先進(jìn)半導(dǎo)體材料及其制備工藝

1、先進(jìn)半導(dǎo)體材料及其制備工藝,匯報人：第一課題小組,目錄,第一部分 前言,,半導(dǎo)體簡介,半導(dǎo)體：電阻率介于金屬和絕緣體之間并有負(fù)的電阻溫度系數(shù)的物質(zhì)。半導(dǎo)體室溫時電阻率約在10-5～107歐·米之間，溫度升高時電阻率指數(shù)則減小。,半導(dǎo)體材料,半導(dǎo)體材料很多，按化學(xué)成分可分為元素半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體兩大類。鍺和硅是最常用的元素半導(dǎo)體；化合物半導(dǎo)體包括Ⅲ-Ⅴ族化合物（砷化鎵、磷化鎵等）、Ⅱ-Ⅵ族化合物( 硫化鎘、硫化鋅等)、氧

2、化物(錳、鉻、鐵、銅的氧化物),以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物組成的固溶體（鎵鋁砷、鎵砷磷等）。除上述晶態(tài)半導(dǎo)體外，還有非晶態(tài)的玻璃半導(dǎo)體、有機(jī)半導(dǎo)體等。,半導(dǎo)體歷史,半導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)實(shí)際上可以追溯到很久以前， 1833年，英國巴拉迪最先發(fā)現(xiàn)硫化銀的電阻隨著溫度的變化情況不同于一般金屬，一般情況下，金屬的電阻隨溫度升高而增加，但巴拉迪發(fā)現(xiàn)硫化銀材料的電阻是隨著溫度的上升而降低。這是半導(dǎo)體現(xiàn)象的首次發(fā)現(xiàn)。 不久， 1839年法國的貝

3、克萊爾發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體和電解質(zhì)接觸形成的結(jié)，在光照下會產(chǎn)生一個電壓，這就是后來人們熟知的光生伏特效應(yīng)，這是被發(fā)現(xiàn)的半導(dǎo)體的第二個特征。 在1874年，德國的布勞恩觀察到某些硫化物的電導(dǎo)與所加電場的方向有關(guān)，即它的導(dǎo)電有方向性，在它兩端加一個正向電壓，它是導(dǎo)通的；如果把電壓極性反過來，它就不導(dǎo)電，這就是半導(dǎo)體的整流效應(yīng)，也是半導(dǎo)體所特有的第三種特性。同年，舒斯特又發(fā)現(xiàn)了銅與氧化銅的整流效應(yīng)。 1873年，英國的史密斯發(fā)現(xiàn)硒晶體材料在光照下電

4、導(dǎo)增加的光電導(dǎo)效應(yīng)，這是半導(dǎo)體又一個特有的性質(zhì)。半導(dǎo)體的這四個效應(yīng)，(jianxia霍爾效應(yīng)的余績──四個伴生效應(yīng)的發(fā)現(xiàn))雖在1880年以前就先后被發(fā)現(xiàn)了，但半導(dǎo)體這個名詞大概到1911年才被考尼白格和維斯首次使用。而總結(jié)出半導(dǎo)體的這四個特性一直到1947年12月才由貝爾實(shí)驗(yàn)室完成。,半導(dǎo)體材料的制造,為了滿足量產(chǎn)上的需求，半導(dǎo)體的電性必須是可預(yù)測并且穩(wěn)定的，因此包括摻雜物的純度以及半導(dǎo)體晶格結(jié)構(gòu)的品質(zhì)都必須嚴(yán)格要求。常見的品質(zhì)問題包括

5、晶格的錯位（dislocation）、雙晶面（twins），或是堆棧錯誤（stacking fault）都會影響半導(dǎo)體材料的特性。對于一個半導(dǎo)體元件而言，材料晶格的缺陷通常是影響元件性能的主因。,目前用來成長高純度單晶半導(dǎo)體材料最常見的方法稱為裘可拉斯基制程（Czochralski process）。這種制程將一個單晶的晶種（seed）放入溶解的同材質(zhì)液體中，再以旋轉(zhuǎn)的方式緩緩向上拉起。在晶種被拉起時，溶質(zhì)將會沿著固體和液體的接口固化，

6、而旋轉(zhuǎn)則可讓溶質(zhì)的溫度均勻。,多晶硅生產(chǎn)設(shè)備,2010全球十大半導(dǎo)體公司排名,課題背景,第二部分 半導(dǎo)體的發(fā)展趨勢,全球半導(dǎo)體發(fā)展現(xiàn)狀,十億美元,中國半導(dǎo)體市場發(fā)展趨勢,2008-2014年中國半導(dǎo)體市場規(guī)模增長情況,先進(jìn)半導(dǎo)體材料主要發(fā)展趨勢,目前，硅片主流產(chǎn)品是 200mm，逐漸向300mm過渡，研制水平達(dá)到400mm～450mm。據(jù)統(tǒng)計(jì)，200mm硅片的全球用量占60%左右，150mm占20%左右，其余 占20%左右。根據(jù)最

