吉林大学-半导体材料-课件-第五章5.4-5.5
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半导体材料课件相图
3. 相平衡：在相变过程中，当宏观物质的迁移停止 时，称为相平衡，系统中各个相经过很长时间也不 互相转变，处于平衡状态。
4. 相图：一个多组分（或单组分）多相体系的平衡状 态随温度、压力、组分浓度等变化而改变的规律绘 制成的状态图。
对于多相体系，各相间的相互转化，新相的形成， 旧相的消失与温度，压力，组成有关。从相图上， 可以直观看出多相体系中各种聚集状态和它们所处 的条件（温度，压力，组成）。
Pmin = 1, Fmax = 2
温度、压力
Fmin = 0, Pmax = 3
不可能出现4相或 更多相平衡
吉林大学电子科学与工程学院 半导体材料
单元系统相图
水的相图中的相律
冰的熔融曲线
3个单相区
F=0，无变量
O点：三相点
水的饱和蒸汽压曲线
系统中冰、水、 汽三相平衡
（蒸发曲线）
冰的饱和蒸汽压曲 2个自由度：温度、压力线（升华曲线）
吉林大学电子科学与工程学院 半导体材料
二元系相图的建立
¾ 建立相图的方法有实验测定和理论计算两种 。 ¾ 建立过程：配制－测冷却曲线－确定转变温度－
填入坐标－绘出曲线。
用热分解法建立Cu-Ni相图(a)冷却曲线 (b)相图 吉林大学电子科学与工程学院 半导体材料
重要含义
液相线：组成不同的熔体 开始析出晶体时的温度连 线，其上方为液相区 固相线：组成不同的熔体 结晶终了时的温度连线， 其下方为固相区 液相线与固相线之间：固、 液共存
温度
1
α
2
③亚共晶合金（合金III） 位于E点以左 C点以右
时间
亚共晶合金的冷却曲线及 结晶过程示意图
吉林大学电子科学与工程学院 半导体材料
4. 相图：一个多组分（或单组分）多相体系的平衡状 态随温度、压力、组分浓度等变化而改变的规律绘 制成的状态图。
对于多相体系，各相间的相互转化，新相的形成， 旧相的消失与温度，压力，组成有关。从相图上， 可以直观看出多相体系中各种聚集状态和它们所处 的条件（温度，压力，组成）。
Pmin = 1, Fmax = 2
温度、压力
Fmin = 0, Pmax = 3
不可能出现4相或 更多相平衡
吉林大学电子科学与工程学院 半导体材料
单元系统相图
水的相图中的相律
冰的熔融曲线
3个单相区
F=0，无变量
O点：三相点
水的饱和蒸汽压曲线
系统中冰、水、 汽三相平衡
（蒸发曲线）
冰的饱和蒸汽压曲 2个自由度：温度、压力线（升华曲线）
吉林大学电子科学与工程学院 半导体材料
二元系相图的建立
¾ 建立相图的方法有实验测定和理论计算两种 。 ¾ 建立过程：配制－测冷却曲线－确定转变温度－
填入坐标－绘出曲线。
用热分解法建立Cu-Ni相图(a)冷却曲线 (b)相图 吉林大学电子科学与工程学院 半导体材料
重要含义
液相线：组成不同的熔体 开始析出晶体时的温度连 线，其上方为液相区 固相线：组成不同的熔体 结晶终了时的温度连线， 其下方为固相区 液相线与固相线之间：固、 液共存
温度
1
α
2
③亚共晶合金（合金III） 位于E点以左 C点以右
时间
亚共晶合金的冷却曲线及 结晶过程示意图
吉林大学电子科学与工程学院 半导体材料
