第6章-电子与微电子材料-63-半导体材料
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。
半导体物理_第六章
第6章
半导体中的非平衡过剩载流子
本章学习要点： 1. 掌握过剩载流子产生与复合的概念； 2. 掌握描述过剩载流子运动特性的连续性方程及扩散 方程； 3. 掌握双极输运方程及其典型的应用实例； 4. 建立准费米能级的概念； 5. 了解分析过剩载流子的复合过程及其寿命； 6. 了解表面效应对过剩载流子复合的影响。
过剩载流子的产生 当有外界激发条件（如光照）时，会把半导体价带中的 电子激发至导带，从而在导带中产生导电电子，同时也 会在价带中产生导电空穴，即受到外部激励时，半导体 材料相对于热平衡状态额外产生了电子－空穴对。 额外产生的电子------过剩电子 额外产生的空穴------过剩空穴
过剩电子的产生率为：gn′ 过剩空穴的产生率为：gp′ 单位---cm-3·s-1 对于导带与价带之间的直接产生过程来说，过剩 电子和过剩空穴也是成对产生的，因此有：
如果半导体材料受到外部的激励(如温度的突然 升高），那么在原来热平衡浓度的基础上，会增加额 外的导带电子和价带空穴----非平衡过剩载流子，过 剩载流子是半导体器件工作的基础。 本章重点学习描述非平衡过剩载流子随空间位置 和时间变化状态---双极输运方程，这是研究分析PN 结和双极型晶体管特性的基础。
在小注入条件下，对于N型半导体材料少数载流子空 穴的浓度将以时间常数η p0进行衰减，且
η
p0：过剩少数载流子空穴的寿命。
多数载流子电子和少数载流子空穴的复合率也完全相 等，即：
半导体制造工艺第6章金属化
6.2 金属化类型
图6-3 多层铜互连技术
6.2 金属化类型
6.2.5 阻挡层金属 在上一节介绍到铜在硅和二氧化硅中都有很高的扩散率，如果
铜扩散进入二氧化硅或硅中将破坏器件的性能，这也是铜互连迟迟 未被采用的主要原因之一。事实上，很多金属与半导体接触并在高 温处理时都容易相互扩散，比如铝和硅、钨和硅相互扩散。为了防 止上下层材料相互扩散必须在它们中间引入阻挡层金属，如图6⁃ 4所 示。阻挡层金属必须足够厚，以达到阻挡扩散的目的，通常对于特 征尺寸为0．25μm的器件中阻挡层金属厚度约100nm，而对于 0．18μm工艺水平的器件其阻挡层金属厚度约20nm。 1)能很好地阻挡材料的扩散。 2)高电导率和很低的欧姆接触电阻。
6.3 金属淀积
6.3.2 蒸发 在半导体制造早期，蒸发法是最主要的金属淀积方法。然而为
了获得更好的台阶附覆盖能力以及更高的淀积速率，从20世纪70年 代的后期开始，在大多数硅片制造技术领域里溅射已经取代蒸发。 尽管如此，在一些对薄膜台阶附覆盖能力要求不太高的中小规模集 成电路制造中仍在使用蒸发法淀积金属薄膜。在封装工艺中，蒸发 也被用来在晶片的背面淀积金，以提高芯片和封装材料的粘合力。
图6-1 金属互连线与半导体区之间的接触
6.2 金属化类型
6.2.1 半导体制造中对金属材料的要求 金属化技术在中、小规模集成电路制造中并不是十分关键。但
是随着芯片集成度越来越高，金属化技术也越来越重要，甚至一度 成为制约集成电路发展的瓶颈。早期的铝互连技术已不能满足高性 能和超高集成度对金属材料的要求，直到铜互连技术被应用才解决 了这个问题。硅和各种金属材料的熔点和电阻率见表6⁃1。为了提高 IC性能，一种好的金属材料必须满足以下要求： 1)具有高的导电率和纯度。 2)与下层衬底(通常是二氧化硅或氮化硅)具有良好的粘附性。 3)与半导体材料连接时接触电阻低。 4)能够淀积出均匀而且没有“空洞”的薄膜，易于填充通孔。 5)易于光刻和刻蚀，容易制备出精细图形。
第六章-纳米材料
第二节 纳米材料旳制备
纳米材料制备措施分为：物理法、化学 法和综正当。 物理法是最早采用旳纳米材料制备措施， 这种措施是采用高能耗旳方式，强制材 料细化得到纳米材料。例如，惰性气体 蒸发法、激光溅射法、球磨法、电弧法 等。
化学法采用化学合成措施，合成制备纳米材料，例如，沉 淀法、水热法、相转移法、界面合成法、溶胶凝胶法等。