7、新的《國際半導(dǎo)體技術(shù)指南ITRS）》，300mm硅片之后下一代產(chǎn)品的直徑為450mm；450mm硅片是未來22納米線寬 64G集成電路的襯底材料，將直接影響計(jì)算機(jī)的速度、成本，并決定計(jì)算機(jī)中央處理單元的集成度。,1、晶片尺寸更大,先進(jìn)半導(dǎo)體材料主要發(fā)展趨勢,2、 線寬更小,1989年推出的英特爾486處理器采用1微米工藝技術(shù)，當(dāng)前，國際主流生產(chǎn)技術(shù)為0.25～0.35μm，先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)為0.13～0.10 μm，90 nm技術(shù)已開始投入

8、小批量生產(chǎn)，并研究成功65 nm技術(shù)。2010年采用45 nm 技術(shù)，按照國際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線圖（ITRS）預(yù)測2016 年和2018 年將分別發(fā)展到22 nm和18 nm,預(yù)計(jì)在2020年有望達(dá)到0.016 μm 。,先進(jìn)半導(dǎo)體材料主要發(fā)展趨勢,3、新材料,傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料中大部分采用的是硅，現(xiàn)在用的是氮化鎵、碳化硅、硒化鋅等第三代半導(dǎo)體材料?；パa(bǔ)性金屬氧化物半導(dǎo)體COMS（Complimentary Metal Oxide Sem

9、iconductor）可提供高水平的集成，是傳統(tǒng)的技術(shù)工藝。SOI（silicon on insulator）是當(dāng)前及今后一定時期使用的技術(shù)，可以改善芯片性能，降低成本。,先進(jìn)半導(dǎo)體材料主要發(fā)展趨勢,4、新的封裝技術(shù),封裝技術(shù)對于降低成本和功耗非常重要。芯片制造商通過封裝技術(shù)創(chuàng)新使產(chǎn)品微型化。封裝的關(guān)鍵新能要求包括插腳數(shù)目、電板空間密度的最大化及散熱效果。有些技術(shù)如芯片比例封裝（CSP）,提供的封裝僅為芯片尺寸的120%。由于提高速度通

10、常意味著更容易散熱，因此散熱效果很重要 。,先進(jìn)半導(dǎo)體材料主要發(fā)展趨勢,5、技術(shù)要求范圍擴(kuò)大,隨著通信的發(fā)展，半導(dǎo)體工業(yè)涉及范圍越來越廣，包括信號處理、模擬、功率管理和集成?；旌闲盘柤夹g(shù)和混合工藝技術(shù)的實(shí)力也越來越重要。,課題提出,第三部分 半導(dǎo)體的光、電性質(zhì),半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu),,晶體：? 有規(guī)則對稱的幾何外形； ? 物理性質(zhì)(力、熱、電、光…)各向異性； ? 有確定的熔點(diǎn)；

11、 ? 微觀上，分子、原子或離子呈有規(guī)則的周期性 排列，形成空間點(diǎn)陣(晶格)。,電子共有化,1、周期性勢場,(1) 孤立原子(單價),電子所在處的電勢為U，電子的電勢能為V。電勢能是一個旋轉(zhuǎn)對稱的勢阱。,電子共有化,(2) 兩個原子的情形,電子共有化,(3) 大量原子規(guī)則排列的情形,晶體中大量原子(分子、離子)的規(guī)則排列成點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，晶體中形成周期性勢場。,電子共有化,(1)對能量E1的電子,勢能曲線表現(xiàn)為勢

12、壘； 電子能量 < 勢壘高度 且E1較小，勢壘較寬，穿透概率?。?仍認(rèn)為電子束縛在各自離子周圍。 若E1較大(仍低于勢壘高度)，穿透概率較大，由隧道 效應(yīng)，電子可進(jìn)入相鄰原子。,電子共有化,(2)對能量E2的電子,電子能量 > 勢壘高度電子在晶體中自由運(yùn)動，不受特定離子的束縛。,電子共有化：由于晶體中原子的周期性排列，價電子不再為單個原子所有的

13、現(xiàn)象。共有化的電子可以在不同原子中的相似軌道上轉(zhuǎn)移，可以在整個固體中運(yùn)動。 原子的外層電子(高能級)，勢壘穿透概率較大，屬于共有化的電子。 原子的內(nèi)層電子與原子的結(jié)合較緊，一般不是共有化電子。,(3)電子共有化,能帶的形成,量子力學(xué)證明，由于晶體中各原子間的相互影響，原來各原子中能量相近的能級將分裂成一系列和原能級接近的新能級。這些新能級基本上連成一片，形成能帶(energy band)。,兩個氫原子靠近結(jié)合成分子時，1S能級分裂為

