1、第 2 章 半导体材料基础知识2.1 晶体学基础知识2.2 常用的半导体材料和工艺化学品复习思考题第 2 章 半导体材料基础知识2.1.1 晶体与非晶体晶体与非晶体固体可分为晶体和非晶体两大类。晶体是由原子、离子或分子有规律地排列而成的，它具有一定规则的几何形状和对称性。半导体中的锗、硅、砷化镓等材料都是晶体。晶体的基本特征是晶体结构的周期性，其外形的对称性是内在结构规律性的反映。也就是说，晶体中原子的排列完全是有规则、有秩序的，并且按照一定的方式不断地作周期性的重复。2.1 晶体学基础知识晶体学基础知识第 2 章 半导体材料基础知识非晶体是指不形成结晶的固体，也即不具有规则性、周期性、对称性
2、等晶体特征的固体。陶瓷、玻璃、松香、石蜡等都是非晶体。非晶体没有明显的熔点，它的物理性质是各向同性的。非晶体中的原子排列是完全没有秩序的，也没有周期性。实际上，无秩序的程度也是多种多样的。粒子的排列完全是随机的，约在几十个原子以至几百个原子的近距离范围内。非晶体的原子的排列是有秩序的，但随着距离的增大，这样有序性也就消失了，更长距离就没有规则了。非晶体的这个特性叫做近距离有序或称短程有序，而晶体有序性是长距离有序，又叫长程有序。第 2 章 半导体材料基础知识如果在整块晶体中其长距离的有序性保持不变，则该晶体称为单晶体。用人工方法控制形成的锗、硅晶体就是单晶体。单晶体具有完整可重复的晶体结构，这
3、就使得它的物理性能，尤其是电学性质具有特殊的优越性。第 2 章 半导体材料基础知识2.1.2 原子间的键合原子间的键合一切晶体中的原子或离子在空间的排列都是有规则的。不同的晶体有各自的排列规则，这主要取决于组成晶体的原子或离子间相互结合力的性质，这种相互结合力一般称为化学键。原子间的键合不同，所形成的晶体结构也就不同。下面我们具体讨论晶体中几种典型的化学键类型，以及它们和晶体结构的关系。第 2 章 半导体材料基础知识1.离子键离子键我们知道，在元素周期表中，从左到右元素的非金属性逐渐增强，从上到下元素的金属性逐渐增强。两类不同的原子互相结合成晶体时，金属性强的原子容易失去价电子成为带正电的离子
4、，非金属强的原子容易得到价电子成为带负电的离子。正负离子依靠静电吸引力而互相结合，组成晶体。这种正负离子间的静电引力作用称为离子键，依靠离子键组成的晶体称为离子晶体。离子晶体大多是键合力比较强而且稳定的晶体。一般离子晶体的特性是：配位数较高、硬度大、熔点高、电子的导电性弱、高温时离子可以导电、电导率随温度的增加而增加。第 2 章 半导体材料基础知识离子键是一种极性键，正负离子分别是键的两极，所以，离子晶体是一种极性晶体，如氯化钠(NaCl)晶体。金属性很强的钠原子(Na)(族元素)和非金属性很强的氯原子(Cl)(族元素)组成氯化钠(NaCl)晶体时，钠原子(Na)的一个价电子就容易转移到氯原子
5、(Cl)的外层轨道上去，使钠原子(Na)失去一个价电子变成带正电的钠离子(Na+)，而氯原子(Cl)获得了一个电子成为带负电的氯离子(Cl-)。此时，它们的最外层电子呈8个电子的稳定壳层结构，钠离子(Na+)和氯离子(Cl-)具有相反电荷，彼此间依靠静电吸引力而互相结合，组成氯化钠(NaCl)晶体。第 2 章 半导体材料基础知识离子晶体结构都有一个共同的特点：由于离子晶体中正负离子间静电引力的作用，任何一个离子的最近邻必定是带相反电荷的离子，亦即每一个离子都被一定数目的带相反电荷的离子直接包围着。图2-1所示的是由实验测定的氯化钠(NaCl)晶体结构的一个基本单元，其中每一个钠离子(Na+)的
6、最近邻是6个氯离子(Cl-)，而每一个氯离子(Cl-)的最近邻是6个钠离子(Na+)。通常我们把每一个离子(或原子)最近邻的离子数或原子数称为配位数。这里，氯化钠的配位数是6。第 2 章 半导体材料基础知识图2-1 NaCl晶体结构第 2 章 半导体材料基础知识在氯化钠(NaCl)晶体中，钠离子(Na+)和氯离子(Cl-)的最外层都是填有8个电子的稳定壳层，电子都被紧紧地束缚在各个离子上，而不能在晶体内自由行动，因此钠离子(Na+)和氯离子(Cl-)中的电子都不能参加导电。另一方面，在一般情况下，离子本身很难移动，所以也不能参加导电。只有在高温时离子才能移动，才会有一些导电性，但仍然是很弱的。
