半导体材料硅和锗的化学制备
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第一节半导体金刚石的制备及应用第二节低维半导体材料及应用第三节有机半导体材料（一）教学方法与学时分配按照教材中的内容，通过板书和ppt进行讲解。
锗的制备方法
锗的制备方法锗是一种重要的半导体材料，广泛应用于电子、光电子和太阳能电池等领域。
本文介绍了几种常见的锗的制备方法，包括锗的提纯、单晶生长和薄膜制备等。
下面是本店铺为大家精心编写的3篇《锗的制备方法》，供大家借鉴与参考，希望对大家有所帮助。
《锗的制备方法》篇1一、锗的提纯锗的提纯主要有以下几种方法:1. 离子交换法：利用锗离子选择性强的阳离子交换树脂，将锗从含有锗的矿物中提取出来。
然后再通过电解法将锗离子还原成锗金属。
2. 气相法：将含有锗的矿物与氢气一起加热，使锗转化为挥发性锗氢化物。
然后将锗氢化物通过冷凝器冷却回收，再通过氢气还原法将锗氢化物还原成锗金属。
3. 湿法冶金法：将含有锗的矿物与硫酸、硝酸等强酸一起加热，使锗转化为水溶性的锗化合物。
然后通过离子交换、电解等方法将锗提取出来。
二、锗单晶生长锗单晶生长主要有以下几种方法:1. 直拉法 (Czochralski 法):将多晶锗加热融化，然后通过一个叫做“晶圆炉”的设备，将熔融的锗液体上升到一个细长的晶圆坩埚中。
在晶圆坩埚中，锗液体会慢慢凝固成晶体，然后慢慢被拉出成长为锗单晶。
2. 悬浮区熔法：将多晶锗加热融化，然后在一个高温高压下，将融化的锗通过一个叫做“悬浮区熔炉”的设备，使其在熔体中形成一个稳定的熔体区域。
在这个熔体区域内，锗原子可以自由移动，形成单晶。
三、锗薄膜制备锗薄膜制备主要有以下几种方法:1. 化学气相沉积法 (CVD 法):将锗前驱体气体引入一个反应室中，通过加热反应室和控制反应条件，使锗前驱体气体在基底表面发生化学反应，形成锗薄膜。
2. 溅射法：将锗靶材放置在真空腔中，通过加热靶材和控制真空腔中的气体压力，使锗靶材上的锗原子被溅射到基底表面，形成锗薄膜。
《锗的制备方法》篇2锗的制备方法主要有以下几种：1. 锗的矿物提取法：锗主要存在于硫化物矿物中，如闪锌矿、方铅矿、辉锑矿等。
将含有锗的矿物原料经过破碎、磨粉、选矿等工艺，得到含锗的精矿。
第1章 硅和锗的化学制备
第一章硅和锗的化学制备第章和锗的化学制备§1-1 硅和锗的物理化学性质1、Si和Ge的物理性质Si、Ge——元素周期表中第Ⅳ族元素Si——银白色Ge——灰色二者熔体密度比固体密度大，故熔化后会体积收缩（锗收缩5.5%，而硅大约收缩10%）55%而硅大约收缩符硅锗性质号单位原子序数Z1432原子量W28.0872.60原子密度 5.22×1022 4.42×1022个/cm3晶体结构金刚石型金刚石型晶格常数a0.54310.5657nm密度d 2.329 5.323g/cm3熔点T1417937℃m沸点T b26002700℃热导率χ 1.570.60W/cm℃W/cm·比热C P0.69500.3140J/g· ℃线热胀系数α 2.33×10 5.75×10cm℃233-6575-6cm·-1性质符号硅锗单位熔化潜热Q 3956534750J/mol 冷凝时膨胀d v+9.0+5.5%介电常数ε11.716.3禁带宽度1153075（0K ）E g 1.1530.75eV (300 K) 1.1060.67eV 电子迁移率13503900/V μn cm 2/V·s 空穴迁移率μP 4801900cm 2/V·s 电子扩散系数D n 34.6100.0cm 2/s 空穴扩散系数D P 12.348.7cm 2/s 本征电阻率p i 2.3×10546.0Ω·cm 本征载流子密度n 1.5×1010 2.4×1013cm -34i 杨氏摸量E1.9×107N/cm 2从硅锗的主要物理性质可以看出：1、硅的禁带宽度比锗大，电阻率比锗大四个数量级，Si 可用做高压器件，且工作温度比锗器件高；器件高2、锗的迁移率比硅大，可做低压大电流和高频器件。
