大學(xué)半導(dǎo)體材料課后習(xí)題答案期末考試復(fù)習(xí)資料

1、半導(dǎo)體材料復(fù)習(xí)資料緒論1 .半導(dǎo)體的根本特性？電阻率大體在10-3109Q?cm范圍整流效應(yīng)負(fù)電阻溫度系數(shù)光電導(dǎo)效應(yīng)光生伏特效應(yīng)霍爾效應(yīng)2 .為什么說有一天,硅微電子技術(shù)可能會(huì)走到盡頭？/.三：功耗的問題存儲(chǔ)器工作靠的是成千上萬(wàn)的電子充放電實(shí)現(xiàn)記憶的,當(dāng)芯片集成度越來越高耗電量也會(huì)越來越大,如何解決散熱的問題？摻雜原子均勻性的問題一個(gè)平方厘米有一億到十億個(gè)器件,摻雜原子只有幾十個(gè),怎么保證在每一個(gè)期間的雜質(zhì)原子的分布式一模一樣的呢？是硅微電子技術(shù)開展遇到的又一個(gè)難題SiO2層量子隧穿漏電的問題隨著器件尺寸的減小,絕緣介質(zhì)SiO2的厚度也在減小,當(dāng)減小到幾個(gè)納米的時(shí)候,及時(shí)很小的電壓,也有可能使

2、器件擊穿或漏電.量子隧穿漏電時(shí)硅微電子技術(shù)所遇到的另一個(gè)問題.量子效應(yīng)的問題如果硅的尺寸到達(dá)幾個(gè)納米時(shí),那么量子效應(yīng)就不能忽略了,現(xiàn)有的集成電路的工作原理就可能不再適用第一章L比擬SiHCl3氫復(fù)原法和硅烷法制備高純硅的優(yōu)缺點(diǎn)?三氯氫硅復(fù)原法優(yōu)點(diǎn)：產(chǎn)率大,質(zhì)量高,本錢低,是目前國(guó)內(nèi)外制備高純硅的主要方法.缺點(diǎn)：基硼、基磷量較大.硅烷法優(yōu)點(diǎn)除硼效果好；硼以復(fù)鹽形式留在液相中無腐蝕,降低污染；無鹵素及鹵化氫產(chǎn)生無需復(fù)原劑,分解效率高；制備多晶硅金屬雜質(zhì)含量低SiH4的沸點(diǎn)低缺點(diǎn)：平安性問題相圖寫出合金IV由0經(jīng)1-2-3的變化過程第二章L什么是分凝現(xiàn)象？平衡分凝系數(shù)？有效分凝系數(shù)？答：分凝現(xiàn)象:含

3、有雜質(zhì)的晶態(tài)物質(zhì)溶化后再結(jié)晶時(shí)、雜質(zhì)在結(jié)晶的固體和未結(jié)晶的液體中濃度不同,這種現(xiàn)象較分凝現(xiàn)象.平衡分凝系數(shù):固液兩相到達(dá)平衡時(shí),固相中的雜質(zhì)濃度和液相中的雜質(zhì)濃度是不同的,把它們的比值稱為平衡分凝系數(shù),用K0表示.Ko=CS/CL有效分凝系數(shù)：為了描述界面處薄層中雜質(zhì)濃度偏離對(duì)固相中雜質(zhì)濃度的影響,通常把固相雜質(zhì)濃度CS與固體內(nèi)部的雜質(zhì)濃度CL0的比值定義為有效分凝系數(shù)KeffKeff=CS/CL02.寫出BPS公式及各個(gè)物理量的含義,并討論影響分凝系數(shù)的因素.3 .分別寫出正常凝固過程、一次區(qū)熔過程錠條中雜質(zhì)濃度CS公式,并說明各個(gè)物理量的含義.正常凝固過程:CKCod-Cs=KC0(1-g

