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1、Chapter 2：Properties of Semiconductor Materials 内容内容 多种常见半导体材料的基本特性和用途 常见材料的基本物理和化学性质 器件对材料的要求（主要材料参数及测量） 2.1 常见的半导体材料及其物理和化学性质常见的半导体材料及其物理和化学性质 2.1.1 常见的半导体材料 Se， 最早期的半导体之一，硒整流器，硒光电池、光敏硒鼓; (已经很少用） Ge, 早期的半导体，射线探测器； （昂贵） Si, 最重要的半导体，除发光以外的所有半导最重要的半导体，除发光以外的所有半导体器件，（体器件，（IC，分离器件，敏感器件，分离器件，敏感器件，MEMS）
2、a-Si（amorphous），太阳能电池，应用薄膜 Porous Si，发光 C（金刚石）, 潜在的高温、高频、高压、大功率器件材料 C60 纳米碳管 GaAs，高频、微波器件、发光，高频、微波器件、发光 InP, 高频、微波器件、发光高频、微波器件、发光 GaP，发光，发光 Ge1-xSix，高频异质结材料，高频异质结材料 SiC，高温、高频、高压、大功率器件材料，高温、高频、高压、大功率器件材料 GaN，ZnO, 蓝光材料和深紫外探测蓝光材料和深紫外探测 AlxGa1-xAs， 发光发光 HgCdTe、PbSnTe，长波红外探测，长波红外探测 各种超晶格材料，各种超晶格材料，（能带工程）
3、 磁性、超导、有机半导体和生物半导体 自旋半导体 2.1.2 Physical Properties Related to the DevicesTable 1-1. Comparison of important semiconductor properties.PropertiyGeSiGaAsGaP4H-SiC6H-SiCBandgap (eV) at 300K (RT)0.671.121.432.263.263.03Maximum operatingTemperature (K) (theory)50060015001500Breakdown electric field(106 V/
4、cm)0.250.41.02.42.2Saturated electronDrift velocity (cm/sec)1107110711072.01072.0107Electron mobility (RT) (cm2/Vs)380014008500350600600Hole mobility (RT) (cm2/Vs)18205004001004040Thermal conductivity (W/cmK)0.651.40.551.13.73.6如何选择材料？如何选择材料？-1 1（双极器件）（双极器件）频率频率!电压电压!因而有因而有频率频率电流电流!频率频率功率功率!LVfST221
5、CmELU2SCTmVEfUSCcmcmVECI222SCcmTmcmVECfUI如何选择材料？如何选择材料？-2-2（材料品质因子）材料品质因子）Johnson因子因子F1=ECVSE.O.Johnson, RCA Review, 26(6), 1965, 163-177此外还有对双极开关器件的此外还有对双极开关器件的Keyes因子因子 为热导率；为热导率；低频单极器件的低频单极器件的Baliga因子因子高频单极器件的高频单极器件的Baliga因子因子R.W.Keyes,Proc.IEEE,60(2),1972,225; B.J.Baliga,IEEE Electron Device Let
6、t., EDL-2,1981, 162-164rSVF/233CrEF24CEF如何选择材料？如何选择材料？-3(-3(热品质因子）热品质因子）工作温度！工作温度！可氧化性！可氧化性！可掺杂性！可掺杂性！材料生长的缺陷可控性！材料生长的缺陷可控性！42CrEQ33CrEQ31CrEQ 2.1.3.与器件工艺有关的化学特性与器件工艺有关的化学特性 Si: 常温下常温下： 1)一般不溶于各种酸一般不溶于各种酸 2)Si+2NaOH+H2O = Na2SiO3+H2 3)Si+4HNO3 SIO2+4NO2 +2H2OSiO2+6HF H2SiF6+2H2O 即：即：Si+4HNO3 +6HF H2
7、SiF6+ 4NO2 + 4H2O 3） 与与Cu+2, Cr+2等金属离子发生置换反应等金属离子发生置换反应（抛光工艺）（抛光工艺） 高温下高温下： 1） Si+2Cl2=SiCl4 Si+HCl4 SiCl4+SiHCl3+SiH2Cl2+SiH4 2) Si+O2=SiO2 3) Si+H2O=SiO2+H2 GaAs: 1）GaAs = Ga+As 2) 在室温下一般不与HCl、H2SO4、 HF 3）与热HCl、H2SO4反应 与浓HNO3反应 H2SO4+H2O2是常用的GaAs腐蚀液 4) 与卤素Cl2、Br2或I2（在甲醇等有机溶剂中） 反应1200C10501150C1050
8、1150C600C 通常关心的化学性质通常关心的化学性质: 1）热稳定性（）热稳定性（thermal stability) 2) 腐蚀液腐蚀液? （无机、有机）（无机、有机）For cleaning and etching!（腐蚀和抗腐蚀工艺中腐蚀和抗腐蚀工艺中浓度浓度 和和缓冲剂缓冲剂的重要性的重要性）（腐蚀过程中对（腐蚀过程中对晶向晶向和和缺陷缺陷的的选择性选择性） 2.2半导体材料的晶体结构半导体材料的晶体结构 2.2.1.Si, GaAs, SiC 的晶体结构 Si 金刚石结构金刚石结构 GaAs 闪锌矿zinc-blende，立方硫化锌 SiC 200余种同质多构体 -SiC、zin