2、Si和Ge的化学性质室温下，硅、锗的化学性质比较稳定，但可与强酸、强碱作用。
sige bicmos工艺技术
sige bicmos工艺技术单栅双极Sige BiCMOS工艺技术是一种结合了硅锗合金(SiGe)半导体材料和双极材料的射频(RF)集成电路工艺。
SiGe BiCMOS可以提供更高的频率、更低的功耗和更大的集成度，被广泛应用于无线通信、雷达和卫星应用等领域。
SiGe是一种半导体合金材料，由硅(Si)和锗(Ge)组成。
相比于传统的硅材料，SiGe具有更高的迁移率和较低的击穿电压，有利于提高射频性能。
由于SiGe具有良好的线性特性和热稳定性，能够提供更低的功耗和更高的工作温度范围。
BiCMOS则是双极/CMOS的缩写，是集成了双极晶体管和CMOS晶体管的一种混合工艺。
相比于纯CMOS工艺，BiCMOS具有更好的线性特性和更高的驱动能力，适用于高频率和高功率应用。
在SiGe BiCMOS工艺中，首先需要制备SiGe材料。
SiGe可以通过分子束外延(MBE)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)等方法生长在硅衬底上。
然后，通过光刻、干法刻蚀等步骤，将SiGe材料中的双极晶体管和CMOS晶体管的结构定义出来。
SiGe BiCMOS工艺中的双极晶体管主要用于放大、混频和振荡等射频应用。
SiGe材料的高迁移率可以提供更好的放大倍数和更低的噪声系数，在射频电路中起到关键作用。
同时，双极晶体管具有较高的转导/干控制电流比，能够实现更高的电压放大比和更大的驱动能力。
CMOS晶体管则用于数字逻辑、时钟和控制等功能。
通过调整CMOS晶体管的尺寸和工作电压，可以实现低功耗和高集成度。
CMOS晶体管的特点是低功耗、低噪声和高可靠性，适用于数字信号处理和时钟电路等应用。
SiGe BiCMOS工艺还可以实现器件的集成度和工作频率的提高。
SiGe BiCMOS可以采用多层金属互连、多晶硅技术等手段，实现电路的布线和互连。
同时，SiGe BiCMOS还可以实现复杂的射频功能模块的集成，如滤波器、功率放大器和混频器等。
总之，SiGe BiCMOS工艺技术是一种结合了硅锗合金和双极材料的射频集成电路工艺，具有更高的频率、更低的功耗和更大的集成度。
锗提取工艺
锗是一种晶体硅锗合金材料，由硅、锗、磷等元素组成，具有半导体特性，被广泛应用于电子、光电和半导体领域。
锗提取工艺一般包括以下步骤：
1. 原料准备。
根据化学计量比例混合硅、锗、磷原料，然后将混合物进行破碎、筛分、洗涤等处理，得到粒度均匀的粉末。
2. 碳化炉反应。
将准备好的粉末装入碳化炉，并加入适量的氮气或氩气，使其在高温下进行反应，生成锗单质和碳化硅等产物。
3. 硼掺杂。
将生成的锗单质和碳化硅等材料进行混合，然后在一定条件下加入掺杂剂（如硼），进行掺杂处理。
4. 石墨坩埚熔炼。
将掺杂后的材料装入石墨坩埚中，在高温条件下进行熔炼处理，得到具有晶体结构的锗体。
5. 检测和加工。
对生成的锗体进行检测和测试，检查其性能是否符合要求，并进行裁切和打磨等加工，得到符合规格的锗体材料。
需要注意的是，锗体取工艺要求设备精度高，工艺流程严谨，操作技术熟练，且除尘排放等环保问题也需要得到重视。
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12. *区熔提纯: 利用分凝现象将物料局部熔化形成狭窄的熔区，并令其沿锭长 从一端缓慢地移动到另一端，重复多次（多次区熔）使杂质被集中在尾部或 头部，进而达到使中部材料被提纯。
第三章、晶体生长
一、 名次解释： ⑴均匀成核：在亚稳定相中空间个点出现稳定相的几率相等的成核过程，是在体
第一章硅、锗的化学制备
㈠ 比较三氯氢硅氢还原法和硅烷法制备高纯硅的优缺点?
