吉林大学-半导体材料-课件-第五章5.1-5.3
合集下载
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
半导体物理第五章(教材)
05 半导体的热电性质
热电效应与温差电器件
热电效应
当半导体材料两端存在温度差时，会产生热电势差，即热电效应。热电效应是半导体材料热电转换的基础。
温差电器件
利用半导体材料的热电效应，可以制作出温差电器件，如温差发电器和温差制冷器。这些器件在能源转换和温度 控制等领域有广泛应用。
塞贝克效应与温差电偶
半导体材料与器件的绿色化
发展环保、低能耗的半导体材料和器件，以适应体技术与其他领域（如生物、医学、环境等）的交叉融合，将 产生新的应用方向和产业机遇。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
致冷器件
利用帕尔贴效应，可以制作出致冷器 件，如半导体制冷器。这些器件在电 子设备冷却、局部制冷等领域有广泛 应用。
06 第五章总结与展望
关键知识点回顾
半导体能带结构
包括价带、导带和禁带的概念，以及半导体中电子和空 穴的能量分布。
半导体中的复合与产生
阐述了半导体中电子和空穴的复合过程以及载流子的产 生机制。
03
半导体器件的伏安特性曲线和 参数
02 半导体中的载流子
载流子的类型与特性
载流子类型
半导体中的载流子主要包括电子和空穴两种类 型。
电子特性
电子带负电荷，具有较小的有效质量和较高的 迁移率。
空穴特性
空穴带正电荷，具有较大的有效质量和较低的迁移率。
载流子的浓度与分布
载流子浓度
半导体中载流子的浓度与温度、掺杂 浓度和禁带宽度等因素密切相关。
半导体物理第五章教材
目 录
• 第五章概述 • 半导体中的载流子 • 半导体中的电流 • 半导体的光电性质 • 半导体的热电性质 • 第五章总结与展望
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
第五章-宽带隙半导体材料PPT课件
▪ 2005年 MBE制备的ZnO基p-i-n同质结LED和MOCVD 制备的ZnO基p-n同质结LED的初步实现，让人们 看到了ZnO固体照明和激光工程应用的曙光。
可编辑课件PPT
43
目前ZnO半导体研究热点
ZnO p型掺杂
初步进展: 通过N单掺或共掺方法可获得空穴浓度 达1019cm-3；P、As和Sb的掺杂可获得1018cm-3的 空穴浓度；初步实现ZnO同质LED。
可编辑课件PPT
6
氮化物研究的几个重大突破
▪ 1986年，日本的科学家Amano和Akasasi利用MOCVD技术 在AlN缓冲层上生长得到高质量的GaN薄膜。
▪ 随后他们利用低能电子束辐照(LEEBI)技术得到了Mg掺 杂的p型GaN样品，视为GaN研究发展的另一重大突破。 1989年，他们研制出第一个p-n结构的LED。
45
ZnO基纳米结构
▪ 2001年 蓝宝石衬底上实现ZnO自组装纳米 线阵列紫外受激发射的实现，引起了人们 对ZnO纳米材料与器件研究的极大兴趣。
可编辑课件PPT
46
ZnO的能带结构
可编辑课件PPT
47
ZnO的PL光谱
可编辑课件PPT
48
ZnO的制备技术
可编辑课件PPT
49
ZnO的器件应用
可编辑课件PPT
8
部分化合物半导体的带隙宽度
可编辑课件PPT
9
氮化物三元合金的X射线衍射谱
可编辑课件PPT
10
宽带隙半导体材料的特点
▪ 压电性与极化效应 ▪ 高热导率 ▪ 小介电常数 ▪ 极高临界击穿电场 ▪ 耐高温、抗辐射 ▪ 大激子束缚能 ▪ 巨大能带偏移
可编辑课件PPT
11
可编辑课件PPT
43
目前ZnO半导体研究热点
ZnO p型掺杂
初步进展: 通过N单掺或共掺方法可获得空穴浓度 达1019cm-3；P、As和Sb的掺杂可获得1018cm-3的 空穴浓度；初步实现ZnO同质LED。
可编辑课件PPT
6
氮化物研究的几个重大突破
▪ 1986年，日本的科学家Amano和Akasasi利用MOCVD技术 在AlN缓冲层上生长得到高质量的GaN薄膜。
▪ 随后他们利用低能电子束辐照(LEEBI)技术得到了Mg掺 杂的p型GaN样品，视为GaN研究发展的另一重大突破。 1989年，他们研制出第一个p-n结构的LED。
45
ZnO基纳米结构
▪ 2001年 蓝宝石衬底上实现ZnO自组装纳米 线阵列紫外受激发射的实现，引起了人们 对ZnO纳米材料与器件研究的极大兴趣。
可编辑课件PPT
46
ZnO的能带结构
可编辑课件PPT