14、兩條。,能帶的形成,當(dāng)N個原子靠近形成晶體時，由于各原子間的相互作用，對應(yīng)于原來孤立原子的一個能級，就分裂成N條靠得很近的能級。使原來處于相同能級上的電子，不再有相同的能量，而處于N個很接近的新能級上。,能帶寬度： ?E～eV N～1023時，則能帶中兩能級間距：～10-23eV,能帶結(jié)構(gòu),晶體里的價電子從它們在單原子里的能級分裂為價帶，激發(fā)態(tài)能級則分裂為導(dǎo)帶，一般晶體中每條能帶的寬度只與晶體中原子之間的結(jié)合狀況有關(guān)，與晶體中的原子

15、數(shù)目無關(guān)，寬度一般為幾個電子伏特。,一條確定的能帶里的電子數(shù)目可以依據(jù)晶體里的原子數(shù)目估計(jì)出來，一般由N個原子組成的晶體，相同量子數(shù)l的一條能帶里的最多可以容納的電子數(shù)目是2(2l+1)N個。,電子在能帶中的填充,能帶中各能級都被電子填滿。 滿帶中的電子不能起導(dǎo)電作用。 晶體加外電場時，電子只能在帶內(nèi)不同能級間交換，不能改變電子在能帶中的總體分布。 滿帶中的電子由原占據(jù)的能級向帶內(nèi)任一能級轉(zhuǎn)移時，必有電子沿相反方向轉(zhuǎn)換，因此，不會

16、產(chǎn)生定向電流，不能起導(dǎo)電作用。,1、滿帶,電子在能帶中的填充,2、導(dǎo)帶,被電子部分填充的能帶。 在外電場作用下，電子可向帶內(nèi)未被填充的高能級轉(zhuǎn)移，但無相反的電子轉(zhuǎn)換，因而可形成電流。,價電子能級分裂后形成的能帶。 有的晶體的價帶是導(dǎo)帶； 有的晶體的價帶也可能是滿帶。,價帶：,電子在能帶中的填充,3、空帶,所有能級均未被電子填充的能帶。 由原子的激發(fā)態(tài)能級分裂而成，正常情況下空著； 當(dāng)有激發(fā)因素(熱激發(fā)、光激發(fā))時，價帶中的電子

17、可被激發(fā)進(jìn)入空帶； 在外電場作用下，這些電子的轉(zhuǎn)移可形成電流。所以，空帶也是導(dǎo)帶。,電子在能帶中的填充,4、禁帶,在能帶之間的能量間隙區(qū)，電子不能填充。 禁帶的寬度對晶體的導(dǎo)電性有重要的作用。 若上下能帶重疊，其間禁帶就不存在。,電子在能帶中的填充,1．滿帶（排滿電子）,2．未滿帶（能帶中一部分能級排滿電子） ? 亦稱導(dǎo)帶,3．空帶（未排電子） ? 亦為導(dǎo)帶,4．禁帶（不能排電子）,總結(jié)：,導(dǎo)體、絕緣體、半導(dǎo)體,它們的導(dǎo)電性能不同

18、，是因?yàn)樗鼈兊哪軒ЫY(jié)構(gòu)不同。,,,,,,,,,,,導(dǎo)體,導(dǎo)體,導(dǎo)體,半導(dǎo)體,絕緣體,,,,?Eg,?Eg,?Eg,,半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制,圖1：半導(dǎo)體中導(dǎo)電過程的簡單“停車站”模擬（a）不可能移動（b）上下兩層都可能移動,半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制,1. 電子導(dǎo)電……半導(dǎo)體的載流子是電子,2. 空穴導(dǎo)電……半導(dǎo)體的載流子是空穴,滿帶上的一個電子躍遷到空帶后,滿帶中出現(xiàn)一個空位。,在電場作用下，電子和空穴均可導(dǎo)電，它們稱作本征載流子；它們的導(dǎo)電形

19、成半導(dǎo)體的本征導(dǎo)電性。,半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制,例：半導(dǎo)體 CdS,,滿 帶,,空 帶,,,?Eg=2.42eV,,這相當(dāng)于產(chǎn)生了一個帶正電的粒子(稱為“空穴”) , 把電子抵消了。,電子和空穴總是成對出現(xiàn)的,半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制,,,,,,,,,,,,,,,,,,空帶,滿帶,空穴下面能級上的電子可以躍遷到空穴上來，這相當(dāng)于空穴向下躍遷。,滿帶上帶正電的空穴向下躍遷也是形成電流，這稱為空穴導(dǎo)電。,在外電場作用下,,半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu),(1) N

