微电子技术中的半导体薄膜材料

微电子技术中的半导体薄膜材料 摘要:本文着重介绍了用于微电于技术的非晶态、宽带隙、纳米相、超晶格、量子微结构 以及多孔硅等半导体薄膜材料并指出,原子组态的无序化,材料禁带的宽带隙化,能带剪裁的任意化以及人工结钩的低维化和量子化,集中体现了半导体薄膜材料的发展特点。 关键词:薄膜材料,结构性质,发展特点 1引言 薄膜材料是发展微电子技术的先导条件和制造微电子器件的物质基础,近半个世纪以来,随着各种成膜的长足进步,半导体薄膜材料从体单晶到非晶态,从非晶态到纳米相,从窄禁带到宽带隙,从常规制备到人工,涌现出了一大批高质量和有重要实用价值的新材料。目前,关于半导体薄膜材料物理与工艺的研究,已成为真空、微电子和材料科学中一个极其活跃的领域[1]。 半导体薄膜材料研究的核心为新材料的研究和传统材料性能的提高。前者是按照人为的意志构想新的结构形式和设计新的化学组分,并通过现代超薄层外延技术加以实现;后者则是利用适宜的工艺方法改变材料的微观结构,使其呈现出常规材料所不具有的全新原子组态。2不同结构类型的半导体薄膜材料 2.1非晶态材料 非晶态半导体是一门在凝聚态物理领域中占据着重要地位且发展十分迅速的新兴学科,研究非晶态材料的意义不仅是在科学技术上获得大量的新材料和新器件,而且可以开拓和加深人们对固体物理领域中许多基本问题的认识与理解。以促进固体物理学的发展,同时对其许多周边物质,如非晶态合金及多层异质结、超微粒子、多孔硅以及硅系高分子等的研究也将产生积极而深远的影响。 原子结构的无序性和化学组分的多样化,使非晶态半导体具有许多显著不同于晶态半导体的物理特性[2]。对于大多数非晶态材料而言,其组成原子都是由共价键结合在一起,形成了一种连续的共价键无规网络结构;在非晶态半导体中可以实现连续的物性控制,当连续改变其化学组成时,其禁带宽度、电导率和相变温度等都随之连续变化;在热力学上,非晶态处于一种亚稳状态,仅在一定条件下才可以转变成晶态;此外,非晶态材料的结构特性、电学及光学性质都灵敏地依赖制备方法与工艺条件。 非晶态半导体材料种类繁多,目前已采用等离子体辉光放电,光诱导化学气相沉积,微波辉光放电,低压化学气相沉积以及反应溅射等工艺制备了以硅系为主的十几种非晶态材料。 1 / 6 2.2 宽带隙材料 所谓宽带隙材料,一般是指禁带宽度大于ST和GaAs等常规半导体的金刚石,SiC以及Ⅲ族氮化物等一类材料。宽带隙材料的研究复兴,主要得益于以下两个有利因素,一是随着信息科学技术的发展,对电子器件的性能提出了越来越高的要求,尤其需要高频,高速,大功率,耐高温,以及能在恶劣环境下去工作的高性能器件。二是各类薄膜制造技术不断涌现,先后出现了诸如化学输运法,热丝CVD法,微波等离子体CVD法等许多新的成膜工艺。广泛的应用背景和成熟的工艺技术开创了宽带隙材料研究的新局面。 宽带隙材料的结构形态五彩纷呈,与石墨一样,金刚石由碳原子组成,其晶体结构与 Si相似,由两个面心立方晶胞套构而成,SiC在相近的化学剂量成份时具有近200种各不相 同的晶体结构。常见的有六方结构(a-SiC)和立方结构(β-SiC)两大类,在a-SiC中,6H-SiC为 最稳定,在β-SiC中主要有3C-SiC,三族氮化物主要有氮化硼(BN),氮化稼(GaN)和氮化铝(AIN), BN有三种形态,即六方的类石墨结构,纤维锌矿结构(h-BN)以及立方的闪锌矿(C-BN)。 宽带隙物质具有以下几个明显特点:(1)具有较大的禁带宽度,高的工作结果和非常好 的物理及化学稳定性,这表明宽带隙材料可作为高温半导体材料使用;(2)具有高的电子漂 移速度和载流子迁移率。这意味着它们可以用来制作高速电子器件;(3)具有较高的导热系数,这可以使器件的集成度得以提高;(4)具有相对较小的介电常数,这正是制作微波器件 所需要的。 Johniso和Keyse指数显示出,宽带隙材料在高频、高集成度、高开关性及大功率电子 器件的应用中具有潜在的应用前景,如采用金刚石已制备了暗电流极小的光探测器,灵敏度高稳定性好的响应速度快的热敏传感器,以及发光管、晶体管和核辐射探测器等,采用SiC 制作了肖特基二极管,肖特基势垒栅场效应晶体管(MESFET),异质结双极晶体管(HBT),微 波功率器件,以及高亮度发光二极管和量子效率达70%以上的紫外光探测器。 2.3 纳米相材料 纳米材料(Nanometer Sized Materials)一词的采用主要基本其原子组态的形式和晶粒尺 度的大小。