&半導體材料物理與技術 節(jié)選

第1章 概述 　　半導體材料是一種具有導電且能與光子產生相互作用功能的材料，經過近百年的發(fā)展，基于半導體材料的芯片產業(yè)已發(fā)展成為當今社會的一個支柱產業(yè)。“半導體材料物理與技術”是在半導體物理學的發(fā)展和半導體材料的應用過程中逐步形成和完善的一門專業(yè)學科，它與半導體微電子物理學、半導體器件物理與技術、半導體集成電路設計與制造(即固體電子學)和半導體器件可靠性物理與技術一起隸屬于微電子與固體電子學，其內容涵蓋了半導體材料物理性能、半導體材料生長、熱處理、性能測試與評價以及半導體材料工藝的基礎技術5個大的方面。圖1-1給出了這一專業(yè)學科的知識體系及其支撐學科和相鄰學科的分布情況。 　　圖1-1 “半導體材料物理與技術”學科的知識體系及其支撐學科和相鄰學科的分布情況 　　從1949年**片Si單晶材料在貝爾實驗室誕生到當今低維半導體材料的出現，半導體材料的種類和產量發(fā)生了翻天覆地的變化。半導體材料從Ⅵ族元素的Si材料和Ge材料發(fā)展到ⅢⅤ族和ⅡⅥ族化合物材料，從體晶材料發(fā)展到外延材料、異質結、量子阱、超晶格材料、納米材料和二維材料，直至今日，新的半導體材料仍在不斷涌現。與此同時，半導體芯片則從分立的電子器件發(fā)展到今天的超大規(guī)模集成電路，同時還發(fā)展出了發(fā)光器、激光器、光電能量轉換器和光電探測器等一大批光電子器件。由此形成的計算機、通信、太陽能、照明與顯示以及各種電子元器件和傳感器等產業(yè)已成為當今國民經濟的支柱產業(yè)，其應用已滲透到實體經濟、金融和文化、服務業(yè)、互聯網和智能社會的方方面面。基于半導體材料的計算機技術是第三次工業(yè)革命(亦稱信息技術革命)的重要標志，隨著以互聯網+、工業(yè)智能化和生物技術為代表的第四次工業(yè)革命時代的到來，各種新產品和新技術的發(fā)展依然離不開對半導體功能材料的需求。半個多世紀以來，“半導體材料物理與技術”的發(fā)展始終圍繞著兩條主線，即在固體物理前沿學科的引領下，人們不斷探索和發(fā)展新材料，并將其轉化成能夠滿足實用化需求的半導體材料，與此同時，在芯片產業(yè)化和工程化應用需求的牽引下，人們始終不渝地將“大尺寸、高均勻性、低缺陷、高性能和低成本”作為發(fā)展材料制備技術的終極目標。 　　1.1 半導體材料 　　半導體材料是一種功能材料，它能對光、電、熱、磁、聲等的作用產生特定的響應。從材料結構上看，它可以是單質材料，也可以是混晶材料、化合物材料、異質結材料或超晶格材料。它可以是體晶材料，也可以是外延材料。即使是同一種材料，它也可以是單晶材料、多晶材料或非晶材料。半導體材料既可按照功能分類，也可按照原子結構分類。以Si材料為例，它有單質的體晶材料和外延材料，也有與其他Ⅵ族原子結合在一起的SiC、SiGe和SiGeSn等混晶材料。Si材料既可以是單晶材料，也可以是多晶材料和非晶材料。在應用上，Si材料既是電子材料，也是光電子材料，廣泛應用于電子元器件、集成電路、光電探測器、太陽能電池和熱敏型紅外探測器等不同領域。圖1-2給出了半導體材料常用的若干種分類方法。顧名思義，半導體材料是一種導電性能介于導體和絕緣體之間的材料。通常將室溫下電阻率介于10-3～109Ω cm的材料歸于半導體材料，如此寬泛的范圍源于半導體材料所處的工作溫度存在很大的差異(從低于液氦溫度到大于500℃)，如以實際工作狀態(tài)下的材料導電性能為衡量標準，半導體材料電阻率的范圍要窄很多。通過對材料摻雜濃度的控制，半導體材料在工作狀態(tài)下的載流子濃度和電阻率還將受到進一步的調控。 　　圖1-2 半導體材料的若干種分類方法 　　按照固體物理理論，晶體材料中的本征載流子濃度取決于材料價帶與導帶之間的能量間隙(即禁帶寬度)、能帶結構中電子的態(tài)密度和有效質量，禁帶寬度越大，電子從價帶通過熱激發(fā)躍遷到導帶成為載流子的濃度就越小。從能帶角度看，半導體材料的禁帶寬度大都落在50meV到5eV之間。