光波導(dǎo)技術(shù)基礎(chǔ)解讀課件

第四章硅、鍺晶體中的雜質(zhì)和缺陷

半導(dǎo)體材料中的雜質(zhì)和缺陷對其性質(zhì)具有重要影響。4-1硅、鍺晶體中雜質(zhì)的性質(zhì)4-1-1雜質(zhì)能級(jí)雜質(zhì)對硅、鍺電學(xué)性質(zhì)的影響與雜質(zhì)的類型和能級(jí)在禁帶中的位置等有關(guān)。

硅.、鍺的雜質(zhì)大致可分為兩類：1.周期表中Ⅲ族或Ⅴ族雜質(zhì)。特點(diǎn)：電離能低，對材料的電導(dǎo)率影響大，起受主或施主作用。12.周期表中除Ⅲ族和Ⅴ族以外的雜質(zhì)(如Ⅰ副族和過渡金屬元素)。特點(diǎn)：電離能大，對材料的導(dǎo)電性質(zhì)影響小，主要起復(fù)合中心或陷阱的作用。

雜質(zhì)在硅、鍺中的能級(jí)與它的原子構(gòu)造、在晶格中所占的位置有關(guān)。如：Ⅲ族和Ⅴ族雜質(zhì)在鍺中占替代式晶格位置，電離后，可提供一個(gè)受主或施主能級(jí)；Ⅱ族的Zn或Cd雜質(zhì)原子進(jìn)入鍺中,居替代作用，電離后，可提供兩個(gè)受主能級(jí)。2Ⅰ副族元素金有三個(gè)受主能級(jí)和一個(gè)施主能級(jí)。多重能級(jí)的作用與溫度及材料中存在的其它雜質(zhì)的類型和濃度等有關(guān)系。金在鍺中的行為為例說明多重能級(jí)特性：

金是周期表中ⅠB族的元素；

摻入鍺中處于替代鍺原子的位置；

接受第一、二、三個(gè)電子所需的能量分別為Ev+0.15eV，Ec-0.20eV和Ec-0.04eV；

金原子外層有一個(gè)電子，可以受激到導(dǎo)帶成為自由電子，產(chǎn)生一個(gè)施主能級(jí)Ev+0.05eV。3金的各能級(jí)電子分布狀態(tài)與材料中存在的其它雜質(zhì)的種類和數(shù)量及溫度有關(guān)。1.鍺中摻有N型淺施主雜質(zhì)（如砷）時(shí)，金的受主能級(jí)起補(bǔ)償作用，有幾種情況：⑴0＜NAs＜NAu（NAs、NAu分別代表砷濃度和金濃度）時(shí)，砷能級(jí)電子全部落入金的第一受主能級(jí)上但還不能填滿它。溫度，價(jià)帶中的電子受熱激發(fā)填充此受主能級(jí)，材料呈現(xiàn)P型。4ECEVEv+0.05eVEv+0.15eVEc-0.20eVEc-0.04eVGe中的Au雜質(zhì)能級(jí)5⑵NAu＜NAs＜2NAu，砷能級(jí)上的電子填滿金的第一受主能級(jí)后并開始部分填充金的第二受主能級(jí)。

升溫時(shí)，第二受主能級(jí)上的電子激發(fā)到導(dǎo)帶的能量比價(jià)帶電子激發(fā)到第二受主能級(jí)的能量小。

熱激發(fā)會(huì)使第二受主能級(jí)中部分填充的電子激發(fā)到導(dǎo)帶中去，材料呈現(xiàn)N型。⑷NAs＞3NAu，所有金的三個(gè)受主能級(jí)都填充了電子，剩余的砷淺施主能級(jí)上的電子被激發(fā)到導(dǎo)帶中去，材料亦呈現(xiàn)N型。62.當(dāng)鍺中有P型淺受主雜質(zhì)（如鎵）時(shí)，金的施主能級(jí)起補(bǔ)償作用，有兩種情況：⑴0＜NGa＜NAu，金的施主能級(jí)給出電子填充鎵的受主能級(jí)，全部填滿后還有一部分電子在金的施主能級(jí)上。

