半導(dǎo)體材料硅的基本性質(zhì)

半導(dǎo)體材料硅的基本性質(zhì)一．半導(dǎo)體材料1.1固體材料按其導(dǎo)電性能可分為三類(lèi)：絕緣體、半導(dǎo)體及導(dǎo)體，它們典型的電阻率如下：圖1

典型絕緣體、半導(dǎo)體及導(dǎo)體的電導(dǎo)率范圍1.2半導(dǎo)體又可以分為元素半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體，它們的定義如下：元素半導(dǎo)體：由一種材料形成的半導(dǎo)體物質(zhì)，如硅和鍺?；衔锇雽?dǎo)體：由兩種或兩種以上元素形成的物質(zhì)。1)二元化合物

GaAs―砷化鎵

SiC

―碳化硅2)三元化合物AlGa11As―

砷化鎵鋁AlIn11As―

砷化銦鋁1.3半導(dǎo)體根據(jù)其是否摻雜又可以分為本征半導(dǎo)體和非本征半導(dǎo)體，它們的定義分別為：本征半導(dǎo)體：當(dāng)半導(dǎo)體中無(wú)雜質(zhì)摻入時(shí)，此種半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。非本征半導(dǎo)體：當(dāng)半導(dǎo)體被摻入雜質(zhì)時(shí)，本征半導(dǎo)體就成為非本征半導(dǎo)體。1.4摻入本征半導(dǎo)體中的雜質(zhì)，按釋放載流子的類(lèi)型分為施主與受主，它們的定義分別為：施主：當(dāng)雜質(zhì)摻入半導(dǎo)體中時(shí)，若能釋放一個(gè)電子，這種雜質(zhì)被稱為施主。如磷、砷就是硅的施主。受主：當(dāng)雜質(zhì)摻入半導(dǎo)體中時(shí)，若能接受一個(gè)電子，就會(huì)相應(yīng)地產(chǎn)生一個(gè)空穴，這種雜質(zhì)稱為受主。如硼、鋁就是硅的受主。圖1.1（a）帶有施主（砷）的n型硅

(b)帶有受主（硼）的型硅1.5摻入施主的半導(dǎo)體稱為N型半導(dǎo)體，如摻磷的硅。由于施主釋放電子，因此在這樣的半導(dǎo)體中電子為多數(shù)導(dǎo)電載流子（簡(jiǎn)稱多子），而空穴為少數(shù)導(dǎo)電載流子（簡(jiǎn)稱少子）。如圖1.1所示。摻入受主的半導(dǎo)體稱為P型半導(dǎo)體，如摻硼的硅。由于受主接受電子，因此在這樣的半導(dǎo)體中空穴為多數(shù)導(dǎo)電載流子（簡(jiǎn)稱多子），而電子為少數(shù)導(dǎo)電載流子（簡(jiǎn)稱少子）。如圖1.1所示。二．硅的基本性質(zhì)1.1硅的基本物理化學(xué)性質(zhì)硅是最重要的元素半導(dǎo)體，是電子工業(yè)的基礎(chǔ)材料，其物理化學(xué)性質(zhì)（300K）如表1所示。性質(zhì)原子序數(shù)原子量原子密度晶體結(jié)構(gòu)晶格常數(shù)熔點(diǎn)密度(固/液)介電常數(shù)本征載流子濃度本征電阻率電子遷移率符號(hào)ZM

aTm??0單位

個(gè)/cm3

?℃g/cm

個(gè)/cm3?3硅（Si）1428.0855.00×1022金剛石型5.4314202.329/2.53311.91.5×10102.3×1051350ni?i?cm?ncm2/(V?S)空穴遷移率電子擴(kuò)散系數(shù)空穴擴(kuò)散系數(shù)禁帶寬度（25℃）導(dǎo)帶有效態(tài)密度價(jià)帶有效態(tài)密度器件最高工作溫度1.2硅的電學(xué)性質(zhì)硅的電學(xué)性質(zhì)有兩大特點(diǎn)：?pcm2/(V?S)cm/Scm2/SeVcm-3cm℃-3248034.612.31.112.8×10191.04×1025019DnDpEgNcNv