7、因此，像氯化钠(NaCl)这样的典型离子晶体是一种良好的绝缘体。第 2 章 半导体材料基础知识2.共价键共价键共价键晶体是由同一种原子所组成的，两个原子间共有一对价电子。它与离子晶体不同，价电子不可能从一个原子转移到另一个原子，而是它们的电子云在原子间互相重叠而具有较高的密度，于是带正电的原子实与集中在原子间的带负电的电子云互相吸引，从而把原子结合成晶体。这种依靠共有价电子对而使原子相互结合的力称为共价键。共价键没有极性，所以又称为无极键。由共价键结合成的晶体称为共价晶体，如金刚石、锗、硅都是典型的共价晶体。第 2 章 半导体材料基础知识共价键具有明显的饱和性和方向性。共价键的饱和性指某一原子
8、和其他原子结合时，能够形成的共价键数目有一最大值，这个最大值取决于它所含有的未成对的电子数。共价键的方向性指原子只在特定的方向上形成共价键。如：碳、锗、硅等元素具有4个价电子，每个价电子只能与周围的4个原子相结合，形成4个共价键，从而使每个原子的最外层都成为具有8个电子的稳定壳层，因此共价键的配位数只能是4。第 2 章 半导体材料基础知识图2-2 共价四面体例第 2 章 半导体材料基础知识根据共价键理论，共价键的强弱取决于形成共价键的两个电子轨道相互交迭的程度。实验和理论指出，在金刚石、硅、锗中，共价键是从正四面体中心原子出发指向它的4个顶角原子，共价键之间的夹角为10928。这种正四面体通常
9、称为共价四面体，如图2-2所示。第 2 章 半导体材料基础知识孤立碳原子外层电子的组态是2s22p2，实验证明，在和其他碳原子结合时，有一个2s电子被激发到2p态，由一个2s及3个2p态组成4个杂化的共价键。所以，金刚石结构的碳原子外壳层公有4个价电子2s、2p3而形成共价键。每个碳原子和周围4个原子共价，一个碳原子在正四面体的中心，另外4个同它共价的碳原子在正四面体的顶角上，在中心的碳原子和顶角上每一个碳原子共有两个价电子。金刚石晶体中的几乎所有的价电子都被共价键束缚住，可以参加导电的自由电子极少。在室温下，金刚石晶体是良好的绝缘体。第 2 章 半导体材料基础知识半导体材料，如锗、硅等都有4
10、个价电子，它们的晶体结构都和金刚石的结构相同，都属于共价晶体。不过在大多数共价晶体中，共价键的束缚并不像金刚石那么强。即使在室温下，仍有一部分价电子依靠热运动的能量，摆脱共价键的束缚，成为自由电子，使晶体具有一定的导电本领，这种晶体称为半导体。大多数的共价键晶体都是半导体，像锗、硅等都是典型的半导体。第 2 章 半导体材料基础知识一般说来，共价键晶体的物理性质与共价半径(最近邻原子中间距的一半)的大小有关。共价键半径越小，相邻两原子对其共有的价电子的束缚越紧，共价键的强度越大，晶体的导电能力就越差，硬度和熔点就越高。表2-1列出了金刚石、硅、锗的电阻率、熔点、硬度和共价半径的关系。第 2 章
11、半导体材料基础知识表表2-1 共价晶体的物理性质与共价半径的关系共价晶体的物理性质与共价半径的关系第 2 章 半导体材料基础知识3.混合键混合键单原子晶体大多数是由一种键构成的。大多数化合物半导体材料，如GaAs、InSb、AlP等具有比较复杂的键，它们既不是纯粹的共价键，也不是纯粹的离子键，而是两者的混合，称为混合键。第 2 章 半导体材料基础知识化合物半导体中的锑化铟就是混合键晶体(如图2-3所示)。锑是族元素，有5个价电子。铟是族元素，有3个价电子。它们构成共价键时，锑的原子移交一个电子给铟原子，以组成四面体结构，构成饱和键。但这时原子实际已不是电中性的了，锑由于失去一个电子而带上了正电
12、荷，铟原子由于得到了一个电子而带上了负电荷，这样的晶体具有离子性。锑化铟晶体由共价键和离子键混合而成，所以把它们叫做混合键。-族化合物(InSb、GaAs、InP、GaP等)、-族化合物(CdS、ZnS等)和铅的化合物(PbS、PbSe等)都是属于这种类型的半导体。第 2 章 半导体材料基础知识图2-3 混合键示意图第 2 章 半导体材料基础知识4.金属键金属键金属键的基本特点是电子的“共有化”，也就是说，在结合成晶体时，原来属于原子的价电子不再束缚在原子上，而转变为在整个晶体内运动，它们的波函数遍及整个晶体。这样，在晶体内部，一方面是由共有化电子形成的负电子云，另一方面是浸在这个负电子云中的
