1、半導(dǎo)體材料,主講教師：李立珺 Tel:Email：,參考書目與教材:,半導(dǎo)體材料楊樹人等 （教材） 半導(dǎo)體材料王季陶 劉明登主編 高教出版社 半導(dǎo)體材料淺釋萬群 化學(xué)工業(yè)出版社 Robert F.Pierret: Semiconductor Device Fundamentals(Part1) Donald A.Neamen: Semiconductor Physics and Devices http:/www.c-e-,考核方式,任選課，3個(gè)學(xué)分，48學(xué)時(shí) 考核方式：閉卷筆試 課程成績?cè)u(píng)分 考試70%,平時(shí)30% （出勤、課上表現(xiàn)） 考試內(nèi)容 以教材和上課內(nèi)容為

2、主,課程內(nèi)容,半導(dǎo)體材料概述 鍺、硅晶體的制備工藝 鍺、硅單晶中的雜質(zhì)與缺陷 硅的外延生長 族化合物半導(dǎo)體 族化合物半導(dǎo)體 氧化物半導(dǎo)體材料 其他半導(dǎo)體材料 其他微電子材料與工藝的介紹,學(xué)習(xí)目的和要求,熟悉硅、鍺等元素半導(dǎo)體 包括硅、鍺單晶中的雜質(zhì)和缺陷問題 熟悉砷化鎵等化合物半導(dǎo)體的基本性質(zhì) 掌握相圖的識(shí)別方法并會(huì)用相圖來指引實(shí)際生產(chǎn)中工藝條件選擇 掌握化學(xué)提純和區(qū)熔提純 掌握晶體生長的原理；通過對(duì)外延的學(xué)習(xí)對(duì)半導(dǎo)體工藝有基本了解 掌握半導(dǎo)體材料制備方法及性能控制原理 了解其他化合物半導(dǎo)體及氧化物半導(dǎo)體材料的性質(zhì) 了解其他半導(dǎo)體材料的發(fā)展趨勢(shì),緒論的主要內(nèi)容,半導(dǎo)體的主要特征 半導(dǎo)體材料的分

3、類 半導(dǎo)體材料的主要應(yīng)用 半導(dǎo)體材料的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì) 納米科技和納米材料,2.負(fù)電阻溫度系數(shù) Si：T=300K =2 x 105 cm T=320K =2 x 104cm 3.具有整流效應(yīng),電學(xué)性質(zhì), 電阻率:電阻率可在很大范圍內(nèi)變化,一、 半導(dǎo)體的主要特征,一 、半導(dǎo)體的主要特征,4.光電導(dǎo)效應(yīng),在光線作用下，對(duì)于半導(dǎo)體材料吸收了入射光子能量， 若光子能量大于或等于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度， 就激發(fā)出電子-空穴對(duì)，使載流子濃度增加，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性增加，阻值減低，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。光敏電阻就是基于這種效應(yīng)的光電器件。,1839年，法國科學(xué)家貝克雷爾(Becqurel)就發(fā)現(xiàn)，光照能使半導(dǎo)體

4、材料的不同部位之間產(chǎn)生電位差。這種現(xiàn)象后來被稱為“光生伏打效應(yīng)”，簡稱“光伏效應(yīng)”。,一、 半導(dǎo)體的主要特征,5.具有光生伏特效應(yīng),光照對(duì)半導(dǎo)體的影響 硫化鎘(CdS)半導(dǎo)體薄膜，無光照時(shí)的暗電阻為幾十M，光照時(shí)阻值下降為幾十K,一、 半導(dǎo)體的主要特征,二、半導(dǎo)體材料的分類,從功能用途分 光電材料,熱電材料,微波材料,敏感材料等 從組成和狀態(tài)分 無機(jī)半導(dǎo)體,有機(jī)半導(dǎo)體,元素半導(dǎo)體,化合物半導(dǎo)體,二、半導(dǎo)體材料的分類,無機(jī)物 元素半導(dǎo)體：化學(xué)元素周期表 化合物半導(dǎo)體 -族，GaN/GaAs/GaP/InP微波、光電器件的主要材料，InSb/InAs禁帶窄，電子遷移率高，主要用于制作紅外器件和霍耳