9、c-blende， or 3C-SiC （Cubic） -SiC 、Wurtzite，纤锌矿（六角硫化锌） 密堆积的不同方式（简单面心） A AB ABA ABC 复式格子密堆积（双层密排）（page10） AB？Side ViewTop Viewk-bilayerh-bilayer 不同的堆积 3C、（2H）、4H、6H、15R、27R 由k-bilayer 和h-bilayer构成的“超晶格” k-位和h-位使晶体中的缺陷结构复杂化 2.2.2.晶面、晶向及测定 一些物理、化学性质的各向异性 解理 腐蚀 氧化 生长 扩散 表面态 迁移率Page28SiC的Si-face 和C-face x
10、-ray 衍射 激光定向 最佳解理面111 最佳划片方向110 2.3 半导体中的缺陷和杂质半导体中的缺陷和杂质 施、受主杂质施、受主杂质 Si： O、C杂质杂质 GaAs：施主：施主S 、Te等（等（As-site） 受主受主Zn等（等（Ga-site） Si As-site和和Ga-site SiC： 施主施主N（C-site）、）、P （Si-site） 受主受主B、Al等（等（Si-site） 杂质浓度和电阻率杂质浓度和电阻率 测量：测量：Hall-effect、四探针法、单探针（扩展电阻）法、四探针法、单探针（扩展电阻）法 IR、热探针、热探针 4.热探针热探针PNNPHotCool
11、 点缺陷： 反位缺陷 线缺陷（位错） page 12 面缺陷（层错） 体缺陷（原子团，旋涡等） 测量：1）腐蚀坑显微测量2）缀饰红外透视3）透射电子显微 2.3.3.杂质： O（10171018cm-3） 总量控制增加机械强度、杂质吸除效应、氧施主 page2426 C （10161017cm-3）减小机械强度 Fe （1011cm-3）少子寿命、吸附 体缺陷 Au、Pt （10151016cm-3）控制少子寿命 N 固溶度： P.12 替位式固溶体 间隙式固溶体 ？ 常用测量方法：常用测量方法： Photo Spectrum光源光源探探测测器器Wavelength adjustablesam
12、ple? 半导体材料对光的吸收半导体材料对光的吸收机理机理？ 原子吸收原子吸收 能带吸收能带吸收 XPS Photo Absorption Spectrum IR（Infrared）: ( FTIR) 晶格吸收晶格吸收 IR（Infrared）： 杂质使晶格振动的正则模式产生变化，而杂质使晶格振动的正则模式产生变化，而出现局域摸声子；若光子（出现局域摸声子；若光子（IR）的频率与声）的频率与声子同则产生吸收子同则产生吸收(共振吸收）。红外吸收强度共振吸收）。红外吸收强度正比于电偶极矩跃迁矩阵元的平方，这一矩阵正比于电偶极矩跃迁矩阵元的平方，这一矩阵元不为元不为0，方有红外活性。，方有红外活性。
13、 Cz-Si中的O、C含量 MCz-Si 用途 (红外透明）红外透明）IR (FTIR)光源光源 探测器探测器Wavelength adjustablesample探测器探测器computerreference1400120010008006004002025303540反 射 百分比 %R波 数（ cm-1）-20002004006008001000120014001082.01082.51083.01083.51084.01084.51085.0反 射 峰 位 （ cm-1）退 火 温 度 （ 0C）SiO2薄膜aqm21sin422Annealing property吸收带边吸收带边 红
14、外成象器红外成象器(Pt-Si Schottky 势垒中红外势垒中红外CCD成成象单元象单元) 问题：窄禁带半导体材料有很好的红外光电性质问题：窄禁带半导体材料有很好的红外光电性质 但是，高质量材料制备难，或只能制作二极管探测单元；但是，高质量材料制备难，或只能制作二极管探测单元；而而Si是红外透明的。是红外透明的。PtSiPt2Si红外红外耗尽区特点：光生载流子刚好能越过势垒 常用测量方法： DLTS（Deep Level Transient Spectroscopy）Fig. 2-1. Majority carrier (electron in the P+N junction) and
15、minority carrier (hole) captures (a) and emissions processes (b) in the n-side depletion layer W during the change process of the depletion region due to the pulsed bias (c), here Xi and Xf are the initial and final edge positions of the depletion layer. The minority carrier emission and capture occ
16、ur only when a positive bias is applied to fill the minority carrier during the capture time.C a r r i e rEmissionJunctionP+N- WCarrierCaptureXiXfEmission time tCapture Time tpBias voltage -(VR-Vp)Time (t)0VpVR(a)(c)(b)XfXiWNP+IRbisqNqkTVVW2Fig. 2-2. Typical time dependences involved in pulsed bias
17、capacitance transients due to the carrier emissions from majority and minority carrier traps.MajorityCarrierTrapDiodeBiasDiodeBiasDiodeCapacitanceTransientDiodeCapacitanceTransientMinorityCarrierTrap0-VR0-VRttInjection pulsetteV N enn nCEkTTcV nnn n, qkTVVNqAWACRbiIss220 teTDIneNNtN1, (in emission p