20、型半導(dǎo)體,四價的本征半導(dǎo)體 Si、Ge等，摻入少量五價的雜質(zhì)元素(如P、As等)形成電子型半導(dǎo)體，也稱n型半導(dǎo)體。,Si14 — 1s22s22p63s23p2,Ge32 — 1s22s22p63s23p63d104s24p2,半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性,n型半導(dǎo)體,圖中摻入的五價P原子在晶體中替代Si的位置，構(gòu)成與Si相同的四電子結(jié)構(gòu)，多出的一個電子在雜質(zhì)離子的電場范圍內(nèi)運(yùn)動。,半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu),(2) P型半導(dǎo)體,四價的本征半導(dǎo)體 Si、Ge

21、等，摻入少量三價的雜質(zhì)元素(如B、Ga、In等)形成空穴型半導(dǎo)體，也稱p型半導(dǎo)體。,圖中在硅晶體中摻入少量的硼，晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，硼原子的最外層有三個價電子，與相臨的半導(dǎo)體原子形成共價鍵時產(chǎn)生一個空穴。這個空穴可能吸引束縛電子來填補(bǔ)，使得硼原子成為不能移動的帶負(fù)電的離子。,P-N結(jié),1、P-N結(jié)的形成,在一塊n型半導(dǎo)體基片的一側(cè)摻入較高濃度的受主雜質(zhì)， 由于雜質(zhì)的補(bǔ)償作用, 該區(qū)就成為p型半導(dǎo)體。,在半導(dǎo)體內(nèi)，由于摻

22、雜的不同，使部分區(qū)域是n型，另一部分區(qū)域是p型，它們交界處的結(jié)構(gòu)稱為p-n結(jié)(P-N junction)。,由于Ｎ區(qū)的電子向P區(qū)擴(kuò)散，P區(qū)的空穴向N區(qū)擴(kuò)散，在p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體的交界面附近產(chǎn)生了一個由n?p的電場，稱為內(nèi)建場。,P-N結(jié),P-N結(jié),P-N結(jié)處電偶層的形成,n區(qū)(電子多、空穴少)的電子向p區(qū)擴(kuò)散，p區(qū)(空穴多、電子少)的空穴向n區(qū)擴(kuò)散，在交界面處形成正負(fù)電荷的積累，交界處形成電偶層，此特殊結(jié)構(gòu)即為p-n結(jié)，厚度約為10

23、-7m (0.1?m)。,P-N結(jié),內(nèi)建場大到一定程度,不再有凈電荷的流動，達(dá)到了新的平衡。,內(nèi)建場阻止電子和空穴進(jìn)一步擴(kuò)散，記作 。,P-N結(jié),穩(wěn)定后，n區(qū)相對p區(qū)有電勢差U0 (n比p高)。p-n 結(jié)也稱勢壘區(qū)。,電子電勢能曲線,它阻止P區(qū)帶正電的空穴進(jìn)一步向N區(qū)擴(kuò)散；,也阻止N區(qū)帶負(fù)電的電子進(jìn)一步向P區(qū)擴(kuò)散。,P-N結(jié),PN結(jié)的形成,,,,在交界面，由于兩種載流子的濃度差，出現(xiàn)擴(kuò)散運(yùn)動。,,P-N結(jié),PN結(jié)的形成,在交界

24、面，由于擴(kuò)散運(yùn)動，經(jīng)過復(fù)合,出現(xiàn)空間電荷區(qū)。,P-N結(jié),PN結(jié)的形成,,,PN結(jié),當(dāng)擴(kuò)散電流等于漂移電流時，達(dá)到動態(tài)平衡，形成PN結(jié)。,P-N結(jié),在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合后，由于N型區(qū)內(nèi)電子很多而空穴很少，而P型區(qū)內(nèi)空穴很多電子很少，在它們的交界處就出現(xiàn)了電子和空穴的濃度差別。這樣，電子和空穴都要從濃度高的地方向濃度低的地方擴(kuò)散。于是，有一些電子要從N型區(qū)向P型區(qū)擴(kuò)散，也有一些空穴要從P型區(qū)向N型區(qū)擴(kuò)散。它們擴(kuò)散的結(jié)果就使P區(qū)一邊失

25、去空穴，留下了帶負(fù)電的雜質(zhì)離子,N區(qū)一邊失去電子，留下了帶正電的雜質(zhì)離子。半導(dǎo)體中的離子不能任意移動，因此不參與導(dǎo)電。這些不能移動的帶電粒子在P和N區(qū)交界面附近，形成了一個很薄的空間電荷區(qū)，就是所謂的PN結(jié)。,文字總結(jié)：PN結(jié)的形成,P-N結(jié),擴(kuò)散越強(qiáng)，空間電荷區(qū)越寬。在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。在出現(xiàn)了空間電荷區(qū)以后，由于正負(fù)電荷之間的相互作用，在空間電荷區(qū)就形成了一個內(nèi)電場，其方向是從帶正電的N區(qū)指向帶負(fù)電的P區(qū)。顯

