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第六章：一些主要的半导体材料 徐桂英 材料学院无机非金属材料系 第六章：一些主要的半导体材料 * 半导体材料的种类虽然繁多，但已经使用和显示出应用前景的材料只是其中的一小部分。 表6.1示出了一些重要的半导体材料及有关的情况，当然，随着各种应用的发展，还会有更多的材料得到应用。 本节的重点是叙述晶体材料，一些薄膜材料将结合其应用加以叙述。 表6.1 一些重要的半导体材料 注：表中的晶片指可直接作器件的切磨片或抛光片；衬底指用于外延的衬底 6.1 硅 硅的化合物在历史上曾对人类的文明起了决定性的作用，硅的英文silicon来自希腊文silex（火石），人类利用它比较方便地取得火。同时各种岩石多是硅酸岩，也是古人类的工具与建筑材料。1924年分离出元素。元素状态的硅的用途在第二次世界大战前主要用作冶金的添加剂，从20世纪50年代开始，硅逐渐成为最重要的半导体材料，这种地位在可预见的将来不会发生明显的变化。 6.1.1 基本性质 Si在元素周期表内属（IV-A）族，原子序数14，原子量28.0855，在自然界无游离状态，主要以氧化物的形态存在。它在地壳的丰度达25.8%。 主要的原子价为4价，其次为2价。在常温下化学性质稳定，不溶于单一的强酸，易溶于碱。在高温下性质活泼，易与各种材料发生反应。 硅在自然界的同位素有3个，它们所占的比例分别为（%）：28Si=92.23；29Si=4.67；30Si=3.10。 硅的晶体结构在常压下为金刚石型，其晶格常数为：a=0.543nm；加压至15GPa则变为简单的面心立方结构，晶格常数a=0.6636nm。 硅的力学与热学性质见表6.2 ，半导体性质见表6.3。 表6.2 硅的力学与热学性质 0.7 J/g.K 比热 736 (熔点) mN/m 表面张力 2.6×10-6 K-1 线性膨胀系数 150(300K)/46.84(熔点) W/mK 热导率（固/液） 16 kJ/g 熔化热 6.5/950 摩氏/努氏 硬度 53.6 MPa 临界压力 4886 ℃ 临界温度 2.329/2.533 g/cm3 密度（固/液） 2355 ℃ 沸点 1420 ℃ 熔点 数值 单位 性质 表6.3 硅的半导体性质 11.9 介电常数 2.3×105 W.cm 本征电阻率 1.45×1010 cm-3 本征载流子浓度 5×1022 原子/cm3 原子密度 1500/450 cm2/V.s 迁移率（室温）电子/空穴 1.12 eV 禁带宽度（25℃） 数值 单位 性质 6.1.2 制备工艺 半导体硅包括多晶硅、直拉单晶硅（CZ） 、区熔单晶 硅（FZ）、磁控直拉单晶硅（ NCZ）、单晶硅的各种晶片、非晶硅等。 现在80%以上是直拉单晶，大部分以抛光片形式出售，外延片的比例在不断地增长。 这些产品的制法由图6.1所示。 图6.1 半导体硅的原料与产品 硅粉 衬底（玻璃、金属） 硅烷或氯硅烷的合成与提纯 非晶硅沉积 多晶硅制造 非晶硅薄膜 多晶硅 绝缘衬底 外延片 化 学 气 相 外 延 产品 产品 产品 产品 产品 产品 磁控拉晶 区熔法拉晶 直拉法拉晶 磁控直拉单晶 区熔单晶 直拉单晶 磨片过程 切 片 过 程 切片 抛光过程 抛光片 磨片 SiH4 SiCl4 SiHCl3 SiH2Cl2 SiH4 A A 1. 优异的半导体性质。它具有适度的禁带宽度和良好的电子迁移率，这样既可以获得高的电阻率（1×105欧姆.厘米），较高的工作温度（125oC)，又有利于制作大功率器件，做到器件的压降不高，可在功率、频率上满足很大范围的要求。 2. 良好的化学性质。它无毒，在地壳中的丰度最大，不存在资源问题，材料本身不会造成公害，生产过程中的三废也较易处理，这就保证了生产的低成本。 在Si本体上容易形成SiO2，且与结合得很牢，这一点是别的半导体材料所没有的。所形成的SiO2在光刻工艺中可起到隔离的作用，也可作为介电薄膜，还能作器件的保护层，这些都可使器件工艺，特别是集成电路（IC）的工艺大为简化。 6.1.3 应用 据统计，现在90%以上的半导体器件是用硅制成的，它的产量在半导体材料中也遥遥领先，多晶硅的年产量已达一万余吨左右。硅在半导体领域中占绝对优势的原因有如下几点。 3. 良好的力学与热学性质。 硅在常温下的硬度及机械强度高，在高温下亦有较高的屈服强度，还具有较高的热导率。这就使得拉制大直径无位错单晶成为可能，在这方面其他半导体材料都望尘莫及。目前直拉法已生产出直径f300mm无位错单晶，区熔法生产出f150mm无位错单晶。 同时良好的力学性能使得Si片在器件加工中能防止引入二次缺陷，而使器件有较高的成品率。 导热性能好，可以提高器件的功率及单位面积上的功率密度，