半导体材料硅和锗的化学制备

半导体材料课程教学大纲一、课程说明（一）课程名称：半导体材料所属专业：微电子科学与工程课程性质：专业限选学分： 3（二）课程简介：本课程重点介绍第一代和第二代半导体材料硅、锗、砷化镓等的制备基本原理、制备工艺和材料特性，介绍第三代半导体材料氮化镓、碳化硅及其他半导体材料的性质及制备方法。

目标与任务：使学生掌握主要半导体材料的性质以及制备方法，了解半导体材料最新发展情况、为将来从事半导体材料科学、半导体器件制备等打下基础。

（三）先修课程要求：《固体物理学》、《半导体物理学》、《热力学统计物理》；本课程中介绍半导体材料性质方面需要《固体物理学》、《半导体物理学》中晶体结构、能带理论等章节作为基础。

同时介绍材料生长方面知识时需要《热力学统计物理》中关于自由能等方面的知识。

（四）教材：杨树人《半导体材料》主要参考书：褚君浩、张玉龙《半导体材料技术》陆大成《金属有机化合物气相外延基础及应用》二、课程内容与安排第一章半导体材料概述第一节半导体材料发展历程第二节半导体材料分类第三节半导体材料制备方法综述第二章硅和锗的制备第一节硅和锗的物理化学性质第二节高纯硅的制备第三节锗的富集与提纯第三章区熔提纯第一节分凝现象与分凝系数第二节区熔原理第三节锗的区熔提纯第四章晶体生长第一节晶体生长理论基础第二节熔体的晶体生长第三节硅、锗单晶生长第五章硅、锗晶体中的杂质和缺陷第一节硅、锗晶体中杂质的性质第二节硅、锗晶体的掺杂第三节硅、锗单晶的位错第四节硅单晶中的微缺陷第六章硅外延生长第一节硅的气相外延生长第二节硅外延生长的缺陷及电阻率控制第三节硅的异质外延第七章化合物半导体的外延生长第一节气相外延生长（VPE）第二节金属有机物化学气相外延生长（MOCVD）第三节分子束外延生长（MBE）第四节其他外延生长技术第八章化合物半导体材料（一）：第二代半导体材料第一节 GaAs、InP等III-V族化合物半导体材料的特性第二节 GaAs单晶的制备及应用第三节 GaAs单晶中杂质控制及掺杂第四节 InP、GaP等的制备及应用第九章化合物半导体材料（二）：第三代半导体材料第一节氮化物半导体材料特性及应用第二节氮化物半导体材料的外延生长第三节碳化硅材料的特性及应用第十章其他半导体材料第一节半导体金刚石的制备及应用第二节低维半导体材料及应用第三节有机半导体材料（一）教学方法与学时分配按照教材中的内容，通过板书和ppt进行讲解。

锗的制备方法锗是一种重要的半导体材料，广泛应用于电子、光电子和太阳能电池等领域。

本文介绍了几种常见的锗的制备方法，包括锗的提纯、单晶生长和薄膜制备等。

下面是本店铺为大家精心编写的3篇《锗的制备方法》，供大家借鉴与参考，希望对大家有所帮助。

《锗的制备方法》篇1一、锗的提纯锗的提纯主要有以下几种方法:1. 离子交换法：利用锗离子选择性强的阳离子交换树脂，将锗从含有锗的矿物中提取出来。

然后再通过电解法将锗离子还原成锗金属。

2. 气相法：将含有锗的矿物与氢气一起加热，使锗转化为挥发性锗氢化物。

然后将锗氢化物通过冷凝器冷却回收，再通过氢气还原法将锗氢化物还原成锗金属。

3. 湿法冶金法：将含有锗的矿物与硫酸、硝酸等强酸一起加热，使锗转化为水溶性的锗化合物。

然后通过离子交换、电解等方法将锗提取出来。

二、锗单晶生长锗单晶生长主要有以下几种方法:1. 直拉法 (Czochralski 法):将多晶锗加热融化，然后通过一个叫做“晶圆炉”的设备，将熔融的锗液体上升到一个细长的晶圆坩埚中。