圖1-3為常用半導體材料在禁帶寬度和晶格常數坐標系中的分布圖，由于材料的禁帶寬度與原子之間相互作用的強弱相關，隨著材料晶格常數的增大，禁帶寬度總體上呈現出下降的趨勢。 　　圖1-3 室溫下常用半導體材料禁帶寬度和晶格常數的分布圖 　　從圖1-3也可以看出，半導體材料主要包含了Ⅳ族原子(Si、Ge、C和Sn)構成的單質晶體或混晶材料、Ⅲ族原子(Ga、In和Al等)與Ⅴ族原子(As、P、Sb和N等)結合而成的二元或多元ⅢⅤ族化合物材料以及由Ⅱ族原子(Zn、Cd、Hg、Mg和Be等)與Ⅵ族原子(Te、Se、S和O等)構成的二元或多元ⅡⅥ族化合物材料。Si材料是一種在常溫下呈現半導體性能的材料[1]，其特點是資源極其豐富且擁有理想的SiO2表面鈍化層，它是目前應用*為廣泛的半導體材料。ⅢⅤ族化合物材料則因其具有直接帶隙而擁有很高的光電轉換效率，進而成為制備光電子器件的*佳材料[2]。ⅡⅥ族化合物材料的特點是禁帶寬度的覆蓋范圍很寬[3]，如用光子波長來衡量的話，它可以從紅外光一直覆蓋到藍光，在光電子領域，它能對上述兩類半導體材料形成了很好的補充。另外，隨著近年來功率器件的發(fā)展，ⅢⅥ族的Ga2O3化合物材料也開始成為一種重要的半導體材料[4]。除了以上這幾類半導體材料外，還存在一些小眾化的半導體化合物材料，如ⅥⅥ族元素組成的PbTe、PbSe和PbSnTe等材料[5]和摻Mn或摻Fe的磁性半導體材料等[6]。 　　除了從材料的組成上可以衍生出一系列半導體材料之外，通過對材料性能和結構的調控(亦稱能帶工程技術)也能獲得許多新型的半導體材料[79]，常用的調控手段包括異質結、量子阱、超晶格、δ摻雜、納米結構和二維材料等，即利用材料性能和結構在實空間上的變化或材料的邊緣效應來改變材料的能帶結構和物理性能。由此誕生出的新材料包括GeSi/Si、AlGaAs/GaAs、InGaAs/GaAs、InAsSb/InAs、GaSb/InAs、GaInAs/InP、InGaN/GaN、ZnO/ZnMgO和PbSnTe/PbTe等異質結、量子阱和超晶格材料，以及通過減小材料尺寸獲得的納米線和量子點材料。近幾年，以石墨烯和拓撲絕緣體為代表的二維材料的出現又為拓展新型半導體材料提供了新的發(fā)展方向。 　　從物理本質上看，普通的薄膜材料(單層外延材料)與體材料在能帶結構上并不存在區(qū)別，但是從材料的應用角度看，兩者有時也會存在顯著的差異。例如，Si的外延片是制備雙極型器件的優(yōu)選材料；將Si材料加工成亞微米厚的SOI(silicon on insulator)材料后，器件的漏電流可大幅度減小[10]；采用外延方法可以在異質襯底上生長外延材料，也可以獲得組分均勻性遠優(yōu)于體晶材料的多元化合物材料，進而給材料的性能帶來質的變化。 　　1.2 半導體材料物理與技術 　　半導體材料物理包括半導體材料的物理基礎、材料的物理性能和工藝技術的物理原理，半導體材料技術則包括材料的生長技術、熱處理技術、材料性能測量技術和工藝基礎技術。半導體材料學科是由半導體材料物理與工藝技術所構成的學科，物理是基礎，技術是手段，沒有好的物理基礎就沒有好的技術，沒有好的技術就無法獲得好的半導體材料。 　　1.2.1 半導體材料的物理基礎 　　縱觀半導體材料的發(fā)展歷史，半導體材料的物理性能研究和應用技術研究都離不開基礎理論的支撐，半導體材料的從業(yè)人員或研究人員做的是宏觀世界中的事情，想的卻是材料內微觀世界中的物理圖像，跨越兩個世界的橋梁就是與半導體材料相關的基礎理論和基于理論所建立起來的測量技術。固體物理和半導體物理是半導體材料物理的基礎理論[1112]，普通物理、電動力學、量子力學和熱力學統計物理則是這些專業(yè)基礎理論的理論基礎。半導體材料專業(yè)的研究人員還需掌握一些更為專業(yè)的基礎理論，例如，能帶理論、載流子輸運理論、半導體光學性質、表面物理、相圖理論和材料缺陷化學理論等。 　　從材料使用的角度來看，用戶*關心的是材料的光電性能，即材料中的電子狀態(tài)(或結構)及其在外場(電磁場和光子)作用下的變化規(guī)律，即電子在實空間、能量和動量上的分布，以及在實空間上發(fā)生遷移和在動量空間上發(fā)生能級躍遷的行為特性。