半导体硅材料基础知识2.ppt

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1、,半导体硅材料基础知识讲座,李本成 2007/06/25,目录,一、什么是半导体？ 1.导体（Conductor） 2.绝缘体（Insulator） 3.半导体（Semiconductor） 二、半导体材料的分类 1.元素半导 2.化合物半导体 3.有机半导体 4.无定形半导体 三、半导体硅材料的制备 1.冶金级硅（工业硅）的制备 2.多晶硅的制备 3.单晶硅的制备,目录,四、半导体硅材料的加工 1.硅切片 2.硅磨片 3.硅抛光片 五、半导体硅材料的电性能特点 六、半导体硅材料的主要性能参数 1.导电类型 2.晶体结构及缺陷 3.电阻率 4.少子寿命 5.氧、碳含量 6.晶体缺陷,目录,七、

2、半导体的主要电性能参数及其测量方法 八、硅中的杂质及其测量方法,半导体硅材料基础知识,一、什么是半导体？ 大家知道，如果我们用物质的存在状态来区分世界上的各类物质的话，就可以分为气体、液体和固体三大类。 但是如果我们用导电性能来区分世界上的各种物质的话，也可以分为三大类，即：导体、绝缘体和半导体。 导体（conductor）：顾名思义，导体是指很容易传导电流的物质，如金、银、铜、铝等金属材料。这类金属材料的电导率很高，也就是说它们的电阻率极低，大约是10-610-8cm。如金属铜的电阻率仅为1.7510-8cm。 绝缘体（Insulator）：这是指极不容易或根本不导电的一类物质，如：玻璃、橡

3、胶、石英等材料。绝缘体的电阻率很大，一般来说，绝缘体的电阻率108cm。,半导体硅材料基础知识,半导体（Semiconductor）： 这是指导电性能介于导体和绝缘体之间的一类物质，我们统称为半导体。现有已知的半导体材料有近百种，比较适用且已工业化的重要半导体材料有：硅、锗、砷化镓、硫化镉等。半导体的电阻率一般在10-51010cm。 值得一提的是还有少量固体物质,如砷、锑、鉍等，它们的电阻率比一般金属导体要高出1001000倍，但却不具备半导体材料的基本特性，则不能称作半导体，我们把它叫做半金属。因此半导体材料的定义应该是：导电性能介于导体和绝缘体之间且具备半导体的基本特性的一类材料。 那么

4、，世界上的物质在导电性能上为什么会有这样的差异呢？ 我们知道，世界上所有的物质都是由原子构成的，在原子的中心位置上有一个带正电荷的原子核，某一原子所带正电荷的多少正好等于它在元素周期表中的原子序数，而原子核外则存在着一系列不连续的、,半导体硅材料基础知识,由电子运动轨迹构成的壳层，原子核外的电子数目也正好等于原子序数，这就使得原子在无得失外层电子的情况下，整体上处于电中性状态。我们常常把原子核最外层那些离原子核最远的电子叫作价电子。这些价电子受原子核的束缚较弱，在外电场或其它外力（如光照）的作用下，很容易摆脱原子核的束缚而成为自由电子。金属导体之所以容易导电，是因为在金属体内存在着大量的自由电

5、子，在外电场的作用下，这些自由电子就会有规则地沿着电场的反方向流动，这就形成了电流。自由电子的数量越多，或者它们在外电场的作用下，自由电子有规则流动的速度越快，则电流越大，它的导电性能越好，其电阻率就越低。 电子流动时运载着一定的电荷量，我们把这种能运载电量的粒子叫作载流子。在半导体中，电子和空穴都可以运载电量，我们把它们统称为载流子。常温下，绝缘体内只有极少极少的自由电子，因此，它对外不呈现导电性。而半导体内都存在少量的自由电子或空穴，所以在一定的条件下，它呈现出一定的导电性。,半导体硅材料基础知识,以硅（Si）为例，硅的原子序数是14，硅的原子核带有14个正电荷，其核外应有14个电子分为三