13、带正电的原子实。金属键就是靠共有化的负电子云和正离子实之间的相互作用而形成的，如图2-4所示。第 2 章 半导体材料基础知识图2-4 金属键示意图第 2 章 半导体材料基础知识金属键没有饱和性和方向性，故金属晶体一般按密堆积的规则排列，配位数高，密度大。我们所熟悉的金属特性，如导电性、导热性、金属光泽、很高的硬度和熔点等，都是与共有化电子可以在整个晶体内自由运动和金属晶体密堆积的规则排列、配位数高、密度大相联系的。第 2 章 半导体材料基础知识通过以上化学键性质的分析和讨论可以看出，价电子在两种不同原子间的完全转移形成离子键；价电子在同一种原子间的共有形成共价键；价电子在两种不同原子间的部分共
14、有和部分转移形成混合键；价电子为晶体中所有金属原子所共有形成金属键。晶体中化学键的性质决定着原子如何键合，也是决定晶体种类的主要因素，对晶体的物理性质也有很大影响。而各种不同的化学键性质，归根结蒂是由晶体中原子的最外层价电子的分布情况决定的。所以，各种化学键相互之间既有联系又有区别。它们之间的变化过程是由电子转移程度或电子共有化程度从量变到质变的过程。第 2 章 半导体材料基础知识2.1.3 空间点阵空间点阵1.晶体的结构特点晶体的结构特点晶体物质在适当条件下，能自发地发展成为一个凸多面体形的单晶体。这个多面体的各相邻面之间的夹角都小于180，围成这样一个多面体的面称为晶面，晶面的交线称为晶棱
15、，晶棱的会聚点称为顶点，如图2-5所示。第 2 章 半导体材料基础知识图2-5 晶体结构第 2 章 半导体材料基础知识晶体可以是天然的，也可以由人工培养出来。发育良好的单晶体外形上最显著的特征是晶面有规则的配置。一个理想完整的晶体，相当的晶面具有相同的面积，晶体常能沿着某一个或某些具有一定方位的晶面劈裂开来。这种性质称为晶体的解理性，这样的晶面称为解理面。显露在晶体外表的往往是一些解理面。单晶体的另一显著的特征是它的晶面往往排列成带状，晶面的交线互相平行，这些晶面的组合称为晶带。这些互相平行的晶棱共同的方向称为该晶带的带轴(如图2-5中OO表示带轴)。晶轴是重要的带轴。第 2 章 半导体材料基
16、础知识同一品种的晶体，由于生长条件的不同，其外形是不一样的，如图2-6和图2-7所示。例如，氯化钠晶体的外形可以是立方体或八面体，也可能是立方和八面的混合体。晶面本身的大小和形状受结晶生长时外界条件影响，不是晶体品种的特征因素，而晶面间的夹角却是晶体结构的一种特征因素。第 2 章 半导体材料基础知识图2-6 NaCl晶体的不同外形 第 2 章 半导体材料基础知识图2-7 石英晶体的不同外形 第 2 章 半导体材料基础知识2.空间点阵空间点阵晶体外形上的规律性，特别是外形上的对称性，是晶体内在微观结构规律性的反映。理论和实践证明，晶体内部微观结构是：晶体中的原子、离子、分子等质点在空间有规则地作
17、周期性的无限分布。这些质点的总体称为空间点阵，点阵中的质点所在的位置称为结点。通过点阵中的结点，可以作许多平行的直线族和平行的晶面族。这样，点阵就成为一些网格，称为晶格，如图2-8所示。第 2 章 半导体材料基础知识图2-8 晶体的晶格第 2 章 半导体材料基础知识晶格的具体形式是多种多样的，但是，一切晶格都有一个共同的特点，即具有周期性。我们说，晶格是原子的规则排列，这里所谓的“规则”，首先是指晶格的周期性。晶格的周期性可以看成是以完全相同的平行六面体单元堆积而成的。我们先用晶格中最简单的简单立方晶格来说明这一点。简单立方晶格是由沿三个垂直方向等距离排列的结点组成的，如图2-9所示，它沿X、
18、Y、Z三个垂直方向每隔距离a有一个结点。第 2 章 半导体材料基础知识在图上可以明显看到晶格的周期性。整个晶格可以看成是由边长为a的小立方体(即平行六面体单元)堆砌而成的，晶格的这种基本特征，就是整个晶格是由立方单元沿着X、Y、Z按照“周期”a的不断重复。这种周期重复的六面体单元称为晶胞。图2-9右边的小立方单元就是一个简单立方晶格的晶胞。一个晶格中虽然有千千万万的结点，但是，其结构只是晶胞的不断重复，所以，讨论晶格问题时往往可以取其晶胞作为代表。第 2 章 半导体材料基础知识晶格的晶胞可以用其平行六面体的三边之长a、b、c及交角、来表示。我们将这三个矢量称为基本矢量，简称基矢，如图2-10所
