硅、锗晶体中的杂质与缺陷

1、硅锗晶体中杂质的性质

（1）杂质来源：多晶材料、生长过程中的沾污，人为掺杂

（2）杂质分类：

IIIA族或ⅤA族元素：电离能低，电导率影响较大，起施主或受主的作用。

其他杂质：1B族和过渡金属元素尤为突出。

（3）杂质能级：杂质在半导体中所提供的能级。

（4）杂质能级实例：1B杂质可以提供多能级。Au可以提供多个能级，实现能级补偿。

（5）杂质对导电类型的影响

导电类型：施主和受主使半导体体现为N或P型

电阻率：杂质会引入载流子，可以在一定的范围内提高迁移率，降低电阻率，过多的杂质会散射载流子，提高电阻率。

非平衡载流子寿命：杂质提供的中间能级会使载流子更快的复合，降低其寿命。

（1）直拉单晶硅的杂质掺杂

！原料中杂质的种类和含量，杂质的分凝效应，杂质的蒸发效应，生长过程中坩埚或系统内的杂质沾污，加入杂质杂质的质量。

①只考虑杂质分凝时的掺杂

②考虑坩埚污染及蒸发的掺杂

③拉晶过程中的因素：

杂质蒸发、坩埚沾污、杂质分凝

以上三种情况分别都对应某种更具体的情况。

（2）掺杂方法

共熔法：直接将杂质带到未熔原料中。

投杂法：将杂质引入熔化的杂质。

！组分过冷：杂质在Ge和Si中有一定高的溶解度，加入杂质会影响单晶生长，需要调整加热功率保证晶体的继续生长。拉速f大，界面处熔体温度梯度G小。

中子嬗变掺杂：将未掺杂的Si单晶放入核反应堆中辐射。均匀性好，辐照损伤需要退火。注意硅锗单晶中有害杂质的防止。

非金属杂质O的不利面是引入新的施主，改变原有的设计。有利的是可以吸杂和对位错有钉扎效应。

非金属杂质C主要来自石墨加热器，会引起晶格畸变，形成缺陷，C-O复合起热施主的作用。

偏离完整点阵的部位或结构叫做晶体缺陷。（原生缺陷，：生长缺陷，二次缺陷：器件加工过程的缺陷）

点线面体微缺陷，构成了单晶中的主要的缺陷。

刃型位错、螺型位错、混合位错是主要的位错类型。

柏氏矢量：用于描述位错的程度，反应了点阵的畸变积累量。

螺型位错具有滑移和刃位错攀移，具体就是移动以满足能量的分布。

位错对载流子迁移率的影响还不明确，主要有：肖克来-瑞德理论（不饱和悬挂键）理论

位错对载流子寿命的影响：位错也有多种理论。

通常是指无位错单晶在西特尔腐蚀液腐蚀后，在晶体生长的方向的横截面上观察到呈涡旋状，分布的宏观缺陷花纹。微观上是浅底腐蚀坑组成的。

微缺陷的形成理论尚未明确。主要有非平衡自间隙原子模型和平衡自间隙原子模型。

减少微缺陷的方法：

拉单晶时：降低碳含量，控制生长速率，在氩气中加入氢气

消除已有的缺陷：退火工艺的合理使用，利用吸除技术消除。