專利名稱：半導序體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及簇體技術(shù)(Cluster technology)、半導體技術(shù) (Semiconductor technology)、電學技術(shù)(Electronic technology)、光學技術(shù)(Light technology)等。半導序體屬于半導簇體的范疇。半導簇體(Semiconductor Cluster)依據(jù)于《漂動學》和《簇體學》理論。半導序體技術(shù)將在物理、化學、生物、能源、材料、信息、網(wǎng)絡(luò)、機電、微電子、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事等各個領(lǐng)域得到廣泛應用。
背景技術(shù)：
麥克斯韋(Maxwell)認為“電磁波具有能量和動量，并向無限空間傳播”；其電磁波發(fā)射和吸收的理論解釋與事實不符；其“位移電流、感生電動勢”假設(shè)并沒有經(jīng)過實驗直接檢驗。該假說是錯的。量子力學是半導體技術(shù)、納米材料(nanomaterial)技術(shù)的基礎(chǔ)理論。但是量子力學基本原理、愛因斯坦(Einstein)光子理論、德布羅意(de Broglie)公式、薛定格 (Sch^dinger)波動方程、狄拉克(Dirac)相對論波動方程、各種物理量的算符表達式等，都是假設(shè)。物理量相應的算符卻沒有定義和正確構(gòu)造方法。愛因斯坦“光發(fā)射、吸收、運動都是粒子”和德布羅意“每個粒子都是一種波動，都象光波一樣”是錯的。波爾(Bohr) “電子在一些實驗是波，另一些實驗是粒子；電子既是波又是粒子”的互補性原理是錯的。海森伯(W. HeisenBerg) “測不準原理”，用波包描述粒子的位置而認為測不準；否認粒子運動規(guī)律性。量子力學認為波函數(shù)只是在哪段過程中由SchrSdinger波動方程來確定；至于何時發(fā)生波包的縮編，以及縮編到什么本征態(tài)，都取決于實驗者安排和選擇。這種唯心論造成區(qū)分主觀與客觀的困難性和任意性。波恩(M. Born)假設(shè)“波函數(shù)振幅平方與粒子出現(xiàn)概率成正比；物質(zhì)波是無物理意義概率波”是錯的。量子力學只是依靠許許多多假設(shè)來描述。它始終被概念的、邏輯的、圖像的、哲學的問題所糾纏不清。對普朗克(Planck) “能量子”的解釋，至今還困擾物理學家。費曼 (Feynman)說“沒有誰理解量子力學”。納米材料的定義在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍內(nèi)，或由納米基本單元構(gòu)成的材料。納米材料既不同于長程有序的晶體，也不同于長程無序的非晶體。它是一種介于固體和分子之間的第三態(tài)物質(zhì)；是晶體、非晶體之外的“第三態(tài)固體材料”。掃描隧道顯微鏡Scanning tunneling microscope, STM)是用來檢測微觀形貌的。它具有極高空間分辨能力，平行方向的分辨率為0. 04納米，垂直方向的分辨率為0. 01 納米。STM原理是量子隧道效應。其主要構(gòu)成有頂部直徑約為50-100納米的極細探針 (通常是金屬鎢制的針尖)、用于三維掃描的三個互相垂直的壓電陶瓷(Px、PY、Pz)、以及用于掃描和電流反饋的控制器(Controller)等(

圖1)。STM有兩種工作模式恒電流模式和恒高度模式；是微觀世界的加工工具，人工可按需要排布原子。STM針尖與樣品間存在范德瓦耳斯力和靜電力兩種作用力。它可以操縱原子或分子，進行納米加工。STM的單原子或單分子操縱技術(shù)，不僅可以實現(xiàn)將樣品表面的原子或分子從一處移到另一處，從而可以在樣品表面上進行直接刻寫、誘導沉積和刻蝕等技術(shù)；而且可以進行分子組裝技術(shù)。原子力顯微鏡(Atomicforce microscope, AFM)與STM原理基本一樣，它主要利用電場蒸發(fā)和電子束激勵等物理過程對樣品表面的原子進行操縱。由于AFM不受材料種類的選擇和具有原子分辨能力，使它在尺寸小于100納米的結(jié)構(gòu)加工中占有明顯優(yōu)越性。它能夠直接觀察非導電樣品和軟質(zhì)材料試件的表面微觀形貌，達到原子級分辨率，并能在液體中進行檢測。半導體是量子力學和固體物理學等綜合成果。半導體的導電能力會隨著電場、磁場的作用而發(fā)生改變，分別稱為電場效應和磁場效應。半導體的特殊的電學性能來源于其內(nèi)部的原子結(jié)構(gòu)及其電子的運動規(guī)律。由兩種或兩種以上半導體的N型和P型極薄層交替排列組成的周期陣列，稱為超晶格?；衔锇雽w可呈現(xiàn)天然晶體材料中沒有的許多新效應。例如半導體超晶格和量子阱。半導體還有很多其他的物理效應。