1、1 (一)、半導體材料特性(5學時)n1.半導體材料的發(fā)展趨勢n2.半導體材料的分類半導體材料的分類n3.半導體材料的基本性質(zhì)及應用半導體材料的基本性質(zhì)及應用n4.實例說明如何運用半導體材料知識開展實驗設計22. 半導體材料的分類n 禁帶寬度的不同，又可分為： 窄帶隙半導體材料：Si，Ge 寬帶隙半導體材料：GaN，ZnO，SiC，AlNn化學組分和結(jié)構(gòu)的不同，又可分為： 元素半導體、化合物半導體、固溶體半導體、非晶半導體、微結(jié)構(gòu)半導體、有機半導體和稀磁半導體等n使用功能的不同，可分為： 電子材料、光電材料、傳感材料、熱電致冷材料等 34按功能和應用按功能和應用微電子半導體微電子半導體光電半導

2、體光電半導體熱電半導體熱電半導體微波半導體微波半導體氣敏半導體氣敏半導體 5按組成按組成無機半導體無機半導體有機半導體有機半導體按結(jié)構(gòu)按結(jié)構(gòu)晶體晶體非晶、無定形半導體非晶、無定形半導體多晶半導體多晶半導體單晶半導體單晶半導體元素半導體元素半導體化合物半導體化合物半導體63.半導體材料的基本性質(zhì)及應用n(1)半導體的晶體結(jié)構(gòu)n(2)半導體的能帶結(jié)構(gòu)n(3) 半導體的雜質(zhì)和缺陷n(4) 半導體的電學性質(zhì)n(5) 半導體的光學性質(zhì)7晶體：晶體： 有有規(guī)則對稱的幾何外形；規(guī)則對稱的幾何外形； 物理性質(zhì)物理性質(zhì)(力、熱、電、光力、熱、電、光)各向異性各向異性； 有確定的熔點；有確定的熔點； 微觀微觀上，

3、分子、原子或離子呈有規(guī)則的周期性上，分子、原子或離子呈有規(guī)則的周期性 排列，形成排列，形成空間點陣空間點陣(晶格晶格)。簡單立方晶格簡單立方晶格 面心立方晶格面心立方晶格Au、Ag、Cu、Al 體心立方晶格體心立方晶格 Li、Na、K、Fe 六角密排晶格六角密排晶格 Be，Mg，Zn，Cd 8立方晶體立方晶體n半導體材料：多數(shù)是立方晶體和六角晶體。半導體材料：多數(shù)是立方晶體和六角晶體。n立方晶體（等軸晶系），三邊等長，相互正交。立方晶體（等軸晶系），三邊等長，相互正交。n（a）簡單立方晶系）簡單立方晶系n原子在頂角，每個原子為原子在頂角，每個原子為8個晶胞共有，每個晶胞有個晶胞共有，每個晶胞有

4、8個個原子在頂點上，晶胞體積就是一個原子占有體積。原子在頂點上，晶胞體積就是一個原子占有體積。9n（b）體心立方晶體）體心立方晶體n每個晶胞有每個晶胞有8個原子在頂點上，一個在體心，晶胞有個原子在頂點上，一個在體心，晶胞有2個原個原子。體心立方可看成簡單立方體套構(gòu)而成。子。體心立方可看成簡單立方體套構(gòu)而成。體心原子的劃分，體心原子的劃分，屬于每個晶胞屬于每個晶胞 110n（c）面心立方晶體）面心立方晶體n6個面中心各有個面中心各有1個原子，個原子， 6*1/2=3原子；原子；n8個頂角各有個頂角各有1個原子，個原子，8*1/8=1個原子。個原子。n每個面心立方晶胞有每個面心立方晶胞有4個原子。