26、然，這個電場的方向與載流子擴(kuò)散運(yùn)動的方向相反它是阻止擴(kuò)散的。,文字總結(jié)：PN結(jié)的形成,P-N結(jié),另一方面，這個電場將使N區(qū)的少數(shù)載流子空穴向P區(qū)漂移，使P區(qū)的少數(shù)載流子電子向N區(qū)漂移，漂移運(yùn)動的方向正好與擴(kuò)散運(yùn)動的方向相反。從N區(qū)漂移到P區(qū)的空穴補(bǔ)充了原來交界面上P區(qū)所失去的空穴，從P區(qū)漂移到N區(qū)的電子補(bǔ)充了原來交界面上N區(qū)所失去的電子，這就使空間電荷減少，因此，漂移運(yùn)動的結(jié)果是使空間電荷區(qū)變窄。當(dāng)漂移運(yùn)動達(dá)到和擴(kuò)散運(yùn)動相等時，PN結(jié)便

27、處于動態(tài)平衡狀態(tài)。內(nèi)電場促使少子漂移，阻止多子擴(kuò)散。最后，多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動態(tài)平衡。,文字總結(jié)：PN結(jié)的形成,半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性,1、摻雜特性,摻入微量的雜質(zhì)（簡稱摻雜）能顯著地改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力。雜質(zhì)含量改變能引起載流子濃度變化，半導(dǎo)體材料電阻率隨之發(fā)生很大變化。在同一種材料中摻入不同類型的雜質(zhì)，可以得到不同導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料。,半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性,2、溫度特性,溫度也能顯著改變半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性能。一般來說，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能

28、力隨溫度升高而迅速增加，即半導(dǎo)體的電阻率具有負(fù)的溫度系數(shù)，而金屬的電阻率具有正當(dāng)溫度系數(shù)，且其隨溫度的變化很慢。,半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性,3、環(huán)境特性,半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力還會隨光照而發(fā)生變化（稱為光電導(dǎo)現(xiàn)象）。此外半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力還會隨所處環(huán)境的電場、磁場、壓力和氣氛的作用等而變化。,半導(dǎo)體的特性應(yīng)用,1、熱敏電阻,根據(jù)半導(dǎo)體的電阻值隨溫度的升高而迅速下降的現(xiàn)象制成的半導(dǎo)體器件，稱為熱敏電阻(thermosensitive resistance

29、) 。,熱敏電阻有體積小，熱慣性小，壽命長等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于自動控制技術(shù)。,半導(dǎo)體的特性應(yīng)用,2、光敏電阻,半導(dǎo)體硒，在照射光的頻率大于其紅限頻率時，它的電阻值有隨光強(qiáng)的增加而急劇減小的現(xiàn)象。利用這種特性制成的半導(dǎo)體器件稱為光敏電阻(photosensitive resistance)。,光敏電阻是自動控制、遙感等技術(shù)中的一個重要元件。,半導(dǎo)體的特性應(yīng)用,3、溫差熱電偶,把兩種不同材料的半導(dǎo)體組成一個回路，并使兩個接頭具有不同的溫度，

30、會產(chǎn)生較大的溫差電動勢，稱為半導(dǎo)體溫差熱電偶。溫度每差一度，溫差電動勢能夠達(dá)到、甚至超過1毫伏。,利用半導(dǎo)體溫差熱電偶可以制成溫度計(jì)，或小型發(fā)電機(jī)。,半導(dǎo)體的光學(xué)常數(shù),設(shè)均勻不帶電的介質(zhì)的復(fù)折射率為 ，磁導(dǎo)率m=m0（對于光學(xué)中所討論的大多數(shù)固體材料，相對磁導(dǎo)率mr=1)，介電常數(shù)e=ere0電導(dǎo)率s，則光（頻率為w）在中傳播時，有以下關(guān)系：以上公式中n0為折射率，k為消光系數(shù)。,反射率,當(dāng)

31、光照射到介質(zhì)的界面時，或多或少會發(fā)生反射。反射光強(qiáng)與入射光強(qiáng)之比稱為反射率。當(dāng)光從空氣垂直人射到介質(zhì)表面時，可以得出反射率R為對于吸收很弱的材料，k很小，反射率R比純電介質(zhì)的稍大。對于金屬，由于k很大，R很接近于1。,透射率,在介質(zhì)的界面上，除了光的反對外，還有光的透射，透射光強(qiáng)與入射光強(qiáng)之比稱為透射率。若不考慮光的吸收，則在界面上透射率T與反射率滿足下式：

32、T=1-R一般情況下，光透過一定厚度的介質(zhì)時，透射率與反射率之間有以下的關(guān)系：,吸收系數(shù),上式中的a稱為吸收系數(shù)，它與消光系數(shù)的關(guān)系為吸收系數(shù)的物理意義：光在介質(zhì)中傳播距離1/a時，光的強(qiáng)度衰減到原來的1/e。對于電介質(zhì)材料，消光系數(shù)趨于０，光在這類材料中沒有被吸收，因此材料是透明的。在金屬和半導(dǎo)體中，消光系數(shù)不為0，即存在光吸收，光的強(qiáng)度隨著透入深度的增加按指數(shù)規(guī)律衰減，即,半導(dǎo)體的光吸收吸收,半導(dǎo)體材料中的電子吸收光子的

