材斜科学与技术 厘未克秒电磁副 拜温度 本征载流子浓度 电子迁移率 cm2/(,3) 空穴正移率 电子有效质量 鸭=43 (1.k) 电了扩教系数 空穴扩教系数 紫带宽度(25L 价带有态密度 0X10 器件最高工作温度 陷息了向有效质景(平行下发球爷到长老方阿 e息模向有效质章(直F要特椭详等长方向》 n空穴有兼质 轻交穴有效圈量 真空中自主子的惘性质51X1 L1硅的基本物理和化学性质 1.1.1硅的电学性质 半导体材料的电学性质有两个十分突出的特点,一是导电性介于导体和绝体之间其电阻率 约在10-~1°·cm范围内是电导率粉导电号对杂质和外界因素(光热避等)高度敏感。 无缺陷半导体的导电性很差称为本半导体,当接人板强量的电活性余质其电导率将会显著增 加,例如向硅中掺人亿分之的其电里率就降为原来的千分之·当硅中杂以蕴寸杂质( 族元素:磷弹,镑等)为主时以电子导电为主成为N型硅;当硅中杂以登主杂质(族兀素 硬铝嫁等)为主时,以空穴导电为主成为P型硅,硅中P型和N型之间的界面形成N结,它是 华导体器件的基本结构和工怍基础 硅和猪作为元票华导体没有化合物半导体那样的化学计量比问题和多组元提纯的复杂性因 此在工艺上比较容易获得高度和高完整性的Si,Ge单屈。∈約禁带宽度比塘大,所以相对下器 件而言硅器件的结漏电院比较小,工作温度比较离(250(《佬器件只能在15下工作),此外 炮球上硅的存燈十分事富,比储的丰度(X10-%)多得多所以,材料的原耕供给可以说是取之
一重哇的甚本性腐 不尽的,年代开始人们对作了大葉的研究开发在电了工业中硅逐渐取代了储,占据了主要 的地位,自1辆8年发明半导体樂成电跡以米,硅的需求嫌年堵大,质鬟怎相高。现在,华导 体已成为生产厦模最大单鼎直恰酸大、生产丁艺最完善的辛导体材料,它是固态电学反相关 的伯息技术的重要基 但砝也存在不足之处e的电子迁移丰比请小其比GaAs小,新以,简单的硅器件在高下 工作时其性能不如猪或GaAs高频器作,此外,As等化台物半导体是育接禁攀材料,光发射效率 高是光电子器件的重要材料,间砝是间接禁带材料,由于光发射效率很低,硅不能作为可见光件 材料如吴现在正在进行的量子应和行基复合材料等轮带工程研究成功上已经十分成熟的 硅集成技水和低浪价格的优势,那么硅将或为重要的光电子材料并实现光电影什的集成化 硅在自然界以化为主的化台物状态存在,硅品体在靠温下化学性质十分稳定,但在高温 下,硅几乎所有物质发生化学反尾。容易同,氮等物质发生作用,它可以存4C与氣在 10氮进行反南,在直拉法制备科单晶时要用超线石英屑(SO,石英坩端与硅熔体反 S+SO2→25 反产物SO部分从熔体中蒸发出来另外一部分浴解在熔中从雨增加了亮硅中氧 的度,是硅中氧的主要米源在拉制单时,单品炉内须采用育环境或充以低压高情性气体 这种工艺可以有效防止外界沾污,并且S(离发的大而降低缩驻中氧的含量,同时,在炉 左璧卜减擾S)沉积,以免S粉末影响无位错单品生长。的些重婆的化学反比式如F S+2H0-2+出H Si+2'1-w--SiCl S+3H=S12+H 式两个反城是平L艺中在表峰生成氧化层的热氧化反应,后两个反配常用米制 造高辟的基本材料—SH(1和SH:二氧化症十分稳定,这特点使得S02膜在握件工艺中 起极为重要的作用。PN结受到S)鞭的保护提高了器件的可靠性。在?工艺中2樓是 MST器件结糊的组成部分;在扩散工艺中成为有教的酝尼,出+SO2膜容易热化生成以 反可以通过化学质蚀选择去除,因此够使用光刻方法宝现件小型化精细结构变成现实 硅动多数酸是稳足的,不溶十H,)HNOA、HF及干水。列硅年很容曷被HFHN1 合液所溶解。前,通常用此类混合酸作为街的注液反简式方 Si+AHNO,+6lIF-Il Sif. -IND) +1H O HN3在反序中起氧化作用,没有氧化削存在HF就不号1娃发生反碗。 F加少蜇铬酸酐Cr的溶液是硅单晶缺陷的择优铁显尔、硅和稀碱溶液作同也能星 硅中缺陷,硅和NaOH或KOH能育按作用生成相定的硅酸盐前溶于水中 Si+INacH+H, 0-Na S0,+2H, 硅与金调作用能生成多种硅化物。I51,w5:,Ms2等化物具有良好的导电,离温、抗电 迁移等料性,可以用于别各集成也路内部的引线,电阻等元件