低溫時(shí)，價(jià)帶中一部分電子激發(fā)填充到金因補(bǔ)償而空出的能級(jí)中，使材料呈P型。

高溫時(shí)價(jià)帶中激發(fā)的電子除了填充金的施主能級(jí)外，還填充金的第一受主能級(jí)，材料仍然為P型。

7⑵NGa＞NAu，金原子施主能級(jí)上的電子全部落入鎵的能級(jí)上，補(bǔ)償后，余下的鎵能級(jí)上的空穴激發(fā)到價(jià)帶上，材料仍是P型。金在硅中有兩個(gè)能級(jí)，一個(gè)是Ec-0.54eV（受主），另一個(gè)是Ev+0.35eV（施主）。

過渡金屬M(fèi)n、Fe、Co、Ni原子，外層只有兩個(gè)4s電子，行為與雙重受主相似。次外層沒填滿的d殼層不起作用。

Ec-0.54eVEv+0.35eVad8Ⅳ族C、Si、Sn原子在鍺中處在替代位置，既不起施主又不起受主作用，稱電中性雜質(zhì)。鋰在鍺中占間隙位置，可給出一個(gè)電子而呈現(xiàn)施主性質(zhì)。氫在鍺中也占間隙位置，氧也有一部分是間隙的，但一般不電離不影響材料的電性質(zhì)。Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ族雜質(zhì)原子在硅中的作用與在鍺中相似，但某些雜質(zhì)的性質(zhì)則與在鍺中不同。例如，銅和金顯示出一個(gè)受主能級(jí)和一個(gè)施主能級(jí)。錳和鐵是施主而不像在鍺中那樣是一個(gè)受主，并且擴(kuò)散系數(shù)大。氧在硅中濃度可達(dá)很高，室溫下呈電中性；加熱時(shí)與硅形成一系列絡(luò)合物，放出電子起施主作用。9§4-1-2雜質(zhì)對材料性能的影響1.雜質(zhì)對材料導(dǎo)電類型的影響材料中共存施主和受主雜質(zhì)時(shí)，它們將相互補(bǔ)償，材料的導(dǎo)電類型取決于占優(yōu)勢的雜質(zhì)。例如，鍺、硅材料中，Ⅲ族雜質(zhì)元素在數(shù)量上占優(yōu)勢時(shí)，材料呈現(xiàn)P型；Ⅴ族元素占優(yōu)勢時(shí)呈現(xiàn)N型；材料中N型雜質(zhì)和P型雜質(zhì)的數(shù)量接近，材料呈現(xiàn)弱N型或弱P型。

一些離子半導(dǎo)體材料，如大多數(shù)Ⅱ-Ⅵ族化合物，晶體中的缺陷能級(jí)對半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型起支配作用。102.雜質(zhì)對材料電阻率的影響半導(dǎo)體材料的電阻率與載流子密度和載流子的遷移率有關(guān)。存在多種雜質(zhì)，電阻率與雜質(zhì)濃度的關(guān)系近似表示為NA、ND：材料中受主和施主的濃度；e：電子、空穴所帶電量；p、n：空穴、電子的遷移率。11有雜質(zhì)補(bǔ)償?shù)那闆r下，電阻率由有效雜質(zhì)濃度（NA-ND）或（ND-NA）決定;總的雜質(zhì)濃度NI=NA+ND對材料的電阻率產(chǎn)生影響;雜質(zhì)濃度很大時(shí)，雜質(zhì)對載流子的散射作用會(huì)大大降低其遷移率。例如，硅中Ⅲ、Ⅴ族雜質(zhì)，當(dāng)N＞1016cm-3時(shí)，對室溫遷移率就有顯著的影響。12133.雜質(zhì)對非平衡載流子壽命的影響半導(dǎo)體材料中的雜質(zhì)和缺陷，對非平衡載流子壽命有重要影響。例如，硅中的金，有Ec-0.54eV（受主）和Ev+0.35eV（施主）兩個(gè)能級(jí)。EcEvEc-0.54eVEv+0.35eVSi中的Au雜質(zhì)能級(jí)ad硅中摻入N型雜質(zhì)（如磷）時(shí)，淺施主雜質(zhì)將金受主能級(jí)全部填充，生成Au-1離子，它使價(jià)帶中空穴激發(fā)到此能級(jí)上與電子復(fù)合。P型硅中，施主能級(jí)Ev+0.35eV上的電子與淺受主雜質(zhì)發(fā)生補(bǔ)償，生成Au+，Au+將強(qiáng)烈地吸引導(dǎo)帶中的電子下落重新填充，從而產(chǎn)生復(fù)合作用。14實(shí)驗(yàn)表明:兩個(gè)復(fù)合中心俘獲電子、空穴的能力不同。P型硅，壽命與Ev+0.35eV（施主能級(jí)）上俘獲電子的能力有關(guān)，俘獲系數(shù)r-=6.3×10-8cm3/s。N型硅，壽命與Ec-0.54eV受主能級(jí)俘獲空穴的能力有關(guān)，俘獲系數(shù)r+=1.15×10-7cm3/s。r+＞r-，受主能級(jí)俘獲空穴能力比施主能級(jí)俘獲電子能力大。復(fù)合中心密度結(jié)論：摻金量相同時(shí)，N型硅比P型硅壽命下降的更快些。15§4-2硅、鍺晶體的摻雜半導(dǎo)體材料的電學(xué)參數(shù)是用摻雜的方法來控制的。拉晶過程中摻雜方法：（a）雜質(zhì)與純材料一起在坩堝里熔化；（b）向已熔化的材料中加入雜質(zhì)。影響單晶內(nèi)雜質(zhì)數(shù)量及分布的因素：①原料中的雜質(zhì)種類和含量，②雜質(zhì)的分凝效應(yīng)，③雜質(zhì)的蒸發(fā)效應(yīng)，④生長過程中坩堝或系統(tǒng)內(nèi)雜質(zhì)的沾污，⑤加入的雜質(zhì)量。16