硅作為半導體材料特點①資源豐富，提純簡單、成熟，價格便宜。②硅器件漏電流少，熱穩(wěn)定性好。③用熱生長能得高質(zhì)量的二氧化硅薄膜。④可解決表面純化。⑤把二氧化硅薄膜夾在硅和金屬之間的結(jié)構(gòu)。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明任務(wù)是開發(fā)離散型半導體性能的序體技術(shù)及其器件，如單序體生長的基本技術(shù)、半導序體外延生成技術(shù)、半導序體分子束外延技術(shù)、序體二極管、雙極序體管、場效應序體管等器件。半導簇體是《漂動學》和《簇體學》新理論、簇體或序體新技術(shù)與現(xiàn)代半導體技術(shù)等相結(jié)合的產(chǎn)物。若沒有注明時，J(可為⑴)彡n，它們?yōu)樽匀粩?shù)。Σ是η從1 J項的求和符號。
黑體字母指矢量。定義任何具有質(zhì)量(包括動質(zhì)量)的物體和微觀粒子，稱為體粒。如光子、電子、 正電子等微粒。定義某個點上的一個物理量在某一數(shù)值附近隨時間而作周期性的變化，稱為振蕩(vibration)。定義某個點的物理量隨著時間變化的振蕩狀態(tài)或者相位的速度，稱為振蕩速度， 簡稱振速。定義能互相感應的可疊加的在體粒周圍定域空間漂浮的獨立的沒有質(zhì)量的物質(zhì)形態(tài)，稱為漂(float)。漂是一種看不見、摸不著、與體粒及其物理量發(fā)生作用的不同于有質(zhì)量實體(如光子)的空間狀態(tài)。定義某點的漂在零值附近的垂直于體粒運動方向的平面上振蕩，稱為漂振蕩。表示漂振蕩的物理量，稱為漂變量。它的絕對值和方向，稱為漂值(矢量)。其中一個方向的漂值規(guī)定為正值，相反方向為負值。定義體粒周圍存在漂振蕩的定域空間，稱為漂域。漂域的運動速度矢量，稱為漂域速度，簡稱域速V。域速可為零。由物理邊界和初始條件確定漂域中漂動形態(tài)。沒有邊界條件的漂域與自由體粒相伴隨著運動。定義漂域中任一點的最大漂值，稱為該點漂振值(矢量)。某點漂振值的絕對值， 稱為該點漂振幅。定義某點的漂變量完成一次周期性振蕩所需要的時間，稱為漂振蕩的周期T。定義某個點的漂變量在單位時間完成周期性振蕩的次數(shù)，稱為漂振蕩的頻率ν ； 且 ν = 1/T。定義漂振蕩的頻率ν的2 π倍，稱為漂振蕩的角頻率(angular Frequency) ω =
2 31 V = 2 31 /τ。定義漂振蕩在開始(時間t = 0)時漂變量χ與漂振幅A之比的反余弦arccosU/ A)，稱為初相Φ。定義初相Φ與漂振蕩角頻率ω乘以時間t的積ω t之和(Φ + ω t)，稱漂振蕩相位(相)，簡稱相位。定義某點漂振蕩按照相同的相位和漂振幅的余弦和/或正弦變化，稱為該點漂簡諧振蕩，簡稱漂簡諧。設(shè)某點的漂值為X，漂簡諧隨時間t的振蕩方程可為χ = Asin^ + cot)和/或χ =Acos(C> + cot)上式漂振幅A與初相Φ均為常數(shù)。，(Φ + ω )為相位。假設(shè)兩個相同角頻率的漂簡諧分別為X1 = A1Cos (Φ!+ω t) ；X2 = A2Cos (Φ2+ω t)；才目位差 Δ Φ = (Φ2+ω t) - (Φ ^ ω t) =Φ2_Φ1某點漂振蕩可使其相鄰點的漂，因互相感應而離開平衡位置進行相同相位和相同漂振幅的漂振蕩。定義在漂域內(nèi)由于相鄰點上的漂的互相感應而形成的各點漂振蕩的集合，稱為漂動(float)。定義某時刻漂域中漂振蕩的相位完全相同的各點所連成的曲面，稱為漂面。漂域中有任意多個漂面。定義運動漂域相對于靜止參照系的最前面的一個漂面，稱為漂前或漂陣面。定義在漂域中各點的切線方向表示漂動的傳播方向并且與各點的漂振蕩均垂直的線段，稱為漂線。定義具有分開的獨立兩個端點的漂線，稱為開放漂線。沒有分開端點的閉合的漂線，稱為封閉漂線。漂線可以是直線段或曲線段；可以是封閉的或開放的。它是線段各點漂振蕩的集合，不是體粒運動的軌跡。定義漂線上漂振值始終是零的點；稱為漂節(jié)。漂線上相鄰兩個漂節(jié)之間的線段， 稱為漂段。定義漂域運動方向與其漂變量的振蕩方向互相垂直的漂動，稱為橫漂。漂動是橫漂，具有偏振效應。
定義漂線上某個漂段的每點漂振值(矢量)中最大絕對值，稱為該漂段的漂腹。 各段漂腹一般相等。定義漂線上相鄰的相位差為2 π的兩點之間的距離為λ并且其方向與漂線相同的矢量，稱為漂長λ。定義漂線上的單位長度含有漂長的數(shù)目N并且方向與漂線相同的矢量，稱為漂
