半导体热扩散技术原理
——杂质原子扩散的机理和浓度分布—— Xie Meng-xian （电子科大，成都市）
在向Si 和GaAs 等半导体内部掺入施主或者受主杂质原子时，最常采用的技术是热扩散（Thermal Diffusion ）和离子注入。对于热扩散技术来说，往往都需要较高的扩散温度；因为施主或受主杂质原子的半径一般都比较大，要它们直接进入到半导体晶格中去是很困难的，然而如果利用高温产生出一些热缺陷，则通过这些热缺陷的帮助即可容易地扩散、并进入到半导体中去。
（1）Fick 定律和杂质浓度分布： 粒子依靠浓度梯度的扩散，是在混乱热运动基础之上的一种定向运动（从高浓度处往低浓度处扩散）。其扩散流密度j 与浓度梯度dN/dx 成正比——Fick 第一定律（一维情况）：
d N
j D
dx
=- 式中D 为扩散系数[cm 2/s]。注意，扩散流与粒子的浓度梯度成正比，而与浓度N 的绝对数量无关。
由于扩散流密度不是可直接测量的物理量，故Fick 第一定律的使用不便；于是在此基础之上，再考虑到连续性方程，即引伸出其中变量较容易测量的Fick 第二定律（一维情况，扩散系数D 为常数）：
22
(,)(,)
N x t N x t D t x ??=?
?? 求解Fick 第二定律，即可得到粒子浓度随坐标的分布和随时间的变化。
①对于半导体工艺中的预沉积扩散（恒定表面源扩散），表面杂质浓度N s =常数。这时可求得杂质浓度的分布为余误差函数形式（t>0）：
??
?
???=Dt x erfc N t x N s 2),(
在预沉积扩散过程中，杂质的总剂量Q T ——单位面积内的杂质数量（单位为cm -2）为：
Dt t N dx t x N t Q T ),0(2
),()(0
π
=
=?∞
可见，这时扩散的杂质总剂量将随着时间的平方根而增大。因为扩散深度一般小于1μm ，所以在总剂量为1015cm -2时，即可形成一个高浓度的掺杂层（浓度>1019cm -3）。在扩散分布中的特征参量(Dt)1/2，具有长度的量纲，称为原子的扩散长度。
②对于半导体工艺中的推进扩散（再分布扩散），这时扩散的杂质总剂量Q T 是一定的。这时可求得杂质浓度的分布为Gauss 分布的形式（t>0）：
???
? ??-?=Dt x Dt Q t x N T
4exp ),(2π 在推进扩散过程中，表面杂质浓度N s 将随时间的平方根而下降：
Dt
Q t N N T
s π=
=),0( 并且在表面（x=0）处，任何时刻都有dN(0,t)/dx=0。
在制作扩散p-n 结时，根据杂质扩散的浓度分布即可求出结深。结深x j 就是扩散杂质浓度N(x,t)等于衬底杂质浓度N B 时的扩散深度。对于预沉积扩散，可求得结深为
???
?
???=-s B j N N erfc Dt x 12
对于推进扩散，可求得结深为
???
?
??=Dt N Q Dt x B T j πln 4
以上给出了两种典型的扩散杂质浓度分布的形式。实际上，扩散杂质浓度的分布还与许
多因素有关。例如，扩散往往不是一维的，这就需要考虑横向扩散的影响。又如，在高温扩散时，原子已经电离，而且扩散杂质浓度的分布是不均匀的，则就需要考虑内建电场的增强扩散作用。这些因素都会导致扩散杂质浓度的分布偏离以上典型的浓度分布形式。
（2）扩散机理：
扩散系数D 是表征扩散快慢的一个物理量。扩散系数的大小由扩散机理来决定。半导体晶体中原子扩散的机理不同于载流子的扩散。载流子扩散的快慢主要决定于它们所遭受的散射作用；而原子扩散的快慢则主要决定于晶体中热缺陷（间隙原子和空位）的数量。
因为原子在晶体中的扩散，实际上是通过间隙原子或者晶格空位、一步一步地在晶格之间跳跃前进的；如果所需要跳过的势垒高度为E a ，则扩散系数与温度之间的关系可表示为
??
?
??-?=kT E D D a exp 0
常数E a 称为扩散激活能。实验表明，溶解度愈小的代位式杂质原子，其扩散系数就愈大。
对于半导体中杂质原子的扩散，为了让晶体中产生出大量的热缺陷，就必须对晶体加热，让晶体原子的热运动加剧，以便于某些原子获得足够高的能量而离开晶格位置，并产生出空位和等量的间隙原子。因此，原子的扩散系数随着温度的升高而指数式增大。对于Si 晶体，要在其中形成大量的热缺陷，所需要的温度大致为1000o C 左右，这也就是热扩散的温度。
施主或者受主杂质原子通过热扩散而进入到半导体中之后，必须要处于替代晶格的位置才能起到提供载流子的作用——即具有电活性。从机理上来说，代位杂质原子扩散的具体方式主要有三种：
①利用晶格空位的扩散：
在杂质原子的代位式扩散机理中，可以有两种重要的扩散方式，如图1所示，即(a)直接交换方式和(b)空位交换方式；显然，在这两种代位扩散方式中，杂质原子利用空位的交换方式是最容易进行的（所需要的激活能较低），因此可以认为杂质原子的扩散等效于晶格空位的扩散。
虽然杂质原子以代位方式扩散的速度较慢，需要的扩散温度较高（800o C~1200o C ），但是这种扩散可以精确地控制扩散深度（p-n 结的结深）和掺杂浓度，只要精确地控制扩散温度即可（往往要求温度控制精度达到±1o C ）。Si 中硼、磷等杂质的扩散就属于代位式扩散。
②利用自间隙原子的扩散：
杂质原子也可以通过晶体的自间隙原子来进行扩散，即自间隙原子取代杂质原子、并把杂质原子推到替代晶格的位置上去，如图2所示。这种间隙式扩散只有在存在空位扩散时才会发生。实际上，Si 中硼、磷的扩散，就是利用Si 自间隙原子和晶格空位这两种扩散机理来进行的。
③通过晶格间隙的扩散：
如图3所示，可以通过两种方式来让杂质原子进入到晶格位置，即挤出方式(1)（即杂质原子取代晶格Si 原子）和Frank-Turnbull 方式(2)。Frank-Turnbull 方式也称为代位-间隙方式（SI ），即是间隙杂质原子被空位俘获。这里不需要Si 自间隙原子的帮助；而且这种间隙杂质原子具有溶解度低于替位原子的特点。
此外，对于非施主和非受主杂质的扩散，情况将有所不同。如Au 、Pt 等重金属杂质，因为这些杂质原子的半径一般都较小，则这些原子可以直接在晶格间隙中穿行，因此它们的扩散速度都很快（在1000o C 下10分钟就可扩散200~300μm 的深度），则所需要的扩散温度也就较低一些（800o C~1050o C ）。
总之，半导体中施主或者受主杂质原子的热扩散，主要是以代位式或者间隙式进行，扩散的速度较慢，所得到的浓度分布是不均匀的erfc 分布或Gauss 分布，而且表面处的浓度高、体内的浓度低。但是半导体中一些半径较小的重金属杂质原子（Au 、Cu 、Pt 等）的扩散多为简单的间隙式扩散，则扩散速度很快，并因此可认为扩散以后的浓度分布基本上是均匀的（其浓度大小由该温度下的固溶度来决定）。
图1 杂质原子代位式扩散的两种方式
图3 杂质原子通过间隙的扩散方式
图2 杂质原子通过自间隙原子的扩散方式
（3）Fair 空位模型：
在杂质原子的代位式扩散机理中，扩散是通过空位交换的方式来进行的，在此比较常用、且又比较符合实际情况的一种扩散模型就是所谓Fair 空位模型。该模型适用于温度低于1000 o
C 、掺杂浓度在中等以下的多种杂质扩散的情况。
在Fair 空位模型中，空位可以获得电子而带负电荷，也可以失去电子而带正电荷。因为对于Si 和GaAs 而言，每一个原子都与4个相邻的原子以共价键联系着（GaAs 中的价键还带有离子性），当出现一个晶格空位时，即有4个邻位原子的价电子层是不饱和的，所以空位能够带有的电荷可以有4种负电荷的情况（即一个电子电荷、2个电子电荷、3个电子电荷和4个电子电荷）以及4种正电荷的情况（即一个正电荷、2个正电荷、3个正电荷和4个正电荷）；再加上中性的空位，则晶体中的空位共有9种不同的带电状态。
因为空位俘获电荷的数量与载流子浓度n （等于掺杂浓度N(x)）成正比，所以带电空位的数量正比于[N(x)/n i ]j ，这里n i 是本征载流子浓度，j 是带电状态的阶数；又因为晶体中的空位数量总的来说还是很少的，因此每一种空位的扩散都可看成是一个独立的事件，从而晶体中杂质原子的总有效扩散系数D 可以表示为如下的9项之和：
式中的本征载流子浓度为
???