§4-2-1直拉硅單晶中雜質(zhì)的摻入一、摻雜量的計(jì)算1.只考慮雜質(zhì)分凝直拉法生長單晶過程（

正常凝固過程），材料很純，材料的電阻率與雜質(zhì)濃度CS有關(guān)系

(4-3)：電子（或空穴）遷移率。正常凝固的雜質(zhì)分布為17拉出單晶的某一位置g處的電阻率與原熔體中雜質(zhì)濃度C0的關(guān)系：拉w克鍺，所需加入的雜質(zhì)量m為d：鍺的密度；NO：阿佛加德羅數(shù)；A：雜質(zhì)的摩爾質(zhì)量；K：雜質(zhì)的分凝系數(shù)。18計(jì)算時(shí)取g=1/2。對K＜1的雜質(zhì)，常取g=0。例1欲拉制g=1/2處，=1·cm的N型鍺單晶50g，所用的鍺為本征純度的，問要摻入雜質(zhì)砷多少？已知：KAs=0.04，AAs=74.9gmol-1，=4000cm2/V·s，N0=6.02×1023mol-1。應(yīng)用公式可求出C0和m，C0≈2×1016cm-3m≈0.025mg19摻雜量很小，天平稱量時(shí)將產(chǎn)生較大的誤差。除拉制重?fù)诫s單晶體外，一般都是把雜質(zhì)和鍺（硅）先做成合金，稱為母合金，然后再摻入。常用的母合金有P-Si，B-Si，Ge-Sb，Ge-Ga等合金。20例2有鍺W(g)，拉制g處電阻率為的單晶，應(yīng)加入雜質(zhì)濃度為Cm的母合金量為多少？雜質(zhì)在母合金中的總數(shù)與在鍺熔體中總數(shù)不變，得因?yàn)閐合金≈d鍺，W鍺+M合金≈W鍺（M合金很小），所以21

母合金可以是單晶（或多晶）；

測量單晶電阻率后，將電阻率曲線較平直部分依次切成0.35~0.40mm厚的片，再測其電阻率；

清洗后編組包裝。母合金中雜質(zhì)的含量用母合金濃度(cm-3)表示,大小可通過試?yán)瓎尉ь^部電阻率求出。公式為試?yán)瓎尉е亍羻尉ь^部濃度＝摻雜母合金量×母合金濃度×K單晶頭部濃度由ρ-N曲線查得，K為雜質(zhì)的分凝系數(shù)。22例3.硅多晶300g，摻P-Si母合金0.2g，拉單晶頭部電阻率為1.0Ω·cm（相應(yīng)摻雜濃度為5.2×1015cm-3），則母合金濃度為（300+0.2）×5.2×1015=0.2×0.35×CmCm=300.2×5.2×1015/0.07=2.2×1019cm-3

計(jì)算認(rèn)為遷移率為常數(shù)，電阻率較高時(shí)成立。

拉重?fù)絾尉?，雜質(zhì)的散射增大，應(yīng)考慮遷移率隨電阻率的變化。232.考慮坩堝污染及蒸發(fā)(1)坩堝污染拉硅單晶時(shí)，熔硅能與石英坩堝反應(yīng)，把石英坩堝所含的雜質(zhì)帶入熔硅中。dt時(shí)間內(nèi)由坩堝沾污而導(dǎo)致熔體內(nèi)雜質(zhì)數(shù)量的增加為

