半导体材料及特性

《半导体材料及特性》由会员分享，可在线阅读，更多相关《半导体材料及特性（9页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、地球的矿藏多半是化合物，所以最早得到利用的半导体材料都是化合物例如方铅矿(PbS) 很早就用于无线电检波，氧化亚铜(Cu2O)用作固体整流器，闪锌矿(ZnS)是熟知的固体发光 材料，碳化硅(SiC )的整流检波作用也较早被利用。硒(Se)是最早发现并被利用的元素半导 体，曾是固体整流器和光电池的重要材料。元素半导体锗(Ge)放大作用的发现开辟了半导 体历史新的一页，从此电子设备开始实现晶体管化。中国的半导体研究和生产是从1957年 首次制备出高纯度(99.999999%99.9999999%)的锗开始的。采用元素半导体硅(Si)以 后,不仅使晶体管的类型和品种增加、性能提高，而且迎来了大规模和

2、超大规模集成电路的 时代。以砷化镓(GaAs)为代表的IIIV族化合物的发现促进了微波器件和光电器件的迅速发 展。半导体材料可按化学组成来分，再将结构与性能比较特殊的非晶态与液态半导体单独列为一 类。按照这样分类方法可将半导体材料分为元素半导体、无机化合物半导体、有机化合物半 导体和非晶态与液态半导体。元素半导体：在元素周期表的IIIA族至族分布着11种具有半导性的元素，下表的黑框中 即这11种元素半导体，其中C表示金刚石。C、P、Se具有绝缘体与半导体两种形态;B、Si、 Ge、Te具有半导性；Sn、As、Sb具有半导体与金属两种形态。P的熔点与沸点太低，1的蒸 汽压太高、容易分解，所以它们

3、的实用价值不大。As、Sb、Sn的稳定态是金属，半导体是 不稳定的形态。B、C、Te也因制备工艺上的困难和性能方面的局限性而尚未被利用。因此 这11种元素半导体中只有Ge、Si、Se 3种元素已得到利用。Ge、Si仍是所有半导体材料 中应用最广的两种材料。无机化合物半导体：分二元系、三元系、 四元系等。二元系包括：W-W族:SiC 和Ge-Si合金都具有闪锌矿的结构。III -V族：由周期表中III族元素Al、Ga、In 和V族元素P、As、Sb组成，典型的代表 为GaAs。它们都具有闪锌矿结构,它们在 应用方面仅次于Ge、Si,有很大的发展前 途。17族：11族元素Zn、Cd、Hg和 族元素

4、S、Se、Te形成的化合物，是一 些重要的光电材料。ZnS、CdTe、HgTe具 有闪锌矿结构。IW族：1族元素C u、Ag、Au和 W族元素Cl、Br、I形成的 化合物，其中CuBr、CuI具有闪锌矿结构。 V-W族：V族元素As、Sb、Bi和“族-Eml-lrb半导体材料xrr-lj-|Mr I*e 元素S、Se、Te形成的化合物具有席叨的形式，如Bi Te、Bi Se、Bi S、As Te等是重23232 323要的温差电材料。第四周期中的B族和过渡族元素Cu、Zn、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、C o、Ni的氧化物，为主要的热敏电阻材料。某些稀土族元素Sc、Y、Sm、Eu、Yb、T

5、m与V 族元素N、As或“族元素S、Se、Te形成的化合物。除这些二元系化合物外还有它们与元素 或它们之间的固溶体半导体，例如 Si-AlP、Ge-GaAs、InAs-InSb、AlSb-GaSb、InAs-InP、 GaAs-GaP等。研究这些固溶体可以在改善单一材料的某些性能或开辟新的应用范围方面起 很大作用。三元系包括：屮严瓒族:这是由一个II族和一个W族原子去替代IIIV族中 两个III族原子所构成的。例如ZnSiP、ZnGeP、ZnGeAs、CdGeAs、CdSnSe等。吐出1工f族：2 2 2 2 2这是由一个I族和一个III族原子去替代II-W族中两个II族原子所构成的，如CuG

6、aSe2、AgI nTe?、AgTlTe?、CuInSe?、CuAlS?等。 禺史圖V族原子去替代人B *2族中两个III族原子所组成,如Cu AsSe、Ag AsTe、Cu SbS、Ag SbSe等。此外，还34343434有它的结构基本为闪锌矿的四元系（例如Cu FeSnS ）和更复杂的无机化合物。有机化合物24半导体：已知的有机半导体有几十种，熟知的有萘、蒽、聚丙烯腈、酞菁和一些芳香族化合 物等，它们作为半导体尚未得到应用。非晶态与液态半导体：这类半导体与晶态半导体的 最大区别是不具有严格周期性排列的晶体结构。半导体材料-宽带隙半导体材料氮化镓、碳化硅和氧化锌等都是宽带隙半 导体材料，因

