16杂质掺杂(半导体器件物理)
半导体物理学-半导体中杂质和缺陷能级模板
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级
n 2.1.3 受主杂质 受主能级
Si
+
Si
Si
Si
B-
Si
Si
Si
Si
受 主 掺 杂（掺硼）
硼原子接受一个电子后， 成为带负电的硼离子， 称为负电中心（B- ） 。 带负电的硼离子和带正 电的空穴间有静电引力 作用，这个空穴受到硼 离子的束缚，在硼离子 附近运动。
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级
深能级杂质产生多次电离：
3）III族元素硼、铝、镓、铟、铊在锗和硅中各产生1个 浅受主能级，而铝在硅中，还能产生1个施主能级。
4）IV族元素碳在硅中产生1个施主能级，而锡和铅在硅 中产生1个施主能级和1个受主能级。
5）V族元素磷、砷、锑在硅和锗中各产生一个浅施主 能级。
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级
n 2.1.2 施主杂质、施主能级 多余的电子束缚在正电中心，但这种束缚很弱
很小的能量就可使电子摆脱束缚，成为在晶格中导 电的自由电子，而Ⅴ族原子形成一个不能移动的 正电中心。
硅、锗中的Ⅴ族杂质，能够释放电子而产生导电 电子并形成正电中心，称为施主杂质或N型杂质， 掺有N型杂质的半导体叫N型半导体。施主杂质未 电离时是中性的，电离后成为正电中心。
mn* 0.12m0
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级
n 晶体内杂质原子束缚的电子与类氢模型相比：
m0mn*, mp*; 0 r0
施主杂质的电离能： E D8m r2n *q 0 24 h2m m 0 n *E r2 01.6 3m m 0n *r2
Si: mn* 0.26m0 r 12 ED0.02e5V
半导体材料的掺杂
半导体材料的掺杂半导体材料的掺杂技术在现代电子学和光电子学领域中扮演着重要的角色。
通过掺杂，可以调控半导体材料的电子性质，使其适用于不同的应用。
本文将介绍半导体材料的掺杂原理、常见的掺杂技术以及应用案例。
一、掺杂原理半导体材料是指在室温下，其导电性介于导体和绝缘体之间的材料。
掺杂是通过向半导体材料中引入杂质原子，改变其原有的电子能带结构，从而调制材料的导电性质。
在半导体掺杂中，使用的杂质原子主要分为两类：施主和受主。
施主是指在原有的半导体材料中引入的少数载流子浓度高于基底的杂质原子。
施主杂质原子通常具有多余的电子，可以轻易地释放出电子，并增加材料的导电性能。
常见的施主杂质有磷、砷和锑等。
受主是指引入的杂质原子质子数较晶体原子少的原子，通常其电子数目少于晶体中的空穴数目。
受主杂质可以对原有的半导体材料中的空穴进行俘获，从而增加材料的导电性能。
常见的受主杂质有硼、铝和铍等。
通过掺杂不同类型的杂质原子，可以改变半导体材料的电阻率、载流子浓度和导电类型，从而满足各种不同应用的要求。
二、常见的掺杂技术1. 扩散掺杂扩散掺杂是一种常见的半导体掺杂技术，通过加热半导体材料和杂质原料使其相互扩散，从而实现杂质的掺入。
这种方法适用于依靠温度激活和表面扩散的杂质元素。
2. 离子注入离子注入是另一种常见的掺杂技术，通过使用加速器将高能的杂质离子注入到半导体材料中。
离子注入具有高度的控制性和灵活性，可以实现在不同深度和浓度的掺杂。
该方法适用于高精度和高浓度掺杂。
3. 分子束外延分子束外延是一种用于生长高质量薄膜的掺杂技术。
通过将杂质原子束引入生长表面，可以在不破坏晶体结构的情况下，实现杂质原子的掺入。
三、应用案例1. 光电子器件半导体材料的掺杂技术在光电子器件中具有重要应用。
例如，将锗材料掺入适量的砷原子可以转变为n型半导体，从而制作出高效的红外探测器。
另外，通过将硅材料掺入适量的磷原子，可以制作出高效的太阳能电池。
这是因为磷的掺入可以增加材料的导电性能，提高太阳能的转化效率。
第十六章杂质掺杂
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杂质掺杂 23
结深可以用下式表示
xj 1.6 Dst ,当D ~ C（＝1） xj 1.1 Dst ,当D ~ C（2 ＝2） xj 0.87 Dst ,当D ~ C（3 ＝3）
