Oxygen, Carbon, Hydrogen and Nitrogen in Crystalline Silicon pdf epub mobi txt 電子書 下載2026

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出版者:Materials Research Society

作者:

出品人:

頁數:0

译者:

出版時間:1986-04

價格:USD 17.50

裝幀:Hardcover

isbn號碼:9780931837241

叢書系列:

圖書標籤:

• Silicon
• Impurities
• Oxygen
• Carbon
• Hydrogen
• Nitrogen
• Crystalline
• Semiconductor
• Materials Science
• Defects

《晶體矽中的氧、碳、氫和氮：摻雜、缺陷與性能調控》 內容概述 晶體矽作為現代半導體工業的基石，其性能的精確調控在很大程度上依賴於其中微量雜質元素的存在。本書深入探討瞭氧（O）、碳（C）、氫（H）和氮（N）這四種最常見的非金屬雜質在晶體矽材料中的行為，從它們的引入機製、在矽晶格中的分布狀態、與矽原子及其他雜質的相互作用，到最終對矽材料電學、光學和結構性能的影響。本書旨在為從事矽材料生長、器件製造、材料錶徵以及半導體物理研究的學者和工程師提供一個全麵而深入的參考。 第一章：引言與背景 晶體矽的重要性與挑戰： 介紹晶體矽在太陽能電池、集成電路、傳感器等領域的廣泛應用，以及高質量矽材料製造所麵臨的關鍵挑戰。重點闡述雜質控製對於實現高性能半導體器件的重要性。 非金屬雜質的角色： 明確指齣氧、碳、氫和氮作為常見的非金屬雜質，盡管含量極低，卻能對矽的性能産生顯著影響。簡述它們可能帶來的積極（如形成某些功能性缺陷）或消極（如降低載流子壽命）作用。 本書的研究範疇與目標： 詳細說明本書將聚焦於O、C、H、N四種元素在晶體矽中的物理化學行為，涵蓋其在生長過程中的引入、擴散、聚集、形成缺陷以及對矽材料宏觀性質的影響。本書的目標是提供一個整閤性的視角，幫助讀者理解這些雜質如何被利用或被規避。 第二章：雜質引入與分布機製 氧（O）： 來源： 詳細討論氧在矽材料生長過程中（如直拉法、區熔法）的來源，包括石英坩堝的侵蝕、熔體中的氧、環境中的氧氣等。 在晶格中的狀態： 介紹氧在矽中的主要存在形式，包括間隙氧（Oi）、氧-空位復閤物（OV）、以及在高濃度氧條件下形成的氧沉澱（SiO2）。 分布與控製： 分析氧在矽錠中的分布規律，以及通過控製生長溫度、氣氛、坩堝材料等工藝參數來調控氧含量的方法。 碳（C）： 來源： 探討碳在矽生長過程中的主要來源，如原材料中的碳雜質、石墨部件的揮發、以及某些生長方法（如多晶矽重熔）的引入。 在晶格中的狀態： 描述碳在矽中的常見狀態，包括間隙碳（Ci）、碳-矽位取代（Cs）、以及形成碳-氧（C-O）和碳-碳（C-C）偶極子或團簇。 分布與控製： 分析碳在矽材料中的分布特性，並介紹通過選擇高純度原材料、改進石墨部件、以及優化生長溫度等手段來降低碳含量。 氫（H）： 來源： 闡述氫在矽材料中的引入途徑，包括生長過程中的水蒸氣、氫氣氣氛，以及後續的退火、刻蝕等工藝步驟。 在晶格中的狀態： 詳細介紹氫在矽中的多種存在形式，如與缺陷（如空位）結閤形成的氫化物，與錶麵原子結閤，以及在晶界、裂紋中的聚集。特彆強調氫與許多活性缺陷（如懸掛鍵）的鈍化作用。 分布與控製： 討論氫在矽體內的擴散行為，以及通過控製氣氛、退火條件來控製氫的存在狀態和分布。 氮（N）： 來源： 介紹氮在矽生長過程中被引入的來源，如摻雜的氮氣、熔體中的氮化物，以及某些特定生長技術。 在晶格中的狀態： 描述氮在矽中的主要存在形式，包括間隙氮（Ni）、氮-矽位取代（Ns）、以及形成氮-氮（N-N）偶極子和氮簇。 分布與控製： 分析氮在矽錠中的分布特徵，以及通過控製氮氣流量、氣氛組成、生長溫度來調控氮含量的策略。 第三章：雜質誘導的缺陷與界麵態 氧誘導缺陷： 氧沉澱（Oxygen Precipitates, OP）： 詳細闡述氧沉澱的形成過程、形貌（如球狀、盤狀）及其在不同生長條件下的演化。 缺陷協同效應： 分析氧沉澱與臨近空位、金屬雜質協同形成的復閤缺陷，以及這些缺陷對載流子復閤的影響（如LOCOS結構中的“紅暈”現象）。 內部 gettering 效應： 探討氧沉澱作為內源性 gettering 中心，捕獲和清除晶體矽體內的有害金屬雜質，從而提高矽片襯底的品質。 碳誘導缺陷： 碳-氧復閤物： 詳細研究碳與氧形成穩定的偶極子（C-O），以及其對晶格畸變和電子結構的影響。 碳-空位復閤物： 分析碳與空位形成的多種穩定復閤物，以及它們對矽材料電學性能的負麵作用。 碳誘導的位錯： 在高碳含量情況下，碳的偏析可能導緻晶格應力集中，從而誘發位錯的産生和增長。 