7、为它的禁带宽度都在3个电 子伏以上，在室温下不可能将价带电子激 发到导带。器件的工作温度可以很高，比 如说碳化硅可以工作到600摄氏度；金刚 石如果做成半导体，温度可以更高，器件 可用在石油钻探头上收集相关需要的信 息。它们还在航空、航天等恶劣环境中有 重要应用。广播电台、电视台，唯一的大 功率发射管还是电子管，没有被半导体器 件代替。这种电子管的寿命只有两三千小 时，体积大，且非常耗电；如果用碳化硅的高功率发射器件，体积至少可以减少几十到上百 倍，寿命也会大大增加，所以高温宽带隙半导体材料是非常重要的新型半导体材料。现在的问题是这种材料非常难生长，硅上长硅，砷化镓上长GaAs，它可以长得很好

8、。但是这种 材料大多都没有块体材料，只得用其它材料做衬底去长。比如说氮化镓在蓝宝石衬底上生长， 蓝宝石跟氮化镓的热膨胀系数和晶格常数相差很大，长出来的外延层的缺陷很多，这是最大 的问题和难关。另外这种材料的加工、刻蚀也都比较困难。目前科学家正在着手解决这个问 题。如果这个问题一旦解决，就可以提供一个非常广阔的发现新材料的空间。半导体材料-低维半导体材料半导体材料实际上这里说的低维半导体材料就是纳 米材料，之所以不愿意使用这个词，主要 是不想与现在热炒的所谓的纳米衬衣、纳 米啤酒瓶、纳米洗衣机等混为一谈！从本 质上看，发展纳米科学技术的重要目的之 一，就是人们能在原子、分子或者纳米的 尺度水平上

9、来控制和制造功能强大、性能 优越的纳米电子、光电子器件和电路，纳 米生物传感器件等，以造福人类。可以预 料，纳米科学技术的发展和应用不仅将彻底改变人们的生产和生活方式，也必将改变社会政 治格局和战争的对抗形式。这也是为什么人们对发展纳米半导体技术非常重视的原因。电 子在块体材料里，在三个维度的方向上都可以自由运动。但当材料的特征尺寸在一个维度上 比电子的平均自由程相比更小的时候，电子在这个方向上的运动会受到限制，电子的能量不 再是连续的，而是量子化的，我们称这种材料为超晶格、量子阱材料。量子线材料就是电子 只能沿着量子线方向自由运动，另外两个方向上受到限制；量子点材料是指在材料三个维度 上的尺

10、寸都要比电子的平均自由程小，电子在三个方向上都不能自由运动，能量在三个方向 上都是量子化的。由于上述的原因，电子的态密度函数也发生了变化，块体材料是抛物线, 电子在这上面可以自由运动；如果是量子点材料，它的态密度函数就像是单个的分子、原子 那样，完全是孤立的函数分布，基于这个特点，可制造功能强大的量子器件。大规模集成电 路的存储器是靠大量电子的充放电实现的。大量电子的流动需要消耗很多能量导致芯片发 热，从而限制了集成度，如果采用单个电子或几个电子做成的存储器，不但集成度可以提高， 而且功耗问题也可以解决。目前的激光器效率不高，因为激光器的波长随着温度变化，一般 来说随着温度增高波长要红移，所以

11、现在光纤通信用的激光器都要控制温度。如果能用量子 点激光器代替现有的量子阱激光器，这些问题就可迎刃而解了。基于GaAs和InP基的超晶 格、量子阱材料已经发展得很成熟，广泛地应用于光通信、移动通讯、微波通讯的领域。量 子级联激光器是一个单极器件，是近十多年才发展起来的一种新型中、远红外光源，在自由空间通信、红外对抗和遥控化学传感等方面有着重要应用前景。它对MBE制备工艺要求很高， 整个器件结构几百到上千层，每层的厚度都要控制在零点几个纳米的精度，中国在此领域做 出了国际先进水平的成果；又如多有源区带间量子隧穿输运和光耦合量子阱激光器，它具有 量子效率高、功率大和光束质量好的特点，中国已有很好的