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杂质掺杂 24
扩散分布－硅中的扩散
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杂质掺杂 7
在低掺杂原子浓度时，扩散系数可视为和掺杂浓度无关，则上式变为：
C t
D
2C x2
费克（Fick）扩散方程
下图显示了硅与砷化镓中不同掺杂剂在低浓度时实测的扩散系数。一般 情况下，D的对数值和绝对温度的倒数成线性关系。意味着在一定的温 度范围内，D可表示为
x
C(x,t) Cserfc( 2
) Dt
erfc是余误差函数
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杂质掺杂 11
上图为余误差函数分布
下图为恒定表面浓度的扩散分布
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杂质掺杂 12
半导体单位面积的掺杂原子总数是
代入C（x，t）有
Q(t) 0 C(x,t)dx
击穿电压远低于有相同衬底掺杂的平面结处。
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杂质掺杂 30
氧化过程中杂质的再分布
在热氧化过程中，靠近硅表面的掺杂剂分布将会改变，这种再分布取决 于几个因素。 一是两个固体接触在一起时，其中之一内的杂质会在此二者内重新分布 达到平衡，此情形类似与融体生长晶体中的杂质再分布。在硅内的杂质 平衡浓度对二氧化硅内杂质平衡浓度之比为分凝系数，定义为：
半导体掺杂简介
第十一章掺杂概述导电区和N-P结是晶圆内部或表面形成的半导体器件的基本组成部分。
他们是通过扩散或离子注入技术在晶圆中形成的。
本章将具体介绍N-P结的定义，扩散与离子注入的原理及工艺。
目的完成本章后您将能够：1.定义P-N结。
2.画出完整的扩散工艺流程图。
3.描述淀积步骤与推进步骤的不同。
4.列举三种类型的淀积源。
5.画出淀积和推进工艺的典型杂质浓度与深度位置的关系曲线。
6.列举离子注入机的主要部件。
7.描述离子注入的原理。
8.比较扩散与离子注入工艺的优势劣势。
结的定义使晶体管和二极管工作的结构就是N-P结。
结（junction）就是富含带负电的电子的区域（N 型区）与富含空穴的区域（P型区）的分界处。
结的具体位置就是电子浓度与空穴浓度相同的地方。
这个概念在扩散结的形成章节中已作过解释。
在半导体表面形成结的通常做法是热扩散（diffusion）或离子注入（ion implantation）。
掺杂区的形成扩散的概念扩散掺杂工艺的发展是半导体生产的一大进步。
扩散，一种材料通过另一种材料的运动，是一种自然的化学过程，在现实生活中有很多例子。
扩散的发生需要两个必要的条件。
第一，一种材料的浓度必需高于另外一种。
第二，系统内部必须有足够的能量使高浓度的材料进入或通过另一种材料。
扩散的原理被用来将N-型或P-型杂质引进到半导体表层深部。
然而，小尺寸器件的要求使业界转而采用离子注入作为主要的掺杂技术。
但是，一旦杂质进入晶圆的表面，后续的高温过程都会使它继续移动。
扩散定律决定了后续的移动。
气相扩散的一个例子就是常见的充压的喷雾罐（图11.1），比如房间除臭剂。
按下喷嘴时，带有压力的物质离开罐子进入到附近的空气中。
此后，扩散过程使得气体移动分布到整个房间。
这种移动在喷嘴被按开时开始，并且在喷嘴关闭后还会继续。
只要前面的喷雾引入的浓度高于空气中的浓度，这种扩散过程就会一直继续。
随着物质远离喷雾罐，物质的浓度会逐渐降低。
半导体器件物理
面向专业： 微电子学、光电子学、电子科学与技术
国家级精品课程——半导体器件物理与实验
《半导体器件物理》课程简介
课程地位：
课程简介
主干专业基础课，硕士研究生入学考试科目。
前期课程： 普通物理、结晶学、量子力学、半导体物理学。
后续课程： 集成电路，微电子技术，半导体光电子学等。
4
E(2mEdnc)31/ /22
h3
E
(1 7
Ec 1/ 2
4)
mdn M 2/3 m1m2m3 1/3 (1 7 5)
Ec 导带电子状态密度有效质量
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第一章 半导体物理基础