(4-9)Ac：熔硅與坩堝的接觸面積；R：坩堝的沾污率，V：熔體體積。24拉晶過程分兩個(gè)階段：a.材料熔化到開始拉晶之前。忽略雜質(zhì)蒸發(fā)，由坩堝引入的雜質(zhì)b.拉晶過程。單晶頭部處引入的雜質(zhì)濃度ti：熔化時(shí)間；K：雜質(zhì)分凝系數(shù)。252.同時(shí)考慮雜質(zhì)蒸發(fā)和坩堝污染拉晶過程分兩個(gè)階段：

a.拉晶前的化料;b.拉晶。假定熔體表面積AC不變，拉出的晶體截面積為AS，且坩堝為圓筒形，熔體體積V(x)=LAS(1-x)L:最后拉出的單晶長度；x：已拉出單晶長占單晶長度L的分?jǐn)?shù)。LxAs26第一階段,坩堝沾污引起熔體中雜質(zhì)變化x=0,V=LAS，Ac改用Ac0，上式改寫成雜質(zhì)蒸發(fā)引起熔體中雜質(zhì)變化為蒸發(fā)面積E：蒸發(fā)常數(shù)，負(fù)號(hào)表示蒸發(fā)使熔體中雜質(zhì)濃度減少。27當(dāng)x=0，V=LAS，故兩個(gè)因素加起來，熔體中雜質(zhì)濃度的改變?yōu)?8t=0，CL=Co，上式解為多晶料開始熔化到開始拉晶的時(shí)間為ti，則拉晶開始時(shí)，熔體中的雜質(zhì)濃度為29第二階段拉晶過程。影響晶體中雜質(zhì)分布的因素：雜質(zhì)分凝、雜質(zhì)蒸發(fā)和坩堝沾污。如拉出的單晶長為xL，根據(jù)（4-11）式，可把（4-12）式寫成f：拉速。晶體生長過程中熔體不斷減少，故晶體和石英坩堝的接觸面積Ac不再是常數(shù)，而是x的函數(shù)。30雜質(zhì)蒸發(fā)雜質(zhì)分凝沾污、蒸發(fā)、分凝同時(shí)存在時(shí)求出CL，利用CS=KCL，可得雜質(zhì)沿晶體的分布。31二、實(shí)際生產(chǎn)中的近似計(jì)算真空下拉制N型中、高阻硅單晶摻雜的估算法：（1）空白試驗(yàn)。對新的多晶材料和坩堝，不摻雜拉單晶，測其導(dǎo)電類型和頭部電阻率ρ；由ρ-N圖找出對應(yīng)的雜質(zhì)濃度CS1。（2）求原料和坩堝沾污在熔體中產(chǎn)生的雜質(zhì)濃度。32（3）硅單晶是N型，電阻率范圍ρ上~ρ下，取ρ上相應(yīng)于單晶頭部電阻率（1~3cm，取3cm），ρ-N圖找出相應(yīng)雜質(zhì)濃度CS2對應(yīng)的熔體中雜質(zhì)濃度，（4）考慮原料與坩堝引入雜質(zhì)的影響，拉制電阻率ρ上~ρ下范圍單晶時(shí)，加入雜質(zhì)使熔體中含有的雜質(zhì)濃度為

CL=CL2-CL1

（與試?yán)瓎尉停?/p>

CL=CL1+CL2

（與試?yán)瓎尉Р煌停?3（5）考慮雜質(zhì)蒸發(fā)作用,最初加入雜質(zhì)后,熔硅內(nèi)雜質(zhì)濃度應(yīng)為E：蒸發(fā)常數(shù)(cm/s)；A：蒸發(fā)面積(cm2),坩堝中熔硅表面積；V：熔硅體積(cm3)；t：拉晶時(shí)間(s)。（6）母合金中雜質(zhì)原子總數(shù)應(yīng)等于摻入雜質(zhì)后熔硅中所含雜質(zhì)數(shù)得

M合金Cm=CLOW硅34氣氛下拉制中、高阻硅單晶或拉制摻B的單晶，蒸發(fā)效應(yīng)很小，摻雜公式可簡化成摻雜量按（4-6）式計(jì)算的條件:

