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第1章 半导体材料的物理和化学性质1

目录3

第1篇3

1.1 晶格结构3

1..1.1　晶格结构的周期性、晶胞3

1.1.2 晶列、晶面和密勒指数3

1.1.3 密堆集.配位数4

10.6　微分干涉衬度（N-DIC）显微术6

10.6.1　N-DIC法原理6

1.1.4 主要半导体的晶格结构7

1.1.5 晶格常数10

1.2.2 主要半导体的能带结构12

1.2 能带和能级12

1.2.1 布洛赫定理和布里渊区12

1.2.3 能带边及其参数25

1.2.4 半导体中的杂质能级30

1.3 物理性质和常数35

1.3.1　半导体的物理性质与键特性的关系35

1.3.2 半导体材料的机械和热学性质36

1.3.3 半导体材料的电学性质42

1.3.4 半导体的光学常数47

1.4 物化特性52

1.4.1 杂质分凝效应52

1.4.2 相平衡和相图57

1.4.3 半导体材料的热力学数据65

1.5.1 硅的主要化学性质71

1.5 材料的化学性质71

1.5.2 锗的主要化学性质72

1.5.3 碳化硅的主要化学性质72

1.5.4 砷化镓的主要化学性质73

1.5.5 磷化铟的主要化学性质73

参考资料73

2.1.1 工艺流程76

2.1.2 工业硅的制备76

第2章 元素半导体材料的制备76

2.1 多晶硅制备工艺76

2.1.3 SiHCl3的合成77

2.1.4 SiHCl3的提纯79

2.1.5 SiHCl3氢还原80

2.2 直拉法制备硅单晶工艺82

2.2.1 结晶原理82

2.2.2 拉晶设备（单晶炉）84

2.2.3 原辅材料87

2.2.4 热场（或温场）90

2.2.5 拉晶工艺90

2.2.6 质量控制109

2.3.1 区熔原理111

2.3 悬浮区熔法制备硅单晶工艺111

2.3.2 区熔设备113

2.3.3 区熔工艺116

2.3.4 质量控制119

2.3.5 悬浮区熔法的其他形态和应用120

2.4 掺杂工艺122

2.4.1 掺杂原理122

2.4.2 直拉硅单晶的掺杂方法122

2.4.3 区熔硅单晶的掺杂方法128

2.4.4 锗单晶的掺杂计算132

2.5.1 基本特性133

2.5 非晶硅制备工艺133

2.5.2 生长原理134

2.5.3非晶硅薄膜的制备方法136

2.5.4 非晶硅掺杂及pn结制备工艺144

2.5.5 微晶硅薄膜146

2.6.1 锗150

2.6 锗和硒150

2.6.2 硒154

参考资料155

第3章 硅片加工工艺159

3.1 晶体热处理159

3.1.1 作用159

3.1.2 条件159

3.2 晶锭加工160

3.2.2 晶锭研磨160

3.2.1 晶锭截断160

3.3.1　原理163

3.3.2　设备163

3.3　定向切割163

3.3.3　刀片165

3.3.4　粘结剂166

3.3.5　冷却液167

3.3.6　切割过程167

3.3.7　质量控制167

3.4　硅片研磨168

3.4.1　表面研磨168

3.3.8　锗和化合物半导体材料的切割168

3.4.2 边缘研磨171

3.4.3　化学减薄172

3.5　硅片抛光172

3.5.1　作用172

3.5.2　抛光种类173

3.5.3　二氧化硅抛光原理173

3.5.4　设备174

3.5.5　材料174

3.5.6　抛光工艺过程178

3.5.8　化合物半导体晶片的抛光工艺179

3.5.7　质量控制179

3.6.1　沾污的来源和种类181

3.6.2　清洗剂181

3.6　抛光硅片的清洗和超净包装181

3.6.3　清洗条件182

3.6.4　清洗程序182

3.6.5　表面质量检测184

3.6.6　超净包装184

参考资料184

4.1.2　按外延层厚度和电阻率分类185

4.1.1　按结构分类185

第4章　硅外延工艺185

4.1　外延工艺分类185

4.1.3　按生长方法分类186

4.2.1　基本原理186

4.2　气相外延186

4.2.2　外延生长194

4.2.3　与质量有关的因素199

4.2.　工艺改进204