6、层绕核运动，第一层2个电子，第二层8个电子，最外层4个电子。 （如图示）,硅原子结构示意图,硅原子核,半导体硅材料基础知识,通常我们把原子核最外层的电子叫作价电子，Si原子外层有4个价电子，因此它是4价元素。在一定的条件下，这4个价电子就可能脱离原子核的束缚而成为自由电子，从而使之呈现出一定的导电性。 半导体材料从1782年发现其在导电性方面的某些特点而被称为“半导体”以来，在其研究领域不断取得新的突破，1883年人们发明了硒整流器。1931年英国科学家威尔逊发表了半导体的能带理论，首次提出了本征半导体和掺杂半导体，施主和受主等概念。1947年人们制得了锗的点接触晶体管，同年发现了锗的PN结光

7、伏效应。1954年制作出硅的PN结太阳电池。1959年由美国的贝尔实验室制成了仅有三个电子原件组成的世界上第一个集成电路。 半导体硅材料从发现、发展至今不过200多年的历史，由于它的特殊性质而在电力电子、微电子和光电转换领域获得了广泛的应用。如今人们谈论半导体犹如谈论粮食和钢铁一样，已是我们生活中不可或缺的。我们的家用电器、电脑和几乎所有的自动控制系统无处不有,半导体硅材料基础知识,半导体芯片的身影。就连我们常用的计算器、手机、电子表、数码相机、数码DV等的芯片都是由半导体硅作的芯片而制成的。 迄今全球仅100亿美元的多晶硅材料支撑起约500亿美元的单晶硅及硅片的全球市场。然而就是这些材料支持

8、了大约2000亿美元的电力电子工业，5000亿美元的集成电路产业和约100亿美元的太阳能电池产业。如果说半导体硅材料在前50年的发展主要是在集成电路行业的话，时至今日，当人类面临越来越严峻的能源危机时，它将快速进入为人类提供清洁环保能源的行列。在未来的数十年里，硅片将为我们提供更多、更好的清洁能源。,二、半导体材料的分类：,对半导体材料的分类方法很多，但常见的是将半导体材料分为以下四类： 1.元素半导体：常见的有硅、锗等。 2.化合物半导体：部分族元素和族元素形成的化合物具有半导体的特性，且被广泛应用。如：族化合物：GaAs、InP等。 VI族化合物：CdTe、CdS等。 3. 有机半导体现已

9、发现部分有机化合物也具有半导体的特性。如：萘、蒽、聚丙烯晴、酞青以及一些芳香类化合物等。 4.无定形半导体：无定形硅（a硅）和微晶半导体即属此类，其应用价值正在开发之中。,半导体材料的分类：,迄今为止，工艺最为成熟、应用最为广泛的是前两类半导体材料，尤其是半导体硅材料，占有整个半导体材料用量的90%以上。硅材料是世界新材料中工艺最为成熟、使用量最大的半导体材料。它的实验室纯度可接近本征硅，即12个“九”，即使是大工业生产也可以到79个“九”的纯度。 硅为元素周期表里第三周期第四族的元素，原子序数为14，原子量是28.09，核外电子排布为：2，8，4，外层电子排布为3S2 3P2，常见化合价是+

10、2和+4，在地球上常以SiO2的形式存在。硅的原子半径为1.46,离子半径为0.26(+4),共价半径为1.11。 硅的密度为2.33，熔点1410，沸点3265。它是1824年由瑞典人Berzelius发现的。,三、半导体硅材料的制备,硅是地球上丰度最高的元素之一，其丰度达到25.7%,居第二位，它多以SiO2的形式存在，我们较熟悉的砂子、石头、粘土、石英矿等的主要成分就是SiO2。 硅的冶炼是一个高耗能工业，中国是世界上冶金级硅产量最多的国家之一。 下面分别介绍冶金级硅（工业硅）、多晶硅、单晶硅的冶炼和制备工艺。 1.冶金级硅（亦称工业硅）的制备： 冶金级硅是将自然界中的SiO2矿石冶炼成