1.7 载价流带子中的的状态统密计度 分布
1.7.1 状态密度（Density of States, DOS)
二. P型半导体：（饱和电离）
1. 电中性条件： p Na (1 7 34)
2. 载流子浓度： p Na
(1 7 35)
n ni2 Na
3. 费米能级：
EF Ev kT lnNv / Na (1 7 36)
EF Ei kT lnNa / ni (1 7 37)
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1.7.5 只含一种杂质的半导体
一. N型半导体：（饱和电离）
1. 电中性条件： n Nd (1 7 30)
2. 载流子浓度： n Nd p ni2 Nd
(1 7 31)
3. 费米能级：
EF Ec kT lnNc / Nd (1 7 32)
EF Ei kT lnNd / ni (1 7 33)
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半导体掺杂原理
半导体掺杂原理
半导体掺杂原理是指通过在半导体中引入掺杂物质，改变其本征材料的特性。
掺杂是通过在晶体格构的半导体晶体中加入少量杂质原子实现的。
掺杂分为两种类型：施主型和受主型。
施主型掺杂是指在半导体晶体中加入外界杂质原子，使晶体中的电子能带由本征材料的价带向导带平移。
典型的施主型杂质有磷、砷等。
这些杂质原子具有多余的电子，被称为自由电子或
n型载流子。
受主型掺杂是指在半导体晶体中加入外界杂质原子，使晶体中的电子能带由本征材料的导带向价带平移。
典型的受主型杂质有硼、铝等。
这些杂质原子具有多余的空位，称为空穴或p型载流子。
掺杂可以改变半导体的导电性能。
在n型半导体中，自由电子成为主要的载流子，因此具有较好的导电性能。
在p型半导体中，空穴成为主要的载流子，也具有较好的导电性能。
在半导体器件的制造过程中，根据所需的电性能选择合适的掺杂原则，可以实现不同种类的器件。
此外，半导体掺杂还可以调节半导体的能带结构，影响电子的能量状态和运动规律。
通过掺杂，可以改变半导体的禁带宽度，从而影响半导体器件的特性和性能。
在器件制造过程中，通过合适的掺杂原则和掺杂浓度，可以实现所需的电子特性和器件功能。
总的来说，半导体掺杂原理是通过在半导体中引入掺杂物质，改变其电子能带结构和载流子类型，从而调节半导体的导电性
能和器件特性。
这一原理为半导体器件的制造和应用提供了重要的基础，并在现代电子技术中具有广泛的应用。
半导体材料与器件物理
半导体材料与器件物理
半导体材料与器件物理是研究半导体材料（如硅、锗等）的电学、光学、磁学、热学等性质及其在半导体器件中的应用的学科。
半导体是一种介于导体和绝缘体之间的材料，其具有特殊的电子能带结构和载流子特性，使其在电子器件中具有广泛的应用。
半导体材料的物理研究主要包括以下几个方面：
1. 能带理论：半导体材料的导电特性与其电子能带结构紧密相关，能带理论研究了材料中电子的能量分布与输运特性。
2. 载流子特性：半导体材料中的导电是由自由电子和空穴贡献的，研究载流子的产生、寿命、迁移特性等有助于理解半导体材料的导电机制。
3. 杂质和缺陷：半导体材料中引入杂质原子或缺陷点可以改变其电学特性，研究杂质掺杂和缺陷制备对器件性能的影响是半导体材料的重要研究内容。
4. 光学性质：半导体材料对光的响应是其在光电子器件中应用的基础，研究半导体的光学吸收、发射、散射等性质对器件的设计和优化起到关键作用。
在半导体材料的基础上，半导体器件物理研究了各种半导体器件的原理、结构、制备工艺以及性能优化等方面的问题。
常见的半导体器件包括二极管、场效应晶体管（MOSFET）、太阳能电池、光电二极管等。
研究半导体器件物理可以深入了解器件的工作原理，优化器件结构和参数，提高器件的性能和可靠性。
半导体材料与器件物理在电子、光电子、纳米技术等领域的应用非常广泛，对于现代电子和信息科技的发展具有重要的意义。
《半导体器件物理》课程实验教学大纲
《半导体器件物理》课程试验教学大纲《半导体器件物理》课程试验大纲课程编码：01222316 课程模块：专业方向课修读方式：限选开课学期：5课程学分：2.5 课程总学时：51 理论学时：36 实践学时：15一、实践课程的任务与要求本课程是微电子学专业试验课，是一门专业性和实践性都很强的课程。
