Ch2半导体材料性能课件.pptx

1、 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） 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 I

2、nP，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，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） 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 s

3、emiconductor properties.PropertiyGeSiGaAsGaP4H-SiC6H-SiCBandgap (eV) at 300K (RT)0.671.121.432.263.263.03Maximum operatingTemperature (K) (theory)50060015001500Breakdown electric field(106 V/cm)0.250.41.02.42.2Saturated electronDrift velocity (cm/sec)1107110711072.01072.0107Electron mobility (RT) (c

4、m2/Vs)380014008500350600600Hole mobility (RT) (cm2/Vs)18205004001004040Thermal conductivity (W/cmK)0.651.40.551.13.73.6 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 +2H2O SiO2+6HF H2SiF6+2H2O 即：即：Si+4HNO3 +6HF H2SiF6+ 4NO2 + 4H2O 4） 与

5、与Cu2+、 Cr2+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+SiH42) Si+O2=SiO23) Si+H2O=SiO2+H2 GaAs:1）GaAs = Ga+As2) 在室温下一般不与HCl、H2SO4、 HF反应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1200C10501150C10501150C600C 通常关心的化学性质通常关心的化学性

6、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、zinc-blende， or 3C-SiC （Cubic） -SiC 、W

7、urtzite，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一些物理、化学性质的各向异性 解理解理 腐蚀腐蚀 氧化氧化 生长生长 扩散扩散 表面态表面态 迁移率迁移率SiC的Si-face 和C-facex-ray 衍射激光定向

8、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-siteSiC： 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、热探针点缺陷： 线缺陷（位错）面缺陷（层错）体缺陷（原子团，旋涡等）测量：1）腐蚀坑

9、显微测量2）缀饰红外透视3）透射电子显微2.3.3.杂质杂质 O（10171018cm-3） C （10161017cm-3） Fe （1011cm-3） Au、Pt （10151016cm-3） N固溶度固溶度 替位式固溶体 间隙式固溶体 ？ 常用测量方法：常用测量方法： DLTS SIMS (Secondary Ion Mass Spectrum) NAA (Neutron Activation Analysis)Fig.2-7. Schematic drawing to show the basic principle of SIMS, which consists of 1. Prim

10、ary ion source, 2. Primary ion mass analyzer, 3. Electrostatic lens, 4. Sample, 5.Electrostatic 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熟悉名词和物理机制