2、化学制备法
(1)湿化学法制备纳米粉体 湿化学法较简朴，易于规模生产，尤其适合
于制备纳米氧化物粉体。主要有沉淀法、水热 法、乳浊液法等。
沉淀法一般是在溶液状态下将不同化学成份 旳物质混合，在混合溶液中加入合适旳沉淀剂 制备纳米粒子旳前驱体沉淀物，再将此沉淀物 进行干燥或煅烧，从而制得相应旳纳米粒子。
6.3.1 基本原理
STM旳基本原理图如下：图中圆圈为原子，中间深色部分 为原子核，周围浅色部分和分散旳黑点是电子云，下面11个 原子代表被测测试样面。
STM旳基本原理是量子隧道效应。 在经典力学中，当势垒旳高度比粒子 旳能量大时，粒子是无法越过势垒旳。 然而，根据量子力学旳原理，此时粒 子穿过势垒出目前势垒另一侧旳概率ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ并不为零。这种现象称为隧道效应。
6.1.1 纳米科技
纳米科学技术是20世纪80年代末期诞生并正在 崛起旳新科技，它旳基本涵义是在纳米尺寸范围内 认识和改造自然，经过直接操作和安排原子、分子 发明物质。纳米科技是研究由尺寸之间旳物质构成 旳体系旳运动规律和相互作用以及可能旳实际应用 中旳技术问题旳科学技术。纳米科技主要涉及： （1）纳米体系物理学；（2）纳米化学；（3）纳米 材料学；（4）纳米生物学；（5）纳米电子学； （6）纳米加工学；（7）纳米力学。
当针尖和样品旳间距足够小时(<0.4nm)，在针尖和样品面 间施加一偏置电压，便会产生隧道效应。电子在针尖和样品 面之间流动，形成隧道电流。在相同旳偏置电压作用下，伴 随探针一样晶面旳间距减小，隧道电流不久增大(可增大1～2 个数量级)，同步针尖原子和样品面原子旳电子云部分重叠， 使两者之间旳相互作用大大增强。因为隧道电流随距离呈指 数形式变化，所以，样品面上因为电子排列形成旳“凹凸不 平”旳表面，造成隧道电流剧烈变化。检测变化旳隧道电流 经计算机处理，便能得到样品面旳原子排列情况。
半导体材料与器件专业
半导体材料与器件专业引言半导体材料与器件是现代电子科学与技术的重要分支领域。
随着信息技术的迅猛发展，半导体材料与器件的研究与应用日益广泛，对于推动社会进步和经济发展具有重要作用。
本文将全面、详细、完整地探讨半导体材料与器件专业的相关内容，包括材料与器件的基本概念、研究方向、应用领域以及发展趋势等。
半导体材料与器件的基本概念半导体材料半导体材料是一类介于导体和绝缘体之间的材料，具有介电常数相对较小、导电性能相对较弱的特点。
常见的半导体材料有硅(Si)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)等。
半导体器件半导体器件是利用半导体材料制造的电子器件，广泛应用于电子信息领域。
常见的半导体器件包括二极管、晶体管、集成电路等。
半导体材料与器件的研究方向半导体材料的研究方向1.材料的生长与制备技术：研究半导体材料的生长机制、制备工艺以及优化方法，以提高材料质量和性能。
2.材料的性能表征与测试：研究半导体材料的光电性能、电子输运性质等，通过材料表征与测试手段获取与分析材料性能。
3.材料的能带结构与能带工程：研究半导体材料的能带结构，通过能带工程手段调控材料的能带结构，以实现特定的功能与性能要求。
半导体器件的研究方向1.器件的设计与模拟：利用计算机辅助设计工具，对半导体器件进行设计与模拟，分析其电学特性与工作原理。
2.器件的制造与加工技术：研究半导体器件的制造工艺与技术，包括光刻、薄膜沉积、离子注入等，以实现高精度与高可靠性的器件制造。
3.器件的封装与封装技术：研究半导体器件的封装方式与封装工艺，以保护器件并提供合适的引脚连接方式。
4.器件的可靠性与故障分析：研究半导体器件的可靠性问题，探索其寿命特性与故障机理，并提出相应的改进与优化方案。
半导体材料与器件的应用领域通信与信息技术领域半导体材料与器件在通信与信息技术领域具有广泛应用。
例如，光通信器件利用半导体材料的光电转换特性，实现大容量、高速率的光信号传输。
集成电路则提供了计算机和通信设备等现代电子产品所必需的处理和存储功能。
