• 从组成和状态分
无机半导体,有机半导体,元素半导体,化合物半导体
第一章 硅和锗的化学制备
1-1 硅和锗的物理化学性质
一
物理性质比较
性质
位置
Si
Ⅳ族
Ge
Ⅳ族
原子序数
颜色 介电常数ε 禁带宽度(室温) 本征电阻率（.cm） 电子迁移率(cm2/V.s) 空穴迁移率(cm2/V.s)
14
银白色金属光泽 11.7 1.1eV 2.3105 1350 480
1-2 高纯硅的制备
粗硅(工业硅)的生产
绪论
• 根据物质的导电性,物质可以分为哪几种? • 集成电路中主要研究的是哪种?原因是什么?
一 半导体的主要特征
⒈ 电阻率ρ : 10-3---109Ω .cm 导体＜10-3 Ω .cm 绝缘体＞109 Ω .cm 2.负温度系数 T升高,电阻率减小,导电能力增强 导体怎样? T升高,电阻率增大,导电能力减弱 3.具有高热电势 4.整流效应 5.光敏特性 6.掺杂可以提高导电能力
常温下 不与水反应 只与HF,强碱反应
化学性质:十分稳定
除去硅片 上的SiO2
SiO2+4HF=SiF4+2H2O SiO2+2NaOH=Na2SiO3+2H2O
四 硅烷 (SiH4) 锗烷(GeH4)
• 活性高,空气中能自燃,-190℃下可发生爆炸
硅烷的制备
硅(锗)镁合金+无机酸(卤铵盐) Mg2Si+4HCL→SiH4+2MgCL2 Mg2Si+4NH4CL→SiH4+4NH3+2MgCL2
• 52年，H.WELKER发现三、五族化合物具有半导体性质。这 类化合物电子迁移率高、禁带宽度大，能带结构是直接跃 迁，呈现负阻效应。但是当年，由于这些化合物中存在挥 发元素，制备困难。 • 多元半导体化合物制备技术的发展：
– 晶体生长方面，五十年代末，水平布里奇曼法、温度梯度法、磁耦 合提拉法生长GaAs、InP单晶。65年,J.B.MULLIN，氧化硼液封直拉 法，在压力室中制取GaAs单晶，为工业化生长三、五族化合物单晶 打下了基础。 – 薄膜制备技术方面：63年，H.NELSON，LPE方法生长GaAs外延层， 半导体激光器。其后，VPE生长三、五化合物，外延生长技术应用 到器件制作中去。
• • • • ••
Si+O2 = SiO2 Si+H2O=SiO2+H2 Si+2CL2=SiCL4 Si+3HCL=SiHCL3＋H2 Ge+2CL2=GeCL4 GeO2+4HCL=GeCL4+2H2O
熟悉吗？
可逆反应
三 二氧化硅的物理化学性质
物理性质
坚硬,脆性,难熔,无色固体 晶体(石英,水晶) 存在形式 无定形(硅石,石英砂)
半导体材料
杨树人 王宗昌 王兢 编著
课程成绩
• 40%：平时成绩（作业、出勤、课上表现、 笔记） • 60%：期末考试 • 考试内容以课本，上课ppt，作业为主
参考书目:
• 《半导体材料》王季陶 刘明登主编 高教出 版社 • 《半导体材料浅释》万群 化学工业出版社 • 《半导体材料》邓志杰 郑安生 化学工业出 版社
• 根据材料的重要性和开发成功的先后顺序,半导体 材料可以分为三代
第一代半导体材料----硅(Si)
• 作为第一代半导体材料,硅基半导体材料及 其集成电路的发展导致了微型计算机的出现 和整个计算机产业的飞跃. • 半导体中的大部分器件都是以硅为基础的
第二代半导体材料---砷化镓(GaAs)
• 硅基半导体材料虽然在微电子领域得到广泛应用,但 硅材料本身间接能带结构的特点限制了其在光电子 领域的应用。
• GaAs相比硅和锗,有很多优异特性, 如电子迁移率 高,禁带宽度大,直接跃迁型能带结构,负阻效应.
• 随着以光通信为基础的信息高速公路的崛起和社会 信息化的发展,第二代半导体材料崭露头角,砷化镓 和磷化铟(InP)半导体激光器成为光通信系统中的关 键元器件。
第三代半导体材料---氮化镓(GaN)
28
灰色 16.3 0.67eV 46 3900 1900
二
• 室温下
化学性质
稳定,与空气,水,硫酸(H2SO4),硝酸(HNO3) 不反应 但是,与氟,氢氟酸,强碱 反应
• 高温下
反应
活性大,与O2 ,水,卤族(第七族),卤化氢,碳….
– 与酸的反应(对多数酸来说硅比锗更稳定) – 与碱的反应（硅比锗更容易与碱起反应）
与O2反应: SiH4+2O2 →SiO2+2H2O 与水反应: SiH4+ 4H2O →Si(OH)4+2H2 与碱反应: SiH4+ 2Na(OH)+H2O →Na2SiO3+2H2O 与卤素反应: SiH4+4CL2 →SiCL4+4HCL 如何检测硅烷的存 不稳定性 : SiH4= Si ↓ + 2H2可用于制备 在? 高纯度的硅和锗 GeH4= Ge ↓ + 2H2 还原性: SiH4+2KMnO4 →2MnO2↓+K2SiO3+H2O+H2↑
• 第三代半导体材料的兴起,是以氮化镓材料P－型掺 杂的突破为起点,以高效率蓝绿光发光二极管和蓝 光半导体激光器的研制成功为标志的。 • 它将在光显示、光存储、光照明等领域有广阔的应 用前景。 • 在未来10年里,氮化镓材料将成为市场增幅最快的 半导体材料。
三 半导体材料的分类
• 从功能用途分
光电材料,热电材料,微波材料,敏感材料
二 半导体材料的发展
• 对于半导体材料的电现象的认识，自十 八世纪以来就有了，但是真正巨大的发 展却是半个世纪以来的事，两种重要力 量推动了这个进程：
– 应用的需求(应用范围,器件需求) – 制备技术和实验技术的提高(MBE,MOCVD等)
• 1950年，G.K.Teal、J.B.Little直拉法锗单晶 • 1952年，W.G.Pfann区熔提纯技术高纯锗、 G.K.Teal直拉法硅单晶，P.H.Keck悬浮区熔技 术，提高硅的纯度 • 1955年，SIMENS在硅芯发热体上用氢还原三氯 化硅法制得高纯硅。 • 1957年，工业化生产。 • 1958年，W.C.DASH无位错硅单晶，为工业化大 生产硅集成电路作好了准备。 • 六十年代初，外延生长锗、硅薄膜工艺，与硅 的其它显微加工技术相结合，形成了硅平面器 件工艺。