简答题。 1简述半导体材料的概念,特征及发展历史,并分别表明代表性的材料 答:(1)概念:电阻率位于导体和半导体之间的材料为半导体材料。 (2)特征:①电阻率大体在10-3-1099,cm范围②电阻率的温度系数是负的③通常具有很高的热电势④具有整流 效应⑤对光具有敏感性,能产生光伏效应或光电导效应⑥掺杂可以提高导电能力 (3)历史:第一代:硅;第二代:GaAs第三代:GaN 2杂质条纹,组分过冷,硅单晶质量检测的要求 答:(1)杂质条纹:晶体中杂质浓度的起伏 (2)组分过冷:因组分变化而产生的过冷现象。 (3)要求:晶体的外形·尺寸·晶向·导电类型·电阻率·非平衡载流子的寿命·晶体完整性(主要是位错密度)等。 3.简述晶体生长的三种方式:均匀成核与非均匀成核;简述晶体长大的三种动力学模型及其要点;光滑面与粗糙 面的定义。 答:(1)三种方式:固相生长·液相生长·气相生长 2)均匀成核:在一定的过饱和度·过冷度的条件下,由体系中直接形成的晶核 非均匀成核:在体系中存在外来质点(尘埃·固体颗粒·籽晶等),在外来质点上成核 (3)三种动力学模型及要点:完整突变光滑面生长模型;要点:一个中性原子在晶格上的稳定性是由其受周围原 子的作用力大小决定的,晶格表面上不同格点位置所受的吸引力是不相同的 非完整突变光滑面模型:要点:在生长晶面上,螺旋位错露头点可作为晶体生长的台阶源,当生长基元扩散到台阶 处,台阶边向前推进,晶体就生长了。 杰克逊界面平衡结构理论;要点 4.乌尔夫理论的定义与原理;自然对流与强迫对流的概念:简述硅锗单晶的生长方法及定义。 答:(1)原理:一定体积的晶体,其平衡性状应是总面积能为最小的形状。 (2)自然对流:在重力场中,以流体密度的差异产生的浮力为驱动力,浮力克服了粘滞力而形成的对流。 强迫对流:在直拉单晶中是通过晶体和坩埚旋转来完成的,这种用人为的方法造成的熔体的流动。 (3)硅单晶生长方法:直拉法与悬浮区熔法。锗单晶:直拉法 直拉法:该法是在直拉单晶炉内,向盛有熔硅(锗〕坩埚中,引入籽晶作为非均匀晶核,然后控制热场,将籽晶旋 转并缓慢向上提拉单晶便在籽晶下按籽晶的方向长大 区熔法 5.简述硅·锗的杂质的分类;简述杂质对材料性能的影响的几个方面:小平面效应。 答:(1)杂质的分类第一类:周期表中Ⅲ族或Ⅴ族杂质。第二类:I副族和过渡金属元素 (2)影响:①杂质对材料导电类型的影响②杂志对材料电阻率的影响③杂志对非平衡载流子的影响 (3)小平面效应:小平面区杂质浓度与非小平面区有很大差异,这种杂质在小平面区域中分布异常的现象 6指出高纯硅的制备方法,并说明具体步骤;简述高纯锗的制取方法。 答:(1)①三氯氢硅氢还原法:三氯氢硅的制备Si+3HCL= Sicl3+H2·三氯氢硅的提纯·三氯氢硅氢还原 Sicl3+2 -Si+3HCL ②硅烷法:硅烷的制备Mg2Si4NH4CL=SiH4-2MgCL2硅烷的提纯·硅烷的热分解 (2)锗的制取:GeCL4的制备GeCL4提纯GeCL4的水解GeO2氢还原 7回答以下概念:1)分凝现象:;2)区熔提纯3)BPS公式的物理意义及表达式,并分别说明各符号的意义:4)正 常凝固及正常凝固后锭条中杂质分布的三种情况。 答,1)分凝现象:将含有杂质的晶态物质熔化后再结晶时,杂质在结晶的固体和未结晶的液体中浓度是不同的这种现 象叫分凝现象。 2)区熔提纯:利用分凝现象将物料局部熔化形成狭窄的熔区,并令其沿锭长从一端缓慢的移动到另一端,重复多次 使杂质尽量被集中在尾部或头部,进而达到使中部材料被提纯的技术 3)BPS的物理意义:给出了平衡分凝系数Ko与有效分凝系数Keff的关系 keff (1-ko) d+ko
