半导体衬底可以由单原子材料(如Si,Ge)或化合物(如GaAs,InP)制成。在结构简单的材料上制作各种器件及IC的技术也简单,但是,这些器件及IC的性能如电流增益、晶体管速度、激光二极管的发光效率等会受到不同程度的限制。因此人们研究出众多更加复杂的材料系统,制作出许多新奇的器件与电路。所谓的材料系统指的是在由一些基本材料,如Si,GaAs或InP制成的衬底上或衬底内,用其他物质再生成一层或基层材料。材料系统与掺杂过的材料之间的区别在于外来材料的种类与数量的多少。在掺杂材料中,掺杂原子很少,故只能看成杂质,其作用只是改变载流子的类型。而在材料系统中,外来原子的比率在几到几十个百分点之间。导入其他材料层的目的是形成特定的能带,改变载流子的传输性能。所以,材料系统的研究与应用又被称为能带工程。
按导电性质划分,存在着半导体材料和半导体/绝缘体两种材料系统。
一、半导体材料系统
半导体材料系统是指不同质(异质)的几种半导体(GaAs与AlGaAs,InP与InGaAs,Si与SiGe等)组成的层结构。这种层结构可以通过生长的方式形成,也可以通过粘接的方式形成。
各种异质半导体的材料系统已得到如下的应用:
(1)制作异质结双极性晶体管HBT(Heterojunction Bipolar Transistor)。HBT的原理是:先把原始材料晶格上的原子用不同质外延材料的原子取代,形成NPN管的基区。外延层的化合价和晶格常数与原来材料的原子相同或接近,而外延层原子的禁带宽度比原始材料中的禁带宽度窄,因此基区空穴必须越过更高的势垒才能进入发射区。电流增益决定于发射区电子电流占基区空穴电流的比率。
(2)制作高电子迁移率晶体管HEMT(High Electron Mobility Transistor)。这是一种异质结场效应晶体管,又称为调制掺杂场效应晶体管、二维电子气场效应晶体管等。主要是在具有较低禁带的未掺杂的半导体材料中形成一种具有高迁移率的二维电子气的材料系统。
(3)制作高性能的LED及LD。
二、半导体/绝缘体材料系统
顾名思义,半导体/绝缘体材料系统是半导体与绝缘体相结合的材料系统。其典型代表是绝缘体上硅(SOI:Silicon on Insulator)。基本的SOI材料制造技术有多种,其中注入氧隔离(SIMOX:Separation by Implanted Oxygen)和晶片粘接最为成功。在SIMOX工艺中,SOI衬底分两步得到。
(1)在适当的注入能量和温度下先在衬底中注入适当量及适当速度的氧气;
(2)然后在适当的温度环境下退火。这样,硅薄膜下就形成一层掩埋的氧化物(SiO2)。
在硅晶粘接技术中,SOI衬底通过三步获得:
①两片晶圆的一面被氧化;
②这两片晶圆的氧化面相接触粘接在一起;
③上面的晶圆被研磨或腐蚀到所需要的厚度。
在SOI衬底上,可以形成MOS和双极型晶体管。由于在器件的有源层和衬底之间的隔离层厚,电极与衬底之间的寄生电容大大地减小。器件的速度更快,效率更低。
小 结
1.集成电路是导体、半导体和绝缘体三种材料有机组合形成的系统。(www.xing528.com)
2.在常见的半导体材料中,硅(Si,Silicon),砷化镓(GaAs,Galliumarsenide)和磷化铟(InP,Indiumphosphide)是最基本的三种。
3.硅材料之所以成为集成电路的首选材料,主要是因为在满足性能指标的前提下,硅的原材料来源丰富,技术成熟,使得硅基集成电路产品价格低廉。
4.多晶硅与单晶硅特性相似,其特性也可以随结晶度与杂质原子而改变,在微电子工艺中获得了广泛应用。
5.GaAs和其他III/IV族化合物材料具有更高的载流子迁移率和近乎半绝缘的电阻率,而器件的速度取决于载流子通过有源区的时间及器件本身的寄生电容的充放电时间,所以GaAs器件能工作在超高速、超高频场合。
6.绝缘层的其他功能包括:(1)充当离子注入及热扩散的掩膜。(2)作为生成器件表面的钝化层,以保护器件不受外界影响。SiO2、SiON和Si3 N4是IC系统中常用的几种绝缘材料。
7.金属材料有三种功能:①形成器件本身的接触线;②形成器件间的互连线;③形成焊盘。
8.材料系统指的是在由一些基本材料,如Si,GaAs或InP制成的衬底上或衬底内,用其他物质再生成一层或基层材料。
思考与练习
1.硅材料有什么特点,使得它在集成电路制造中占有了重要的地位?
2.GaAs和InP材料各有哪些特点?
3.在怎样的条件下金属与半导体形成欧姆接触?在怎样的条件下金属与半导体形成肖特基接触?
4.说出多晶硅在CMOS工艺中的作用。
5.欧姆接触与肖特基接触各有什么特点?
6.简述双极型晶体管和MOS晶体管的工作原理。
7.在集成电路制造中金属材料有什么功能?主要会用到哪些金属?
8.在集成电路制造中主要会用到哪些绝缘材料,它们在电路中充当什么角色?
9.什么是材料系统,常见的集成电路材料系统有哪些?它们和一般的单质材料相比有什么特点?
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