一般认为,在原子排列上它既不同于具有严格周期排列的传统晶体,也不同于长程有序和短程无序的非晶态材料,而且也区别于中程具有一定有序度的微晶结构,是一种既无长程序又无短程序的固态物质,其晶粒尺度大小在几个纳米量级。 纳米材料通常包括纳米微粒、纳米薄膜与纳米固体三种。纳米微粒亦指超微粒子,是指颗粒尺度为纳米量级的微粒(1-100nm);纳米薄膜是依靠控制成膜机制,即控制膜层成核密 度和晶粒尺度,直接在固体表面上形成纳米相结构;纳米固体是在保持新鲜表面的情况下, 将超细微粒压制成的块状固体。 纳米材料的界面原子比例很高(约50%),微细颗粒之间通过界面发生相互作用,会在颗粒之间产生宏观量子输运隧道效应,电荷转移的界面原子相互祸合,使纳米材料表现出许多不同于单晶和非晶态的非凡物理性质,如高热膨胀率,高比热,高扩散性,高敏感性和强的发光等。纳米材料的研究进展令世人所瞩目,就纳米半导体而言,人们已开始对纳米Si薄膜,超微粒子Si和Ge等材料的制备方法、结构表征、光学带隙电学、力学和机械性质以及发光特性进行富有成效的研究[12-14]。 2.4 多孔硅材料 多孔硅的可见光发射现象是进入90年代以来半导体物理和材料物理领域内的一个重大发现,Si是人们最熟悉,而且材料、物理、器件与工艺也最为成熟的体单晶材料,但是由于它的禁带宽度较窄(1.1eV),又是一种间接跃迁型材料,所以使得它在光电特性方面远逊色于Ⅲ-Ⅳ和Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体。1990年英国皇家雷达研究所的一个研究小组率先在室温条件下,观测到多孔硅(PS)的可见光发射现象,即刻在世界范围内引起轰动。所谓多孔硅是硅的一种新形态物质,而可见光发射是当对采用阳极氧化制备的多孔硅照射光(如Ar+激光)或采用电致激发时,发射红、橙、黄,蓝乃至蓝绿等不同颜色可见光的现象。多孔硅的可见光发射为用硅材料制作光电子器件,以及为全硅光电子集成技术的实现开辟了崭新的领域。 关于多孔硅的发光机理,人们已提出了许多模型,多数研究者倾向于多孔硅的量子线阵结构使带隙增宽.导致可见荧光的发光模型[16]。但也有人对此持疑义态度,他们依据自己的工作,提出了另外几种发光模型,如多孔硅的硅氢烷发光[17],附着在硅表面某种分子发光[18],多孔硅表面性质不同发光[19],表面的含氢氟化物发光[20],载流子通过界面局域能级复合发光[21],被氧或氢推盖的Si单晶球或与此相关的极微细结构发光[22]等。 在对多孔硅的光致发光(PL)和电致发光(EL)特性与机理研究的同时,也已开始进行器件制作的尝试,第一支多孔硅发光器件及利用多孔硅的高灵敏度光电探测器即是例证[23-24]。2.5 超晶格材料 超晶格与量子阱是一种具有一维量子封闭性的低维人工材料,作为低维物理,材料科学和微电子技术中一个极其活跃的前沿,近20年来超晶格微结构的研究已取得了累累硕果[25]。可以说,超晶格与量子阱材料的研究进展是波函数在材料物理与工艺中获得成功运用的最生动体现,目前它正处于具有旺盛生命力的发展时期。 纵观超晶格异质结构的发展历程,不难看出,它具有如下四方面的特点: (1)材料类型不断增多,最初的超晶格是以AlGaAs/GaAs晶格匹配的组分型超晶格和 GaAsNiPi掺杂超晶格等。后来为了拓宽超晶格材料的应用范围,开发了应变层超晶格(SLS),这可以使人们在更宽的范围内对材料的能带结构进行任意剪裁,进而导致新器件的出现。Ⅲ-Ⅴ族SLS的研究仍是当前超晶格研究的主流,但同时应该注意到,适合于高灵敏度和低噪 声长波长红外探测器,异质结双极晶体管,调制掺杂场效应器件制作的GaAs/Si,GexSi/Si 和Ge/Si SLS以及具有较大的激子束缚和很强的光学非线性,以致于在蓝色和蓝绿色发光器 件中占据重要地位的Ⅲ-Ⅵ族宽带隙SLS研究也受到人们的极大重视[26]。 (2)晶体质量不断提高,这应归功于现代超薄层外延技术的进展,目前除了分子束外延(MBE)金属有机化学气相沉积(Mo-CrD)之外,又出现了诸如化学束外延(CBE),原子层外延(ALE),离子束外延(LBE),选择外延以及全真空联机生长系统等,这些工艺技术的完善与发展使外 延层在表面形貌。界面平整度,掺杂陡度,多组元生长以及限定结构制备等方面都获得了很大提高[28]。 (3)物理研究不断深入。