19、示。基矢的大小可以彼此相等，也可以互不相等，它们之间可以互相正交(垂直)，也可以互不正交。在结晶学中，晶胞是按对称性和周期性的特点来选取的，基矢在晶轴方向，晶轴上的周期就是基矢的大小，称为晶格常数，一般用a表示。第 2 章 半导体材料基础知识图2-9 简单立方晶格 第 2 章 半导体材料基础知识图2-10 晶格对称轴和夹角 第 2 章 半导体材料基础知识从晶胞的角度看，由无数个晶胞互相平行紧密地结合成的晶体叫做单晶体，由无数个小单晶作无规则排列组成的晶体称为多晶体。3.立方晶系根据边长及其交角的不同，晶格的晶胞有7种不同的形状。按此可以把晶体分为7类，称为7个晶系。这7个晶系的名称为立方晶系、
20、六方晶系、四方晶系、三方晶系、单斜晶系、三斜晶系、正交晶系。我们主要介绍立方晶系(见图2-11)。第 2 章 半导体材料基础知识图2-11 立方晶系图第 2 章 半导体材料基础知识立方晶系的三个基本矢量长度相等，并且互相正交。即a=b=c，=90。在立方晶系中又有简立方晶系、体心立方晶系和面心立方晶系之分。1)简立方晶系原子在立方体的顶角上，晶胞的其它部分没有原子，这样的晶胞自然也是最小的重复单元，每个原子为8个晶胞所共有，它对一个晶胞的贡献只有1/8，而每个晶胞有8个原子在其顶点，所以这8个原子对一个晶胞的贡献恰好是一个原子，晶胞的体积也是一个原子所“占”有的体积，如图2-11(a)所示。第
21、 2 章 半导体材料基础知识2)体心立方晶系原子除占有8个顶角外，还有一个在立方体的中心，故称体心。显然，体心立方的晶胞只有两个原子，如图2-11(b)所示。初看起来，顶角和体心上的原子周围情况似乎不同，实际上从整个空间的晶格来看，完全可以把晶胞的顶点取在另一晶胞的体心上，这样，心就变成角，角也就变成心。所以，在顶角和体心上原子周围的情况仍是一样的。事实上可以把体心立方看成是由简立方套构而成的。它们的顶点取在相邻立方空间对角线的1/2处，如图2-12所示。第 2 章 半导体材料基础知识图2-12 简立方套构成体心立方 第 2 章 半导体材料基础知识图2-13 简立方套构成面心立方 第 2 章
22、半导体材料基础知识3)面心立方晶系除顶角上有原子外，立方体的6个面的中心还有6个原子，故称面心立方。同体立方的体心讨论相同，面心的原子和顶角的原子周围的情况实际上是一样的。面心立方实际是由简立方套构成的，如图2-13所示。面心立方每个面为两相邻的晶胞公有，于是每个面心原子只有1/2是属于一个晶胞的。6个面心原子有效地只有3个是属于这个晶胞的，因此，每个面心立方晶胞具有4个原子。第 2 章 半导体材料基础知识以上讨论的简立方、体心立方和面心立方都是简单格子。还有一种晶体，由两种或者两种以上的原子组成，或者虽属于同一种原子组成，但每个原子周围的情况不一样，如氯化钠和金刚石结构，就是复式格子。锗、硅
23、等元素半导体属于金刚石结构，砷化镓等化合物半导体属于闪锌矿结构。两者在几何结构上是相同的，所不同的是金刚石结构由同一种原子组成，闪锌矿结构是由两种不同的原子组成的。第 2 章 半导体材料基础知识2.1.4 晶向和晶面的表示方法晶向和晶面的表示方法晶体的一个基本特点是各向异性，即沿晶格的不同方向具有不同的性质。下面介绍怎样区别标志晶格中的不同方向。晶格中的结点在各个不同方向，都是严格按照平行直线排列的。图2-14所示是一个平面图，它形象地描绘了规则排列的结点沿两个不同方面都是按平行直线成行排列的。这些平行的直线把所有的结点包括无遗。在一个平面中，相邻直线之间的距离相等。此外，通过每一结点可以有无
24、限多族的平行直线。当然，晶格中的结点并不是在一个平面上，而是规则地排列在立体空间中，它们在空间沿不同方向就是利用晶向来区分的，而每一个晶向是用写在方括号内的一组数目，如111，110，100，来标志的。标志晶向的这组数目称为晶向指数。第 2 章 半导体材料基础知识下面，我们以立方晶体为例说明如何确定晶向指数的问题。确定晶向指数先要根据晶格结构规定一个坐标系。对于立方晶格，规定坐标平行于立方的三个边，三个轴构成一个直角坐标系，如图2-15所示。有了坐标系，空间任何一个点，如图中P点，都可以用(XYZ)三个坐标来确定其位置。立方晶格中的晶向如图2-16所示。第 2 章 半导体材料基础知识图2-14