半导体材料导论描述课件
半导体材料在集成电路、微电 子器件、光电子器件等领域发 挥着关键作用，推动着科技的 进步与发展。
半导体材料在能源转换和存储 、传感器、生物医疗等领域也 具有广泛应用，为人类生活带 来便利。
半导体材料的发展趋势与前景
随着科技的不断发展，新型半导体材 料不断涌现，如二维材料、氧化物半 导体等，具有更优异的性能和更广泛 的应用前景。
硅基半导体是指以硅为基底制造 的半导体材料。自20世纪50年 代以来，硅基半导体一直是半导
体产业的主流技术。
目前，硅基半导体在集成电路、 微电子、光电子、通信等领域得 到了广泛应用，是现代信息技术
的基石之一。
随着技术的不断进步，硅基半导 体的性能不断提高，制造成本不 断降低，使得其应用领域不断拓
展。
半导体材料导论描述 课件
目录
• 半导体材料简介 • 半导体材料的物理性质 • 半导体材料的制备与加工 • 半导体材料的发展趋势与挑战 • 案例分析：硅基半导体的应用与发展 • 总结与展望
CHAPTER 01
半导体材料简介
半导体的定义与特性
总结词
半导体的导电能力介于金属和绝缘体之间，其导电能力随温度、光照和杂质等因 素发生变化。
硅基半导体的优势与局限性
硅基半导体的优势在于其成熟度高、 可靠性好、稳定性高、制造成本低等 。
然而，硅基半导体的局限性也很明显 ，如硅材料的带隙较窄、光电性能较 差等，限制了其在某些领域的应用。
硅基半导体的未来发展方向
1
随着科技的不断发展，硅基半导体将继续在高性 能计算、物联网、人工智能等领域发挥重要作用 。
详细描述
半导体是指那些在一定条件下能够导电的材料，其导电能力随温度、光照和杂质 等因素发生变化。在常温下，纯净的半导体通常表现为绝缘体，但当温度升高或 受到光照等外部因素影响时，其导电性能会显著增强。
半导体材料总结ppt课件
ppt课件.
23
23
GaAs电学性质
电子迁移率高达 8000cm2 VS
GaAs中电子有效质量为自由电子的1/15， 是硅电子的1/3
用GaAs制备的晶体管开关速度比硅的快 3~4倍
高频器件，军事上应用
ppt课件.
24
24
本征载流子浓度
T 3 0 0 K n i 1 .3 1 0 6/c m 3
体心原子的划分，属于每个晶胞 1
ppt课件.
9
9
（c）面心立方晶体 6个面中心各有1个原子， 6*1/2=3原子； 8个顶角各有1个原子，8*1/8=1个原子。 每个面心立方晶胞有4个原子。
ppt课件. 面心原子的划分，属于每个晶胞 110/2
10
（2）半导体材料的能带结构
间接带隙结构 直接带隙结构
∶ ∶
ppt课件.
4
4
按组成
元素半导体 无机半导体
化合物半导体
有机半导体
按结构
晶体
单晶半导体 多晶半导体
非晶、无定形半导体
ppt课件.
5
5
3.半导体材料的基本性质及应用
(1)半导体的晶体结构 (2)半导体的能带结构 (3) 半导体的杂质和缺陷 (4) 半导体的电学性质 (5) 半导体的光学性质
带隙大小
ppt课件.
11
11
(3) 半导体的杂质和缺陷
轻掺杂
掺杂浓度为1017 cm-3 杂质离子100%电离
中度掺杂 掺杂浓度为1017～1019 cm-3 载流子浓度低于掺杂浓度
重掺杂 掺杂浓度大于1019 cm-3
ppt课件.