數(shù) N。N| = 1/| λ|。定義漂動的漂數(shù)N的2 π倍，稱為角漂數(shù)矢量k。k = 2 π N = O π / λ )Ν。(Ν。為單位漂數(shù)矢量)。定義一個完整的漂動通過漂線上某點所用的時間，或一次周期性漂動所需要時間，稱為漂動周期Τ。漂動周期等于漂振蕩周期，與漂動經(jīng)過的物質(zhì)介質(zhì)沒有關(guān)系。漂長λ =漂振蕩速度X漂動的周期Τ。定義漂變量在單位時間內(nèi)周期性變化的次數(shù)，稱為漂動頻率V。它與漂振蕩頻率相同。定義漂動的頻率ν的倍，稱為漂動的角頻率，簡稱角頻率ω。即角頻率ω =2 Ji ν = 2 π /Τ。定義漂動相對于參照物為漂域的速度矢量，稱為漂速U。它是漂域中振蕩狀態(tài)或相位的速度。U = V λ。定義漂動遇到障礙物時運動方向發(fā)生改變，能夠繞過障礙物的邊緣繼續(xù)向前運動的現(xiàn)象，稱為漂動繞射(或漂動衍射)。其數(shù)學原理和方法，與機械波衍射類似。它可解釋光子、電子等體粒的所有衍射現(xiàn)象。定義漂線上各點漂振蕩的頻率漂長都相同而相位差恒定的漂動，稱為相干漂動。 幾列漂動相遇時，各點的漂振值疊加形成強弱分布不變的漂動，這一現(xiàn)象稱為漂動干涉；數(shù)學原理和方法與機械波干涉相同。從漂動物理意義行漂動定理漂域中任意漂面上每個點的漂振蕩，都是產(chǎn)生相同相位和漂振幅的漂振蕩的漂動子源，其后任一時刻，它們發(fā)出的各個球面子漂動隨著漂域運動到達空間中包跡，就是新的漂前；漂動從同一個漂面上某些點產(chǎn)生的子漂振蕩，隨著漂域運動(域速為ν = 0為靜止)和漂動(漂速U)到達空間另一點時，各個子漂振蕩遇到障礙物會發(fā)生衍射；各個子漂振蕩相遇時互相疊加會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。根據(jù)漂動定理，從域速ν和漂速U可以計算出漂面之前的給定點的漂振幅和相位； 可以推導出漂動的反射定律“漂動的入射角等于反射角”和折射定律“漂動的入射角的正弦與折射角的正弦之比等于常數(shù)”。若干列漂動相遇時，都將獨立地保持自己的特性(頻率、漂長、振蕩方向和漂線方向等)并繼續(xù)運動。漂動獨立性定理任意漂動相遇時都是交叉而過并且互不干擾。它表明每個漂動都是與其體粒緊密相關(guān)的。若干列漂動在同一介質(zhì)中運動時，都保持其原有的特性不變，相遇處的各點漂值是各列漂值的矢量和。漂動疊加性定理任意一個漂動都可分解為一系列簡諧漂動。它表明任何漂動都可用簡諧漂動來合成。定義域速為ν和漂速為U的漂動，在時間At內(nèi)經(jīng)過真空的幾何路程L =(v+u) · At，稱為漂程。定義兩列漂動(或子漂動)的漂程之差，稱為漂程差。它與域速和漂速速相關(guān)， 與漂域通過介質(zhì)有關(guān)。頻率ν和漂長λ的光子漂域在真空中域速為C，則在折射率為η介質(zhì)中域速Vn =C/n、漂長 λη= λ/η。若漂程相同，光子運動所用時間就一樣，相位變化也相同。漂動在不同介質(zhì)相遇的
干涉由漂程差決定。定義漂相感應形成漂腹為漂振幅最大值而相位為k · Γ-οη+Φ的正弦和/或余弦漂動，稱為簡諧漂動 Ξ。即 Ξ (r, t) = A{cos[(k · r-ω t+Φ) ]+isin[ (k · Γ-ω +Φ)]} =Ξ0 [cos (k · r-ωt)+isin(k · r_ ω t)]①其中ω為簡諧漂動角頻率，k為角漂數(shù)；漂腹A (正數(shù))和漂動初相Φ為常量；漂腹 Ξ。為 IAeiI。漂動相遇的重疊區(qū)域里，每個點的漂振蕩F12(或Ψ21)是各個漂振蕩^和￥2在該點的漂振值的矢量和。￥12(r, t) = Ψ21 (r, t) =t) + ￥2(r, t)，| Ψ1212 = | V1+!^!2 =
Vil2+ V2I2+V*! · Ψ2+Ψ*2 · Vl上式后面兩項可解釋光子、電子、分子等體粒的多縫干涉實驗以及兩個重疊漂動發(fā)生的一切干涉現(xiàn)象。多縫干涉定理每個體粒的漂動穿過多個狹縫產(chǎn)生干涉；每個體粒在漂動作用下只能穿過其中一個縫。推論1 每個體粒伴隨的漂動可產(chǎn)生衍射或干涉等現(xiàn)象；各個體粒只出現(xiàn)于衍射或干涉圖案中一個位置。漂動的漂段上漂振幅達到最大值時，引起相鄰點的漂感應最大，漂振蕩速度為零。 當經(jīng)過1/4周期后，漂段各點的漂同時到達平衡位置，相鄰漂感應為零，漂振蕩速度最大。 繼續(xù)振蕩，各點漂振值為負最大值，相鄰漂感應最大，漂振蕩速度為零。故漂振蕩狀態(tài)始終在漂段上來回移動。在漂節(jié)位置漂振值始終為零。漂動的狀態(tài)和相位，不能通過漂節(jié)向相鄰的漂段或外界傳送。漂沒有質(zhì)量，故漂動沒有能量和動量。漂域外各點漂振值始終為零；根據(jù)漂振值連續(xù)性；漂域邊界上漂振值也始終為零。故漂域邊界是漂節(jié)。推論2 漂動沒有能量和動量；其振幅和相位不能向相鄰漂段或外界傳送；漂域所有邊界點都是漂節(jié)。漂線上角頻率是“離散型”的；其中角頻率最低的漂動狀態(tài)，稱為基態(tài)。其余漂動狀態(tài)，稱為激發(fā)態(tài)。光子周圍的漂動，稱為電磁漂動；不同于電場或磁場。電磁漂動是變化漂動而不是靜止的電場或磁場。推論3 若漂線有η個漂段兩端位于漂域邊界的開放漂線的漂節(jié)為η+1個；封閉漂線的漂節(jié)為η個。