25、 结点的规则排列第 2 章 半导体材料基础知识图2-15 直角坐标系 第 2 章 半导体材料基础知识图2-16 立方晶格中的几个晶向第 2 章 半导体材料基础知识在图2-17中，OA、OB、OC表示立方晶胞的三个晶向。为了确定它们的晶向指数，随意选取晶体中任意一个结点作为坐标原点O，选取从原点出发三个互相垂直的晶轴为X、Y、Z轴。从原点O出发沿X轴晶向至第一个结点A，它在X轴上的投影为a，所以，A的坐标为X=a，Y=0，Z=0，分别除以a，就得到这个晶向的晶向指数100。图2-17中，是晶胞底面的对角线，它在X、Y、Z轴上的投影分别为X=a，Y=a，Z=0，分别除以a得到的晶向指数为110。图
26、2-17中，是一条体对角线，它在X、Y、Z轴上的投影分别为X=a，Y=a，Z=a分别除以a得到的晶向指数为111。第 2 章 半导体材料基础知识图2-17 立方晶胞第 2 章 半导体材料基础知识根据坐标系的选定方法不同，晶向指数的表示方法也有正有负。例如我们选择图2-18(a)所示的直角坐标系，的晶向指数可以表示成111，但是，假设选择图2-18(b)所示的直角坐标系，很容易看出，在X、Y、Z轴上的投影，分别为X=a，Y=-a，Z=a，分别除以a，则的晶向指数为1 1。其中就是-1，这是习惯表示方法。第 2 章 半导体材料基础知识图2-18 晶向指数的正负第 2 章 半导体材料基础知识 由上面
27、的讨论可知，X、Y、Z三个轴都代表立方边的方向，每个轴又可区分正、负两个方向，所以，立方边一共有6个不同的晶向，如图2-19所示。由于晶格的对称性，这6个晶向并没有什么区别。晶体在这些方向上的性质是完全相同的，统称这样等效的晶向时，习惯的标志方法是用尖括号取代方括号，写成。第 2 章 半导体材料基础知识图2-19 立方边的6个晶向第 2 章 半导体材料基础知识沿立方体对角线的晶向共有8个，如图2-20(a)所示。它们显然是等效的，统称这样的晶向时，写成。面对角线的晶向共有12个，如图2-20(b)所示。统称面对角线的晶向时，写成。晶格中的结点不仅按照平行直线排列成行，而且还排列成一层层的平行平
28、面，这种由结点组成的平面称为晶面，如图2-21所示。第 2 章 半导体材料基础知识图2-20 体对角线和面对角线的晶向第 2 章 半导体材料基础知识图2-21 晶面族第 2 章 半导体材料基础知识一个晶格里的结点可以在各个不同方向上组成晶面，我们在图2-22中形象地画出了几组不同的晶面，每组晶面构成一晶面族。晶格中一族晶面不仅平行，并且等距。下面着重说明不同的晶面是怎样用“晶面指数”(又称密勒指数)标志和区分的。第 2 章 半导体材料基础知识图2-22 互相平行的晶面族 第 2 章 半导体材料基础知识确定晶面指数的具体步骤如下：(1)在坐标系中画出晶面，找出晶面在三个坐标轴上的截距p、q、r如
29、图2-23(a)所示。(2)把各截距用a除，即以晶格边长为单位表示截距p/a，q/a，r/a。(3)找出它们的倒数的最小整数比：第 2 章 半导体材料基础知识图2-23 晶面的截距第 2 章 半导体材料基础知识式中，h、k、l就是这个晶面指数，按照惯例写在圆括号里，即(hkl)。例如：某一晶面截距p=q=r=a用a除得到p/a=1，q/a=1，r/a=1，它们的倒数都是1，所以，可直接得出最小的整数比为hkl=111，晶面指数就写成(111)。可以证明，在立方晶体中，一个晶面的晶面指数是和晶面法线(即与晶面相垂直的直线)的晶向指数完全相同的。这给确定晶面指数提供了一个简便途径。例如，与100、
30、110和111晶向垂直的晶面就是实践中最常用的(100)、(110)、(111)晶面。图2-24表示了这几个典型的晶面。第 2 章 半导体材料基础知识图2-24 立方晶体的一些常用晶面第 2 章 半导体材料基础知识其他的立方边，面对角线和体对角线相垂直的晶面，显然是和以上晶面等效的。统称这一类等效晶面时，用花括号代替圆括号，写成100，110，111等。符号相反各多体相对的两个面都是相互平行的，它们的晶面指数是正好相反的。这样一对晶面只注出前面的晶面指数，改变符号就得到背面的晶面指数。如前面的晶面是(100)，背后的晶面就是(00)；前面的晶面是(111)，与它相对的背面就是()。第 2 章
31、半导体材料基础知识2.2.1 本征半导体和掺杂半导体本征半导体和掺杂半导体半导体材料拥有特有的电性能和物理性能，这些性能使得半导体器件和电路具有独特的功能。理解半导体材料就必须先了解原子结构的基本知识。2.2 常用的半导体材料和工艺化学品常用的半导体材料和工艺化学品第 2 章 半导体材料基础知识原子是自然界的基本构造单元。自然界中的任何事物都是由元素组成的，每一种元素都有不同的原子结构，不同的结构决定了元素的不同特性。著名物理学家尼尔斯玻尔最早把原子的基本结构用于解释不同元素的不同物理、化学和电性能。在玻尔的原子模型中，带正电的质子和不带电的中子集中在原子核中，带负电的电子围绕原子核在固定的轨