本课程的主要任务是使学生把握半导体材料和器件的一些根本物理参数和物理性质的测试方法以及清洗、氧化、集中等微电子器件制造工艺，为微电子器件开发设计和研制铺垫必备根底和实际操作技能。
通过试验培育学生对半导体器件制造工艺的试验争论力量，培育学生实事求是、严谨的科学作风，培育学生的实际动手力量，提高试验技能。
其具体要求如下：1.了解微电子相关的一些设备的功能和使用方法，并能够独立操作。
2.通过亲自动手操作提高理论与实践相结合的力量，提高理论学习的主动性。
3.了解半导体器件制造的根本工艺流程。
二、试验工程、内容、要求及学时安排试验一用晶体管特性图示仪测量晶体管的特性参数试验目的或试验原理了解晶体管特性图示仪的工作原理；学会正确使用晶体管特性图示仪；试验内容测量共放射极晶体管的输入特性、输出特性、反向击穿特性和饱和压降等直流特性。
晶体管特性图示仪:XJ4810A 型，NPN 和 PNP 晶体管。
试验二四探针法测量电阻率试验目的或试验原理把握四探针法测量电阻率的根本原理和方法，以及具有各种几何外形样品的修正；分析影响测量结果的各种因素。
试验内容1.测量单晶硅样品的电阻率；2.测量集中薄层的方块电阻；3.测量探针间距 S 及样品的尺寸；4.对测量结果进展必要的修正。
试验主要仪器设备及材料四探针测试仪: D41-11D/ZM、P 型或N 型硅片、外延硅片。
试验三 P—N 导电类型鉴别试验目的或试验原理1.了解热电动势〔也称冷热探针法〕和整流法的工作原理；2.分别承受热电动势和整流法来推断硅片的导电类型。
试验内容1.承受整流法来推断硅片的导电类型；2.承受热电动势法来推断硅片的导电类型。
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C D Ds ( ) Cs
Cs为表面浓度，Ds为表面扩散系数，γ是用来描述与浓度有关的参数。
扩散方程式为：
C F C (D ) t x x x
可将扩散方程式写成一常微分方程式并以数值法求解。
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杂质掺杂 23
结深可以用下式表示
x j 1.6 Dst ,当D ~ C ＝） （ 1
2 x j 1.1 Dst ,当D ~ C（＝2） 3 x j 0.87 Dst ,当D ~ C（＝3）
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杂质掺杂 24
扩散分布－硅中的扩散
硅内所测量到的D与杂质浓度的关系 B和As ，其γ＝1，曲线（c）所 示，非常陡峭。 Au和Pt，γ＝-2，曲线（d）所示， 呈一凹陷的形状。 P，与V2－有关，D随C2而变化， 分布解决曲线（b）所示。但由于 离解效应，扩散分布将呈现出不 规则的形状。
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杂质掺杂 27
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杂质掺杂 28
扩散相关工艺－横向扩散
一维扩散方程基本能描述扩散工艺，但在掩蔽层的边缘例外，因为在边 缘处杂质会向下、向横向扩散。这时必须考虑二维的扩散方程式，并使 用数值分析技术求得在不同初始与边界条件下的扩散分布。 显示一恒定表面初始浓度条件下的轮廓线，并假设D与浓度无关。
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Physics and Technology of Modern Semiconductor Devices
杂质掺杂
2004,7,30
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杂质掺杂 1
杂质掺杂
所谓杂质掺杂是将可控数量的杂质掺入半导体内。杂质掺杂的实际应用 主要是改变半导体的电特性。扩散和离子注入是半导体掺杂的两种主要 方式。 高温扩散：一直到20世纪70年代，杂质掺杂主要是由高温的扩散方式来 完成，杂质原子通过气相源或掺杂过的氧化物扩散或淀积到硅晶片的表 面，这些杂质浓度将从表面到体内单调下降，而杂质分布主要是由高温 与扩散时间来决定。 离子注入：掺杂离子以离子束的形式注入半导体内，杂质浓度在半导体 内有个峰值分布，杂质分布主要由离子质量和注入能量决定。 扩散和离子注入两者都被用来制作分立器件与集成电路，因为二者互补 不足，相得益彰。