5、器件。 -族，Zn0，主要用于光電器件，場(chǎng)致發(fā)光 -族，PbS/PbTe,窄禁帶，光敏器件 氧化物半導(dǎo)體，SnO2 硫化物半導(dǎo)體，As(S,Se,Te),Ge(S,Se,Te) 稀土化合物半導(dǎo)體,EuO,TmS 有機(jī)物半導(dǎo)體：酞菁類、多環(huán)、稠環(huán)化合物,本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu),束縛電子,在絕對(duì)溫度T=0K時(shí)，所有的價(jià)電子都緊緊束縛在共價(jià)鍵中，不會(huì)成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱，接近絕緣體。,1.本征半導(dǎo)體化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體晶體。 制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達(dá)到99.9999999%，常稱為“九個(gè)9”。,二、半導(dǎo)體材料的分類,這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。,當(dāng)溫度升高或受

6、到光的照射時(shí)，束縛電子能量增高，有的電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導(dǎo)電，成為自由電子。,自由電子產(chǎn)生的同時(shí)，在其原來的共價(jià)鍵中就出現(xiàn)了一個(gè)空位，稱為空穴。,二、半導(dǎo)體材料的分類,2. 雜質(zhì)半導(dǎo)體,在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量雜質(zhì)元素后的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。,(1) N型半導(dǎo)體,在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)雜質(zhì)元素，例如磷，砷等，稱為N型半導(dǎo)體。,二、半導(dǎo)體材料的分類,N型半導(dǎo)體,多余電子,磷原子,硅原子,多數(shù)載流子自由電子,少數(shù)載流子空穴,施主離子,自由電子,電子空穴對(duì),二、半導(dǎo)體材料的分類,在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素，如硼、鎵等。,空穴,硼原子,硅原子,多數(shù)載流子 空穴,少數(shù)載流子自由電子,

7、受主離子,空穴,電子空穴對(duì),(2) P型半導(dǎo)體,二、半導(dǎo)體材料的分類,三、半導(dǎo)體材料的主要應(yīng)用,二極管、三極管等分立器件 集成電路 微波器件 光電器件 紅外器件 熱電器件 壓電器件,微電子器件,第一個(gè)微處理器（1971）,光電子器件,光纖材料,光纖材料:, 石英玻璃： SiO2、SiO2-GeO2、 SiO2-B2O3-F 多組分玻璃：SiO2-GaO-Na2O、 SiO2-B2O3Na2O 紅外玻璃： 重金屬氧化物、鹵化物 摻稀土元素玻璃： Er、Nd、 多模只適于小容量近距離（40Km,100M bps) 單?？蓚鬏斦{(diào)制后的信號(hào)40Gbps 到200Km，而不需放大。,四、半導(dǎo)體材料的地位

8、、歷史和發(fā)展趨勢(shì),國民經(jīng)濟(jì),國家安全,科學(xué)技術(shù),半導(dǎo)體微電子和光電子材料,通信、高速計(jì)算、大容量信息處理、空間防御、電子對(duì)抗、武器裝備的微型化、智能化,半導(dǎo)體材料的地位,半導(dǎo)體材料的地位,單晶硅和半導(dǎo)體晶體管的發(fā)明及其硅集成電路的研制成功，導(dǎo)致了電子工業(yè)革命 世紀(jì)70年代初，石英光導(dǎo)纖維材料和GaAs激光器的發(fā)明，促進(jìn)了光纖通信技術(shù)迅速發(fā)展，使人類進(jìn)入了信息時(shí)代 超晶格概念的提出及其半導(dǎo)體超晶格、量子阱材料的成功 改變了光電器件的設(shè)計(jì)思想，使半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)與制造從“雜質(zhì)工程”發(fā)展到“能帶工程” 納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,使人類能從原子、分子或納米尺度水平上控制、操縱和制造功能強(qiáng)大的新型器件與

9、電路，必將徹底改變?nèi)藗兊纳罘绞?半導(dǎo)體科學(xué)發(fā)展史 1.第一階段：經(jīng)驗(yàn)科學(xué)（18331931年） 1833年發(fā)現(xiàn)ZnS 電阻變化負(fù)溫度系數(shù) 1873年發(fā)現(xiàn)Se內(nèi)光電效應(yīng) 1874年發(fā)現(xiàn)PbS整流效應(yīng) 1904年點(diǎn)接觸二極管檢波器用于高頻電磁波接收,2.第二階段：30年代40年代末：理論科學(xué),能帶理論的提出，為其后的材料和期件的發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。,3.第三階段：19471958：技術(shù)科學(xué)、應(yīng)用科學(xué) 1947年J. Bardeen, W. Brattain, W. Shockley(Bell Lab.) 發(fā)明晶體管（點(diǎn)接觸Ge晶體管）,First Transistor (1947),半導(dǎo)體材料

