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1、Chapter 2：Properties of Semiconductor Materials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）第1页/共69页2.1 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体器件，（IC，分离器件，敏感器件，MEMS）a-Si（amorphous），太阳能电池，应用薄膜Porous Si，发光第2页/共69页C（金刚石）,潜在的高温
2、、高频、高压、大功率器件材料 C60纳米碳管第3页/共69页GaAs，高频、微波器件、发光InP,高频、微波器件、发光GaP，发光Ge1-xSix，高频异质结材料 SiC，高温、高频、高压、大功率器件材料 第4页/共69页GaN，ZnO,蓝光材料和深紫外探测AlxGa1-xAs，发光HgCdTe、PbSnTe，长波红外探测各种超晶格材料，（能带工程）磁性、超导、有机半导体和生物半导体自旋半导体第5页/共69页第6页/共69页2.1.2 Physical Properties Related to the Devices第7页/共69页如何选择材料？-1 1（双极器件）频率!电压!因而有 频率电
3、流!频率功率!第8页/共69页如何选择材料？-2-2（材料品质因子）Johnson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Keyes因子 为热导率；低频单极器件的Baliga因子高频单极器件的Baliga因子R.W.Keyes,Proc.IEEE,60(2),1972,225;B.J.Baliga,IEEE Electron Device Lett.,EDL-2,1981,162-164第9页/共69页如何选择材料？-3(-3(热品质因子）工作温度！可氧化性！可掺杂性！材料生长的缺陷可控性！第10页/共69页2
4、.1.3.与器件工艺有关的化学特性Si:常温下：1)一般不溶于各种酸2)Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+H2 3)Si+4HNO3 SIO2+4NO2 +2H2OSiO2+6HF H2SiF6+2H2O即：Si+4HNO3+6HF H2SiF6+4NO2 +4H2O3）与Cu+2,Cr+2等金属离子发生置换反应（抛光工艺）第11页/共69页高温下：1）Si+2Cl2=SiCl4 Si+HCl4 SiCl4+SiHCl3+SiH2Cl2+SiH42)Si+O2=SiO23)Si+H2O=SiO2+H2GaAs:1）GaAs=Ga+As2)在室温下一般不与HCl、H2SO4、HF3）与热
5、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1200C10501150C10501150C600C第12页/共69页通常关心的化学性质:1）热稳定性（thermal stability)2)腐蚀液?（无机、有机）For cleaning and etching!（腐蚀和抗腐蚀工艺中浓度 和缓冲剂的重要性）（腐蚀过程中对晶向和缺陷的选择性）第13页/共69页2.2半导体材料的晶体结构2.2.1.Si,GaAs,SiC 的晶体结构Si金刚石结构第14页/共69页第15页/共69页第16页/共69页第17
6、页/共69页GaAs闪锌矿zinc-blende，立方硫化锌第18页/共69页SiC200余种同质多构体-SiC、zinc-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第19页/共69页复式格子密堆积（双层密排）（page10）AB？Side ViewTop Viewk-bilayerh-bilayer第20页/共69页不同的堆积第21页/共69页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
7、.晶面、晶向及测定第22页/共69页一些物理、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第23页/共69页Page28SiC的Si-face 和C-face第24页/共69页x-ray 衍射第25页/共69页激光定向第26页/共69页第27页/共69页第28页/共69页最佳解理面111最佳划片方向110第29页/共69页2.3 半导体中的缺陷和杂质施、受主杂质Si：O、C杂质GaAs：施主S、Te等（As-site）受主Zn等（Ga-site）Si As-site和Ga-siteSiC：施主N（C-site）、P（Si-site）受主B、Al等（Si-site）杂质浓度和电阻率测量：H
8、all-effect、四探针法、单探针（扩展电阻）法IR、热探针第30页/共69页第31页/共69页第32页/共69页4.热探针PNNPHotCool第33页/共69页点缺陷：反位缺陷第34页/共69页线缺陷（位错）page 12第35页/共69页面缺陷（层错）第36页/共69页第37页/共69页体缺陷（原子团，旋涡等）测量：1）腐蚀坑显微测量2）缀饰红外透视3）透射电子显微第38页/共69页第39页/共69页第40页/共69页第41页/共69页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 page2426C（10161017cm-3）减小机械强度
9、Fe（1011cm-3）少子寿命、吸附 体缺陷Au、Pt（10151016cm-3）控制少子寿命N第42页/共69页固溶度：P.12替位式固溶体间隙式固溶体？第43页/共69页常用测量方法：Photo Spectrum光源光源探探测测器器Wavelength adjustablesample?第44页/共69页半导体材料对光的吸收机理？原子吸收能带吸收XPSPhoto Absorption SpectrumIR（Infrared）:(FTIR)晶格吸收第45页/共69页IR（Infrared）：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（IR）的频率与声子同则产生吸收(共振吸收