12
12
硅中的杂质
1. n型掺杂剂：P，As，Sb
关于半导体材料优秀课件
电场E
4 1
2
3
4 1
2
3
则在弱场下，电场所导致的定向漂移速度和热运动速
度相比很小（~1%），因而加外场后空穴的平均漂移
时间并没有明显变化。利用用平均漂移时间，可求得
平均最大漂移速度为：
v
eE cp
m
* p
关于半导体材料优秀课件
化合物半导体材料与器件
因而空穴迁移率可表示为：
p
e cp
m
* p
同理，电子的平均漂移速度为：
f
假设有一个斜坡（足够长）， 一块石头（圆的），不考虑摩擦作用， mg 从坡顶滚下，则石头将作匀加速运动 直至坡底。
但若坡上生长了很多树木， 石头在滚落过程中不时地会与这些树 木相碰撞。碰撞改变了石头的速度大 小和运动方向。则最终石头以平均的 速度滚落山坡。
•没有考虑到石头自身运动的影响。 •碰撞方式不同
关于半导体材料优秀课件
化合物半导体材料与器件
碰撞：载流子的散射；即载流子速度的改变。 经典碰撞。实际的接触为碰撞。 类比：堵车时，汽车的移动速度和方向，不断由于 其它汽车的位置变化而变化。尽管没有实际接触，但 由于阻碍车的存在，造成了汽车本身速度大小和方向 的改变。这类似于载流子的散射，也即碰撞。
Jdrf
IeNAvtNevv
A At
E
A
v
V
eN
载流子浓度 单位电量
关于半导体材料优秀课件
化合物半导体材料与器件
Jdrf eNvE
一般说来，在弱场情况下，载流子的定向漂移速度与外 加电场成正比，即：
v E
Jdrf eN veN E
其中μ称作载流子的迁移率。 因而有电导率和迁移率的关系：
4 1
2
3
4 1
2
3
则在弱场下，电场所导致的定向漂移速度和热运动速
度相比很小（~1%），因而加外场后空穴的平均漂移
时间并没有明显变化。利用用平均漂移时间，可求得
平均最大漂移速度为：
v
eE cp
m
* p
关于半导体材料优秀课件
化合物半导体材料与器件
因而空穴迁移率可表示为：
p
e cp
m
* p
同理，电子的平均漂移速度为：
f
假设有一个斜坡（足够长）， 一块石头（圆的），不考虑摩擦作用， mg 从坡顶滚下，则石头将作匀加速运动 直至坡底。
但若坡上生长了很多树木， 石头在滚落过程中不时地会与这些树 木相碰撞。碰撞改变了石头的速度大 小和运动方向。则最终石头以平均的 速度滚落山坡。
•没有考虑到石头自身运动的影响。 •碰撞方式不同
关于半导体材料优秀课件
化合物半导体材料与器件
碰撞：载流子的散射；即载流子速度的改变。 经典碰撞。实际的接触为碰撞。 类比：堵车时，汽车的移动速度和方向，不断由于 其它汽车的位置变化而变化。尽管没有实际接触，但 由于阻碍车的存在，造成了汽车本身速度大小和方向 的改变。这类似于载流子的散射，也即碰撞。
Jdrf
IeNAvtNevv
A At
E
A
v
V
eN
载流子浓度 单位电量
关于半导体材料优秀课件
化合物半导体材料与器件
Jdrf eNvE
一般说来，在弱场情况下，载流子的定向漂移速度与外 加电场成正比，即：
v E
Jdrf eN veN E
其中μ称作载流子的迁移率。 因而有电导率和迁移率的关系：
吉林大学__半导体物理器件课件吉林大学__半导体物理器件课件
In dϕ n dϕ n Jn = = −qnµ n = −σ n ( x ) A dx dx
（1-166）
Jp = Ip A = −qpµ p dϕ p dx （1-167） = −σ p (x ) dϕ p dx
（1-166）式和（1-167）式称为修正的欧姆定律，其中 σ p ( x ) = qpµ p σ n ( x ) = qnµ n 分别称为电子和空穴的等效电导率。修正欧姆定律虽然在 形式上和欧姆定律一致，但它包括了载流子的漂移和扩散 的综合效应。 从修正欧姆定律可以看出，费米能级恒定（即 dϕ n dx = 0，ϕ p dx = 0 ）是电流为零的条件。处于热平衡的半 d 导体，费米能级恒定。或者说，热平衡系统具有统一的费 米能级。
利用电流密度表达式，式（1-211）式和（1-212）可以分别 写成