?
??-??=kT E T n n g io i 2exp 2/3
T
T E E go g +-
=βα2
对于Si ：n io =7.2×1015 cm -3，E go =1.17eV ，α=0.000463eV-K ，β=636K ；对于GaAs ：n io =4.2×1014 cm -3，E go =1.52eV ，α=0.000541eV-K ，β=204K 。
对于高浓度的扩散，则电子或空穴的浓度就等于掺杂浓度（n 或p ≈N(x)）；对于低掺杂浓度的扩散，则电子和空穴的浓度都近似等于本征载流子浓度（n ≈p ≈n i ）。如果Si 材料中存在过多的自由电子时，则Fair 模型表示式中的正电荷项可以忽略；如果存在过多的自由空穴时，则Fair 模型表示式中的负电荷项可以忽略。此外，在Fair 模型表示式中的高次幂项（3次幂项和4次幂项）一般都很小，通常可以忽略。若考虑到带电空位的扩散，那么载流子浓度以及扩散系数都将与坐标有关。
例如，Si 中硼的扩散，在浓度小于1020 cm -3时，基本上都是依靠中性空位的本征扩散；在浓度等于1020 cm -3时只需要考虑带有单一正电荷空位的影响；而在浓度大于1020 cm -3时，则有些硼原子将处于间隙位置，或者结成一团，这时扩散系数将急剧下降。图4即示出了高浓度硼在Si 中扩散的典型浓度分布。
又如，Si 中高浓度磷的扩散，其扩散浓度的典型分布如图5所示。这种扩散分布可以区分为三个区域：①在高浓度区（表面附近），浓度基本恒定，这是由于扩散系数可表示为两个部分：
-
???
? ??+=22
1i i i D n n D D
式中D i 是中性磷原子与中性空位交换的扩散系数，D i 2-是带正电荷的磷离子与带两个负电荷的空位所组成的离子-空位对（带有负电荷）的扩散系数；②在转折区，许多离子-空位对发生分解，即造成电子浓度急剧减小，就使得杂质浓度分布也相应地很快下降；③在低浓度区，扩散速度加快，这是由于离子-空位对的分解、产生出了过剩的空位浓度，即使得未配对的磷离子扩散加快。作为Si 中施主的磷杂质，扩散系数较大（大于As 和Sb ），因此在VLSI 技术中，常常用作为阱区和隔离区的扩散杂质。
杂质原子扩散的Fair 空位模型与实验结果符合得较好，因此在扩散分布的SUPREM 模拟程序中，都采用了该模型所给出的扩散系数表示式。
（4）场助扩散：
杂质原子的扩散往往还要受到其它一些因素的影响。热扩散时所产生的内建电场的作用即是需要考虑的一个重要因素。该内建电场主要来自于扩散杂质原子浓度分布的不均匀（并且这些杂质原子在较高的扩散温度下基本上又都是电离了的）。如果沿x 方向的电场为E x ，则根据电流密度J 的关系：
???
??+-=+-=x x E kT q N dx
dN D NE dx dN D
J μ 得到扩散时的内建电场为：
dx
dN
N q kT E x 1η
-=
式中的η是电场屏蔽系数（η=0～1）。可见，杂质原子浓度分布不均匀所引起的内建电场将具有增强扩散的作用，最大可使扩散系数增大一倍。
例如，在Si 中高浓度As 扩散时，电场增强的作用就很明显（扩散系数增大一倍），从而导致As 扩散的浓度分布变得非常陡峭。但是当掺As 浓度超过1020 cm -3时，As 将形成间隙式的结团、不能提供电子（即不能电激活），这就将导致高浓度As 扩散分布的顶部变得较平坦。图6即为As 扩散的典型浓度分布。作为Si 中施主的As 杂质，其扩散系数较小，则其扩散浓度的再分布也很小，因此常常用作为BJT 的发射区扩散杂质和亚微米n-MOSFET 源/漏区扩散杂质。
（5）气氛的影响～增强扩散和阻滞扩散：
氧化过程将要影响到杂质原子的扩散。实验表明，在Si 片氧化时，界面附近处将会产生出高浓度的间隙原子，并且其浓度随着深度而降低；在Si 片表面附近处这些间隙原子具有提高硼、磷扩散系数的作用，但却具有降低As 扩散系数的作用（因为间隙原子-空位的复合，使得局部空位浓度减小，扩散激活能为 4.7eV ），因此，在氧化过程中，可以认为硼、磷的扩散主要是以间隙原子机制进行的，而As 的扩散则主要是以空位机制进行的。这种氧化所导致的增强或者阻滞扩散的作用，都将要影响到扩散系数的大小。
也有实验表明，在氮化气氛中进行热扩散时，对杂质原子扩散系数的影响，与在氧化气氛中的恰恰相反，即有增强As 扩散的作用（扩散激活能降低为3.7eV ）以及具有阻滞硼、磷扩散的作用。因为Si 片在热氮化气氛中，在表面附近处会产生出大量的空位。
这种氮化气氛具有阻滞硼扩散的作用，现在已经应用于深亚微米Si 器件及其IC 的制造中。当利用热氧化来制作栅氧化层时，往往需要在氧化气氛中掺入一些氮气，目的就是为了防止重掺硼多晶硅电极中的硼原子扩散到沟道中，以免影响到器件的阈值电压和降低氧化层的可靠性。（注意：氢气具有提高硼原子在氧化硅中扩散系数的作用。）
（6）GaAs 中杂质的扩散：
GaAs 扩散的温度一般都低于Si 扩散，因此发生杂质再分布的问题不太严重。但是杂质
在GaAs中的扩散机理要比在Si中的扩散复杂得多，因为这里的扩散不仅与空位和间隙原子的带电状态有关，而且也与空位的种类（是Ga空位，还是As空位）有关。
①Zn扩散：
Zn是GaAs工艺中最常用的受主杂质。图7示出了Zn在GaAs中经过不同预沉积扩散时间之后的浓度分布，可见，存在一个较宽的平台区（最高浓度受到固溶度的限制）和一个较陡、指数式下降的尾区。这种扩散分布可以采用Fair空位模型和Frank-Turnbull方式来解释，其中Frank-Turnbull方式的扩散要快得多。在Frank-Turnbull方式中，即认为Zn在在GaAs中有两种形式：一种是带正电荷的间隙离子Zn+，其浓度低，但扩散快；另一种是带负电荷的代位离子Zn-，它是通过中性空位的交换来进行扩散的，则扩散很慢。正因为Zn+具有高的扩散速度，所以才造成了宽广的平台区。当扩散很快的Zn+遇到Ga空位时，即被Ga空位俘获、并失去两个空位而变成为Zn-，则扩散减慢，使得浓度分布陡峭下降。
实际上，Zn在GaAs中的扩散浓度分布在较深处还存在一个转折现象，如图8所示。分析表明，这是由于Ga空位存在多重带电的状态，并且Zn-、Zn+之间还可能形成离子对，这就使得杂质原子的扩散速度大大降低，从而导致出现扩散分布的转折现象。
②Si扩散：
GaAs工艺中最常用的施主杂质是Si（当掺Si浓度<1018cm-3时，Si通常是取代Ga而起施主作用）。关于Si在GaAs中的扩散机理，有人提出了Si Ga-Si As原子耦合对扩散模型，即相邻（型号相反）晶格位置上的一对杂质原子与一对相邻的空位交换位置。扩散系数将随着掺杂浓度而线性地增大。
但是Si Ga-Si As原子对扩散模型不能解释在快速退火情况下的扩散浓度分布。Yu等提出了较完整的、考虑到电荷效应的稳态扩散模型，即认为取代Ga+的Si原子（Si Ga+）通过与中性Ga空位或者带三个负电荷的Ga空位交换位置而进行扩散；取代As-的Si原子（Si As-）可能与Ga无关；并且认为Si Ga-Si As原子对是不动的。利用该模型即可说明如图9所示的扩散浓度分布。
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扩散杂质分布的检测技术
