半导体材料

第一章之相图

第二章之晶体生长

第三章之硅和锗的制备

第四章之材料基本性质

第五章之区熔提纯

第六章之杂质与缺陷

第七章之硅的外延生长

第八章之Ⅲ-Ⅴ化合物

第九章之Ⅱ-Ⅵ化合物

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Ⅲ-Ⅴ族化合物

1、三五族化合物的半导体特性

微波和光电器件得到广发的应用；

Ga系：最广泛的三五化合物

B系：制备困难；

Al系：不稳定

In系：高电子迁移率

结构：多为闪锌矿结构（硅为金刚石结构）

成键：共价键与离子键共存

极性：闪锌矿结构为非对称性结构，三五族化合物具有极性。

极性的影响：

1）解离性：解离面是（110）面，面间距增大，结合力弱。

2）表面腐蚀及晶体生长：B面易被腐蚀，且容易长出单晶，生长慢。

3）锗是间接带隙半导体材料，主能谷中电子迁移率大，次能谷中迁移率小。存在负阻效应，（可以制作耿氏二极管）

2、GaAs单晶的生长方法

晶体生长方法选择的依据：

从相图中找到合适的相变条件（包括蒸气压）

蒸气压的考虑：纯组元的蒸气压不等于分压。

制备GaAs设计思路：

设计二温区保证反应的气压维持稳定。

GaAs的制备方法：

1）水平布里齐曼法 HB

采用石英封闭，设置双温区炉，低温控制As气压，高温拉制单晶。

工艺流程：装料-真空加热-通电升温-开动区熔机

主要问题：黏舟，GaAs与石英舟粘连。还有石英舟的承重问题。

2）液态密封法（LEP或LEC）

概述：在高压炉内将欲拉制熔体置于石英坩埚中，上面覆盖一层透明而又粘黏的惰性熔体，将其密封，抑制材料的分解。

覆盖剂的要求：（常用的是B2O3）

密度小于拉制材料，使熔体悬浮；不与坩埚反应；熔点不低于拉制材料；高纯；

B2O3的缺点：易吸水，对坩埚有轻微的腐蚀。

LEP法的工艺流程：（原料可以在炉外合成，在炉内也行）

装料-抽真空-加入覆盖剂和保护气-升温产生As气化-拉制单晶

VGF垂直凝固法流程：

装料-炉体垂直放置-高温熔化-拉制单晶（即使用区熔位移法）

3、GsAs单晶中的杂质控制

施主：六族原子（其中O的作用比较复杂，有浅受主存在时起施主，为受主提供电子，起补偿作用）

受主：二族原子，取代Ga，浅受主，有时可以和缺陷一起形成深能级。

两性：IV族元素，可以是施主，也可以是受主。

中性：不引入能级的杂质。

深能级：过渡元素V，Cr，Mn，Fe等

GaAs单晶的掺杂：Te，Sn，Si； Zn； Cr，Fe，O（高阻掺杂）；

掺杂方法：不易挥发的直接加入Ga舟，易挥发的加入As；

杂质的计算

1）水平法（HB）

m=KnwA/(3.202*10^24)

2)LEP法

Cs=1.85*10^18 C0-0.62*10^18

杂质分布：

LEC中杂质只与分凝有关，要先想得到均匀电阻率的晶体，需要变速拉晶。

1）Si沾污

高温区的石英，低温区的Ga2O，解决方法有三温区横拉，降低高温区的温度，加入O2，改变GaAs熔体与石英舟的接触，压缩反应系统与GaAs熔体的体积。

4、GaAs单晶的完整性

点缺陷：不均匀的缺陷导致偏离化学比的现象。

主要有空位、间隙原子、反结构原子，络合物

位错：应力或生长时的位错

沉淀：掺杂浓度高时会形成非电学活性的沉淀

热处理：

根据负阻效应可以制作微波器件，但需要使用热处理降低深能级电子陷阱。

5、GaAs的外延生长

外延层：纯度高，电学特性好，可以制备异质多层结构

1）卤化物法气相外延生长

反应原理：H2经过AsCl3，将AsCl3带到反应室，生成的As4和HCl带到高温区Ga源处，使GaAs表皮层（硬壳）覆盖Ga源。GaCl被运到低温区，发生歧化反应。

工艺流程：衬底处理-装片-Ga源饱和-腐蚀衬底-外延生长

Si沾污：与O形成络合物，严重影响电学特性。主要来源是石英系统和衬底的自掺杂。

重金属污染：HCl腐蚀设备带来的沾污

2）金属有机物气相外延生长（MOVPE）

原理：使用烷基化合物实现GaAs的外延。

特点：以气态进入反应器，可以精确控制，反应流速快，可以形成陡峭的外延层。。单温区外延，不含HCl。

工艺流程：装料-抽真空，充H2-升温300-通As-升温至生长温度-通TMG-生长结束-停TMG-开炉。

影响因素：AsH3/TMGa比值对GaAs导电类型和载流子浓度的影响：

反应机理：表面催化反应模型，空位分配模型。

3）液相外延生长

从饱和溶液中在单晶衬底上生长外延层

实质：从金属溶液中生长一定组分晶体的结晶过程。

根据相图控制GaAs外延生长，可以使用降温法（瞬态生长）和差温法（稳态生长）

实际的操作就是温度的控制。

4）分子束外延生长

精确，可以长突变结，薄膜材料，高真空。