Ⅱb型金刚石单晶的制备和半导体特性研究进展

!!型金刚石单晶的制备和半导体特性研究进展

宫建红"，李木森"，许#斌"，$

，尹龙卫"，崔建军"

（"%山东大学材料科学与工程学院，山东济南$&’’"(；$%山东建筑工程学院材料科学与工程系，山东济南$&’’")）摘#要：#!!型金刚石由于具有极佳的半导体性能，适合于制

造高性能电力电子器件，可以在更高的温度和恶劣的环境下正常工作，是一种有发展前途的高温、大功率半导体材料。本文从结构、合成方法、半导体特性和应用等方面阐述了!!型半导体金刚石的研究现状，在此基础上提出了今后的研究方向。关键词：#人造金刚石；半导体性能；硼中图分类号：#*+,’)####文献标识码：-文章编号："’’"./0,"（$’’,）’(.’($$.’)

"#引#言

近年来人造金刚石的生产及应用技术发展很快，金刚石及其制品不仅广泛应用于机械、电子、地质、冶金、石油、建工、建材、化工、轻工、水电、交通、国防等各个工业技术领域，而且已拓展到高性能耐热件、耐蚀件、导热元件和芯片等极端条件下的重要领域。

!!型金刚石

（掺杂元素是硼）具有禁带宽、击穿场强高、载流子迁移率高、介电常数低和导热性能好等优异的半导体性能，同时由于金刚石具有化学性能稳定性好、高硬度、耐磨性和抗辐射能力强等特点，特别适合制造可以在更高的温度和恶劣的环境下工作的高性能电力电子器件，是一种有发展前途的高温、大

功率半导体材料，因而越来越受到人们的重视［"1,］。

高温高压方法合成的金刚石单晶尺寸小、制备困难、难以加工，用其制造电子器件更是不易。国内外大多数学者侧重于对

234法获得的半导体金刚石的研究［)10］

，而对半导体金刚石单

晶的研究则较少。但是，目前我国的人造金刚石主要是在高温高压条件下合成的，单晶的粒度、品质越来越高，应用也不断拓

宽。对于具有半导体性质的!!型金刚石在高温高压条件下的合成工艺及其半导体特性的研究不仅具有重要的学术意义，而且有很高的实际应用价值。本文综述了高温高压下合成的!!型金刚石的微观结构、合成方法、半导体特性和应用等方面的最新研究进展，并在此基础上提出了该研究领域今后的发展方向。

$#!!型金刚石的结构

$%"#金刚石的分类与性质

金刚石可分为"型和!型两类，这两类金刚石又可分为5、!两个亚类。公认的分类依据是杂质（如氮等）含量和存在形式

及某些物理性质的不同［6，/］

。"5型金刚石通常为无色或黄色，

含氮在每立方厘米"’$’个原子以上，并且氮以片状形式存在，片状氮影响了金刚石的光学和热学性质，但使其机械强度得以提高，约/67的天然金刚石属于此类。"!型金刚石的固有颜色为黄色，含氮量为每立方厘米"’"01"’$’个原子，氮出现在孤立的替位格点上，以分散形式存在。其强度不如"5型高，大部分人造金刚石属于此类。!5型金刚石氮的浓度较低（8每立方厘米"’"0个原子），通常为无色，具有优良的热学和光学性能，天然金刚石中约有$7属于此类。!!型金刚石中硼为主要杂质，通常为蓝色或黑色，自然界中非常少见。

"型和!5型金刚石都是绝缘体。而!!型金刚石具有半

导体性质，天然!!型金刚石是9型半导体，

但数量极少，:型半导体金刚石在自然界中不存在［"’］

。由于杂质的不同使其各自的红外吸收特征也有差异［""］。金刚石的分类及其相关特征见

表"。

表"#金刚石的分类及相关特征

*5!;<"2<5==>?>@5A>B:5:C AD;>E @D5E5@A;E=B?AD;C>5FB:C

材料类型

颜色杂质（个G @F ,）来##源

性##能

导电性红外吸收特征（@F H "）电阻!（#?@F ）"5黄色或无色

+I "’$’约/67的天然金刚石机械强度高绝缘体""0&1"$"&

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大部分人造金刚石热学和光学性能优绝缘体"",’I "’"(!5无色+8"’"0

约$7的天然金刚石热学和光学性能优绝缘体+B:;I "’"(!!

蓝色或黑色

人造或天然金刚石K J 半导体性能佳

半导体

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"’1"’,

$%$#!!型金刚石的结构

碳原子既可以LM $$杂化状态相互作用而形成石墨结构，又可以LM ,

杂化状态相互作用而形成金刚石结构。由于它们内部碳原子的杂化状态和相互作用的规律不同，造成石墨与金刚石的结构和性能不同。在一定条件下，石墨结构中的碳原子的LM $$杂化状态可以转化为LM ,杂化状态，从而使石墨变成金刚

石［"$］

。

文献［",］指出用含硼触媒（或含硼石墨）合成金刚石时，石墨晶粒在高温高压下转变成金刚石晶粒后，溶解在触媒（或石墨）中的碳原子和硼原子都可以扩散出来与晶粒表面上的碳原子相联结。由于硼原子的半径（’%’6&:F ）比碳原子的半径（’%’((:F ）大，不容易进到金刚石内部去，所以大部分都集中在表面上而形成硼原子层。这样合成的含硼金刚石硼原子不是均匀分布的，而是表面多，里面少，当硼原子足够多时，就可以把整个金刚石