图4 Si中高浓度硼扩散的典型浓度分布
图5 Si中高浓度磷扩散的典型浓度分布
图6 Si中高浓度As扩散的典型浓度分布
图7 Zn在GaAs中预沉积扩散的浓度分布
————————————SiO2薄膜的掩蔽扩散技术
图8 GaAs中Zn扩散的典型浓度分布
图9 GaAs中Si扩散的典型浓度分布
常用术语翻译 active region 有源区 2.active ponent有源器件 3.Anneal退火 4.atmospheric pressure CVD (APCVD) 常压化学气相淀积 5.BEOL（生产线）后端工序 6.BiCMOS双极CMOS 7.bonding wire 焊线，引线 8.BPSG 硼磷硅玻璃 9.channel length沟道长度 10.chemical vapor deposition (CVD) 化学气相淀积 11.chemical mechanical planarization (CMP)化学机械平坦化 12.damascene 大马士革工艺 13.deposition淀积 14.diffusion 扩散 15.dopant concentration掺杂浓度 16.dry oxidation 干法氧化 17.epitaxial layer 外延层 18.etch rate 刻蚀速率 19.fabrication制造 20.gate oxide 栅氧化硅 21.IC reliability 集成电路可靠性 22.interlayer dielectric 层间介质（ILD） 23.ion implanter 离子注入机 24.magnetron sputtering 磁控溅射 25.metalorganic CVD(MOCVD)金属有机化学气相淀积 26.pc board 印刷电路板 27.plasma enhanced CVD(PECVD) 等离子体增强CVD 28.polish 抛光 29.RF sputtering 射频溅射 30.silicon on insulator绝缘体上硅（SOI）
《半导体制造工艺及设备》课程教学大纲 课程类别：技术基础必修课课程代码：BT1410_2 总学时：总学时48 （双语讲授48） 适用专业：微电子制造工程 先修课程：大学物理、半导体物理、微电子制造基础 一、课程的地位、性质和任务 本课程是微电子制造工程专业的一门必修的专业技术基础课。其作用与任务是：使学生对集成电路制造工艺及其设备有一个比较系统、全面的了解和认识，初步掌握硅材料制备、氧化、淀积、光刻、刻蚀、离子注入、金属化、化学机械平坦化等工艺及其设备，工艺集成以及CMOS工艺的基础理论。 二、课程教学的基本要求 1.初步掌握半导体工艺流程的基本理论与方法； 2.掌握半导体制造技术的基本工艺（硅材料制备、氧化、淀积、光刻、刻蚀、离子注 入、金属化、化学机械平坦化）及其设备； 3.初步掌握工艺集成与当前最新的CMOS工艺流程。 三、课程主要内容与学时分配 1、半导体制造概述3学 时 半导体制造在电子制造工程中的地位与概述、基本概念、基本内容 2、硅材料制备3学 时 直拉法、区熔法 3、氧化4学时 氧化物作用、氧化原理、氧化方法、氧化工艺、氧化炉 4、淀积5学 时 物理淀积与化学气相淀积（CVD）、淀积工艺、CVD淀积系统 5、光刻8学 时 光刻胶、光刻原理、光刻工艺、光刻设备、先进光刻技术、光学光刻与软光刻。 6、刻蚀4学 时 刻蚀方法、干法刻蚀、湿法刻蚀、等离子刻蚀、刻蚀反应器 7、离子注入3学 时 扩散、离子注入原理、离子注入工艺、离子注入机 8、金属化4学时 金属类型、金属化方案、金属淀积系统、铜的双大马士革金属化工艺 9、化学机械平坦化（CMP）2学时 传统平坦化技术、化学机械平坦化CMP工艺、CMP应用
半导体制造工艺流程 N型硅：掺入V族元素--磷P、砷As、锑Sb P型硅：掺入III族元素—镓Ga、硼B PN结： 半导体元件制造过程可分为 前段（FrontEnd）制程 晶圆处理制程（WaferFabrication；简称WaferFab）、 晶圆针测制程（WaferProbe）； 後段（BackEnd） 构装（Packaging）、 测试制程（InitialTestandFinalTest） 一、晶圆处理制程 晶圆处理制程之主要工作为在矽晶圆上制作电路与电子元件（如电晶体、电容体、逻辑闸等），为上述各制程中所需技术最复杂且资金投入最多的过程，以微处理器（Microprocessor）为例，其所需处理步骤可达数百道，而其所需加工机台先进且昂贵，动辄数千万一台，其所需制造环境为为一温度、湿度与含尘（Particle）均需控制的无尘室（Clean-Room），虽然详细的处理程序是随著产品种类与所使用的技术有关；不过其基本处理步骤通常是晶圆先经过适当的清洗（Cleaning）之後，接著进行氧化（Oxidation）及沈积，最後进行微影、蚀刻及离子植入等反覆步骤，以完成晶圆上电路的加工与制作。 二、晶圆针测制程 经过WaferFab之制程後，晶圆上即形成一格格的小格，我们称之为晶方或是晶粒（Die），在一般情形下，同一片晶圆上皆制作相同的晶片，但是也有可能在同一片晶圆上制作不同规格的产品；这些晶圆必须通过晶片允收测试，晶粒将会一一经过针测（Probe）仪器以测试其电气特性，而不合格的的晶粒将会被标上记号（InkDot），此程序即称之为晶圆针测制程（WaferProbe）。然後晶圆将依晶粒为单位分割成一粒粒独立的晶粒 三、IC构装制程 IC構裝製程（Packaging）：利用塑膠或陶瓷包裝晶粒與配線以成積體電路目的：是為了製造出所生產的電路的保護層，避免電路受到機械性刮傷或是高溫破壞。 半导体制造工艺分类 半导体制造工艺分类 一双极型IC的基本制造工艺： A在元器件间要做电隔离区（PN结隔离、全介质隔离及PN结介质混合隔离）ECL（不掺金）（非饱和型）、TTL/DTL（饱和型）、STTL（饱和型）B在元器件间自然隔离 I2L（饱和型） 半导体制造工艺分类 二MOSIC的基本制造工艺： 根据栅工艺分类 A铝栅工艺 B硅栅工艺
半导体激光器工作原理及主要参数 OFweek激光网讯：半导体激光器又称为激光二极管（LD，Laser Diode），是采用半导体材料作为工作物质而产生受激发射的一类激光器。常用材料有砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟（InP）、硫化锌（ZnS）。激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦激励三种形式。半导体激光器件，一般可分为同质结、单异质结、双异质结。同质结激光器和单异质结激光器室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。半导体激光器的优点在于体积小、重量轻、运转可靠、能耗低、效率高、寿命长、高速调制，因此半导体激光器在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、激光医疗、激光测距、激光雷达、自动控制、检测仪器等领域得到了广泛的应用。 