4.2.5　几种特殊外延层生长工艺206

4.3　其它硅外延工艺208

4.3.1　SOS外延208

4.3.2　液相外延211

4.3.3　固相外延214

4.4 对外延片的质量要求和测量217

4.4.1　对外延片的质量要求217

4.4.2　外延层测量218

参考资料219

5.1.1 水平法单晶生长工艺220

5.1 GaAs水平单晶制备工艺220

第5章　化合物半导体单晶制备220

5.1.2　掺杂无位错单晶生长223

5.1.3　半绝缘GaAs单晶生长225

5.2　GaAs直拉单晶制备工艺227

5.2.1　低压合成的LEC法（LP-LEC法）227

5.2.2　高压原位合成的液封直拉法（HP-LEC法）229

5.2.3　低阻GaAs单晶制备230

5.2.4　半绝缘GaAs单晶制备和质量检验230

5.2.5　影响单晶质量的因素及其控制232

5.2.6　制备GaAs单晶的各种方法的比较234

5.3 GaP和InP单晶制备工艺235

5.3.1　GaP单晶制备235

5.3.2　InP单晶制备237

5.4　其它Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体制备工艺243

5.4.1　GaSb单晶制备工艺243

5.4.2　InSb单晶制备工艺247

5.4.3　InAs单晶制备工艺250

5.4.4　Gax In1－xAs单晶制备工艺253

5.4.5　四元合金的制备255

5.5 Ⅱ-Ⅵ族化合物单晶制备工艺257

5.5.1　Hg1－xCdxTe单晶制备257

5.5.2 其它Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体单晶的制备265

5.6.1　铅-硫族化合物的制备267

5.6.2 Ⅳ-Ⅵ族三元系晶体的制备267

5.6 Ⅳ-Ⅵ族化合物单晶制备工艺267

5.7.1 GaAs单晶质量要求276

5.7 化合物单晶质量要求276

5.7.2 InP单晶质量要求280

5.7.3 GaP单晶质量要求280

5.7.4 CdTe单晶质量要求281

5.7.5 Hg1－xCdsTe晶体质量要求281

5.7.6　Pb1－xSnsTe晶体质量要求281

参考资料283

6.1 Ⅲ-Ⅴ族化合物气相外延284

6.1.1 工艺基本原理284

第6章　化合物半导体外延284

6.1.2 外延装置与系统287

6.1.3 外延工艺289

6.1.4 GaAs外延296

6.1.5 InP外延298

6.1.6 多元Ⅲ-Ⅴ族化合物外延299

6.2 Ⅲ-Ⅴ族化合物液相外延300

6.2.1 工艺基本原理300

6.2.2 外延装置与系统306

6.2.3 外延工艺308

6.2.4 GaAs、InP外延314

6.2.5 多元化合物GaAlAs、GaInAs、Ga-InAsP外延生长316

6.3 金属有机化学气相淀积法324

6.3.1 工艺基本原理325

6.3.2 外延装置与系统326

6.3.3 外延工艺328

6.3.4 GaAs及有关化合物外延329

6.3.5 InP及有关化合物外延334

6.3.6 工艺中的注意事项338

6.4 分子束外延338

6.4.1 工艺基本原理339

6.4.2 外延装置与系统340

6.4.3 外延工艺344

6.4.4 GaAs外延348

6.4.5 多元Ⅲ-Ⅴ族化合物异质结外延349

6.4.6 选择分子束外延356

6.5.1 HgCdTe外延方法357

6.5 Ⅱ-Ⅵ族化合物HgCdTe外延357

6.5.2 衬底的选择与制备358

6.5.3 HgCdTe气相外延生长359

6.5.4 滑块式液相外延362

6.5.5 分子束外延（MBE）365

6.6 Ⅳ-Ⅵ族化合物PbSnTe外延366

6.6.1 开管气相外延366

6.6.2 液相外延367

6.7 化合物外延质量要求369

6.7.1 微波器件用GaAs外延片370

6.7.2 光电器件用GaAs、GaP外延片371

参考资料373

第7章 缺陷与杂质375

7.1 基本缺陷375

7.1.1 点缺陷375

7.1.2 线缺陷——位错383

7.1.3 面缺陷387

7.1.4 体缺陷391