第6章 半导体激光器讲解
N2 exp( E2 E1 )
N1
kT
式中， k=1.381×10-23J/K，为波尔兹曼常数，T为热力学温 度。由于(E2-E1)>0，T>0，所以在这种状态下，总是N1>N2。 这是因为电子总是首先占据低能量的轨道。
受激吸收和受激辐射的速率分别比例于N1和N2，且比例系 数(吸收和辐射的概率)相等。
中心波长：在激光器发出的光谱中，连接50％ 最大幅度值线段的中点所对应的波长。
830 828
I=100mA Po=10mW
832 830 828
I=85mA Po=6mW
6.3.1 半导体激光器工作原理和基本结构
半导体激光器是向半导体PN结注入电流，实现粒子 数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈， 实现光放大而产生激光振荡的。
光受激辐射、发出激光必须具备三个要素：
1、激活介质经受激后能实现能级之间的跃迁；
2、能使激活介质产生粒子数反转的泵浦装置；
3、放置激活介质的谐振腔，提供光反馈并进行放大， 发出激光。
图 3.6 DH (a) 双异质结构； (b) 能带； (c) 折射率分布； (d) 光功率分布
3.1.2 半导体激光器的主要特性
1. 发射波长和光谱特性
半导体激光器的发射波长等于禁带宽度Eg(eV) h f =Eg
式中，f=c/λ，f (Hz)和λ(μm)分别为发射光的频率和波长，
c=3×108 m/s为光速，h=6.628×10-34J·S为普朗克常数， 1eV=1.6×10-19 J，代入上式得到
生的自发辐射光作为入射光。
产生稳定振荡的条件（相位条件）
2L m / n
m 纵模模数，n 激光媒质的折射率
材料的电学性能
电阻的本质 电子波在晶体点阵中传播时，受到散射，从而产 生阻碍作用，降低了导电性。 电子波在绝对零度下，通过一个理想点阵时，将 不会受到散射，无阻碍传播，电阻率为0。
35
能带理论认为：导带中的电子可在晶格中自由运 动——电子波通过理想晶体点阵(0K)时不受散射， 电阻为0——破坏晶格周期性的因素对电子的散射 形成电阻
10
2、迁移率和电导率的一般表达式 物体的导电现象，其微观本质是载流子在
电场作用下的定向迁移。
设单位截面积为 S 1cm2 ，在单位体积 1cm3 内载流子数
为ncm3 ，每一载流子的电荷量为q ，则单位体积内参加导
电的自由电荷为nq 。
11
电导率为 J nqv
EE
令 v E （载流子的迁移率）。其物理意义为载流
(金属的纯度和完整性)
41
理想晶体和实际晶体在 低温时的电阻率－温度 关系
e2n F e2nlF
m mvF
与经典自由电子理论下的电导率的形式相同。但
其豫时中间的、F、平l均F、自vF由分程别和是运费动米速面度附。近的电子的弛
——可以成功地解释一价的碱金属的电导。 但对其他金属，如过渡金属，其电子结构复杂， 电子分布不是简单的费米球，必须用能带理论才 能解释其导电性。
的温度。
在T<<D的低温，有 T5
在2K以下的极低温，声子对电子的散射效应变得很微弱， 电子－电子之间的散射构成了电阻的主要机制，此时有：
T2
理想晶体的电阻总是随温度的升高而升高。
38
定义＝1/lF为散射系数
1
m * vF e2n *lF
1 lF
由于实际材料总是有杂质和缺陷的，所以对实际材 料散射系数可表示为
半导体材料与微电子器件性能关联分析
半导体材料与微电子器件性能关联分析随着科技的不断发展，微电子器件在现代社会中扮演着非常重要的角色。
而半导体材料作为微电子器件的核心材料之一，对于微电子器件的性能具有重要的影响。
本文将深入探讨半导体材料与微电子器件性能之间的关联。
首先，我们需要了解半导体材料的基本特性。
半导体材料的特点在于其具备介于导体和绝缘体之间的电导率。
与导体相比，半导体材料的电导率较低；而与绝缘体相比，半导体材料的电导率则较高。
这种特性使得半导体材料成为微电子器件的理想选择。
半导体材料中最常见的一类是硅（Si）材料。
硅材料具有良好的半导体特性，广泛应用于微电子制造中。
