硅基材料应用作业

硅基材料应用作业

彭禹繁

2014031282

一、在半导体材料中把多晶转变成一个大单晶，并给

予正确的定向和适量的N型或P型掺杂，叫做晶体生长。晶体生长有三种不同的生长方法，分别是直拉法、区熔法和液体掩盖直拉法。请简述直拉法的过程。

拉晶过程：

1.熔硅：将坩埚内多晶料全部熔化；

2.引晶：将籽晶下降与液面接近，使籽晶预热几分钟，俗称“烤晶”，籽晶下降与液面接近，使籽晶预热几分钟，俗称“烤晶”，以除去表面挥发性杂质同时可减少热冲击。当温度稳定时，可将籽晶与熔体接触，籽晶向上拉，控制温度使熔体在籽晶上结晶。

3.收颈：指在引晶后略为降低温度，提高拉速，拉一段直径比籽晶细的部分。其目的是排除接触不良引起的多晶和尽量消除籽晶内原有位错的延伸。颈一般要长于20mm。

4.放肩：缩颈工艺完成后，略降低温度（15-40℃），让晶体逐渐长大到所需的直径为止。这称为“放肩”。

5.等径生长：当晶体直径到达所需尺寸后，提高拉速，使晶体直径不再增大，称为收肩。收肩后保持晶体直径不变，就是等径生长。此时要严格控制温度和拉速。

6.收晶：晶体生长所需长度后，拉速不变，升高熔体温度或熔体温度不变，加快拉速，使晶体脱离熔体液面。

液体掩盖直拉法：

此方法主要用来生长砷化镓晶体，和标准的直拉法一样，只是做了一些改进。由于熔融物里砷的挥发性通常采用一层氧化硼漂浮在熔融物上来抑制砷的挥发。

特点：

直拉法的目的是实现均匀掺杂浓度的同时精确地复制籽晶结构，得到合适的硅锭直径并且限制杂质引入到硅中。优点：工艺成熟，便于控制晶体外形和电学参数，能成功地拉制低位错、大直径的硅单晶，尤其，能成功地拉制低位错、大直径的硅单晶，尤其制备10-4Ω?cm特殊低阻单晶。

缺点：

难以避免来自石英坩埚和加热装置的杂质污染，因而只能生产低阻单晶。另外，由于存在杂质分凝效应和蒸发效应，以及搅拌不均匀所形成的界面杂质积累层等，还会使拉制的硅单晶沿轴向的电阻率不一致，杂质缺陷较多。

另外，由于应用了石英坩埚（SiO2），从而在硅单晶中引入了氧。氧含量的典型值为0.2~2*1018cm-3以上。当单晶生长过程中经300—600 ℃温度范围的退火时，氧将获得电活性，其作用如同施主，从而使电阻率改变。如果硅的纯度高，在高真空或大流量高纯氩气氛下拉晶,通过合理的热场设计，以及控制好温度下拉晶，通过合理的热场设计，以及控制好温度和拉晶时的工艺参数等因素，可控制氧含量。

二、半导体材料中的原子是按一定规则连续排列的，

杂质原子若要扩散到半导体中有方式有两种，分别是“间隙式”扩散以及“替位式”扩散。请简述这两种方式的特点。

杂质扩散机构：

半导体中的原子是按一定规则连续排列的。杂

质原子扩散到半导体中的方式有两种：半径较小且不易与硅键合的杂质原子从半导体晶格的间隙中挤进去，即所谓“间隙式”扩散；半径较大的杂质原子代替半导体原子而占据格点的位置，再依靠周围空的格点（即空位）来进行扩散，即所谓“替位式”扩散。

对于硅晶体，Au、Ag、Cu、Fe、Ni 等半径较小的杂质原子按间隙式扩散，而P、As、Sb、B、Al、Ga、In 等半径较大的杂质原子则按替位式扩散。间隙式扩散的速度比替位式扩散的速度快得多。

间隙式扩散：

间隙式扩散指间隙式杂质从一个间隙位置运动到相邻的间隙位置。

间隙杂质在间隙位置上的势能是相对极小的，间隙杂质要运动到相邻的间隙位置上，必须要越过一个高度为Wi =0.6~1.2eV 的势垒。

间隙杂质一般情况下只能在势能极小值位置附近作热振动，振动频率v0为1013~1014s-1，平均振动能量约为kT（室温下为0.026eV，1200℃高温下为0.13eV）。

由于Wi比kT 大得多，因此，间隙杂质只能依

靠热涨落以获得大于Wi 的能量后才能跳到近邻的间隙位置上。

间隙杂质在间隙位置上的势能是相对极小的，间隙杂质要运动到相邻的间隙位置上,必须要越过一个高度Wi 为0.6~1.2 eV的势垒。

按照玻尔兹曼统计，发生这种情况的几率正比exp(W i/ kT )，则单位时间内间隙杂质越过势垒跳到相邻间隙去的几率，可见，跳跃率随温度指数式地增加。室温下，硅中间隙杂质约以每分钟一次的速度跳跃。在典型的扩散温度(700℃~1200℃)下，其跳跃速度就很高了。

替位式扩散：

占据晶格位置的外来原子称为替位杂质。替位杂质从一个晶格位置运动到另一个晶格位置上称替位式扩散。

只有当替位杂质的近邻晶格上出现空位，替位杂质才能比较容易地运动到近邻空位上。

在晶格位置上的替位杂质，相对势能最低，而间隙位置处的势能最高。替位杂质要从一个位置运动到近邻格点上，也需要越过一个势垒，势垒高度为Ws。势垒高低位置与间隙杂质的正好相反。

在晶格位置上的替位杂质，相对势能最低，而间隙位置处的势能最高。替位杂质要从一个位置运动到近邻格点上，需要越过一个高度为Ws的势垒。依靠热涨落跳过该势垒。

替位杂质的运动与间隙杂质相比，更为困难。首先要在近邻出现空位（形成一个空位所需能量为Wv），同时还要依靠热涨落获得大于势垒高度Ws的能量才能实现替位运动。替位杂质的跳跃率应为近邻出现空位的几率乘上跳入该空位的几率，一般情况下，W v + W s（约3～4eV）比Wi大（其差值远大于kT ），因而P v 比Pi小得多，表明替位杂质的运动远比间隙杂质的运动困难。