导电材料：半导体材料.ppt

LED一般工艺流程图,二极管的封装及常见的外观,常见的几种二极管中有玻璃封装的、塑料封装的和金属封装的等等。大功率二极管多采用金属封装，并且有个螺帽以便固定在散热器上。,二极管常见的外观有：,发光二极管,发光二极管,1.3 半导体材料,1）叶良修：（上册），高等教育出版社;2）黄昆，谢希德：，科学出版社;3)刘恩科，朱秉生，罗晋生等：，电子工业出版社。4)施敏：，苏州大学出版社。,教材与参考书,半导体材料的发展历史,1941年：多晶硅（Si)材料制成检波器1947年：锗（Ge)单晶制成晶体三极管1952年：单晶硅，砷化镓（GaAs）1952年：硅晶体管1958年：集成电路1970年代：微电子技术飞速发展,Moores Law:每18个月，集成度提高1倍，线宽降低1半1970s:10mm2000:0.1mm(limit 0.08mm)Transistors per chip1970s:4004,1,000 transistors1990s:P4,42,000,000DRAM Price/bit:1976/2000 104 Bits/chip:2000/1976 1041990:4M DRAM 1000RMB2000:64M DRAM 200RMBPC:1970s:8bits/1MHz/64k/no Hard disk2000:64bits/1.5GHz/128M/30GB,金属、绝缘体、半导体的能带特征,Eg3.5eV,0Eg3.5eV,金属,绝缘体,半导体,价带,导带,Eg0eV,10-7 S/m 104 S/m,10-7 S/m,105 S/m,温度升高，下降 上升 上升,2.2.半导体材料,2.2.1种类,按成份分,元素半导体,化合物半导体,本征半导体(10-9),掺杂半导体(n,p)(10-9),合金化合物陶瓷有机高分子,本征半导体,完全纯净的（杂质小于十亿分之一）、无缺陷、具有晶体结构的鍺、硅、硒，称为本征半导体。,晶体中原子的排列方式,硅单晶中的共价健结构,共价健,共价键中的两个电子，称为价电子。,半导体材料的分类 I（按功能分类）,电子材料检波/放大/整流/存储光电材料发光/探测/光伏/成像热电材料 测温、发电传感材料气敏/湿敏/热敏/光敏/磁敏光子材料激光/光传输/光放大/光计算/光存储微波材料,半导体材料的分类 III（按结构分类）,单晶半导体：整块半导体材料中的原子周期性地有序排列。多晶半导体：半导体材料中分成许多区域，各区域内的原子周期性地有序排列。非晶态半导体：半导体材料中的原子排列长程没有周期性，但短程有序。异质结构半导体：指外延层与衬底材料不同的半导体多层膜结构。超晶格半导体：利用外延技术制备的人工晶体结构。纳米半导体：结构尺度为纳米的半导体材料，如纳米颗粒或纳米薄膜。复合半导体：两种或两种以上半导体材料的复合，如无机/无机，有机/无机，有机/有机复合。,导电机理？,价电子,价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。,本征半导体的导电机理,本征激发：,空穴,温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。,自由电子,在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。,本征半导体的导电机理,当半导体两端加上外电压时，载流子定向运动（漂移 运动），在半导体中将出现两部分电流(1)自由电子作定向运动 电子电流(2)价电子递补空穴 空穴电流,注意：(1)本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差；(2)温度愈高，载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。,自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。,半导体有两种导电粒子（载流子）：自由电子、空穴,电导现象,当物体两端通上电后，就会有电流流过，这种现象称为电导现象。