在晶圆坩埚中，锗液体会慢慢凝固成晶体，然后慢慢被拉出成长为锗单晶。

2. 悬浮区熔法：将多晶锗加热融化，然后在一个高温高压下，将融化的锗通过一个叫做“悬浮区熔炉”的设备，使其在熔体中形成一个稳定的熔体区域。

在这个熔体区域内，锗原子可以自由移动，形成单晶。

三、锗薄膜制备锗薄膜制备主要有以下几种方法:1. 化学气相沉积法 (CVD 法):将锗前驱体气体引入一个反应室中，通过加热反应室和控制反应条件，使锗前驱体气体在基底表面发生化学反应，形成锗薄膜。

2. 溅射法：将锗靶材放置在真空腔中，通过加热靶材和控制真空腔中的气体压力，使锗靶材上的锗原子被溅射到基底表面，形成锗薄膜。

《锗的制备方法》篇2锗的制备方法主要有以下几种：1. 锗的矿物提取法：锗主要存在于硫化物矿物中，如闪锌矿、方铅矿、辉锑矿等。

将含有锗的矿物原料经过破碎、磨粉、选矿等工艺，得到含锗的精矿。

第一章硅和锗的化学制备第章和锗的化学制备§1-1 硅和锗的物理化学性质1、Si和Ge的物理性质Si、Ge——元素周期表中第Ⅳ族元素Si——银白色Ge——灰色二者熔体密度比固体密度大，故熔化后会体积收缩（锗收缩5.5%，而硅大约收缩10%）55%而硅大约收缩符硅锗性质号单位原子序数Z1432原子量W28.0872.60原子密度 5.22×1022 4.42×1022个/cm3晶体结构金刚石型金刚石型晶格常数a0.54310.5657nm密度d 2.329 5.323g/cm3熔点T1417937℃m沸点T b26002700℃热导率χ 1.570.60W/cm℃W/cm·比热C P0.69500.3140J/g· ℃线热胀系数α 2.33×10 5.75×10cm℃233-6575-6cm·-1性质符号硅锗单位熔化潜热Q 3956534750J/mol 冷凝时膨胀d v+9.0+5.5%介电常数ε11.716.3禁带宽度1153075（0K ）E g 1.1530.75eV (300 K) 1.1060.67eV 电子迁移率13503900/V μn cm 2/V·s 空穴迁移率μP 4801900cm 2/V·s 电子扩散系数D n 34.6100.0cm 2/s 空穴扩散系数D P 12.348.7cm 2/s 本征电阻率p i 2.3×10546.0Ω·cm 本征载流子密度n 1.5×1010 2.4×1013cm -34i 杨氏摸量E1.9×107N/cm 2从硅锗的主要物理性质可以看出：1、硅的禁带宽度比锗大，电阻率比锗大四个数量级，Si 可用做高压器件，且工作温度比锗器件高；器件高2、锗的迁移率比硅大，可做低压大电流和高频器件。

2、Si和Ge的化学性质室温下，硅、锗的化学性质比较稳定，但可与强酸、强碱作用。

sige bicmos工艺技术单栅双极Sige BiCMOS工艺技术是一种结合了硅锗合金(SiGe)半导体材料和双极材料的射频(RF)集成电路工艺。

SiGe BiCMOS可以提供更高的频率、更低的功耗和更大的集成度，被广泛应用于无线通信、雷达和卫星应用等领域。

SiGe是一种半导体合金材料，由硅(Si)和锗(Ge)组成。

相比于传统的硅材料，SiGe具有更高的迁移率和较低的击穿电压，有利于提高射频性能。

由于SiGe具有良好的线性特性和热稳定性，能够提供更低的功耗和更高的工作温度范围。

BiCMOS则是双极/CMOS的缩写，是集成了双极晶体管和CMOS晶体管的一种混合工艺。

相比于纯CMOS工艺，BiCMOS具有更好的线性特性和更高的驱动能力，适用于高频率和高功率应用。

在SiGe BiCMOS工艺中，首先需要制备SiGe材料。

SiGe可以通过分子束外延(MBE)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)等方法生长在硅衬底上。