4、)k-1C0：材料凝固前的雜質(zhì)濃度K:分凝系數(shù).不同雜質(zhì)的不同K值可以通過查表得出.一次區(qū)熔過程:Cs=Co1-(1-K)e-KxlCO：錠條的原始雜質(zhì)濃度x:已區(qū)熔局部長(zhǎng)度K:分凝系數(shù)1：熔區(qū)長(zhǎng)度4.說明為什么實(shí)際區(qū)熔時(shí),最初幾次要選擇大熔區(qū)后幾次用小熔區(qū)的工藝條件.一次區(qū)熔時(shí)Cs=Co1-1-Ke-Kxl,l一X,CS一小 f 提純效果好二一l越大越好極限分布時(shí)K一定K=Bl/eBl-1A=CoBL/eBL-1CSx=AeBxl一叢,B一小,A一火,CS一方,提純的效果越主二一l越小越好所以對(duì)于實(shí)際區(qū)熔,前幾次應(yīng)該用大熔區(qū),越到后面越接近極限分布,應(yīng)該用小熔區(qū).L解釋名詞：成核過程、均勻成

5、核、非均勻成核、臨界半徑、自然對(duì)流、強(qiáng)迫對(duì)流成核過程：晶體生長(zhǎng)過程中,新相核的發(fā)生形核和長(zhǎng)大,在一定的驅(qū)動(dòng)力下,借助于能量漲落越過位壘而形成晶核的過程.均勻成核自發(fā)成核：在一定過飽和度、過冷度的條件下,由體系中直接形成的晶核.非均勻成核非自發(fā)成核：體系中存在外來質(zhì)點(diǎn)塵埃、固體顆粒、籽品等、在外來質(zhì)點(diǎn)上成核.臨界半徑：與體系自由能變化量極大值點(diǎn)4G*相對(duì)應(yīng)的晶胚半徑r*稱臨界半徑.T自然對(duì)流：在重力場(chǎng)中由于溫度的不均勻,導(dǎo)致熱膨脹的差異從而引起心體密度的差異產(chǎn)生浮力.當(dāng)浮力克服了粘滯力,自然對(duì)流就發(fā)生.強(qiáng)迫對(duì)流：人為對(duì)熔體進(jìn)行攪拌晶體和培竭旋轉(zhuǎn)、磁場(chǎng)造成的對(duì)流.2.分別寫出均勻成核與非均勻成核的

6、臨界晶核半徑、形核功,并說明為什么通常非均勻成核比均勻成核要容易？均勻成核：臨界半徑r*=-2H/V形核功4G均*=16冗3/3Zgv2非均勻成核：臨界半徑r*=-2Taf/Zgv形核功4G非均*=16兀地3/3/v2f8QG非均*0時(shí),環(huán)境冷卻晶體,溫度隨r的增大而降低,此時(shí)晶體中等溫線是凹向熔體的.當(dāng)h0,隨r增加而減少：h0時(shí),隨r增加而增大.8.寫出正常情況下(不發(fā)生組分過冷)直拉單晶中生長(zhǎng)各個(gè)階段界面形狀的變化正常情況下,固液界面的宏觀形狀與等于熔點(diǎn)的等溫面相吻合,由爐腔內(nèi)熱場(chǎng)決定界面有：平坦,凸向熔體,凹向熔體三種情況引晶,放肩：凸向熔體等徑生長(zhǎng)：先平坦后再凹向熔體9.寫出直拉單晶

7、生長(zhǎng)工藝過程籽品熔接一引晶一縮頸一放肩一等徑生長(zhǎng)一收尾第四章1.解釋以下概念：小平面效應(yīng):晶體生長(zhǎng)的固液界面,由于受培竭中熔體等溫線的限制,常常是彎曲的,如果在生長(zhǎng)晶體時(shí)迅速提起晶體,那么在固液界面處會(huì)出現(xiàn)一小片平整的平面,通常稱之為小平面.小平面區(qū)雜質(zhì)濃度與非小平面區(qū)差異很大.雜質(zhì)在小平面區(qū)域分布異常的現(xiàn)象叫小平面效應(yīng)雜質(zhì)條紋:由晶體中雜質(zhì)濃度的起伏引起的腐蝕后外表出現(xiàn)寬窄不一條紋的現(xiàn)旋轉(zhuǎn)性條紋:由于晶體轉(zhuǎn)軸和熱場(chǎng)軸不重合,引起生長(zhǎng)的晶體中雜質(zhì)濃度出現(xiàn)周期性的變化,這樣形成的條紋中子姬變摻雜(NTD):高純區(qū)熔硅單晶放入原子反響堆進(jìn)行中子照射,使同位素Si30激活姬變?yōu)槭┲麟s質(zhì)P31進(jìn)行摻雜