$$($’’,年第(期（,)）卷

!基金项目：

国家自然科学基金资助项目（&/(,"’(’）收稿日期：

$’’$."".’)###通讯作者：宫建红作者简介：宫建红#（"/06H ），女，山东潍坊人，在读硕士，师承李木森教授，从事超硬材料合成与应用方面的研究。

万方数据

半导体材料硅的基本性质

半导体材料硅的基本性质一．半导体材料 1.1 固体材料按其导电性能可分为三类：绝缘体、半导体及导体，它们典型的电阻率如下：图1 典型绝缘体、半导体及导体的电导率范围 1.2 半导体又可以分为元素半导体和化合物半导体，它们的定义如下：元素半导体：由一种材料形成的半导体物质，如硅和锗。化合物半导体：由两种或两种以上元素形成的物质。 1)二元化合物 GaAs —砷化镓 SiC —碳化硅 2)三元化合物 As —砷化镓铝 AlGa 11 AlIn As —砷化铟铝 11 1.3 半导体根据其是否掺杂又可以分为本征半导体和非本征半导体，它们的定义分别为：本征半导体：当半导体中无杂质掺入时，此种半导体称为本征半导体。非本征半导体：当半导体被掺入杂质时，本征半导体就成为非本征半导体。 1.4 掺入本征半导体中的杂质，按释放载流子的类型分为施主与受主，它们的定义分别为：施主：当杂质掺入半导体中时，若能释放一个电子，这种杂质被称为施主。如磷、砷就是硅的施主。受主：当杂质掺入半导体中时，若能接受一个电子，就会相应地产生一个空穴，这种杂质称为受主。如硼、铝就是硅的受主。

图1.1 （a）带有施主（砷）的n型硅 (b)带有受主（硼）的型硅 1.5 掺入施主的半导体称为N型半导体，如掺磷的硅。由于施主释放电子，因此在这样的半导体中电子为多数导电载流子（简称多子），而空穴为少数导电载流子（简称少子）。如图1.1所示。掺入受主的半导体称为P型半导体，如掺硼的硅。由于受主接受电子，因此在这样的半导体中空穴为多数导电载流子（简称多子），而电子为少数导电载流子（简称少子）。如图1.1所示。二．硅的基本性质 1.1 硅的基本物理化学性质硅是最重要的元素半导体，是电子工业的基础材料，其物理化学性质（300K）如表1所示。

半导体材料的历史现状及研究进展(精)

半导体材料的研究进展摘要:随着全球科技的快速发展,当今世界已经进入了信息时代,作为信息领域的命脉,光电子技术和微电子技术无疑成为了科技发展的焦点。半导体材料凭借着自身的性能特点也在迅速地扩大着它的使用领域。本文重点对半导体材料的发展历程、性能、种类和主要的半导体材料进行了讨论,并对半导体硅材料应用概况及其发展趋势作了概述。关键词:半导体材料、性能、种类、应用概况、发展趋势一、半导体材料的发展历程半导体材料从发现到发展,从使用到创新,拥有这一段长久的历史。宰二十世纪初,就曾出现过点接触矿石检波器。1930年,氧化亚铜整流器制造成功并得到广泛应用,是半导体材料开始受到重视。1947年锗点接触三极管制成,成为半导体的研究成果的重大突破。50年代末,薄膜生长激素的开发和集成电路的发明,是的微电子技术得到进一步发展。60年代,砷化镓材料制成半导体激光器,固溶体半导体此阿里奥在红外线方面的研究发展,半导体材料的应用得到扩展。1969年超晶格概念的提出和超晶格量子阱的研制成功,是的半导体器件的设计与制造从杂志工程发展到能带工程,将半导体材料的研究和应用推向了一个新的领域。90年代以来随着移动通信技术的飞速发展,砷化镓和磷化烟等半导体材料成为焦点,用于制作高速高频大功率激发光电子器件等;近些年,新型半导体材料的研究得到突破,以氮化镓为代表的先进半导体材料开始体现出超强优越性,被称为IT产业的新发动机。新型半导体材料的研究和突破,常常导致新的技术革命和新兴产业的发展.以氮化镓为代表的第三代半导体材料,是继第一代半导体材料(以硅基半导体为代表和第二代半导体材料(以砷化镓和磷化铟为代表之后,在近10年发展起来的新型宽带半导体材料.作为第一代半导体材料,硅基半导体材料及其集成电路的发展导致了微型计算机的出现和整个计算机产业的飞跃,并广泛应用于信息处理、自动控制等领域,对人类社会的发展起了极大的促进作用.硅基半导体材料虽然在微电子领域得到广泛应用,但硅材料本身间接能带结构的特点限制了其在光电子领域的应用.随着以光

半导体材料课程教学大纲

半导体材料课程教学大纲一、课程说明（一）课程名称：半导体材料所属专业：微电子科学与工程课程性质：专业限选学分： 3 （二）课程简介：本课程重点介绍第一代和第二代半导体材料硅、锗、砷化镓等的制备基本原理、制备工艺和材料特性，介绍第三代半导体材料氮化镓、碳化硅及其他半导体材料的性质及制备方法。目标与任务：使学生掌握主要半导体材料的性质以及制备方法，了解半导体材料最新发展情况、为将来从事半导体材料科学、半导体器件制备等打下基础。（三）先修课程要求：《固体物理学》、《半导体物理学》、《热力学统计物理》；本课程中介绍半导体材料性质方面需要《固体物理学》、《半导体物理学》中晶体结构、能带理论等章节作为基础。同时介绍材料生长方面知识时需要《热力学统计物理》中关于自由能等方面的知识。（四）教材：杨树人《半导体材料》主要参考书：褚君浩、张玉龙《半导体材料技术》陆大成《金属有机化合物气相外延基础及应用》二、课程内容与安排第一章半导体材料概述第一节半导体材料发展历程第二节半导体材料分类第三节半导体材料制备方法综述第二章硅和锗的制备第一节硅和锗的物理化学性质第二节高纯硅的制备第三节锗的富集与提纯

第三章区熔提纯第一节分凝现象与分凝系数第二节区熔原理第三节锗的区熔提纯第四章晶体生长第一节晶体生长理论基础第二节熔体的晶体生长第三节硅、锗单晶生长第五章硅、锗晶体中的杂质和缺陷第一节硅、锗晶体中杂质的性质第二节硅、锗晶体的掺杂第三节硅、锗单晶的位错第四节硅单晶中的微缺陷第六章硅外延生长第一节硅的气相外延生长第二节硅外延生长的缺陷及电阻率控制第三节硅的异质外延第七章化合物半导体的外延生长第一节气相外延生长（VPE）第二节金属有机物化学气相外延生长（MOCVD）第三节分子束外延生长（MBE）第四节其他外延生长技术第八章化合物半导体材料（一）：第二代半导体材料第一节 GaAs、InP等III-V族化合物半导体材料的特性第二节 GaAs单晶的制备及应用第三节 GaAs单晶中杂质控制及掺杂第四节 InP、GaP等的制备及应用第九章化合物半导体材料（二）：第三代半导体材料第一节氮化物半导体材料特性及应用第二节氮化物半导体材料的外延生长第三节碳化硅材料的特性及应用第十章其他半导体材料

