半导体物理课件-化合物半导体中的杂质能级.pptVIP

* 前边我们讨论的晶格结构都是理想晶格，但在实际中，晶格的完整性和周期性都可能遭到破坏，这种破坏就叫做缺陷。 * * 对于多晶材料来说，还有晶粒间界这种面缺陷。 半导体材料中缺陷是对晶格周期势场的破坏，这些会影响到材料中载流子的一些性质，如迁移率、寿命等；另一方面，会影响到人为引入的杂质的扩散行为，从而影响到器件结构的实现。 一些点缺陷的存在，包括杂质原子、点阵空位、间隙原子、碳、氧沾污及重金属离子沾污等，可以影响到材料的迁移率、寿命 * 1. Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体中的杂质和缺陷 §2.2 化合物半导体中的杂质能级 * 杂质在砷化镓中的存在形式(四种情况)： 1）取代砷 2）取代镓 3）填隙 4）反位 * ●施主杂质 Ⅵ族元素(Se、S、Te) 在 GaAs 中通常都替代Ⅴ族元素As原子的晶格位置。 Ⅵ族杂质在GaAs中一般起施主作用，为浅施主杂质。 * ●受主杂质 Ⅱ族元素（Zn、Be、Mg、Cd、Hg）在GaAs中通常都取代Ⅲ族元素 Ga 原子的晶格位置。 Ⅱ族元素杂质在 GaAs 中通常起受主作用，均为浅受主杂质。 * ●中性杂质 Ⅲ 族元素（B、Al、In）和Ⅴ族元素（P、Sb）在 GaAs 中通常分别替代 Ga 和 As，由于杂质在晶格位置上并不改变原有的价电子数，因此既不给出电子也不俘获电子而呈电中性，对 GaAs 的电学性质没有明显影响。 在禁带中不引入能级 * ● 两性杂质 Ⅳ族元素杂质（Si、Ge、Sn、Pb）在GaAs 中的作用比较复杂，可以取代Ⅲ族的 Ga，也可以取代Ⅴ族的 As，甚至可以同时取代两者。 Ⅳ族杂质不仅可以起施主作用和受主作用，还可以起中性杂质作用。 * 在掺 Si 浓度小于 1×1018 cm-3 时，Si 全部取代 Ga 位而起施主作用，这时掺 Si 浓度和电子浓度一致； 而在掺 Si 浓度大于 1018 cm-3 时，部分 Si 原子开始取代 As 位，出现补偿作用，使电子浓度逐渐偏低。 例如： * GaAs 晶体中的点缺陷 当 T ＞ 0 K 时： ● 空位 VGa、VAs ● 间隙原子 GaI、AsI ● 反结构缺陷 — Ga原子占据 As 空位，或 As 原子占据 Ga 空 位，记为 GaAs和 AsGa。 * 化合物晶体中的各类点缺陷可以电离，释放出电子或空穴，从而影响材料的电学性质。 * 负离子空位 产生正电中心，起施主作用 正离子填隙 正离子空位 负离子填隙 产生负电中心，起受主作用 * VI族（Se, S, Te）－施主杂质 II族（Zn, Be, Mg, Hg）－受主 III族（B, Al, In）－中性杂质 IV族（Si, Ge, Sn, Pb）－两性杂质 缺陷 AsGa－施主 GaAs－受主 VGa－受主 VAs、AsI－施主 * 硅在砷化镓中的双性行为 四族元素硅在砷化镓中会产生双性行为，即硅的浓度较低时主要起施主杂质作用，当硅的浓度较高时，一部分硅原子将起到受主杂质作用。 这种双性行为可作如下解释： 因为在硅杂质浓度较高时，硅原子不仅取代镓原子起着施主杂质的作用，而且硅也取代了一部分V族砷原子而起着受主杂质的作用，因而对于取代Ⅲ族原子镓的硅施主杂质起到补偿作用，从而降低了有效施主杂质的浓度，电子浓度趋于饱和。 * §2.3 晶体中的缺陷与杂质 一、点缺陷 弗仑克尔缺陷：原子的热运动能量大到能克服其所在位置的热能，脱离格点的位置，使格点处出现空位，离开正常格点位置的原子落入晶格间隙之中，成为自间隙原子； 肖特基缺陷：离开正常格点位置的原子移动到晶体表面，形成； 若表面原子进入晶体内部晶格，则形成单独的间隙原子。 空位 间隙原子 杂质 * ①热缺陷的数目随温度升高而增加 ②热缺陷中以肖特基缺陷为主（即原子空位为主）。原因：三种点缺陷中形成肖特基缺陷需要的能量最小。（可参阅刘文明《半导体物理学》p70～p73，或叶良修《半导体物理学》p24和p94） ③退火后可以消除大部分缺陷。半导体器件生产工艺中，经高温加工（如扩散）后的晶片一般都需要进行退火处理。离子注入形成的缺陷也用退火来消除。 点缺陷（热缺陷）特点 ： * 1）缺陷处晶格畸变，周期性势场被破坏，致使在禁带中产生能级。 2）热缺陷能级大多为深能级，在半导体中起复合中心作用，使非平衡载流子浓度和寿命降低。 3）空位缺陷有利于杂质扩散 4）对载流子有散射作用，使载流子迁移率和寿命降低。 点缺陷对半导体性质的影响： * 反结构缺陷：对于化合物半导体存在一种反结构缺陷，即应该是A原子的格点上为B原子所占据，应为B原子的格点为A原子所据。 * 前边我们讨论的晶格结构都是理想晶格，但在实际中，晶格的完整性和周期性都可能遭到破坏，这种破坏就叫做缺陷。