8、-NTD.漩渦缺陷:通常是指無位錯(cuò)單品經(jīng)西特爾腐蝕液腐蝕后,在晶體生長(zhǎng)方向的橫斷面上、觀察到的呈漩渦狀分布的宏觀缺陷花紋、微觀上看是由淺底腐蝕坑組成的.是微缺陷的一種.熱施主效應(yīng):450c熱處理硅、SiO以最快速度形成SiO4,SiO4是一個(gè)正電中央,能夠束縛電子,室溫下受熱激發(fā)而使電子電離出來參與導(dǎo)電,使硅單晶N型電導(dǎo)增強(qiáng),P型電導(dǎo)下降,即熱施主效應(yīng).吸雜工藝:通過機(jī)械化學(xué)處理方法,在硅片的非電活性區(qū)引入缺陷,在熱處理時(shí)一些重金屬雜質(zhì)會(huì)擴(kuò)散并淀積在這些缺陷處,從而減少了這些有害雜質(zhì)對(duì)器件工作區(qū)的影響,改善了器件的性能,這種工藝叫吸雜工藝.2.簡(jiǎn)述CZ法中雜質(zhì)摻入方法及其選擇依據(jù).共熔法投雜法

9、不易揮發(fā)的雜質(zhì)如硼,可采用共熔法摻入.即把摻入元素或母合金與原料一起放在培竭中融化.易揮發(fā)雜志,如神、睇等放在摻雜勺中、待材料熔化后,在拉晶前在投放到熔體中,并需充入氫氣抑制雜質(zhì)揮發(fā).3、討論CZ法中影響單晶縱向電阻率均勻性的因素及其限制方法.影響因素：分凝、蒸發(fā)、沾污.限制方法：從分凝作用考慮:變速拉晶：對(duì)應(yīng)K1的雜質(zhì),晶體生長(zhǎng)初期用較大的拉速,之后隨晶體的長(zhǎng)大而不斷減小拉速,保持CL與Keff乘積不變.從蒸發(fā)作用考慮:如變速拉晶的晶體尾部電阻率較低,可把晶體尾部直徑變細(xì),降低拉速,增加雜質(zhì)蒸發(fā)使CL變小而改善晶體電阻率的均勻性.從稀釋溶質(zhì)出發(fā):雙培竭及連續(xù)送料CZ技術(shù)：內(nèi)地竭熔體V不變,C

10、L降低,外地竭液體對(duì)內(nèi)地竭液體有稀釋作用.當(dāng)K較小時(shí),生長(zhǎng)的晶體所帶走的雜質(zhì)少.內(nèi)地竭熔體中雜質(zhì)濃度變化緩慢,縱向電阻率均勻從提升有效分凝系數(shù)出發(fā)強(qiáng)磁場(chǎng)中拉單晶MCZ增大有效分凝系數(shù)中子姬變摻雜NTD4、討論CZ法中影響單晶徑向電阻率均勻性的因素及其限制方法.影響因素：固液界面的平坦度小平面效應(yīng)I.調(diào)平固液界面,具體方法有調(diào)整生長(zhǎng)熱系統(tǒng),使徑向溫度梯度變小調(diào)節(jié)拉晶參數(shù)：凸界面,增加拉速,凹界面,降低拉速調(diào)整晶體或培竭的轉(zhuǎn)速：增大晶轉(zhuǎn)；使凸變凹；增大蝸轉(zhuǎn)；使凹變凸增大地竭與晶體直徑的比值：地竭直徑晶體直徑=32.5:1II .調(diào)平固液界面還可消除小平面效應(yīng)帶來的徑向電阻率分布的不均勻性III.強(qiáng)

11、磁場(chǎng)中拉單晶MCZ增大有效分凝系數(shù),IV .中子姬變摻雜NTD5、說明不同的固液生長(zhǎng)界面形狀凸、凹、平對(duì)電阻率徑向分布的影響K1雜質(zhì)K雜質(zhì)濃度起氏的原因：短時(shí)間G不變nrciiTEnumrar3nircJ品特一定.5一定晶體生長(zhǎng)速率的微起伏,造成了晶體中雜質(zhì)濃度的起伏ITCC:體式0)履)臨界組分過冷條件的建立熔體內(nèi)距離固液界面距離為 Z 處的溫度為 T(Z)=T(0)+“CL(Z)穩(wěn)定的雜質(zhì)富集層形成后,雜質(zhì)在熔體中的分布為dZAn“立(Kh-f.叩0右七占闔液界面處舉度分布曲線的斜率:dZ(JCL(Z)=CSCL(Z)=Cs(1-Ko)6CL(Z 尸 CLKeff幼分過存的臨界條件細(xì)分過冷