答：1.SiHCl3氢还原法: 优点: 产量大、质量高、成本低，由于SiHCl3中有一个Si-H键，活泼易分 解，沸点低，容易制备、提纯和还原。 缺点：B、P杂质较难去除（基硼、基磷量），这是影响硅电学性能的主要 杂质。
2.硅烷法： 优点: 杂质含量小；无设备腐蚀；不使用还原剂；便于生长外延层。 缺点: 制备过程的安全性要求高。
O 之间发生一系列反应，在 450C°时 SiO 以最快的速度形成 SiO4，SiO4 是
一个正电中心，可以束缚一个电子，在室温下受热激发而使它电离出来参
与导电，SiO4 起施主作用，此种效应称为热施主效应。
⑥吸杂工艺：通过机械化学处理方法，在硅片的非电活性区引入缺陷，在热
处理时一些重金属杂质会 扩散并淀积在这些缺陷处，从而减少了这些有害
㈡ 制得的高纯多晶硅的纯度：残留的B、P含量表示（基硼、基磷量）。
㈢*精馏提纯：利用混合液中各组分的沸点不同来达到分离各组分的目的。
第二章、区熔提纯
1. 以二元相图为例说明什么是分凝现象？平衡分凝系数？有效分凝系数？
答：如图是一个二元相图，在一个系统中，当系统的温度为T0时，系统中有 固相和液相。由图中可知，固相中杂志含量Cs<CL（液相中杂志成分）。 1、 这种含有杂志的晶态物质熔化后再结晶时，杂志在结晶的固体和未 结晶的液体中浓度不同的现象叫做*分凝现象。 2、 在一定温度下，平衡状态时，杂质在固液两相中浓度的比值K0=CS/CL 叫作平衡分凝系数。 3、 为了描述界面处薄层中杂质浓度偏离对固相中的杂质浓度的影响， 把固相杂质浓度CS与熔体内部的杂质浓度CL0的比值定义为*有效分凝 系数。Keff=CS/CL0
单晶材料的制备方法介绍
单晶材料的制备方法介绍1. Czochralski法（CZ法）：CZ法是制备单晶材料最常用的方法之一、该方法适用于硅、锗等半导体材料的制备。
首先，将纯度较高的多晶材料放入石英坩埚中，加热至熔融状态。
然后，悬挂一根称为“种子”的单晶材料，在熔融液与种子的接触面上形成一层新的单晶材料。
接着，将种子缓慢提升，使新生长的单晶材料通过熔液与种子的接触面向上生长。
最终，可以获得一颗完整的单晶材料。
2.化学气相输送法（CVD法）：CVD法适用于制备金属、氧化物、氮化物等材料的单晶。
该方法需要使用金属有机化合物或氯化物等作为前体物质，以气体状态输送到反应室中。
在反应室中，前体物质被加热分解，产生含有金属元素或其化合物的气体。
随后，这些气体在合适的温度和压力下与基底反应，形成单晶生长。
3. 溶剂热法（Solvothermal法）：溶剂热法适用于制备氧化物、硫化物、硒化物等材料的单晶。
首先，在一个封闭的反应容器中，将反应物溶解在有机溶剂或水溶液中。
然后，将反应容器加热到合适的温度和压力，通过溶剂的溶解度变化促进物质的结晶。
最终，在反应容器中可以得到单晶材料。
4. 浸渍法（Dip Coating法）：浸渍法适用于制备薄膜的单晶材料。
首先，将基底材料浸入含有单晶前体物质的溶液中。
然后，缓慢提取基底材料，使溶液中的单晶前体物质逐渐沉积在基底上形成薄膜。
这个过程可以重复进行多次，以增加薄膜的厚度。
最后，通过热处理等方法使薄膜结晶，形成单晶材料。
5. 悬浮法（Floating Zone法）：悬浮法适用于制备高熔点材料的单晶。
首先，将反应材料加热至熔融状态。
然后，使用高温电子束或激光束加热材料，在熔液中形成一个高温区域。
在高温区域内，材料逐渐凝固并形成单晶。
通过慢慢移动高温区域，可以得到一颗完整的单晶材料。
以上是几种常用的单晶材料制备方法的简要介绍。
在实际制备过程中，需要结合具体的材料和要求来选择适合的方法，并对工艺参数进行优化，以获得高质量的单晶材料。
半导体材料（复习资料）
半导体材料（复习资料）半导体材料复习资料0:绪论1.半导体的主要特征：（1）电阻率在10-3 ~ 109 ??cm 范围（2）电阻率的温度系数是负的（3）通常具有很高的热电势（4）具有整流效应（5）对光具有敏感性，能产生光伏效应或光电导效应2.半导体的历史：第一代：20世纪初元素半导体如硅（Si）锗（Ge）；第二代：20世纪50年代化合物半导体如砷化镓（GaAs）铟磷（InP）；第三代：20世纪90年代宽禁带化合物半导体氮化镓（GaN）碳化硅（SiC）氧化锌（ZnO）。
第一章：硅和锗的化学制备第一节：硅和锗的物理化学性质１.硅和锗的物理化学性质１）物理性质硅和锗分别具有银白色和灰色金属光泽，其晶体硬而脆。
二者熔体密度比固体密度大，故熔化后会发生体积收缩（锗收缩5.5%，而硅收缩大约为10%）。
