第1篇 3
第1章 半导体材料的物理和化学性质 3
1.1 晶格结构 3
1.1.1 晶格结构的周期性、晶胞 3
1.1.2 晶列、晶面和密勒指数 3
1.1.3 密堆集、配位数 4
1.1.4 主要半导体的晶格结构 7
1.1.5 晶格常数 10
1.2 能带和能级 12
1.2.1 布洛赫定理和布里渊区 12
1.2.2 主要半导体的能带结构 12
1.2.3 能带边及其参数 25
1.2.4 半导体中的杂质能级 30
1.3 物理性质和常数 35
1.3.1 半导体的物理性质与键特性的关系 35
1.3.2 半导体材料的机械和热学性质 36
1.3.3 半导体材料的电学性质 42
1.3.4 半导体的光学常数 47
1.4 物化特性 52
1.4.1 杂质分凝效应 52
1.4.2 相平衡和相图 57
1.4.3 半导体材料的热力学数据 65
1.5 材料的化学性质 71
1.5.1 硅的主要化学性质 71
1.5.2 锗的主要化学性质 72
1.5.3 碳化硅的主要化学性质 72
1.5.4 砷化镓的主要化学性质 73
1.5.5 磷化铟的主要化学性质 73
参考资料 73
第2章 元素半导体材料的制备 76
2.1 多晶硅制备工艺 76
2.1.1 工艺流程 76
2.1.2 工业硅的制备 76
2.1.3 SiHCl3的合成 77
2.1.4 SiHCl3的提纯 79
2.1.5 SiHCl3氢还原 80
2.2 直拉法制备硅单晶工艺 82
2.2.1 结晶原理 82
2.2.2 拉晶设备（单晶炉） 84
2.2.3 原辅材料 87
2.2.4 热场（或温场） 90
2.2.5 拉晶工艺 90
2.2.6 质量控制 109
2.3 悬浮区熔法制备硅单晶工艺 111
2.3.1 区熔原理 111
2.3.2 区熔设备 113
2.3.3 区熔工艺 116
2.3.4 质量控制 119
2.3.5 悬浮区熔法的其他形态和应用 120
2.4 掺杂工艺 122
2.4.1 掺杂原理 122
2.4.2 直拉硅单晶的掺杂方法 122
2.4.3 区熔硅单晶的掺杂方法 128
2.4.4 锗单晶的掺杂计算 132
2.5 非晶硅制备工艺 133
2.5.1 基本特性 133
2.5.2 生长原理 134
2.5.3 非晶硅薄膜的制备方法 136
2.5.4 非晶硅掺杂及pn结制备工艺 144
2.5.5 微晶硅薄膜 146
2.6 锗和硒 150
2.6.1 锗 150
2.6.2 硒 154
参考资料 155
第3章 硅片加工工艺 159
3.1 晶体热处理 159
3.1.1 作用 159
3.1.2 条阵 159
3.2 晶锭加工 160
3.2.1 晶锭截断 160
3.2.2 晶锭研磨 160
3.3 定向切割 163
3.3.1 原理 163
3.3.2 设备 163
3.3.3 刀片 165
3.3.4 粘结剂 166
3.3.5 冷却液 167
3.3.6 切割过程 167
3.3.7 质量控制 167
3.3.8 锗和化合物半导体材料的切割 168
3.4 硅片研磨 168
3.4.1 表面研磨 168
3.4.2 边缘研磨 171
3.4.3 化学减薄 172
3.5 硅片抛光 172
3.5.1 作用 172
3.5.2 抛光种类 173
3.5.3 二氧化硅抛光原理 173
3.5.4 设备 174
3.5.5 材料 174
3.5.6 抛光工艺过程 178
3.5.7 质量控制 179
3.5.8 化合物半导体晶片的抛光工艺 179
3.6 抛光硅片的清洗和超净包装 181
3.6.1 沾污的来源和种类 181
3.6.2 清洗剂 181
3.6.3 清洗条件 182
3.6.4 清洗程序 182
3.6.5 表面质量检测 184
3.6.6 超净包装 184
参考资料 184
第4章 硅外延工艺 185
4.1 外延工艺分类 185
4.1.1 按结构分类 185
4.1.2 按外延层厚度和电阻率分类 185
4.1.3 按生长方法分类 186
4.2 气相外延 186
4.2.1 基本原理 186
4.2.2 外延生长 194
4.2.3 与质量有关的因素 199
4.2.4 工艺改进 204
4.2.5 几种特殊外延层生长工艺 206
4.3 其它硅外延工艺 208
4.3.1 SOS外延 208
4.3.2 液相外延 211
4.3.3 固相外延 214