表1硅的物理化學(xué)性質(zhì)（300K）一、導(dǎo)電性介于半導(dǎo)體和絕緣體之間，其電阻率約在10-4～1010??cm二、導(dǎo)電率和導(dǎo)電類(lèi)型對(duì)雜質(zhì)和外界因素（光熱，磁等）高度敏感。無(wú)缺陷的、無(wú)摻雜的硅導(dǎo)電性極差，稱為本征半導(dǎo)體。當(dāng)摻入極微量的電活性雜質(zhì)，其電導(dǎo)率將會(huì)顯著增加，稱為非本征半導(dǎo)體。例如，向硅中摻入億份之一的硼，其電阻率就降為原來(lái)的千分之一。摻入不同的雜質(zhì)，可以改變其導(dǎo)電類(lèi)型。當(dāng)硅中摻雜以施主雜質(zhì)（?プ逶?素：磷、砷、銻等）為主時(shí)，以電子導(dǎo)電為主，成為N型硅；當(dāng)硅中摻雜以受主雜質(zhì)（Ⅲ族元素：硼、鋁、鎵等）為主時(shí)，以空穴導(dǎo)電為主，成為P型硅。硅中P型和N型之間的界面形成PN結(jié)，它是半導(dǎo)體器件的基本機(jī)構(gòu)和工作基礎(chǔ)。如圖所示電阻率隨雜質(zhì)濃度的變化1.3硅的化學(xué)性質(zhì)硅在自然界中多以氧化物為主的化合物狀態(tài)存在。硅晶體在常溫下化學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定，但在高溫下，硅幾乎與所有物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。1.硅的熱氧化反應(yīng)～1100℃SiO2

→

SiO2～1000℃Si2H2O

→

SiO2H2在硅表面生成氧化層，其反應(yīng)程度與溫度有相當(dāng)大的關(guān)系，隨溫度的升高，氧化速度加快。2.硅與氯氣（Cl2）或氯化物（HCl）的化學(xué)反應(yīng)

～300℃Si2Cl2

→

SiCl4

～280℃Si3HCl

→

SiHCl3

H2上面兩個(gè)反應(yīng)常用來(lái)制造高純硅的基本材料―SiCl4和SiHCl3。3.硅與酸的化學(xué)反應(yīng)硅對(duì)多數(shù)酸是穩(wěn)定的，硅不能被HCl、H2SO4、HNO3、HF及王水所腐蝕，但可以被其混合液所腐蝕。（1）硅與HF―HNO3混合液的化學(xué)反應(yīng)Si4HNO36HF→H2SiF64NO24H2OHNO3在反應(yīng)中起氧化作用，沒(méi)有氧化劑存在，H就不易與硅發(fā)生反應(yīng)。此反應(yīng)在硅的缺陷部位腐蝕快，對(duì)晶向沒(méi)有選擇性。（2）硅與HF―CrO3混合液有化學(xué)反應(yīng)SiCrO38HF→H2SiF6CrF23H2O此混合液是硅單晶缺陷的擇優(yōu)腐蝕顯示劑，缺陷部位腐蝕快。（3）硅與金屬的作用硅與金屬作用可生成多種硅化物，如TiSi2,WSi2,MoSi等硅化物具有良好的導(dǎo)電性、耐高溫、抗電遷移等特性，可以用來(lái)制備集成電路內(nèi)部的引線、電阻等元件。（4）硅與SiO2的化學(xué)反應(yīng)1400℃SiSiO2