半导体激光器工作原理是：通过一定的激励方式，在半导体物质的能带（导带与价带）之间，或者半导体物质的能带与杂质（受主或施主）能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时便产生受激发射作用。半导体激光器的激励方式主要有三种：电注入式、电子束激励式和光泵浦激励式。电注入式半导体激光器一般是由GaAS（砷化镓）、InAS（砷化铟）、Insb（锑化铟）等材料制成的半导体面结型二极管，沿正向偏压注入电流进行激励，在结平面区域产生受激发射。电子束激励式半导体激光器一般用N型或者P型半导体单晶（PbS、CdS、ZhO等）作为工作物质，通过由外 部注入高能电子束进行激励。光泵浦激励式半导体激光器一般用N型或P型半导体单晶（GaAS、InAs、InSb等）作为工作物质，以其它激光器发出的激光作光泵激励。 目前在半导体激光器件中，性能较好、应用较广的是：具有双异质结构的电注入式GaAs 二极管半导体激光器。 半导体光电器件的工作波长与半导体材料的种类有关。半导体材料中存在着导带和价带，导带上面可以让电子自由运动，而价带下面可以让空穴自由运动，导带和价带之间隔着一条禁带，当电子吸收了光的能量从价带跳跃到导带中去时就把光的能量变成了电，而带有电能的电子从导带跳回价带，又可以把电的能量变成光，这时材料禁带的宽度就决定了光电器件的工作波长。 小功率半导体激光器（信息型激光器），主要用于信息技术领域，例如用于光纤通信及光交换系统的分布反馈和动态单模激光器（DFB-LD）、窄线宽可调谐激光器、用于光盘等信息处理领域的可见光波长激光器（405nm、532nm、635nm、650nm、670nm）。这些 器件的特征是：单频窄线宽、高速率、可调谐、短波长、光电单片集成化等。 大功率半导体激光器（功率型激光器），主要用于泵浦源、激光加工系统、印刷行业、生物医疗等领域。 半导体激光器主要参数： 波长nm：激光器工作波长，例如405nm、532nm、635nm、650nm、670nm、690nm、780nm、810nm、860nm、980nm。 阈值电流Ith：激光二极管开始产生激光振荡的电流，对小功率激光器而言其值约在数 十毫安。
半导体激光器工作原理 半导体激光器工作原理是：通过一定的激励方式，在半导体物质的能带（导带与价带）之间，或者半导体物质的能带与杂质（受主或施主）能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时便产生受激发射作用。半导体激光器的激励方式主要有三种：电注入式、电子束激励式和光泵浦激励式。电注入式半导体激光器一般是由GaAS（砷化镓）、InAS（砷化铟）、Insb （锑化铟）等材料制成的半导体面结型二极管，沿正向偏压注入电流进行激励，在结平面区域产生受激发射。电子束激励式半导体激光器一般用N型或者P型半导体单晶（PbS、CdS、ZhO等）作为工作物质，通过由外部注入高能电子束进行激励。光泵浦激励式半导体激光器一般用N型或P型半导体单晶（GaAS、InAs、InSb等）作为工作物质，以其它激光器发出的激光作光泵激励。
目前在半导体激光器件中，性能较好、应用较广的是：具有双异质结构的电注入式GaAs二极管半导体激光器。 半导体光电器件的工作波长与半导体材料的种类有关。半导体材料中存在着导带和价带，导带上面可以让电子自由运动，而价带下面可以让空穴自由运动，导带和价带之间隔着一条禁带，当电子吸收了光的能量从价带跳跃到导带中去时就把光的能量变成了电，而带有电能的电子从导带跳回价带，又可以把电的能量变成光，这时材料禁带的宽度就决定了光电器件的工作波长。 小功率半导体激光器（信息型激光器），主要用于信息技术领域，例如用于光纤通信及光交换系统的分布反馈和动态单模激光器（DFB-LD）、窄线宽可调谐激光器、用于光盘等信息处理领域的可见光波长激光器（405nm、532nm、635nm、650nm、670nm）。这些器件的特征是：单频窄线宽、高速率、可调谐、短波长、光电单片集成化等。大功率半导体激光器（功率型激光器），主要用于泵浦源、激光加工系统、印刷行业、生物医疗等领域。 半导体激光器主要参数： 1.波长nm：激光器工作波长，例如405nm、532nm、635nm、650nm、670nm、690nm、780nm、810nm、860nm、980nm。 2.阈值电流Ith：激光二极管开始产生激光振荡的电流，对小功率激光器而言其值约在数十毫安。 3.工作电流Iop：激光二极管达到额定输出功率时的驱动电流，此
本技术属于建筑材料领域，尤其是一种半导体器件制备工艺，针对现有只是将晶粒利用包装盒进行包装，这样的包装方式容易导致晶粒损坏的问题，现提出如下方案，其包括S1：首先将成卷的碳纤维复合膜放置在支撑架上，然后进行开卷，S2：将碳纤维复合膜放置在工作台上，支撑台上设有导向机构，以此可以防止碳纤维复合膜出现走偏的问题，S3：在支撑台的一侧卡装有夹紧机构，将碳纤维复合膜的一侧放置在夹紧机构上，并由夹紧机构对碳纤维复合膜进行夹紧。本技术通过将圆晶棒经过切割、打磨、过筛、抽真空以及密封包装，以此可以实现对圆晶粒进行真空包装的目的，可有效避免圆晶粒上附着水汽，所以便不会造成圆晶粒损坏。 权利要求书 1.一种半导体器件制备工艺，其特征在于，包括以下步骤： S1：首先将圆晶棒放入干燥剂中，将晶粒上所含有的水汽进行吸附； S2：将干燥完后的圆晶棒放入振荡筛中，以此可以将圆晶棒与干燥剂进行分离； S3：将放置于在Fab中，利用Fab可对晶圆棒完成切割； S4：在对圆晶棒进行切割后，将圆晶粒放入打磨箱内，并利用搅拌器对圆晶粒进行搅拌，以此可以实现对圆晶粒的外表面进行打磨； S5：在打磨之后，利用筛网对圆晶粒进行过筛，以此可以得到大小均匀的圆晶粒； S6：将圆晶粒放入漏斗内，并且漏斗上设有关门装置，使得圆晶粒通过漏斗投放寨包装袋内； S7：利用抽风机将包装袋内进行抽真空处理，之后利用热封机对包装袋进行封口处理；
S8：将软质填充入放入包装箱内，之后将经过真空处理后的圆晶粒放入包装箱内； S9：将干燥剂放入包装箱，之后将包装箱封装一层保护膜，在利用热风枪对保护膜，使得保护膜受热处于紧绷状态。 2.根据权利要求1所述的一种半导体器件制备工艺，其特征在于，所述S1中，干燥剂的成分是无水氯化钙，且无水氯化钙与圆晶棒的比例为 3.5:100。 3.根据权利要求1所述的一种半导体器件制备工艺，其特征在于，所述S2中，振荡筛的工作频率为10Hz，且振荡筛的孔径为5目。 4.根据权利要求1所述的一种半导体器件制备工艺，其特征在于，所述S3中，Fab设定尺寸为3微米，切割频率为1Hz。 5.根据权利要求1所述的一种半导体器件制备工艺，其特征在于，所述S4中，打磨箱内设有打磨球，利用打磨球对圆晶粒进行打磨，且搅拌器的转速为20r/min。 6.根据权利要求1所述的一种半导体器件制备工艺，其特征在于，所述S5中，筛网的孔径为15目，并且筛网由振动电机进行驱动。 7.根据权利要求1所述的一种半导体器件制备工艺，其特征在于，所述S6中，漏斗上设有推杆马达，且推杆马达与关门装置进行连接，以此利用推杆马达带动关门装置对漏斗进行开启或者关闭，漏斗上设有颗粒计数器，且颗粒计数器与推杆马达电性连接，利用颗粒技术器可以对圆晶粒进行计数，且数量在49-51之间，以此可以保证包装袋内的圆晶粒的数量基本一致。 8.根据权利要求1所述的一种半导体器件制备工艺，其特征在于，所述S7中，热封机的温度设置为180摄氏度，热风机的工作时长为30s。 9.根据权利要求1所述的一种半导体器件制备工艺，其特征在于，所述S8中，软质填充物为