电导就是物体导电的能力，电导率与电阻率成反比。对半导体来说电导是由载流子即电子和空穴的运动引起的。载流子在运动中所受到的散射越少，其运动速度越快，电导率越大（电阻越小），反之载流子在运动中受到的散射频繁，其定向运动速度不断被散射破坏，总体运动速度较小，相应的电导也较小，即电阻较大。,载流子在外场中的迁移率,载流子在外场中的运动无规运动+定向运动,迁移率,迁移率:单位外场作用下载流子的平均运动速度，用符号是m表示，它反应了载流子在半导体中作定向运动的难易程度。按定义可得。以上几个公式对电子及空穴完全相同，一般在对应电子的速度、质量、迁移率符号下加下标n，在空穴对应的各符号下加下标p。,常见半导体材料的迁移率（厘米2/伏秒）,对硅而言，由于电子的有效质量小于空穴的有效质量，因而电子的迁移率比空穴的大，因此对于同样尺寸的器件，相对来说，N型材料制作的器件工作频率较高。,2.2.1.1 元素半导体由单一元素组成的半导体，广泛应用的典型元素半导体有硅、锗，近些年金刚石也得到发展。此外，硒在电子照相和光电领域已获得应用。,硅的半导体性质比锗优良，可使用温度广，可靠性更高，且资源丰富。硅有单晶、多晶和非晶物理性质:晶体硅为原子晶体，熔点高(1693K)，硬而脆，间接能隙，Eg=1.12eV,单晶硅的电子迁移率：1800cm2/Vs化学性质:非晶硅 多晶硅 单晶硅 R.T.空气、水和酸等不反应 强碱和氟等强氧化剂及氢氟酸反应 腐蚀液(工业上)：强碱和HF-HNO3 高温 氧、水气和非金属均可作用 生成SiO2和Si3N4钝化膜,地壳里所含各种元素的质量百分比,Si:1s22s22p63s23p2,价电子为4,元素半导体（Si，Ge，C）的晶体结构：金刚石结构，晶格常数a0.543nm（Si）,1个原子与邻近的4个原子（白色）构成正4面体，每一个原子与周围4个原子以共价键结合。,单晶硅(Monocrystalline silicon)单晶体的半导体硅材料。目前已能制备250 mm（1 inch 英寸=25.4 millimetres 毫米）以上大直径无位错单晶。制备方法有直拉法、区熔法、磁拉法等，世界上几乎所有集成电路都是硅单晶制成的，集成电路用硅占硅单晶整个用量的80%以上。此外，绝大多数的电力电子器件(可控硅、整流器等)、功率晶体管和大部分的各种类型的二极、三极晶体管和太阳电池也是用硅单晶制成的。,单晶硅材料 单晶硅材料制造过程：石英砂-粗硅-提纯和精炼-沉积多晶硅锭-单晶硅-硅片切割。SiO2（石英和砂子）+C Si(98-99)+CO2 Si3HCI(气)SiHCl3(液）H2 SiHCl3 Si(10-12)拉制单晶有直拉法和区熔法等,单晶体硅,多晶硅(Polycrystalline silicon)多晶体的半导体硅材料。根据形态可分为棒状、块状及颗粒状多晶硅；根据共用途及纯度可分为直拉单晶用、区熔单晶用、探测器级、太阳电池级多晶硅。主要用途是作用单晶硅的原料，也可用作多晶硅太阳电池。,多晶硅材料 多晶硅技术：定向凝固法和浇铸法两种。定向凝固法是将硅料放在坩埚中加以熔融，然后将坩埚从热场中逐渐下降或从坩埚底部通上冷源以造成一定的温度梯度，使固液界面从坩埚底部向上移动而形成晶锭。浇铸法是将熔化后的硅液从坩埚中倒入另一模具中凝固以形成晶锭。,硅材料有待发展的领域发光领域（光通讯）如光发射二极管，激光二极管,锗单质呈银灰色的金属光泽物理性质：质硬而脆，性质与硅相似，Eg=0.66eV,间接能隙，电子迁移率：3800cm2/Vs化学性质:锗不与强碱溶液作用可溶于热浓硫酸、浓硝酸、王水和HF-HNO3、NaOH-H2O2（腐蚀液）Ge+2H2O2+2NaOH=Na2GeO3+3H2O高温下，锗相当活泼，可与氧直接化合生成粉末状的GeO2。,2.2.1.2.本征半导体与掺杂半导体,本征半导体（intrinsic semiconductor）：未掺杂的半导体(掺杂低于10-9)，低温下电子处于束缚态，电导率低。在外界的光或热的作用下，产生自由电子（free electron）与空穴（hole）,半导体中的掺杂,在实际所用的半导体材料中，特别是电子材料中，往往掺有一种或两种杂质以获得特定的电性能。