定義系統(tǒng)指一個體粒(如電子)或一群體粒(如原子、分子和離子等)及其邊界條件、初始條件等。定義物理狀態(tài)指漂動之間的互相作用、勢場分布和系統(tǒng)狀態(tài)等；也稱為狀態(tài)函數(shù)(state Function)。系統(tǒng)中漂域和漂動的具體形態(tài)，取決于其中各個體粒的質(zhì)量、動量、能量、邊界、初始條件等物理狀態(tài)。體粒(如光子)有質(zhì)量、能量和動量；漂動(如電磁漂動)有漂腹、角頻率和角漂數(shù)。它們?nèi)币徊豢?。推? 每一種漂域和漂動的形態(tài)對應一個系統(tǒng)的所有物理性質(zhì)；即漂域和漂動包含該狀態(tài)的全部信息。定義漂動中(k · r-cot+Φ)稱為漂動相位；與時空點相關(guān)的(k -r- t)稱為時空相；Φ稱為初相。定義物理量W(r，t)只能具有分立的量值(r, t)，稱為物理量的分立量度VV (r, t)，簡稱量度。定義時空(r，t)處的單位時間單位體積內(nèi)量度W (Γ, t)出現(xiàn)的概率，稱為量度概率密度P (r, t)。定義若干個互相垂直和/或平行的分立漂振幅為Aj和相位(Φ-οη)相同的漂簡諧，在與同一條漂線構(gòu)成的各平面上合成為漂腹之和Σ An、漂動相位(1 ·Γ-οη+Φ)的分立簡諧漂動矢量和，稱為正交漂動Ξ (r, t)。從①式，同一條漂線上J列互相垂直和/或平行的簡諧漂動的合成Ξ (r, t)= Σ Ξη(Γ, t) = Σ S0nCOS(k · r-cot)+i Σ S0nSin(k · r-cot)，就是正交漂動。正交漂動 Ξ (r,t)中分立的漂腹之和(Σ Ξ J，稱為合漂腹(正數(shù))。正交漂動余弦和/或正弦，與
k^的實部和/或虛部一一對應。漂動可用復變函數(shù)表示。與正交漂動Ξ (r, t)的余弦和/或正弦等效的復變函數(shù)ζ (可以只采用其中的單獨實部或單獨虛部)為:
ζ (r, t) =X^n ei(k 一)= ^bn{cos [(k · r-<ot) ]-Hsin [(k · r-ot)]} =JEn (r, t) =Ξ (r，t)② ②體粒位置r、時間t與速度相關(guān)，質(zhì)量與物理量(時間、空間、動量、角動量、能量、粒子數(shù)等)相關(guān)。定義量度概率密度P (r, t)的平方根，稱為量度概方根ξ (r, t)；其符號與相應時空點漂值相同。[士 ξ (r，t)]2 = P (r，t)。正交漂動Ξ (r, t)和概率方根ξ (r, t)及其一階導數(shù)都是單值、連續(xù)、有限。以下d τ為積分元素dxdydz，dt為時間微分，積分號對d τ dt積分，范圍為漂域Ω
時空點。11指絕對值。定義若漂動Ξ對漂域Ω :JQ囘2Ckdt=Ll^bne"、…M2drdt=I測合漂腹Σ Ξ0η
稱為單位漂腹。定義正交漂動Ξ (r，t) =^n (r，t)=沒Onei^-M與合漂腹Σ Ξ0η的比值，稱為
漂矢 Ψ (r, t)。定義第η個正交漂動Ξη (r，t) =Ξοηθ ( ￡·'-ω')與合漂腹Σ Ξ0η的比
值，稱為第η分漂矢Vn(r，t)。令￥。(!·，t) = Σ Ξ。η/ Σ Ξ。η = 1。它為單位矢腹。令VQn(r，t) = Ξ。η/ Σ Ξ。η，稱為第η分矢腹(正數(shù))。矢腹(正數(shù))和漂矢都無量綱。漂矢 ψ (r，t) = ^on e ω tVXEbn= ψοθ^·'" - 0 = Θ^''" ω Ω|ψ (r, t) I^Tdt^QlX^e^·'-tatV^OnPckdt=I; / ω | ξ I2cUdt = / ωρ (r, t)
d τ dt = 1 ； /. Ψ = ξ物質(zhì)漂動第一定律時空(r，t)處能量E和動量P的體粒，伴隨漂腹為單位漂腹、時空相(k*r-Gn)與(P ^r-Et)成正比的正交漂動Ξ(Γ，t)的漂域Ω ；其中漂矢V(r，t)等于量度VV概率方根ξ (r, t)。定律中比例系數(shù)稱為漂動變量，記為B。實驗測得漂動常量B = 9.48252X 1033秒/(千克·平方米)。從物質(zhì)漂動第一定律可得(k · r-cot) = B(P · r-Et) = 2 Ji (N · r- ν t)；還可得Ψ (r， t) = ξ (r, t)。故漂動的角漂數(shù)或漂數(shù)與動量的關(guān)系k = B ρ = 2πΝ;角頻率或頻率與能量的關(guān)系ω = B Ε = 2π ν。普朗克“能量子”假設(shè)、“光子能量E = hv”愛因斯坦假設(shè)和德布羅意公式假設(shè)，都只是定律中的特例。從物質(zhì)漂動第一定律和② 式正交漂動Ξ (r, t) =JEn (r, t) ^；^忐一卜⑷二^^^叫 -1^③漂域中漂速u = λ/Τ; ν =U*N;故|u I =E/|P|，方向與體粒動量方向相同。最小基本體粒稱為基粒。