33、能量，從能量較低的狀態(tài)躍遷到能量較高的狀態(tài)。這種躍遷可以發(fā)生在：1、不同的能帶之間；2、同一能帶的不同狀態(tài)之間；3、禁帶中的分立能級之間；4、禁帶中的分立能級和能帶之間。以上各種吸收引起不同的吸收過程。,本征吸收,在半導(dǎo)體中。最主要的吸收過程是電子由價帶向?qū)У能S遷所引起的光吸收，稱為本征吸收或基本吸收．這種吸收伴隨著電子-空穴對的產(chǎn)生，使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率增加，即產(chǎn)生光電導(dǎo)。顯然，引起本征吸收的光子能量必須等于或大于禁帶寬度，即

34、對應(yīng)的波長稱為本征吸收限。根據(jù)上式，可得出本征吸收長波限的公式為,光生伏特效應(yīng)-Photovoltaic,用適當(dāng)波長的光照射非均勻半導(dǎo)體，例如P-N結(jié)和金屬-半導(dǎo)體接觸等，由于勢壘區(qū)中內(nèi)建電場（也稱為自建電場）的作用，電子和空穴被分開，產(chǎn)生光生電流或者光生電壓。這種由內(nèi)建電場引起的光-電效應(yīng)，稱為光生伏特效應(yīng)。利用光電效應(yīng)可以制成太陽能電池，直接把光能轉(zhuǎn)換成電能，這是它最重要的實(shí)際應(yīng)用。另外，光生伏特效應(yīng)也廣泛應(yīng)用于光電探測器

35、。下面以太陽能電池為例介紹這種效應(yīng)。,光生伏特效應(yīng),半導(dǎo)體中的內(nèi)部電場E存在時，半導(dǎo)體受到光照射時便產(chǎn)生電子-空穴對，由光所產(chǎn)生的電子在傳導(dǎo)帶中的電場的作用下向右側(cè)運(yùn)動，而價電子中的空穴則向左側(cè)運(yùn)動，由于產(chǎn)生電荷載流子的分極作用半導(dǎo)體的兩側(cè)產(chǎn)生電位差，這種現(xiàn)象稱為光伏效應(yīng)(Photo-Voltaic Effect)。,光伏效應(yīng),光伏效應(yīng),太陽電池原理,如果光線照射在太陽電池上且在界面層被吸收，具有足夠能量的光子能夠在p型硅和n型硅中將電

36、子從共價鍵中激發(fā)，以致產(chǎn)生電子-空穴對。界面層附近的電子和空穴在復(fù)合之前，將通過空間電荷的電場作用被相互分離。電子向帶正電的n區(qū)和空穴向帶負(fù)電的p區(qū)運(yùn)動。,Ln:電子的擴(kuò)散距離Lp:空穴的擴(kuò)散距離d:接合深度W:遷移區(qū),太陽電池原理,光照射而產(chǎn)生的電子-空穴對由于遷移區(qū)內(nèi)部電場的作用而左右漂移，在兩端的電極聚集而產(chǎn)生光電壓Vph。當(dāng)太陽電池與負(fù)載連接時，P型硅的空穴，N型硅的電子流向負(fù)載便形成光電流Iph。,用能帶圖表示的載流子分

37、極情況,太陽電池原理,對于晶體硅太陽電池來說，太陽光譜中波長小于1.1 ?m的光線都可產(chǎn)生光伏效應(yīng)。對不同材料的太陽電池來說，盡管光譜響應(yīng)的范圍是不同的，但光電轉(zhuǎn)換的原理是一致的。,n區(qū)空穴向p區(qū)運(yùn)動,p區(qū)電子向n區(qū)運(yùn)動,在內(nèi)建電場作用下,受光面(上表面)有大量負(fù)電荷(電子)積累,背光面(下表面)有大量正電荷(空穴)積累,太陽電池原理,如果在電池上、下表面做上金屬電極，并用導(dǎo)線接上負(fù)載，在負(fù)載上就有電流通過。只要太陽光照持續(xù)不斷，負(fù)載上

38、就一直有電流通過。,第四部分 MOCVD,前言,在單晶襯底（基片）上生長一層有一定要求的、與襯底晶向相同的單晶層，猶如原來的晶體向外延伸了一段，故稱外延生長。外延生長技術(shù)發(fā)展于50年代末60年代初。當(dāng)時，為了制造高頻大功率器件，需要減小集電極串聯(lián)電阻，又要求材料能耐高壓和大電流，因此需要在低阻值襯底上生長一層薄的高阻外延層。外延生長的新單晶層可在導(dǎo)電類型、電阻率等方面與襯底不同，還可以生長不同厚度和不同要求的多層單晶，從而大大提