一．简答题。 1.简述半导体材料的概念，特征及发展历史，并分别表明代表性的材料。 答：（1）概念：电阻率位于导体和半导体之间的材料为半导体材料。 （2）特征：①电阻率大体在 10-3---109Ω.cm 范围②电阻率的温度系数是负的③通常具有很高的热电势④具有整流 效应⑤对光具有敏感性，能产生光伏效应或光电导效应⑥掺杂可以提高导电能力 (3)历史：第一代：硅；第二代：GaAs;第三代：GaN 2.杂质条纹，组分过冷，硅单晶质量检测的要求。 答：（1）杂质条纹：晶体中杂质浓度的起伏。 （2）组分过冷：因组分变化而产生的过冷现象。 （3）要求：晶体的外形·尺寸·晶向·导电类型·电阻率·非平衡载流子的寿命·晶体完整性（主要是位错密度）等。 3．简述晶体生长的三种方式；均匀成核与非均匀成核；简述晶体长大的三种动力学模型及其要点；光滑面与粗糙 面的定义。 答：（1）三种方式：固相生长·液相生长·气相生长 （2）均匀成核：在一定的过饱和度·过冷度的条件下，由体系中直接形成的晶核。 非均匀成核：在体系中存在外来质点（尘埃·固体颗粒·籽晶等），在外来质点上成核。 （3）三种动力学模型及要点：完整突变光滑面生长模型；要点：一个中性原子在晶格上的稳定性是由其受周围原 子的作用力大小决定的，晶格表面上不同格点位置所受的吸引力是不相同的。 非完整突变光滑面模型；要点：在生长晶面上，螺旋位错露头点可作为晶体生长的台阶源，当生长基元扩散到台阶 处，台阶边向前推进，晶体就生长了。 杰克逊界面平衡结构理论；要点： 4.乌尔夫理论的定义与原理；自然对流与强迫对流的概念；简述硅锗单晶的生长方法及定义。 答：（1）原理：一定体积的晶体，其平衡性状应是总面积能为最小的形状。 （2）自然对流：在重力场中，以流体密度的差异产生的浮力为驱动力，浮力克服了粘滞力而形成的对流。 强迫对流：在直拉单晶中是通过晶体和坩埚旋转来完成的，这种用人为的方法造成的熔体的流动。 （3）硅单晶生长方法：直拉法与悬浮区熔法。锗单晶：直拉法。 直拉法：该法是在直拉单晶炉内，向盛有熔硅（锗）坩埚中，引入籽晶作为非均匀晶核，然后控制热场，将籽晶旋 转并缓慢向上提拉单晶便在籽晶下按籽晶的方向长大。 区熔法： 5．简述硅·锗的杂质的分类；简述杂质对材料性能的影响的几个方面：小平面效应。 答：(1)杂质的分类:第一类：周期表中 III 族或 V 族杂质。第二类：I 副族和过渡金属元素 （2）影响：①杂质对材料导电类型的影响②杂志对材料电阻率的影响③杂志对非平衡载流子的影响. （3）小平面效应：小平面区杂质浓度与非小平面区有很大差异，这种杂质在小平面区域中分布异常的现象 6.指出高纯硅的制备方法，并说明具体步骤；简述高纯锗的制取方法。 答：（1）①三氯氢硅氢还原法：三氯氢硅的制备 Si+3HCL≒SiHCL3+H2·三氯氢硅的提纯·三氯氢硅氢还原 SiHCL3+H2 ——Si+3HCL ②硅烷法:硅烷的制备 Mg2Si+4NH4CL=SiH4+2MgCL2 硅烷的提纯·硅烷的热分解 （2）锗的制取：GeCL4 的制备 GeCL4 提纯 GeCL4 的水解 GeO2 氢还原 7.