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第四章 硅 /锗晶体中的杂质和缺陷
2
杂质的分类
Ⅲ 族杂质
Ⅴ 族杂质一、杂质能级浅能级杂质深能级杂质对材料电阻率影响大起复合中心或陷阱作用
3
二、杂质对材料性能的影响
1.杂质对材料导电类型的影响掺杂一种杂质掺杂两种杂质
2.杂质对材料电阻率的影响
3.杂质对非平衡载流子寿命的影响降低了载流子的寿命
4
三、硅锗晶体的掺杂
半导体的 电学参数通过掺杂来控制 的，拉单晶的过程时就掺入杂质。
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不易挥发的材料易挥发的材料
5
单晶生长时，
杂质分布不均匀会造成 横向和纵向电阻率不均匀
1.直拉法单晶 纵向 电阻率均匀性的控制电阻率均匀性 是半导体材料质量的一个指标
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）（ P80）
一、直拉法生长单晶的电阻率的控制
6
2,径向 电阻率均匀性的控制
固液界面的平坦度为了获得径向电阻率均匀的单晶，必须调平固液界面。
采用的方法有,
A：调整晶体生长热系统,使热场的径向温度梯度变小
B,调节拉晶运行参数，例如 对凸向熔体的界面，增加拉速；对凹向熔体的界面，降低拉速
C：调整晶体或者坩锅的转速增加晶体转动速度，界面由凸变凹增加坩锅转动速度，界面由凹变凸
D：增大坩锅内径与晶体直径的比值,一般坩锅内径：晶体直径＝ 3～ 2.5,1
7
晶体生长的固液界面，由于受坩锅中熔体等温线的限制，常常是弯曲的。如果在晶体生长时迅速提起晶体，在原子密排面的固液界面会出现一小片平整的平面，称之为 小平面。
小平面效应
在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分布异常的现象叫 小平面效应。
由于小平面效应，小平面区域的电阻率会降低。 为了消除小平面效应带来的径向电阻率不均匀性,需将固液界面调平。
8
二、水平区熔拉晶时杂质的控制
（区域匀平法）
在用水平区熔法生长单晶时的掺杂，是把 杂质放在籽晶与料锭之间,随着熔区的移动使杂质分布在整个晶锭中。
利用这种方法可以得到比较均匀的电阻率分布，因此又称为 区域匀平法。
9
根据 导电类型和电阻率的要求 选择掺杂元素
轻掺杂（ 1014～ 1016，在功率整流级单晶）、中掺杂（ 1016～ 1019，晶体管级单晶）、重掺杂
（大于 1019外延衬底级单晶）
根据杂质 元素在硅、锗中的溶解度 选择固溶度是指杂质在一定温度下能溶入固体硅中的最大浓度。
三、五族元素在硅中的固溶度较大 。
杂质原子半径越大,特征原子构型与锗、硅的越不同,它们在锗、硅中的固溶度越小 。
根据 分凝系数 选择
分凝系数远离 1的杂质难于进行重掺杂掺杂元素的选择标准
10
根据杂质在晶体中的 扩散系数 选择
在高温工艺中，如扩散、外延，掺杂元素的扩散系数小些好
快扩散杂质,H,Li,Na,Cu,Fe,K,Au,He,Ag,Si
慢扩散杂质,Al,P,B,Ca,Ti,Sb,As
根据 杂质元素的蒸发常数 选择
快蒸发杂质的掺杂不宜在真空而应在保护性气氛下进行
尽量 选择与锗、硅原子半径近似的杂质 元素作为掺杂剂，以保证晶体生长的完整性
11
晶体中常见的缺陷种类
点缺陷
线缺陷位错
面缺陷
体缺陷
微缺陷四、硅锗单晶中的位错
12
点缺陷
杂质点缺陷来源：制备过程中或环境中杂质沾污或掺杂，
间隙替 位
热点缺陷弗伦克尔缺陷肖特基缺陷来源：与温度直接相关
13
1,刃型位错 (棱位错 )
特点,位错线垂直滑移方向
2.螺位错,
特点,位错线平行滑移方向线缺陷：位错的基本类型
14
位错产生的原因
籽晶体内原有位错
籽晶表面损伤
由于外界的振动、外加应力、热起伏等而使籽晶或单晶中位错倍增。
固液交界面过冷
15
位错对器件性能的影响位错对半导体材料的影响（ P93）
（ 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,（图 4－ 11）
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。
16
位错同杂质沉淀相结合使 P-N结反向性能劣化纯净位错并不对 P-N结造成可觉察的坏影响但 位错处易导致重金属杂质沾污位错的存在易造成 P-N结贯通杂质在位错线附近扩散快，因此在晶体管中，扩散发射区时，
局部穿透了基区,形成 C-E穿通。
（器件课本 P20）
位错引起噪声增加位错线附近载流子的产生与复合，引起电导率的局部涨落，使有位错的单晶器件的噪声电压明显地高于无位错单晶器件 。
位错对半导体器件的影响（ P95）
第四章 硅 /锗晶体中的杂质和缺陷
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杂质的分类
Ⅲ 族杂质
Ⅴ 族杂质一、杂质能级浅能级杂质深能级杂质对材料电阻率影响大起复合中心或陷阱作用
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二、杂质对材料性能的影响
1.杂质对材料导电类型的影响掺杂一种杂质掺杂两种杂质
2.杂质对材料电阻率的影响
3.杂质对非平衡载流子寿命的影响降低了载流子的寿命
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三、硅锗晶体的掺杂