v ∂p 1 ∆p = − ∇ ⋅ jp + G − （1-213） ∂t q τp
v ∂n 1 ∆n = ∇ ⋅ jn + G − ∂t q τn
（1-214）
在一维情况下，
∂n ∂ 2n ∂n ∆n （1-219） ∂p ∂2 p ∂p ∆p = Dn 2 + µ n ε +G− = D p 2 − µ pε +G− （1-218） ∂t ∂x τn ∂x ∂t ∂x τp ∂x
和同样，对于型半导体，有
Na ψ = −VT ln ni
（1-152）
ε=
VT dN a N a dx
（1-153）
1.6非平衡载流子 非平衡载流子
在非平衡状态下可以定义 E 和 E 两个量以代替 E F ， 使得
Fn
Fp
E Fn − Ei n = ni exp KT
（1-166）
Jp = Ip A = −qpµ p dϕ p dx （1-167） = −σ p (x ) dϕ p dx
（1-166）式和（1-167）式称为修正的欧姆定律，其中 σ p ( x ) = qpµ p σ n ( x ) = qnµ n 分别称为电子和空穴的等效电导率。修正欧姆定律虽然在 形式上和欧姆定律一致，但它包括了载流子的漂移和扩散 的综合效应。 从修正欧姆定律可以看出，费米能级恒定（即 dϕ n dx = 0，ϕ p dx = 0 ）是电流为零的条件。处于热平衡的半 d 导体，费米能级恒定。或者说，热平衡系统具有统一的费 米能级。
利用电流密度表达式，式（1-211）式和（1-212）可以分别 写成
v ∂p 1 ∆p = − ∇ ⋅ jp + G − （1-213） ∂t q τp
v ∂n 1 ∆n = ∇ ⋅ jn + G − ∂t q τn
（1-214）
在一维情况下，
∂n ∂ 2n ∂n ∆n （1-219） ∂p ∂2 p ∂p ∆p = Dn 2 + µ n ε +G− = D p 2 − µ pε +G− （1-218） ∂t ∂x τn ∂x ∂t ∂x τp ∂x
和同样，对于型半导体，有
Na ψ = −VT ln ni
（1-152）
ε=
VT dN a N a dx
（1-153）
1.6非平衡载流子 非平衡载流子
在非平衡状态下可以定义 E 和 E 两个量以代替 E F ， 使得
Fn
Fp
E Fn − Ei n = ni exp KT
吉林大学-半导体材料-课件-第五章5.1-5.3
按气体的物理特性分 气溶胶辅助CVD ：Aerosol assisted CVD (AACVD) 直 接 液 体 喷 射 CVD ： Direct liquid injection CVD
(DLICVD)
等离子体法 微波等离子体协助CVD ：Microwave plasma-assisted CVD
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
硅源要求
通常使用的硅源是SiH4、SiH2Cl2、SiHCl3和SiCl4。
SiHCl3和SiCl4常温下是液体，外延生长温度高，但 生长速度快，易提纯，使用安全
SiH2Cl2和SiH4常温下是气体，反应温度低，外延 层杂质分布陡峭。缺点是：
要求生长系统具有良好的气密性，否则会因漏气而 产生大量的外延缺陷。
第 5 章 硅外延生长
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
第5章 硅外延生长
5-1、外延生长概述 5-2、硅衬底制备 5-3、硅的气相外延生长 5-4、硅外延层电阻率的控制 5-5、硅外延层的缺陷 5-6、硅的异质外延
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
5-1、外延生长概述
外延生长的定义 外延生长的分类 发展外延生长的动机
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