10、發(fā)展史,1950年，G.K.Teal、J.B.Little直拉法鍺單晶 1952年，W.G.Pfann區(qū)熔提純技術(shù)高純鍺、G.K.Teal直拉法硅單晶，P.H.Keck懸浮區(qū)熔技術(shù)，提高硅的純度 1955年，SIMENS在硅芯發(fā)熱體上用氫還原三氯化硅法制得高純硅。 1957年，工業(yè)化生產(chǎn)。 1958年，W.C.DASH無位錯(cuò)硅單晶，為工業(yè)化大生產(chǎn)硅集成電路作好了準(zhǔn)備。 六十年代初，外延生長鍺、硅薄膜工藝，與硅的其它顯微加工技術(shù)相結(jié)合，形成了硅平面器件工藝。,半導(dǎo)體材料發(fā)展史,52年，H.WELKER發(fā)現(xiàn)族化合物具有半導(dǎo)體性質(zhì)。這類化合物電子遷移率高、禁帶寬度大，能帶結(jié)構(gòu)是直接躍遷，呈現(xiàn)負(fù)阻效應(yīng)

11、。但是當(dāng)年，由于這些化合物中存在揮發(fā)元素，制備困難。 多元半導(dǎo)體化合物制備技術(shù)的發(fā)展： 晶體生長方面，五十年代末，水平布里奇曼法、溫度梯度法、磁耦合提拉法生長GaAs、InP單晶。65年，J.B.MULLIN，氧化硼液封直拉法，在壓力室中制取GaAs單晶，為工業(yè)化生長三、五族化合物單晶打下了基礎(chǔ)。 薄膜制備技術(shù)方面：63年，H.NELSON，LPE方法生長GaAs外延層，半導(dǎo)體激光器。其后，VPE生長三、五化合物，外延生長技術(shù)應(yīng)用到器件制作中去。,半導(dǎo)體材料發(fā)展史,多元、多層異質(zhì)外延技術(shù)出現(xiàn)。 MBE、MOCVD可將外延層厚度控制在原子層數(shù)量級(jí)范圍內(nèi)，可將兩種不同組份的材料交替進(jìn)行超薄層生長，

12、制備出超晶格材耦和應(yīng)變復(fù)合層材料。,First IC Device (1958),4. 第四階段：集成電路階段 1958 J. Kilby（TI）研制成功第一個(gè)集成電路 1959 R. Noyce（Fairchild）第一個(gè)利用平面工藝研制成集成電路,基于硅的平面工藝集成電路,6. 1958以后：高技術(shù) IC發(fā)展，SSIMSILSIVLSI ULSI半導(dǎo)體微電子學(xué)半導(dǎo)體激光器的發(fā)明半導(dǎo)體光電子學(xué) 7. 1958 以后的幾個(gè)里程碑 1958年L. Esaki研制出隧道二極管 1962-63年 N. G. Basov研制出半導(dǎo)體激光器 1969-70年 L. Esaki & R. Tsu提出半導(dǎo)體

13、超晶格 1963年 H.KroemerZ. Alferov提出異質(zhì)結(jié)激光器 1982 K. Von Klitzing量子霍爾效應(yīng) 1993 S. Nakamura GaN 高亮度GaN藍(lán)光發(fā)光二極管 199？D. C. Tsui分?jǐn)?shù)化量子霍爾效應(yīng),微電子技術(shù)發(fā)展的規(guī)律及趨勢(shì),1965年Intel公司的創(chuàng)始人之一Gordon E. Moore的moore law 等比例縮小(Scaling-down)定律,尺寸不斷減小,From Intels publication,半導(dǎo)體材料的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì),第五階段：能帶工程提出 1970年：Esaki(江琦）提出超晶格半導(dǎo)體的概念 1971年：生長出GaA

14、s/AlGaAs超晶格材料,單周期結(jié)構(gòu)晶體，在人工設(shè)計(jì)極化周期下可以用來實(shí)現(xiàn)倍頻、差頻、混頻、OPO 等非線性過程。,相當(dāng)于兩個(gè)有著不同周期的極化晶體緊密相聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)信頻后再實(shí)現(xiàn)和頻，級(jí)聯(lián)產(chǎn)生三信頻。,硅材料 GaAs和InP單晶材料 半導(dǎo)體超晶格、量子阱材料 V族超晶格、量子阱材料 硅基應(yīng)變異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料 一維量子線、零維量子點(diǎn)半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料 寬帶隙半導(dǎo)體材料 光子晶體,半導(dǎo)體材料的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì),(1) 硅(Si),硅基半導(dǎo)體材料及其集成電路的發(fā)展導(dǎo)致了微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和整個(gè)計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的飛躍. 半導(dǎo)體中的大部分器件都是以硅為基礎(chǔ)的 增大直拉硅（CZ-Si）單晶的直徑仍是今后CZ-Si發(fā)展的

