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關於半導體的一切
2024-03-20
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半導體近年來一直是國家發展的重點產業。所以 半導體到底是什麼？
日常生活中，所有物體依其導電性能可大致分為三類：導體、半導體和絕緣體。
這很容易理解；物體要麼導電，要麼不導電，要麼稍微導電。正是這些模糊且表現出部分導電性的材料為物理學家提供了不同的探索機會。
純導電或不導電的材料意義不大；令人感興趣的是在不同條件下電導率變化的物質。
我們透過一張圖來看看材料的導電率，以便更直觀的理解。
根據其電導率：
絕緣體：電導率較低，約20^-18S/cm至10^-8S/cm，如熔融石英、玻璃等。
導體：電導率較高，範圍為10^4S/cm至10^6S/cm，如鋁、銀等金屬。
半導體：電導率介於絕緣體和導體之間。
自然界中常見的元素半導體包括矽和鍺。據說，鍺基半導體的發現和使用甚至比矽基半導體還要早，但矽的天然優勢在於其價格低廉。自然界中常見的沙子含有大量的矽，你知道嗎！
儘管自然界中存在大量的矽砂，但其中含有太多的雜質和缺陷，因此不能直接使用，需要精煉。
我們如何完善它？一言以蔽之－燃燒！
就像我們國中化學學的一樣，我們進行氧化還原反應。
- SiC + SiO2 → Si（固體）+ SiO2（氣體）+ CO（氣體）
- Si（固體）+ 3HC → SiHCl3（氣體）+ H2（氣體）
- SiHCl3（氣體）+ H2（氣體）→ Si（固體）+ 3HCl（氣體）
經過三次高溫化學反應，我們得到了固態矽，但此時的矽是多晶的。
什麼是多晶矽？
就像我們剝橘子一樣，裡面有很多片段（多晶片段），每個片段的味道都不同（晶體取向）。我們需要選擇味道最好的部分，讓它自己成長！
如何讓小單晶單獨生長？
物理學家確實很聰明，發明了一種稱為直拉法的單晶生長方法，可能以開發該方法的科學家的名字命名。
這個過程還有一個直觀的行業術語，稱為布里奇曼法！
因為生長單晶時，就像把小晶體往上拉！拉的速度有點慢。看看這個設備：
影像中的藍色圓柱形棒是單晶矽。在提拉過程中，它在被向上拉的同時旋轉，從而產生通過布里奇曼法生長的圓柱形鑄錠。
然後使用機械刀片將生長的錠切成盤狀碎片，形成我們所說的晶圓。
這個過程你聽起來很熟悉嗎？
這就是晶圓的生產方式。
雖然我們現在有了晶圓，但現階段單晶矽的電化學性能還不足以直接用於製造晶片。然後工程師致力於改變單晶矽的電化學特性。
他們如何對單晶矽進行改質？
首先我們來深入了解矽元素的一些知識。在元素週期表中，矽位於第14位。矽原子的外殼有四個電子，與四個相鄰原子共享電子，形成四對共享電子。這種共享電子對的結構稱為共價鍵結。每對電子形成共價鍵。
你可能在中學化學中學過這部分內容。我們看一張圖來更直觀的理解：
左圖顯示了單晶矽的晶體結構，類似鑽石晶體的結構。在右側，我們描繪了矽原子共享電子，其中中心的一個矽原子與四個「兄弟」矽原子共享電子。
有一天，一位物理學家突然有了一個想法：如果矽不與它的「兄弟」原子共享電子並邀請其他「兄弟」加入該組會怎麼樣？
有一天，物理學家邀請砷加入小組，然後奇蹟發生了：
砷的「兄弟」在其外殼中有 5 個電子，其中 4 個電子與矽原子形成鍵，留下一個不成對的電子。這個不成對的電子變成自由體，四處遊蕩並由於其電荷而改變矽的電導率。
透過向矽族提供額外的電子，砷原子被稱為施主。
隨著矽族中自由電子的增加，帶負電的載子增加，將矽轉化為n型半導體。
為什麼叫「N型」？在英語中，「Negative」代表否定。取這個單字的第一個字母，得到 N。
同樣，物理學家認為，如果我們可以引入具有額外電子的砷原子，我們是否也可以邀請具有較少電子的硼原子進入該族？因此，物理學家決定將硼原子加入混合物中，看看會發生什麼事。
由於硼原子的外殼只有 3 個電子，比矽少 2 個，原本有 XNUMX 個電子對的每個共價鍵現在只剩下一對，留下一個間隙——一個帶正電的電洞。
此時，矽基半導體被稱為p型半導體。同樣，“P”來自英語單字“Positive”的第一個字母，硼原子被稱為受體。
正是在單晶矽中引入了不同的原子，才形成了N型和P型半導體。
當我們擁有單晶矽並且能夠找到一種方法將其表面氧化成二氧化矽時，二氧化矽可以充當許多裝置結構的絕緣體，或者在擴散或離子注入等裝置製造過程中充當阻擋層。
在 pn 結的製造過程中，可以使用一層薄薄的二氧化矽來限制結的區域。
看看這個示意圖：(a) 顯示了準備進行氧化步驟的未覆蓋的矽晶圓，而 (b) 僅描繪了氧化晶圓的頂層。
有了P型和N型半導體的理論知識，我們可以更進一步，修改二氧化矽的表面以創建所需的圖案，例如畫一隻貓或一朵花。
對晶圓表面進行修飾的方法稱為光刻！
但光刻不需要先進的設備嗎？聽說那些機器真厲害……我們先來了解光刻的原理：
使用高速旋塗機，將一層稱為光阻的紫外線 (UV) 光敏材料旋塗到晶片表面。將晶片從旋轉器中取出後，在80°C至100°C的溫度下烘烤，以去除光刻膠中的溶劑並使其硬化，增強其與晶片的黏著力。
接下來，使用紫外線光源透過圖案化掩模對晶片進行曝光。然後，使用緩衝氫氟酸作為酸蝕刻劑去除未受保護的二氧化矽表面。最後，使用化學溶劑或等離子灰化系統剝離光阻。
看一下原理圖：只顯示了(a)。
這個過程有點類似製作印章。首先，用顏料將模型繪製在石頭上，然後根據模型的尺寸進行雕刻。本質上是一樣的原理。
就像密封件可以有凸起或凹陷的設計一樣，晶圓也可以進行類似的處理。根據光阻的選擇，無論是正性或負性，都可以實現凸起（正性）和凹陷（負性）圖案。所使用的光阻被稱為正性光阻和負性光阻。
光刻後，矽表面暴露於外部環境。然後，物理學家透過稱為離子注入的過程將其他元素引入該矽表面。
當硼 (B) 或砷 (As) 離子被注入時，它們會改變矽的傳統特性，從而改變其電化學特性。此時，此半導體稱為非本徵半導體。
P型和N型半導體接觸形成的結稱為pn結！
摻雜完成後，將努力提取該半導體的性能。這涉及對半導體表面進行金屬化，並在隨後的金屬化過程中完成歐姆接觸和互連等步驟。金屬薄膜可以使用物理氣相沉積（PVD）或化學氣相沉積（CVD）來形成。
金屬化完成後，pn 結現在可以發揮作用了！
這就是半導體基礎了！
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