11、元素硅的第一步，它是将比较纯净的SiO2矿石和木炭或石油焦一起放入电弧炉里,在电孤加热的情况下进行还原而制成。 其反应式是： SiO2+2C Si+2CO 一般的冶金级硅分为两类： 一类是供钢铁工业用的工业硅，其硅含量大约在75%左右,半导体硅材料的制备 ：,有人把它称做“七五”硅，它主要用作冶炼硅钢或矽钢的原料。 另一类是供制备半导体硅用的，其硅含量在99.799.9%， 它常用作制备半导体级多晶硅的原料。 2.多晶硅的制备： 目前全世界多晶硅的生产方法大体有三种：一是改良的西门子法；二是硅烷法；三是粒状硅法。 (1)改良的西门子法生产半导体级多晶硅： 这是目前全球大多数多晶硅生产企业采用的

12、方法，知名的企业有美国的Harmlock、日本的TOKUYAMA、三菱公司、德国的瓦克公司以及乌克兰和意大利的多晶硅厂。其工艺流程是：,半导体硅材料的制备 ：,全球80%以上的多晶硅是用这种方法制备的，其纯度可达79个“九”，基本可以满足大规模集成电路的要求。多数工厂在氢还原工艺中采用1224对棒的还原炉生产，多晶硅棒的直径在100200mm之间，炉产量在1.53吨，大约要180200小时才能生产一炉。据报导有50对棒的还原炉，单炉产量可达10吨以上。 这种工艺生产的多晶硅制造成本大约在24USD/Kg左右，产品分三类出售：IC工业用的中段料市场价约35USD/Kg（正常价），太阳电池用的横樑

13、料市场价约25USD/Kg。太阳电池用的碳头料市场价约20USD/Kg（上述价格为2000年及其以前的市场价）。 经验上，新建设一座多晶硅厂需要2836个月时间，而老厂扩建生产线也需要大约1418个月时间，新建一座千吨级的多晶硅厂大约需要1012亿元人民币，也就是说每吨的投资在100万元人民币以上。 用改良西门子法生产多晶硅工艺复杂，流程较长，有较多的化工过程，环境治理开支较大，用水和用电量较多，每公斤多晶大约要耗电200300KWh/。有资料报道国外每公斤多晶的最低电耗约150 KWh/。,半导体硅材料的制备 ：,半导体硅材料的制备 ：,（2）硅烷法生产多晶硅： 用硅烷法生产多晶硅的工厂仅有

14、日本的小松和美国的ASMY两家公司，其工艺流程是： 用硅烷法生产多晶硅的工艺相对简单，利用低温精馏提纯可获得较高纯度的多晶硅，纯度高达810个“九”，可供超大规模集成电路和高压大功率电子器件用料。制造成本和市场价都略高于用改良西门子法生产的多晶硅。 值得一提的是硅烷（SiH4）是易于燃烧和爆炸的气体，制备、储存、运输和生产使用时的危险性较大，很多工厂都把SiH4储灌深埋于地下。,半导体硅材料的制备 ：,（3）粒状多晶硅 全球用此法生产多晶硅的仅有美国休斯顿的PASADENA工厂，据说是上世纪七十年代由美国宇航局支持，打算大量用于航天工业的太阳电池的硅材料厂，它的生产流程与硅烷法生产多晶硅的工艺

15、大体相似，所不同的是它用FBR炉沉积出来的多晶硅不是棒状，而是直径仅为13mm的硅粒。它是利用休斯顿化工公司的附产品来生产多晶硅，其缺点是纯度不如以上两种方法生产的多晶硅，且有大量的粉末状硅，不适合于直接拉制单晶硅，所以大多数单晶硅厂不愿意使用，但它却可以用作浇注硅的原料，生产太阳能电池。 据报导，2006年全球多晶硅的总产量约32500吨，其中40%左右产于美国，30%产于日本，20%左右产于欧洲（主要是德国和意大利），10%左右产于前苏联（主要是乌克兰的杜涅兹克工厂）。 目前中国有四川的峨眉半导体材料厂、四川新光、洛阳中硅等生产多晶硅，今年年产量预计可达1000吨左右， 只占世界产量的2左