重掺杂的衬底区：低电阻率的衬底降低了基片的 电阻，降低饱和压降，提供在中等电流下高的器 件工作速度→高频
轻掺杂的外延层：集电极区高的电阻率保证高的 集电极-衬底的击穿电压→大功率
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
CMOS电路制作在一层很薄的轻掺杂p型外延层上；
SiH4在高温和高浓度下易发生气相分解而生成粉末 状硅使外延无法进行。
表5-1：常用硅源的特性
(DLICVD)
等离子体法 微波等离子体协助CVD ：Microwave plasma-assisted CVD
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半导体材料
硅源要求
通常使用的硅源是SiH4、SiH2Cl2、SiHCl3和SiCl4。
SiHCl3和SiCl4常温下是液体，外延生长温度高，但 生长速度快，易提纯，使用安全
SiH2Cl2和SiH4常温下是气体，反应温度低，外延 层杂质分布陡峭。缺点是：
要求生长系统具有良好的气密性，否则会因漏气而 产生大量的外延缺陷。
第 5 章 硅外延生长
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半导体材料
第5章 硅外延生长
5-1、外延生长概述 5-2、硅衬底制备 5-3、硅的气相外延生长 5-4、硅外延层电阻率的控制 5-5、硅外延层的缺陷 5-6、硅的异质外延
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半导体材料
5-1、外延生长概述
外延生长的定义 外延生长的分类 发展外延生长的动机
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半导体材料
重掺杂的衬底区：低电阻率的衬底降低了基片的 电阻，降低饱和压降，提供在中等电流下高的器 件工作速度→高频
轻掺杂的外延层：集电极区高的电阻率保证高的 集电极-衬底的击穿电压→大功率
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半导体材料
CMOS电路制作在一层很薄的轻掺杂p型外延层上；
SiH4在高温和高浓度下易发生气相分解而生成粉末 状硅使外延无法进行。
表5-1：常用硅源的特性
半导体材料吉大 讲义绪论
超晶格的出现是半导体材料发展的里程碑，它推 动着量子阱激光器、高速二维电子器件和光集成器件 的发展，为器件制作从“杂质工程”走向“能带工程” 开拓了广阔的道路。
6
20世纪90年代初获得了高质量P型GaN外延薄层材料。 制作了高亮度蓝色发光二极管并迅速产业化，为实现全 彩显示奠定了基础，开辟了半导体在显示领域应用的新 天地。 蓝色激光器达到了实用化的水平，GaN及其多元化合物 还是半导体照明的首选材料。 根据材料的重要性和开发成功的先后，分别称Si为第一 代，GaAs为第二代，GaN为第三代半导体材料。
Si Ge B C 灰-Sn P 灰-As 灰-Sb S Se Te I
熔点 (℃ )
1412 958 2300 4027 230 44 817 431 119 217 450 113
禁带宽度 Eg(eV)
1.119 0.6643
1.6 5.4 0.08 2 1.2 0.1 0.24 1.8 0.3 1.3
13
连续单管激光器类
阵激光器类
光电二极管
高速光电探测器 大面积InGaAs光电二极管 高功率脉冲激光二极管
LED
IC
14
以Si材料为例，半导体器件对材料的要求， 归纳起来有三方面：
1. 器件对掺杂量 的要求； 2. 器件对半导体单晶 材料晶体完整性的要
求； 3. 对单晶材料均匀性和大尺寸方面的要求。
半导体
无机
结晶型 无定型
元素
（处于IIIA和VIIA的金属与非金属交界处， 如：Si、Ge、Se、Te、Sn ）
化合物 （统计可能有四千多种，研究出的有一
千多种）
元素 a-Si，a-Ge