18、rocess) tcTDIneNNtN, (in capture process), 21221RbiteTDsVVeNNqAtCnIf DTNN , C tCCCee tn 0By denoting )0()0()(CCC and )()()(tCtCC, the final expression of the emission capacitance transient can be written as teneCtC0Prof Chih-Tang Sah;One of the persons with William Shockley founded the Fairchild Sem
19、iconductor Corporation thermally stimulated capacitance (TSCAP)Arrhenius Plot ! However, it is difficult to obtain reliable data in experimental work when more than one deep level is involved. In this case, the above equation should be rewritten as iTiiteTiNeNCtCni0How we can do?D. V. Lang, 1972; Jo
20、urnal of Applied PhysicsRate-Windows !1) boxcar averager 12tCtCTShere S（T） is the output of DLTS, and the adjustable time parameters t1 and t2, are fixed by the rate window system. The emission rate corresponding to the maximum of a deep level peak observed in a DLTS thermal scan is precisely determ
21、ined by 121121lnttttewn1) Lock-in Amplifier mmmtttmtCtCtTS2/2/02here S（T） is the output of DLTS, and the adjustable time parameters t1 and t2, are fixed by the rate window system. The emission rate corresponding to the maximum of a deep level peak observed in a DLTS thermal scan is precisely determi
22、ned by ?ne holecaptureDeep-levelEfnEfpx=0vwv0w0EVECEv holeemissionP+NECEfDeep-levelF i g . 2 - 6 . B a n d diagram showing hole emission and capture region on the n-side half of p+n diode under zero and reverse bias condition.Fig. 2-5. Block Diagram of the DLTS apparatus.Sample HolderLab MadeDecade
23、CapacitorBoonton 76-3ACapacitance MeterBoonton 72BPulse GeneratorHP 8112ACapacitance Transient Signal ProcessorHome-made Boxcar AveragerOscilloscopeHC 5502System DMMKeithley 199ComputerThermal CoupleThermal MeterOxford ITC4Input OutputInput OutputOutputExt InputClock DisablePG TriggerOutput InputHiD
24、iff TestLo OutputTS移相器！灵敏度1011cm -3 ! 常用测量方法： SIMS (Secondary Ion Mass Spectrum) NAA (Neutron Activation Analysis)Fig. 2-7. Schematic drawing to show the basic principle of SIMS, which consist of 1. Primary ion source, 2. Primary ion mass analyzer, 3. Electrostatic lens, 4. Sample, 5. Electrostatic
25、lens and analyzer, 6. Secondary ion mass analyzer, 7. Ion detector. Depth (z)Concentration of Mass MMass (M)IS (Second Ion Current)1234567Primary IonsSecondary IonsComputer灵敏度1016cm -3 !XnXNTN1放射性同位素放射性同位素热中子？热中子？ 2.12.3小结 常见半导体材料及参数与器件的关系常见半导体材料及参数与器件的关系 常见半导体材料的结构，晶向与器件的关系常见半导体材料的结构，晶向与器件的关系 施、受主，缺陷，杂质及测量施、受主，缺陷，杂质及测量 熟悉名词和物理机制 测量 材料参数或性质材料参数或性质 与器件的关系