氫誘導缺陷與鈍化： 氫的缺陷鈍化機製： 深入解析氫如何與矽中的懸掛鍵、空位、氧原子等形成穩定的化學鍵，從而鈍化這些缺陷的活性，降低其對載流子的捕獲和復閤。 氫對錶麵與界麵態的影響： 重點討論氫在矽片錶麵、氧化層界麵、外延層界麵等處的作用，以及它如何降低界麵態密度，改善器件性能。 氫在晶界中的作用： 分析氫在多晶矽或晶界附近的存在狀態，及其對晶界電學特性的影響。 氮誘導的缺陷與性質： 氮-氮偶極子與氮簇： 研究氮原子在矽中的聚集行為，以及氮-氮偶極子和更復雜的氮簇對矽晶格的影響。 氮對位錯與裂紋的影響： 探討氮作為“固位劑”的作用，通過抑製位錯的移動和裂紋的擴展，提高矽材料的機械強度。 氮對電子光學性質的修飾： 介紹在特定濃度下，氮摻雜如何影響矽的帶隙、發光特性，可能用於開發新型光電器件。 第四章：雜質對矽材料宏觀性能的影響 電學性能： 載流子壽命與遷移率： 詳細分析 O、C、H、N 雜質及其誘導缺陷對矽材料中少數載流子壽命和多數載流子遷移率的影響。區分不同雜質對不同類型載流子的影響差異。 漏電流與擊穿電壓： 探討這些雜質對 pn 結漏電流、器件擊穿電壓的影響，尤其是在高壓和高頻器件中的重要性。 摻雜行為的改變： 分析雜質是否會影響矽基體的導電類型，或與外延摻雜劑發生相互作用，從而改變其有效摻雜濃度。 光學性能： 光吸收與透射： 討論氧和碳在可見光和近紅外光譜區的吸收特性，以及它們對矽太陽能電池的效率的影響。 發光特性： 探討特定雜質（如氮）的引入如何産生新的發光中心，從而為矽基發光器件的設計提供可能性。 摺射率與介電常數： 分析雜質在矽中可能引起的局部介電常數變化，以及對光波導等光學結構的影響。 機械性能： 脆性與韌性： 深入研究氮等雜質如何提高矽的機械強度，減少脆性斷裂。 形變與應力： 闡述氧沉澱、碳偏析等引起的晶格畸變和內應力，以及其對矽片翹麯、器件可靠性的影響。 與外延生長的關聯： 分析襯底中的雜質如何影響後續外延層的生長質量和結構完整性。 第五章：錶徵技術與方法 光譜學方法： 傅裏葉變換紅外光譜（FTIR）： 詳細介紹 FTIR 如何用於定量測量間隙氧、間隙碳的濃度，並識彆某些簡單的雜質復閤物。 拉曼光譜（Raman Spectroscopy）： 探討拉曼光譜在分析晶格振動、檢測碳-碳鍵、碳-氧鍵以及碳對晶格畸變的影響。 二次離子質譜（SIMS）： 闡述 SIMS 在提供元素分布二維或三維信息、測量極低濃度雜質方麵的能力。 電學測量方法： 深能級瞬態譜（DLTS）： 介紹 DLTS 如何錶徵雜質誘導的深能級缺陷，並測量它們的能量位置、截麵等參數。 瞬態光電導衰減（TPCD）： 討論 TPCD 方法用於測量載流子壽命，評估雜質對材料質量的影響。 霍爾效應測量： 解釋霍爾效應如何用於確定載流子濃度、遷移率和導電類型，並揭示雜質對摻雜行為的影響。 結構與形貌分析： 透射電子顯微鏡（TEM）/掃描電子顯微鏡（SEM）： 介紹 TEM/SEM 如何直接觀察氧沉澱、位錯、晶界等微觀結構特徵。 X射綫衍射（XRD）： 闡述 XRD 如何用於分析晶格常數變化、晶體取嚮以及應力分布。 原子探針斷層掃描（APT）： 介紹 APT 在納米尺度上進行三維元素分布成像的能力，對於分析雜質團簇、沉澱物與基體的界麵至關重要。 第六章：工程應用與未來展望 先進半導體器件的挑戰與對策： CMOS 技術： 分析 O、C、H、N 雜質對先進 CMOS 器件（如 FinFET, GAAFET）性能的限製，以及如何通過材料優化來剋服。 功率器件： 討論雜質對 SiC/GaN 等寬禁帶半導體器件性能的影響，以及矽材料作為襯底時的雜質問題。 光伏器件： 深入探討雜質對太陽能電池效率、穩定性和壽命的影響，特彆是對晶矽電池的關鍵性。 利用雜質實現特殊功能： “Gettering”技術： 總結如何利用氧沉澱等缺陷作為 gettering 中心，主動去除有害金屬雜質，提升矽片質量。 氮摻雜矽： 展望氮摻雜矽在特定光電器件（如發光二極管、光電探測器）中的應用潛力。 氫化物化學的器件應用： 討論利用氫鈍化技術來提高界麵質量和降低漏電。 新興研究方嚮： 雜質與量子效應： 探討在極低雜質濃度或特定雜質團簇下可能齣現的量子相乾性或新奇量子現象。 原位監測與先進控製： 展望未來如何通過更先進的原位監測技術，實現對雜質引入和演化的實時控製。 多物理場耦閤效應： 研究雜質在電場、磁場、應力等復雜作用下的行為變化，為器件設計提供更全麵的指導。 結論 本書通過對氧、碳、氫和氮這四種關鍵非金屬雜質在晶體矽中行為的係統性梳理，旨在提供一個深度理解它們對矽材料性能影響的框架。從基礎的引入機製到復雜的缺陷形成，再到對宏觀電學、光學和機械性能的深遠影響，本書力求呈現一個全麵而嚴謹的科學圖景。我們期望本書能夠激發讀者對矽材料科學更深入的探索，為設計和製造下一代高性能半導體器件提供理論支持和實踐指導。

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