什么是半導(dǎo)體材料？

有沒(méi)有想過(guò)一個(gè)問(wèn)題，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)為什么叫半導(dǎo)體？為什么芯片，集成電路和半導(dǎo)體聯(lián)系起來(lái)？

其實(shí)半導(dǎo)體在最原始的時(shí)候是一種材料，比如硅。后來(lái)使用這些半導(dǎo)體材料制作了集成電路，又將集成電路封裝成芯片。但是半導(dǎo)體這個(gè)名字一直保留著，所以我們通常把這些統(tǒng)統(tǒng)以半導(dǎo)體這三個(gè)字代替。

晶體結(jié)構(gòu)

晶體可分為單晶和多晶,若在整塊材料中,原子都是規(guī)則的、周期性的重復(fù)排列的,一種結(jié)構(gòu)貫穿整體,這樣的晶體稱為單晶,如石英單晶,硅單晶,巖鹽單晶等.多晶是由大量微小的單晶隨機(jī)堆砌成的整塊材料.實(shí)際的晶體絕大部分是多晶,如各種金屬材料和電子陶瓷材料.由于多晶中各晶粒排列的相對(duì)取 向各不相同,其宏觀性質(zhì)往往表現(xiàn)為各向同性,外形也不具有規(guī)則性。

半導(dǎo)體材料硅、鍺等都屬金剛石結(jié)構(gòu).金剛石結(jié)構(gòu)可以看成是沿體對(duì)角線相互錯(cuò)開(kāi)四分之一對(duì)角線長(zhǎng)度的面心立方元胞套構(gòu)而成的.

晶面與晶向

晶體具有各向異性的特征,在研究晶體的物理特征時(shí),通常必須標(biāo)明是位于什么方位的面上或沿晶體的什么方向,為此引入晶面與晶向的概念.為了便于確定和區(qū)別晶體中不同方位的晶向和晶面,國(guó)際上通用密勒指數(shù)來(lái)統(tǒng)一標(biāo)定晶向指數(shù)與晶面指數(shù).

晶向指數(shù)

以晶胞的某一陣點(diǎn)O為原點(diǎn),過(guò)原點(diǎn)O設(shè)定坐標(biāo)軸X、Y、Z,以晶胞點(diǎn)陣矢量的長(zhǎng)度作為坐標(biāo)軸的長(zhǎng)度單位;過(guò)原點(diǎn)O作一平行于待定晶向的直線,在該直線上選取距原點(diǎn)O最近的一個(gè)陣點(diǎn),確定此點(diǎn)的3個(gè)坐標(biāo)值;將這3個(gè)坐標(biāo)值化為最小整數(shù)u,v,w,加以方括號(hào).[u v w]即為待定晶向的晶向指數(shù).

晶向指數(shù)代表所有相互平行、方向一致的晶向.

晶面指數(shù)

在點(diǎn)陣中設(shè)定參考坐標(biāo)系,設(shè)置方法與確定晶向指數(shù)時(shí)相同;選出晶面族中不經(jīng)過(guò)原點(diǎn)的晶面,確定該晶面在各坐標(biāo)軸上的截距;取各截距的倒數(shù);將三倒數(shù)化為互質(zhì)的整數(shù)比,并加上圓括號(hào),即表示該晶面的指數(shù),記為( h k l ).

當(dāng)晶面的某一截距為負(fù)數(shù)時(shí),在相應(yīng)的指數(shù)上部加"-"號(hào).當(dāng)晶面與某一坐標(biāo)軸平行時(shí),則認(rèn)為晶面與該軸的截距為∞,其倒數(shù)為0.

晶面指數(shù)所代表的不僅是某一晶面,而是代表所有相互平行的晶面.

晶體中的缺陷

按在空間的幾何構(gòu)型可將缺陷分為點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷和體缺陷.

點(diǎn)缺陷

點(diǎn)缺陷是以晶體中空位、間隙原子、雜質(zhì)原子為中心,在一個(gè)或幾個(gè)晶格常數(shù)的微觀區(qū)域內(nèi),晶格結(jié)構(gòu)偏離嚴(yán)格周期性而形成的畸變區(qū)域.

線缺陷

晶體內(nèi)部偏離周期性點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的一維缺陷為線缺陷.晶體中最重要的一種線缺陷是位錯(cuò).