12、研究基础；在量子点（线）材料 和量子点激光器等研究方面也取得了令国际同行瞩目的成绩。半导体材料-特性参数半导体材料虽然种类繁多但有一些固有 的特性，称为半导体材料的特性参数。这 些特性参数不仅能反映半导体材料与其 他非半导体材料之间的差别，而且更重要 的是能反映各种半导体材料之间甚至同 一种材料在不同情况下特性上的量的差 别。常用的半导体材料的特性参数有：禁 带宽度、电阻率、载流子迁移率（载流子 即半导体中参加导电的电子和空穴）、非平衡载流子寿命、位错密度。禁带宽度由LED灯泡半导体的电子态、原子组态决定，反映组成这种材料的原子中价电子从束缚状态激发到自由状态所需的能量。电阻率、载流子迁移率

13、反映材料的导电能力。非平衡载流子寿命反映半导体材料在外界作用（如光或电场）下内部 的载流子由非平衡状态向平衡状态过渡的弛豫特性。位错是晶体中最常见的一类晶体缺陷。 位错密度可以用来衡量半导体单晶材料晶格完整性的程度。当然，对于非晶态半导体是没有 这一反映晶格完整性的特性参数的。半导体材料-特性要求LED灯泡半导体材料的特性参数对于材料应用甚为重要。因为不同的特性决定不同的用途。晶体管对材料特性的要求：根据晶体管的工作原理，要求材料有较大的非平衡载流子寿命 和载流子迁移率。用载流子迁移率大的材料制成的晶体管可以工作于更高的频率（有较好的 频率响应）。晶体缺陷会影响晶体管的特性甚至使其失效。晶体管

14、的工作温度高温限决定于 禁带宽度的大小。禁带宽度越大，晶体管正常工作的高温限也越高。光电器件对材料特性的要求：利用半导体的光电导（光照后增加的电导）性能的辐射探测器 所适用的辐射频率范围与材料的禁带宽度有关。材料的非平衡载流子寿命越大，则探测器的 灵敏度越高，而从光作用于探测器到产生响应所需的时间（即探测器的弛豫时间）也越长。因 此，高的灵敏度和短的弛豫时间二者难于兼顾。对于太阳电池来说，为了得到高的转换效率， 要求材料有大的非平衡载流子寿命和适中的禁带宽度（禁带宽度于1.1至1.6电子伏之间最 合适）。晶体缺陷会使半导体发光二极管、半导体激光二极管的发光效率大为降低。温差电器件对材料特性的要

15、求：为提高温差电器件的转换效率首先要使器件两端的温差大。 当低温处的温度（一般为环境温度）固定时，温差决定于高温处的温度，即温差电器件的工 作温度。为了适应足够高的工作温度就要求材料的禁带宽度不能太小，其次材料要有大的温 差电动势率、小的电阻率和小的热导率。半导体材料-材料工艺硅半导体材料特性参数的大小与存在于材 料中的杂质原子和晶体缺陷有很大关系。例如电阻率因杂质原子的类型和数量的 不同而可能作大范围的变化，而载流子迁 移率和非平衡载流子寿命一般随杂质原 子和晶体缺陷的增加而减小。另一方面， 半导体材料的各种半导体性质又离不开 各种杂质原子的作用。而对于晶体缺陷， 除了在一般情况下要尽可能减

16、少和消除 外，有的情况下也希望控制在一定的水 平，甚至当已经存在缺陷时可以经过适当 的处理而加以利用。为了要达到对半导体材料的杂质原子和晶体缺陷这种既要限制又要利用 的目的，需要发展一套制备合乎要求的半导体材料的方法，即所谓半导体材料工艺。这些工 艺大致可概括为提纯、单晶制备和杂质与缺陷控制。半导体材料的提纯“主要是除去材料中的杂质。提纯方法可分化学法和物理法。化学提纯是 把材料制成某种中间化合物以便系统地除去某些杂质，最后再把材料（元素）从某种容易分 解的化合物中分离出来。物理提纯常用的是区域熔炼技术，即将半导体材料铸成锭条，从锭 条的一端开始形成一定长度的熔化区域。利用杂质在凝固过程中的分