常温下本征半导体导带中电子的浓度较小，例如硅本征载流子浓度只有101010cm-3的量级，因此极其微量施主或受主杂质的掺入即可大大改变它的导电性能。只要在硅中掺入亿分之一（101014cm-3）的施主杂质,并假定这些杂质上的电子全部进入导带，则导电能力可增加几万倍。因此掺杂对半导体器件生产是很重要的一个步骤。,本征半导体单位体积内载流子数目比较小，需要在高温下工作对本征半导体进行掺杂，可以改变其电导率，得到掺杂半导体,掺杂半导体,n形半导体（多数载流子：电子negative）,p形半导体（多数载流子：空穴positive）,N 型半导体,掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。,掺入五价元素,多余电子,磷原子,在常温下即可变为自由电子,失去一个电子变为正离子,在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）,形成杂质半导体。,多数载流子（多子）：自由电子少数载流子（少子）：空穴,n形半导体,如Si半导体中添加5个价电子的P，As等,P 型半导体,掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或 P型半导体。,掺入三价元素,多子：空穴少子：自由电子,硼原子,接受一个电子变为负离子,空穴,无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。,p形半导体,Si半导体中添加3个价电子的元素如B,Ga等,杂质半导体的能带结构,施主能级掺入价数较高的杂质原子；晶格缺陷；杂质-缺陷复合体。受主能级掺入价数较高的杂质原子；晶格缺陷；杂质-缺陷复合体。激子能级：束缚的电子-空穴对极化子能级：电子-晶格相互作用,激 子,导带电子与价带空穴束缚在一起，导致电子能量降低。可以用类氢原子进行讨论，但由于空穴质量与电子质量相比不可当作无穷大，因此要用折合质量代替电子的有效质量。,极化子,导带电子在晶格中运动时，在一定的条件下可以使周围的离子位置发生变化，引起晶格畸变，产生极化效应。晶格畸变消耗部分能量，使得电子能量降低，电子被自身引起的晶格畸变束缚，即自陷作用。把自陷的电子与周围畸变的晶格作为一个体系看待就是极化子。好象电子在运动时带着畸变晶格一起运动。,施主、受主杂质能级,氢原子模型施主、受主上的电子能级,浅能级与深能级及复合中心,浅能级 离开导带底或价带顶距离较小的能级，例如施主和受主能级。深能级 离开导带底或价带顶距离较大但离禁带中心距离较大的能级，例如施主和受主能级。复合中心 离禁带中心距离较小的深能级。,半导体中载流子的来源,温度较高时，价带电子可以通过热激发直接进入导带，成为本征激发。由于施主上的未成键电子的束缚能很小，因此很容易通过热激发进入导带；由于价带离开受主能级距离很小，因此价带上的电子很容易通过热激发进入受主能级。其他使得电子从价带进入导带的激发过程，如光照等。,半导体中的载流子,电子导电与空穴导电；全满或全空的带不导电，因为T=0时价带全满，导带全空，所以均对导电没有贡献；不满的带对导电有贡献，例如通过热激发进入导带的电子失去一些电子形成的价带空穴。,价带电子与空穴的关系,导带电子电荷-e速度 受力方向-E有效质量 0加速度方向真实粒子,空穴+e与导带 电子相反与导带 电子相反 0与导带 电子相反假设粒子,2.化合物半导体由两种或两种以上元素以确定的原子配比形成的化合物并具有确定的禁带宽度和能带结构等半导体性质的化合物,按组份分化合物半导体,二元化合物半导体,多元化合物半导体,二元化合物,III-V族化合物 Al,Ga,In与P,As,Sb2.II-VI族化合物 Zn,Cd,Hg与S,Se,Te3.IV-VI族化合物 Ge,Sn,Pb与S,Se,Te4.IV-IV族化合物 SiC,D=金刚石结构,多元化合物半导体GaAlAs,GaAsP,InAlP,GaInAsP,InGaAsP,典型化合物半导体砷化镓GaAs 闪锌矿结构(立方)，能隙1.43eV,直接带隙砷化镓的电子迁移率较硅快许多，因此适用于高频传输，应用于无线通讯如手机、无线区域网路、卫星通讯、卫星定位等领域；砷化镓具备高效率的光电转换特性，因此可运用在光电转换的领域，如发光二极管（LED）、激光二极管（LD）、光接收器（PIN）及太阳电池等产品。