16、右。,半导体硅材料的制备 ：,2004年以前，全球太阳能电池的总产量尚处在500700MW时，大约仅消耗世界半导体级硅材料总量的1/5左右，尚可维持。2004年全球太阳能电池的总产量首次超过1000MW（1.25GW)，2006年超过2000MW（2.6GW)，这将消耗大约2万吨以上的硅材料，这就超过了全球总产量的1/2，致使全球半导体硅材料的供需矛盾一下子突显出来，考虑到一般多晶硅工厂的扩建大致需要14个月以上，所以近3年里这种供需矛盾难于完全缓解 3、单晶硅的制备： 根据单晶硅的使用目的不同，单晶硅的制备工艺也不相同，主要的制备工艺有两种： （1）区域熔炼法（简称区熔法或FZ法，Float

17、 Zone）。 这是制备高纯度，高阻单晶的方法。 它是利用杂质在其固体和液体中分凝系数的差异，通过在真空下经数次乃至数十次的区域熔炼提纯，然后成晶而制得。,半导体硅材料的制备 ：,区熔单晶的电阻率大多在上千乃至上万cm，主要用作制备高能粒子探测器，SCR及大功率整流元件，FZ单晶的市场价大多在 3000 /kg以上，有的甚至达上万元/kg FZ硅生产工艺示意图如下：,半导体硅材料的制备 ：,（2）切克劳斯基法（简称直拉法。CZ法，Czochralski） 这是波兰科学家Czochralski于1918年发明的单晶生长方法,它是制备大规模集成电路，普通二极管和太阳能电池单晶使用的方法。其制备工艺

18、如下： 集成电路用CZ单晶的一次成品率大约在5560%，正常状态下市场价为110-130USD/Kg。 太阳能级CZ单晶的一次成品率可达6570%，正状态下市场价在7090 USD/Kg。,半导体硅材料的制备 ：,CZ硅生长工艺示意图：,四、半导体硅材料的加工,几乎所有的半导体器件厂家使用的硅材料都是片状，这就需要把拉制成锭状的硅加工成片状，我们这里所讲的硅材料加工，就是指由Ingot wafer的过程。硅片的加工大体包括：硅棒外径滚磨（含定向）、硅切片、倒角、硅磨片、硅抛光等几个过程，现分述如下： 1.硅棒外径滚磨： 是将拉制的具有4条棱线是（100）晶向的单晶或3条棱线是（111）晶向的单

19、晶经滚磨制得完全等径的单晶锭。 2.硅切片： 硅切片是将单晶硅圆锭加工成硅圆片的过程，通常使用的设备有两种： 内圆切片机：一般加工直径6的硅单晶锭。片厚300400m，刀口厚度在300350m，加工损失在50%以上。 用这种设备加工的硅切片一般有划道、崩边、且平整度较差，往往需要研磨后才可使用。,半导体硅材料的加工 ：,线切割机：一般用于加工直径6的单晶（如8、12等）,片厚最薄可达200250，刀口厚度200，加工损失在40%左右，较内圆切割机可多出510%左右的硅片，用这种设备加工的硅切片表面光滑，平整度好，不用经过磨片工序即可投入太阳电池片的生产。 但线切割机较为昂贵，单机价格是内圆切片