電子是伴隨有漂域并具有動量k/B和靜質(zhì)量的基粒；光子是伴隨有電磁漂域并具有能量ω/Β的基粒。定義漂動狀態(tài)完全相同的同一種體粒，稱為全同體粒。同一種體粒的激發(fā)態(tài)不同，就不是全同體粒。J個全同體粒的漂動為J Σ Ξη(Γ, t)；其漂矢 ψ (r，t) =J ^bn ω')/ (J^bn) =#’『-ωυ。定義時空(r，t)處單位時間通過垂直運動方向的單位面積的全同體粒總能量，稱為該處體粒漂強Q。每個全同體粒攜帶相同能量，漂強與體粒數(shù)量成正比。漂強與體粒數(shù)量密度(體粒數(shù)量/總數(shù)量)相同。從物質(zhì)漂動第一定律和量度概率密度ρ的定義可得一個體粒在時空(r，t)處的任意一個量度的總概率。 VE Ψ0η= 1 ；/.Ιωρ (r, t) drΛ42ξ2(1τΛ= Ω|Β;η (r, t) 12ΛΛ= Ω|Σψθηθ ( ￡·'-ω0|2dTdt=l歸一化定理體粒的任一物理量的量度在漂域出現(xiàn)的概率總和等于1 (包括體粒位置出現(xiàn)概率總和為1)。定義在一個系統(tǒng)中運動體粒的能量不隨時間而變化的狀態(tài)，稱為定態(tài)。其對應漂矢，稱為定態(tài)漂矢。其對應漂動，稱為定態(tài)漂動。定態(tài)漂動的體粒，能量因子是固定值；其所有力學量期望值都不隨時間變化。定義時空(r，t)處單位體積內(nèi)量度VV (r, t)的概率，稱為量度VV (r, t)體積概率
密度 P Jr，t)。定義時空(r，t)處單位時間內(nèi)量度VV (r，t)的概率，稱為量度W (r，t)時間概率密度 Pt(r，t)。當漂動漂矢Ψ (r, t)是空間函數(shù)Σ Φηω和時間函數(shù)Σ en(t) 乘積V(r，t) = Σ Φ n(r) Σ θ n(t)時，漲(r’ t)(Γ) 一紐； IZ^ (r，t) Ι2=ΣΦη； (r) (r) β^=|Σφη3 (r) |2(§Μ
ialpr (r, t) I τ= Ω|ΣΨη (『，t) Ι2 τ= Ω|ΣΦη3 (r) |2 τ=1。任一時刻定態(tài)中量度出現(xiàn)概率總和為1。漂矢ψ (r, t)及其共軛漂矢Il^(r，t)都是自變量r和t的復變函數(shù)。量度VV的
期望值<\ >(實數(shù))
<νν>= Ω P (r, t) W (r，t) τ ι= Ω|ξΙ 2 W (r，t) Cbdt=Ja |ψ (r, t) I 2 W (r, t) dxdt
權(quán)利要求
1.在熔融體中生長半導序體是單序體生長的基本技術(shù)，也稱為直拉單序法。一小塊籽序(純單序體材料)接觸到同種材料熔液表面上，周圍施加一定壓力(一般為1 1000個大氣壓)，從熔融體中緩慢提拉。當緩慢提拉籽序時，在固液分界面上發(fā)生凝固。通常當序體被提拉時還會緩慢旋轉(zhuǎn)來攪動熔融體，以獲得更均勻的溫度。沾有熔液的序體緩慢地冷凝，才能形成有規(guī)則的幾何形狀。適量的雜質(zhì)原子，比如硼或磷，加到熔融體中，這樣生長后的半導序體就人為地摻入了雜質(zhì)原子。在硅序體生長時，如果在熔融硅中摻入雜質(zhì)硼(或磷)原子，就可以獲得P型(或N型) 半導體硅序體。硅序體錠經(jīng)過切割、研磨、拋光等步驟，獲得拋光硅序體片。以拋光硅序體片為襯底，在它的上面就可以制造半導序體器件或集成電路的序體芯片。半導體生長之后，序體錠被機械地切削出合適的直徑并做出沿軸向的一個平底面來表征序向。此平面與[110]方向垂直，，它是(110)平面。每個芯片沿著給定的序面制作，以使劃片更容易些。接下來將序體棒切成片。機械雙面打磨工藝能夠獲得一致厚度的平整序體片。表面還要用化學腐蝕去除操作的沾污。最后一步是拋光，得到光滑表面，在上面可以制作器件或進行后續(xù)的生長工藝。用半導簇體制成的半導器件有二極管、放大器、振蕩器、變頻器、邏輯電路、運算電路和存儲器等。
2.半導序體的外延生成技術(shù)是在半導序體器件和集成電路制造中應用的多用途生長技術(shù)。外延生長是在常壓下，在單序體的襯底的表面上生長一薄層單序體的工藝。在外延工藝中，雖然其溫度遠低于熔點溫度，單序體襯底還是起籽序的作用。當外延層生長在同種單序體的襯底上時，稱為同質(zhì)外延。當外延層生長在不同種單序體的襯底上時， 稱為異質(zhì)外延。在異質(zhì)外延中，為了生長單序體并避免許多缺陷，兩種單序體的序格結(jié)構(gòu)應當很相似。如在GaAs單序體襯底上外延AlGaAs (三元合金)單序體層就是一個異質(zhì)外延的例子。大多數(shù)半導序體器件是在外延層上制作的。2. 1半導序體的化學氣相沉積(CVD)技術(shù)，制作的硅外延層是通過含硅的氣體往表面沉積適量的硅原子而在硅襯底上生長起來的。一種方法是在熱單序體硅襯底上讓SiCl4和 H2發(fā)生反應；反應中硅析出并沉積到襯底上；此時HCl等其他化學反應物呈氣態(tài)而從反應器中清除出去。這種技術(shù)可以獲得襯底和外延層之間雜質(zhì)的明顯界限。它將帯給半導簇體器件制作的很大靈活性。2.2半導序體的液相外延(LPE)技術(shù)，利用半導單序體和其他元素的化合物的熔點可能比半導單序體本身的熔點低的特點；將半導單序體襯底放置到液態(tài)化合物中。由于化合物熔點比襯底的低，所以襯底不會熔化。隨著溶液逐漸冷卻，籽序上就會生長一層半導單序體。這種技術(shù)的工作溫度比直拉單序法的低。它將應用于III-V族化合物半導單序體的生長中。
