第八章-半导体电子材料.ppt

第八章 半导体电子材料 8.1 材料优值的概念 某类器件究竟采用哪种材料更合适？ 材料的某些基本性质决定的材料优值，并用此材料优值来定量比较 常用的几种材料优值 约翰逊优值 凯斯优值 巴利加优值 高频器件用材料优值 热性能优值 8.1.1 约翰逊优值 最大输出功率：电压 最高工作频率：载流子的速度 结电容一定时，功率和频率的乘积为常数 频率和功率的乘积 第一材料优值 约翰逊优值或者第一材料优值越大，材料的功率和工作频率越高 8.1.2 凯斯优值 高频器件的尺寸受到热导率的限制，凯斯优值评价材料在制作高速器件时适合程度的量化标准 为材料的相对介电常数 为热导率，反映了材料的热性质对晶体管开关性能的限制，凯斯优值越大，器件尺寸越小 金刚石 30.77 8.1.3 巴利加优值 评价材料用于大功率开关器件的潜力 巴利加优值越大，器件功率越大 GaN 385.8 8.1.4 高频器件用材料优值 器件的最小功耗 第四材料优值F4为材料的高频器件优值 F4 在同一工作频率下，器件的功耗随着优值F4的增加而减少，工作频率越高，下降幅度越大 对同一材料所制器件的最小功耗随着工作频率提高而增大 F4越大，器件的功耗越低 8.1.5 热性能优值 反映了某种材料所制作的功率器件在高温工作状态下的优值，三个热性能优值： 8.2 硅材料的优点 资源丰富、易于提高到极纯的纯度 较易生长出大直径无位错单晶 易于对进行可控n型和p型掺杂 易于通过沉积工艺制备出单晶硅、多晶硅和非晶硅薄膜材料 易于进行腐蚀加工 带隙大小适中 硅有相当好的力学性能 硅本身是一种稳定的绿色材料 可利用多种金属和掺杂条件在硅上制备低阻欧姆接触 容易截断或者解理硅晶体 硅表面上很容易制备高质量的介电层－－SiO2 8.3 多晶硅的优点 多晶硅具有接近单晶硅材料的载流子迁移率和象非晶硅那样进行大面积低成本制备的优点 重掺杂的多晶硅薄膜作为电容器的极板、浮栅、电极等 轻掺杂的多晶硅薄膜常用于MOS存储器的负载电阻和其他电阻器 多晶硅薄膜由于具有比非晶硅TFT更高的载流子迁移率、更快的开关速度、更高的电流驱动能力、可与CMOS工艺兼容等特点 8.4 非晶硅的优点 非晶硅薄膜是器件和电路加工所用表面钝化膜材料之一 对活性半导体表面进行钝化对提供器件性能、增强器件和电路的稳定性、可靠性；提高其封装成品率等有重要作用 能带模型 短程有序－－基本能带 长程无序－－定域态带尾 悬挂键－－带隙中间形成隙态 非晶硅钝化机理和特点 非晶硅Si:H膜致密性好，对水气和碱金属离子等有很好的掩蔽作用 非晶硅Si:H薄膜中含大量的原子氢，它能直接填补器件的缺陷能级和断键 非晶硅Si:H带隙中同时具有受主型和施主型局域能带，具有俘获正负离子的双重作用 非晶硅Si:H本身是电中性的，遇到电场干扰或者正负离子污染时，在表面感应电荷，起到屏蔽作用 非晶硅Si:H膜与单晶硅的晶体结构和热膨胀行为接近，用非晶硅Si:H钝化后的器件界面力学性能稳定，没有内应力 8.5 SiGe/Si固溶体 能带工程－－－固溶体 异质结－－－基极材料和发射极材料 HBT－－异质结双结晶体管 FET－－场效应晶体管 TFT－－薄膜晶体管 CMOS－－金属/氧化物/半导体晶体管 8.6 绝缘体硅材料（SOI） 绝缘体上硅片(silicon-on-insulator，SOI) 技术是一种在硅材料与硅集成电路巨大成功的基础上出现、有其独特优势、能突破硅材料与硅集成电路限制的新技术。 随着信息技术的飞速发展，SOI技术在高速微电子器件、低压/低功耗器件、抗辐照电路、高温电子器件、微机械（MEMS）以及光通信器件等主流商用信息技术领域的优势逐渐凸现，被国际上公认为是“二十一世纪的微电子技术”、“新一代硅”。 SOI是Silicon－on－Insulator的缩写，称绝缘硅 随着芯片特诊尺寸跨入纳米尺度后，临近半导体物理器件的极限问题接踵而来，如电容损耗、漏电流增大、噪声提升、闩锁效应和短沟道效应等。 为了克服这些问题，SOI技术应运而生。 作为标准CMOS工艺的一种改进技术，SOI技术通过在两层硅基板之间封入一个绝缘的氧化层(这与大容量CMOS工艺技术恰好相反)，从而将活跃的晶体管元件相互隔离。 SiO2埋层能有效地使电子从一个晶体管门电路流到另一个晶体管门电路，不让多余的电子渗漏到硅晶圆上。 闩锁效应，又称寄生PNPN效应 CMOS管的下面会构成多个三极管, 这些三极管自身就可能构成一个电路。这就是MOS管的寄生三极管效应。 如果电路偶尔中出现了能够使三极管开通的条件, 这个寄生的电路就会极大的影响正常电路的运作, 会使原本