此外，氮化镓（GaN）等材料也在近年来得到了广泛关注。
不同的半导体材料具有不同的物理和电学特性，因此在微电子器件中的应用也有所不同。
半导体材料的性能与微电子器件的性能息息相关。
首先，半导体材料的能带结构对其导电性能起到了关键的影响。
能带结构决定了半导体中电子和空穴的分布状态。
当半导体材料被施加电场或加热时，电子和空穴会在能带内进行移动，从而产生电流。
因此，能带结构直接影响了半导体材料的导电性能。
其次，半导体材料的掺杂水平对微电子器件的性能也具有重要的影响。
掺杂是指向半导体材料中引入杂质原子，以改变其导电性能。
根据掺杂类型的不同，可以分为N型掺杂和P型掺杂。
N型掺杂是向半导体材料中引入多余的电子，增加其导电性能；P型掺杂则是引入多余的空穴，也会改变半导体材料的导电性能。
适当的掺杂水平可以提高微电子器件的导电性能和性能稳定性。
另外，半导体材料的载流子迁移率也对微电子器件的性能起到重要作用。
载流子迁移率是指电子或空穴在半导体材料中的移动速度。
它反映了半导体材料中的载流子注入效果以及电流的传输能力。
如果载流子迁移率较高，电流将更顺畅地通过半导体材料，微电子器件的性能将得到显著提升。
此外，半导体材料还需要具备良好的热稳定性和机械性能。
在实际应用中，微电子器件会受到高温、环境湿度等外界因素的影响。
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室温情况下，本征硅中n0=p0~1.51010/cm3，当磷 掺杂量在10–6量级时，电子载流子数目将增加几 十万倍。
2) P型半导体
在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。
硅原子
+4
空穴
+4
硼原子
+4 +4 +3 +4
+4
+4 +4
多数载流子—— 空穴
电子空穴对 P型半导体
空穴
－ － －－
－ － －－
－ － －－
受主离子 少数载流子——自由电子
掺硼半导体中，空穴的数目远大于自由电子的数 目。空穴为多数载流子，自由电子是少数载流子， 这种半导体称为空穴型半导体或P型半导体。
一般情况下，掺杂半导体中多数载流子的数量可 达到少数载流子的1010倍或更多，电子载流子数 目将增加几十万倍。
+4 +4 +4
+4 +4 +4
空穴
自由电子
+4 +4 +4
当温度升高或受到光的 照射时，束缚电子能量增 高，有的电子可以挣脱原 子核的束缚，而参与导电 ，成为自由电子。
自由电子产生的同时，在 其原来的共价键中就出现 了一个空位，称为空穴。
这一现象称为本征激发，也称热激发。
本征半导体
完全纯净、具有一定晶体结构的半导体
➢ 杂质原子对导电性能的影响将在下面介绍。
（2） 杂质半导体
在常温下，本征半导体的两种载流子数量还是极少的， 其导电能力相当低。
在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体 称为杂质半导体。
如果在半导体晶体中掺入微量杂质元素，将得到掺杂 半导体，而掺杂半导体的导电能力将大大提高。
由于掺入杂质元素的不同，掺杂半导体可分为两大类— —N型半导体和 P型半导体。
不论是N型半导体还是P型半导体，都只有一种 多数载流子。然而整个半导体晶体仍是电中性的。
总结
(1)本征半导体中加入五价杂质元素，便形成N型半 导体。N型半导体中，电子是多数载流子，空穴是少
数载流子，此外还有不参加导电的正离子。
(2)本征半导体中加入三价杂质元素，便形成P型半
导体。其中空穴是多数载流子，电子是少数载流子， 此外还有不参加导电的负离子。 (3)杂质半导体中，多子浓度决定于杂质浓度，少子 由本征激发产生，其浓度与温度有关。 常用的杂质元素
1) N型半导体 在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等，
称为N型半导体。
N型半导体
硅原子 + 4
多余电子
+4
磷原子
+4
+4 +4 +5 +4 +4 +4
电子空穴对
自由电子
N型半导体 ++ + +
++ + +
++ + +
