第7章 半导体材料

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1、2021/7/23材料与光电物理学院1发展历史：半导体材料器件。电子工业的发展和半导体器件对材料的需求是促进半导体材料研究和开拓的强大动力；而材料质量的提高和新型半导体材料的出现，又优化了半导体器件的性能，产生新的器件，两者相互影响，相互促进。第7章半导体材料2021/7/23材料与光电物理学院21941年：多晶硅材料制成检波器，是半导体材料应用的开始；1948－1950年：锗单晶，并用它制成了世界第一个具有放大性能的锗晶体三极管(点接触三极管)；1951年：四氯化硅锌还原法制出了多晶硅；1952年：直拉法成功地拉出世

2、界上第一根硅单晶，并制出了硅结型晶体管。2021/7/23材料与光电物理学院360年代初，硅单晶薄层外延技术硅平面工艺平面晶体管硅集成电路提纯拉晶区熔等制备方法高纯度、高完整性、高均匀性大直径发展方向更高的要求目的2021/7/23材料与光电物理学院47.1半导体材料分类1．元素半导体元素半导体大约有十几种处于ⅢA族－ⅦA族的金属与非金属的交界处，如Ge，Si，Se，Te等。2021/7/23材料与光电物理学院52．化合物半导体1)二元化合物半导体(1)ⅢA族和VA族元素组成的ⅡA-VA族化合物半导体。即A1，Ga，I

3、n和P，As，Sb组成的9种ⅡA-VA族化合物半导体，如A1P，A1As，A1Sb，GaP，GaAs，GaSb，等。(2)ⅡB族和ⅥB族元素组成的ⅡB-ⅥB族化合物半导体。即Zn，Cd，Hg与S，Se,Te组成的12种ⅡB-ⅥB族化合物半导体，如CdS，CdTe，CdTe，CdSe等。2021/7/23材料与光电物理学院6(3)ⅣA族元素之间组成的ⅣA-ⅣA族化合物半导体、如SiC等。(4)ⅣA和ⅥA族元素组成的ⅣA-和ⅥA族化合物半导体，如GeS，GeSe，SnTe，PbTe等共9种。(5)ⅤA族和ⅥA族元素组成的Ⅴ

4、A-ⅥA族化合物半导体，如AsSe3，AsTe3，AsS3等。2021/7/23材料与光电物理学院72)多元化合物半导体(1)IB-ⅡA-(ⅥA)2组成的多元化合物半导体，如AgGeTe2等。(2)IB-VA-(ⅥA)组成的多元化合物半导体，如AgAsSn2等。(3)(1B)2-ⅡB-IVA-(ⅥA)4组成的多元化合物半导体。如Cu2CdSnTe4等2021/7/23材料与光电物理学院83．固溶体半导体固溶体是由二个或多个晶格结构类似的元素化合物相互溶合而成。有二元系和三元系之分。2021/7/23材料与光电物理学院9

5、4．非晶态半导体原子排列短程有序、长程无序的半导体。主要有非晶Si、非晶Ge、非晶Te、非晶Se等元素半导体即GeTe，As2Te3，Se2As3等非晶化合物半导体。2021/7/23材料与光电物理学院105．有机半导体分为有机分子晶体、有机分子络合物和高分子聚合物。一般指具有半导体性质的碳-碳双键有机化合物。2021/7/23材料与光电物理学院111．硅和锗性质物理性质：硅和锗都是具有灰色金属光泽的固体，硬而脆。两者相比，锗的金属性更显著。室温本征电阻率约为50Ωcm，而硅的约为2.3×105Ω·cm，硅在切割时易碎

6、裂。7.2硅和锗半导体材料2021/7/23材料与光电物理学院12化学性质：硅和锗在常温下化学性质是稳定的，但升高温度时，很容易同氧、氯等多种物质发生化学反应，所以在自然界没有游离状态的硅和锗存在。锗不溶于盐酸或稀硫酸，但能溶于热的浓硫酸、浓硝酸、王水及HF-HNO3混合酸中。2021/7/23材料与光电物理学院13硅不溶于盐酸、硫酸、硝酸及王水，易被HF-HNO3混合酸所溶解，因而半导体工业中常用此混合酸作为硅的腐蚀液。硅比锗易与碱起反应。硅与金属作用能生成多种硅化物，这些硅化物具有导电性良好、耐高温、抗电迁移等特性

7、．可以用于制备大规模和超大规模集成电路内部的引线、电阻等。2021/7/23材料与光电物理学院14结构：锗和硅都具有金刚石结构，化学键为共价键。锗的室温电子迁移率为3800cm2/Vs，硅为1800cm2/Vs。锗的禁带宽度为0.66eV，硅的禁带宽度为1.12eV。2021/7/23材料与光电物理学院15杂质对锗、硅电学性质的影响与杂质能级在禁带中的位置密切相关。在锗、硅中的杂质可分为两类：一类是ⅢA族或ⅤA族元素，它们在锗、硅中只有一个能级，且电离能小，一个杂质原于只起一个受主或施主作用，ⅢA族杂质起受主作用使材料

8、呈p型导电，ⅤA族杂质起施主作用，使材料呈n型导电。另一类是除ⅢA族、ⅤA族以外的杂质。2021/7/23材料与光电物理学院162．硅和锗晶体的制备直拉法(Czochralski)，生长元素和ⅢA-VA族化合物半导体单晶的主要方法。该法是在盛有熔硅或锗的坩锅内，引入籽晶作为非均匀晶核，然后控制温度场，将籽晶旋转并缓慢向上提拉，晶体