描述材料中電子結構的物理圖像是電子的能帶結構，它源于半導體材料的能帶理論[13]，而能帶理論的基礎則是量子力學。反過來看，正是有了量子力學和能帶理論，才有了我們對半導體材料光電性能的表述方法。能帶理論、量子力學和電動力學等理論也為我們進一步描述電子的遷移和躍遷奠定了理論基礎，并由此引出了材料的導電特性和電子與光子相互作用的特性。 　　從材料制備的角度來看，所有材料的制備工藝都是材料性能在受熱力學規(guī)律控制的條件下發(fā)生改變的一種過程，這些性能主要包括材料的成分、原子排列的結構(晶體結構)、缺陷、電學性能和光學性能等，高溫下的材料性能同時也決定著或影響著材料的使用性能。半導體制備技術所涉及的物理原理和理論也很廣泛，如材料的晶體生長理論、相圖理論、缺陷化學平衡理論、原子擴散理論、材料測試技術原理、真空技術原理、傳熱學理論和流體力學理論等，對相關理論進行系統化的學習將有助于對材料制備技術的理解，有助于對測試結果的分析，也有助于材料制備技術的改進和新技術的研發(fā)。 　　在工藝技術上，半導體材料制備工藝不僅包括自身特有的晶體材料生長技術、半導體材料熱處理技術和材料性能測量技術，還包含了支撐材料制備工藝的很多基礎性技術，這些技術包括材料的加工、清洗和腐蝕，材料制備系統的加熱、溫控、密封、真空、部件的運動和工藝過程的自動化控制，以及材料清洗使用的高純水、制備工藝中使用的高純氣體和工藝環(huán)境需要的潔凈空氣等工藝質量保障技術。以熱力學和熱力學統計物理為基礎的材料相圖理論[14]、缺陷化學平衡理論[15]、原子擴散理論[16]、真空技術理論[17]和基礎化學等是支撐材料制備技術發(fā)展的基礎理論，而普通物理、普通化學、電子學理論、機械原理和計算機技術也貫穿于整個材料制備工藝的基礎性技術之中。 　　理論是思考問題和認識問題的基礎，也是分析問題的工具。隨著計算機技術的快速發(fā)展，近年來計算機仿真技術獲得了快速發(fā)展，對理論仿真工具的使用越來越普及。在晶體生長方面，比利時的FEMAG Soft、德國的Crys VUn和俄羅斯STR公司的CGSim都已成為商業(yè)化的晶體生長模擬軟件；相圖分析方面的軟件有CALPHAD(calculation of phase diagram)、Thermo Calc和Lukas Program；Synopsys公司的Sentaurus TCAD(technology compute aided design)、LumericalDEVICE和Comsol等軟件可用于對材料與器件的光學、電學和電磁學特性的模擬計算。理論工具的應用能幫助我們提高工作效率，降低工藝技術研發(fā)的成本。 　　半導體材料技術的發(fā)展自始至終都離不開理論的引導和支撐，半導體材料在早期的發(fā)展主要基于對元素和化合物導電性質的認識。得益于量子力學、固體物理和能帶理論的研究成果，以Si、GaAs、HgCdTe為代表的半導體材料在20世紀中葉獲得了快速發(fā)展。到了20世紀末，隨著能帶工程理論的出現，以異質結、量子阱、超晶格材料和納米材料為代表的結構型半導體材料獲得了快速發(fā)展。到了2000年前后，作為材料學和計算機交叉科學的計算材料學開始成為材料研究與發(fā)展的一門新學科，它通過設定材料物理性能和其他要素(如成本、環(huán)保和穩(wěn)定性等)，并基于材料熱力學、分子或缺陷動力學和**性原理等理論，運用以多目標優(yōu)化為導向的晶體結構預測方法和高通量智能計算技術，對材料組成、結構、性能和功能四大要素進行計算機搜索，以尋找新材料或優(yōu)化已有材料。 　　1.2.2 半導體材料的物理性能 　　無缺陷的非摻雜半導體材料被稱為本征材料，本征材料的原子組成和空間排列結構無疑是材料*基本的特性，由它所決定的材料特性也被稱為材料的本征特性。由于材料制備工藝的原因，實際使用的半導體材料在結構上總是或多或少存在著一些缺陷，這些缺陷的存在會影響到材料的能帶結構