拉重?fù)诫s單晶，原料和坩堝沾污引入的雜質(zhì)濃度遠(yuǎn)比摻雜量小；重?fù)絾尉СＴ跉夥障律L，蒸發(fā)作用也較小。35例4欲把800g高純多晶硅拉制成ρ=20~50Ω·cm的N型單晶。試?yán)瓎尉镻型，頭部電阻率為250Ω·cm，問應(yīng)摻入電阻率為8×10-3Ω·cm的P-Si合金多少？已知：坩堝直徑為13cm，硅和母合金熔化到放肩約1h。解：由硅的ρ-N圖查得摻磷母合金8×10-3Ω·cm，相應(yīng)的雜質(zhì)濃度為7×1018cm-3。而E磷=10-4cm/s，K磷=0.35，K硼

=0.8，d硅=2.5g/cm3原料和坩堝沾污引入的雜質(zhì)使試?yán)瓎尉镻型，ρ=250Ω·cm，相應(yīng)濃度為5×1013cm-3。則36拉制ρ=50Ω·cm的N型Si單晶所對應(yīng)的雜質(zhì)濃度為1×1014cm-3。試?yán)瓰镻型,要拉制成N型硅單晶,CL=CL1+CL2=6.25×1013+2.86×1014=3.5×1014cm-3考慮蒸發(fā)的損失,加入雜質(zhì)后熔體最初的雜質(zhì)濃度為37需加入母合金量實(shí)際生產(chǎn)中,常用經(jīng)驗(yàn)公式或曲線計(jì)算,如W合金：摻入的母合金量；W料：硅料重量；N產(chǎn)：產(chǎn)品中有效載流子濃度；N合金：母合金濃度。用TDK-36AZ單晶爐真空化料氬氣拉晶時(shí)，不同元素的K實(shí)際列于表4-1(P78)38K實(shí)際實(shí)際上是根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備、熱場配置、生產(chǎn)條件等經(jīng)驗(yàn)歸一化總結(jié)出來的一個(gè)系數(shù)。它集原料濃度、蒸發(fā)、坩堝污染、分凝等因素，以“實(shí)際分凝系數(shù)”的形式表示，免除了繁瑣的計(jì)算。拉重?fù)絾尉У慕?jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4-2所列(P79)，拉晶時(shí)由于摻入雜質(zhì)較多，組分過冷嚴(yán)重，設(shè)計(jì)保溫系統(tǒng)時(shí)要加以注意。拉晶時(shí)要降低拉速，增加轉(zhuǎn)速，調(diào)平固-液交界面,提高成品率。39三、雜質(zhì)摻入的方法直拉法中雜質(zhì)摻入的方法有①共熔法；②投雜法不易揮發(fā)的雜質(zhì)如硼，可采用共熔法摻入。即把摻入元素或母合金與原料一起放在坩堝中熔化。易揮發(fā)雜質(zhì)，如砷、銻等則放在摻雜勺中，待材料熔化后，在拉晶前再投放到熔體中，并需充入氬氣抑制雜質(zhì)揮發(fā)。40§4-2-2單晶中雜質(zhì)分布的控制電阻率均勻性是半導(dǎo)體材料質(zhì)量的一個(gè)指標(biāo)。一、直拉法生長單晶的電阻率的控制1.直拉法單晶中縱向電阻率均勻性的控制（1）變速拉晶法。根據(jù)CS=KCL，拉晶時(shí)，若雜質(zhì)K＜1，晶體生長初期用較大的拉速，隨后隨著晶體增大而不斷減小拉速，保持CL與Keff乘積不變。41（2）雙坩堝法（連通坩堝法、浮置坩堝法）。拉制鍺單晶時(shí)，對K＜1的雜質(zhì)，用連通坩堝法可控制單晶縱向電阻率的均勻性。Ge單晶有70%以上部分的電子率是均勻的。小坩堝外面再套上一個(gè)大坩堝，內(nèi)坩堝下面有一個(gè)連通孔與外面大坩堝相連。所摻雜質(zhì)放在內(nèi)坩堝里，拉晶在內(nèi)坩堝。浮置坩堝是在一個(gè)大坩堝內(nèi)放一個(gè)有孔的小坩堝。