一、填空题（每空1分，计31分） 1、工艺上用于四氯化硅的提纯方法有 吸附法 和 精馏法 。 2、在晶片表面图形形成过程中，一般通过腐蚀的方法将抗蚀膜图形转移到晶片上，腐蚀的方法有 湿法腐蚀 和 干法腐蚀 。 3、直拉法制备单晶硅的过程是：清洁处理——装炉——加热融化——拉晶，其中拉晶是最主要的工序，拉晶包括 下种 、 缩颈 、放肩、 等径生长 和收尾拉光等过程。 3、抛光是晶片表面主要的精细加工过程，抛光的主要方式有 化学抛光 、 机械抛光 和 化学机械抛光 。 4、掺杂技术包括有 热扩散 、 离子注入 、合金和中子嬗变等多种方法。 5、晶片中的锂、钠、钾等碱金属杂质，通常以 间隙式 （空位式或间隙式）扩散方式在晶片内部扩散，并且这类杂质通常称为 快扩散 （快扩散或慢扩散）杂质。 6、在有限表面源扩散中，其扩散后的杂质浓度分布函数符合 高斯分布函数 ； 而在恒定表面源扩散中，其扩散后的杂质浓度分布函数符合 余误差分布函数 。 7、在离子注入法的掺杂过程中，注入离子在非晶靶中的浓度分布函数满足对称的高斯分布，其浓度最大位于 R P 处。 8、在离子注入后，通常采用退火措施，可以消除由注入所产生的晶格损伤，常用的退火方式有 电子束退火 、 离子束退火 、 激光退火 。 9、根据分凝现象，若K 0＞1，则分凝后杂质集中在 尾部 （头部或尾部）；若K 0＜1，则杂质分凝后集中在 头部 （同上）。 10、把硅片置于氯化氢和氧气的混合气体中进行的氧化，称为 掺氯氧化 。 11、在二氧化硅的热氧化方法中，氧化速度最快的是 干氧氧化 方法。 12、氢氧合成氧化设备中，两个重要的保险装置是 氢气流量保险装置 和 温度保险装置 。 13、工艺中常用的测量二氧化硅厚度的方法有 比色法 和 椭圆偏振光法 。 14、固态源硼扩散中常用的硼源是 氮化硼 ，常用的液态磷源是 三氯氧磷 。 15、箱法扩散在工艺中重要用来进行TTL 电路 隐埋层 的锑扩散。 二、选择题（每题2分，单项多项均有，计12分） 1、 在SiO 2网络中，如果掺入了磷元素，能使网络结构变得更（ A ） （A ）疏松 （B ）紧密 （C ）视磷元素剂量而言 2、 在微电子加工环境中，进入洁净区的工作人员必须注意以下事项（A 、B 、C 、D ） （A ） 进入洁净区要先穿戴好专用净化工作服、鞋、帽。 （B ） 进入洁净区前先在风淋室风淋30秒，然后才能进入。 （C ） 每周洗工作服，洗澡、理发、剪指甲，不用化妆品。 （D ） 与工作无关的纸张、书报等杂物不得带入。 3、离子注入设备的组成部分有（A 、B 、C 、D ） （A ）离子源 （B ）质量分析器 （C ）扫描器 （D ）电子蔟射器 4、CVD 淀积法的特点有（A 、C 、D ） （A ）淀积温度比较低 （B ）吸附不会影响淀积速度 （C ）淀积材料可以直接淀积在单晶基片上 （D ）样品本身不参与化学反应 5、 工艺中消除沟道效应的措施有（A 、B 、C 、D ） （A ）增大注入剂量 （B ）增大注入速度 （C ）增加靶温 （D ）通过淀积膜注入 6、液态源硼扩散所选用的硼源有（A 、B 、C ） （A ）硼酸三甲脂 （B ）硼酸三丙脂 （C ）三溴化硼 （D ）三氯氧磷 三、判断（每题1分，计10分） 1、Ⅰ号液是碱性过氧化氢清洗液。 （ R ） 2、筛选器是用来去除杂质离子的设备。 （ R ） 3、石墨基座的清洁处理，首先用王水煮沸，再用去离子水冲洗。 （ R ） 4、注入窗口中淀积的二氧化硅薄层是起退沟道的作用。 （ R ） 5、以一般能量注入的重离子，在进入靶片中，以电子阻挡为主。 （ F ） 6、硅烷热分解法淀积中，一旦源变成黄色就不能使用。 （ R ） 7、在二氧化硅氧化膜中，可动钠离子含量要求越高越好。 （ F ） 8、二氧化硅中的宏观缺陷是指用肉眼可以直接观察到的缺陷。 （ R ） 9、氮化硼（BN ）是常用的固态硼杂质扩散源。 （ R ） 10、用四探针法可以测试扩散后的结深。 （ R ） 四、名词解释（每题5分，计20分） 1、杂质分凝 答：杂质在晶体中有一定分布，在固态中和液态中的分布又不一样，在晶体提纯时，利用杂质在晶体固态和液态的分布不一样，进行提纯，将杂质集中在晶体的头部或尾部，达到提纯的 装 订 班级 姓名 学号 成绩 － 学年第 学期 半导 第 学期 半导体制造工艺 半 导体制造工艺
集成电路制造工艺原理 课程总体介绍： 1．课程性质及开课时间：本课程为电子科学与技术专业（微电子技术方向和光电子技术方向）的专业选修课。本课程是半导体集成电路、晶体管原理与设计和光集成电路等课程的前修课程。本课程开课时间暂定在第五学期。 2．参考教材：《半导体器件工艺原理》国防工业出版社 华中工学院、西北电讯工程学院合编《半导体器件工艺原理》（上、下册） 国防工业出版社成都电讯工程学院编著 《半导体器件工艺原理》上海科技出版社 《半导体器件制造工艺》上海科技出版社 《集成电路制造技术-原理与实践》 电子工业出版社 《超大规模集成电路技术基础》电子工业出版社 《超大规模集成电路工艺原理-硅和砷化镓》 电子工业出版社 3．目前实际教学学时数：课内课时54学时 4．教学内容简介：本课程主要介绍了以硅外延平面工艺为基础的，与微电子技术相关的器件（硅器件）、集成电路（硅集成电路）的制造工艺原理和技术；介绍了与光电子技术相关的器件（发光器件和激光器件）、集成电路（光集成电路）的制造工艺原理，主要介绍了最典型的化合物半导体砷化镓材料以及与光器件和光集成电路制造相关的工艺原理和技术。 5．教学课时安排：(按54学时) 课程介绍及绪论2学时第一章衬底材料及衬底制备6学时 第二章外延工艺8学时第三章氧化工艺7学时第四章掺杂工艺12学时第五章光刻工艺3学时第六章制版工艺3学时第七章隔离工艺3学时 第八章表面钝化工艺5学时 第九章表面内电极与互连3学时 第十章器件组装2学