5、個原子。面心原子的劃分，面心原子的劃分，屬于每個晶胞屬于每個晶胞 1/211（2）半導體材料的能帶結(jié)構(gòu)直接帶隙結(jié)構(gòu)帶隙大小間接帶隙結(jié)構(gòu)12輕摻雜 摻雜濃度為1017 cm-3中度摻雜 摻雜濃度為10171019 cm-3重摻雜 摻雜濃度大于1019 cm-3雜質(zhì)離子100%電離載流子濃度低于摻雜濃度n(3) 半導體的雜質(zhì)和缺陷13硅中的雜質(zhì)n1. n型摻雜劑：P，As，Sbn2. p型摻雜劑：Bn3. 輕元素雜質(zhì)：O，C，N，Hn4. 過渡族金屬雜質(zhì)：Fe，Cu，Ni14（4）電學性質(zhì) 本征載流子濃度 a. 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。

6、b. 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。 c. 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。15電導率和電阻率n電導率n電阻率npnqpq116（5）光學性質(zhì)n晶體半導體晶體半導體n直接躍遷和間接躍遷n滿足能量守恒和動量守恒n間接躍遷時需要聲子的參與n非晶半導體非晶半導體n電子跨越禁帶時的躍遷沒有直接躍遷和間接躍遷的區(qū)別n電子躍遷時不再遵守動量守恒的選擇定則n非晶結(jié)構(gòu)上的無序使非晶半導體中的電子沒有確定的波失17n吸收系數(shù)n透射率n折射率n自發(fā)輻

7、射、受激輻射18(二)、半導體材料 IV族（元素）、III-V族 、II-VI（氧化物）族半 導體 材料 1.典型半導體材料的應用與工藝技術 2 .硅和鍺半導體材料 3. 砷化鎵、氮化鎵、磷化銦半導體材料 4. 氧化鋅、硫化鎘193. 砷化鎵、氮化鎵、磷化銦半導體材料20（1）砷化鎵性質(zhì) n能帶結(jié)構(gòu)能帶結(jié)構(gòu)n物理性質(zhì)物理性質(zhì)n化學性質(zhì)化學性質(zhì)n電學性質(zhì)電學性質(zhì)n光學性質(zhì)光學性質(zhì)21GaAs能帶結(jié)構(gòu)n直接帶隙結(jié)構(gòu)直接帶隙結(jié)構(gòu)n雙能谷：強電場下電子從雙能谷：強電場下電子從高遷移率能谷向低遷移率高遷移率能谷向低遷移率能谷轉(zhuǎn)移，引起電子漂移能谷轉(zhuǎn)移，引起電子漂移速度隨電場的升高而下降速度隨電場的升高而

8、下降的的負微分遷移率效應負微分遷移率效應 n帶隙為帶隙為1.42 eV22GaAs物理性質(zhì)nGaAs晶體呈暗灰色，有金屬光澤晶體呈暗灰色，有金屬光澤n分子量為分子量為144.64n原子密度原子密度4.421022/cm323GaAs化學性質(zhì)nGaAs室溫下不溶于鹽酸，可與濃硝酸反應，室溫下不溶于鹽酸，可與濃硝酸反應，易溶于王水易溶于王水n室溫下，室溫下，GaAs在水蒸氣和氧氣中穩(wěn)定在水蒸氣和氧氣中穩(wěn)定n加熱到加熱到6000C開始氧化，開始氧化，加熱到加熱到8000C以上以上開始離解開始離解24GaAs電學性質(zhì)n電子遷移率高達電子遷移率高達 8000nGaAs中電子有效質(zhì)量為自由電子的中電子有效

9、質(zhì)量為自由電子的1/15，是硅電子的是硅電子的1/3n用用GaAs制備的晶體管開關速度比硅的快制備的晶體管開關速度比硅的快34倍倍n高頻器件，軍事上應用高頻器件，軍事上應用SVcm225本征載流子濃度633001.3 10 /iTKncm26GaAs光學性質(zhì)n直接帶隙結(jié)構(gòu)直接帶隙結(jié)構(gòu)n發(fā)光效率比其它半導體材料要高得多發(fā)光效率比其它半導體材料要高得多，可，可以制備發(fā)光二極管，光電器件和半導體激以制備發(fā)光二極管，光電器件和半導體激光器等光器等27GaAs的應用nGaAs在無線通訊方面具有眾多優(yōu)勢在無線通訊方面具有眾多優(yōu)勢nGaAs是功率放大器的主流技術是功率放大器的主流技術n光伏器件光伏器件n發(fā)光