12、的新件：廣*7i4大.G和5小為易洋足蛆分嗆,拉晶葉應(yīng)避克！,(fZ/D)+Ko/Ko(1Ko)e-fZ/D)+Ko/KoT(Z)=T(0)+TCLK6ff(1Ko)e(-fZ/D)+Ko/Ko凝固點(diǎn)的曲線在固液界面 dT(Z)/dZ|z=o=CLKeff(Ko-1)f/KoD 處的斜率為:令固液界面處溫度分布曲線的斜率：dT(Z)/dZ|L=G組分過冷的臨界條件：G=rCLKeff(Ko-1)f/KoD.對(duì)于非平坦界面,以晶體的轉(zhuǎn)軸為軸線的一連續(xù)螺蜷面,橫截面為平面螺蜷線.縱截面為彎曲條紋,晶體外表產(chǎn)生細(xì)微的螺紋：旋轉(zhuǎn)性外表?xiàng)l紋.7、解釋組分過冷并推導(dǎo)組分過冷產(chǎn)生的條件,討論出現(xiàn)組分過冷時(shí)平

13、坦界面上的干擾如何開展成胞狀界面及枝蔓生長(zhǎng).組分過冷:原來固液界面前沿的過熱熔體因雜質(zhì)的聚集產(chǎn)生一過冷區(qū),這種因組組分過冷的條件：G/fqCLKeff(K0-1)/K0D分變化而產(chǎn)生的冷現(xiàn)象稱為組分過冷熔體O距離Z凝固點(diǎn)處曲緘的卦率為二F 大,G 和 K0 小均易滿足組分過冷、拉晶時(shí)躲避KT1=1473K,kT1=0.1277eVKs1=3.452cm/shG=5cm/s:-G1=1.956X10-6cm/sT2=1471cm/skT2=0.1275evKs2=3.374cm/sG2=1.930X10-6cm/sAG=-2.6X10-8cm/sAGG1=-1.33%7、計(jì)算111晶向硅襯底上外

14、延層厚度為多少時(shí),外延層上的刻蝕坑具有第六章1、名詞解釋?HB:水平布里奇曼法,又稱橫拉法.采用石英密封系統(tǒng),系統(tǒng)置于雙溫區(qū)爐中,低溫端放As源限制系統(tǒng)中As氣壓,高溫端合成化合物并拉制晶體,而整個(gè)系統(tǒng)的溫度都必須高于As源端溫度,以預(yù)防As蒸汽凝結(jié).?LECLEP液態(tài)密封法,在熔體上覆蓋透明而粘滯的惰性熔體,再向單晶爐內(nèi)充入大于熔體離解壓的惰性氣體,用此法來抑制化合物材料的理解.?SSD:合成溶質(zhì)擴(kuò)散法.化合物溶質(zhì)在出于高溫區(qū)的溶劑外表合成,在溫度梯度和濃度梯度的驅(qū)動(dòng)下向地期底部擴(kuò)散,并在溫度較低的地竭底部析出晶體.?VCZ:蒸汽限制直拉技術(shù).把培竭-晶體置于一準(zhǔn)密封的內(nèi)生長(zhǎng)室內(nèi),內(nèi)生長(zhǎng)室中

15、放置少量As,使內(nèi)生長(zhǎng)室內(nèi)充滿As氣氛.這樣即使在相當(dāng)?shù)偷臏囟忍荻认律L(zhǎng),晶體外表也不至于離解.?VGF:垂直梯度凝固法.爐體垂直放置,石英瓶垂直放入爐體中間,采用計(jì)算機(jī)精確限制熱場(chǎng)進(jìn)行緩慢降溫2、從能帶結(jié)構(gòu)特點(diǎn)比擬Si和GaAs在應(yīng)用上的不同.Si為間接帶隙半導(dǎo)體,而GaAs為直接帶隙半導(dǎo)體,因此GaAs作為光電材料,可作發(fā)光與激光器件,而Si只能作微電子器件.GaAs的禁帶寬度比硅大,為1.43ev,因此GaAs可以在較高溫度下工作.相比硅的工作溫度僅為2500cGaAs方向上具有雙能谷能帶結(jié)構(gòu).導(dǎo)帶中有兩個(gè)能谷：F主能谷,X次能谷.當(dāng)外電場(chǎng)超過某一閾值時(shí)：電子由主能谷向次能過轉(zhuǎn)移,表現(xiàn)為