47
ZnO的PL光谱
可编辑课件PPT
48
ZnO的制备技术
可编辑课件PPT
49
ZnO的器件应用
可编辑课件PPT
8
部分化合物半导体的带隙宽度
可编辑课件PPT
9
氮化物三元合金的X射线衍射谱
可编辑课件PPT
10
宽带隙半导体材料的特点
▪ 压电性与极化效应 ▪ 高热导率 ▪ 小介电常数 ▪ 极高临界击穿电场 ▪ 耐高温、抗辐射 ▪ 大激子束缚能 ▪ 巨大能带偏移
可编辑课件PPT
11
《半导体材料》课件
N型半导体
通过向半导体中掺入五价杂质，可以形成具有负 电荷的N型半导体。
PN结
PN结是由P型和N型半导体材料结合而成的结构， 具有重要的电子器件应用。
二极管
二极管是一种基本的半导体器件。它具有只允许 单向电流通过的特性。
4. 高级半导体器件
M Oபைடு நூலகம்FET
MOSFET是一种基于半导体材料 的重要集成电路组件，广泛应用 于电子设备中。
光电二极管
光电二极管是一种半导体器件， 可以将光能转换为电能，广泛用 于通信和光电领域。
激光二极管
激光二极管是利用半导体材料产 生激光的器件，应用于激光打印 机、激光通信等领域。
5. 应用领域
计算机芯片
半导体材料是计算机 芯片制造的基础，推 动了电子产品的快速 发展。
通信设备
半导体器件在无线通 信、移动通信等领域 中发挥着重要的作用。
光电子器件
光电子器件利用半导 体材料的特性，实现 光信号的检测和处理。
新能源领域
半导体材料在太阳能 电池、燃料电池等新 能源领域有着广泛的 应用。
6. 总结
半导体材料具有独特的电性能和广泛的应用。通过了解半导体的基本概念和器件原理，我们可以更好地理解现 代电子技术的发展和应用。期待未来半导体材料的更多突破和创新！
2. 基本概念
1 价带和导带
半导体中的价带和导带决定了电子的能量状态和传导性质。
2 禁带宽度
禁带宽度是指价带和导带之间的能量间隔，影响了半导体的导电性。
3 掺杂
通过掺杂杂质，可以改变半导体的导电性能，使其成为P型或N型半导体。
3. 掺杂与半导体器件
P型半导体
通过向半导体中掺入三价杂质，可以形成具有正 电荷的P型半导体。
《半导体材料》PPT课件
• 电子能级：能量单位是电子伏特（ev）， 代表一个电子从低电势处移动到高出1V的 电势处所获得的动能。
• 价电子层：给定一种原子，最外部的电子 层就是价电子层，对原子的化学和物理性 质具有显著的影响。
精选课件ppt
6
• 固体能带论：解释了固体材料中电子怎样 改变轨道能级。
• 离子：当原子失去或得到一个或多个电子 时成为离子。
精选课件ppt
46
• 当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时， 交界面形成稳定的空间电荷区，即ＰＮ结 处于动态平衡。ＰＮ结的宽度一般为0.5um。
• PN结在未加外加电压时，扩散运动与漂移 运动处于动态平衡，通过PN结的电流为零。
精选课件ppt
47
2.9半导体二极管的结构 1.点接触型二极管的结构
精选课件ppt
精选课件ppt
25
精选课件ppt
26
硅的熔点是1412℃，是一种质硬的脆性材料，变 形很容易破碎，与玻璃相似。可以抛光得像镜面 一样平整。
本征半导体： 不含任何杂质和缺陷的纯净半导体， 其纯度在99.999999%（8~10个9）。
掺杂半导体：把特定的元素引入到本征半导体中， 可提高本征半导体的导电性。
Jn qDnn J p qDpp
精选课件ppt
39
总的电流扩散密度为：
J Jn Jp
qD nnqD pp
精选课件ppt
40
2.6载流子的迁移率 迁移率：漂移速度与外加电场强度之间的比例常数。
v E
载流子被电场加速的同时，将与晶格格点和晶格 中的杂质碰撞产生散射，各种散射机构决定了载 流子的迁移率的大小。
介电常数：介电材料是电容器中的关键部 分。介电常数K已经成为一个重要的半导体 性能参数。
• 价电子层：给定一种原子，最外部的电子 层就是价电子层，对原子的化学和物理性 质具有显著的影响。
精选课件ppt
6
• 固体能带论：解释了固体材料中电子怎样 改变轨道能级。
• 离子：当原子失去或得到一个或多个电子 时成为离子。
精选课件ppt
46
• 当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时， 交界面形成稳定的空间电荷区，即ＰＮ结 处于动态平衡。ＰＮ结的宽度一般为0.5um。
• PN结在未加外加电压时，扩散运动与漂移 运动处于动态平衡，通过PN结的电流为零。