金刚石(Diamond)

书山有路勤为径，学海无涯苦作舟金刚石(Diamond) C【化学组成】成分中可含有N、B、Si、Al、Na、Ba、Fe、Cr、Ti、Ca、Mg、Mn 等元素。其中N、B 最为重要，是目前金刚石分类的基本依据。首先根据是否含N 分为两类：一是含N 者为Ⅰ型，Ⅰ型又据N 的存在形式进一步分为Ⅰa 型和Ⅰb 型。Ⅰa 型中N 含量大于0.1%，以细小片状的形式存在，增强了金刚石的硬度、导热性、导电性。天然金刚石中98%为Ⅰa 型。Ⅰb 型中 N 含量很小，N 以单个原子置换金刚石中的C，Ⅰb 型绝大多数见于人造金刚石中，而仅占天然金刚石的1%左右。二是不含N 或含量极微(＜0.001%)，又根据是否含B 进一步分为Ⅱa 型和Ⅱb 型。Ⅱa 型一般不含B。天然的金刚石中Ⅱa 型含量很小。具良好的导热性是Ⅱa金刚石的特性。Ⅱb 型含B 杂质元素，往往呈天蓝色，具半导体性能，Ⅱb 型金刚石在自然界中也罕见。此外，还可出现混合型金刚石，即同一颗粒金刚石内，氮的分布不均匀，既有Ⅰ型区，又有Ⅱ型区；或既有Ⅰa 型区，又有Ⅰb 型区。【晶体结构】等轴晶系；；a0=0.356nm;Z=8。在金刚石的晶体结构(图Z-5)中C 分布于立方晶胞的8 个角顶和6 个面中心, 在将晶胞平均分为8 个小立方体时，其中的4 个相间的小立方体中心分布有 C(图Z-5(a))。金刚石结构中的C 以共价键与周围的另外4 个C 相连,键角 109°28′16″，形成四面体配位(图Z-5(b))。金刚石具有紧密的结构，原子间以强共价键相连，这些特征造成了它具有高硬度、高熔点、不导电的特性。由于结构在{111}方向上原子的面网密度大，其间距也大，故产生{111}中等解理。图Z-5 金刚石的晶体结构 (引自潘兆橹等，1993)

单晶硅制备方法

金属1001 覃文远3080702014 单晶硅制备方法我们的生活中处处可见“硅”的身影和作用，晶体硅太阳能电池是近15年来形成产业化最快的。单晶硅，英文，Monocrystallinesilicon。是硅的单晶体。具有基本完整的点阵结构的晶体。不同的方向具有不同的性质，是一种良好的半导材料。纯度要求达到99.9999%，甚至达到99.9999999%以上。用于制造半导体器件、太阳能电池等。用高纯度的多晶硅在单晶炉内拉制而成。用途：单晶硅具有金刚石晶格，晶体硬而脆，具有金属光泽，能导电，但导电率不及金属，且随着温度升高而增加，具有半导体性质。单晶硅是重要的半导体材料。在单晶硅中掺入微量的第ЩA族元素，形成P型半导体，掺入微量的第VA族元素，形成N型，N型和P型半导体结合在一起，就可做成太阳能电池，将辐射能转变为电能。单晶硅是制造半导体硅器件的原料，用于制大功率整流器、大功率晶体管、二极管、开关器件等。在开发能源方面是一种很有前途的材料。单晶硅按晶体生长方法的不同，分为直拉法（CZ）、区熔法（FZ）和外延法。直拉法、区熔法生长单晶硅棒材，外延法生长单晶硅薄膜。直拉法生长的单晶硅主要用于半导体集成电路、二极管、外延片衬底、太阳能电池。直拉法直拉法又称乔赫拉尔基斯法（Caochralski）法，简称CZ法。它是生长半导体单晶硅的主要方法。该法是在直拉单晶氯内，向盛有熔硅坩锅中，引入籽晶作为非均匀晶核，然后控制热场，将籽晶旋转并缓慢向上提拉，单晶便在籽晶下按照籽晶的方向长大。拉出的液体固化为单晶，调节加热功率就可以得到所需的单晶棒的直径。其优点是晶体被拉出液面不与器壁接触，不受容器限制，因此晶体中应力小，同时又能防止器壁沾污或接触所可能引起的杂乱晶核而形成多晶。直拉法是以定向的籽晶为生长晶核，因而可以得到有一定晶向生长的单晶。直拉法制成的单晶完整性好，直径和长度都可以很大，生长速率也高。所用坩埚必须由不污染熔体的材料制成。因此，一些化学性活泼或熔点极高的材料，由于没有合适的坩埚，而不能用此法制备单晶体，而要改用区熔法晶体生长或其

半导体材料的历史现状及研究进展(精)

单晶制备方法综述

单晶材料的制备方法综述前言：单晶(single crystal)，即结晶体内部的微粒在三维空间呈有规律地、周期性地排列，或者说晶体的整体在三维方向上由同一空间格子构成，整个晶体中质点在空间的排列为长程有序。单晶整个晶格是连续的，具有重要的工业应用。因此对于单晶材料的的制备方法的研究已成为材料研究的主要方向之一。本文主要对单晶材料制备的几种常见的方法进行介绍和总结。单晶材料的制备也称为晶体的生长，是将物质的非晶态、多晶态或能够形成该物质的反应物通过一定的化学的手段转变为单晶的过程。单晶的制备方法通常可以分为熔体生长、溶液生长和相生长等［1］。一、从熔体中生长单晶体从熔体中生长晶体的方法是最早的研究方法，也是广泛应用的合成方法。从熔体中生长单晶体的最大优点是生长速率大多快于在溶液中的生长速率。二者速率的差异在10-1000倍。从熔体中生长晶体的方法主要有焰熔法、提拉法、冷坩埚法和区域熔炼法。 1、焰熔法［2］最早是1885年由弗雷米（E. Fremy）、弗尔（E. Feil）和乌泽（Wyse）一起，利用氢氧火焰熔化天然的红宝石粉末与重铬酸钾而制成了当时轰动一时的“日内瓦红宝石”。后来于1902年弗雷米的助手法国的化学家维尔纳叶（V erneuil）改进并发展这一技术使之能进行商业化生产。因此，这种方法又被称为维尔纳也法。 1.1 基本原理焰熔法是从熔体中生长单晶体的方法。其原料的粉末在通过高温的氢氧火焰后熔化，熔滴在下落过程中冷却并在籽晶上固结逐渐生长形成晶体。 1.2 合成装置和过程：维尔纳叶法合成装置