化合物 a-GaAs，a-SiC 有机 分子晶体、高分子聚合物。如蒽、聚乙炔等
6
20世纪90年代初获得了高质量P型GaN外延薄层材料。 制作了高亮度蓝色发光二极管并迅速产业化，为实现全 彩显示奠定了基础，开辟了半导体在显示领域应用的新 天地。 蓝色激光器达到了实用化的水平，GaN及其多元化合物 还是半导体照明的首选材料。 根据材料的重要性和开发成功的先后，分别称Si为第一 代，GaAs为第二代，GaN为第三代半导体材料。
Si Ge B C 灰-Sn P 灰-As 灰-Sb S Se Te I
熔点 (℃ )
1412 958 2300 4027 230 44 817 431 119 217 450 113
禁带宽度 Eg(eV)
1.119 0.6643
1.6 5.4 0.08 2 1.2 0.1 0.24 1.8 0.3 1.3
13
连续单管激光器类
阵激光器类
光电二极管
高速光电探测器 大面积InGaAs光电二极管 高功率脉冲激光二极管
LED
IC
14
以Si材料为例，半导体器件对材料的要求， 归纳起来有三方面：
1. 器件对掺杂量 的要求； 2. 器件对半导体单晶 材料晶体完整性的要
求； 3. 对单晶材料均匀性和大尺寸方面的要求。
半导体
无机
结晶型 无定型
元素
（处于IIIA和VIIA的金属与非金属交界处， 如：Si、Ge、Se、Te、Sn ）
化合物 （统计可能有四千多种，研究出的有一
千多种）
元素 a-Si，a-Ge
化合物 a-GaAs，a-SiC 有机 分子晶体、高分子聚合物。如蒽、聚乙炔等
半导体照明课件 7 第5章 半导体发光材料体系
• 带隙宽度可随In0.5(Ga1-xAlx)P固溶体中组分x的变化而调
节，在从红光到绿光相当宽的波长范围可实现LED的超高 亮度。
半导体固溶体
1.由两种或两种以上同一类型的半导体相互溶合而组 成的，且一般是组分连续(无限)的，又称合金半导体 材料。
2.分类：按半导体类型分： 硅锗固溶体（SixGe1-x）， 各种III－V族化合物固溶体， 各种II－VI族化合物固溶体。
半导体固溶体性质
1. 带隙宽度：
对于三元系 AxB1-xC ，其能隙
E ABC g
(x)
x
EgAC
(1
x)
EgBC
bABC
x
(1
x)
其中，b 称为能隙弯曲参数（bowing parameter）
E(k) GaAs 导带
能 隙 宽 度 （ ）
eV
E(k)
GaP 导带
直接带隙
间接带隙
GaAs
组分比x
GaP
图 GaAs1-xPx能带跃迁类型因导带主能谷和子 能谷相对位置的变化而随组分变化的情况。
第二节 半导体发光材料
成为半导体发光材料的条件
1、半导体带隙宽度与可见或紫外光子能量相匹配。 (nm) 1239.5 Eg (eV)
2、只有直接带隙半导体才有较高的辐射复合概率。
成为半导体发光材料的条件
5、GaAs中的Si占据Ga或As位后形成施主或受主，因此是两性 杂质。从Ga溶液中液相外延生产GaAs时，在高温下掺Si形成 施主，在低温下掺Si形成受主，在940nm处出现发光峰。
6、 GaAs发光二极管采用普通封装结构时发光效率为4%，采
用半球形结构时发光效率可达20%以上。它们被大量应用于遥 控器和光电耦合器件。
节，在从红光到绿光相当宽的波长范围可实现LED的超高 亮度。
半导体固溶体
1.由两种或两种以上同一类型的半导体相互溶合而组 成的，且一般是组分连续(无限)的，又称合金半导体 材料。
2.分类：按半导体类型分： 硅锗固溶体（SixGe1-x）， 各种III－V族化合物固溶体， 各种II－VI族化合物固溶体。
半导体固溶体性质
1. 带隙宽度：
对于三元系 AxB1-xC ，其能隙
E ABC g
(x)
x
EgAC
(1
x)
EgBC
bABC
x
(1
x)
其中，b 称为能隙弯曲参数（bowing parameter）
E(k) GaAs 导带
能 隙 宽 度 （ ）
eV
E(k)
GaP 导带
直接带隙
间接带隙
GaAs
组分比x
GaP
