半导体材料导论5-1.ppt

半导体材料 徐桂英 材料学院无机非金属材料系 第5章：半导体材料的制备 区域提纯是用电阻炉或高频炉加热的方法，使一些含有杂质的材料条的某一区域熔化，然后使熔化区域由一端逐步移向另一端。材料的杂质由于分凝作用，就朝着一定方向集中，反复多次进行，最后杂质被聚集在端头的一个很小的范围内，而使大部分材料达到提纯的目的。这一过程称为区域提纯。 区域提纯之所以能多次重复，是由于熔化局限在一个很小的区域(不像定向凝固需全部熔化)，其余都处在固体状态，扩散极慢。 在第二遍熔区移动时，杂质不可能恢复原来均匀分布，只能进一步把杂质往一端集中。 3、 区域提纯 原来杂质浓度均匀的锭条，经过第一次提纯后，杂质在锭条的分布为： Cs(x)=C0[1-(1-K)e-kx/L]  （5-7） K=5 2 0.9 0.5 0.2 0.1 K=0.01 以区熔长度为单位表示的距离x/l 溶质的浓度Cs(x) 图5.8 0.2 0.01 1.0 0.1 dx x dx L l l 假设锭条有单位长度的横截面积，最初在整个长度上有相同的杂质浓度C0。从最左端开始在L长度范围内熔化（熔化的体积为1×1×L）。 第一次，第一个熔区的杂质浓度应该是C0 。然后把熔区向右移动了dx的距离，这意味着左边有dx×1×1的熔体凝固，而右边有dx×1×1的固体熔化（以下将1×1省略）。 在左边dx凝固时，由于分凝作用（设K＜1），在凝固部分杂质含量应该是： Cs1=KC0 杂质原子的量是： Cs1 dx。 同时熔入的dx带进的杂质原子量是： C0dx。 dx x dx L l l 那么在移动dx的过程中，在熔区中净增杂质量应该是（若K ﹥ 1为净减）： C0dx - Cs1dx = C0dx - KC0dx 假如熔区已经移动至x处（如上图），此时熔体浓度为Cl(x) (显然Cl(x)＞C0)。又移动dx距离，左边凝固的固体带走的杂质原子数量是： Cl(x) Kdx 右边熔入的杂质原子数量是：C0dx 净增量为：[C0 - Cl(x) K] dx dx x dx L l l 另一方面，在x处的熔区，由于移动dx后，浓度改变量可表示成 dCL(x) ,杂质原子改变的数量是LdCL(x)，显然应该有如下等式： LdCL(x) = [C0 - CL(x) K] dx 考虑到Cs(x)= KCl(x)，所以有： LdCs(x)/K= [C0 - Cs(x) ] dx 移项，并两边积分： 得到杂质浓度的分布：Cs(x)=C0[1-(1-K)e-kx/L] dx x dx L l l （5-8） 得到杂质浓度的分布：Cs(x)=C0[1-(1-K)e-kx/L] 从上面的 推导和公式（5-8）我们可以看到： a.熔区愈小，杂质浓度的最终分布愈有利。 b.不同K值的杂质，提纯效果不同，K值与1相差愈大，杂质的最终分布愈好。 K1，提纯效果好， 杂质集中在头部； K1，提纯效果也好，杂质集中在尾部； K≈1，提纯效果差，杂质基本均匀分布在整个锭条中，这种杂质适合做掺杂剂。 因此，区域提纯并不是对所有物质的提纯都有效。如对半导体Si、Ge十分有效，但对GaAs化合物则不理想。 与定向凝固相比，区域提纯优势在于：可以重复进行，使杂质不断向一端集中，避免了对原材料的较多浪费。 dx x dx L l l （5-8） 图5.10示出了当熔区长度l =L/10，（L为整个锭长）、k=0.5时不同区熔次数的提纯效果。 从图中可以看出随着区熔次数的增加，杂质沿锭条的分布愈来愈陡，当熔区移动时，一方面在熔区的一端凝固较纯的部分，而从熔区的另一端则熔入杂质浓度较高的部分，杂质沿锭长的分布愈陡，则溶入的杂质愈多，由此造成熔区的杂质浓度愈高，因凝固部分的杂质含量为cs= kcl，因此cs随熔区的杂质浓度增高而增高，当达到一定限度时，增加区熔次数已不能提高提纯效果，这时的杂质分布称为最终分布或极限分布，见图5.10。 图5.10 区熔的极限分布 溶质浓度比cS/co x/?l 最终分布 K=0.5 L/l=10 n=1-20 影响区熔提纯的因素有：熔区长度、熔区移动速度、熔区搅拌程度、表面是否存在氧化膜等。 其中熔区长度愈短，则一次区熔的提纯效果愈好，但不利于最终分配；熔区过长，则要求过多的区熔次数。一般多取熔区长为锭长的1/10左右。 熔区移动速度慢、熔区搅拌强都会有利于杂质扩散，使keff→k0，有利于提纯。 表面存