20、的810倍。 3.硅磨片： 一般是双面磨，用金刚砂作原料，去除厚度在50100时大约需要1520分钟，用磨片的方法可去除硅片表面的划痕，污渍和图形等，可提高硅片表面平整度。凡用内圆切片机加工的硅片一般都需要进行研磨。 4.倒角： 是将硅切片的边沿毛刺、崩边等倒掉。 5.抛光片： 这是只有大规模集成电路工业才用的硅片，这里不述及。,五、半导体硅材料的电性能特点,前面已经提到，半导体材料的导电性能介于导体和绝缘体之间，也就是说它的电阻率相对较大。 一种材料的电阻率是它导电率的倒数，电阻率的单位是：cm，它表示单位面积、单位长度下的电阻值。 硅材料的电性能有以下三个显著特点： 一是它对温度的变化十分

21、灵敏：一般来说，金属导体或绝缘体的电阻率随温度的变化很小，甚至没有变化。如金属铜的温度每升高100，其电阻率仅增加40%。而半导体的电阻率随温度的变化都很显著，如锗的温度从20升至30时，其电阻率就要降低50%左右。这是由于当温度升高时，由于热激发而使载流子浓度大大增加，从而导致电导性能大幅度提高，而电阻率大幅度下降。,半导体硅材料的电性能特点：,二是微量杂质的存在对电阻率的影响十分显著：一般在金属导体中含有少量杂质时则测不出电阻率有多大变化。但如果在纯净的半导体材料中掺入少量杂质，却可以引起电阻率的很大变化，如在纯硅中加入百万分之一的硼（10-6）， 硅的电阻率就会从2.14103cm下降至

22、410-3cm。也就是电阻率下降了近一百万倍。这是因为杂质的加入提供了大量的载流子，从而大大增加了半导体的导电性能。 三是半导体材料的电阻率在受光照时会改变其数值的大小：金属导体或绝缘体的电阻率一般不受光照的影响。但是半导体的电阻率在适当的光照下都会发生明显的变化，这是因为半导体材料原子核外的价电子吸收光子的能量后就可能脱离原子核的束缚而成为自由电子，从而增加体内的载流子浓度，使之电阻率下降。 综上所述，半导体的电阻率数值对温度、杂质和光照三个外部条件变化有较高的敏感性。,六、半导体硅材料主要性能参数,1.半导体的导电类型：（本征半导体、N型半导体、P型半导体） 本征硅：习惯上我们把绝对纯净而

23、没有缺陷的半导体叫作本征半导体。通常纯净而没有缺陷的硅晶体叫作本征硅。在本征硅中，导电的电子或空穴都是由于其价键破裂而产生的，这时的自由电子浓度n和空穴的浓度p相等，这个浓度称为本征载流子浓度ni，室温下硅的本征载流子浓度为1010/cm3左右 。 根据制作不同器件的不同需要，我们在本征硅中掺入一定量的某种杂质就得到掺杂的硅。 N型硅：若在纯硅中掺入V族元素（如磷、砷等）以后，由于V族元素最外层是5个价电子，当这5个价电子中4个与硅原子最外层的4个价电子形成共价键时，就会有一个多余的电子脱离出来成为自由电子，从而就提供了同等数量的导电电子，这种能提供自由电子的杂质统称为施主杂质（如P、AS等）

24、，掺入施主杂质的硅叫N型硅。 在N型硅中，电子浓度远大于空穴的浓度，电流的传输主要是靠电子来输送，这时的电子叫多数载流子（简称多子）。而空穴就是少数载流子（简称少子），此时半导体硅中的电子浓度近似,半导体硅材料的主要性能参数：,等于施主杂质的浓度（nND），在N型硅中，掺杂元素是磷，少子是空穴。 P型硅：如果在纯硅中掺入III族元素（如硼）以后，由于硼原子的最外层是3个价电子，当它进入硅的晶体构成共价键时，就缺少了一个电子，因而它就有一种从别处夺来一个电子使自己成为负离子、并与硅晶体相匹配的趋势，因此我们可以认为硼原子是带有一个很容易游离于晶体间的空穴。在半导体中，这种具有接受电子的杂质称为受