精选课件ppt
47
2.9半导体二极管的结构 1.点接触型二极管的结构
精选课件ppt
精选课件ppt
25
精选课件ppt
26
硅的熔点是1412℃，是一种质硬的脆性材料，变 形很容易破碎，与玻璃相似。可以抛光得像镜面 一样平整。
本征半导体： 不含任何杂质和缺陷的纯净半导体， 其纯度在99.999999%（8~10个9）。
掺杂半导体：把特定的元素引入到本征半导体中， 可提高本征半导体的导电性。
Jn qDnn J p qDpp
精选课件ppt
39
总的电流扩散密度为：
J Jn Jp
qD nnqD pp
精选课件ppt
40
2.6载流子的迁移率 迁移率：漂移速度与外加电场强度之间的比例常数。
v E
载流子被电场加速的同时，将与晶格格点和晶格 中的杂质碰撞产生散射，各种散射机构决定了载 流子的迁移率的大小。
介电常数：介电材料是电容器中的关键部 分。介电常数K已经成为一个重要的半导体 性能参数。
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
硅外延中的化学反应 硅VPE中主要利用三类化学反应
1. 氢还原反应
2. 歧化反应-自身 氧化还原反应
①SiCl4 + 2H2 →Si(s)+4HCl(g) ②SiHCl3 + H2→ Si+3HCl
吉林大学电子科学与工程学院
圆桶式
半导体材料
感应加热圈
硅片
石墨基座 水平式反应室
圆盘式反应室
吉林大学电子科学与工程学院
圆桶式反应室
半导体材料
5-3、硅的气相外延生长
5-3-1 硅外延生长用的原料 5-3-2 硅外延生长设备 5-3-3 硅外延生长基本工艺
5-3-4 基本原理和影响因素 5-3-5 硅外延生长动力学过程 5-3-6 边界层及其特性 5-3-7 硅外延生长动力学模型
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
气体输运及控制系统
气密性检查 I. 通氢气法－－用氢敏检测仪，逐个接口进行检查
II. 抽空减压法－－系统抽空后，压力变化
III. 充气加压法－－系统充气后，压力变化
IV. 装入SiCl4，用蘸氨水脱脂棉进行检查（生成白色 烟雾）
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
加热系统
温度的均匀性和波动影响外延层的质量
主要加热方式：电阻丝加热，高频感应加热和红外 辐射加热
硅外延生长中，目前应用最广泛的是高频感应加热。
它将高频电流通过功率输出线圈，使放置在反应室 内的石墨基座受到高频电磁感应，产生强大的涡流 并发热。
优点：升降温度快，温度容易调整，热量集中在石 墨基座上，反应壁温度低，避免硅沉积在反应室内 壁上。
缺点：不同形状的感应体需要专门设计的感应线圈
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
反应系统
反应室是SiCl4在高温和氢气进行化学反应，还原 出硅原子，在衬底上进行单晶生长的场所。
反应室要求耐高温，抗腐蚀，不沾污硅外延片， 而且应当透明以便观察。
反应室一般用石英制作而成。
卧式反应室（水平反应室）
圆盘式 立式反应室（竖直反应室）
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
同质、异质外延
外延层与衬底为同种材料：Si-Si, GaAs-GaAs 外延层和衬底为不同种材料：Si-Sapphire, GaAlAs-GaAs
失配位错
应变
外延层
同质外延
异质外延
吉林大学电子科学与工程学院
衬底
半导体材料
直接外延
加热
电子轰击
外加电场
直接外延是用加热、电子轰击或外加电场等方法 使生长的材料原子获得足够能量，直接迁移沉积 在衬底表面上完成外延生长的方法。
5-3-4 基本原理和影响因素 5-3-5 硅外延生长动力学过程 5-3-6 边界层及其特性 5-3-7 硅外延生长动力学模型
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
硅外延生长设备
硅片
流流
流 石墨基座
量量 减压阀 计 计
量 计
感应加热线圈
可调
氢气净化系统
氢 气 瓶
氢气 净化
器
二通阀 硅
四 HCl
外
氯 发生
(MPCVD) 等离子体增强CVD ：Plasma-Enhanced CVD (PECVD) 远程等离子体增强CVD ：Remote plasma-enhanced CVD