17、凝现象，当此熔区从一 端至另一端重复移动多次后，杂质富集于锭条的两端。去掉两端的材料，剩下的即为具有较 高纯度的材料（见区熔法晶体生长）。此外还有真空蒸发、真空蒸馏等物理方法。锗、硅是 能够得到的纯度最高的半导体材料，其主要杂质原子所占比例可以小于百亿分之一。半导体材料的单晶制备:为了消除多晶材料中各小晶体之间的晶粒间界对半导体材料特性参 量的巨大影响，半导体器件的基体材料一般采用单晶体。单晶制备一般可分大体积单晶（即 体单晶）制备和薄膜单晶的制备。体单晶的产量高，利用率高，比较经济。但很多的器件结 构要求厚度为微米量级的薄层单晶。由于制备薄层单晶所需的温度较低，往往可以得到质量 较好的单晶。

18、具体的制备方法有：从熔体中拉制单晶：用与熔体相同材料的小单晶体作为 籽晶，当籽晶与熔体接触并向上提拉时，熔体依靠表面张力也被拉出液面，同时结晶出与籽 晶具有相同晶体取向的单晶体。区域熔炼法制备单晶:用一籽晶与半导体锭条在头部熔接， 随着熔区的移动则结晶部分即成单晶。从溶液中再结晶。从汽相中生长单晶。前两种方 法用来生长体单晶，用提拉法已经能制备直径为200毫米,长度为12米的锗、硅单晶体。 后两种方法主要用来生长薄层单晶。这种薄层单晶的生长一般称外延生长，薄层材料就生长 在另一单晶材料上。这另一单晶材料称为衬底，一方面作为薄层材料的附着体，另一方面即 为单晶生长所需的籽晶。衬底与外延层可以是同

19、一种材料（同质外延），也可以是不同材料（异 质外延）。采用从溶液中再结晶原理的外延生长方法称液相外延；采用从汽相中生长单晶原理的称汽相外延。液相外延就是将所需的外延层材料（作为溶质，例如GaAs）,溶于某一溶 剂（例如液态镓）成饱和溶液，然后将衬底浸入此溶液，逐渐降低其温度，溶质从过饱和溶 液中不断析出，在衬底表面结晶出单晶薄层。汽相外延生长可以用包含所需材料为组分的某 些化合物气体或蒸汽通过分解或还原等化学反应淀积于衬底上，也可以用所需材料为源材 料，然后通过真空蒸发、溅射等物理过程使源材料变为气态，再在衬底上凝聚。分子束外延 是一种经过改进的真空蒸发工艺。利用这种方法可以精确控制射向衬底的

20、蒸气速率，能获得 厚度只有几个原子厚的超薄单晶，并可得到不同材料不同厚度的互相交叠的多层外延材料。 非晶态半导体虽然没有单晶制备的问题，但制备工艺与上述方法相似，一般常用的方法是从 汽相中生长薄膜非晶材料。硅半导体材料中杂质和缺陷的控制：杂质控 制的方法大多数是在晶体生长过程中同 时掺入一定类型一定数量的杂质原子。这 些杂质原子最终在晶体中的分布，除了决 定于生长方法本身以外，还决定于生长条 件的选择。例如用提拉法生长时杂质分布 除了受杂质分凝规律的影响外，还受到熔 体中不规则对流的影响而产生杂质分布 的起伏。此外，无论采用哪种晶体生长方 法，生长过程中容器、加热器、环境气氛 甚至衬底等都会引

21、入杂质，这种情况称自 掺杂。晶体缺陷控制也是通过控制晶体生长条件（例如晶体周围热场对称性、温度起伏、环 境压力、生长速率等）来实现的。随着器件尺寸的日益缩小，对晶体中杂质分布的微区不均 匀和尺寸为原子数量级的微小缺陷也要有所限制。因此如何精心设计，严格控制生长条件以 满足对半导体材料中杂质、缺陷的各种要求是半导体材料工艺中的一个中心问题。半导体材料-早期应用半导体的第一个应用就是利用它的整流 效应作为检波器，就是点接触二极管（也 俗称猫胡子检波器，即将一个金属探针接 触在一块半导体上以检测电磁波）。除了 检波器之外，在早期，半导体还用来做整 流器、光伏电池、红外探测器等，半导体 的四个效应都用到了。半导体材料从1907年到1927年，美国的物理学家研制成功晶体整流器、硒整流器和氧化亚铜整流器。1931年，兰治和伯格曼研制成功硒光伏 电池。1932年，德国先后研制成功硫化铅、硒化铅和碲化铅等半导体红外探测器，在二战 中用于侦探飞机和船舰。二战时盟军在半导体方面的研究也取得了很大成效，英国就利用红 外探测器多次侦探到了德国的飞机