32、道上运动，就像太阳的行星围绕太阳旋转一样。带正电的质子和带负电的电子之间存在着吸引力，不过吸引力和电子在轨道上运行的离心力相抵，这样一来原子结构就稳定了。第 2 章 半导体材料基础知识每个轨道容纳的电子数量是有限的。在有些原子中，不是所有的位置都会被电子填满，这样结构中就留下一个“空穴”。当一个特定的电子轨道被填满后，其余的电子就必须填充到下一个外层轨道上。不同的元素，其原子中的电子、质子和中子数是不同的。在任何原子中都有数量相等的质子和电子。中子是中性不带电的粒子，与质子一起构成原子核。第 2 章 半导体材料基础知识任何元素都包括特定数目的质子，没有任何两种元素有相同数目的质子。这条规则引出
33、了人们对每种元素指定特定序数的做法，“原子序数”就等于原子中质子的数目，也等于原子中电子的数目。元素的基本参照就是元素周期表(见图2-25)。周期表中每种元素都有一个方格，内有两个字母。原子序数就在方格的左上角。钙(Ca)的原子序数为20，表示钙原子核中有20个质子，轨道系统上有20个电子。电子在合适的轨道上分布，每个轨道(n)只能容纳2n2个电子。按此算法，1号轨道只能容纳2个电子，第2个轨道的电子数最多有8个，第3轨道的电子数最多有18个。第 2 章 半导体材料基础知识周期表中有相同最外层电子数的元素有着相似的性质，如氢、锂和钠都出现在标着罗马数字的竖列中，这个竖列数就代表最外层的电子数，
34、每一列的元素都有着相似的性质，例如三种最好的电导体(铜、银、金)都出现在同一列中。最外层被填满或者拥有8个电子的元素在化学性质上要比最外层未填满的原子更稳定，而且原子会试图与其他原子结合而形成各轨道被填满或者最外层有8个电子的稳定结构，N型和P型半导体材料的形成就是遵循这一规则的表现。第 2 章 半导体材料基础知识电流其实就是电子的流动。如果元素或者材料中的质子对外层电子的束缚相对较弱，就可以进行电传导，外层电子可以很容易地流动起来形成电流，大多数金属材料属于这种情况。材料的导电性用一个叫做导电率的因素来衡量。导电率越高，材料的导电性越好。导电能力也用导电率的倒数，即电阻率来衡量。材料的电阻率
35、越低，相应导电能力也越好。与导电性相对的是，有些材料中表现出核子对轨道电子的强大束缚，直接的效果就是对电子移动有很大的阻碍，这些材料就是绝缘体。它们有很低的导电率和很高的电阻率。在电子电路和电子产品中，二氧化硅可作为绝缘体。第 2 章 半导体材料基础知识把一层绝缘材料夹在两个导体之间就形成了一种电子元件，即电容。电容的实际效用就是存储电荷。在半导体结构中，MOS栅结构、被绝缘层隔开的金属层和硅基体之间以及其他结构中都存在电容。电容在存储器中用于信息存储，或者形成场效应晶体管中的栅极。薄膜的电容能力与其面积、厚度，以及一个特性指数即绝缘常数有关。半导体金属传导系统需要很高的导电率，因而也就需要低
36、电阻和低电容材料。这些材料就是低绝缘常数的绝缘体，用于传导层间隔离的绝缘层需要高电容或者高绝缘常数的绝缘体。第 2 章 半导体材料基础知识本征半导体是纯净的半导体。把特定的元素引入到本征半导体，称为掺杂。掺杂的材料表现出两种独特的特性，它们是固态器件的基础，这两种特性是：通过掺杂精确控制电阻率及电子和空穴导电。P型导电掺杂剂，如：族的硼掺入硅中形成P型硅，半导体材料叫做受主(acceptor)材料，掺入族元素(如砷)，形成N型半导体，半导体材料叫做施主(donor)或授主材料。第 2 章 半导体材料基础知识图2-25 元素周期表第 2 章 半导体材料基础知识2.2.2 常用的半导体材料常用的半
37、导体材料常用的半导体材料有锗和硅、半导体化合物及铁电材料。1.锗和硅锗和硅锗和硅是两种重要的半导体，在固态器件时代之初，第一个晶体管是由锗制造的。但是锗在工艺和器件性能上有不足，它的熔点只有937，限制了高温工艺，更重要的是，它表面缺少自然发生的氧化物，从而容易漏电。第 2 章 半导体材料基础知识硅与二氧化硅平面工艺的发展解决了集成电路的漏电问题，使得电路表面轮廓更平坦，并且硅的熔点高达1415，使生产厂能够允许更高温的工艺，而且硅的原材料丰富。因此，如今世界上超过了90%的生产用晶圆的材料都是硅。第 2 章 半导体材料基础知识2.半导体化合物半导体化合物有很多半导体化合物由元素周期表中第族、