振动器使粉料以一定的速率自上而下通过氢氧焰产生的高温区，粉体熔化后落在籽晶上形成液层，籽晶向下移动而使液层结晶。此方法主要用于制备宝石等晶体。 2、提拉法［2］提拉法又称丘克拉斯基法，是丘克拉斯基(J.Czochralski)在1917年发明的从熔体中提拉生长高质量单晶的方法。2O世纪60年代，提拉法进一步发展为一种更为先进的定型晶体生长方法——熔体导模法。它是控制晶体形状的提拉法，即直接从熔体中拉制出具有各种截面形状晶体的生长技术。它不仅免除了工业生产中对人造晶体所带来的繁重的机械加工，还有效的节约了原料，降低了生产成本。 2.1、提拉法的基本原理提拉法是将构成晶体的原料放在坩埚中加热熔化，在熔体表面接籽晶提拉熔体，在受控条件下，使籽晶和熔体的交界面上不断进行原子或分子的重新排列，随降温逐渐凝固而生长出单晶体。 2.2、合成装置和过程提拉法装置首先将待生长的晶体的原料放在耐高温的坩埚中加热熔化，调整炉内温度场，使熔体上部处于过冷状态；然后在籽晶杆上安放一粒籽晶，让籽晶接触熔体表面，待籽晶表面稍熔后，提拉并转动籽晶杆，使熔体处于过冷状态而结晶于籽晶上，在不断提拉和旋转过程中，生长出圆柱状晶体。在提拉法制备单晶时，还有几种重要的技术：（1）、晶体直径的自动控制技术：上称重和下称重；（2）、液封提拉技术，用于制备易挥发的物质；（3）、导模技术。

(王启亮)高速生长CVD金刚石单晶

高速生长CVD金刚石单晶及应用王启亮，吕宪义，成绍恒，张晴，李红东*，邹广田 (吉林大学超硬材料国家重点实验室，长春 130012 ) Email: hdli@https://www.360docs.net/doc/e39411298.html, 摘要：本文简要地介绍了近年来国内外CVD金刚石单晶的高速生长和应用进展。我们的实验中，采用微波等离子体化学气相沉积（CVD）方法，同质外延高速生长金刚石单晶，通过改变反应腔压强、反应气氛（在CH4/H2中引入氮气N2、二氧化碳CO2、氧气O2、）等，调制单晶生长速率、质量、颜色、表面粗糙度、光谱等特性。利用高温氢等离子体进行退火，可使金刚石单晶的颜色有了很大的改善。我们研制了CVD金刚石单晶刀具，用于金属材料的曲面镜面加工。关键词：高速生长；CVD；金刚石单晶；退火；金刚石工具 High-rate Growth of CVD Single-crystal Diamond and Application WANG Qi-liang, LV Xian-yi, CHENG Shao-heng, ZHANG-Qing, LI Hong-dong*, ZOU Guang-tian (State Key Laboratory of Superhard Materials, Jilin University, Changchun 130012) Abstract: In this paper, we briefly review the resent great improvements achieved for the high rate growth and applications of CVD single-crystal diamonds (SCDs). We have investigated the high rate homoepitaxial growth of SCDs dependent on reaction pressure, atmosphere (introducing the gaseous N2, O2, and/or CO2in H2/CH4) by microwave plasma CVD. The growth rate, the quality, color, surface roughness, and photoluminescence properties are efficiently controlled. Annealing by hydrogen plasma, the color of the SCDs has been great improved. We developed a CVD SCD cutter using for the curved mirror face polishing of metallic material. Keywords: High-rate growth; CVD; Single-crystal diamond; Annealing; Diamond cutter 1 引言金刚石是已知自然界中最硬的材料，具有很多优异的特性，如：宽带隙、低的介电常数、室温下最高的热导率、极低的热膨胀系数和极佳的化学稳定性等等，是一种非常重要的功能材料，在微电子、光电子、生物医学、机械、航空航天和核能等高新技术领域中具有很好的应用前景，特别是金刚石单晶，由于其缺陷少、品质高，在某些应用领域具有不可替代的作用。但是，天然的金刚石单晶（特别是较大尺寸，晶型、取向等符合应用要求的单晶）在自然界中十分稀少，价格昂贵。高温高压法是人工合成金刚石单晶的重要方法，尽管其产量高，但是单粒的尺寸较小，而大尺寸单晶的获得对设备稳定性、实验参数等要求十分苛刻。另外高温高压法合成的单晶可能含有触媒等杂质，并且无法有效地进行半导体掺杂。在20世纪80年代初利用化学气相沉积(CVD)生长金刚石多晶膜，经二十多年的发展，相关技术已经十分成熟。同时，人们也开始了同质外延CVD金刚石单晶的研究，但是由于人们使用的生长条件与沉积多晶膜的条件相近，因而CVD金刚石单晶的进展较慢，生长速率基本在