面缺陷和體缺陷

對(duì)于晶體來(lái)講,還存在面缺陷(層錯(cuò))和體缺陷(包裹體)等.由于堆積次序發(fā)生錯(cuò)亂形成的缺陷叫做堆垛層錯(cuò),簡(jiǎn)稱層錯(cuò).層錯(cuò)是一種區(qū)域性的缺陷,在層錯(cuò)以外的原子都是有規(guī)則排列的,它是一種面缺陷.當(dāng)摻入晶體中的雜質(zhì)超過(guò)晶體的固溶度時(shí),雜質(zhì)將在晶體中沉積,形成體缺陷.

晶體中的雜質(zhì)

實(shí)踐表明,極微量的雜質(zhì)和缺陷,能夠?qū)Π雽?dǎo)體材料的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生決定性的影響.

施主雜質(zhì)

向硅中摻入磷,磷原子占據(jù)了硅原子的位置,其結(jié)果是形成一個(gè)正電中心和一個(gè)多余的價(jià)電子.這種雜質(zhì),我們稱它為施主雜質(zhì)或n型雜質(zhì).

受主雜質(zhì)

向硅中摻如硼,硼原子占據(jù)了硅原子的位置,其結(jié)果是形成一個(gè)負(fù)電中心和一個(gè)多余的空位.這種雜質(zhì),我們稱它為受主雜質(zhì)或p型雜質(zhì).

現(xiàn)今,300mm的wafer技術(shù)已經(jīng)成熟,隨著直徑的增大,其制造難度也相應(yīng)提高.

生長(zhǎng)單晶硅

目前制備單晶硅的主要方法有柴氏拉晶法(即CZ法)和懸浮區(qū)熔法,85%以上的單晶硅是采用CZ法生長(zhǎng)出來(lái)的.

單晶爐

單晶爐可分為四個(gè)部分:爐體、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、加熱溫控系統(tǒng)以及氣體傳送系統(tǒng).

爐體包括了爐腔、籽晶軸、石英坩堝、摻雜勺、籽晶罩、觀察窗幾個(gè)部分.爐腔是為了保證爐內(nèi)溫度均勻分布以及很好的散熱;籽晶軸的作用是帶動(dòng)籽晶上下移動(dòng)和旋轉(zhuǎn);摻雜勺內(nèi)放有需要摻入的雜質(zhì);籽晶罩是為了保護(hù)籽晶不受污染.

機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)主要是控制籽晶和坩堝的運(yùn)動(dòng).為了保證Si溶液不被氧化,對(duì)爐內(nèi)的真空度要求很高,一般在5Torr以上,加入的惰性氣體純度需在99.9999%以上.

生長(zhǎng)過(guò)程

(1)準(zhǔn)備工作

多晶硅的純度要很高,還要用氫氟酸對(duì)其進(jìn)行拋光達(dá)到清洗的目的;籽晶上的缺陷會(huì)"遺傳"給新生長(zhǎng)的晶體,所以在選擇籽晶時(shí)要注意避開(kāi)缺陷;籽晶的晶向和所要生長(zhǎng)的晶體相同;籽晶要經(jīng)過(guò)清洗;根據(jù)待生長(zhǎng)晶體的導(dǎo)電類型選擇要摻入的雜質(zhì);清洗雜質(zhì);所有經(jīng)過(guò)清洗的材料用高純度的去離子水沖洗至中性,然后烘干,以備后用.

(2)裝爐

將經(jīng)過(guò)粉碎的多晶硅裝入石英坩堝內(nèi);把籽晶夾到籽晶軸的夾頭上,蓋好籽晶罩;將爐內(nèi)抽為真空并沖入惰性氣體;檢測(cè)爐體的漏氣率是否合格.

(3)加熱熔硅

真空度符合要求,充滿惰性氣體就開(kāi)始加熱.一般是用高頻線圈或電流加熱器來(lái)加熱的,后者常用于大直徑硅棒的拉制.在1420℃的溫度下把多晶和摻雜物加熱到熔融狀態(tài).

(4)拉晶

拉晶過(guò)程分為以下五個(gè)步驟.

引晶,也叫下種.先將溫度下降到比1420℃稍低一些的溫度,將籽晶下降至距液面幾毫米處,對(duì)籽晶進(jìn)行2~3min的預(yù)熱,使熔融硅與籽晶間溫度平衡.預(yù)熱后,使籽晶與熔融硅液面接觸,引晶完成.

縮頸,引晶結(jié)束后,溫度上升,籽晶旋轉(zhuǎn)上拉出一段直徑為0.5~0.7cm的新單晶,這段單晶的直徑比籽晶細(xì).縮頸的目的是為了消除籽晶原有的缺陷或引晶時(shí)由于溫度變化引起的新生缺陷.縮頸時(shí)的拉速較快一些,但不宜過(guò)快.拉速過(guò)大或直徑變化太大都容易導(dǎo)致生成多晶.