38、第族、第族和第族的元素形成。在这些化合物中，商业半导体器件中用得最多的是砷化镓(GaAs)、锗化硅(SiGe)、磷砷化镓(GaAsP)、磷化铟(InP)、砷铝化镓(GaAlAs)和磷镓化铟(InGaP)。这些化合物有特定的性能。当电流激活时，由砷化镓和磷砷化镓做成的二极管会发出可见的激光，可用这些材料来制作电子面板中的发光二极管(LED)。第 2 章 半导体材料基础知识砷化镓的另一个重要特性就是其载流子的高迁移率。这种特性使得在通信系统中砷化镓器件能比硅器件更快地响应高频微波，并有效地把它们转变为电流。载流子的高迁移率也是对砷化镓晶体管和集成电路感兴趣的原因所在。砷化镓器件比类硅器件快两到三倍
39、，应用于超高速计算机和实时控制电路(如飞机控制)。砷化镓本身就对辐射所造成的漏电具有抵抗性。辐射(如宇宙射线)会在半导体材料中形成空穴和电子，它会升高不想要的电流，从而造成器件或电路工作不正常或停止工作。可以在辐射环境下工作的器件叫做辐射硬化，砷化镓是天然辐射硬化的。第 2 章 半导体材料基础知识砷化镓也是半绝缘的。这种特性使邻近器件的漏电最小化，允许更高的封装密度，进而由于空穴和电子移动的距离更短，电路的速度更快了。在硅电路中，必须在表面建立特殊的绝缘结构来控制表面漏电。这些结构使用了不少空间并且降低了电路的密度。尽管有这么多的优点，砷化镓也不会取代硅成为主流的半导体材料，原因主要在于其制造
40、难度。另外，虽然砷化镓电路非常快，但是大多数的电子产品不需要那么快的速度。第 2 章 半导体材料基础知识具体来说，在性能方面，砷化镓如同锗一样没有天然的氧化物。为了补偿，必须在砷化镓上淀积多层绝缘体。这样就会导致更长的工艺时间和更低的产量。而且在砷化镓中占半数的原子是砷，对人类是很危险的。更令人遗憾的是，在正常的工艺温度下砷会蒸发，这就额外需要抑制层或者加压的工艺反应室。这些步骤延长了工艺时间，增加了成本。在晶体生长阶段也会发生蒸发，这样会导致晶体和晶圆不平整。这种不均匀性造成晶圆在工艺中容易折断，而且也导致了大直径的砷化镓生产工艺水平比硅落后。尽管有这些问题，砷化镓仍是一种重要的半导体材料，
41、其应用也将继续增多，而且在未来对计算机的性能可能有很大影响。第 2 章 半导体材料基础知识与砷化镓有竞争性的材料是锗化硅。锗和硅这样的结合把晶体管的速度提高到可以应用于超高速的对讲机和个人通信设施当中。器件和集成电路的结构特色是用超高真空/化学气相沉积法(UHV/CVD)来淀积锗层。双极晶体管就形成在锗层上，不同于硅技术中所形成的简单晶体管，锗化硅需要晶体管具有异质结构(hetrostructure)和异质结(heterojunction)。这些结构中包括有好几层和特定的掺杂等级，从而允许高频运行。主要的半导体材料和二氧化硅之间的比较见表2-2。第 2 章 半导体材料基础知识表表2-2 几种半
42、导体材料的物理性能比较几种半导体材料的物理性能比较第 2 章 半导体材料基础知识3.铁电材料铁电材料更快更可靠的存储器采用铁电材料。铁电材料电容，如锆钛酸铅PbZr1-xTxO3(PZT)和钽酸锶铋SrBi2Ta2O9(SBT)用“0”或“1”两种状态存储信息，能够快速响应和可靠地改变状态。通常把它们并入SiCMOS存储电路，称做铁电随机存储器(FeRAM)。第 2 章 半导体材料基础知识2.2.3 工艺化学品工艺化学品1.常用的物理化学术语常用的物理化学术语1)物质的状态物质有4种状态：固态、液态、气态和等离子态，相应的物质称为固体、液体、气体和等离子体。物体的温度往往反映了一定的能量。第
43、2 章 半导体材料基础知识固体指物体在常温、常压下保持一定的形状和体积；液体指物体有一定的体积，但形状是变化的，它会跟其容器形状一致，比如水；气体指物体既无一定形状，又无一定体积，它也会跟其容器形状一致，但跟液体不同之处是，它可扩展或压缩直至完全充满容器，如氧气、氢气等；在工艺气体上施加高能射频场可以诱发等离子体，等离子体是电离原子或分子的高能集合。恒星就是一个典型的例子，它当然不符合固体、液体或气体的定义。它可用于半导体技术中促使气体混合物化学反应，它的优点在于可以在较低的温度下传递能量。第 2 章 半导体材料基础知识2)温度标识方法不管是在氧化管中还是在等离子刻蚀反应室内，化学品的温度都对
