Oxygen, Carbon, Hydrogen and Nitrogen in Crystalline Silicon pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Materials Research Society

作者:

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:1986-04

价格:USD 17.50

装帧:Hardcover

isbn号码:9780931837241

丛书系列:

图书标签:

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

《晶体硅中的氧、碳、氢和氮：掺杂、缺陷与性能调控》 内容概述 晶体硅作为现代半导体工业的基石，其性能的精确调控在很大程度上依赖于其中微量杂质元素的存在。本书深入探讨了氧（O）、碳（C）、氢（H）和氮（N）这四种最常见的非金属杂质在晶体硅材料中的行为，从它们的引入机制、在硅晶格中的分布状态、与硅原子及其他杂质的相互作用，到最终对硅材料电学、光学和结构性能的影响。本书旨在为从事硅材料生长、器件制造、材料表征以及半导体物理研究的学者和工程师提供一个全面而深入的参考。 第一章：引言与背景 晶体硅的重要性与挑战： 介绍晶体硅在太阳能电池、集成电路、传感器等领域的广泛应用，以及高质量硅材料制造所面临的关键挑战。重点阐述杂质控制对于实现高性能半导体器件的重要性。 非金属杂质的角色： 明确指出氧、碳、氢和氮作为常见的非金属杂质，尽管含量极低，却能对硅的性能产生显著影响。简述它们可能带来的积极（如形成某些功能性缺陷）或消极（如降低载流子寿命）作用。 本书的研究范畴与目标： 详细说明本书将聚焦于O、C、H、N四种元素在晶体硅中的物理化学行为，涵盖其在生长过程中的引入、扩散、聚集、形成缺陷以及对硅材料宏观性质的影响。本书的目标是提供一个整合性的视角，帮助读者理解这些杂质如何被利用或被规避。 第二章：杂质引入与分布机制 氧（O）： 来源： 详细讨论氧在硅材料生长过程中（如直拉法、区熔法）的来源，包括石英坩埚的侵蚀、熔体中的氧、环境中的氧气等。 在晶格中的状态： 介绍氧在硅中的主要存在形式，包括间隙氧（Oi）、氧-空位复合物（OV）、以及在高浓度氧条件下形成的氧沉淀（SiO2）。 分布与控制： 分析氧在硅锭中的分布规律，以及通过控制生长温度、气氛、坩埚材料等工艺参数来调控氧含量的方法。 碳（C）： 来源： 探讨碳在硅生长过程中的主要来源，如原材料中的碳杂质、石墨部件的挥发、以及某些生长方法（如多晶硅重熔）的引入。 在晶格中的状态： 描述碳在硅中的常见状态，包括间隙碳（Ci）、碳-硅位取代（Cs）、以及形成碳-氧（C-O）和碳-碳（C-C）偶极子或团簇。 分布与控制： 分析碳在硅材料中的分布特性，并介绍通过选择高纯度原材料、改进石墨部件、以及优化生长温度等手段来降低碳含量。 氢（H）： 来源： 阐述氢在硅材料中的引入途径，包括生长过程中的水蒸气、氢气气氛，以及后续的退火、刻蚀等工艺步骤。 在晶格中的状态： 详细介绍氢在硅中的多种存在形式，如与缺陷（如空位）结合形成的氢化物，与表面原子结合，以及在晶界、裂纹中的聚集。特别强调氢与许多活性缺陷（如悬挂键）的钝化作用。 分布与控制： 讨论氢在硅体内的扩散行为，以及通过控制气氛、退火条件来控制氢的存在状态和分布。 氮（N）： 来源： 介绍氮在硅生长过程中被引入的来源，如掺杂的氮气、熔体中的氮化物，以及某些特定生长技术。 在晶格中的状态： 描述氮在硅中的主要存在形式，包括间隙氮（Ni）、氮-硅位取代（Ns）、以及形成氮-氮（N-N）偶极子和氮簇。 分布与控制： 分析氮在硅锭中的分布特征，以及通过控制氮气流量、气氛组成、生长温度来调控氮含量的策略。 第三章：杂质诱导的缺陷与界面态 氧诱导缺陷： 氧沉淀（Oxygen Precipitates, OP）： 详细阐述氧沉淀的形成过程、形貌（如球状、盘状）及其在不同生长条件下的演化。 缺陷协同效应： 分析氧沉淀与临近空位、金属杂质协同形成的复合缺陷，以及这些缺陷对载流子复合的影响（如LOCOS结构中的“红晕”现象）。 内部 gettering 效应： 探讨氧沉淀作为内源性 gettering 中心，捕获和清除晶体硅体内的有害金属杂质，从而提高硅片衬底的品质。 碳诱导缺陷： 碳-氧复合物： 详细研究碳与氧形成稳定的偶极子（C-O），以及其对晶格畸变和电子结构的影响。 碳-空位复合物： 分析碳与空位形成的多种稳定复合物，以及它们对硅材料电学性能的负面作用。 碳诱导的位错： 在高碳含量情况下，碳的偏析可能导致晶格应力集中，从而诱发位错的产生和增长。 氢诱导缺陷与钝化： 氢的缺陷钝化机制： 深入解析氢如何与硅中的悬挂键、空位、氧原子等形成稳定的化学键，从而钝化这些缺陷的活性，降低其对载流子的捕获和复合。 