4.4 对外延片的质量要求和测量 217
4.4.1 对外延片的质量要求 217
4.4.2 外延层测量 218
参考资料 219
第5章 化合物半导体单晶制备 220
5.1 GaAs水平单晶制备工艺 220
5.1.1 水平法单晶生长工艺 220
5.1.2 掺杂无位错单晶生长 223
5.1.3 半绝缘GaAs单晶生长 225
5.2 GaAs直拉单晶制备工艺 227
5.2.1 低压合成的LEC法（LP-LEC法） 227
5.2.2 高压原位合成的液封直拉法（HP-LEC法） 229
5.2.3 低阻GaAs单晶制备 230
5.2.4 半绝缘GaAs单晶制备和质量检验 230
5.2.5 影响单晶质量的因素及其控制 232
5.2.6 制备GaAs单晶的各种方法的比较 234
5.3 GaP和InP单晶制备工艺 235
5.3.1 GaP单晶制备 235
5.3.2 InP单晶制备 237
5.4 其它Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体制备工艺 243
5.4.1 GaSb单晶制备工艺 243
5.4.2 InSb单晶制备工艺 247
5.4.3 InAs单晶制备工艺 250
5.4.4 Gax In1-xAs单晶制备工艺 253
5.4.5 四元合金的制备 255
5.5 Ⅱ-Ⅵ族化合物单晶制备工艺 257
5.5.1 Hg1-xCdxTe单晶制备 257
5.5.2 其它Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体单晶的制备 265
5.6 Ⅳ-Ⅵ族化合物单晶制备工艺 267
5.6.1 铅-硫族化合物的制备 267
5.6.2 Ⅳ-Ⅵ族三元系晶体的制备 267
5.7 化合物单晶质量要求 276
5.7.1 GaAs单晶质量要求 276
5.7.2 InP单晶质量要求 280
5.7.3 GaP单晶质量要求 280
5.7.4 CdTe单晶质量要求 281
5.7.5 Hg1-xCdxTe晶体质量要求 281
5.7.6 Pb1-xSnxTe晶体质量要求 281
参考资料 283
第6章 化合物半导体外延 284
6.1 Ⅲ-Ⅴ族化合物气相外延 284
6.1.1 工艺基本原理 284
6.1.2 外延装置与系统 287
6.1.3 外延工艺 289
6.1.4 GaAs外延 296
6.1.5 InP外延 298
6.1.6 多元Ⅲ-Ⅴ族化合物外延 299
6.2 Ⅲ-Ⅴ族化合物液相外延 300
6.2.1 工艺基本原理 300
6.2.2 外延装置与系统 306
6.2.3 外延工艺 308
6.2.4 GaAs、InP外延 314
6.2.5 多元化合物GaAlAs、GaInAs、Ga-InAsP外延生长 316
6.3 金属有机化学气相淀积法 324
6.3.1 工艺基本原理 325
6.3.2 外延装置与系统 326
6.3.3 外延工艺 328
6.3.4 GaAs及有关化合物外延 329
6.3.5 InP及有关化合物外延 334
6.3.6 工艺中的注意事项 338
6.4 分子束外延 338
6.4.1 工艺基本原理 339
6.4.2 外延装置与系统 340
6.4.3 外延工艺 344
6.4.4 GaAs外延 348
6.4.5 多元Ⅲ-Ⅴ族化合物异质结外延 349
6.4.6 选择分子束外延 356
6.5 Ⅱ-Ⅵ族化合物HgCdTe外延 357
6.5.1 HgCdTe外延方法 357
6.5.2 衬底的选择与制备 358
6.5.3 HgCdTe气相外延生长 359
6.5.4 滑块式液相外延 362
6.5.5 分子束外延（MBE） 365
6.6 Ⅳ-Ⅵ族化合物PbSnTe外延 366
6.6.1 开管气相外延 366
6.6.2 液相外延 367
6.7 化合物外延质量要求 369
6.7.1 微波器件用GaAs外延片 370
6.7.2 光电器件用GaAs、GaP外延片 371
参考资料 373
第7章 缺陷与杂质 375
7.1 基本缺陷 375
7.1.1 点缺陷 375
7.1.2 线缺陷——位错 383
7.1.3 面缺陷 387
7.1.4 体缺陷 391
7.2 微缺陷 392
7.2.1 生长微缺陷 392
7.2.2 热诱生微缺陷 398
7.2.3 雾缺陷 402
7.3 辐射损伤缺陷 403