44、其化学品的反应发挥着重要影响，化学品的安全使用也需要了解和控制化学品的温度。标识材料的温度通常有三种表示方法，它们是华氏温标、摄氏温标和开氏温标。华氏温标是由德国物理学家Gabriel Fahrenheit用盐和水溶液开发的。他把盐溶液的冰点温度定为华氏零度(0)。在华氏温标中水的冰点温度为32，沸点温度为212，两点之间相差180。第 2 章 半导体材料基础知识将纯水冰点设为0度，沸点设为100度更有意义。摄氏或百分温标()刚好满足这一要求，在科学研究中更为常用，注意这样在冰点和沸点之间正好是100，这也意味着在摄氏温标中改变一度比华氏温标中需要更多的能量。第三种温标是开氏温标(K)。它和摄
45、氏温标用一样的尺度，只不过是基于“绝对零度”。所谓“绝对零度”，就是所有原子停止运动的理论温度，该值约为-273。在开氏温标中，水在273 K结冰，在373 K沸腾。第 2 章 半导体材料基础知识3)密度、比重和蒸气密度密度(dense)是物质的一个重要性质，指的是单位体积的重量。软木塞的密度就比等体积的铁密度低。某物质的密度是这样规定的：4时每立方厘米的水重1克，将其作为标准，其他物质的密度用和相当体积的水的比值来表示。这样，硅的密度为2.3，就表示每立方厘米的硅重2.3克。第 2 章 半导体材料基础知识比重(specific gravity)指的是4时液体和气体的密度，它是物质的密度与水的
46、比值。汽油是水密度的75%，则汽油比重为0.75。蒸气密度(vapor density)是指在一定温度和压力下气体的密度。每一立方厘米空气的密度为1，用其作为参考值。例如：氢气的蒸气密度为0.60，它是同体积空气密度的60%。在同样大小的容器中，氢气的重量会是空气的60%。第 2 章 半导体材料基础知识4)压力和真空压力定义为施加在容器表面上单位面积的力。压力通常用作为液体和气体的一种性质。气缸中的气压迫使气体进入工艺反应室。所有的工艺机器都用气压表来测量和控制气压。气压用英磅每平方英寸(psia)、大气压或托(torr)表示。一个大气压就是在特定温度下包围地球的大气压力。这样，高压氧化系统在
47、5个大气压下工作，其压力是大气压的5倍。空气的大气压为14.7 psia，在气缸中气压要用英磅每平方英寸或psig来表示。这意味着仪表的读数是绝对的，不包括外界的大气压。第 2 章 半导体材料基础知识真空(vacuum)也是在半导体工艺中要遇到的术语，它实际上是指低压的情况。一般来说，压力低于标准大气压就认为是真空。真空条件是用压力单位来衡量的。低压一般用托来表示，1托就是压力计中1毫米汞柱(manometer)所对应的压力。这个单位是以意大利科学家托里切利命名的，他在气体和气体的性质领域做出了很多重要发现。第 2 章 半导体材料基础知识2.半导体工艺化学品半导体工艺化学品半导体工艺需要大量化
48、学液体来刻蚀、清洗和冲洗晶圆和其他部件。这些化学液体分为酸和碱两大类。酸和碱的强度用pH值来衡量，该值为014。pH值大于7，液体呈酸性，pH值越大，酸性越强；pH值等于7，液体呈中性；pH值小于7，液体呈碱性，pH值越小，碱性越强。第 2 章 半导体材料基础知识晶圆工艺中大多数溶剂是易挥发、易燃的。要在通风良好的地方使用，要按照规定规程来存储和使用，这是非常重要的。为达到精确和洁净的工艺要求，半导体化学品需要具有非常高的纯度。晶圆越大，洁净度要求就越高，相应就需要更多的自动清洗工艺，清洗所用化学品的成本也就跟着升高。若把芯片的制造成本加在一起，其中化学品大约占总制造成本的40%。第 2 章 半导体材料基础知识2-1 什么是晶体？什么是非晶体？什么是单晶体？2-2 简述多晶和单晶的区别。2-3 氯化钠晶体结构特点是什么？它属于什么晶体？它和砷化镓的原子键合有何异同？2-4 共价键的特点是什么？试画出硅单晶体的共价键结构图。2-5 什么是空间点阵？复复 习习 思思 考考 题题第 2 章 半导体材料基础知识2-6 请画出简立方晶胞图，并标示出晶棱、顶角和不同晶面。2-7 画出简立方晶格图，并在图中标示出(100)晶面。2-8 什么是本征半导体？什么是掺杂半导体？2-9 请列举出至少4种族元素半导体材料和-族化合物半导体材料。2-10 物质的状态分为几种？分别是什么？