16、負(fù)電阻效應(yīng),因此GaAs可用作Gunn器件3、解釋作為間接帚隙材料GaP為什么能成為可見光LED的主要材料？答：GaP雖然為間接帚隙半導(dǎo)體材料,但在GaP中摻入等電子雜質(zhì)時(shí)、 等電子雜質(zhì)可以俘獲電子或空穴,成為等電子陷阱,等電子陷阱通過短程勢(shì)俘獲電子或空穴之后,成為負(fù)電或正電中央,可以借助長(zhǎng)程庫(kù)倫作用吸引一個(gè)空穴或電子,于是形成了等電子陷阱上的束縛激子.這種束縛是一種短程力,可以使陷阱內(nèi)電子局限在一個(gè)局部的范圍.根據(jù)量子力學(xué)的測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系A(chǔ)PAx由/2冗,當(dāng)電子的Ax十分小時(shí),它的動(dòng)量變動(dòng)范圍就很大,即K擴(kuò)展;了,也就是在K=0處也會(huì)有一定數(shù)目的電子,這些電子便可不借聲子的幫助而直接躍遷,從而大

17、大提升了發(fā)光效率.?因此GaP材料的發(fā)光實(shí)質(zhì)上是激子復(fù)合發(fā)光.4、詳細(xì)說明三溫區(qū)橫拉法中溫度選擇的依據(jù).TI=12500c,T2=11000C,T3=610C答：高溫區(qū)Ti1245-1260C限制其高于GaAs熔點(diǎn),以維持其熔體狀態(tài)合成GaAs中溫區(qū)T2(1120-1200C)既可調(diào)整固液界面附近的溫度梯度,還可利用抑制石英舟中Si對(duì)晶體的污染.本質(zhì)在于抑制高溫區(qū)反響生成的Ga2O從高溫區(qū)向低4Ga(l)+SiO2(s).Si(s)+2Ga20(g)(高溫區(qū))3Ga2O(g)+As4(g)G_Ga2O3(s)+4GaAs(s)(低溫區(qū))5、GaAs成為繼Si之后重要半導(dǎo)體材料的重要特征有哪些？

18、直接帶隙,光電特性好,光電材料,可作發(fā)光與激光器件,Si,Ge只做微電子材料遷移率高(是硅的5-6倍),適于制作超高頻高速器件和電路易于制成非摻雜半絕緣單晶,IC中不必作絕緣隔離層,簡(jiǎn)化IC,減少寄生電容,提升集成度Eg較大(1.43eV),可在較高溫度下(450C)工作3硅：250C,籍：100c耐熱,抗輻射水平強(qiáng)太陽(yáng)能電池,轉(zhuǎn)換率比Si高Gunn效應(yīng),新型功能器件第七章1.解釋：MOVPE,MBE、CBE、ALE、二步外延法、雙氣流MPVPE.答：MOVPE:金屬有機(jī)物氣相外延生長(zhǎng),根本原理是：田族、II 族金屬有機(jī)物+V 族、VI 族氫化物為源材料,熱分解方式在襯底上進(jìn)行外延生長(zhǎng) m-V

19、,H-VI族化合物半導(dǎo)體及它們的多元化合物的薄層單晶.MBE:分子束外延,是在超高真空超高真空的條件下,用分子束或原子束輸運(yùn)源進(jìn)行外延生長(zhǎng)的方法.在超高真空中,分子束中的分子之間以及分子束的分子與背景分子之間幾乎不發(fā)生碰撞.CBE:化學(xué)束外延生長(zhǎng).用氣態(tài)源代替固態(tài)源進(jìn)行*MBE生長(zhǎng),即氣態(tài)源MBE.ALE:原子層外延,是向襯底交替單獨(dú)供應(yīng)半導(dǎo)體組成元素的源,使各組成元素以單原子層在襯底上進(jìn)行一層一層地生長(zhǎng)一層分子層.二步外延法：GaN和藍(lán)寶石襯底之間的失配到達(dá)15.4%,為此先用MOVPE發(fā),低溫下在550c左右,在襯底上先生長(zhǎng)一層2050nm厚的GaN緩沖層,然后升溫至1030C,接著生長(zhǎng)G