25、主杂质。掺入受主杂质的硅叫作P型硅，在P型硅中，空穴的浓度远远大于电子的浓度，电流的传输主要由空穴来完成。空穴是多子，而电子是少子，此时的空穴浓度近似等于受主的浓度 （PNA）。在P型硅中，掺杂元素是硼，少子是电子。 但是：在一般的掺杂硅中，往往同时存在着施主杂质和受主杂质，这时硅的导电类型就由浓度较高的那种杂质来决定，相应的多数载流子浓度分别为： N型硅中：电子的浓度为nnNDNA （NDNA） P型硅中：空穴的浓度为npNAND （NDNA） (ND为施主浓度, NA为受主浓度),半导体硅材料的主要性能参数：,2. 晶体结构及缺陷 我们知道，自然界中的固体可以分为晶体和非晶体两大类，晶体是

26、指有固定熔点的固体（如：Si、GaAs、冰及一般的金属等），而没有固定熔点，加热时在某一温度范围内逐渐软化的固体叫作非晶体。（如：松香、玻璃、橡胶等） （1）单晶、多晶和无定形： 晶体又可以分为单晶体、多晶体和无定形体。 现有的晶体都是由原子、离子或分子在三维空间上有规则的排列而形成的。这种对称的有规则排列叫作晶体的点阵或叫晶格。最小的晶格叫晶胞，晶胞的各向长度叫晶格常数。将晶格周形性的重复排列，就可以构成整个晶体，这就是晶体的固有特性，而非晶体则没有这种特征。那种近程有序而远程无序排列的称为无定形体。 一块晶体如果从头至尾都按同一种排列重复下去叫作单晶体，由许多微小单晶颗粒杂乱地排列在一起的

27、称为多晶体。,半导体硅材料的主要性能参数：,（2）晶格结构 我们对一些主要的晶体进行研究后发现，其中的晶胞多不相同，常见的晶胞有：简单立方结构、体心立方结构、面心立方机构、金刚石结构（如：Si、Ge等），闪锌矿结构（如GaAs、Gap、Iusb等），一般元素半导体多为金刚石结构，IIIV族化合物半导体多为闪锌矿结构。 金刚石结构是两个面心立方结构的晶胞在对角线上滑移1/4距离后形成，而闪锌矿结构是在金刚石结构中把相邻两个Si原子分别换作Ga和As而形成。,半导体硅材料的主要性能参数：,（3）晶面和晶向： 晶体中那些位于同一平面内的原子形成的平面称为晶面。晶面的法线方向称为晶向。单晶常用的晶向有

28、（100）、（111）和（110），晶体在不同的方向上具有不同的性质，这就是晶体的多向异性。,半导体硅材料的主要性能参数：,（4）晶体中的缺陷： 当晶体中的原子周期性重复排列遭到破坏或出现不规则的地方就形成了缺陷，硅单晶中常见的缺陷有：点缺陷、线缺陷、面缺陷、孪晶、旋涡、杂质条纹、堆垛层错、氧化层错、滑移线等等。 3. 电阻率： 电阻率是半导体材料的一个极其重要的参数，前面我们已经提到电阻率是区分导体、绝缘体和半导体的关键因素。不同的器件要求不同的电阻率，一般来说： 制作高能粒子探测器，要求几千乃至上万cm的FZ单晶。 制作大功率整流器件，SCR则要求3001000cm的FZ单晶。 制作IC则

29、要求530cm的CZ单晶。 制作太阳能电池则要求P型（100）0.56cm的CZ单晶。,半导体硅材料的主要性能参数：,4. 少子寿命： 所谓少子寿命是指半导体中非平衡少数载流子平均存在的时间长短，单位是s（1微秒是10-6秒）。所谓非平衡载流子是指当半导体中载流子的产生与复合处于平衡状态时，由于受某种外界条件的作用，如受到光线照射时而新增加的电子空穴对，这部分新增加的载流子叫作非平衡载流子。 对于P型硅而言：新增加的电子叫作非平衡少数载流子；而新增加的空穴叫作非平衡多数载流子。 对于N型硅而言：新增加的空穴叫作非平衡少数载流子；而新增加的电子叫作非平衡多数载流子。 当光照停止后，这些非平衡载流