42拉晶時(shí)，一般不把內(nèi)坩堝中的熔體拉光，而只拉出一部分后再重新加料，再熔再拉，可得到一批縱向電阻率均勻的晶體。剩余的鍺在石墨坩堝內(nèi)凝固時(shí)不會(huì)使坩堝炸裂，故廣泛應(yīng)用此法。熔硅凝固時(shí)會(huì)使坩堝炸裂，該法一直未被使用。432.徑向電阻率均勻性的控制影響單晶徑向電阻率均勻性的主要原因是晶體生長時(shí)固液界面的平坦度和小平面效應(yīng)。（1）固液交界面平坦度的影響。晶體生長時(shí)，如果熔體攪拌均勻，等電阻面就是固液交界面。雜質(zhì)K＜1時(shí)，凸向熔體的界面會(huì)使徑向電阻率出現(xiàn)中間高邊緣低；凹向熔體的界面則相反，平坦的固液界面其徑向電阻率均勻性好。44直拉單晶中固液面的形狀由爐溫分布及晶體散熱等因素綜合作用。拉晶時(shí)固液界面處熱交換主要有：①熔硅凝固放出的潛熱。②熔體的熱傳導(dǎo)。③晶體向上的熱傳導(dǎo)。④晶體向外的輻射熱。45獲取徑向電阻率均勻的單晶，必須調(diào)平固液界面。采用的方法：①調(diào)整晶體生長熱系統(tǒng)，使熱場的徑向溫度梯度變小，②調(diào)整拉晶運(yùn)行參數(shù)，③調(diào)整晶體或坩堝的轉(zhuǎn)速，④增大坩堝內(nèi)徑與晶體直徑的比值，會(huì)使固液界面變平，還能使位錯(cuò)密度及晶體中氧含量下降，一般坩堝直徑：晶體直徑=3~2.5：1。46（2）小平面效應(yīng)的影響。晶體生長的固液界面，由于受坩堝中熔體等溫線的限制，常是彎曲的。晶體生長時(shí)迅速提起晶體，則在〈111〉的鍺、硅單晶的固液界面會(huì)出現(xiàn)一小片平整的平面，它是（111）原子密排面，稱之為小平面。小平面區(qū)雜質(zhì)濃度與非小平面區(qū)有很大差異，這種雜質(zhì)在小平面區(qū)域中分布異常的現(xiàn)象叫小平面效應(yīng)。為了消除小平面效應(yīng)帶來的徑向電阻率不均勻性，需將固液界面調(diào)平。47三、晶體中的條紋1.雜質(zhì)條紋現(xiàn)象：對熔體生長的Si、Ge及化合物半導(dǎo)體晶體,沿著其縱、橫剖面進(jìn)行性能檢測,發(fā)現(xiàn)它們的電阻率、載流子壽命以及其它物理性能出現(xiàn)起伏,表面出寬窄不一的條紋。雜質(zhì)條紋：晶體中雜質(zhì)濃度起伏造成的條紋。482.生長條紋形成的原因晶體中雜質(zhì)濃度CS=KeffCL,Keff的變化直接決定著晶體中雜質(zhì)的濃度。Keff的起伏直接與生長速率的起伏有關(guān)。晶體生長速率起伏的原因：（a）單晶爐機(jī)械傳動(dòng)裝置的機(jī)械蠕動(dòng)和振動(dòng)，使提拉式熔區(qū)移動(dòng)速率產(chǎn)生無規(guī)則起伏；（b）晶體轉(zhuǎn)軸和溫度場對稱軸不同軸，使生長速率發(fā)生起伏；49（c）加熱器功率或熱量損耗的瞬間變化引起生長速率的變化；（d）熔體液流狀態(tài)非穩(wěn)流動(dòng)，如熔體中存在著渦流，對晶體生長速率產(chǎn)生影響；摻PCZSi晶體中生長層條件及其空間形態(tài)示意圖（a）生長層條紋；（b）生長速率的起伏；（c）雜質(zhì)濃度的起伏；（d）晶體橫截面生長條紋502.中子嬗變摻雜（NeutronTransmutationDopingTechnique，NTD）通常硅是由Si28（92.21%），Si29（4.7%）和Si30（3.09%）三種同位素組成。NTD:高純區(qū)熔硅單晶放入原子反應(yīng)堆中進(jìn)行中子輻照，使Si30激化嬗變?yōu)镻31起施主作用進(jìn)行摻雜。核反應(yīng)為