7.3.1 辐射损伤 404
7.3.2 电子辐照 405
7.3.3 离子辐照损伤 406
7.3.4 中子辐照损伤 406
7.4 硅中的杂质 406
7.4.1 硅中的氧 406
7.4.2 硅中的碳 413
7.4.3 硅中的氮 415
7.4.4 硅中的金属杂质 416
7.5 化合物半导体中杂质 417
7.5.1 砷化镓中的杂质 417
7.5.2 磷化镓中的杂质 419
7.5.3 磷化铟中的杂质 419
7.5.4 其他化合物中的杂质 420
7.6 缺陷、杂质的影响、控制和利用 420
7.6.1 缺陷、杂质的影响 420
7.6.2 缺陷的控制和利用 422
参考资料 427
第8章 半导体电学参数测量 429
8.1 导电型号 429
8.1.1 热探针法 429
8.1.2 冷探针法 430
8.1.3 整流法 431
8.1.4 霍尔效应法 432
8.2 电阻率 433
8.2.1 两探针法 433
8.2.2 四探针法 435
8.2.3 扩展电阻法 438
8.2.4 范德堡法 444
8.2.5 涡流法 448
8.2.6 光电压法 449
8.3 载流子浓度 451
8.3.1 三探针击穿电压法 452
8.3.2 微分电容法 454
8.3.3 二次谐波法 456
8.3.4 红外等离子反射光谱法 457
8.3.5 红外吸收法 459
8.4 迁移率 460
8.4.1 漂移迁移率测量 461
8.4.2 电导迁移率 464
8.4.3 霍尔迁移率 464
8.4.4 磁阻迁移率 469
8.5 补偿度 471
8.5.1 载流子浓度与温度关系分析法 472
8.5.2 迁移率分析法 476
8.5.3 经验曲线 478
8.6 载流子寿命 480
8.6.1 直流光电导衰退法 481
8.6.2 高频光电导衰退法 483
8.6.3 微波光电导衰退法 484
8.6.4 表面光电压法 484
8.6.5 光电流法 487
8.6.6 电子束感生电流法 488
8.6.7 MOS电容法（测量硅的产生寿命和表面产生速度） 490
8.7 禁带宽度 493
8.7.1 霍尔效应或电阻率法 493
8.7.2 吸收光谱法 494
8.7.3 光声光谱法 495
8.7.4 表面光电压谱法 496
8.8 能级参数 496
8.8.1 光吸收法 497
8.8.2 深能级瞬态谱（DLTS）法 498
8.8.3 光电容法 503
8.8.4 光电流瞬态谱（PITS）法 506
8.8.5 定值杂质光电导法 508
8.8.6 光致发光法 510
8.9 附录 522
参考资料 522
第9章 半导体材料晶向、晶体缺陷、光学常数和几何尺寸的测量 522
9.1 晶向的测定 525
9.1.1 光图法 525
9.1.2 单色X射线法 527
9.1.3 解理法 528
9.1.4 从晶体外形和腐蚀坑判别晶向 528
9.2 光学常数的测定 530
9.2.1 测量原理 530
9.2.2 测量仪器 532
9.2.3 样品制备 532
9.2.4 测量步骤 533
9.2.5 傅里叶红外光谱仪测定透过率和反射率 537
9.3 腐蚀金相法观测晶体中的缺陷 539
9.3.1 测量原理 539
9.3.2 测量仪器 540
9.3.3 样品制备 540
9.3.4 缺陷观测 544
9.4 厚度测量 544
9.4.1 晶片厚度测量 544
9.4.2 外延层厚度的测量 546
9.5 电容微感法测量晶片的翘曲度 548
9.5.1 测量原理 548
9.5.2 测量仪器 549
9.5.3 样品制备 549
9.5.4 测量步骤 549
9.6 光干涉法测量晶片的平整度 549
9.6.1 测量原理 549
9.6.2 测量仪器 550
9.6.3 样品制备 550
9.6.4 测量步骤 550
9.7 硅片切磨损伤层的测定 551
9.7.1 测量原理 551
9.7.2 测量装置和步骤 552
9.7.3 计算 552
9.8 抛光硅片边缘轮廓的测量 553
9.8.1 测量原理 553
9.8.2 测量装置 553
9.8.3 样品制备 554
9.8.4 测量步骤 554
9.9 附录 晶体缺陷图 554
参考资料 558
第10章 结构及表面分析 559
10.1 概述 559
10.2 X射线衍射形貌法 560
10.2.1 衬度形成原理简述 560