超晶格物理的研究起着揭示它所具有的各种物理效应和为设计 各种超晶格结构器件提供可靠物理依据的作用。当前的研究重点仍以输运效应和光学特性为主,输运现象包括平行于异质结界面和垂直于异质结界面输运两个方面,而前者又包括电场下的电子输运和低温强磁场下的能量输运,后者主要研究以隧穿现象为主的双势垒共振隧穿效应等。光学特性则以二维激子的光跃迁,光双稳等非线性光学效应为主。预计,理论手段的日益完善和实验手段的不断加强,会使这方面的研究跨上一个新高度。 (4)应用范围不断扩大。迄今,各类超晶格已在高速微波电子器件及其集成电路和光电 子器件中获得了成功应用。这些器件主要有高电子迁移率晶体管(HEMT),异质结双极晶体管,调制掺杂场效应晶体管(MD-FET),量子阱激光器,长波长量子阱红外探测器,光波导器件等。随着新材料的不断开发,还会有更多的器件问世。 2.6量子微结构材料 量子微结构系指具有两维和三维量子封闭性的量子细线与量子点一类低维结构。这些被称为“介观系统”的超微结构,当其某一维的空间尺度可以与电子的德布罗意波长(约50nm)相比拟时,电子在此维方向上的量子化效应明显可见。在这类结构中,由于电子的运动分别被限制在一维及零维体系中,其有效状态密度会发生显著变化。也正因为如此,导致了量子线与量子点比量子阱材料具有更加优异的特性,使得它们在未来的量子功能器件,如微细结构激光器,光子能级器件,量子波动器件以及光计算机和光通信中具有广阔的应用前景。 材料维度减少时的物理变化是一个很复杂的过程,其中存在的主要物理效应有量子弹道输运,霍耳效应的低场拌灭,低温下的万有电导涨落,电子的相干聚焦,单电子隧穿与库仑 阻塞,闭值特性以及AB效应等。 除了理论方面,如何从工艺上实现这类低维结构,更是令人感兴趣的课题[29]。与量子阱结构相比,因这类低维结构是在某一限定部位或区域内进行膜层生长,所以工艺难度很大,尤其是量子点,它不仅比量子细线多了一维限制,而且点尺寸与点阵列间距的要求十分严格,因此它对制备工艺的要求将更加苛刻。 经过长时间的试验与探索,已经开发了一些制备量子微结构的方法,其技术关键是具有高精度的选择腐蚀和选择生长。选择腐蚀是采用干式或湿式方法对生长部位进行刻蚀,以备量子微结构生长。选择生长具有两方面的含义,一是在限定区域内形成膜层,二是依靠不同衬底温度下,膜层在不同晶面上具有各不相同的生长速率,以至于仅使膜层生长发生在一定晶面上,而其它晶面上则生长缓慢或呈现非生长,其中选择MO-CVD生长已在这方面发挥了巨大优越性,它与干式或温式腐蚀技术相结合,已使高精度的三角状量子细线[30],箭状量子细线[31],凸面量子细线[32],横向量子细线[33],超精细多层量子细线[34],以及四面体量子微结构[35]等得以实现。作为量子微结构的今后发展,应开展选择生长机理的研究,新材料生长的探索,以及全息光刻,离子腐蚀等精细束加工技术的开发等。 3结语 从以上对半导体薄膜材料发展的简要介绍,我们可以发现其中的一些内在发展规律,归纳起来大体可分为以下四个方面。 1.原子结构的无序化。从体单晶→非晶态→纳米相→多孔硅,传统材料的发展经历了一个原子排列从严格有序向高度无序转变的演化过程,这种发展规律预示着今后还可能会有更新形态的材料出现。 2.材料禁带的宽带隙化。从Ge→Si→GaAs→3C→SiC→6H→SiC→金刚石→C→BN,传统材料的发展经历了一个禁带宽度由窄变宽的沿革过程,这种有规律性的变使材料的物理性质发生了明显变化,从而进一步改善了材料的性能和扩大了材料的应用范围。 3.能带剪裁的任意化。二维量子阱材料的发展证实了这一点,从晶格匹配的组分型超晶格→应变层超晶格→不规则超晶格,其人工设计的自由度和灵活性依次增大,这又为新材料的产生提供了极大可能性。 4.人工材料的低维化与量子化。这一点也是显而易见的,从二维量子阱→一维量子线→零维量子点,材料的维度逐渐减少,有效状态密度渐趋锐化,量子封闭性依次增强,这将为量子功能器件的设计与制作奠定良好的结构基础。 参考文献: [1]彭英才.物理.1993,22 [2]何宇亮等编著.非晶态半导体物理学.第一章,高等教育出版社,1989 [3]松村英树.(日)应用物理.1992,61:1013 [4]市川幸美等.(日)应用物理.1992,61:1039 [5]医疗设备信息.2007,(27)8. 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