15、總趨勢(shì)。,(2) -族化合物,GaAs 電子遷移率是Si的6倍（高速），禁帶寬（高溫）廣泛用于高速、高頻、大功率、低噪音、耐高溫、抗輻射器件。 GaAs用于集成電路其處理容量大100倍，能力強(qiáng)10倍，抗輻射能力強(qiáng)2個(gè)量級(jí)，是攜帶電話的主要材料。InP 的性能比 GaAs 性能更優(yōu)越，用于光纖通訊、微波、毫米波器件。 世界GaAs單晶的總年產(chǎn)量已超過200噸（日本1999年的GaAs單晶的生產(chǎn)量為94噸，InP為27噸），其中以低位錯(cuò)密度生長的23英寸的導(dǎo)電GaAs襯底材料為主。 InP具有比GaAs 更優(yōu)越的高頻性能，發(fā)展的速度更快；但不幸的是，研制直徑3英寸以上大直徑的InP單晶的關(guān)鍵技術(shù)尚

16、未完全突破，價(jià)格居高不下。,（3）以氮化鎵材料P型摻雜的突破為起點(diǎn),以高效率藍(lán)綠光發(fā)光二極管和藍(lán)光半導(dǎo)體激光器的研制成功為標(biāo)志的半導(dǎo)體材料。 它將在光顯示、光存儲(chǔ)、光照明等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。 在未來10年里,氮化鎵材料將成為市場(chǎng)增幅最快的半導(dǎo)體材料。,（4）半導(dǎo)體超晶格、量子阱材料,III-V族超晶格、量子阱材料 GaAlAs/GaAs，GaInAs/GaAs， AlGaInP/GaAs； GaInAs/InP，AlInAs/InP， InGaAsP/InP等GaAs、InP基晶格匹配和應(yīng)變補(bǔ)償材料體系已發(fā)展得相當(dāng)成熟，已成功地用來制造超高速、超高頻微電子器件和單片集成電路。 硅基應(yīng)變異質(zhì)

17、結(jié)構(gòu)材料 GeSi/Si應(yīng)變層超晶格材料, 因其在新一代移動(dòng)通信上的重要應(yīng)用前景， 而成為目前硅基材料研究的主流。Si/GeSi MOSFET 的最高截止頻率已達(dá)200GHz，噪音在10GHz下為0.9dB，其性能可與GaAs器件相媲美。,（5）一維量子線、零維量子點(diǎn),基于量子尺寸效應(yīng)、量子干涉效應(yīng)，量子隧穿效應(yīng)以及非線性光學(xué)效應(yīng)等的低維半導(dǎo)體材料是一種人工構(gòu)造（通過能帶工程實(shí)施）的新型半導(dǎo)體材料，是新一代量子器件的基礎(chǔ)。,（6）寬帶隙半導(dǎo)體材料,寬帶隙半導(dǎo)體材料主要指的是金剛石、III族氮化物、碳化硅、立方氮化硼以及II-VI族硫、錫碲化物、氧化物（ZnO等）及固溶體等，特別是SiC、GaN 和金剛石薄膜等材料, 因具有高熱導(dǎo)率、高電子飽和漂移速度和大臨界擊穿電壓等特點(diǎn)，成為研制高頻大功率、耐高溫、抗輻射半導(dǎo)體微電子器件和電路的理想材料，在通信、汽車、航空、航天、石油開采以及國防等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。,（7）下一代半導(dǎo)體材料的探索 光集成 原子操縱,五、納米科技和納米材料,納米科技是上世紀(jì)九十年代以來發(fā)展起來的一門綜合現(xiàn)代科學(xué)（介觀物理、量子化學(xué)等）和先進(jìn)工程技術(shù)（計(jì)算機(jī)、微電子和掃瞄隧道顯微鏡等技術(shù)）的前沿交叉學(xué)科。 納米結(jié)構(gòu)是指以納米尺度物質(zhì)單