10、器件發(fā)光器件28GaAs在無線通訊方面n砷化鎵晶片與硅晶片主要差別，在于它是一種砷化鎵晶片與硅晶片主要差別，在于它是一種“高頻高頻”傳輸傳輸使用的晶片，由于其使用的晶片，由于其頻率高，傳輸距離遠，傳輸品頻率高，傳輸距離遠，傳輸品質(zhì)好，可攜帶信息量大，傳輸速度快，耗電量低質(zhì)好，可攜帶信息量大，傳輸速度快，耗電量低，適合，適合傳輸影音內(nèi)容，傳輸影音內(nèi)容，符合現(xiàn)代遠程通訊要求符合現(xiàn)代遠程通訊要求。n一般訊息在傳輸時，因為距離增加而使所能接收到的訊一般訊息在傳輸時，因為距離增加而使所能接收到的訊號越來越弱，產(chǎn)生號越來越弱，產(chǎn)生“聲音不清楚聲音不清楚”甚至甚至“收不到信號收不到信號”的情形，這就是功率損

11、耗。砷化鎵晶片的最大優(yōu)點，在的情形，這就是功率損耗。砷化鎵晶片的最大優(yōu)點，在于傳輸時的于傳輸時的功率損耗功率損耗比硅晶片比硅晶片小小很多，成功很多，成功克服訊號傳克服訊號傳送不佳的障礙。送不佳的障礙。n砷化鎵砷化鎵具有抗輻射性具有抗輻射性，不易產(chǎn)生信號錯誤，特別適用于，不易產(chǎn)生信號錯誤，特別適用于避免避免衛(wèi)星通訊時暴露在太空中所產(chǎn)生的輻射問題衛(wèi)星通訊時暴露在太空中所產(chǎn)生的輻射問題。29砷化鎵與硅元件特性比較砷化鎵硅最大頻率范圍2300GHz1.5介電常數(shù)11.812.812.510.09.038GaN材料的特性材料的特性 n高頻特性，高頻特性，可以達到可以達到300G Hz（硅為（硅為10G，

12、砷化鎵為，砷化鎵為80G）n高溫特性高溫特性，在，在300正常工作（非常適用于航天、軍正常工作（非常適用于航天、軍事和其它高溫環(huán)境）事和其它高溫環(huán)境）n電子漂移飽和速度高、介電常數(shù)小、導熱性能好電子漂移飽和速度高、介電常數(shù)小、導熱性能好n耐酸、耐堿、耐腐蝕耐酸、耐堿、耐腐蝕（可用于惡劣環(huán)境）（可用于惡劣環(huán)境）n高壓特性高壓特性（耐沖擊，可靠性高）（耐沖擊，可靠性高）n大功率大功率（對通訊設備是非?？释模▽νㄓ嵲O備是非?？释模?9GaN的化學特性的化學特性 n 在室溫下，GaN不溶于水、酸和堿；n在熱的堿溶液中以非常緩慢的速度溶解；nNaOH、H2SO4和H3PO4能較快地腐蝕質(zhì)量差GaN

13、，可用于這些質(zhì)量不高的GaN晶體的缺陷檢測；nGaN在HCL或H2氣下，在高溫下呈現(xiàn)不穩(wěn)定特性；n而在N2氣下最為穩(wěn)定。 40結(jié)構(gòu)特征結(jié)構(gòu)特征n立方系閃鋅礦結(jié)構(gòu)和六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)；n在大氣壓力下，GaN晶體一般是六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)。 41GaN的電學特性的電學特性 nGaN的電學特性是影響器件的主要因素。n未有意摻雜的GaN在各種情況下都呈n型，最好的樣品的電子濃度約為n一般情況下所制備的P型樣品，都是高補償?shù)摹?216/104cm42GaN的光學特性的光學特性 n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