(RPECVD)
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
原子层CVD ：Atomic Layer CVD (ALCVD) 火焰CVD ：Combustion Chemical Vapor Deposition (CCVD)
减少硅抛光片表面的微缺陷、表面粗糙、表面或靠近 表面处的SiOx沉积等；
可以避免硅氧化介质层的不完整，减少漏电流，避免 闩锁效应。
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
外延生长的特点（优势）
1. 可在低（高）阻衬底上外延高（低）阻外延层 2. 可在P（N）型衬底上外延N（P）型外延层 3. 可在指定区域选择外延生长 4. 可根据需要改变掺杂的种类及浓度，突变或缓变 5. 可以生长异质、多层、多组分化合物且组分可变
的超薄层
6. 可在低于熔点温度下外延生长，速率可控，可实 现原子级尺寸厚度外延生长
7. 可生长无法拉制单晶的材料，如GaN，三四元系 化合物单晶层等
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
外延层应满足的要求
1. 表面应平整、光亮，无表面缺陷 2. 晶体完整性好，位错和层错密度低 3. 外延层本底杂质浓度低，补偿少 4. 异质外延，外延层与衬底组分间应突变 5. 掺杂浓度控制严格，分布均匀，电阻率符合要求
外延生长的特点及要求
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
外延的定义
在一定条件下，通过一定方法获得所需原子，并 使这些原子有规则地排列在衬底上； 在排列时控制有关工艺条件，使排列的结果形成 具有一定导电类型、一定电阻率、一定厚度的晶格 完美的新单晶层（0.5~20mm）的生成过程。 在一定条件下，在单晶衬底上生长一层合乎要求 的单晶层的方法。
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
5-3 硅的气相外延生长
气相硅外延生长的定义：
在高温下，使挥发性强的硅源与氢气发生反应或 热解，生成的硅原子淀积在硅衬底上长成外延层
气相外延生长的前提条件：
1. 在沉积温度下，反应物有足够高的蒸气压
2. 生成物中，除了一种所需要的沉积物为固态外， 其余必须是气态
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
固相、液相、气相外延
固相外延： SPE（Solid-Phase Epitaxy） 应用于离子注入后的退火过程，使产生的非晶区在低温 退火过程中通过固相外延转化为晶体；
液相外延： LPE（Liquid-Phase Epitaxy） 衬底片的待生长面浸入外延生长的液体环境中生长外延层； 多使用水平生长的外延炉； 用于Ⅲ/Ⅴ族化合物外延层制备；
热丝CVD ：Hot Wire CVD (HWCVD) 金 属 有 机 CVD ： Metalorganic Chemical Vapor Deposition (MOCVD) 混 合 物 理 CVD ： Hybrid Physical-Chemical Vapor Deposition (HPCVD) 快速热CVD ：Rapid Thermal CVD (RTCVD) 气相外延 ：Vapor Phase Epitaxy (VPE)
③2SiI2 (g)→Si (s)+SiI4 (g)
3. 热分解反应
吉林大学电子科学与工程学院
④SiH4→Si+2H2
半导体材料
衬底要求
硅衬底经过切、磨、抛等工艺仔细加工而成
外延生长前要求严格的清洗、烘干
反应室中进行原位化学腐蚀抛光， 除去表面上的 损伤、污染物及氧化物等。
SiH2Cl2、SiHCl3和SiCl4为硅源时：化学腐蚀剂用 干燥的HCl或HBr
3. 沉积物本身的蒸气压应足够低，以保证在整个沉 积反应过程中能使其保持在加热的衬底上
4. 衬底本身的蒸气压在沉积温度下也应Fra bibliotek够低，不 易挥发
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
5-3、硅的气相外延生长
5-3-1 硅外延生长用的原料 5-3-2 硅外延生长设备 5-3-3 硅外延生长基本工艺
5-3-4 基本原理和影响因素 5-3-5 硅外延生长动力学过程 5-3-6 边界层及其特性 5-3-7 硅外延生长动力学模型
