半导体材料第2讲-硅和锗的化学制备 (2)

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。

第一章硅、锗的化学制备㈠比较三氯氢硅氢还原法和硅烷法制备高纯硅的优缺点?答：1.S i HCl3氢还原法:优点: 产量大、质量高、成本低，由于S i HCl3中有一个S i-H键，活泼易分解，沸点低，容易制备、提纯和还原。

缺点：B、P杂质较难去除（基硼、基磷量），这是影响硅电学性能的主要杂质。

2.硅烷法：优点: 杂质含量小；无设备腐蚀；不使用还原剂；便于生长外延层。

缺点: 制备过程的安全性要求高。

㈡制得的高纯多晶硅的纯度：残留的B、P含量表示（基硼、基磷量）。

㈢*精馏提纯：利用混合液中各组分的沸点不同来达到分离各组分的目的。

第二章、区熔提纯1.以二元相图为例说明什么是分凝现象？平衡分凝系数？有效分凝系数？答：如图是一个二元相图，在一个系统中，当系统的温度为T0时，系统中有固相和液相。

由图中可知，固相中杂志含量Cs<C L（液相中杂志成分）。

1、这种含有杂志的晶态物质熔化后再结晶时，杂志在结晶的固体和未结晶的液体中浓度不同的现象叫做*分凝现象。

2、在一定温度下，平衡状态时，杂质在固液两相中浓度的比值K0=C S/C L叫作平衡分凝系数。

3、为了描述界面处薄层中杂质浓度偏离对固相中的杂质浓度的影响，把固相杂质浓度C S与熔体内部的杂质浓度C L0的比值定义为*有效分凝系数。

K eff=C S/C L02.推导BPS公式，说明各个物理量的含义并讨论影响分凝系数的因素。

答：*BPS公式推导：书P21~P23式中：K0为平衡分凝系数；K eff为有效分凝系数；f为固液相面的的移动速度；δ为扩散层厚度；D为扩散系数。

影响分凝系数的因素：①当f 远大于D/δ时, fD/δ→+∞,exp(-fD/δ) →0,Keff→1,即固液中杂质浓度差不多.分凝效果不明显。

②当f 远小于D/δ时, fD/δ→0,exp(-fD/δ) →1,Keff→K0,分凝效果明显。

③扩散层厚度和扩散系数，D/δ越小，分凝结果越差。

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。

锗的提取方法嘿，你知道锗这种神奇的元素吗？它就像一个隐藏在大自然深处的宝藏，等待着人们去发掘。

今天呀，咱就来好好聊聊锗是怎么被提取出来的。

我有个朋友叫小李，他就在一家从事稀有金属研究的实验室工作。

有一次我去他那儿，就像刘姥姥进大观园一样，对他们那些实验设备和研究对象充满了好奇。

我一眼就看到了一个关于锗的研究项目，然后就缠着他给我讲讲锗的提取方法。

首先呢，锗在自然界中的含量那可不算多，它就像一个害羞的小精灵，总是藏在其他矿物里面。

最常见的呢，就是和锌矿等矿物共生。

这就好比一群小伙伴在玩捉迷藏，锗就躲在锌矿这些大哥哥的身后。

要把锗提取出来，就像是从一群小伙伴中精准地找到那个最害羞的小家伙一样不容易。

一种常见的提取锗的方法是从含锗的矿石开始的。

就拿闪锌矿来说吧。

矿石开采出来后，要先进行选矿，这选矿就像是一场初步的筛选大赛。

工人们或者机器把矿石中的杂质尽可能地去除掉，只留下那些含锗量相对较高的矿石。

这就好像是在一群候选人里，先把那些明显不符合条件的给淘汰掉一样。

我当时就问小李：“这选矿是不是就像咱们挑苹果，把坏的先扔掉啊？”小李笑着说：“嘿，你这么理解也没错，就是这么个理儿。

”接下来就是冶金的过程啦。

这个过程可复杂着呢。

一般来说，要先把选好的矿石进行焙烧。

这焙烧就像是给矿石来一场高温的洗礼。

通过焙烧，矿石中的一些成分会发生化学变化。

对于含锗的矿石来说，焙烧能让锗以一种更容易被提取的形态存在。

我在想啊，这矿石在高温下是不是就像在热锅上的蚂蚁一样，发生着翻天覆地的变化呢？然后呢，就到了浸出这一步。

浸出就像是用水或者其他溶剂去给经过焙烧的矿石来个温柔的“按摩”，把其中的锗给溶解出来。

这就好比是用特殊的“魔法水”把藏在矿石里的锗精灵给召唤出来。

不过这可不是随便的水就行哦，要调配特殊的溶液，这个溶液的配方就像是厨师做菜的独家秘方一样重要。

我好奇地问小李：“这溶液得有多神奇才能把锗给弄出来啊？”小李眼睛一亮说：“这溶液啊，那可是经过无数次试验才确定下来的，就像为了钓到一条特别的鱼，要准备最诱人的鱼饵一样。