10.2.2 实验技术 560
10.2.3 在半导体材料分析中的应用 570
10.3 扫描电子显微分析法 576
10.3.1 结构及原理简述 576
10.3.2 二次电子像及其应用 577
10.3.3 背散射电子像及其应用 578
10.3.4 电子束感生电势像及其应用 579
10.3.5 阴极荧光及其应用 580
10.3.6 特征X射线及其应用 581
10.3.7 电子通道花样及其应用 584
10.4 透射电子显微分析法 585
10.4.1 原理简述 585
10.4.2 分析技术 586
10.4.3 在半导体缺陷分析中的应用 592
10.5 红外显微技术 599
10.5.1 红外显微镜的原理和结构 599
10.5.2 半导体材料的光谱特性及有效工作通带 600
10.5.3 红外显微技术的应用 601
10.6 微分干涉衬度（N-DIC）显微术 602
10.6.1 N-DIC法原理 602
10.6.2 N-DIC法在半导体缺陷观测中的应用 605
10.7 光电子能谱分析法 608
10.7.1 原理简述 608
10.7.2 分析技术 609
10.7.3 光电子能谱分析在半导体材料中的应用 611
10.8 奥格能谱（AES）分析法 619
10.8.1 奥格能谱简述 619
10.8.2 分析技术 621
10.8.3 奥格能谱分析在半导体材料中的应用 623
参考资料 625
第11章 半导体材料的成份分析 626
11.1 主要分析方法及其比较 626
11.2 发射光谱分析法（AES） 626
11.2.1 原理和仪器 626
11.2.2 方法与条件 628
11.2.3 硅及其化合物的分析 630
11.2.4 砷化镓及其原材料的分析 632
11.2.5 磷化铟及其原材料的分析 634
11.2.6 其它半导体原材料的分析 635
11.3 红外吸收光谱分析（IR） 636
11.3.1 原理和仪器 636
11.3.2 红外吸收法测定硅中氧的含量 639
11.3.3 红外吸收法测定硅中碳的含量 641
11.3.4 低温红外吸收法测定硅中硼磷含量 642
11.4 原子吸收光谱分析（AAS） 643
11.4.1 原理和仪器 643
11.4.2 测定条件及检测限 644
11.4.3 干扰及其消除 645
11.4.4 应用 646
11.5 光致发光分析（PL） 648
11.5.1 原理 648
11.5.2 测量装置 648
11.5.3 分析方法 649
11.5.4 应用 649
11.6 火花源质谱分析（SSMS） 651
11.6.1 原理和仪器 651
11.6.2 质谱线的种类和识别方法 652
11.6.3 半定量分析方法 653
11.6.4 定量分析方法 653
11.6.5 应用 654
11.7 二次离子质谱分析（SIMS） 655
11.7.1 原理和仪器 655
11.7.2 分析方法 658
11.7.3 应用 660
11.8 X射线荧光光谱分析（XRF） 662
11.8.1 原理和仪器 662
11.8.2 分析方法 663
11.8.3 应用 664
11.9 活化分析（AA） 665
11.9.1 原理和特点 665
11.9.2 中子活化分析法（简称NAA） 666
11.9.3 带电粒子活化分析法 669
11.9.4 γ射线照射活化分析法 672
11.10 半导体材料分析中主要试剂的纯化 673
11.10.1 超纯水的制取 673
11.10.2 常用试剂的纯化方法 673
11.10.3 气体纯化方法 674
附表11-1 化学元素的天然同位素的原子量和丰度 675
附表11-2 中子活化分析法的检测限和使用的基本数据 678
参考资料 681
第12章 半导体材料工艺的发展趋势 682
12.1 硅材料 682
12.1.1 直拉硅生长新工艺 683
12.1.2 区熔硅研究新工艺 684
12.1.3 硅外延材料动向 684
12.1.4 硅材料的物性研究 685
12.2 Ⅲ-Ⅴ族化合物材料 687
12.2.1 Ⅲ-Ⅴ族化合物体材料研究 687
12.2.2 Ⅲ-Ⅴ族化合物外延材料研究 690
12.3 Ⅱ-Ⅵ及Ⅳ-Ⅵ族等化合物材料 694
12.4 非晶态半导体 694
12.5 有机半导体 695
12.6 材料评价技术 695
参考资料 696