7.2 微缺陷392

7.2.1 生长微缺陷392

7.2.2 热诱生微缺陷398

7.2.3 雾缺陷402

7.3 辐射损伤缺陷403

7.3.1 辐射损伤404

7.3.2 电子辐照405

7.4.1 硅中的氧406

7.3.3 离子辐照损伤406

7.3.4 中子辐照损伤406

7.4 硅中的杂质406

7.4.2 硅中的碳413

7.4.3 硅中的氮415

7.4.4 硅中的金属杂质416

7.5 化合物半导体中杂质417

7.5.1 砷化镓中的杂质417

7.5.3 磷化铟中的杂质419

7.52 磷化镓中的杂质419

7.5.4 其他化合物中的杂质420

7.6 缺陷、杂质的影响、控制和利用420

7.6.1 缺陷、杂质的影响420

7.6.2 缺陷的控制和利用422

参考资料427

8.1 导电型号429

8.1.1 热探针法429

第8章 半导体电学参数测量429

8.1.2 冷探针法430

8.1.3 整流法431

8.1.4 霍尔效应法432

8.2 电阻率433

8.2.1 两探针法433

8.2.2 四探针法435

8.2.3 扩展电阻法438

8.2.4 范德堡法444

8.2.5 涡流法448

8.2.6 光电压法449

8.3 载流子浓度451

8.3.1 三探针击穿电压法452

8.3.2 微分电容法454

8.3.3 二次谐波法456

8.3.4 红外等离子反射光谱法457

8.3.5 红外吸收法459

8.4 迁移率460

8.4.1 漂移迁移率测量461

8.4.2 电导迁移率464

8.4.3 霍尔迁移率464

8.4.4 磁阻迁移率469

8.5 补偿度471

8.5.1 载流子浓度与温度关系分析法472

8.5.2 迁移率分析法476

8.5.3 经验曲线478

8.6 载流子寿命480

8.6.1 直流光电导衰退法481

8.6.2 高频光电导衰退法483

8.6.3 微波光电导衰退法484

8.6.4 表面光电压法484

8.6.5 光电流法487

8.6.6 电子束感生电流法488

8.6.7 MOS电容法（测量硅的产生寿命和表面产生速度）490

8.7.1　霍尔效应或电阻率法493

8.7 禁带宽度493

8.7.2　吸收光谱法494

8.7.3　光声光谱法495

8.7.4　表面光电压谱法496

8.8 能级参数496

8.8.1 光吸收法497

8.8.2 深能级瞬态谱（DLTS）法498

8.8.3 光电容法503

8.8.4 光电流瞬态谱（PITS）法506

8.8.5 定值杂质光电导法508

8.8.6 光致发光法510

8.9 附录522

参考资料522

第9章 半导体材料晶向、晶体缺陷、光学常数和几何尺寸的测量522

9.1 晶向的测定525

9.1.1 光图法525

9.1.2 单色X射线法527

9.1.4 从晶体外形和腐蚀坑判别晶向528

9.1.3 解理法528

9.2 光学常数的测定530

9.2.1 测量原理530

9.2.2 测量仪器532

9.2.3 样品制备532

9.2.4 测量步骤533

9.2.5 傅里叶红外光谱仪测定透过率和反射率537

9.3 腐蚀金相法观测晶体中的缺陷539

9.3.1 测量原理539

9.3.2 测量仪器540

9.3.3 样品制备540

9.4 厚度测量544

9.4.1 晶片厚度测量544

9.3.4 缺陷观测544

9.4.2 外延层厚度的测量546

9.5 电容微感法测量晶片的翘曲度548

9.5.1　测量原理548

9.5.4　测量步骤549

9.6.1　测量原理549

9.6 光干涉法测量晶片的平整度549

9.5.3　样品制备549

9.5.2　测量仪器549

9.6.2　测量仪器550

9.6.3　样品制备550

9.6.4　测量步骤550

9.7 硅片切磨损伤层的测定551

9.7.1　测量原理551

9.7.2　测量装置和步骤552

9.7.3　计算552

9.8.2　测量装置553

9.8.1　测量原理553

9.8　抛光硅片边缘轮廓的测量553

9.8.3　样品制备554

9.8.4　测量步骤554

9.9　附录 晶体缺陷图554

参考资料558