半导体的基本特性

半導體的基本特性自然界的物質依照導電程度的難易，可大略分為三大類：導體、半導體和絕緣體。顧名思義，半導體的導電性介於容易導電的金屬導體和不易導電的絕緣體之間。半導體的種類很多，有屬於單一元素的半導體如矽（Si）和鍺（Ge），也有由兩種以上元素結合而成的化合物半導體如砷化鎵（GaAs）和砷磷化鎵銦（GaxIn1-xAsyP1-y）等。在室溫條件下，熱能可將半導體物質內一小部分的原子與原子間的價鍵打斷，而釋放出自由電子並同時產生一電洞。因為電子和電洞是可以自由活動的電荷載子，前者帶負電，後者帶正電，因此半導體具有一定程度的導電性。電子在半導體內的能階狀況，可用量子力學的方法加以分析。在高能量的導電帶內（Ec以上），電子可以自由活動，自由電子的能階就是位於這一導電帶內。最低能區（Ev以下）稱為「價帶」，被價鍵束縛而無法自由活動的價電子能階，就是位於這一價帶內。導電帶和價帶之間是一沒有能階存在的「禁止能帶」（或稱能隙，Eg），在沒有雜質介入的情況下，電子是不能存在能隙裡的。在絕對溫度的零度時，一切熱能活動完全停止，原子間的價鍵完整無損，所有電子都被價鍵牢牢綁住無法自由活動，這時所有電子的能量都位於最低能區的價帶，價帶完全被價電子占滿，而導電帶則完全空著。價電子欲脫離價鍵的束縛而成為自由電子，必須克服能隙Eg，提升自己的能階進入導電帶。熱能是提供這一能量的自然能源之一。近導電帶，而游離後的施體離子則帶正電。這種半導體稱為n型半導體，其費米能階EF比較靠近導電帶。一般n型半導體內的電子數量遠比電洞為多，是構成電流傳導的主要載子（或稱多數載子）。

1. 導電性介於導體和半導體之間的物體,稱為半導體 2. 此物體需要高溫和高電量才能通電的物體. 3.在溫度是0和電導率是0,當溫度上升後,價能帶內的電子,由於熱激發躍進到導帶,致使導帶內充滿一些電子,導電率隨之增加----------這就是半導體. #半導體的特性: 1. 溫度上升電阻下降的特性 2. 整流效應 3 光伏特效應 4. 光電導效應

宝石级人造钻石(大颗粒单晶金刚石)的设备介绍----MPCVD新型的方法

宝石级人造钻石（大颗粒单晶金刚石）的设备介绍----MPCVD新型的方法介绍CVD金刚石设备，主要为微波CVD设备，是被公认的能够制备高品级的大颗粒金刚石和大面积金刚石厚膜。有需要CVD设备，主要提供1 kW 5 kW 8 kW 微波等离子体CVD 设备，也欢迎咨询！目前化学气相沉积（CVD）法制备金刚石主要有：热丝CVD，直流电弧CVD，微波等离子体CVD。这些方法在本质上都是用某种形式的能量来激励和分解含碳化合物气体分子,并在一定条件下使金刚石在基片表面成核和生长。用于刀具涂层的热丝设备能够工业化得直流设备能够制备高品级钻石的微波设备热丝CVD 直流 CVD 微波CVD 各自的内部结构图，可以发现三者就是激发等离子体的方式不一样，有各自的优缺点做出来的金刚石的质量也是不一样的哦，看对比就知道了

热丝主要用于刀具涂层上直流法生长不够稳定微波法最好，但是耗资较大三者对比可是看的出来的哦，三种方法做出来的东西就是不一样的因此，只有微波法能做出高品级金刚石！

直接看看微波CVD金刚石的应用就知道好了：光学级金刚石能够应用到各个领域更重要的是，可以做钻石的！

apollo公司生产0.28-0.67克拉的粉红CVD钻石，目前无色钻石最大可达16克拉微波等离子体化学气相沉积法(MPCVD)是制备高品质金刚石膜的首选方法。主要优点为：无内部电极,可避免电极放电污染;运行气压范围宽; 能量转换效率高;可以产生大范围的高密度等离子体;微波和等离子体参数均可方便地控制等. 所以,它是制备大面积均匀、无杂质污染的高质量金刚石膜的有开发前景的重要方法. MPCVD 装置通常分为微波系统、等离子体反应室、真空系统和供气系统等四大部分. 微波系统包括微波功率源、环行器、水负载、阻抗调配器,有时还包括测量微波入射和反射功率的定向耦合器及功率探头和显示仪表. 微波频率通常选用工业用加热频段的2. 45GHz. 真空和统由真空泵、真空阀门和真空测量仪器(包括真空规管和显示仪器) 组成. 供气系统由气源、管道和控制气体流量的阀和流量计等组成. 这三个部分各自都是通用型的,可以适用于各种类型的MPCVD 装置和其他用途的实验装置. 等离子体反应室包括微波与等离子体的耦合器、真空沉积室以及基片台等. 不同类型的PCVD 装置的区别在于等离子体反应室形式的不同. 从真空沉积室的形式来分,有石英管式、石英钟罩式和带有微波窗的金属腔体式. 从微波与等离子体的耦合方式分,有表面波耦合式、直接耦合式和天线耦合式. 在过去的20年里，金刚石膜MPCVD装置经历了从早期的石英管、石英钟罩式，到后期的圆柱谐振腔式、椭球谐振腔式以及圆周天线式(CAP)谐振腔的发展。下面一一进行介绍： 1. 直接耦合石英管式MPCVD装置的结构装置图