如果杂质扩散以空位扩散为主，则D正比于空位密度。低掺杂浓度时， EF＝Ei，空位密度等于Ci而与杂质浓度无关。正比与Ci的D也将和杂质 浓度无关。高掺杂浓度时，EF向导带底移动，指数项大于1，这是CV增 大，进而是D变大。如上图的右侧所示。
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杂质掺杂 22
考虑扩散系数时，D可以写成：
电炉 石英管
硅晶片
排气口 电炉
N2
液态杂质源
O2
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杂质掺杂 5
扩散方程式
半导体中的扩散可以视作在晶格中通过空位或填隙原子形式进行的原子 移动。下图显示了2种基本的原子扩散模型。
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杂质掺杂 6
杂质原子的基本扩散工艺近似于载流子扩散，因此定义通量F为单位时间 内通过单位面积的掺杂原子数量，C为掺杂浓度，因此有：
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杂质掺杂 17
扩散层的计算
扩散工艺的结构可由三种测量方式来评价：扩散层的结深、方块电阻与 杂质分布。下图是在半导体内磨以凹槽并用溶液腐蚀去除表面，溶液会 使p型区颜色暗，因而描绘出结深。
用磨槽和染色法测量结深
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杂质掺杂 18
0
C ( x, t )dx S
C (, t ) 0
S为单位面积掺杂总量。符合上述扩散方程的解为：
S x2 C ( x, t ) exp( ) 4Dt Dt
此为高斯分布，杂质将随时间的增加扩散进入半导体，而总掺杂量S恒定，所以 表面浓度必然下降。在x＝0处表面浓度为：
S Cs (t ) Dt
晶片内。
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杂质掺杂 10
恒定表面浓度扩散
t＝0时初始条件是
C ( x,0) 0 C (, t ) 0
表示半导体杂质浓度开始为零，边界条件是
C(0, t ) Cs
Cs是x＝0处的表面浓度，与时间无关。X＝∞，距离表面无穷远无杂质原子。 符合起始与边界条件的扩散方程式的解是：
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杂质掺杂 19
扩散层的阻值可由“四探针法”来测量。薄层电阻值R和结深xj、载流子 迁移率及杂质分布C（x）有关：
R
1 q C ( x)dx
0 xj
对某一给定的扩散分布，平均电阻率ρ＝Rxj只和表面浓度Cs及该分布下的衬底 掺杂浓度有关。对余误差或高斯等简单分布来说，我们所想要的Cs和ρ的关系已 被计算出来。要使用这些曲线，必须先确保扩散分布和这些假定的分布一致。 扩散分布也可由电容－电压关系法测得。当杂质完全电离时，杂质分布等于多 数载流子分布而多数载流子分布可通过测量p-n结或肖特基二极管的反偏电容与 外加电压的关系确定。一个更为精确的方法为二次离子质谱法（SIMS），可以 测量总的杂质分布。
x C ( x, t ) Cs erfc( ) 2 Dt
erfc是余误差函数
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杂质掺杂 11
上图为余误差函数分布
下图为恒定表面浓度的扩艺
杂质掺杂 12
半导体单位面积的掺杂原子总数是
Q(t ) C ( x, t )dx
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杂质掺杂 30
氧化过程中杂质的再分布
在热氧化过程中，靠近硅表面的掺杂剂分布将会改变，这种再分布取决 于几个因素。 一是两个固体接触在一起时，其中之一内的杂质会在此二者内重新分布 达到平衡，此情形类似与融体生长晶体中的杂质再分布。在硅内的杂质 平衡浓度对二氧化硅内杂质平衡浓度之比为分凝系数，定义为：
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杂质掺杂 14
上图为高斯函数分布