第10章　结构及表面分析559

10.1　概述559

10.2 X射线衍射形貌法560

10.2.1　衬度形成原理简述560

10.2.2　实验技术560

10.2.3　在半导体材料分析中的应用570

10.3 扫描电子显微分析法576

10.3.1　结构及原理简述576

10.3.2　二次电子像及其应用577

10.3.3　背散射电子像及其应用578

10.3.4　电子束感生电势像及其应用579

10.3.5　阴极荧光及其应用580

10.3.6　特征X射线及其应用581

10.3.7　电子通道花样及其应用584

10.4　透射电子显微分析法585

10.4.1　原理简述585

10.4.2　分析技术586

10.4.3　在半导体缺陷分析中的应用592

10.5 红外显微技术599

10.5.1　红外显微镜的原理和结构599

10.5.2　半导体材料的光谱特性及有效工作通带600

10.5.3　红外显微技术的应用601

10.6.2　N-DIC法在半导体缺陷观测中的应用605

10.7　光电子能谱分析法608

10.7.1　原理简述608

10.7.2　分析技术609

10.7.3　光电子能谱分析在半导体材料中的应用611

10.8 奥格能谱（AES）分析法619

10.8.1　奥格能谱简述619

10.8.2　分析技术621

10.8.3　奥格能谱分析在半导体材料中的应用623

第11章　半导体材料的成份分析625

参考资料625

11.1　主要分析方法及其比较626

11.2　发射光谱分析法（AES）626

11.2.1　原理和仪器626

11.2.2　方法与条件628

11.2.3　硅及其化合物的分析630

11.2.4　砷化镓及其原材料的分析632

11.2.5　磷化铟及其原材料的分析634

11.2.6　其它半导体原材料的分析635

11.3 红外吸收光谱分析（IR）636

11.3.1　原理和仪器636

11.3.2　红外吸收法测定硅中氧的含量639

11.3.3　红外吸收法测定硅中碳的含量641

11.3.4　低温红外吸收法测定硅中硼磷含量642

11.4 原子吸收光谱分析（AAS）643

11.4.1　原理和仪器643

11.4.2　测定条件及检测限644

11.4.3　干扰及其消除645

11.4.4　应用646

11.5 光致发光分析（PL）648

11.5.1　原理648

11.5.2　测量装置648

11.5.3　分析方法649

11.5.4　应用649

11.6.1　原理和仪器651

11.6 火花源质谱分析（SSMS）651

11.6.2　质谱线的种类和识别方法652

11.6.3　半定量分析方法653

11.6.4 定量分析方法653

11.6.5 应用654

11.7 二次离子质谱分析（SIMS）655

11.7.1 原理和仪器655

11.7.2 分析方法658

11.7.3 应用660

11.8 X射线荧光光谱分析（XRF）662

11.8.1 原理和仪器662

11.8.2 分析方法663

11.8.3 应用664

11.9.1 原理和特点665

11.9 活化分析（AA）665

11.9.2 中子活化分析法（简称NAA）666

11.9.3 带电粒子活化分析法669

11.9.4 γ射线照射活化分析法672

11.10 半导体材料分析中主要试剂的纯化673

11.10.1 超纯水的制取673

11.10.2　常用试剂的纯化方法673

11.10.3　气体纯化方法674

附表11-1　化学元素的天然同位素的原子量和丰度675

附表11-2　中子活化分析法的检测限和使用的基本数据678

参考资料681

第12章　半导体材料工艺的发展趋势681

12.1　硅材料682

12.1.1　直拉硅生长新工艺683

12.1.2　区熔硅研究新工艺684

12.1.3　硅外延材料动向684

12.1.4　硅材料的物性研究685

12.2 Ⅲ-Ⅴ族化合物材料687

12.2.1 Ⅲ-Ⅴ族化合物体材料研究687

12.2.2 Ⅲ-Ⅴ族化合物外延材料研究690

12.3　Ⅱ-Ⅵ及Ⅳ-Ⅵ族等化合物材料694

12.4　非晶态半导体694

12.5 有机半导体695

12.6 材料评价技术695

参考资料696