母材料科学与术 1.1.3硅的光学和力学性质 硅约光学性质 硅在室下的禁带宽度为.1,先吸收处于红外波段,人们利用超绳硅对]~u红外光 透过率高达90%~95%这一特点制作红外聚焦透镜,硅的自由骏流子吸收比小,所以其樵失控 衰象较储好,硅单晶在红外菠段的折射为35左右,其两个表面的反射损耗略小于错大于 书%),通常在近红外波段腰S2或A,在中红外波段2S或碱内化合物膜层作为增透 硅是割作袭电子器件和集成电路的主要半导体材料作为电子材料有两个缺点:它是间接 带隙材料,不能做激光器和发光什:其次它没有线性电光教应,不能调制器和开关归用分子束外 廷MBE金罐有桃化学气相沉积MxVD)等技术在班衬底上生长的ScSs变越品格递子 材料,可形成准接隙材料,并具有线性电光教定,此务,存硅扩底上异质外延hslP单 品薄膜可构成复台发光材料 2.硅的力学和热学性质 室温下无廷辰性,阗性材料,当温度于(时硅具有热墨性在应力作用下会呈现 朝性形变硅的拉应力远大于抗养应力所以片容易碎裂娃片在加工过程中有时会产生弯曲 影响光精度。所以硅片的椒被强度问懣变得。重整 存强度是帮试样破碎对的放大弯由应力,表征材料的抗破碎能力,测定抗弯强度可以采用 点奇”方法测定,也有人家用“圆筒支中心集中载荷法”定和圆片冲击法”定,可以使与豆徽 硬度计研究硅单品嬖度特性,般认为前大体上有下例研究结果: 单温体内残窟力和表面加王烈伤对其机性能有很大影响,表直伤蕙严重,机械性能 越差,但热处理后彩成的二氧化硅层对伤能起到愈合“伤门”的作用,可提高材料强度 ②耐中性形变是错滑移的结果,位情滑移为(1!.甚体巾原生位错和工艺诱生错 及它们的移动对机槭性能起菥至关要的作用,在室磊F,硅的性变影不是热煮发机制,是由 于劈开产生晶格失配位铝是成的 ③杂质射单品的概性能布着重委影响特别是氧氮等轻元素的原子或通过形成团及硅 氧氮络台物等结构对位错起”作用,从而改变材料的机核性能使片度增加 症在熔化时体积缩小反过来从液态同时体积正是出于这个两素,在拉制∈单品结桌 后剩余硅熔凝固会导致石英耶料玻裂,部佳有较大的表再张力(56mNm)和较小的密度 (253ycm).这两个特点使得棒状硅品体可以采洲悬浮区溶技术生K,既避免石英坩埚沾 污,又可多次区熔提纯和拉氧高纯区单晶,相比之下谐的表面张力很小150mN/m),密度 技大(5,3238gm2),所以透常只能采用水平区熔法, 的热学力学参数兒表1.1 1.1.4硅的相图 相图是个多组元系统的平态图,通过相,可以点观地了解到材料的心素组域、北合物 形成惫件及熔化温渡、合金的鸩化和度的范猁、丙熔沣約溶觯度、体系司能存在的楫、各种楣 的组废相对数增平衙分凝系数等所以的相图十分重要 导体吐的备中,从多品熔化成诉症再拉制成症单晶的过程于变过程涉及到砝巾 杂质分菱,以反硅中杂质固溶度字问题在外延「艺中,通常采用气相外延,或液档外延。为了长 优质外层需要相图的帮助,样在器件制踏工艺过程中,也涂常遇物在不同租 的平衡和相互转变的同关于相图的理论述见第章,在这甲仅出儿种在半导体材科耕备 和墨件至工乙中比较重委的硅相图、图上为铝是相图,图1.2为金分相图,图1.3为
第一聿针暴本性质 30460108 01020304为6为额%100 匿1】铝廷相图 帮L3梯磁围 1.2硅的晶体结构与表面结构 牛导体材料的性能与它们的结构及成分密切相关研究半导体材料的结构主要有两个径, 是常论,它是从晶体结构的长程周期性米究材料約电子能态结构;二是化学键理论,它是从物
哇材科科学与枝末 质的化学成品体结构等短程序来研究材料的原子结构,这两种论是研究半体材料的主要理 化学键 化学键是指晶体或分子中两个或多个原子(或离子)之的相互作用力,依赖这种作用,原子 离子或分子相電结合组成各种物质。化学键有各种不同类型即腐子键共铃键,金闻键、范德瓦尔 斯變和氢键等。它们的构造及特性列于表1.2 表11化学键的构造及其理性质 名称缺的结构的强度力学性质告学作质电学性质学作质 香电子静中明态画,中等 电要小,方向性,于离了的种和中,影医系数小体弟态振射幕本上与 和性 正剩电斯有素了同小压率 具有中。小电 于其有较大的配的距离 个子共有中坚强,各等离,古是并看折 电子对有方向性决于原子约中小臣始影系数小,体半导体的率每液和 共价键累子包了组志利果 中、小是 技低的配位数了距 分 自由电了形或可其市不各种硬第点不毕体 不透明 电了气右易的蛋取度,发生雨同 反射半大,有 体的阳商子之国,决十的电子移 全嫣元洋物 无方向忙无据和数初原了距 竹行熔体的相 性配位数 下分了第,小点体,其为 引怎感偏板产随子分了体压率大热延展性大,体不毕电各分了使洄性 力,工方向作,的大小变 系数人 与汽态或 尔陌健分子内多为大代健 熔体内为分 溶液怍质剃 EH离了會 绝像体,改交克请 个海电负性离 液导电{特个 子闰产哇的力有 6向性与饱和性 在半导体材料的化学健中,占优势约是共价建(有时也含有定的离子键成分) 学键是典型的共价键共价键是适过价电子的共有化形成的,每个篡子都与周图的源 的共价键,看硅原子的电了构型是1、2,2p°,3、3,3,有两个末成对的价 旋矣相反触价键电子才能配对生成共价键的理论,则每个硅原子只能和暑近子形成两个共 价键,妇实际上却是因个共价键,为此憋林 Pauling)和案sar)人提出了杂化轨道理 论液理论认为在组成品体或分子时了本身的势场受到周围原子的影响面产生萸硅原子