然后，通过光刻、干法刻蚀等步骤，将SiGe材料中的双极晶体管和CMOS晶体管的结构定义出来。

SiGe BiCMOS工艺中的双极晶体管主要用于放大、混频和振荡等射频应用。

SiGe材料的高迁移率可以提供更好的放大倍数和更低的噪声系数，在射频电路中起到关键作用。

同时，双极晶体管具有较高的转导/干控制电流比，能够实现更高的电压放大比和更大的驱动能力。

CMOS晶体管则用于数字逻辑、时钟和控制等功能。

通过调整CMOS晶体管的尺寸和工作电压，可以实现低功耗和高集成度。

CMOS晶体管的特点是低功耗、低噪声和高可靠性，适用于数字信号处理和时钟电路等应用。

SiGe BiCMOS工艺还可以实现器件的集成度和工作频率的提高。

SiGe BiCMOS可以采用多层金属互连、多晶硅技术等手段，实现电路的布线和互连。

同时，SiGe BiCMOS还可以实现复杂的射频功能模块的集成，如滤波器、功率放大器和混频器等。

总之，SiGe BiCMOS工艺技术是一种结合了硅锗合金和双极材料的射频集成电路工艺，具有更高的频率、更低的功耗和更大的集成度。

锗是一种晶体硅锗合金材料，由硅、锗、磷等元素组成，具有半导体特性，被广泛应用于电子、光电和半导体领域。

锗提取工艺一般包括以下步骤：
1. 原料准备。

根据化学计量比例混合硅、锗、磷原料，然后将混合物进行破碎、筛分、洗涤等处理，得到粒度均匀的粉末。

2. 碳化炉反应。

将准备好的粉末装入碳化炉，并加入适量的氮气或氩气，使其在高温下进行反应，生成锗单质和碳化硅等产物。

3. 硼掺杂。

将生成的锗单质和碳化硅等材料进行混合，然后在一定条件下加入掺杂剂（如硼），进行掺杂处理。

4. 石墨坩埚熔炼。

将掺杂后的材料装入石墨坩埚中，在高温条件下进行熔炼处理，得到具有晶体结构的锗体。

5. 检测和加工。

对生成的锗体进行检测和测试，检查其性能是否符合要求，并进行裁切和打磨等加工，得到符合规格的锗体材料。

需要注意的是，锗体取工艺要求设备精度高，工艺流程严谨，操作技术熟练，且除尘排放等环保问题也需要得到重视。

单晶材料的制备方法介绍1. Czochralski法（CZ法）：CZ法是制备单晶材料最常用的方法之一、该方法适用于硅、锗等半导体材料的制备。

首先，将纯度较高的多晶材料放入石英坩埚中，加热至熔融状态。

然后，悬挂一根称为“种子”的单晶材料，在熔融液与种子的接触面上形成一层新的单晶材料。

接着，将种子缓慢提升，使新生长的单晶材料通过熔液与种子的接触面向上生长。

最终，可以获得一颗完整的单晶材料。

2.化学气相输送法（CVD法）：CVD法适用于制备金属、氧化物、氮化物等材料的单晶。

该方法需要使用金属有机化合物或氯化物等作为前体物质，以气体状态输送到反应室中。

在反应室中，前体物质被加热分解，产生含有金属元素或其化合物的气体。

随后，这些气体在合适的温度和压力下与基底反应，形成单晶生长。