硅的禁带宽度比锗大，电阻率也比锗大4个数量级，并且工作温度也比锗高，因此它可以制作高压器件。
但锗的迁移率比硅大，它可做低压大电流和高频器件。
2）化学性质（1）硅和锗在室温下可以与卤素、卤化氢作用生成相应的卤化物。
这些卤化物具有强烈的水解性，在空气中吸水而冒烟，并随着分子中Si(Ge)?H键的增多其稳定性减弱。
（2）高温下，化学活性大，与氧，水，卤族(第七族)，卤化氢，碳等很多物质起反应，生成相应的化合物。
注：与酸的反应（对多数酸来说硅比锗更稳定）；与碱的反应（硅比锗更容易与碱起反应）。
2.二氧化硅（SiO2）的物理化学性质物理性质：坚硬、脆性、难熔的无色固体，1600℃以上熔化为黏稠液体，冷却后呈玻璃态存在形式：晶体(石英、水晶)、无定形(硅石、石英砂) 。
化学性质：常温下，十分稳定，只与HF、强碱反应3.二氧化锗（GeO2）的物理化学性质物理性质：不溶于水的白色粉末，是以酸性为主的两性氧化物。
两种晶型：正方晶系金红石型，熔点1086℃；六方晶系石英型，熔点为1116℃化学性质：不跟水反应，可溶于浓盐酸生成四氯化锗，也可溶于强碱溶液，生成锗酸盐。
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四面体结构
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二、SiHCl3的制备 原料：干燥的HCl气体和硅粉（工业硅）
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反应方程式：Si+3HCl 副反应： SiHCl3+HCl 2SiHCl3 Si+4HCl 4SiHCl3 2Si+7HCl Si+2HCl 副产物：
280-300℃
SiHCl3+H2+309.2kJ/mol
SiCl4+H2 Si+SiCl4+2HCl SiCl4+2H2 Si+3SiCl4+2H2 SiHCl3+SiCl4+3H2 SiH2Cl2
第一章 硅和锗的化学制备
1.1 硅和锗的物理化学性质
一、Si和Ge物理性质
Si、Ge——元素周期表中第Ⅳ族元素 Si——银白色 Ge——灰色 晶体硬而脆 二者熔体密度比固体密度大，故熔化后会体 积收缩(锗收缩5.5％，而硅大约收缩10％)
1
2
3
Si 室温Eg 本征电阻率 1.106 2.3× 105
SiH4+2O2
SiO2+2H2O
(b)易与水、酸、碱反应： SiH4+H2O Si(OH)4+2H2
SiH4+2NaOH+H2O=Na2SiO3+4H2
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（c)具有强的还原性 SiH4+2KMnO4 （d)与卤素反应发生爆炸 SiH4+4Cl2=SiCl4+4HCl 2MnO2
褐色 +K2SiO3+H2O+H2
粗硅的制备方法：石英砂和焦炭在碳电极的电弧炉中还原制得。 反应方程式： SiO2+C 1600-1800℃ SiC+2CO
工业硅的纯度约为97%Fra bibliotek2SiC+SiO2=3Si+2CO
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化学提纯制备高纯硅的方法：
1、SiHCl3氢还原法 优点：产量大、质量高、成本低，是目前国内外制取高纯硅的主要方法。
2、SiH4法 优点：有效除去硼和金属杂质、无腐蚀性、不需要还原剂、分解温度低和收 益高，是有前途的方法。 缺点：易爆炸，不安全。 3、SiCl4氢还原法——硅收益低，不常用。
但在Si外延生长中有使用SiCl4做Si源。
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1.2.1三氯氢硅氢还原法
一、 SiHCl3的性质 室温下为无色透明、油状的液体，易挥发和水解，空气中剧烈发烟并有 强烈的刺激味道，沸点低（31.5℃）、容易制备、提纯和还原。此外比SiCl4 活泼易分解。
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Kp压力常数，△G0吉布斯函数的变化量 1 SiHCl3氢还原反应△G0值随温度升高而减小，Kp随温度升高而增大。 2 SiHCl3热分解反应△G0值随温度变化小，Kp随温度升高而减小。 3 SiCl4氢还原与SiHCI3氢还原反应类似。
SiO2
SiO2+2H2
硅平面工艺 中的掩蔽膜