3.半導序體的分子束外延技術(shù)，是以某種半導單序體的籽序(或籽序絲、籽序片、籽序塊)作為襯底，讓高純度半導體材料的原子有規(guī)則排列在籽序襯底上，形成一層具有一定導電類型、電阻率、厚度及完整納格結(jié)構(gòu)的半導單序體層。采用分子束外延工藝，半導單序體的籽序被固定在高真空中，溫度基本在400°C 800°C范圍內(nèi)。半導體和摻雜原子被蒸發(fā)到襯底表面。在單序體襯底上一層疊一層地生長出不同材料的序體薄膜，其每層只有幾個原子層的厚度。這樣生長出來超序格序體。超序格序體將為半導器件的應用和發(fā)展開辟嶄新的領(lǐng)域。它也稱為“原子工程”。它通過人工設(shè)計和調(diào)控序體中的電子結(jié)構(gòu)，由組分不同的半導序體超薄層交替生長而形成多層異質(zhì)周期結(jié)構(gòu)序體，可以推動半導序體器件的更高性能。
4.半導序體二極管是半導序體器件中最基本的部件。它一般有一個由摻雜了受主雜質(zhì)的P型半導序體區(qū)和摻雜了施主雜質(zhì)的η型半導序體區(qū)接觸所形成的ρη結(jié)。其特性與工作均與此ρη結(jié)相關(guān)。半導序體二極管的ρη結(jié)由平面技術(shù)制備，這種技術(shù)包括熱氧化工藝，提供在半導序體表面上生長氧化層；光刻工藝用來在氧化層上開窗口 ；擴散或離子注入工藝用來在窗口區(qū)域制備ρη結(jié)；金屬連線工藝提供點連接其他電路器件。序體二極管是由一個Pn結(jié)、制備上相應的電極引線和管殼封裝而成。由ρ區(qū)引出的電極線為正極(陽極)，由η區(qū)引出的電極線為負極(陰極)。序體二極管的種類較多，有整流序體管、穩(wěn)壓序體管、開關(guān)序體管、變?nèi)菪蝮w二極管、雪崩序體二極管、隧道序體二極管、 發(fā)光序體二極管等。它們都以一個Pn結(jié)為核心，但由于它們的工作原理、用途和工作條件不同，故不同序體二極管對ρη結(jié)的要求有很大差別。如4. 1點接觸型序體二極管是由一根金屬絲經(jīng)過特殊工藝與半導體表面相接觸形成ρη 結(jié)。其工作機理是在緊密接觸的金屬和半導體之間加上電壓，由于表面勢壘的作用，加正、 反向電壓時產(chǎn)生的電流大小不同。由于點接觸型序體二極管的Pn結(jié)的面積小，結(jié)電容也小，不能通過較大的電流，適用于高頻(幾百兆赫 幾千兆赫)、小電流(十毫安以下)的場合。主要用途高頻檢波、混頻、小功率整流和開關(guān)電路等。4. 2面接觸型序體二極管是采用合金法工藝制成的。ρη結(jié)面積大，能夠通過較大的電流，但Pn結(jié)電容也大，只能在較低頻率下工作，一般作為整流使用。平面型序體二極管是采用擴散法制成的。其ρη結(jié)面積可大可小。若ρη結(jié)面積較大時，電流從幾十安培到幾千安培，主要用于大功率整流管；當ρη結(jié)面積較小時，電流從幾十毫安到幾安培，可作為脈沖數(shù)字電路中的開關(guān)管使用。4. 3開關(guān)序體二極管是屬于ρη結(jié)結(jié)構(gòu)的序體二極管；故其符號、伏安特性與開關(guān)晶體二極管相同。其突出的特點是作為開關(guān)元件要經(jīng)過從開態(tài)-正向?qū)ǖ疥P(guān)態(tài)-反向截止， 再從關(guān)態(tài)到開態(tài)，需要具有良好的開關(guān)特性，開關(guān)時間要短。序體二極管從截止到正向偏壓后的導通需要一段時間，稱為正向恢復時間。序體二極管從導通轉(zhuǎn)為截止需要一段時間，稱為反向恢復時間。這兩個時間之和稱為開關(guān)時間。顯然開關(guān)時間愈短愈好。開關(guān)序體二極管由于具有漂動性，其開關(guān)時間比開關(guān)晶體二極管的要短得多。4.4發(fā)光序體二極管是一種將電能轉(zhuǎn)換為功能的特殊序體二極管。它的基本結(jié)構(gòu)也是由一個ρη結(jié)構(gòu)成。雖然發(fā)光序體二極管與一般發(fā)光二極管都是由Pn結(jié)制成的，并且管芯形成后必須用光吸收系數(shù)小的透明材料把管芯封裝起來。但由于序體二極管具有漂動效應，它的轉(zhuǎn)換效率比晶體二極管的高。