14、都無法達到的n主要在藍光和紫光發(fā)射器件上應用 43GaN的應用n 實現(xiàn)半導體照明。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國內(nèi)外倍加關注的半導體照明是一種新型的新型的高效、節(jié)能和環(huán)保光源高效、節(jié)能和環(huán)保光源，將取代目前使用的，將取代目前使用的大部分傳統(tǒng)光源，被稱為大部分傳統(tǒng)光源，被稱為21世紀照明光源的世紀照明光源的革命，而革命，而GaN基高效率、高亮度發(fā)光二極管基高效率、高亮度發(fā)光二極管的研制的研制是實現(xiàn)半導體照明的是實現(xiàn)半導體照明的核心技術和基礎核心技術和基礎。44（3）磷化銦 磷化銦(InP)晶體呈銀灰色，質(zhì)地軟脆。磷化銦具有載流子速度高、工作區(qū)長、熱導率大等特點，可以制作低噪

15、聲和大功率器件。 磷化銦材料主要用于制作光電器件、光電集成電路和高頻高速電子器件。在光電器件的應用方面，主要制作長波長(1.31.6m)激光器、激光二極管、光電集成電路等，用于長距離通信。 45 磷化銦的抗輻射性能優(yōu)于砷化鎵，作為空間應用太陽能電池的材料更理想，其轉(zhuǎn)換效率可達20。在高頻高速電子器件應用方面，工作在毫米波范圍內(nèi)顯示出它的優(yōu)勢。InP的異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(簡稱HBT) fT (特征頻率)已超過160GHz，InP的高電子移動率晶體管(簡稱HEMT)最高fT已達到320GHz，W波段(波長范圍0.3750.3cm，頻率范圍80100GHz)振蕩功率達到10mW，這些器件可用于毫米波雷

16、達、衛(wèi)星通信。 464. II-VI 族半 導體 材料 IIB族和VIA族IIB-VIA族化合物半導體，即Zn，Cd，Hg與O, S，Se，Te成的多種IIB-VIA族化合物半導體，如ZnO， CdS，CdTe，CdSe等。nZnO，CdS47nZnO的基本性質(zhì)及能帶結(jié)構(gòu)nZnO的缺陷、摻雜、合金及能帶工程nZnO薄膜的制備技術nZnO半導體器件nZnO的納米結(jié)構(gòu)nZnO的應用（1）ZnO48ZnO的基本性質(zhì)nZnO熱力學穩(wěn)定相為釬鋅礦結(jié)構(gòu)，寬帶隙3.37eV（常溫），缺乏中心對稱性，對可見光透明。纖鋅礦常溫具有較大激子束縛能60meV，本證載流子濃度 nj70（3）分子束外延分子束外延(Mo

17、lecular Beam Epitaxy) =Epi+taxis外延技術是在單晶襯底上，在合適的條件下沿襯底原來的結(jié)晶軸向生成一層晶格結(jié)構(gòu)完整的新的單晶層的制膜方法。外延包括化學外延方法（CVD），液相外延（LPD）及分子束外延由外延方法獲得的新生長的單晶層叫外延層。若外延 層與襯底材料在結(jié)構(gòu)性質(zhì)上相似，則 稱同質(zhì)外延。若兩材料在結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上不同，則稱為異質(zhì)外延。分子束外延是在超高真空環(huán)境中，把一定比例的構(gòu)成晶體的組分和摻雜原子（分子）的氣態(tài)束流，直接噴射到溫度適應的襯底上，進行晶體外延生長的制膜方法.該方法是七十年代在真空蒸發(fā)鍍膜的基礎上發(fā)展起來的。是真空鍍膜技術的改進與提高。其特點是生長速

18、度很慢（1m/h）生長溫度較低（500600C），結(jié)構(gòu)厚度組分與摻雜分布可控制，可生長極薄的單晶薄膜層。在微波器件、光電器件、多層結(jié)構(gòu)器件、納米材料、納米電子學等領域有廣泛應用。在硅半導體器件中，用于制作雙極器件及其他有特殊要求的CMOS、DRAM器件。71MBE原理原理在超高真空條件下（10-8Pa）,將組成化合物的各種元素（如Ga、As）和摻雜劑元素分別放入不同的噴射爐內(nèi)加熱，使它們的原子（或分子）以一定的熱運動速度和比例噴射到加熱的襯底表面上，與表面進行相互作用并進行晶體薄膜的外延生長。分子束向襯底噴射，當蒸氣分子與襯底表面為幾個原子間距時，由于受到表面力場的作用而被吸附到襯底表面，并能