回答以下概念：1）分凝现象；2）区熔提纯 3)BPS 公式的物理意义及表达式，并分别说明各符号的意义；4）正 常凝固及正常凝固后锭条中杂质分布的三种情况。 答;1)分凝现象：将含有杂质的晶态物质熔化后再结晶时，杂质在结晶的固体和未结晶的液体中浓度是不同的这种现 象叫分凝现象。 2)区熔提纯：利用分凝现象将物料局部熔化形成狭窄的熔区，并令其沿锭长从一端缓慢的移动到另一端，重复多次 使杂质尽量被集中在尾部或头部，进而达到使中部材料被提纯的技术。 3）BPS 的物理意义：给出了平衡分凝系数 Ko 与有效分凝系数 Keff 的关系 0 0 0 (1 k )e k k keff D f − + = −
固液界面移动速度f·扩散层厚度δ和扩散系数 4)正常凝固:将一材料锭条全部熔化后,使其从一端向另一端逐渐凝固,这样的凝固方式叫正常凝固 三种情况:①对于K1的杂质,其浓度越接近头部越大,向头部集中。 ③对于K≈1的杂质,基本保持原有的均匀分布方式。 8外延生长的概念·实质·分类;简述硅外延层的缺陷 答:1)概念:在一定条件下,在经过切磨抛仔细加工的单晶衬底上,生长一层合乎要求的单晶层的方法。 实质:薄层单晶材料生长技术 分类:根据外延层的性质分为同质外延和异质外延;由制作方式不同可分为正外延和反外延;由外延生长方法看分 为直接外延和间接外延:根据向衬底输运外延材料的原子的方法不同又分为真空外延·气相外延·液相外延:按相 变过程分为气相外延·液相外延·固相外延 2)缺陷:第一类:表面缺陷,如云雾状表面,角锥体,亮点,塌边,划痕,星形线:第二类:内部结构缺陷或微 缺陷,层错·位错。 二.论述题 1.论述半导体单晶材料中位错的来源:论述直拉工艺中降低氧含量的措施;论述位错对材料和器件性能的影响;论 述拉制无位错单晶的工艺。 答:1)位错来源:①位错遗传②应力引入 2)措施:①设计合理热场避免熔体过热②减少原料中的氧含量③控制晶体直径④防止拉晶中途回熔⑤适当降低籽 晶转速⑥在真空下拉晶⑦采用偏心拉晶 3)位错对半导体材料的影响:①位错对载流子浓度的影响:影响不大②位错对迁移率和电导率的影响:平行于位 错线的方向上电导增强,垂直于位错线方向时则减弱③位错对载流子寿命的影响:设载流子的浓度为ND,当ND 低于103cm-2时,随ND减少而降低;当ND在103~104cm-2时,又最长的寿命值。当ND大于104cm 2时,寿命随着ND的增加而降低 位错对半导体器件的影响:①金属杂质极容易在位错上沉淀,破坏PN结的反向特性。②在应力作用下,位错出现 增强扩散。③位错引起噪声增加 4)拉制无位错单晶工艺:①正确选择籽晶晶向和制备籽晶、②采用合适的拉晶工艺 2.论述半导体超晶格的概念和实质及分类,并分别解释各类别:量子阱的概念:论述能带工程的概念及分类,并分 别解释各类别:气相外延生长GaAs的三种方法及原理。 答:1)①超晶格的概念:由两种不同材料交替生长而成的多层异质结构晶体。②实质:它是利用超薄层生长技术 制备的一种新型的人工材料。③分类:组分超晶格:在超晶格材料的一个重复的单元是由两种不同材料的薄层构成 掺杂超晶格:在同一材料中,用交替改变掺杂类型的方法获得的一种新的周期性结构半导体材料、多维超晶格:把 载流子限制在低维空间中后形成的半导体材料、应变超晶格:晶格失配度较大材料体系的超晶格。 2)①能带工程的概念:半导体光电子器件的发展和性能的提高与半导体材料的几何空间的设计和制备十分不开的 通常把这种设计称为能带工程。