含硼金刚石单晶制备的研究进展

含硼金刚石单晶制备的研究进展1 李和胜1,2，李木森1,2，周贵德2 1山东大学材料科学与工程学院，济南，250061 2山东超硬材料工程技术研究中心，邹城，273500 摘要：本文主要总结了目前国内生产含硼金刚石单晶的六种方法，分析了他们各自的优缺点，指出了下一步含硼金刚石单晶制备工艺的研究方向和研究重点。关键词：含硼金刚石；金刚石单晶；制备工艺 1. 引言自从上世纪五十年代人类首次合成出金刚石以来，人造金刚石工业经历了五十年的蓬勃发展[1，2]。人造金刚石一经产生就在机械、地质、石油、建材等领域得到了广泛的应用。随着人造金刚石理论研究的深入，人造金刚石的应用领域不断扩大，品种越来越多，其性能也越来越优异[3，4]。近来，掺杂金刚石所具有的半导体特性日益成为人造金刚石工业研究的热点[5～9]。金刚石的禁带很宽，热导率极高，击穿电场强，很适于制造高温、高压、大功率和强辐射条件下工作的半导体材料与器件。并且它从紫外到远红外很宽的波长范围内具有很高的光谱透射性能，是大功率红外激光器和探测器的理想材料。同时它又具有抗酸、抗碱、抗各种腐蚀性介质侵蚀的性能，是优良的耐蚀材料。它集力学、电学、热学、声学、光学、耐蚀等优异性能于一身，是目前最有发展前途的半导体材料之一,在微电子、光电子、生物医学、机械、航空航天、核能等高新技术领域中可望有极佳的应用前景[5]。在已知的半导体材料中，掺杂金刚石具有最高的硬度，热导率和传声速度，小的介电常数，高的介电强度，既是电的绝缘体，又是热的良导体。同时，金刚石空穴迁移率很高,掺杂后即可成为优良的p型半导体或者n 型半导体（目前n 型金刚石半导体的低温低压合成工艺已经取得一定进展，但用来做半导体器件仍存在一些需研究解决的问题），并且，对可见光和红外辐射透明。所有这一切使半导体金刚石成为目前最有发展前途的电子材料。金刚石在晶体结构和能带结构上与常见半导体材料十分相似，但其原子半径和晶格常数较小，禁带宽度大，因此许多杂质原子在金刚石中溶解度很低，这给金刚石的掺杂带来很大困难。由于硼原子半径较小，所以含硼金刚石半导体的研究取得了较大进展[6]。如何采用较为低廉的原料以及较为简便的方法合成出优质的含硼金刚石，并进一步对其半导体特性进行 1 本课题得到教育部博士点专项科研基金（编号：20020422035）和国家自然科学基金（编号：50372035和50371048）的资助。 - 1 -

单晶硅片制作工艺流程

单晶硅电磁片生产工艺流程 ?1、硅片切割，材料准备： ?工业制作硅电池所用的单晶硅材料，一般采用坩锅直拉法制的太阳级单晶硅棒，原始的形状为圆柱形，然后切割成方形硅片（或多晶方形硅片），硅片的边长一般为10~15cm，厚度约200~350um，电阻率约1Ω.cm的p型（掺硼）。 ?2、去除损伤层： ?硅片在切割过程会产生大量的表面缺陷，这就会产生两个问题，首先表面的质量较差，另外这些表面缺陷会在电池制造过程中导致碎片增多。因此要将切割损伤层去除，一般采用碱或酸腐蚀，腐蚀的厚度约10um。 ? ? 3、制绒： ?制绒，就是把相对光滑的原材料硅片的表面通过酸或碱腐蚀，使其凸凹不平，变得粗糙，形成漫反射，减少直射到硅片表面的太阳能的损失。对于单晶硅来说一般采用NaOH加醇的方法腐蚀，利用单晶硅的各向异性腐蚀，在表面形成无数的金字塔结构，碱液的温度约80度，浓度约1~2%，腐蚀时间约15分钟。对于多晶来说，一般采用酸法腐蚀。 ? 4、扩散制结：

?扩散的目的在于形成PN结。普遍采用磷做n型掺杂。由于固态扩散需要很高的温度，因此在扩散前硅片表面的洁净非常重要，要求硅片在制绒后要进行清洗，即用酸来中和硅片表面的碱残留和金属杂质。 ? 5、边缘刻蚀、清洗： ?扩散过程中，在硅片的周边表面也形成了扩散层。周边扩散层使电池的上下电极形成短路环，必须将它除去。周边上存在任何微小的局部短路都会使电池并联电阻下降，以至成为废品。目前，工业化生产用等离子干法腐蚀，在辉光放电条件下通过氟和氧交替对硅作用，去除含有扩散层的周边。扩散后清洗的目的是去除扩散过程中形成的磷硅玻璃。 ? 6、沉积减反射层： ?沉积减反射层的目的在于减少表面反射，增加折射率。广泛使用PECVD淀积SiN ,由于PECVD淀积SiN时,不光是生长SiN 作为减反射膜,同时生成了大量的原子氢,这些氢原子能对多晶硅片具有表面钝化和体钝化的双重作用,可用于大批量生产。 ? 7、丝网印刷上下电极： ?电极的制备是太阳电池制备过程中一个至关重要的步骤，它不仅决定了发射区的结构，而且也决定了电池的串联电阻和电