19、沿表面進一步遷移，然后在適當?shù)奈恢蒙厢尫懦鰸摕?，形成晶核或嫁接到晶格點上。但是也有可能因其能量大而重新返回到氣相中。因此，在一定的溫度下，吸附與解吸處于動態(tài)平衡。粘附系數(shù)：常以粘附系數(shù)來表示被化學吸附的分子數(shù)與入射到表面的分子數(shù)的比例。晶格失配：利用MBE方法在晶格常數(shù)為a的襯底A上外延極薄的一層晶格常數(shù)a2的材料B，則a2會膨脹或收縮以求得A材料的晶體常數(shù)為a1匹配。如果外延厚度超過了一定的臨界值，就會產(chǎn)生失配位錯，應力被弛豫。72 超高真空是指殘余氣體的總壓力P 1.3310-7 Pa 的真空。在這樣的真空條件下，氣體分子穿越空間的平均自由程L 可表示為 L = (1/nd2) （1.1）

20、 其中d為分子的直徑，n為真空中氣體分子的濃度，它與真空中的壓力P和溫度T的關系 n = P / KT （1.2） K為玻耳茲曼常量(K = 1.381 10-23 。即 L = 3.11 10-24 T/P （1.3） 在分子束外延設備中，參與外延生長的各個分子束是從特殊的噴射爐中產(chǎn)生的，通常，從爐口到襯底表面的距離為0.2m但殘余氣體處于高真空的壓力范圍內(nèi)時，從爐口噴出的分子、原子形成定向束，無碰撞地射向襯底表面，因此，超高真空環(huán)境是分子束外延技術的基礎條件 737475（4）CVD薄膜生長7677CVDCVD化學反應Disproportionation irreversibleAsCl3

21、(g) 3Ga(s) 3GaCl(g) 1/4 As4(g)3GaCl(g) 1/2 As4(g) 2GaAs(s) GaCl3(g)Disadvantages: multizone furnacelow gas flowlow reaction efficiency (66%)system contamination (hot wall)78CVDCVD化學反應Pyrolysis irreversibleHydride reaction, SiH4(g) Si(s) 2H2(g)Metal-organic reaction MOCVD(CH3)3Ga(g) AsH3(g) GaAs(s) 3

22、CH4(g)Advantages: low growth temperaturecold wall reactorDisadvantage: chemical purity and cost79Plasma-Enhanced CVD8081等離子體化學氣相沉積 通過射頻場,直流場或微波場使得反應氣體呈等離子體態(tài),其中的電子運動(1-20eV)導致氣體分子的電離分解,形成自由原子,分子,離子團簇,沉積在基片表面。 優(yōu)點：低溫沉積、沉積速度快、易生長亞穩(wěn)相。 應用等離子體化學氣相沉積，可以制備多種薄膜材料：金屬、介電和絕緣體，化合物半導體,非晶態(tài)和其他的合金相。82（5）反應離子刻蝕83RF-po

23、wered plasma etch systemRF-powered plasma etch system84等離子體刻蝕原理n等離子體刻蝕是采用高頻輝光放電反應，使反應氣體激活成活性粒子，如原子或游離基，這些活性粒子擴散到需刻蝕的部位，在那里與被刻蝕材料進行反應，形成揮發(fā)性生成物而被去除。它的優(yōu)勢在于快速的刻蝕速率同時可獲得良好的物理形貌 。（這是各向同性反應）n這種腐蝕方法也叫做干法腐蝕。85等離子體刻蝕反應86n首先，母體分子CF4在高能量的電子的碰撞作用下分解成多種中性基團或離子。n其次，這些活性粒子由于擴散或者在電場作用下到達SiO2表面，并在表面上發(fā)生化學反應。n生產(chǎn)過程中，CF4中摻入O2，這樣有利于提高Si和SiO2的刻蝕速率。它們的離子以及CF,CF,CF,CFCF23e487Etchants and etch prod