放肩,縮頸后放慢速度、降低溫度,讓晶體長(zhǎng)大至所需直徑.

等徑生長(zhǎng),在放肩完成前緩慢升溫,放肩結(jié)束,保持直徑生長(zhǎng)單晶.生長(zhǎng)過(guò)程中,拉速和溫度都要盡可能的穩(wěn)定,以保證單晶的均勻生長(zhǎng).

收尾,單晶生長(zhǎng)接近結(jié)束時(shí),適當(dāng)升高溫度,提高拉速,慢慢減小晶棒直徑,拉出一個(gè)錐形的尾部.其目的是為了避免晶棒離開(kāi)熔融液時(shí)急速降溫而產(chǎn)生的缺陷向上延伸.

單晶硅性能測(cè)試

生長(zhǎng)好的單晶硅需要經(jīng)過(guò)測(cè)試來(lái)衡量各項(xiàng)參數(shù)是否符合要求.

物理性能的測(cè)試

外觀檢驗(yàn)

晶向檢驗(yàn)

測(cè)量直徑

缺陷檢驗(yàn)

電氣參數(shù)測(cè)試

導(dǎo)電類型的測(cè)試

非平衡載流子的測(cè)試

電阻率的測(cè)試

半導(dǎo)體材料有哪些

半導(dǎo)體材料很多，按化學(xué)成分可分為元素半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體兩大類。鍺和硅是最常用的元素半導(dǎo)體;化合物半導(dǎo)體包括第Ⅲ和第Ⅴ族化合物（砷化鎵、磷化鎵等）、第Ⅱ和第Ⅵ族化合物（ 硫化鎘、硫化鋅等）、氧化物（錳、鉻、鐵、銅的氧化物），以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物組成的固溶體（鎵鋁砷、鎵砷磷等）。除上述晶態(tài)半導(dǎo)體外，還有非晶態(tài)的玻璃半導(dǎo)體、有機(jī)半導(dǎo)體等。

半導(dǎo)體的分類，按照其制造技術(shù)可以分為：集成電路器件，分立器件、光電半導(dǎo)體、邏輯IC、模擬IC、儲(chǔ)存器等大類，一般來(lái)說(shuō)這些還會(huì)被分成小類。此外還有以應(yīng)用領(lǐng)域、設(shè)計(jì)方法等進(jìn)行分類，雖然不常用，但還是按照IC、LSI、VLSI（超大LSI）及其規(guī)模進(jìn)行分類的方法。此外，還有按照其所處理的信號(hào)，可以分成模擬、數(shù)字、模擬數(shù)字混成及功能進(jìn)行分類的方法。

常見(jiàn)的半導(dǎo)體材料特點(diǎn)

常見(jiàn)的半導(dǎo)體材料有硅（si）、鍺（ge），化合物半導(dǎo)體，如砷化鎵（gaas）等;摻雜或制成其它化合物半導(dǎo)體材料，如硼（b）、磷（p）、錮（in）和銻（sb）等。其中硅是最常用的一種半導(dǎo)體材料。

有以下共同特點(diǎn)：

1．半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間

2．半導(dǎo)體受外界光和熱的刺激時(shí)，其導(dǎo)電能力將會(huì)有顯著變化。

3．在純凈半導(dǎo)體中，加入微量的雜質(zhì)，其導(dǎo)電能力會(huì)急劇增強(qiáng)。

半導(dǎo)體材料可按化學(xué)組成來(lái)分，再將結(jié)構(gòu)與性能比較特殊的非晶態(tài)與液態(tài)半導(dǎo)體單獨(dú)列為一類。按照這樣分類方法可將半導(dǎo)體材料分為元素半導(dǎo)體、無(wú)機(jī)化合物半導(dǎo)體、有機(jī)化合物半導(dǎo)體和非晶態(tài)與液態(tài)半導(dǎo)體。

有機(jī)半導(dǎo)體是一種塑料材料，其擁有的特殊結(jié)構(gòu)讓其具有導(dǎo)電性。在現(xiàn)代電子設(shè)備中，電路使用晶體管控制不同區(qū)域之間的電流。科學(xué)家們對(duì)新的有機(jī)半導(dǎo)體材料進(jìn)行了研究并探索了其結(jié)構(gòu)與電學(xué)屬性之間的關(guān)系。

以上是半導(dǎo)體材料的介紹，有更多半導(dǎo)體材料測(cè)試需求請(qǐng)聯(lián)系鑠思百檢測(cè)。