课程教案: 课程介绍及序论（2学时） 内容： 课程介绍： 1 教学内容 1.1与微电子技术相关的器件、集成电路的制造工艺原理 1.2 与光电子技术相关的器件、集成电路的制造 1.3 参考教材 2教学课时安排 3学习要求 序论： 课程内容： 1半导体技术概况 1.1 半导体器件制造技术 1.1.1 半导体器件制造的工艺设计 1.1.2 工艺制造 1.1.3 工艺分析 1.1.4 质量控制 1.2 半导体器件制造的关键问题 1.2.1 工艺改革和新工艺的应用 1.2.2 环境条件改革和工艺条件优化 1.2.3 注重情报和产品结构的及时调整 1.2.4 工业化生产 2典型硅外延平面器件管芯制造工艺流程及讨论 2.1 常规npn外延平面管管芯制造工艺流程 2.2 典型pn隔离集成电路管芯制造工艺流程 2.3 两工艺流程的讨论 2.3.1 有关说明 2.3.2 两工艺流程的区别及原因 课程重点：介绍了与电子科学与技术中的两个专业方向（微电子技术方向和光电子技术方向）相关的制造业，指明该制造业是社会的基础工业、是现代化的基础工业，是国家远景规划中置于首位发展的工业。介绍了与微电子技术方向相关的分离器件（硅器件）、集成电路（硅集成电路）的制造工艺原理的内容，指明微电子技术从某种意义上是指大规模集成电路和超大规模集成电路的制造技术。由于集成电路的制造技术是由分离器件的制造技术发展起来的，则从制造工艺上看，两种工艺流程中绝大多数制造工艺是相通的，但集成电路制造技术中包含了分离器件制造所没有的特殊工艺。介绍了与光电子技术方向相关的分离器件、集成电路的制造工艺原理的内容。指明这些器件（发光器件和激光器件）和集成电路（光集成电路）多是由化合物半导体为基础材料的，最常用和最典型的是砷化镓材料，本课程简单介绍了砷化镓材料及其制造器件时相关的工艺技术与原理。在课程介绍中，指出了集成电路制造工艺原理的内容是随着半导体器件制造工艺技术发展而发展的、是随着电子行业对半导体器件性能不断提高的要求（小型化、微型化、集成化、以及高频特性、功率特性、放大特性的提高）而不断充实的。综观其发展历程，由四十年代末的合金工艺原理到五十年代初的合金
摘要: 本文就半导体激光器介绍了半导体激光器的工作原理，较详尽地阐述了它在光纤通信中的应用情况。 关键词：半导体激光器谐振腔泵浦源工作物质光纤通信WDM 激光技术; 半导体激光 一、半导体激光器 1.什么叫激光 激光的英文叫Laser light amplification by stimulated emission of radiation. 就是通过受激 发射实现光放大。 光通过谐振腔的选模作用和增益介质的放 大作用，经过震荡和放大，实现拥有单色性、 准直性、相干性非常好的光束，这个就是激光。 激光器有很多种类型，但他的必要组成部 分无外乎：谐振腔、增益介质、泵浦源。 2、半导体激光器的工作原理 2.1基本条件： （1）有源区载流子反转分布 （2）谐振腔：使受激辐射多次反馈，形成振荡 （3）满足阈值条件，使增益>损耗，有足够的注入电流。 2.2工作原理 半导体激光器工作原理是激励方式，利用半导体物质(既 利用电子)在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两 个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈、 产生光的辐射放大，输出激光。 半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生 受激发射作用的器件.其工作原理是,通过一定的激励方式,在 半导体物质的能带(导带与价带)之间,或者半导体物质的能带 与杂质(受主或施主)能级之间,实现非平衡载流子的粒子数反 转,当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时,便产生 受激发射作用.半导体激光器的激励方式主要有三种,即电注入式,光泵式和高能电子束激励式。 理论上认为半导体激光器应该是在直接带隙半导 体PN结中．用注入载流子的方法实现由柏纳德—— 杜拉福格条件所控制的粒子数反转；由高度简并的电 子和空穴复合所产生的受激光辐射在光学谐振腔内振 荡并得到放大，最后产生相干激光输出。 就基本原理而论，半导体激光器和其它类型的激 光器没有根本的区别，都是基于受激光发射．要使激 光器得到相干的、受激光输出，须满足两个条件，即 粒子数反转条件与阈值条件．前者是必要条件，它意味着处于高能态的粒子（如半导体导带中的电子）数多于低能态的粒子数．达到这一条件，有源工作物质就具有增益。后者是充分
1、三种重要的微波器件：转移型电子晶体管、碰撞电离雪崩渡越时间二极管、MESFET。 2、晶锭获得均匀的掺杂分布：较高拉晶速率和较低旋转速率、不断向熔融液中加高纯 度多晶硅，维持熔融液初始掺杂浓度不变。 3、砷化镓单晶：p型半导体掺杂材料镉和锌，n型是硒、硅和锑 硅：p型掺杂材料是硼，n型是磷。 4、切割决定晶片参数：晶面结晶方向、晶片厚度（晶片直径决定）、晶面倾斜度（从 晶片一端到另一端厚度差异）、晶片弯曲度（晶片中心到晶片边缘的弯曲程度）。5、晶体缺陷：点缺陷（替位杂质、填隙杂质、空位、Frenkel，研究杂质扩散和氧化 工艺）、线缺陷或位错（刃型位错和螺位错，金属易在线缺陷处析出）、面缺陷（孪晶、晶粒间界和堆垛层错，晶格大面积不连续，出现在晶体生长时）、体缺陷（杂质和掺杂原子淀积形成，由于晶体固有杂质溶解度造成）。 6、最大面为主磨面，与<110>晶向垂直，其次为次磨面，指示晶向和导电类型。 7、半导体氧化方法：热氧化法、电化学阳极氧化法、等离子化学汽相淀积法。 8、晶体区别于非晶体结构：晶体结构是周期性结构，在许多分子间延展，非晶体结构 完全不是周期性结构。 9、平衡浓度与在氧化物表面附近的氧化剂分压值成正比。在1000℃和1个大气压下， 干氧的浓度C0是5.2x10^16分子数/cm^3，湿氧的C0是3x10^19分子数/cm^3。
10、当表面反应时限制生长速率的主要因素时，氧化层厚度随时间呈线性变化 X=B(t+)/A线性区（干氧氧化与湿氧氧化激活能为2eV,）；氧化层变厚时，氧化剂必须通过氧化层扩散，在二氧化硅界面与硅发生反应，并受扩散过程影响，氧化层厚度与氧化时间的平方根成正比，生长速率为抛物线X^2=B(t+)抛物线区（干氧氧化激活能是1.24Ev,湿氧氧化是0.71eV）。 11、线性速率常数与晶体取向有关，因为速率常数与氧原子进入硅中的结合速率和 硅原子表面化学键有关；抛物线速率常数与晶体取向无关，因为它量度的是氧化剂穿过一层无序的非晶二氧化硅的过程。 12、较薄的氧化层MOSFET栅氧化层用干氧氧化，较厚的用湿氧氧化，如MOS集成 电路中的场氧化层和双极型器件，以获得适当隔离和保护，20nm为界限。 13、给定氧化条件下，在<111>晶面衬底上生成的氧化层厚度大于<100>晶面衬底， 因为<111>方向线性速率常数更大。值得注意的是温度和时间相同时，湿氧氧化厚度是干氧的5~10倍。 14、氧化掩膜厚度一般用实验测量方法获得，主要取决于特定温度和时间下，不能 使低掺杂硅衬底发生反型，典型厚度为0.5um~1.0um。 15、二氧化硅中各掺杂杂质扩散常数依赖氧的密度、性能和结构。 16、MOS器件受氧化层中的电荷和位于二氧化硅-硅界面处势阱影响。 17、势阱和电荷的基本类别：界面势阱电荷Qit（由于二氧化硅-硅界面特性产生， 取决于这个界面的化学组分，势阱位于二氧化硅-硅界面处，能态在硅禁带中，界