图 GaAs1-xPx能带跃迁类型因导带主能谷和子 能谷相对位置的变化而随组分变化的情况。
第二节 半导体发光材料
成为半导体发光材料的条件
1、半导体带隙宽度与可见或紫外光子能量相匹配。 (nm) 1239.5 Eg (eV)
2、只有直接带隙半导体才有较高的辐射复合概率。
成为半导体发光材料的条件
5、GaAs中的Si占据Ga或As位后形成施主或受主，因此是两性 杂质。从Ga溶液中液相外延生产GaAs时，在高温下掺Si形成 施主，在低温下掺Si形成受主，在940nm处出现发光峰。
6、 GaAs发光二极管采用普通封装结构时发光效率为4%，采
用半球形结构时发光效率可达20%以上。它们被大量应用于遥 控器和光电耦合器件。
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衬底扩散造成的杂质分布
N2 x, t
1 2
N f 1
erf 2
x Dt
外部掺入的杂质浓度分布
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
同型杂质
N(x)
Nsub
理想
N1(x)
实际
异型杂质
N(x)
Nsub
理想
实际
N1(x)
杂质浓度 杂质浓度
Nepi N2(x) 衬底(N +) 外延层(N) x
x
N2(x)
杂质从硅表面蒸发速度
v C衬 KexpK
t 2
D
erfc K
t
D
C衬为衬底中原来杂质浓度 K为硅表面蒸发速度常数
D杂质在硅中的扩散系数
吉林大学电子科学与工程学院
外延层 衬底
半导体材料
t 2 t
v C衬 KexpK
D
erfc K
D
K t 0.1 D
2
expK
t
D
erfc K
t D
1
v C衬K
外延生长过程最初阶段(t 很小)
蒸发速度常数K很小 扩散系数D很大
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
5-4 硅外延层电阻率的控制
5-4-1 外延层中的杂质及掺杂 5-4-2 外延层中杂质的再分布 5-4-3 外延层生长中的自掺杂
5-4-4 外延层的夹层
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5-4-3外延层生长中的自掺杂
自掺杂效应
①衬底背面自掺杂模型
外延生长开始时，衬底正面的杂质蒸发受抑制，引 起自掺杂的杂质主要由衬底内扩散到背面，以元素 形式蒸发而来。
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N(x)
外 延 生 长 速 度 远 大 Nsub 于杂质扩散速度，
理想
杂质浓度
衬 底 中 杂 质 在 外 延
N1(x)
层中的分布相当于一
实际
个界面浓度恒定杂质
源的余误差分布函数。 N2(x)
Nepi
衬底(N +) 外延层(N) 气相
x
N1 x,t
1 2
N Suberfc
2
x Dt
与体单晶生长时掺杂不同，没有一个简单 的准则，要针对每个过程经验地确定。
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3.固态扩散（外扩散）和气相自掺杂
VLSI要求：重掺杂衬底（1019~1021/cm3）上淀积一 层轻掺杂的外延层（1014~1017/cm3)—自掺杂效应
CMOS器件：使用均匀掺杂的衬底 双极型：使用有埋层的衬底
2.外延生长的掺杂（主动掺杂） 外延N型掺杂剂：PCl3，AsCl3，SbCl3，AsH3 P型掺杂剂：BCl3，BBr3，B2H6 卤化物掺杂剂：稀释在反应气体中
氢化物掺杂剂：稀释在氢气中
通过调节流量来调整外延层的电阻率
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2.外延生长的掺杂（主动掺杂）
影响掺杂的因素： 衬底温度、沉积速度、掺杂剂摩尔分数、 反应室几何尺寸等 注意： 固相中掺杂剂/硅的比例≠气相中的比例
杂质类型与衬底相同取“+”，相反取“-”