20、aN外延層.,雙氣流MPVPE:采用二組輸入反響室的氣路進(jìn)行外延生長(zhǎng),一路為主氣路,沿與襯底平行方向輸入反響氣體.另一路稱為副氣路,在垂直于襯底方向高速度輸入非反響氣體,副氣路輸入的氣體的作用是改變住氣流的流向和抑制生長(zhǎng)熱對(duì)流,從而可生長(zhǎng)具有高遷移率的單晶層.液相區(qū),故它將溶掉GaAs襯底俗稱吃片子.GaAs襯底被溶解后,溶液中As量增大,A點(diǎn)朝右移動(dòng)至A后,GaAs才停止溶解.溶液為飽和態(tài).降溫后溶液變成過飽這時(shí)GaAs將析出并沉積在GaAs襯底上進(jìn)行外延生長(zhǎng).3.為什么從70年代初就對(duì)GaN開展了研究工作但一直進(jìn)展緩慢？答：目前沒有生長(zhǎng)GaN體單晶的技術(shù):熔點(diǎn)高,離解壓高,只能異質(zhì)外延,而

21、通過異質(zhì)厚外延層+襯底剝離技術(shù)獲得GaN襯底價(jià)格十分昂貴.GaN的P型摻雜可題：Mg-H絡(luò)合物的形成降低了摻雜效率,而且Mg的電離能較高,室溫下只少局部電離,P型GaN電導(dǎo)率低.GaN異質(zhì)外延生長(zhǎng)的難點(diǎn)GaN生長(zhǎng)溫度下的離解,造成偏離化學(xué)計(jì)量比.襯底的匹配：異質(zhì)外延的品格失配、熱失配導(dǎo)致外延層的大量位錯(cuò).4.在生長(zhǎng)III-V族化合物時(shí)指出MBE、MOVPE和CBE法使用的III族源及各自的生長(zhǎng)機(jī)理.答：MBE,田族為W體金屬.生長(zhǎng)機(jī)理:田族元素是以原子或分子束的形式射向襯底外表,并在其上面移動(dòng),占據(jù)適當(dāng)?shù)母顸c(diǎn)位置,生長(zhǎng)速度受限于固態(tài)源形成分子束流的速度.MOVPE,田族源為金屬有機(jī)化合物生長(zhǎng)機(jī)

22、理:金屬有機(jī)化合物到達(dá)襯底前局部熱分解,金屬有機(jī)化合物及分解產(chǎn)物通過擴(kuò)散穿過襯底外表上面的邊界層,再被加熱的襯底完成全局部解成田族原子.限制邊界層的擴(kuò)散速度來限制生長(zhǎng)速度.CBE,m族源為固體金屬時(shí)牛長(zhǎng)機(jī)理同MBE:m族源為金屬有機(jī)化合物時(shí).生長(zhǎng)機(jī)理：分子束直接射到襯底外表,襯底外表上方?jīng)]有邊界層,襯底外表以外不發(fā)生熱分解.生長(zhǎng)速率由金屬化合物的供應(yīng)速率和襯底外表熱分解的速率決定.第八章1.說明四元固溶體半導(dǎo)體與三元固溶體半導(dǎo)體相比的優(yōu)勢(shì)？三元固溶體通過調(diào)整組分可以調(diào)整材料的帶隙；對(duì)于發(fā)光器材來說可以調(diào)整發(fā)光波長(zhǎng).但組分確定之后,固溶體的晶格常數(shù)也隨之確定,除了組成固溶體兩種化合物品格常數(shù)相近的自匹配體系外,這就會(huì)遇到其外延生長(zhǎng)材料與品格不匹配的問題.使用四元固溶體可增加一個(gè)對(duì)其主要性能進(jìn)行調(diào)整和裁剪的自由度.即可通過兩種組元的組分改變來調(diào)