②分类:带隙工程:将不同带隙材料在量子尺寸内人工进行异质·匹配,有序生长 成新的结构材料、带结枃工程:通过量子阱超晶格材料的设计和生长,实现能带的人工改变、带偏移工程:由两种 材料组成的量子阱,超晶格的导带和价带具有不连续的特性。 3)气相外延生长GaAs的三种方法及原理:①卤化物法 a galAsCL/H2体系气相外延:4AsCl3+6H2=As4+12HCl 4Ga+xAs4=4GaAsx(x<1), 2Ga+2HCI=2GaCI+H2, GaAs+HCI=GaCI+1/4As4+ 1/2H2, 6GaCI+As4=GaAs+2GaCl 4GaCH+As4+2H2=4GaAs+4HCl②氢化物法Ga(D)+HCl=GaCl(g)+1/2H2(g),AsHB3=1/A4(g)+3/2H2(g), GaCg)+/4As4(g)+/2H2(g)=GaAs(s)+HCl(g)、③金属有机气相外延Ga(CH3)3(g)+AsH3(g)=GaA(s)+3CH4g) 3.论述直拉法工艺的定义、工艺流程、需控制的参数、特点;论述在直拉法中杂质的掺入方法以及单晶中杂质均匀 分布的控制方法 答:1)①直拉法工艺的定义:该法是在直拉单晶炉内,向盛有熔硅(锗)坩埚中,引入籽晶作为非均匀晶核,然 后控制热场,将籽晶旋转并缓慢向上提拉单晶便在籽晶下按籽晶的方向长大。②工艺流程:炉体、籽晶、硅多晶
固液界面移动速度 f·扩散层厚度和扩散系数 4）正常凝固：将一材料锭条全部熔化后，使其从一端向另一端逐渐凝固，这样的凝固方式叫正常凝固 三种情况：①对于 K1 的杂质，其浓度越接近头部越大，向头部集中。 ③对于 K1 的杂质，基本保持原有的均匀分布方式。 8.外延生长的概念·实质·分类；简述硅外延层的缺陷。 答：1）概念：在一定条件下，在经过切磨抛仔细加工的单晶衬底上，生长一层合乎要求的单晶层的方法。 实质：薄层单晶材料生长技术 分类：根据外延层的性质分为同质外延和异质外延；由制作方式不同可分为正外延和反外延；由外延生长方法看分 为直接外延和间接外延；根据向衬底输运外延材料的原子的方法不同又分为真空外延·气相外延·液相外延；按相 变过程分为气相外延·液相外延·固相外延 2）缺陷：第一类：表面缺陷，如云雾状表面，角锥体，亮点，塌边，划痕，星形线；第二类：内部结构缺陷或微 缺陷，层错·位错。 二．论述题。 1.论述半导体单晶材料中位错的来源；论述直拉工艺中降低氧含量的措施；论述位错对材料和器件性能的影响；论 述拉制无位错单晶的工艺。 答：1）位错来源：①位错遗传②应力引入 2）措施：①设计合理热场避免熔体过热②减少原料中的氧含量③控制晶体直径④防止拉晶中途回熔⑤适当降低籽 晶转速⑥在真空下拉晶⑦采用偏心拉晶 3）位错对半导体材料的影响：①位错对载流子浓度的影响：影响不大②位错对迁移率和电导率的影响：平行于位 错线的方向上电导增强，垂直于位错线方向时则减弱③位错对载流子寿命的影响：设载流子的浓度为 ND，当 ND 低于 103cm－2 时， 随 ND 减少而降低; 当 ND 在 103～104 cm－2 时，又最长的寿命值。当 ND 大于 104 cm －2 时，寿命随着 ND 的增加而降低。 位错对半导体器件的影响：①金属杂质极容易在位错上沉淀，破坏 PN 结的反向特性。②在应力作用下，位错出现 增强扩散。③位错引起噪声增加。 4）拉制无位错单晶工艺：①正确选择籽晶晶向和制备籽晶、②采用合适的拉晶工艺。 