氢对表面与界面态的影响： 重点讨论氢在硅片表面、氧化层界面、外延层界面等处的作用，以及它如何降低界面态密度，改善器件性能。 氢在晶界中的作用： 分析氢在多晶硅或晶界附近的存在状态，及其对晶界电学特性的影响。 氮诱导的缺陷与性质： 氮-氮偶极子与氮簇： 研究氮原子在硅中的聚集行为，以及氮-氮偶极子和更复杂的氮簇对硅晶格的影响。 氮对位错与裂纹的影响： 探讨氮作为“固位剂”的作用，通过抑制位错的移动和裂纹的扩展，提高硅材料的机械强度。 氮对电子光学性质的修饰： 介绍在特定浓度下，氮掺杂如何影响硅的带隙、发光特性，可能用于开发新型光电器件。 第四章：杂质对硅材料宏观性能的影响 电学性能： 载流子寿命与迁移率： 详细分析 O、C、H、N 杂质及其诱导缺陷对硅材料中少数载流子寿命和多数载流子迁移率的影响。区分不同杂质对不同类型载流子的影响差异。 漏电流与击穿电压： 探讨这些杂质对 pn 结漏电流、器件击穿电压的影响，尤其是在高压和高频器件中的重要性。 掺杂行为的改变： 分析杂质是否会影响硅基体的导电类型，或与外延掺杂剂发生相互作用，从而改变其有效掺杂浓度。 光学性能： 光吸收与透射： 讨论氧和碳在可见光和近红外光谱区的吸收特性，以及它们对硅太阳能电池的效率的影响。 发光特性： 探讨特定杂质（如氮）的引入如何产生新的发光中心，从而为硅基发光器件的设计提供可能性。 折射率与介电常数： 分析杂质在硅中可能引起的局部介电常数变化，以及对光波导等光学结构的影响。 机械性能： 脆性与韧性： 深入研究氮等杂质如何提高硅的机械强度，减少脆性断裂。 形变与应力： 阐述氧沉淀、碳偏析等引起的晶格畸变和内应力，以及其对硅片翘曲、器件可靠性的影响。 与外延生长的关联： 分析衬底中的杂质如何影响后续外延层的生长质量和结构完整性。 第五章：表征技术与方法 光谱学方法： 傅里叶变换红外光谱（FTIR）： 详细介绍 FTIR 如何用于定量测量间隙氧、间隙碳的浓度，并识别某些简单的杂质复合物。 拉曼光谱（Raman Spectroscopy）： 探讨拉曼光谱在分析晶格振动、检测碳-碳键、碳-氧键以及碳对晶格畸变的影响。 二次离子质谱（SIMS）： 阐述 SIMS 在提供元素分布二维或三维信息、测量极低浓度杂质方面的能力。 电学测量方法： 深能级瞬态谱（DLTS）： 介绍 DLTS 如何表征杂质诱导的深能级缺陷，并测量它们的能量位置、截面等参数。 瞬态光电导衰减（TPCD）： 讨论 TPCD 方法用于测量载流子寿命，评估杂质对材料质量的影响。 霍尔效应测量： 解释霍尔效应如何用于确定载流子浓度、迁移率和导电类型，并揭示杂质对掺杂行为的影响。 结构与形貌分析： 透射电子显微镜（TEM）/扫描电子显微镜（SEM）： 介绍 TEM/SEM 如何直接观察氧沉淀、位错、晶界等微观结构特征。 X射线衍射（XRD）： 阐述 XRD 如何用于分析晶格常数变化、晶体取向以及应力分布。 原子探针断层扫描（APT）： 介绍 APT 在纳米尺度上进行三维元素分布成像的能力，对于分析杂质团簇、沉淀物与基体的界面至关重要。 第六章：工程应用与未来展望 先进半导体器件的挑战与对策： CMOS 技术： 分析 O、C、H、N 杂质对先进 CMOS 器件（如 FinFET, GAAFET）性能的限制，以及如何通过材料优化来克服。 功率器件： 讨论杂质对 SiC/GaN 等宽禁带半导体器件性能的影响，以及硅材料作为衬底时的杂质问题。 光伏器件： 深入探讨杂质对太阳能电池效率、稳定性和寿命的影响，特别是对晶硅电池的关键性。 利用杂质实现特殊功能： “Gettering”技术： 总结如何利用氧沉淀等缺陷作为 gettering 中心，主动去除有害金属杂质，提升硅片质量。 氮掺杂硅： 展望氮掺杂硅在特定光电器件（如发光二极管、光电探测器）中的应用潜力。 氢化物化学的器件应用： 讨论利用氢钝化技术来提高界面质量和降低漏电。 新兴研究方向： 杂质与量子效应： 探讨在极低杂质浓度或特定杂质团簇下可能出现的量子相干性或新奇量子现象。 原位监测与先进控制： 展望未来如何通过更先进的原位监测技术，实现对杂质引入和演化的实时控制。 多物理场耦合效应： 研究杂质在电场、磁场、应力等复杂作用下的行为变化，为器件设计提供更全面的指导。 结论 本书通过对氧、碳、氢和氮这四种关键非金属杂质在晶体硅中行为的系统性梳理，旨在提供一个深度理解它们对硅材料性能影响的框架。从基础的引入机制到复杂的缺陷形成，再到对宏观电学、光学和机械性能的深远影响，本书力求呈现一个全面而严谨的科学图景。我们期望本书能够激发读者对硅材料科学更深入的探索，为设计和制造下一代高性能半导体器件提供理论支持和实践指导。

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