半导体的生产工艺流程 微机电制作技术，尤其是最大宗以硅半导体为基础的微细加工技术(silicon-basedmicromachining)，原本就肇源于半导体组件的制程技术，所以必须先介绍清楚这类制程，以免沦于夏虫语冰的窘态。 一、洁净室 一般的机械加工是不需要洁净室(cleanroom)的，因为加工分辨率在数十微米以上，远比日常环境的微尘颗粒为大。但进入半导体组件或微细加工的世界，空间单位都是以微米计算，因此微尘颗粒沾附在制作半导体组件的晶圆上，便有可能影响到其上精密导线布局的样式，造成电性短路或断路的严重后果。 为此，所有半导体制程设备，都必须安置在隔绝粉尘进入的密闭空间中，这就是洁净室的来由。洁净室的洁净等级，有一公认的标准，以class10为例，意谓在单位立方英呎的洁净室空间内，平均只有粒径0.5微米以上的粉尘10粒。所以class后头数字越小，洁净度越佳，当然其造价也越昂贵。 为营造洁净室的环境，有专业的建造厂家，及其相关的技术与使用管理办法如下： 1、内部要保持大于一大气压的环境，以确保粉尘只出不进。所以需要大型鼓风机，将经滤网的空气源源不绝地打入洁净室中。 2、为保持温度与湿度的恒定，大型空调设备须搭配于前述之鼓风加压系统中。换言之，鼓风机加压多久，冷气空调也开多久。 3、所有气流方向均由上往下为主，尽量减少突兀之室内空间设计或机台摆放调配，使粉尘在洁净室内回旋停滞的机会与时间减至最低程度。 4、所有建材均以不易产生静电吸附的材质为主。 5、所有人事物进出，都必须经过空气吹浴(airshower)的程序，将表面粉尘先行去除。 6、人体及衣物的毛屑是一项主要粉尘来源，为此务必严格要求进出使用人员穿戴无尘衣，除了眼睛部位外，均需与外界隔绝接触(在次微米制程技术的工厂内，工作人员几乎穿戴得像航天员一样。)当然，化妆是在禁绝之内，铅笔等也禁止使用。 7、除了空气外，水的使用也只能限用去离子水(DIwater,de-ionizedwater)。一则防止水中粉粒污染晶圆，二则防止水中重金属离子，如钾、钠离子污染金氧半(MOS)晶体管结构之带电载子信道(carrierchannel)，影响半导体组件的工作特性。去离子水以电阻率(resistivity)来定义好坏，一般要求至17.5MΩ-cm以上才算合格；为此需动用多重离子交换树脂、RO逆渗透、与UV紫外线杀菌等重重关卡，才能放行使用。由于去离子水是最佳的溶剂与清洁剂，其在半导体工业之使用量极为惊人！ 8、洁净室所有用得到的气源，包括吹干晶圆及机台空压所需要的，都得使用氮气(98%)，吹干晶圆的氮气甚至要求99.8%以上的高纯氮！以上八点说明是最基本的要求，另还有污水处理、废气排放的环保问题，再再需要大笔大笔的建造与维护费用! 二、晶圆制作 硅晶圆(siliconwafer)是一切集成电路芯片的制作母材。既然说到晶体，显然是经过纯炼与结晶的程序。目前晶体化的制程，大多是采「柴可拉斯基」(Czycrasky)拉晶法(CZ法)。拉晶时，将特定晶向(orientation)的晶种(seed)，浸入过饱和的纯硅熔汤(Melt)中，并同时旋转拉出，硅原子便依照晶种晶向，乖乖地一层层成长上去，而得出所谓的晶棒(ingot)。晶棒的阻值如果太低，代表其中导电杂质(impuritydopant)太多，还需经过FZ法(floating-zone)的再结晶(re-crystallization)，将杂质逐出，提高纯度与阻值。 三、半导体制程设备 半导体制程概分为三类：(1)薄膜成长，(2)微影罩幕，(3)蚀刻成型。设备也跟着分为四类：(a)高温炉管，(b)微影机台，(c)化学清洗蚀刻台，(d)电浆真空腔室。其中(a)~(c)机台依序对应
浅谈半导体激光器及其应用 摘要：近十几年来半导体激光器发展迅速,已成为世界上发展最快的一门激光技术。由于半导体激光器的一些特点，使得它目前在各个领域中应用非常广泛，受到世界各国的高度重视。本文简述了半导体激光器的概念及其工作原理和发展历史,介绍了半导体激光器的重要特征,列出了半导体激光器当前的各种应用,对半导体激光器的发展趋势进行了预测。 关键词：半导体激光器、激光媒质、载流子、单异质结、pn结。 自1962年世界上第一台半导体激光器发明问世以来,半导体激光器发生了巨大的变化,极大地推动了其他科学技术的发展,被认为是二十世纪人类最伟大的发明之一。近十几年来,半导体激光器的发展更为迅速,已成为世界上发展最快的一门激光技术。半导体激光器的应用范围覆盖了整个光电子学领域,已成为当今光电子科学的核心技术。由于半导体激光器的体积小、结构简单、输入能量低、寿命较长、易于调制以及价格较低廉等优点,使得它目前在光电子领域中应用非常广泛,已受到世界各国的高度重视。 一、半导体激光器 半导体激光器是以直接带隙半导体材料构成的 Pn 结或 Pin 结为工作物质的一种小型化激光器。半导体激光工作物质有几十种,目前已制成激光器的半导体材料有砷化镓、砷化铟、锑化铟、硫化镉、碲化镉、硒化铅、碲化铅、铝镓砷、铟磷砷等。半导体激光器的激励方式主要有三种,即电注入式、光泵式和高能电子束激励式。绝大多数半导体激光器的激励方式是电注入,即给 Pn 结加正向电压,以使在结平面区域产生受激发射 ,也就是说是个正向偏置的二极管。因此半导体激光器又称为半导体激光二极管。对半导体来说,由于电子是在各能带之间进行跃迁 ,而不是在分立的能级之间跃迁,所以跃迁能量不是个确定值, 这使得半导体激光器的输出波长展布在一个很宽的范围上。它们所发出的波长在0.3～34μm之间。其波长范围决定于所用材料的能带间隙 ,最常见的是AlGaAs双异质结激光器,其输出波长为750～890nm。 半导体激光器制作技术经历了由扩散法到液相外延法(LPE), 气相外延法(VPE),分子束外延法(MBE),MOCVD 方法(金属有机化合物汽相淀积),化学束外延(CBE)以及它们的各种结合型等多种工艺。半导体激光器最大的缺点是:激光性能受温度影响大,光束的发散角较大(一般在几度到20度之间),所以在方向性、单色性和相干性等方面较差。但随着科学技术的迅速发展, 半导体激光器的研究正向纵深方向推进 ,半导体激光器的性能在不断地提高。以半导体激光器为核心的半导体光电子技术在 21 世纪的信息社会中将取得更大的进展, 发挥更大的作用。 二、半导体激光器的工作原理 半导体激光器是一种相干辐射光源,要使它能产生激光,必须具备三个基本条件 : 1、增益条件:建立起激射媒质(有源区)内载流子的反转分布,在半导体中代表电子能量的是由一系列接近于连续的能级所组成的能带 ,因此在半导体中要实现粒子数反转,必须在两个能带区域之间 ,处在高能态导带底的电子数比处在低能态价带顶的空穴数大很多,这靠给同质结或异质结加正向偏压,向有源层内注入必要的载流子来实现, 将电子从能量较低的价带激发到能量较高的导带中去。当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时 ,便产生受激发射作用。 2、要实际获得相干受激辐射 ,必须使受激辐射在光学谐振腔内得到多次反馈而
半导体制造工艺流程
半导体元件制造过程可分为 ?前段（Front End）制程 晶圆处理制程（Wafer Fabrication；简称Wafer Fab）、 晶圆针测制程（Wafer Probe）； ?後段（Back End） 构装（Packaging）、 测试制程（Initial Test and Final Test）
一、晶圆处理制程 ?晶圆处理制程之主要工作为在矽晶圆上制作电路与电子元件（如电晶体、电容体、逻辑闸等），为上述各制程中所需技术最复杂且资金投入最多的过程，以微处理器（Microprocessor）为例，其所需处理步骤可达数百道，而其所需加工机台先进且昂贵，动辄数千万一台，其所需制造环境为为一温度、湿度与含尘（Particle）均需控制的无尘室（Clean-Room），虽然详细的处理程序是随著产品种类与所使用的技术有关；不过其基本处理步骤通常是晶圆先经过适当的清洗（Cleaning）之後，接著进行氧化（Oxidation）及沈积，最後进行微影、蚀刻及离子植入等反覆步骤，以完成晶圆上电路的加工与制作。