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
硅外延生长基本工艺
（1）硅片清洗 （2）装入硅片 （3）通氢排气 （4）升 温 （5）高温处理 （6）气相抛光
Epitaxy epi: upon taxy: orderly, arranged
外延层 衬底
新生单晶层按衬底晶相延伸生长，称为外延层。
(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
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
硅外延中的化学反应 硅VPE中主要利用三类化学反应
1. 氢还原反应
2. 歧化反应-自身 氧化还原反应
①SiCl4 + 2H2 →Si(s)+4HCl(g) ②SiHCl3 + H2→ Si+3HCl
吉林大学电子科学与工程学院
圆桶式
半导体材料
感应加热圈
硅片
石墨基座 水平式反应室
圆盘式反应室
吉林大学电子科学与工程学院
圆桶式反应室
半导体材料
5-3、硅的气相外延生长
5-3-1 硅外延生长用的原料 5-3-2 硅外延生长设备 5-3-3 硅外延生长基本工艺
5-3-4 基本原理和影响因素 5-3-5 硅外延生长动力学过程 5-3-6 边界层及其特性 5-3-7 硅外延生长动力学模型
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
气体输运及控制系统
气密性检查 I. 通氢气法－－用氢敏检测仪，逐个接口进行检查
II. 抽空减压法－－系统抽空后，压力变化
III. 充气加压法－－系统充气后，压力变化
IV. 装入SiCl4，用蘸氨水脱脂棉进行检查（生成白色 烟雾）
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
加热系统
温度的均匀性和波动影响外延层的质量
主要加热方式：电阻丝加热，高频感应加热和红外 辐射加热
硅外延生长中，目前应用最广泛的是高频感应加热。
它将高频电流通过功率输出线圈，使放置在反应室 内的石墨基座受到高频电磁感应，产生强大的涡流 并发热。
优点：升降温度快，温度容易调整，热量集中在石 墨基座上，反应壁温度低，避免硅沉积在反应室内 壁上。
缺点：不同形状的感应体需要专门设计的感应线圈
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
反应系统
反应室是SiCl4在高温和氢气进行化学反应，还原 出硅原子，在衬底上进行单晶生长的场所。
反应室要求耐高温，抗腐蚀，不沾污硅外延片， 而且应当透明以便观察。
反应室一般用石英制作而成。
卧式反应室（水平反应室）
圆盘式 立式反应室（竖直反应室）
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
同质、异质外延
外延层与衬底为同种材料：Si-Si, GaAs-GaAs 外延层和衬底为不同种材料：Si-Sapphire, GaAlAs-GaAs
失配位错
应变
外延层
同质外延
异质外延
吉林大学电子科学与工程学院
衬底
半导体材料
直接外延
加热
电子轰击
外加电场
直接外延是用加热、电子轰击或外加电场等方法 使生长的材料原子获得足够能量，直接迁移沉积 在衬底表面上完成外延生长的方法。
5-3-4 基本原理和影响因素 5-3-5 硅外延生长动力学过程 5-3-6 边界层及其特性 5-3-7 硅外延生长动力学模型
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
硅外延生长设备
硅片
流流
流 石墨基座
量量 减压阀 计 计
量 计
感应加热线圈
可调
氢气净化系统
氢 气 瓶
氢气 净化
器
二通阀 硅
四 HCl
外
氯 发生
(MPCVD) 等离子体增强CVD ：Plasma-Enhanced CVD (PECVD) 远程等离子体增强CVD ：Remote plasma-enhanced CVD
(RPECVD)
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
原子层CVD ：Atomic Layer CVD (ALCVD) 火焰CVD ：Combustion Chemical Vapor Deposition (CCVD)
减少硅抛光片表面的微缺陷、表面粗糙、表面或靠近 表面处的SiOx沉积等；