→

2SiO在直拉法（CZ）制備硅單晶時(shí)，因?yàn)槭褂贸兪③釄澹⊿iO2），石英坩堝與硅熔體會(huì)發(fā)生上述反應(yīng)。反應(yīng)生成物SiO一部分從硅熔體中蒸發(fā)出來(lái)，另外一部分溶解在熔硅中，從而增加了熔硅中氧的含量，成為硅中氧的主要來(lái)源。在拉制單晶時(shí)，單晶爐內(nèi)須采用真空環(huán)境或充以低壓高純惰性氣體，這種工藝可以有效防止外界沾污，并且隨著SiO蒸發(fā)量的增大而降低熔硅中的氧含量，同時(shí)，在爐腔壁上減緩SiO沉積，以避免SiO粉末影響無(wú)位錯(cuò)單晶生長(zhǎng)。1.4硅的晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵1.硅的晶體結(jié)構(gòu)硅晶體為金剛石結(jié)構(gòu)，四個(gè)最近鄰原子構(gòu)成共價(jià)四面體。如圖2.1和圖2.2所示。圖2.1共價(jià)四面體

圖2.2硅的晶體結(jié)構(gòu)2．硅晶體的化學(xué)鍵硅晶體中的化學(xué)鍵為典型的共價(jià)鍵，共價(jià)鍵是通過(guò)價(jià)電子的共有化形成的。具體說(shuō)來(lái)，共價(jià)鍵是由兩原子間一對(duì)自旋相反的共有電子形成的。電子的配對(duì)是形成共價(jià)鍵的必要條件。硅晶體中的每個(gè)原子都與4個(gè)最近鄰原子形成四對(duì)自旋相反的共有電子，構(gòu)成4個(gè)共價(jià)鍵。硅原子的最外層價(jià)電子分布為3s23p2,3s能級(jí)最多能容納2個(gè)自旋相反的電子，現(xiàn)已有2個(gè)自旋相反的電子配成對(duì)了。3p能級(jí)最多可容納6個(gè)電子，現(xiàn)只有2個(gè)電子。根據(jù)洪特規(guī)則，即共價(jià)軌道上配布的電子將盡可能分占不同的軌道，且自旋平行。那么，兩個(gè)p電子將分別占據(jù)兩個(gè)p軌道，而空出一個(gè)p軌道。如此，硅原子的價(jià)電子配布為：3s

3p按照這種配布，s軌道的兩個(gè)電子已配成對(duì)了，不能再配對(duì)。只有p軌道上的2個(gè)電子尚未配對(duì)，可以和最近鄰原子的價(jià)電子配成兩對(duì)。這樣每個(gè)原子只能和最近鄰原子形成2個(gè)共價(jià)鍵，而實(shí)際上卻是4個(gè)共價(jià)鍵。這個(gè)矛盾靠軌道的雜化來(lái)解決。硅原子的3s上的電子可以激發(fā)到3p上去，形成新的sp雜化軌道：3s

3p3sp3雜化軌道有4個(gè)未配對(duì)的電子，故可以形成4個(gè)共價(jià)鍵。雖然3s能級(jí)上的電子激發(fā)到3p能級(jí)上去需要一定的能量，但形成2個(gè)共價(jià)鍵所放出的能量更多，結(jié)果體系更趨穩(wěn)定。共價(jià)鍵有兩個(gè)重要特性：飽和性和方向性。所謂飽和性是1個(gè)電子和1個(gè)電子配對(duì)以后，就不能再與第3個(gè)電子配對(duì)了。硅原子軌道雜化以后，有4個(gè)未配對(duì)的價(jià)電子。這4個(gè)電子分別與最近鄰原子中的1個(gè)價(jià)電子配成自旋相反的電子對(duì)，形成4個(gè)共價(jià)鍵。因此，硅晶體中的任一原子能夠形成的共價(jià)鍵數(shù)目最多為4。這個(gè)特性就是共價(jià)鍵的飽和性。所謂共價(jià)鍵的方向性是指原子只在特定的方向上形成共價(jià)鍵。硅原子的四個(gè)sp3雜化軌道是等同的，各含有1/4s和3/4p成分，它們兩兩之間