Si30（n，）Si31

P31+：表示射線。2.6h51受輻照的硅單晶取出后，800~850℃下退火1h左右以消除輻照造成的損傷；應(yīng)存放一段時(shí)間（約2個(gè)月）以降低放射性。優(yōu)點(diǎn)：Si30在硅單晶中分布是均勻的;中子嬗變摻雜性很好，不受分凝和小平面效應(yīng)的影響；沒有雜質(zhì)條紋；縱向不均勻性小于7%，徑向不均勻性小于5%。523.強(qiáng)磁場中拉制高均勻的Si單晶常規(guī)的CZ工藝中附加了一個(gè)穩(wěn)定的強(qiáng)磁場，稱之MCZ法。MCZ技術(shù)的基礎(chǔ)是磁場對導(dǎo)電流體中熱對流的抑制作用。常規(guī)的直拉法中總是存在熱對流，對流是導(dǎo)致硅單晶縱向氧分布不均勻的重要原因；熱對流的湍流產(chǎn)生的溫度振蕩使雜質(zhì)邊界層各處厚薄有異，造成雜質(zhì)徑向分布不均勻。53兩方面解釋磁場對熱對流的抑制作用：（1）電學(xué)原理。導(dǎo)電流體在磁場中運(yùn)動(dòng)，作用在電流微元上的安培力

dF=I（dl×dB）（4-41）力的方向同電流微元的運(yùn)動(dòng)方向相反。（2）流體力學(xué)原理。表征熱對流時(shí)常用瑞利數(shù)（4-42）ΔT：溫度梯度；：熱膨脹系數(shù)；g：重力加速度；h：熔體高度；K：熱導(dǎo)系數(shù)；：動(dòng)粘滯系數(shù)。54瑞利數(shù)Ra表征浮力與粘滯力的比值。Ra＞Rac（臨界瑞利數(shù)）時(shí)，流體表現(xiàn)為湍流性質(zhì)。降低Ra，除減少液面高度h外，就是增加值；h的降低受拉晶條件的限制，因此增加是關(guān)鍵措施；MCZ技術(shù)的實(shí)質(zhì)就是增加動(dòng)粘滯系數(shù)的一種工藝措施。單晶爐中引入磁場有兩種方式：（a）橫向磁場；（b）縱向磁場。磁場強(qiáng)度為0.2~0.35T的條件下，改善雜質(zhì)在硅單晶中分布的均勻性。55采取MCZ技術(shù)得到的結(jié)果：①有效地抑制熱對流，加磁場使液面平整。②控制氧含量方便，實(shí)現(xiàn)硅單晶中氧含量的均勻分布。③基本消除了生長條紋，使硅單晶結(jié)構(gòu)更均勻完整。56四、組分過冷圖（a）沒有雜質(zhì)影響，平坦界面是穩(wěn)定的。圖（b）有K0＜1的雜質(zhì)，晶體生長時(shí)，雜質(zhì)不斷地排出形成雜質(zhì)富集層。圖（c）K0＜1的雜質(zhì)使熔體的凝固點(diǎn)隨雜質(zhì)濃度增加降低。圖（d）富集層中的凝固點(diǎn)隨Z的增加而上升。57Z=0處,富集層中雜質(zhì)濃度最高處,其值為CL(0),相應(yīng)的凝固點(diǎn)T(0)應(yīng)最低,圖(c)和(d)。隨著Z的增加雜質(zhì)濃度下降，凝固點(diǎn)隨之升高，到Z=處，雜質(zhì)濃度達(dá)到平均濃度CL，凝固點(diǎn)也升到相應(yīng)的Tm；在富集層外，雜質(zhì)濃度是均勻的，凝固點(diǎn)恒為Tm。雜質(zhì)的聚集產(chǎn)生一過冷區(qū)，這種因組分變化而產(chǎn)生的過冷現(xiàn)象稱為組分過冷。58

§4-3硅、鍺單晶的位錯(cuò)