Ⅱb型金刚石单晶的制备和半导体特性研究进展

!!型金刚石单晶的制备和半导体特性研究进展 ! 宫建红"，李木森"，许#斌"，$ ，尹龙卫"，崔建军" （"%山东大学材料科学与工程学院，山东济南$&’’"(；$%山东建筑工程学院材料科学与工程系，山东济南$&’’")）摘#要：#!!型金刚石由于具有极佳的半导体性能，适合于制造高性能电力电子器件，可以在更高的温度和恶劣的环境下正常工作，是一种有发展前途的高温、大功率半导体材料。本文从结构、合成方法、半导体特性和应用等方面阐述了!!型半导体金刚石的研究现状，在此基础上提出了今后的研究方向。关键词：#人造金刚石；半导体性能；硼中图分类号：#*+,’)####文献标识码：-文章编号："’’"./0,"（$’’,）’(.’($$.’) "#引#言近年来人造金刚石的生产及应用技术发展很快，金刚石及其制品不仅广泛应用于机械、电子、地质、冶金、石油、建工、建材、化工、轻工、水电、交通、国防等各个工业技术领域，而且已拓展到高性能耐热件、耐蚀件、导热元件和芯片等极端条件下的重要领域。 !!型金刚石（掺杂元素是硼）具有禁带宽、击穿场强高、载流子迁移率高、介电常数低和导热性能好等优异的半导体性能，同时由于金刚石具有化学性能稳定性好、高硬度、耐磨性和抗辐射能力强等特点，特别适合制造可以在更高的温度和恶劣的环境下工作的高性能电力电子器件，是一种有发展前途的高温、大功率半导体材料，因而越来越受到人们的重视［"1,］。高温高压方法合成的金刚石单晶尺寸小、制备困难、难以加工，用其制造电子器件更是不易。国内外大多数学者侧重于对 234法获得的半导体金刚石的研究［)10］，而对半导体金刚石单晶的研究则较少。但是，目前我国的人造金刚石主要是在高温高压条件下合成的，单晶的粒度、品质越来越高，应用也不断拓宽。对于具有半导体性质的!!型金刚石在高温高压条件下的合成工艺及其半导体特性的研究不仅具有重要的学术意义，而且有很高的实际应用价值。本文综述了高温高压下合成的!!型金刚石的微观结构、合成方法、半导体特性和应用等方面的最新研究进展，并在此基础上提出了该研究领域今后的发展方向。 $#!!型金刚石的结构 $%"#金刚石的分类与性质金刚石可分为"型和!型两类，这两类金刚石又可分为5、!两个亚类。公认的分类依据是杂质（如氮等）含量和存在形式及某些物理性质的不同［6，/］。"5型金刚石通常为无色或黄色，含氮在每立方厘米"’$’个原子以上，并且氮以片状形式存在，片状氮影响了金刚石的光学和热学性质，但使其机械强度得以提高，约/67的天然金刚石属于此类。"!型金刚石的固有颜色为黄色，含氮量为每立方厘米"’"01"’$’个原子，氮出现在孤立的替位格点上，以分散形式存在。其强度不如"5型高，大部分人造金刚石属于此类。!5型金刚石氮的浓度较低（8每立方厘米"’"0个原子），通常为无色，具有优良的热学和光学性能，天然金刚石中约有$7属于此类。!!型金刚石中硼为主要杂质，通常为蓝色或黑色，自然界中非常少见。 "型和!5型金刚石都是绝缘体。而!!型金刚石具有半导体性质，天然!!型金刚石是9型半导体，但数量极少，:型半导体金刚石在自然界中不存在［"’］。由于杂质的不同使其各自的红外吸收特征也有差异［""］。金刚石的分类及其相关特征见表"。表"#金刚石的分类及相关特征 *5!;<"2<5==>?>@5A>B:5:C AD;>E @D5E5@A;E=B?AD;C>5FB:C 材料类型颜色杂质（个G @F ,）来##源性##能导电性红外吸收特征（@F H "）电阻!（#?@F ）"5黄色或无色 +I "’$’约/67的天然金刚石机械强度高绝缘体""0&1"$"& I "’"("! 黄色+："’"01"’$’ 大部分人造金刚石热学和光学性能优绝缘体"",’I "’"(!5无色+8"’"0 约$7的天然金刚石热学和光学性能优绝缘体+B:;I "’"(!! 蓝色或黑色 J 人造或天然金刚石K J 半导体性能佳半导体 ",’’ "’1"’, $%$#!!型金刚石的结构碳原子既可以LM $$杂化状态相互作用而形成石墨结构，又可以LM , 杂化状态相互作用而形成金刚石结构。由于它们内部碳原子的杂化状态和相互作用的规律不同，造成石墨与金刚石的结构和性能不同。在一定条件下，石墨结构中的碳原子的LM $$杂化状态可以转化为LM ,杂化状态，从而使石墨变成金刚石［"$］。文献［",］指出用含硼触媒（或含硼石墨）合成金刚石时，石墨晶粒在高温高压下转变成金刚石晶粒后，溶解在触媒（或石墨）中的碳原子和硼原子都可以扩散出来与晶粒表面上的碳原子相联结。由于硼原子的半径（’%’6&:F ）比碳原子的半径（’%’((:F ）大，不容易进到金刚石内部去，所以大部分都集中在表面上而形成硼原子层。这样合成的含硼金刚石硼原子不是均匀分布的，而是表面多，里面少，当硼原子足够多时，就可以把整个金刚石 $$($’’,年第(期（,)）卷 !基金项目：国家自然科学基金资助项目（&/(,"’(’）收稿日期： $’’$."".’)###通讯作者：宫建红作者简介：宫建红#（"/06H ），女，山东潍坊人，在读硕士，师承李木森教授，从事超硬材料合成与应用方面的研究。万方数据

单晶制备方法综述概要

课程论文题目单晶材料的制备方法综述学院材料科学与工程学院专业材料学姓名刘聪学号S150******** 日期2015.11.01 成绩

单晶材料的制备方法综述前言：单晶(single crystal)，即结晶体内部的微粒在三维空间呈有规律地、周期性地排列，或者说晶体的整体在三维方向上由同一空间格子构成，整个晶体中质点在空间的排列为长程有序。单晶整个晶格是连续的，具有重要的工业应用。因此对于单晶材料的的制备方法的研究已成为材料研究的主要方向之一。本文主要对单晶材料制备的几种常见的方法进行介绍和总结。单晶材料的制备也称为晶体的生长，是将物质的非晶态、多晶态或能够形成该物质的反应物通过一定的化学的手段转变为单晶的过程。单晶的制备方法通常可以分为熔体生长、溶液生长和相生长等［1］。一、从熔体中生长单晶体从熔体中生长晶体的方法是最早的研究方法，也是广泛应用的合成方法。从熔体中生长单晶体的最大优点是生长速率大多快于在溶液中的生长速率。二者速率的差异在10-1000倍。从熔体中生长晶体的方法主要有焰熔法、提拉法、冷坩埚法和区域熔炼法。 1、焰熔法［2］最早是1885年由弗雷米（E. Fremy）、弗尔（E. Feil）和乌泽（Wyse）一起，利用氢氧火焰熔化天然的红宝石粉末与重铬酸钾而制成了当时轰动一时的“日内瓦红宝石”。后来于1902年弗雷米的助手法国的化学家维尔纳叶（Verneuil）改进并发展这一技术使之能进行商业化生产。因此，这种方法又被称为维尔纳也法。 1.1 基本原理焰熔法是从熔体中生长单晶体的方法。其原料的粉末在通过高温的氢氧火焰后熔化，熔滴在下落过程中冷却并在籽晶上固结逐渐生长形成晶体。 1.2 合成装置和过程：