10、）。红外吸收强度正比于电偶极矩跃迁矩阵元的平方，这一矩阵元不为0，方有红外活性。第46页/共69页Cz-Si中的O、C含量MCz-Si用途(红外透明）第47页/共69页IR(FTIR)光源光源 探测器探测器Wavelength adjustablesample探测器探测器computerreference第48页/共69页SiO2薄膜Annealing property第49页/共69页吸收带边吸收带边第50页/共69页红外成象器(Pt-Si Schottky 势垒中红外CCD成象单元)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；而Si是红外透明
11、的。PtSiPt2Si红外红外耗尽区特点：光生载流子刚好能越过势垒第51页/共69页常用测量方法：DLTS（Deep Level Transient Spectroscopy）第52页/共69页Fig.2-1.Majority carrier(electron in the P+N junction)and 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
12、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 occur only when a positive bias is applied to fill the minority carrier during the capture time.CarrierEmissionJunctionP+N-WCarrierCaptureXiXfEmission time t
13、Capture Time tpBias voltage-(VR-Vp)Time(t)0VpVR(a)(c)(b)XfXiWNP+第53页/共69页Fig.2-2.Typical time dependences involved in pulsed bias capacitance transients due to the carrier emissions from majority and minority carrier traps.MajorityCarrierTrapDiodeBiasDiodeBiasDiodeCapacitanceTransientDiodeCapacitanc
14、eTransientMinorityCarrierTrap0-VR0-VRttInjection pulsett,第54页/共69页,(in emission process),(in capture process),If,第55页/共69页By denoting and,the final expression of the emission capacitance transient can be written asProf Chih-Tang Sah;One of the persons with William Shockley founded the Fairchild Semi
15、conductor Corporation thermally stimulated capacitance(TSCAP)Arrhenius Plot!第56页/共69页 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 How we can do?第57页/共69页D.V.Lang,1972;Journal of
16、Applied PhysicsRate-Windows!1)boxcar averager here and and here 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 determined by 第5
17、8页/共69页1)Lock-in Amplifier here and and here 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 determined by 第59页/共69页第60页/共69页第61
18、页/共69页 holecaptureDeep-levelEfnEfpx=0mvwvm0w0EVECEv holeemissionP+NECEfDeep-levelFig.2-6.Band diagram showing hole emission and capture region on the n-side half of p+n diode under zero and reverse bias condition.第62页/共69页Fig.2-5.Block Diagram of the DLTS apparatus.Sample HolderLab MadeDecade Capaci
19、torBoonton 76-3ACapacitance MeterBoonton 72BPulse GeneratorHP 8112ACapacitance Transient Signal ProcessorHome-made Boxcar AveragerOscilloscopeHC 5502System DMMKeithley 199ComputerThermal CoupleThermal MeterOxford ITC4Input OutputInput OutputOutputExt InputClock DisablePG TriggerOutput InputHiDiff Te
20、stLo OutputTS移相器！灵敏度1011cm-3!第63页/共69页常用测量方法：SIMS(Secondary Ion Mass Spectrum)NAA(Neutron Activation Analysis)第64页/共69页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 lens an
21、d 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!第65页/共69页放射性同位素放射性同位素热中子？热中子？第66页/共69页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的结构，晶向与器件的关系施、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 与器件的关系第67页/共69页第68页/共69页感谢您的观看！第69页/共69页