3. 溶剂热法（Solvothermal法）：溶剂热法适用于制备氧化物、硫化物、硒化物等材料的单晶。

首先，在一个封闭的反应容器中，将反应物溶解在有机溶剂或水溶液中。

然后，将反应容器加热到合适的温度和压力，通过溶剂的溶解度变化促进物质的结晶。

最终，在反应容器中可以得到单晶材料。

4. 浸渍法（Dip Coating法）：浸渍法适用于制备薄膜的单晶材料。

首先，将基底材料浸入含有单晶前体物质的溶液中。

然后，缓慢提取基底材料，使溶液中的单晶前体物质逐渐沉积在基底上形成薄膜。

这个过程可以重复进行多次，以增加薄膜的厚度。

最后，通过热处理等方法使薄膜结晶，形成单晶材料。

5. 悬浮法（Floating Zone法）：悬浮法适用于制备高熔点材料的单晶。

首先，将反应材料加热至熔融状态。

然后，使用高温电子束或激光束加热材料，在熔液中形成一个高温区域。

在高温区域内，材料逐渐凝固并形成单晶。

通过慢慢移动高温区域，可以得到一颗完整的单晶材料。

以上是几种常用的单晶材料制备方法的简要介绍。

在实际制备过程中，需要结合具体的材料和要求来选择适合的方法，并对工艺参数进行优化，以获得高质量的单晶材料。

半导体材料（复习资料）半导体材料复习资料0:绪论1.半导体的主要特征：（1）电阻率在10-3 ~ 109 ??cm 范围（2）电阻率的温度系数是负的（3）通常具有很高的热电势（4）具有整流效应（5）对光具有敏感性，能产生光伏效应或光电导效应2.半导体的历史：第一代：20世纪初元素半导体如硅（Si）锗（Ge）；第二代：20世纪50年代化合物半导体如砷化镓（GaAs）铟磷（InP）；第三代：20世纪90年代宽禁带化合物半导体氮化镓（GaN）碳化硅（SiC）氧化锌（ZnO）。

第一章：硅和锗的化学制备第一节：硅和锗的物理化学性质１.硅和锗的物理化学性质１）物理性质硅和锗分别具有银白色和灰色金属光泽，其晶体硬而脆。

二者熔体密度比固体密度大，故熔化后会发生体积收缩（锗收缩5.5%，而硅收缩大约为10%）。

硅的禁带宽度比锗大，电阻率也比锗大4个数量级，并且工作温度也比锗高，因此它可以制作高压器件。

但锗的迁移率比硅大，它可做低压大电流和高频器件。

2）化学性质（1）硅和锗在室温下可以与卤素、卤化氢作用生成相应的卤化物。

这些卤化物具有强烈的水解性，在空气中吸水而冒烟，并随着分子中Si(Ge)?H键的增多其稳定性减弱。

（2）高温下，化学活性大，与氧，水，卤族(第七族)，卤化氢，碳等很多物质起反应，生成相应的化合物。

注：与酸的反应（对多数酸来说硅比锗更稳定）；与碱的反应（硅比锗更容易与碱起反应）。

2.二氧化硅（SiO2）的物理化学性质物理性质：坚硬、脆性、难熔的无色固体，1600℃以上熔化为黏稠液体，冷却后呈玻璃态存在形式：晶体(石英、水晶)、无定形(硅石、石英砂) 。

