长过程，以指导选择最佳工艺条件，提高材料的质量。 2.相平衡、相关系的研究，了解材料的状态与结构的关系，研究缺陷、杂质的形成与分布规律。 3.大力开展对薄膜材料的组分、表面、界面、微区中杂质和缺陷的测定方法的研究，提高检测灵敏度和准确度。 4.开展半导体材料的应用研究，利用材料的特性制作合适此特性的器件，扩大半导体材料的应用范围。,