半导体FAB里基本的常识简介

CVD 晶圆制造厂非常昂贵的原因之一，是需要一个无尘室，为何需要无尘室答：由于微小的粒子就能引起电子组件与电路的缺陷何谓半导体? 答：半导体材料的电传特性介于良导体如金属(铜、铝，以及钨等)和绝缘和橡胶、塑料与干木头之间。最常用的半导体材料是硅及锗。半导体最重要的性质之一就是能够藉由一种叫做掺杂的步骤刻意加入某种杂质并应用电场来控制其之导电性。常用的半导体材料为何答：硅(Si)、锗(Ge)和砷化家(AsGa) 何谓VLSI 答：VLSI(Very Large Scale Integration)超大规模集成电路在半导体工业中，作为绝缘层材料通常称什幺答：介电质(Dielectric) 薄膜区机台主要的功能为何答：沉积介电质层及金属层何谓CVD(Chemical Vapor Dep.) 答：CVD是一种利用气态的化学源材料在晶圆表面产生化学沉积的制程 CVD分那几种? 答：PE-CVD(电浆增强型)及Thermal-CVD(热耦式) 为什幺要用铝铜(AlCu)合金作导线? 答：良好的导体仅次于铜介电材料的作用为何? 答：做为金属层之间的隔离何谓PMD(Pre-Metal Dielectric) 答：称为金属沉积前的介电质层，其界于多晶硅与第一个金属层的介电质何谓IMD(Inter-Metal Dielectric) 答：金属层间介电质层。何谓USG? 答：未掺杂的硅玻璃(Undoped Silicate Glass) 何谓FSG? 答：掺杂氟的硅玻璃(Fluorinated Silicate Glass) 何谓BPSG? 答：掺杂硼磷的硅玻璃(Borophosphosilicate glass) 何谓TEOS? 答：Tetraethoxysilane用途为沉积二氧化硅 TEOS在常温时是以何种形态存在? 答：液体二氧化硅其K值为3.9表示何义答：表示二氧化硅的介电质常数为真空的3.9倍氟在CVD的工艺上，有何应用答：作为清洁反应室(Chamber)用之化学气体简述Endpoint detector之作用原理. 答：clean制程时,利用生成物或反应物浓度的变化,因其特定波长光线被detector 侦测到强度变强或变弱,当超过某一设定强度时,即定义制程结束而该点为endpoint.

半导体物理---PN结习题

PN 结作业题 1、 For a silicon step pn junction, the n side has a net doping of 183210D N cm -=? and the p side has a net doping of 153510A N cm -=?. (1) Find the junction width. (2) Find the widths of the n side of the depletion region and the p side of the depletion region . (3) What is the built-in voltage? 2、对GaAs 材料突变PN 结，完成第1题给出的计算要求。 3、(1) 如果PN 结的N 区长度远大于L p , P 区长度为W p , 而且P 区引出端处少数载流子电子的边界浓度一直保持为0,请采用理想模型推导该PN 结电流-电压关系式的表达形式(采用双曲函数表示) (2) 若P 区长度远小于n L ,该PN 结电流-电压关系式的表达形式将简化为什么形式? (3) 若P 区长度远小于n L ,由上述（2）的结果推导PN 结总电流中()n p I x -和 ()p n I x 这两个电流分量之比的表达式? (4) 如果希望提高比值()/()n p p n I x I x -, 应该如何调整掺杂浓度A N 和D N 的大小? 提示: 两个区域可以分别采用两个坐标系，将坐标原点分别位于势垒区两个边界处，可以大大简化推导过程中的表达式 4．已知描述二极管直流特性的三个电流参数是S I ＝1410-A 、SR I ＝1110-A 、KF I ＝0.1A 。请采用半对数坐标纸，绘制正偏情况下理想模型电流，势垒区复合电流和特大注入电流这三种电流表达式的I －V 曲线，并在此基础上绘制实际二极管电流随电压变化的曲线。（提示：特大注入条件下，?? ? ??=KT eVa I I I 2exp KF S ） 5、A one-side step n p +junction diode with 17310a N cm -= and 19310d N cm -=has a junction area of 2100m μ. It is known that, for the minority carrier, 6310n s τ-=?, 220/n D cm s = (1) Please compare the junction capacitance and the diffusion capacitance under reverse bias (5a V V =-) (2) Compare the junction capacitance and the diffusion capacitance under forward bias (0.75a V V =+)

材料常用制备方法

材料常用制备方法集团标准化工作小组 [Q8QX9QT-X8QQB8Q8-NQ8QJ8-M8QMN]

材料常用制备方法一．晶体生长技术 1．熔体生长法【melt growth method】（将欲生长晶体的原料熔化，然后让熔体达到一定的过冷而形成单晶）提拉法特点：a. 可以在短时间内生长大而无错位晶体 b.生长速度快，单晶质量好 c.适合于大尺寸完美晶体的批量生产坩埚下降法特点：装有熔体的坩埚缓慢通过具有一定温度梯度的温场，开始时整个物料熔融，当坩埚下降通过熔点时，熔体结晶，随坩埚的移动，固液界面不断沿坩埚平移，至熔体全部结晶。区熔法特点：a.狭窄的加热体在多晶原料棒上移动，在加热体所处区域，原料变成熔体，该熔体在加热器移开后因温度下降而形成单晶 b.随着加热体的移动，整个原料棒经历受热熔融到冷却结晶的过程，最后形成单晶棒 c.有时也会固定加热器而移动原料棒焰熔法特点：a.能生长出很大的晶体（长达1m） b.适用于制备高熔点的氧化物 c.缺点是生长的晶体内应力很大液相外延法优点：a.生长设备比较简单； b.生长速率快； c.外延材料纯度比较高； d.掺杂剂选择范围较广泛； e.外延层的位错密度通常比它赖以生长的衬底要低； f.成分和厚度都可以比较精确的控制，重复性好；操作安全。缺点：a.当外延层与衬底的晶格失配大于1%时生长困难； b.由于生长速率较快，难得到纳米厚度的外延材料； c.外延层的表面形貌一般不如气相外延的好。 2. 溶液生长法【solution growth method】(使溶液达到过饱和的状态而结晶) 水溶液法原理：通过控制合适的降温速度，使溶液处于亚稳态并维持适宜的过饱和度，从而结晶水热法【Hydrothermal Method】特点：a. 在高压釜中，通过对反应体系加热加压（或自生蒸汽压），创造一个相对高温高压的反应环境，使通常难溶或不溶的物质溶解而达到过饱和、进而析出晶体