30、子并不是立即全部消失，而是逐渐被复合而消失，它们存在的平均时间就叫作非平衡载流子的寿命。 非平衡载流子的寿命长短反映了半导体材料的内在质量，如晶体结构的完整性、所含杂质以及缺陷的多少，硅晶体的缺陷和杂质往往是非平衡载流子的复合中心。,半导体硅材料的主要性能参数：,少子寿命是一个重要的参数，用于高能粒子探测器的FZ硅的电阻率高达上万cm，少子寿命上千微秒；用于IC工业的CZ硅的电阻率一般在530cm范围内，少子寿命值多要求在100s以上；用于晶体管极CZ硅的电阻率一般在30100cm，少子寿命也在100s以上；而用于太阳能电池CZ硅片的电阻率在0.56cm，少子寿命应10s。 5. 氧化量：指硅

31、材料中氧原子的浓度。 太阳能电池要求硅中氧含量51018原子个数/cm3。 6. 碳含量：指硅材料中碳原子的浓度。 太阳能电池要求硅中碳含量51017原子个数/cm3。 另外：对于IC用硅片而言还要求检测： 微缺陷种类及其均匀性； 电阻率均匀性； 氧、碳含量的均匀性； 硅片的总厚度变化TTV； 硅片的局部平整度LTV等等。,半导体的主要电学参数及其测量方法 1、导电类型： N型半导体：掺有施主杂质、以电子为多数载流子的半导体 P型半导体：掺有受主杂质、以空穴为多数载流子的半导体 本征半导体：完全不含杂质和缺陷、导电机构仅由晶体本身 能带结构所决定，体内电子和空穴浓度相等的半导体。 导电类型的测

32、量方法： （1）冷探针法 （2）热探针法 （3）整流法 （4）霍尔效应法,2、电阻率： 是指单位长度（1cm）、单位面积（1cm2)下物体的电阻值。电阻率直接反应其导电能力的大小，某一物体的电阻率是它的电导率的倒数。在一定的温度条件下，半导体材料的电阻率直接反应了材料的纯度。 半导体材料电阻率的测量方法： （1）二探针法 （2）四探针法 （3）扩展电阻法 （4）范德堡法 （5）涡流法 （6）光电压法,半导体的主要电学参数及其测量方法,3、载流子浓度： 在一定的温度条件下，内部处于热平衡的半导体中，电子和空穴的浓度基本保持一定，此时的电子及空穴的浓度就叫作平衡载流子浓度。 载流子浓度的测量方法：

33、 （1）三探针击穿电压法 （2）微分电容法 （3）二次谐波法 （4）红外等离子反射光谱法 （5）红外吸收法,半导体的主要电学参数及其测量方法,4、迁移率： 当我们对半导体加上外加电场时，载流子在电场中作漂移运动。在低电场下，载流子的漂移速度与电场强度成正比。在单位电场强度作用下，载流子获得的漂移速度就叫做载流子的迁移率。 载流子的迁移率与半导体中的杂质浓度、缺陷密度及温度有关，在室温下，迁移率随杂质浓度或缺陷密度的增加而减小。 迁移率的测量方法： （1）漂移迁移率（适合于低阻材料少子迁移率测量） （2）电导迁移率 （3）霍尔迁移率 （4）磁阻迁移率,半导体的主要电学参数及其测量方法,5、补偿度

34、： 补偿是指半导体中施主杂质与受主杂质在电学上互相抵消的现象，而补偿度是指材料中等效反型杂质浓度与控制杂质浓度之比。通常情况下，当施主杂质浓度和受主杂质浓度相差不到1000倍时，则认为该材料是补偿的。 补偿度的大小直接反应了半导体材料的质量，某些特殊用途的高阻单晶硅就要求低补偿。 补偿度的测量方法： 补偿度的测量需要采用能同时确定两种杂质的浓度或直接测定其比值的方法，目前确定补偿度的方法大都是根据实验结果经过一定的数据处理而得到的，如采用“载流子浓度与温度关系分析法”、“迁移率分析法”、“经验曲线分析法”等。,半导体的主要电学参数及其测量方法,6、少子寿命： 所谓少子寿命是指半导体中非平衡少数