5.同質(zhì)結(jié)半導序體二極管是由同一種半導序體所構(gòu)成一個或多個PN結(jié)的半導序體二極管。兩種不同能帶隙(禁帶寬度)的半導序體相接觸可以形成一個Pn結(jié)，該結(jié)稱為半導序體的異質(zhì)結(jié)。異質(zhì)結(jié)一個有用的特性，就是能夠在表面形成勢阱。在與表面垂直的方向上，電子的活動會受到勢阱的限制，但電子在其他兩個方向上可以自由地流動。半導序體由一個窄禁帶寬度的序體材料突變到寬禁帶寬度所形成的pn結(jié)，稱為序體突變結(jié)。冶金結(jié)兩側(cè)的摻雜濃度可以由線性分布近似的Pn結(jié)，稱為線性緩變結(jié)。為了形成一個有用的異質(zhì)結(jié)，兩種序體的序格常數(shù)必須匹配。由于序格的不匹配會引起表面斷層并最終導致表面態(tài)的產(chǎn)生，故序格的匹配非常重要。例如鍺與砷化鎵的序格常數(shù)的匹配約為0. 13%。
6.序體管分為兩種類型6. 1序體管依靠摻雜硅序體的隧道結(jié)和漂動點的漂動隧道效應靈敏，可觀測到單電子行為。隧道結(jié)和漂動點是半導序體器件或者單電子器件的基本單元。其重要參量是隧穿速率和閥值電壓。一般要求隧道結(jié)電阻RT >> RK = h/e2 26kΩ (庫侖阻塞電阻)。半導序體器件是超高密度的集成電子器件。每個基本單元的尺寸小于10納米；電路的集成度可達到1012B/cm2。它要求功耗小于0. 46W/cm2。每開關(guān)一次，傳輸?shù)碾娮訑?shù)必須小于 10個。因此半導序體器件中的漂動單元的操作接近單電子行為。其中最主要的基礎(chǔ)器件是電子盒、半導體序體管和單電子存儲器等。6.2雙極序體管的基本結(jié)構(gòu)是有多個pn結(jié)，它們的結(jié)電壓的正負情況可以有多種組合，導致序體管有不同的工作模式。有兩種類型的雙極序體管，即npn型和pnp型。每一種序體管都有三個不同的摻雜區(qū)和兩個pn結(jié)。中心區(qū)域(基區(qū))非常窄，故這兩個結(jié)稱為相互作用結(jié)。雙極序體管的三端分別稱為發(fā)射極、基極和集電極。反射區(qū)摻雜濃度高，集電區(qū)摻雜濃度最低。序體管的結(jié)構(gòu)與晶體管相同，只是采用序體代替晶體材料。雙極序體管的基本結(jié)構(gòu)和等效電路與現(xiàn)有的雙極型晶體管器件十分相似，都有源極、 漏極和柵極，但它們的工作原理卻并不相同。雙極序體管是由兩個隧道結(jié)和基區(qū)控制電子的隧穿運動；電流具有漂動性。
7.金屬-絕緣體-半導體場效應序體管是不同于雙極型序體管的另一類序體管。它是一種電壓型控制器件。根據(jù)結(jié)構(gòu)和制造工藝的不同，場效應序體管可分為三類結(jié)型場效應序體管、金屬-半導體場效應序體管和絕緣柵場效應序體管。在絕緣柵場效應序體管中可以單元素鍺(Ge)、硅(Si)為序體襯底，也可以化合物砷化鍺(GeAs)、磷化銦(MP)為序體襯底。金屬-絕緣體-半導體序體(MIQ器件柵下的絕緣層可以選用二氧化硅、氧化鋁等絕緣材料。它是大規(guī)集成電路和超大規(guī)模集成電路中最基本、最核心組成部分。金屬-氧化物-半導體硅序體的結(jié)構(gòu)，以半導體P型硅序體作為襯底，采用平面工藝制作N型溝道MOS場效應序體管的基本結(jié)構(gòu)是一個四端器件。其是在輕摻濃度均勻的P型硅序體襯底上，用擴散或/和離子注入方法形成兩個N+區(qū)，分別為序體源區(qū)和序體漏區(qū)，并制作歐姆接觸電極，作為源極和漏極；在源區(qū)和漏區(qū)之間的區(qū)域上，用氧化工藝生長一層優(yōu)質(zhì)的二氧化硅薄膜，在氧化膜的上面用蒸發(fā)合金工藝制作歐姆接觸電極，覆蓋一層金屬作為柵極。這樣就形成MOS序體管的管芯。另外還有一個序體襯底電極B。在序體管應用時，一般將源極和襯底短接，形成一個三端器件。在集成電路中源極不與襯底相連而成為四端器件。
8.結(jié)型場效應序體管分兩種一種是pn結(jié)場效應序體管；另一種是金屬-半導序體結(jié)型場效應序體管。Pn結(jié)場效應序體管是由pn結(jié)制成的；金屬-半導序體結(jié)型場效應序體管是由肖特基勢壘整流接觸結(jié)制成的。8. Ipn結(jié)場效應序體管的橫截面的結(jié)構(gòu)，在兩個ρ區(qū)之間的η區(qū)是導電溝道，這個η溝器件中，多數(shù)載流子電子自源極流向漏極，器件的柵極是控制端。由于在η溝序體管中，多數(shù)載流子-電子主要起導電作用，故Pn結(jié)場效應序體管是多數(shù)載流子導電器件。將η溝道器件中的P區(qū)與η區(qū)互換位置，就形成了 ρ溝道器件。在ρ溝道器件中，空穴從源極流向漏極。P溝道場效應序體管中電流的方向和電壓的極性，與η溝道場效應序體管中的相反。溝道中的電流由柵電壓控制。對電流的控制，一部分是通過柵電壓實現(xiàn)的，而另一部分是序體管本身的行為。8.2金屬-半導序體結(jié)型場效應序體管的柵極是肖特基勢壘整流接觸，而不是ρη結(jié)。 