硅半导体材料基础.pptx

会计学半导体材料的分类
对半导体材料可从不同的角度进行分类，例如根据其性能可分为高温半导体、磁性半导体、热电半导体；根据其晶体结构可分为金刚石型、闪锌矿型、纤锌矿型、黄铜矿型半导体；根据其结晶程度可分为晶体半导体、非晶半导体、微晶半导体，但比较通用且覆盖面较全的则是按其化学(huàxué)组成的分类，依此可分为：元素半导体、化合物半导体和固溶半导体三大类。1.元素半导体
已知有12种元素具有半导体性质，目前使用的元素半导体主要是硅和锗。
2.化合物半导体
化合物半导体材料的种类繁多，性能各异，因此用途也就多种多样。化合物半导体按其构成(gòuchéng)的元素数量可分为二元、三元、四元等。按其构成(gòuchéng)元素在元素周期表中的位置可分为Ⅲ-Ⅴ族、Ⅱ-Ⅳ族等。3.固溶半导体
由两个或两个以上的元素构成的具有足够的含量的固体溶液，如果具有半导体性质，就称为固溶半导体，简称固溶体或混晶。因为不可能做出绝对纯的物质(wùzhì)，材料经提纯后总要残留一定数量的杂质，而且半导体材料还要有意地掺入一定的杂质，在这些情况下，杂质与本体材料也形成固溶体，但因这些杂质的含量较低，在半导体材料的分类中不属于固溶半导体。3.2硅材料的主要(zhǔyào)性质
硅具有银白色或灰色金属光泽，晶体硬而脆，硅的外观如图3-4所示。硅熔体密度比固体密度大，故熔化后会发生体积收缩，类似于冰与水的关系。硅材料的化学(huàxué)性质
在室温下，硅的化学(huàxué)性质比较稳定，与空气、水和酸均无反应，但与强酸、强碱作用，硅极易被HNO3–HF的混合酸所溶解，因此，在硅片加工及集成电路器件工艺中，HNO3–HF混合酸常常用作硅的腐蚀液。在高温下，硅与锗的化学(huàxué)活性大，可与氧、卤素、卤化氢、碳等反应。
硅与卤素或卤化氢作用可生成相应的卤化物。生成的SiCl4可作为硅外延生产的原料，生成的SiHCl3是高纯硅化学(huàxué)提纯的中间产物。
硅在高温下可与H2O、O2发生如下反应，硅平面工艺中，常用此反应制备SiO2掩蔽膜。

硅烷的活性很高，在空气中自燃，固态硅烷与液氧混合，在-190℃低温下也易发生爆炸，因其危险性，使用受到限制。

硅烷由于(yóuyú)4个键都是Si-H键，很不稳定，易热分解。用这一特性可制取高纯硅。单晶、多晶和非晶体原子(yuánzǐ)排列2.硅晶体的金刚石结构
硅原子序数分别为14，核外电子分布为：
Si—1S22S22P63S23P2
硅每个原子周围都有4个最近(zuìjìn)的原子，可与邻近的4个原子生成4个共价键，形成正四面体结构，上述正四面体累积起来就得到金刚石结构。硅材料的电学性质
半导体的导电能力(nénglì)介于导体和绝缘体之间，半导体之所以得到广泛应用，是因为它的导电能力(nénglì)受掺杂、温度和光照的影响十分显著。
（1）半导体的电导率随温度升高而迅速增加
（2）杂质对半导体材料导电能力(nénglì)的影响非常大
（3）光照对半导体材料的导电能力(nénglì)也有很大的影响
（4）除温度、杂质、光照外，电场、磁场及其他外界因素（如外应力）的作用也会影响半导体材料的导电能力(nénglì)。硅材料的机械性质
在室温时，硅是一种无延展性的脆性材料。但在温度高于700-800℃时，硅却具有明显的热塑性，在应力的作用下会呈现塑性变形。硅的抗拉应力远远大于抗剪应力，故在硅片的加工过程中会产生弯曲(wānqū)和翘曲，也极容易产生裂纹或破碎。然后，用提纯(tíchún)过的三氯氢硅在氢气氛中进行还原反应，于是发生化学气相沉积，最后形成半导体级高纯多晶硅。这一反应是流态化床的逆过程。硅的晶体生长
1.直拉生长工艺
目前用于制备硅单晶的主要生长工艺是直拉法，并经过进一步改进使之发展成为完善的方法。直拉法是在直拉单晶炉内，向盛有熔硅坩埚(gānguō)中，引入籽晶作为非均匀晶核，然后控制热场，将籽晶旋转并缓慢向上提拉，单晶便在籽晶下按籽晶的方向长大。直拉法单晶生长工艺流程如图所示。在工艺流程中最为关键的是“单晶生长”或称拉晶过程(guòchéng)，它又分为：润晶、缩颈、放肩、等径生长、拉光等步骤。当熔体温度稳定在稍高于熔点，将籽晶放在上面烘烤几分钟后将籽晶与熔体熔接，这一步叫润晶或下种，润晶过程可以减少籽晶与熔体间温差，防止籽晶因热应力产生缺陷；为了消除位错要将籽晶（晶体(jīngtǐ)）拉细一段叫缩颈，通过缩颈可将部分位错排出单晶；之后要把晶体(jīngtǐ)放粗到要求的直径叫放肩；有了正常粗细后就保持此直径生长，称之为等径生长，为了保持单晶等径生长、控制的参数主要是拉速和加热功率。提高拉速、加热功率则晶体(jīngtǐ)变细；反之降低拉速和加热功率则使晶体(jīngtǐ)加粗。最后将熔体