39、高器件設(shè)計(jì)的靈活性和器件的性能。外延工藝還廣泛用于集成電路中的PN結(jié)隔離技術(shù)（見隔離技術(shù)）和大規(guī)模集成電路中改善材料質(zhì)量方面。在同一材料上稱為同質(zhì)外延，在不同材料上稱為異質(zhì)外延。外延生長的方法包括分子束外延（MBE）、液相外延（LPE）、熱壁外延（HWE）和金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積（MOCVD）等。在外延技術(shù)中，生長溫度最高的是LPE,MBE生長溫度最低，而MOCVD居中，它的生長溫度接近于分子束。從生長速率上看，液相外延方法的生長速率

40、最大，而MOCVD次之，分子束外延方法最小。在所獲得膜方面，以LPE生長膜的純度最高，而MOCVD和MEB生長膜的純度次之。,外延生長？ MOCVD？,,MOCVD的定義,有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積（ Metal-Organic Chemical Vapor Deposition ，MOCVD）是采用加熱方式將化合物分解而進(jìn)行外延生長半導(dǎo)體化合物的方法。,,MOCVD的原理,MOCVD是以Ⅲ族、Ⅱ族元素的有機(jī)化合物和V、Ⅵ族元素的氫化物等作為

41、晶體生長源材料，以熱分解反應(yīng)方式在襯底上進(jìn)行氣相外延，生長各種Ⅲ-V族、Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體以及它們的多元固溶體的薄層單晶材料。通常MOCVD系統(tǒng)中的晶體生長都是在常壓或低壓(10-100Torr)下通H2的冷壁石英(不銹鋼)反應(yīng)室中進(jìn)行，襯底溫度為500-1200℃,用射頻感應(yīng)加熱石墨基座(襯底基片在石墨基座上方),H2通過溫度可控的液體源鼓泡攜帶金屬有機(jī)物到生長區(qū)。,原料要求,,,,,在常溫下較穩(wěn)定而且較容易處理,反應(yīng)的副產(chǎn)品不應(yīng)阻

42、礙外延生長，不應(yīng)污染生長層,在室溫下應(yīng)具有相應(yīng)的蒸氣壓,,,,能滿足上述原料化合物要求的物質(zhì)是強(qiáng)非金屬性氫化物[如AsH3、NH3、PH3、SbH3等]和金屬烷基化合物[如（CH3）2Zn、（CH3）2Cd、（CH3）2Hg等],,作為含有化合物半導(dǎo)體組分的原料，化合物有一定的要求,用于外延生長的有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)組成,,,,,,,用MOCVD生長Ga1-xAlxAs的系統(tǒng)示意圖,1-H2 ， 2-凈化器，3-質(zhì)量流量控制儀， 4

43、-TMG ， 5-TMA ， 6-DEZ ， 7-AsH3 ， 8-H2Se ， 9-排氣口， 10-基片， 11-是墨架,生長反應(yīng),,,,生長裝置,原料,反應(yīng)過程,,,,有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)可分為水平式或垂直式生長裝置。上圖給出了Ga1-xAlxAs生長所用的垂直式生長裝置。,三甲基鎵（TMG）、三甲基鉛（TMA）、二乙烷基鋅（DEZ）AsH3和n型摻雜源H2Se,高純度H2作為攜帶氣體將原料氣體稀釋并充入到反應(yīng)室中。在外延生長過

44、程中，TMA、TMG、DEZ發(fā)泡器分別用恒溫槽冷卻，攜帶氣體H2通過凈化器去除其中包含的水分、氧等雜質(zhì)。反應(yīng)室用石英制造，基片由石墨托架支撐并能夠加熱（通過反應(yīng)室外部的射頻線圈加熱）。導(dǎo)入反應(yīng)室內(nèi)的氣體在加至高溫的GaAs基片上發(fā)生熱分解反應(yīng)，最終沉積成n型或p型摻雜的Ga1-xAlxAs。,生長機(jī)制模型,,,,,氣相均相反應(yīng)機(jī)制,氣—固表面復(fù)相反應(yīng)機(jī)制,,MOCVD 的生長機(jī)制模型,外延反應(yīng)是在離襯底表面幾微米的空間內(nèi)發(fā)生的，反應(yīng)后

45、生成的原子或原子團(tuán)再轉(zhuǎn)移到襯底表面上進(jìn)行外延生長。均相反應(yīng)動力學(xué)模型比較簡單，也被一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果支持。,由于基座和襯底上存在著邊界層，所以外延生長是按照多個步驟進(jìn)行的。,,氣—固表面復(fù)相反應(yīng),,氣—固表面復(fù)相反應(yīng),,,特點(diǎn),,優(yōu)點(diǎn),,1、適用范圍廣泛，幾乎可以生長所有化合物及合金半導(dǎo)體; 2、非常適合于生長各種異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料; 3、可以生長超薄外延層，并能獲得很陡的界面過渡; 4、生長易于控制; 5、可以生長純度很高的材料; 6、