多数载流子—自由电子
少数载流子—空穴
施主离子
掺入磷杂质的硅半导体晶体中，自由电子的数目 大量增加。自由电子是这种半导体的导电方式， 称之为电子半导体或N型半导体。
最常用的半导体为硅(Si)和锗(Ge)。它们的共同 特征是四价元素，每个原子最外层电子数为 4 。
+
+
Si Ge
提纯的硅材料可形成单晶——单晶硅 相邻原子由外层电子形成共价键
共价键
价电子受到激发，形成自 由电子并留下空穴。
自由电子和空穴同时产生
半导体中的自由电子和空 穴都能参与导电——半导 体具有两种载流子。
微电子半导体
光电半导体
按功能和应用分： 热电半导体 微波半导体
按组成ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ：
气敏半导体 ∶
无机半∶导体：元素、化合物
有机半导体
按结构分：
晶体：单晶体、多晶体 非晶、无定形
一、 无机半导体晶体材料(组分)
无机半导体晶体材料包含元素、化合物及固溶体半导体。 1. 元素半导体晶体
熔点太高、 不易制成单晶
C B
稀少
Te Sn
低温某种固相
P
Si
Ge
Se
元素 半导体
As
I S Sb
不稳定,易挥发
（1）本征半导体——化学成分纯净的半导体晶体。 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，
常称为“九个9”。
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
束缚电子
本征半导体的共价键结构
在绝对温度T=0K时， 所有的价电子都紧紧束缚 在共价键中，不会成为自 由电子，因此本征半导体 的导电能力很弱，接近绝 缘体。
6.3 半导体材料
6.3.1 半导体材料概述 6.3.2 半导体的分类及特点 6.3.3 PN 结 6.3.4 单质硅半导体材料 6.3.5 重要的化合物半导体 6.3.6 半导体的应用
第七章 半导体材料的应用 第八章 半导体材料的发展展望
6.3.1 半导体材料概述
什么是半导体？
从导电性（电阻）：固体材料可分成：超导体、导体、半导体、
绝缘体。电阻率ρ介于导体和绝缘体之间，并且具有负的电阻
温度系数→半导体。 R
绝缘体
电阻率：
导体： ρ＜10-4Ωcm 如：ρCu=10-6Ωcm
半导体：10-3Ωcm＜ρ＜108Ωcm 如：ρGe=0.2Ωcm
绝缘体：ρ＞108Ωcm
半导体
负的温度系数 T
电阻温度系数图
定义
➢ 半导体材料（semiconductor material） 是一类具有半导体性能（导电能力介于导 体与绝缘体之间，电阻率约在1mΩ·cm～ 1GΩ·cm范围内）、可用来制作半导体器 件和集成电路的电子材料。
半导体的主要特征
⒈ 电阻率ρ:电阻率可在很大范围内变化 电学性质
绝缘体
半导体
导体
1012—1022 Ω.cm
10-6—1012 Ω.cm
≤10-6Ω.cm
2.负电阻温度系数 Si：T=300K ρ=2 x
105
Ωcm
exp( Ea K BT
)
T=320K ρ=2 x 104Ωcm
3.具有整流效应
6.3.2 半导体分类及特点
➢ 凡具有上述两种特征的材料都 可归入半导体材料的范围。反 映半导体内在基本性质的却是 各种外界因素如光、热、磁、 电等作用于半导体而引起的物 理效应和现象，这些可统称为 半导体材料的半导体性质。构 成固态电子器件的基体材料绝 大多数是半导体，正是这些半 导体材料的各种半导体性质赋 予各种不同类型半导体器件以 不同的功能和特性。半导体的 基本化学特征在于原子间存在 饱和的共价键。
载流子的产生与复合：
价电子 共价键
硅原子
➢ 本征半导体中的自由电子和空穴总是成对出现， 同时又不断进行复合。在一定温度下，载流子 的产生与复合会达到动态平衡，即载流子浓度 与温度有关。温度愈高，载流子数目就愈多， 导电性能就愈好——温度对半导体器件的性能 影响很大。
➢ 半导体中的价电子还会受到光照而激发形成自 由电子并留下空穴。光强愈大，光子就愈多， 产生的载流子亦愈多，半导体导电能力增强。 故半导体器件对光照很敏感。