化学性质：常温下，十分稳定，只与HF、强碱反应3.二氧化锗（GeO2）的物理化学性质物理性质：不溶于水的白色粉末，是以酸性为主的两性氧化物。

两种晶型：正方晶系金红石型，熔点1086℃；六方晶系石英型，熔点为1116℃化学性质：不跟水反应，可溶于浓盐酸生成四氯化锗，也可溶于强碱溶液，生成锗酸盐。

半导体制备工艺流程1.原材料准备：首先，需要准备半导体材料的原料，如硅、锗等。

这些原料通常以多晶体或单晶体的形式存在，并需要进行纯化和化学处理，以去除杂质和提高纯度。

2. 制备单晶体：在这一步骤中，需要通过一种称为Czochralski方法的技术，将纯化后的原料制备成单晶体。

该方法利用一个熔融的原料，通过加入引导晶体和控制温度的方式，使晶体在慢慢生长的过程中形成。

3.切割晶片：获得的单晶体需要进行切割，以获得具有所需尺寸和形状的晶片。

这通常通过使用金刚石工具进行切割，因为金刚石具有很高的硬度，可以有效地切割晶体。

4.磨削和研磨：切割后的晶片可能会有表面不平整或粗糙的问题，需要进行磨削和研磨处理。

这一步骤将使用机械磨削和化学机械研磨的方法，逐渐将晶片表面磨平和研磨至所需的光洁度和平整度。

5.清洗和去除杂质：在晶片表面研磨完成后，需要进行清洗和去除杂质的处理。

这一步骤通常使用酸、溶剂或等离子体处理，以去除表面的有机和无机杂质，并提高单晶片的表面质量和净化度。

6.氧化处理：经过清洗和净化的单晶片需要进行表面氧化处理，以形成一层氧化膜。

氧化处理可以通过热氧化或湿氧化的方法进行，其中热氧化是利用高温下的氧气将晶片表面氧化，而湿氧化则是在有水蒸汽的条件下进行。

7.控制掺杂：在制备半导体器件时，通常需要对晶片进行掺杂处理，以改变其电子性能。

掺杂可以通过离子注入或扩散的方式进行，其中离子注入将所需的杂质离子直接注入晶片中，而扩散则是将杂质担体直接接触至晶片表面，然后通过高温处理使其扩散至晶片内部。

8.图案化处理：在制备半导体芯片时，需要根据所需的电路设计，在晶片表面进行图案化处理。

这一步骤通常包括光刻、蚀刻、沉积和清洗等工艺步骤，以逐步形成器件所需的结构和层次。

9.金属化处理：在芯片制备的最后阶段，需要进行金属化处理，以将电路连接至芯片的引脚或电极。

这一步骤通常涉及金属沉积、刻蚀和清洗等工艺步骤，以形成电路和引脚之间的良好电气连接。

一、微电子材料概述1、摩尔定律：集成度每3年乘以4，加工工艺的特征线宽每6年下降一半。

摩尔定律中提到的减少成本是集成电路最大的吸引力之一，并且随着技术发展，集成化程度越高，低成本的优点更为明显。

2、3、2010年10月5日，瑞典皇家科学院将2010年的诺贝尔物理学奖授予英国曼彻斯特大学的两位教授Andre Geim 和Konstantin Novoselov，以表彰他们对石墨烯的研究。

石墨烯是至今发现的厚度最薄和的强度最高的材料。

4、目前全球最主要的晶圆代工厂包括TSMC、三星、台联电、GlobalFoundries、IBM、SMIC、华虹宏力等。

5、特征尺寸继续缩小所面临的挑战包括：1、微细加工——光刻技术；2、互连技术——铜互连；3、新型器件结构&材料体系——高、低K介质、金属栅电极、SOI材料等。

6、在半导体中存在着自由电子和空穴两种载流子，而导体中只有自由电子这一种载流子，这是半导体与导体的不同之处。

7、在掺入杂质后，载流子的数目都有相当程度的增加。

因而对半导体掺杂是改变半导体导电性能的有效方法。

二、硅和锗的化学制备1、根据物质的导电性,物质可以分为金属、半导体及绝缘体，人们发现，电子在最高能带的占有率决定此物质的导电性。

2、根据材料的重要性和开发成功的先后顺序,半导体材料可以分为三代：第一代半导体材料---硅(Si)；第二代半导体材料---砷化镓(GaAs)；第三代半导体材料---氮化镓(GaN)。

3、（物理性质）硅的禁带宽度比锗大，电阻率也比锗大4个数量级，因此硅可制作高压器件且工作温度比锗高。

但是锗的迁移率比硅大，可做低压大电流和高频器件4、硅的主要来源是石英砂，另外，在许多的矿物中含有大量的硅酸盐，也是硅的来源之一。

通常把95%-99%纯度的硅称为粗硅或工业硅。

5、制备高纯硅主要采用两种方法：三氯氢硅氢还原法和硅烷法，两种方法各有利弊。

其中三氯硅烷法（SiHCl3)☞产量大、质量高、成本低，是目前国内外制取高纯硅的主要方法。