金屬-半導序體結(jié)型場效應序體管可以由硅序體制成，也可以采用砷化鎵或其他合成半導序體制成。砷化鎵場效應序體管的橫截面的結(jié)構(gòu)；薄的砷化鎵外延層作為有源區(qū)，襯底由具有高電阻率的砷化鎵序體制成，即半絕緣型襯底。砷化鎵中有意地摻入鉻，鉻作為單一的受主雜質(zhì)接近于禁帶的中間，使它半絕緣，具有電阻率109Q-cm。這種器件的優(yōu)點在于它具有高的電子遷移率，故具有較低的輸運時間和較快的反應速度，并且減少了寄生電容的影響； 由于采用半絕緣的砷化鎵序體襯底，故制造工藝簡單。當在柵源極之間加一個反偏電壓時， 在金屬柵極下面產(chǎn)生一個空間電荷區(qū)，用以調(diào)制溝道電導。
9.半導序體功率雙極序體管中的垂直式功率序體管的結(jié)構(gòu)，集電極在器件的底部。這種結(jié)構(gòu)會使在器件中電流流過的橫截面的面積最小化。另外，摻雜的濃度和尺寸也與小的開關(guān)序體管中不一樣。最原始的集電極區(qū)域是低摻雜濃度的，η+約1019cnT3，使得可以在基極與集電極之間加上大的電壓，而不會產(chǎn)生擊穿。而另一個集電極漂移η區(qū)，因為有更高的摻雜濃度，η_大約1014cm_3，會減小集電極串聯(lián)電阻，并且可以與外部的集電極形成歐姆接觸。基區(qū)P約IO16CnT3，比小型的半導序體器件中的寬。較大的集電極與基極電壓意味著將在集電區(qū)和基區(qū)引入一個相對較大的空間電荷區(qū)。一個相對較大的基區(qū)寬帶是為了防止穿通擊穿。與發(fā)射極相連的反射區(qū)的η+約1019Cm_3。相對較小的發(fā)射結(jié)寬帶可以減小發(fā)射結(jié)電流集邊效應。這種功率序體管具有垂直的結(jié)構(gòu)和一個交叉的基射表面結(jié)構(gòu)。集電極漂移區(qū)(摻雜濃度和寬帶)決定了功率序體管的額定截止電壓，而基區(qū)寬度必須足夠大，以避免在截止電壓時的穿通擊穿。
10.半導序體閘流管能夠?qū)崿F(xiàn)雙穩(wěn)壓正反饋開關(guān)轉(zhuǎn)換特性。一個序體管由于使用了基極驅(qū)動或者柵極電壓，就可能導通。硅半導序體整流器是一種有柵控電極的四層pnpn結(jié)構(gòu)。當器件進入導通狀態(tài)時，可考慮器件模塊化為耦合npn和pnp雙極序體管。因為pnp 序體管器件的基極就是npn序體管的集電極，基極電流事實上是另一個序體管的集電極電流。同樣，因為pnp序體管的集電極電流就是npn序體管的基極。故一個序體管集電極電流也就與另一個序體管的基極電流相同。半導序體間流管有以下一些派生器件10. 1雙向半導序體閘流管是把兩只半導序體閘流管組成的反并聯(lián)電路集成在同一個硅單序片上。它是一種可在正、反兩個方向傳導電流的器件。10. 2光控半導序體閘流管是用光信號代替電信號對器件進行觸發(fā)的電力半導序體器件。它的門極回路與主回路完全絕緣，抗干擾能力很強，使其成為高壓直流輸電、無功功率 補償?shù)雀邏?交流設(shè)備上理想器件。10.3門極關(guān)斷 半導序體閘流管具有高阻斷電壓、大電流、雙穩(wěn)態(tài)功能以及自關(guān)斷的特點。它是一種具有自關(guān)斷閘流管。門極關(guān)斷半導序體閘流管同樣具有四層三端結(jié)構(gòu)；它的導通原理和普通閘流管相同。 10. 4場控半導序體間流管是一種由場效應序體管來控制間流管開關(guān)的復合型功率器件。它兼?zhèn)鋱鲂碗p極型器件的特點，具有高壓、大電流、低導通壓降、高輸入阻抗等，可以自關(guān)斷。
全文摘要
本發(fā)明任務(wù)是開發(fā)各種簇體技術(shù)及其器件，如單序體生長的基本技術(shù)、半導序體外延生成技術(shù)、半導序體分子束外延技術(shù)、序體二極管、雙極序體管、場效應序體管、序體振蕩器和變頻器等。利用半導序體替代現(xiàn)有的半導體，可以制作高性能、小型化、集成化的半導序體器件。其中光電子信息半導序體是整個光電子技術(shù)的基礎(chǔ)和先導。它包括光源和信息獲取材料、信息傳輸材料、信息存儲材料、信息處理等材料。半導序體管的屬性由其單序體的序格結(jié)構(gòu)決定。序體某方向的納格與運動電子的漂長相當或更小，則構(gòu)點周期性的邊界條件不被改變，必然導致它的光電轉(zhuǎn)換和其他的各種性能發(fā)生根本性變化。這種體積效應；是序體與礦體的本質(zhì)區(qū)別。各種序體結(jié)構(gòu)多樣性和組成的千變?nèi)f化，決定了它們的各種各樣的具體特性。
文檔編號C30B23/02GK102174706SQ20111000140
公開日2011年9月7日 申請日期2011年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月5日
發(fā)明者劉智和 申請人:劉文祥