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N总＝N衬底 N扩散 N邻片N基座N系统N气 I. 衬底对外延层掺杂的影响
固态扩散N扩散与气相自掺杂N衬底 II. 来自衬底以外的其他因素的掺杂
基座、反应室、系统的污染---反应室的记忆效应
III. 来自混合气体的气相掺杂
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外扩散和自掺杂增加了过渡层的厚度，同时 设置了一个对外延层的最小厚度和掺杂水平 的极限。 过渡层尾巴的程度取决于温度、硅源、生长 速率、反应室尺寸和压强。 在接近衬底处外扩散占优势，离开表面区域 自掺杂为主。 反应室记忆效应：生长一个低阻层后很难立 刻生长一个高阻层。
Nepi
衬底(N +) 外延层(P)
N1(x)+N2(x)
N1(x)-N2(x)
过渡层：从重掺杂衬底到均匀掺杂外延层的厚度
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实际中外延层中杂质的纵向分布要比只有衬 底杂质向外延层的外扩散的情况更平坦，说 明进入外延层杂质要比固态扩散的大。 这一部分杂质是衬底中的杂质进入气相中再 掺 入 外 延 层 造 成 的 ， 也包括由于衬底基座被 腐蚀而进入气相中进而掺入外延层中— 自 掺 杂效应。 自掺杂可来源于硅片边缘和背面，以及覆盖 了重掺杂材料的基座和支架。
外延中，杂质从重掺衬底进入正在生长的外延层中 的两种方式：固态扩散（外扩散）和气相自掺杂
固态扩散：高温时杂质从衬底扩散到 正在生长的外延层中
自掺杂效应：杂质从衬底及基座中蒸 发出来进入气相中继而再次掺入外延 层中，也包括由于衬底基座被腐蚀而 进入气相中进而掺入外延层中
外延层 衬底
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型的杂质，但是其浓度不同。
杂质浓度
通常希望外延层和衬底之间界面 处的掺杂浓度梯度很陡，但是由 于高温下进行外延生长，衬底中 的杂质会进入外延层，使得外延
衬底(N +)
理 想
实 际 Nepi
外延层 x (N或P)
层和衬底处的杂质浓度变平。 外延层与衬底之间杂质的互扩散及自掺杂效应
导致杂质再分布。
吉林大学电子科学与工程学院源自半导体材料5-4 硅外延层电阻率的控制
5-4-1 外延层中的杂质及掺杂 5-4-2 外延层中杂质的再分布 5-4-3 外延层生长中的自掺杂
5-4-4 外延层的夹层
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5-4-2外延中杂质的再分布
外延层中含有和衬底中的杂质不 N(x) 同类型的杂质，或者是同一种类 Nsub
第 5 章 硅外延生长
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第5章 硅外延生长
5-1、外延生长概述
5-2、硅衬底制备
5-3、硅的气相外延生长 5-4、硅外延层电阻率的控制 5-5、硅外延层的缺陷 5-6、硅的异质外延
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5-4 硅外延层电阻率的控制
5-4-1 外延层中的杂质及掺杂 5-4-2 外延层中杂质的再分布 5-4-3 外延层生长中的自掺杂
5-4-4 外延层的夹层
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1.外延层中的杂质
外延层中杂质来源很多，总的载流子浓度N总可以 表示为：N总＝N衬底 N扩散 N邻片N基座N系统N气
N衬底：衬底挥发的杂质掺入外延层中的杂质浓度分量 N扩散：衬底中杂质经固相扩散进入外延层的杂质浓度分量 N邻片：外延层中来自相邻衬底的杂质浓度分量 N基座：来自基座的杂质浓度分量 N系统：除上述因素外整个生长系统引入的杂质浓度分量 N气： 外延层中来自混合气体的杂质浓度分量