硅、鍺晶體生長與加工時(shí)，常引入應(yīng)力而產(chǎn)生很多位錯(cuò)；

位錯(cuò)常以不同的組態(tài)，如星形結(jié)構(gòu)、位錯(cuò)排等分布在晶體中；

晶體中的位錯(cuò)對材料和器件性能的影響是多方面的。BACD晶面之間的滑移面位錯(cuò)線59§4-3-1位錯(cuò)對材料和器件性能的影響1.對載流子濃度的影響肖克萊-瑞德（Shokloy-Read）認(rèn)為棱位錯(cuò)處的原子有一個(gè)懸掛鍵，可接受一個(gè)電子形成電子云的滿殼層，即對應(yīng)一個(gè)受主能級(jí)。整個(gè)位錯(cuò)線猶如一串受主。螺錯(cuò)位沒有懸掛鍵，對晶體電性質(zhì)的影響不重要。60Gleaner認(rèn)為位錯(cuò)接受電子之后會(huì)帶電。由于庫侖力作用會(huì)形成空間電荷區(qū)，此電荷區(qū)會(huì)引起能帶彎曲。N型材料中位錯(cuò)是受主能級(jí)，離導(dǎo)帶底約0.52eV。它對電子的俘獲截面為10-16cm2。P型材料中位錯(cuò)是施主能級(jí)，其位置與電阻率有關(guān)。對于200、50、10cm的P型硅，施主能級(jí)分別為距價(jià)帶頂0.5、0.42和0.38eV，對空穴的俘獲截面是10-16cm2。一般情況下，位錯(cuò)對載流子濃度影響不大。612.位錯(cuò)對遷移率的影響按肖克萊-瑞德理論,位錯(cuò)線是一串受主,接受電子后形成一串負(fù)電中心。庫侖力作用,位錯(cuò)線周圍形成一個(gè)圓柱形的正空間電荷區(qū)。空間電荷區(qū)內(nèi)存在的電場增加了對電子散射使電子遷移率減少。

623.位錯(cuò)對載流子壽命的影響實(shí)驗(yàn)表明：有時(shí)位錯(cuò)對載流子的產(chǎn)生與復(fù)合、非平衡載流子壽命的影響是不能忽視的。Kurtz發(fā)現(xiàn)硅中位錯(cuò)密度ND在104~107cm-2時(shí)，與少數(shù)載流子壽命有關(guān)系R：單位長度位錯(cuò)線的復(fù)合效率；對Ge，它隨電阻率增加而減少；對Si，300K，ND為104~105cm-2時(shí),1/R=15。63LaMrence總結(jié)了不同人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出：①位錯(cuò)密度<103cm-2時(shí)，隨ND減少而降低。②ND在103~104cm-2時(shí)，有最長的壽命值。③ND＞104cm-2時(shí)，壽命隨ND的增加而降低。644.位錯(cuò)對器件的影響

(1)

金屬雜質(zhì)極容易在位錯(cuò)上沉淀,破壞PN結(jié)的反向特性。

電離倍增因子M急劇增大；

PN結(jié)的反向V-I特性曲線出現(xiàn)不連續(xù)點(diǎn)；

擊穿電壓大大降低；擊穿時(shí)發(fā)出輝光（等離子擊穿）。65增強(qiáng)擴(kuò)散：替代式雜質(zhì)原子沿位錯(cuò)線擴(kuò)散較快的現(xiàn)象。（2）應(yīng)力作用下，位錯(cuò)處出現(xiàn)增強(qiáng)擴(kuò)散。結(jié)論：沿位錯(cuò)的增強(qiáng)擴(kuò)散和金屬沉淀能引起PN結(jié)的V-I特性的“軟化”和晶體管發(fā)射極集電極間的管道漏電或穿通。位錯(cuò)線雜質(zhì)管道（e）（b）（c）66（3）位錯(cuò)引起噪聲增加。有位錯(cuò)的單晶器件的噪聲電壓明顯的高于無位錯(cuò)單晶的器件。結(jié)論：純凈的位錯(cuò)對材料和器件性能的影響??；含有重金屬沉淀的位錯(cuò)則對少子壽命、器件的擊穿性能、V-I特性等產(chǎn)生不良影響；利用位錯(cuò)吸收雜質(zhì)和位錯(cuò)攀移運(yùn)動(dòng)消除空位，使單晶中有害雜質(zhì)吸附在局部位錯(cuò)區(qū)域，改善其它區(qū)域的器件特性。674-3-3硅單晶的熱處理熱處理優(yōu)點(diǎn)：（1）真空或惰性氣體保護(hù)下，1000℃以上的熱處理，硅單晶中氧電活性施主濃度降到<1014cm-3；（2）改善了氧分布不均勻造成的電阻率的不均勻性；（3）870℃以下熱處理可消除晶體中的熱應(yīng)力和機(jī)械損傷；（4）1000℃以上熱處理，加速了雜質(zhì)擴(kuò)散，避免和減少雜質(zhì)在位錯(cuò)處沉淀；（5）低氧高純單晶在1300~1350℃熱處理會(huì)使漩渦缺陷消除，改善了單晶質(zhì)量；但高氧單晶無此效果，漩渦缺陷反而增加。