,2.磷化铟InP物理特性闪锌矿结构，能隙1.35eV,直接带隙。银灰色，质地软脆。载流子迁移速率高，热导率大，可以制作低噪声和大功率器件。用途：光电器件，光电集成电路和高频高速电子器件，如长波长mm)激光器，激光二极管，光电集成电路等，用于长距离通信。抗辐射性能优于砷化镓，作为太阳能电池材料更理想。,3.磷化镓GaP物理特性红色透明晶体。闪锌矿结构，能隙2.26eV,间接带隙。用途：发光二极管（红，绿，黄绿，黄色）,4.碳化硅SiC物理特性无色透明，硬度高，莫氏硬度为9，低于金刚石（10），高于刚玉（8），较大的热导率，宽禁带2.996eV,间接带隙。用途制作高功率、高频率、高温器件的优良衬底材料，蓝光LED。,5.氮化镓GaN第一代电子材料：Si,Ge第二代电子材料：III-V族化合物GaAs,GaP,InP第三代电子材料：SiC,BN,GaN,AlN,ZnSe,金刚石等宽带半导体。物理特性纤锌矿结构(六方)，能隙3.4eV,直接带隙。用途蓝色与紫外LEDLD,1993 年开发了蓝色发光二极管被称为世纪发明该项技术曾被认为20世纪不可能的任务并商品化1995 年开始研发蓝色激光二极管。1997年开发出紫外LED,6.碲镉汞（HgCdTe)物理特性直接能隙，Hg1-xCdxTe,x=0.17 Eg=0 x=1 Eg=1.6eV用途红外探测器材料（空间遥感和军事探测等），波长1-25mm参考：窄禁带半导体物理学，上海技术物理研究所 褚君浩 著,非晶态半导体原子排列短程有序，长程无序如非晶硅有机半导体电阻率10-14-1m如聚乙烯咔唑 PVK,高温半导体,不难看出，材料的禁带宽度越大，相应器件的工作温度越高。这也是硅比锗优越的地方之一。当然硅比锗还有其他优点，例如二氧化硅有钝化及保护器件工作区作用、硅中氧沉淀可以用来进行内吸杂等。因此目前大多数器件都用硅制备。可以想象，禁带宽度比硅更大的化合物半导体的工作温度更高。所以高温电子材料需要宽禁带半导体材料，如GaN、ZnO、SiC、金刚石等。,图显示集成电路从晶圆的（a）拉晶；（b）制造；（c）切割；（d）封装；完成的简易流程；图（e）为单一晶粒的集成电路放大图标,集成电路生产的3个阶段,习惯以线路制造的最小线宽、晶片直径及DRAM（动态随机存储器）所储存的容量来评断集成电路的发展状况。,集成电路生产的3个阶段,硅晶片（wafer）的制造,集成电路的制作,集成电路的封装（Package）,集成电路制造工艺，包括：氧化工艺掺杂工艺光刻工艺,P阱CMOS工艺,电连接时，P阱接最负电位，N衬底接最正电位，通过反向偏置的PN结实现PMOS器件和NMOS器件之间的相互隔离。P阱CMOS芯片剖面示意图见下图。,代客户加工（代工）方式,芯片设计单位和工艺制造单位的分离，即芯片设计单位可以不拥有生产线而存在和发展，而芯片制造单位致力于工艺实现，即代客户加工（简称代工）方式。代工方式已成为集成电路技术发展的一个重要特征。,无生产线设计与代工方式的关系图（S图）,掩模与流片,代工单位根据设计单位提供的GDS-格式的版图数据，首先制作掩模（Mask），将版图数据定义的图形固化到铬板等材料的一套掩模上。一张掩模一方面对应于版图设计中的一层的图形，另一方面对应于芯片制作中的一道或多道工艺。在一张张掩模的参与下，工艺工程师完成芯片的流水式加工，将版图数据定义的图形最终有序的固化到芯片上。这一过程通常简称为“流片”,理解版图的层,版图metal层，刻画出金属连线,代工工艺,晶圆代工（Foundry）厂家很多，如：无锡上华（0.6/0.5 m CMOS和4 m BiCMOS工艺)上海先进半导体公司(1 m CMOS工艺)NEC(1.2/0.18 m CMOS工艺)上海华虹NEC(0.35 m CMOS工艺)上海中芯国际(8英寸晶圆0.25/0.18 m CMOS工艺)其它还有海士力、宏力、日月光、台积电等。,