二、晶圆针测制程 ?经过Wafer Fab之制程後，晶圆上即形成一格格的小格，我们称之为晶方或是晶粒（Die），在一般情形下，同一片晶圆上皆制作相同的晶片，但是也有可能在同一片晶圆上制作不同规格的产品；这些晶圆必须通过晶片允收测试，晶粒将会一一经过针测（Probe）仪器以测试其电气特性，而不合格的的晶粒将会被标上记号（Ink Dot），此程序即称之为晶圆针测制程（Wafer Probe）。然後晶圆将依晶粒为单位分割成一粒粒独立的晶粒
半导体激光器发光原理及工作原理 半导体激光器又称激光二极管，是用半导体材料作为工作物质的激光器。它具有体积小、寿命长的特点，并可采用简单的注入电流的方式来泵浦其工作电压和电流与集成电路兼容，因而可与之单片集成。由于这些优点，半导体二极管激光器在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、测距以及雷达等方面以及获得了广泛的应用。 激光器的发光原理一、粒子数反转； 二、要有谐振腔，能起到光反馈作用，形成激光振荡；形成形式多样，最简单的是法布里——帕罗谐振腔。 三、产生激光还必须满足阈值条件，也就是增益要大于总的损耗。 （1）满足一定的阀值条件。 为了形成稳定振荡，激光媒质必须能提供足够大的增益，以弥补谐振腔引起的光损耗及从腔面的激光输出等引起的损耗，不断增加腔内的光场。这就必须要有足够强的电流注人，即有足够的粒子数反转，粒子数反转程度越高，得到的增益就越大，即要求必须满足一定的电流阀值条件。当激光器达到阀值时，具有特定波长的光就能在腔内谐振并被放大，最后形成激光而连续地输出。 （2）谐振腔，能起到光反馈作用，形成激光振荡。 要实际获得相干受激辐射，必须使受激辐射在光学谐振腔内得到多次反馈而形成激光振荡，激光器的谐振腔是由半导体晶体的自然解理面作为反射镜形成的，通常在不出光的那一端镀上高反多层介质膜，而出光面镀上减反膜。 对F-P腔（法布里—拍罗腔）半导体激光器可以很方便地利用晶体的与P-N结平面相垂直的自然解理面构成F-P 腔。 （3）增益条件： 建立起激射媒质（有源区）内载流子的反转分布。在半导体中代表电子能量的是由一系列接近于连续的能级所组成的能带，因此在半导体中要实现粒子数反转，必须在两个能带区
半导体制造工艺流程 半导体相关知识 本征材料：纯硅9-10个 250000Ω.cm3 N型硅：掺入V族元素--磷P、砷As、锑Sb P型硅：掺入III族元素—镓Ga、硼B PN结： 半导体元件制造过程可分为 前段（Front End）制程 晶圆处理制程（Wafer Fabrication；简称Wafer Fab）、 晶圆针测制程（Wafer Probe）； 后段（Back End） 构装（Packaging）、 测试制程（Initial Test and Final Test） 晶圆边缘检测系统 一、晶圆处理制程 晶圆处理制程之主要工作为在矽晶圆上制作电路与电子元件，为各制程中所需技术最复杂且资金投入最多的过程，以微处理器（Microprocessor）为例，其所需处理步骤可达数百道，而其所需加工机台先进且昂贵，有时可达数千万一台，其所需制造环境为为一温度、湿度与含尘（Particle）均需控制的无尘室（Clean-Room），虽然详细的处理程序是随著产品种类与所使用的技术有关；不过其基本处理步骤通常是晶圆先经过适当的清洗（Cleaning）之后，接著进行氧化（Oxidation）及沉积，最后进行微影、蚀刻及离子植入等反覆步骤，以完成晶圆上电路的加工与制作。 晶圆与晶片的区别 制造半导体前，必须将硅转换为晶圆片。这要从硅锭的生长开始。单晶硅是原子以三维空间模式周期形成的固体，这种模式贯穿整个材料。多晶硅是很多具有不同晶向的小单晶体单独形成的，不能用来做半导体电路。多晶硅必须融化成单晶体，才能加工成半导体应用中使用的晶圆片。晶片由晶圆切割成，直径和晶圆相同，厚度为300μm 由于硅很硬，要用金刚石锯来准确切割晶圆片，以得到比要求尺寸要厚一些的晶片。激光锯也有助于减少对晶圆片的损伤、厚度不均、弯曲以及翘曲缺陷。 切割晶圆片后，开始进入研磨工艺。研磨晶圆片以减少正面和背面的锯痕和表面损伤。同时打薄晶圆片并帮助释放切割过程中积累的硬力。研磨后，进入刻蚀和清洗工艺，使用氢氧化钠、乙酸和硝酸的混合物以减轻磨片过程中产生的损伤和裂纹。关键的倒角工艺是要将晶圆片的边缘磨圆，彻底消除将来电路制作过程中破损的可能性。倒角后，要按照最终用户的要求，经常需要对边缘进行抛光，提高整体清洁度以进一步减少破损。
实验13半导体激光器实验 【实验目的】 1.通过实验熟悉半导体激光器的电学特性、光学特性。 2.掌握半导体激光器耦合、准直等光路的调节。 3.根据半导体激光器的光学特性考察其在光电子技术方面的应用。 4.掌握WGD-6光学多道分析器的使用 【仪器用具】 半导体激光器及可调电源、WGD-6型光学多道分析器、可旋转偏振片、旋转台、多功能光学升降台、光功率指示仪 【实验原理】 1、半导体激光器的基本结构 半导体激光器的全称为半导体结型二极管激光器，也称激光二极管，激光二极管的英文名称为laser diode，缩写为LD。大多数半导体激光器用的是GaAs或GaAlAs材料。P-N结激光器的基本结构和基本原理如图13-1所示，P-N结通常在N型衬底上生长P型层而形成。在P区和N区都要制作欧姆接触，使激励电流能够通过，这电流使得附近的有源区内产生粒子数反转（载流子反转），还需要制成两个平行的端面起镜面作用，为形成激光模提供必需的光反馈。 图13-1（a）半导体激光器结构
图13-1（b ） 半导体激光器工作原理图 2、半导体激光器的阈值条件 阈值电流作为各种材料和结构参数的函数的一个表达式： )]1ln(21[8202R a D en J Q th +?=ληγπ 这里， Q η是内量子效率，0λ是发射光的真空波长，n 是折射率， γ?是自发辐射线宽，e 是电子电荷，D 是光发射层的厚度， α是行波的损耗系数，L 是腔长，R 为功率反射系数。
图13-2半导体激光器的P-I特性 图13-3 不同温度下半导体激光器的发光特性 3、伏安特性 伏安特性描述的是半导体激光器的纯电学性质，通常用V-I曲线表示。V-I曲线的变化反映了激光器结特性的优劣。与伏安特性相关联的一个参数是LD的串联电阻。对V-I曲线进行一次微商即可确定工作电流（I）处的串联电阻（dV/dI）。对LD而言总是希望存在较小的串联电阻。 图13-4典型的V-I曲线和相应的dV/dI曲线 3、横模特性 半导体激光器的共振腔具有介质波导的结构，所以在共振腔中传播光以模的形式存在。每个模都由自己的传播系数β和横向电场分布，这些模就构成了半导体激光器中的横模。横模经端面出射后形成辐射场。辐射场的角分布沿平行于结面方向和垂直结面方向分别成为正横场和侧横场。 辐射场的角分布和共振腔的几何尺寸密切相关，共振腔横向尺寸越小，辐射场发射角越大。由于共振腔平行于结面方向的宽带大于垂直于结面方向的厚度。所以侧横场小于正横场 θ=，d表示共振腔宽度。共振发射角，如图13-5所示；侧横场发射角可近似表示为：d/λ