2.论述半导体超晶格的概念和实质及分类，并分别解释各类别；量子阱的概念；论述能带工程的概念及分类，并分 别解释各类别；气相外延生长 GaAs 的三种方法及原理。 答：1）①超晶格的概念：由两种不同材料交替生长而成的多层异质结构晶体。②实质：它是利用超薄层生长技术 制备的一种新型的人工材料。③分类：组分超晶格：在超晶格材料的一个重复的单元是由两种不同材料的薄层构成、 掺杂超晶格：在同一材料中，用交替改变掺杂类型的方法获得的一种新的周期性结构半导体材料、多维超晶格：把 载流子限制在低维空间中后形成的半导体材料、应变超晶格：晶格失配度较大材料体系的超晶格。 2）①能带工程的概念：半导体光电子器件的发展和性能的提高与半导体材料的几何空间的设计和制备十分不开的 通常把这种设计称为能带工程。②分类：带隙工程：将不同带隙材料在量子尺寸内人工进行异质·匹配，有序生长 成新的结构材料、带结构工程：通过量子阱超晶格材料的设计和生长，实现能带的人工改变、带偏移工程：由两种 材料组成的量子阱，超晶格的导带和价带具有不连续的特性。 3）气相外延生长 GaAs 的三种方法及原理：①卤化物法 a.Ga/AsCL3/H2 体系气相外延：4AsCl3+6H2=As4+12HCl， 4Ga+xAs4=4GaAsx(x<1)，2Ga+2HCl=2GaCl+H2，GaAs+HCl=GaCl+1/4As4+1/2H2，6GaCl+As4=GaAs+2GaCl， 4GaCl+As4+2H2=4GaAs+4HCl ②氢化物法 Ga(l)+HCl=GaCl(g)+1/2H2(g)，AsH3=1/4As4(g)+3/2H2(g)， GaCl(g)+1/4As4(g)+1/2H2(g)=GaAs(s)+HCl(g)、③金属有机气相外延 Ga(CH3)3(g)+AsH3(g)=GaAs(s)+3CH4(g) 3.论述直拉法工艺的定义、工艺流程、需控制的参数、特点；论述在直拉法中杂质的掺入方法以及单晶中杂质均匀 分布的控制方法。 答：1）①直拉法工艺的定义：该法是在直拉单晶炉内，向盛有熔硅（锗）坩埚中，引入籽晶作为非均匀晶核，然 后控制热场，将籽晶旋转并缓慢向上提拉单晶便在籽晶下按籽晶的方向长大。②工艺流程：炉体、籽晶、硅多晶
掺杂剂、石英坩埚——清洁处理—装炉——抽真空 加热熔化——单晶生长(润晶、缩颈、放肩、等径生 长、拉光)——降温出炉——性能测试③控制的参数:拉速和加热功率④特点:生产规模大、自动化生产、单晶质 量高 2)杂质掺入的方法:共熔法:纯材料与杂质一起放入坩锅熔化。投杂法:向已熔化的材料中加入杂质 控制方法:①.直拉法单晶纵向电阻率均匀性的控制,变速拉晶法:先用大拉速,再用小拉速:双坩锅法(连通坩 锅法,浮置坩锅法)②.径向电阻率均匀性的控制:固液界面的平坦度的影响,小平面效应的影响
掺杂剂、石英坩埚——清洁处理–––––装炉——抽真空———加热熔化——单晶生长（润晶、缩颈、放肩、等径生 长、拉光）——降温出炉——性能测试③控制的参数：拉速和加热功率④特点：生产规模大、自动化生产、单晶质 量高 2）杂质掺入的方法：共熔法：纯材料与杂质一起放入坩锅熔化。投杂法：向已熔化的材料中加入杂质 控制方法：①.直拉法单晶纵向电阻率均匀性的控制，变速拉晶法：先用大拉速，再用小拉速；双坩锅法（连通坩 锅法，浮置坩锅法）②. 径向电阻率均匀性的控制：固液界面的平坦度的影响，小平面效应的影响