3、烷烃化合物 Si(Ge)H2n+2
4、硅（锗）镁合金与无机酸或卤氨盐作用制硅（锗）烷
Mg2Si+4HCl Mg2Si+4NH4Cl
水溶液 液NH3
SiH4+2MgCl2 SiH4+4NH3+2MgCl2
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5、SiH4特性： (a) 活性高，空气中自然，固态硅烷与液氧混合在-190℃低温下也 易发生爆炸. 爆炸
5
此外，存在非晶态的GeO2。 SiO2和GeO2用H2,C可还原为黑色树脂状的SiO和淡黄色无定型的 GeO （700 ℃时易挥发）。
四、Si，Ge化学反应式 1、Si和Ge与卤素或卤化氢反应式 Si+2Cl2 Si+３HCl Ge+2Cl2 GeO2+4HCl 还可制取低价卤化物 Si(Ge)X4+Si(Ge) 2Si(Ge)X2 SiCl4 SiHCl3+H2 GeCl4 GeCl4+2H2O
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四、三氯氢硅的氢还原 纯SiHCl3与高纯H2按一定比例送入还原炉，在1100℃温度下，发 生还原反应，制得高纯多晶Si SiHCl3+H2 同时还伴有： 4SiHCl3 SiCl4+2H2 通常控制H2的量满足下面的关系 H2:SiHCl3=(10-20):1（摩尔比） Si+3SiCl4+2H2 Si+4HCl 1100℃ Si+3HCl Si多晶
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三、三氯氢硅的提纯 工业Si合成的SiHCl3中含有一定量的SiCl4和多种杂质的氯化物，必须除去。 提纯的方法：络合物形成法、固体吸附法、部分水解法和精馏法（常用） 精馏提纯的原理：利用混合液中各组分的沸点不同（挥发性的差异）来 达到分离各组分的目的。 SiHCl3提纯的主要方法就是精馏。可将SiHCl3的纯度从97%—98%提纯 到9个“9”到10个“9”，精馏装置见图1-2
三、存在形式及特性
自然界，Si —SiO2和硅酸盐
SiO2特性：坚硬、脆、难熔的无色固体，膨胀系数小，熔点为 1600℃，抗酸（除HF外），用做器皿（半导体工业中）。 正方晶系金红石型（熔点1086±5 ℃） GeO2特性：有两种晶型 六方晶系石英型（熔点为1116±4 ℃） 1035 ℃ 可互相转化
检查硅烷 的存在
(e) SiH4和GeH4四个键都是Si-H,Ge-H，非常不稳定、 易热分解——获得高纯Si、Ge。 SiH4 GeH4
加热
Si +2H2 Ge +2H2
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加热
1.2 高纯硅的制备
硅在地壳中的含量约占27%，仅次于氧（48%） 硅来源：石英砂（主要来源），硅酸盐
粗硅（工业硅）：95%—99%纯度的硅
这些卤化物具 有强烈的水解 性，在空气中 吸水而冒烟
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SiCl4、SiHCl3、SiH4的物理化学特性见表1.2
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SiCl4 SiHCl3
无色透明液体 Si-H键的增多 稳定性减弱
SiH4
无色气体
空气中 自然爆炸
8
2、Si,Ge高温下可与H2O、O2反应 Si+O2 Si+2H2O
～1100℃
SiH2Cl2、SiCl4
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为了减少副产物，生产中要控制： （1）反应温度280-300℃。 （2）向反应炉中通一定量的H2，H2/HCl=1/3-5之间。 （3）硅粉与HCl在进入反应炉前要充分干燥，并且硅粉的粒度控制在 0.18-0.12mm。 （4）合成时加入少量催化剂（铜、银、镁合金），可降低合成温度和 提高SiHCl3产量。
n
p
Ge > > 0.67 46.0
Si可制作高压器件， 并且工作温度比Ge 器件高
Ge可做低压大 电流和高频器件
迁移率 μ μ
1350 480
< <
3900 1900
4
二、化学性质： 室温下，Si，Ge比较稳定，与空气、水、弱酸、都无反应，但可与强酸、强碱作用。
高温下，化学活性大，可与氧、卤素、卤化氢等物质反应，生成相应的化合物。