46、外延層大面積均勻性良好; 7、可以進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。,,缺點(diǎn),,所用的有機(jī)金屬原料一般具有自燃性，AsH3Ⅴ等族原料氣體，Ⅵ族原料氣體具有劇毒。,,,設(shè)備,本系統(tǒng)為英國Thomas Swan公司制造，具有世界先進(jìn)水平的商用金屬有機(jī)源汽相外延(MOCVD)材料生長系統(tǒng)，可用于制備以GaN為代表的第三代半導(dǎo)體材料。在高亮度的藍(lán)光發(fā)光二極管(LED)、激光器(LD)、日盲紫外光電探測器、高效率太陽能電池、高頻大功率電子器件領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用

47、。,第五部分 BET,,BET的定義,BET：鉍層狀鈣鈦礦鐵電薄膜材料Bi_(4-x)Eu_xTi_3O_(12)(BET),鉍層狀結(jié)構(gòu)鐵電材料具有優(yōu)良的鐵電性能,如高的剩余極化值、良好的抗疲勞特性、較高的居里溫度、較小的漏電流,因而特別適合于高溫、高頻條件下使用,并且使得該類鐵電材料在鐵電存儲器領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展和高度集成化趨勢對材料的要求,鉍層狀鐵電薄膜材料的制備和性能研究成為目前國際上高度關(guān)注的課題。

48、,鐵電薄膜的制備方法,,,,,,,物理方法,化學(xué)方法,,,物理方法-1,脈沖激光濺射沉積法（PLD）,脈沖激光濺射沉積法（PLD）是利用激光束從靶材上剝離出高能等離子體，并沉積在加熱的襯底上形成薄膜。這一方法通常采用大功率脈沖激光照射靶表面，被氣化的靶材原子或離子團(tuán)沉積在襯底上形成薄膜。脈沖激光沉積法制備的薄膜，其成分幾乎與靶材相同，特別適用于制備含有多種揮發(fā)成分的薄膜。這種方法沉積速率高，常常可以獲得外延膜。為了是薄膜具有較好的電學(xué)、

49、光學(xué)特性，一般需要較高的襯底溫度和一定的氧分壓。沉積好的薄膜一般不需要退火處理，但沉積好薄膜后，當(dāng)系統(tǒng)冷卻時，應(yīng)增加氧分壓，以減少氧空位，確保薄膜質(zhì)量，對于某些材料而言，也可以選擇較低的襯底溫度。但這種方法難于獲得高質(zhì)量的大面積鐵電薄膜，而且它的工作條件要求過高，需要高真空腔、激光器、真空泵等相應(yīng)的設(shè)備。所以制備出來的試件花費(fèi)過高，制約了其商業(yè)應(yīng)用。,,,,物理方法-2,濺射法,濺射法是一種比較成熟的薄膜制備技術(shù)，這種方法是利用電場作用

50、下高速運(yùn)動的離子轟擊靶材，將靶材上轟擊下來的原子或離子團(tuán)沉積在襯底上形成薄膜。由于濺射物流具有較高的能量，在襯底表面能維持較高的表面遷移率，其制備的薄膜結(jié)晶性能較好，在適當(dāng)?shù)臑R射參數(shù)下可獲得單晶薄膜；成膜所需襯底溫度較低；與集成工藝的兼容性較好；適用于多種鐵電薄膜的制備。制備的鐵電薄膜具有較好的鐵電性，但生長速度慢，建設(shè)時不同材料的濺射率不同，所獲薄膜的組份與靶材有一定差異，膜的微結(jié)構(gòu)與組份均勻性有待改善，技術(shù)上難以實(shí)現(xiàn)大面積襯底上生長

51、高質(zhì)量的鐵電薄膜。,其它方法,,真空蒸發(fā)、射頻磁控濺射、分子束外延、電子束蒸發(fā)和脈沖激光閃蒸等。,化學(xué)方法,,,,,,,,,溶膠凝膠法是一種濕化學(xué)方法，它是將金屬醇鹽和其他的有機(jī)和無機(jī)鹽溶液共同的有機(jī)溶劑，從而達(dá)到分子級的混合，通過部分水解和聚合形成均勻的前軀體溶液，采用甩膠，浸漬，噴霧等技術(shù)將溶液均勻涂覆在多種襯底上，經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚恚ビ袡C(jī)成分，并得到所需的晶向結(jié)構(gòu)鐵電薄膜。,水熱法是使一定形式的前驅(qū)物，在確定的溫度、壓力下進(jìn)行反