半导体的 电学参数通过掺杂来控制 的，拉单晶的过程时就掺入杂质。
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不易挥发的材料易挥发的材料
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单晶生长时，
杂质分布不均匀会造成 横向和纵向电阻率不均匀
1.直拉法单晶 纵向 电阻率均匀性的控制电阻率均匀性 是半导体材料质量的一个指标
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）（ P80）
一、直拉法生长单晶的电阻率的控制
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2,径向 电阻率均匀性的控制
固液界面的平坦度为了获得径向电阻率均匀的单晶，必须调平固液界面。
采用的方法有,
A：调整晶体生长热系统,使热场的径向温度梯度变小
B,调节拉晶运行参数，例如 对凸向熔体的界面，增加拉速；对凹向熔体的界面，降低拉速
C：调整晶体或者坩锅的转速增加晶体转动速度，界面由凸变凹增加坩锅转动速度，界面由凹变凸
D：增大坩锅内径与晶体直径的比值,一般坩锅内径：晶体直径＝ 3～ 2.5,1
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晶体生长的固液界面，由于受坩锅中熔体等温线的限制，常常是弯曲的。如果在晶体生长时迅速提起晶体，在原子密排面的固液界面会出现一小片平整的平面，称之为 小平面。
小平面效应
在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分布异常的现象叫 小平面效应。
由于小平面效应，小平面区域的电阻率会降低。 为了消除小平面效应带来的径向电阻率不均匀性,需将固液界面调平。
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二、水平区熔拉晶时杂质的控制
（区域匀平法）
在用水平区熔法生长单晶时的掺杂，是把 杂质放在籽晶与料锭之间,随着熔区的移动使杂质分布在整个晶锭中。
利用这种方法可以得到比较均匀的电阻率分布，因此又称为 区域匀平法。
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根据 导电类型和电阻率的要求 选择掺杂元素
轻掺杂（ 1014～ 1016，在功率整流级单晶）、中掺杂（ 1016～ 1019，晶体管级单晶）、重掺杂
（大于 1019外延衬底级单晶）
根据杂质 元素在硅、锗中的溶解度 选择固溶度是指杂质在一定温度下能溶入固体硅中的最大浓度。
三、五族元素在硅中的固溶度较大 。
杂质原子半径越大,特征原子构型与锗、硅的越不同,它们在锗、硅中的固溶度越小 。
根据 分凝系数 选择
分凝系数远离 1的杂质难于进行重掺杂掺杂元素的选择标准
10
根据杂质在晶体中的 扩散系数 选择
在高温工艺中，如扩散、外延，掺杂元素的扩散系数小些好
快扩散杂质,H,Li,Na,Cu,Fe,K,Au,He,Ag,Si
慢扩散杂质,Al,P,B,Ca,Ti,Sb,As
根据 杂质元素的蒸发常数 选择
快蒸发杂质的掺杂不宜在真空而应在保护性气氛下进行
尽量 选择与锗、硅原子半径近似的杂质 元素作为掺杂剂，以保证晶体生长的完整性
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晶体中常见的缺陷种类
点缺陷
线缺陷位错
面缺陷
体缺陷
微缺陷四、硅锗单晶中的位错
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点缺陷
杂质点缺陷来源：制备过程中或环境中杂质沾污或掺杂，
间隙替 位
热点缺陷弗伦克尔缺陷肖特基缺陷来源：与温度直接相关
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1,刃型位错 (棱位错 )
特点,位错线垂直滑移方向
2.螺位错,
特点,位错线平行滑移方向线缺陷：位错的基本类型
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位错产生的原因
籽晶体内原有位错
籽晶表面损伤
由于外界的振动、外加应力、热起伏等而使籽晶或单晶中位错倍增。
固液交界面过冷
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位错对器件性能的影响位错对半导体材料的影响（ P93）
（ 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,（图 4－ 11）
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。
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位错同杂质沉淀相结合使 P-N结反向性能劣化纯净位错并不对 P-N结造成可觉察的坏影响但 位错处易导致重金属杂质沾污位错的存在易造成 P-N结贯通杂质在位错线附近扩散快，因此在晶体管中，扩散发射区时，
局部穿透了基区,形成 C-E穿通。
（器件课本 P20）
位错引起噪声增加位错线附近载流子的产生与复合，引起电导率的局部涨落，使有位错的单晶器件的噪声电压明显地高于无位错单晶器件 。
位错对半导体器件的影响（ P95）