下图为恒定杂质总量的扩散分布
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杂质掺杂 15
余误差分布与高斯分布的归一化 浓度与归一化距离的关系
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杂质掺杂 16
注意到随时间的增加，表面浓度下降，微分可得扩散分布的梯度：
垂直渗透约为2.8um 横向渗透约为2.3um
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杂质掺杂 29
由于横向扩散作用，结包含了一个中央平面区及一个近似圆柱、曲率半 径为rj的边。此外，如果掩蔽层有尖锐的角，在这个角处的结将因横向扩 散而近似与圆球状。既然电场强度在圆柱与圆球结处较强，则该处雪崩 击穿电压远低于有相同衬底掺杂的平面结处。
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杂质掺杂 21
与浓度有关的扩散
当基质原子离开晶格位臵而产生空位，依照空位的电荷数，可有中性空 位V0、受主空位V－、双电荷受主V2－、施主空位V+等。可以预期，某种 带电状态下的空位密度，有类似与载流子浓度的温度相关性。
CV Ci exp(
EF Ei ) kT
Ea D D0 exp( ) kT
D0是温度到无穷大时的扩散系数（单位：cm2/S）；Ea是激活能，对填隙模型， Ea是掺杂原子从一个间隙移动到至另一个间隙所需的能量；对空位模型，Ea是 杂质原子移动所需能量和形成空位所需的能量总和。空位的Ea较扩散大。
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F D
C x
扩散驱动力是浓度梯度，掺杂原子从高浓度区流向低浓度区。 结合一维连续性方程，同时考虑在基质半导体中并无物质生成或消耗 （即Gn＝Rn＝0），将得到：
C F C (D ) t x x x
n 1 J n (Gn Rn ) t q x
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连续性方程
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杂质掺杂 7
在低掺杂原子浓度时，扩散系数可视为和掺杂浓度无关，则上式变为：
C 2C D 2 t x
费克（Fick）扩散方程
下图显示了硅与砷化镓中不同掺杂剂在低浓度时实测的扩散系数。一般 情况下，D的对数值和绝对温度的倒数成线性关系。意味着在一定的温 度范围内，D可表示为
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杂质掺杂 25
磷在不同表面浓度下，在 1000℃下扩散1h后的分布
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杂质掺杂 26
在砷化镓中的锌扩散
在砷化镓中的扩散会比在硅中要来得复杂，因为杂质的扩散包含砷和镓 两种晶格原子移动。空位在砷化镓扩散过程中扮演了一个主要角色，因 为p型和n型杂质最终必须进驻晶格位臵上，然而空位的荷电状态迄今尚 未确定。 锌是砷化镓中最广为使用的扩散剂，它的D会随C2而变化，所以扩散分 布如下图所示，是陡峭的。并注意即使是最低表面浓度的情况，扩散型 态也属于非本征扩散。
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杂质掺杂 2
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杂质掺杂 3
基本扩散工艺
杂质扩散通常是在经仔细控制的石英高温炉管中放入半导体硅晶片并通 入含有所需掺杂剂的气体混合物。硅的温度在800-1200℃；砷化镓的温 度在600-1000℃。扩散进入半导体内部的杂质原子数量与气体混合物中 的杂质分压有关。 对硅而言，B、P和As分别是常用的p型和n型掺杂剂，它们在硅中都有极 高的固溶度，可高于5×1020cm-3。引入方式有：固态源（BN、As2O3、 P2O5）；液态源（BBr3、AsCl3、POCl3）；气体源（B2H6、AsH3、 PH3 ），其中液态源最常用。 使用液态源的磷扩散的化学反应如下：