35、载流子平均存在的时间长短，单位是s（1微秒是10-6秒）。所谓非平衡载流子是指当半导体中载流子的产生与复合处于平衡状态时，由于受某种外界条件的作用，如受到光线照射时而新增加的电子空穴对，这部分新增加的载流子叫作非平衡载流子。 当光照停止后，这些非平衡载流子并不是立即全部消失，而是逐渐被复合而消失，它们存在的平均时间就叫作非平衡载流子的寿命。 少子寿命的长短反映了半导体材料的内在质量，如晶体结构的完整性、所含杂质以及缺陷的多少，硅晶体的缺陷和杂质往往是非平衡载流子的复合中心。 少子寿命的测量方法： （1）直流光电导衰减法；（2）高频光电导衰减法； （3）微波光电导衰减法； （4）表面光电压法 ；

36、 （5）光电流法； （6）电子束感生电流法； （7）MOS电容法。,半导体的主要电学参数及其测量方法,1、硅中的氧： 硅中氧含量的高低是硅材料质量好坏的重要指标，硅中氧的引入是多晶原料或CZ工艺中从石英坩埚的SiO2进入的。多晶原料里的氧主要是在生产多晶硅时使用的原料（如氢气中的H2O、O2）引入的。一般要求多晶硅中的氧含量11018原子个数/CM3（1ppma）。 单晶硅中的氧多以间隙氧的形式存在。过饱和的间隙氧会在晶体中偏聚、沉淀而形成氧施主、氧沉淀及二次缺陷（热施主、新施主），这将对半导体器件的性能带来不良影响。 硅中氧的测定： （1）红外吸收光谱法；（2）化学腐蚀法； （3）光散射法；

37、 （4）小角度中子散射法； （5）电子损失能谱法；（6）透射电镜法； （7）扫描电镜法。,半导体的主要杂质及其测量方法,2、硅中的碳： 硅中的碳含量也是表征硅材料质量的重要参数。硅中碳的引入主要是多晶硅原料 或CZ工艺中由石墨 部件来的。多晶硅原料里的碳主要来自生产多晶的原料（如H2、SiHCl3）或使用的石墨部件（如夹持硅芯的石墨头）等。一般要求多晶硅中的碳含量51017原子个数/CM3（5ppma）。 碳在硅晶体中处于替代位置，它是中性等电子杂质。它可以与其它杂质或缺陷形成复合体、或形成沉淀、或诱生新的缺陷降低半导体器件的击穿电压。 硅中碳的测定： （1）红外吸收光谱法； （2）带电粒子活

38、化分析法。,半导体的主要杂质及其测量方法,3、硅中的金属杂质： 硅中的金属杂质都属于有害杂质，它们会在硅晶体中形成深能级中心或沉淀而影响材料及器件的性能。硅晶体中存在的单个金属原子有电活性，是深能级复合中心，大幅度降低少子寿命、减少少子扩散长度；金属原子还会沉淀在SiO2/Si的界面上，降低器件的击穿电压；金属杂质也会在硅晶体中形成金属复合体（如：Fe-B对、Fe-Au复合体等）或与Si形成M-Si沉淀相（M为Ti、Co、Ni等），这些金属复合体和金属沉淀对材料和器件都有不良影响。所以我们在制备高纯硅材料或制备硅单晶时要尽量降低金属杂质的含量。 一般要求多晶硅中的单个金属杂质均1ppba，总金属杂质含量10ppba。 硅中金属杂质的测量： 多采用中子活化分析法（NNA）,半导体的主要杂质及其测量方法,谢谢！,