可以避免硅氧化介质层的不完整，减少漏电流，避免 闩锁效应。
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
外延生长的特点（优势）
1. 可在低（高）阻衬底上外延高（低）阻外延层 2. 可在P（N）型衬底上外延N（P）型外延层 3. 可在指定区域选择外延生长 4. 可根据需要改变掺杂的种类及浓度，突变或缓变 5. 可以生长异质、多层、多组分化合物且组分可变
的超薄层
6. 可在低于熔点温度下外延生长，速率可控，可实 现原子级尺寸厚度外延生长
7. 可生长无法拉制单晶的材料，如GaN，三四元系 化合物单晶层等
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
外延层应满足的要求
1. 表面应平整、光亮，无表面缺陷 2. 晶体完整性好，位错和层错密度低 3. 外延层本底杂质浓度低，补偿少 4. 异质外延，外延层与衬底组分间应突变 5. 掺杂浓度控制严格，分布均匀，电阻率符合要求
外延生长的特点及要求
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
外延的定义
在一定条件下，通过一定方法获得所需原子，并 使这些原子有规则地排列在衬底上； 在排列时控制有关工艺条件，使排列的结果形成 具有一定导电类型、一定电阻率、一定厚度的晶格 完美的新单晶层（0.5~20mm）的生成过程。 在一定条件下，在单晶衬底上生长一层合乎要求 的单晶层的方法。
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
5-3 硅的气相外延生长
气相硅外延生长的定义：
在高温下，使挥发性强的硅源与氢气发生反应或 热解，生成的硅原子淀积在硅衬底上长成外延层
气相外延生长的前提条件：
1. 在沉积温度下，反应物有足够高的蒸气压
2. 生成物中，除了一种所需要的沉积物为固态外， 其余必须是气态
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
固相、液相、气相外延
固相外延： SPE（Solid-Phase Epitaxy） 应用于离子注入后的退火过程，使产生的非晶区在低温 退火过程中通过固相外延转化为晶体；
液相外延： LPE（Liquid-Phase Epitaxy） 衬底片的待生长面浸入外延生长的液体环境中生长外延层； 多使用水平生长的外延炉； 用于Ⅲ/Ⅴ族化合物外延层制备；
热丝CVD ：Hot Wire CVD (HWCVD) 金 属 有 机 CVD ： Metalorganic Chemical Vapor Deposition (MOCVD) 混 合 物 理 CVD ： Hybrid Physical-Chemical Vapor Deposition (HPCVD) 快速热CVD ：Rapid Thermal CVD (RTCVD) 气相外延 ：Vapor Phase Epitaxy (VPE)
③2SiI2 (g)→Si (s)+SiI4 (g)
3. 热分解反应
吉林大学电子科学与工程学院
④SiH4→Si+2H2
半导体材料
衬底要求
硅衬底经过切、磨、抛等工艺仔细加工而成
外延生长前要求严格的清洗、烘干
反应室中进行原位化学腐蚀抛光， 除去表面上的 损伤、污染物及氧化物等。
SiH2Cl2、SiHCl3和SiCl4为硅源时：化学腐蚀剂用 干燥的HCl或HBr
3. 沉积物本身的蒸气压应足够低，以保证在整个沉 积反应过程中能使其保持在加热的衬底上
4. 衬底本身的蒸气压在沉积温度下也应Fra bibliotek够低，不 易挥发
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
5-3、硅的气相外延生长
5-3-1 硅外延生长用的原料 5-3-2 硅外延生长设备 5-3-3 硅外延生长基本工艺
5-3-4 基本原理和影响因素 5-3-5 硅外延生长动力学过程 5-3-6 边界层及其特性 5-3-7 硅外延生长动力学模型
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
硅外延生长基本工艺
（1）硅片清洗 （2）装入硅片 （3）通氢排气 （4）升 温 （5）高温处理 （6）气相抛光
Epitaxy epi: upon taxy: orderly, arranged
外延层 衬底
新生单晶层按衬底晶相延伸生长，称为外延层。