1、合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 (School of Materials Science and Engineering, Hefei University of Technology) 許育東 (Ph.D., Associate Professor),半導(dǎo)體材料（電子材料）與器件工藝（Semiconductor 白光LED制造技術(shù)（WLED） 壓電材料、鐵電材料以及器件(piezeoelectrics, ferroelectrics)（概念、性能、制造和應(yīng)用技術(shù)） 微電子器件（pn junction, FET）及集成電路（IC） 集成電路（IC）的制造工藝（Oxidation, diffus

2、ion, photolithography）,Highlights 1:硅平面工藝制造p-n結(jié)二極管,知識(shí)點(diǎn)： 摻雜擴(kuò)散技術(shù)； （恒定/有限表面源擴(kuò)散，兩步法） 光刻技術(shù)； （圖形轉(zhuǎn)換） 平面工藝； 半導(dǎo)體單晶工藝； 半導(dǎo)體器件測(cè)試 技術(shù)；,Wafer-晶圓；chip-芯片,Highlights 2: IC 導(dǎo)電導(dǎo)熱性:石墨的導(dǎo)電性比一般非金屬礦高一百倍，導(dǎo)熱性超過(guò)鋼、鐵、鉛等金屬材料，導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而降低，甚至在極高的溫度下，石墨成絕熱體。（銀1.610-8 銅1.710-8 鐵1.010-7 石墨(813)10-6, *m) 化學(xué)穩(wěn)定性:石墨在常溫下具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，能耐酸堿、耐有

3、機(jī)溶劑的腐蝕。 潤(rùn)滑性:石墨的潤(rùn)滑性能取決于石墨鱗片的大小，鱗片越大，摩擦系數(shù)越小，潤(rùn)滑性能越好。石墨為層狀耐磨礦物，其Bond粉碎功指數(shù)高達(dá)45.03kw/t，相較于粘土的7.1kw/t、黃鐵礦的8.9kw/t，以及石英的12.77kw/t高出許多. 抗熱震性:石墨在高溫下使用時(shí)能經(jīng)受住溫度的劇烈變化而不致破壞，溫度突變時(shí)，石墨的體積變化不大，不會(huì)產(chǎn)生裂紋。,石墨烯的特性 石墨烯是目前已知的世界上最薄的材料,也是有史以來(lái)被證實(shí)的最結(jié)實(shí)的材料,其強(qiáng)度可達(dá)130 GPa，是鋼的100多倍，其斷裂強(qiáng)度達(dá)到了驚人的42NM-1；最新的研究表明，石墨烯具有 10 倍于商用硅片的高載流子遷移率（1500

4、0 cm2V-1s-1） ，石墨烯的熱導(dǎo)率可達(dá)5000W/ mK，是室溫下純金剛石的 3倍。目前試驗(yàn)還證實(shí)了石墨烯中的電子和空穴成對(duì)現(xiàn)象(Electron-Hole Symmetry)，半整數(shù)量子霍爾效應(yīng)(Half-integer Quantum Hall Effect)，室溫量子霍爾效應(yīng)(Room-Temperature Quantum Hall Effect)等多種獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。,石墨烯的制備和應(yīng)用,近20年來(lái),碳納米材料一直是科技創(chuàng)新的前沿領(lǐng)域,1985年發(fā)現(xiàn)的富勒烯和1991年發(fā)現(xiàn)的碳納米管均引起了巨大的研究熱潮. 2004年石墨烯被英國(guó)曼徹斯特大學(xué)Geim和他的同事們首次制備

5、。一直以來(lái)，人們認(rèn)為，單層的石墨烯是不可穩(wěn)定能存在的。Geim教授在理論上不可行的情況下依然進(jìn)行了償試，他用膠帶粘附的方法成功得到了單層的石墨烯，并在2004年的Nature上發(fā)表了關(guān)于石墨烯的研究成果。石墨烯的發(fā)現(xiàn)在納米科技上是有劃時(shí)代的意義的。Geim教授也憑借這一發(fā)現(xiàn)獲得了2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。而我們知道富勒烯的發(fā)現(xiàn)者已經(jīng)獲得了1996年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。 目前有三種方法制備石墨烯,一種是SiC的高溫?zé)峤馔庋臃ɑ蜻^(guò)渡族金屬催化外延法，另一種是輕微摩擦法或撕膠帶法.第三種是化學(xué)修飾分散/還原法. 石墨烯是目前已知的力學(xué)強(qiáng)度最高的材料，并有可能作為添加劑廣泛應(yīng)用于新型高強(qiáng)度復(fù)合材料之中。用

6、來(lái)開(kāi)發(fā)制造出紙片般薄的超輕型飛機(jī)材料、超堅(jiān)韌的防彈衣和“太空電梯”用的超韌纜線，研究表明石墨烯增強(qiáng)聚乙烯醇（PVA）復(fù)合材料，只需要添加0.7%（重量比）的石墨烯，就可以使復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度提高76 ，同時(shí)其楊氏模量增加62；另外，在功能化石墨烯增強(qiáng)的聚氨酯復(fù)合材料中，石墨烯含量為1時(shí)，其復(fù)合材料的強(qiáng)度提高75，模量提高120 。 在電子應(yīng)用方面石墨烯的應(yīng)用范圍很廣，從柔性電子產(chǎn)品到智能服裝，從可折疊顯示器到有機(jī)太陽(yáng)能電池，甚至未來(lái)的全碳電路都是以石墨烯為原料。研究表明，石墨烯可以被刻成尺寸不到1個(gè)分子大小的單電子晶體管，石墨烯單電子晶體管可在室溫下工作，而10納米是硅材料技術(shù)無(wú)法再發(fā)揮作用的

7、小型化極限，有研究者認(rèn)為石墨烯可能最終會(huì)替代硅。石墨烯器件制成的計(jì)算機(jī)CPU的運(yùn)行速度可達(dá)到太赫茲，即1千兆赫茲的1000倍。 石墨烯在高靈敏度傳感器和高性能儲(chǔ)能器件方面也已經(jīng)展示出誘人的應(yīng)用前景 然而，迄今為止，如何規(guī)?；a(chǎn)石墨烯以及制備大尺寸、高質(zhì)量的石墨烯薄膜仍舊是一個(gè)有待解決的難題。,石墨、氧化石墨、可膨脹石墨,氧化石墨烯的改性,石墨烯的透明性和導(dǎo)電性,石墨烯的相關(guān)表征方法,電子信息材料發(fā)展趨勢(shì),1ps=10-3ns=10-6us=10-9ms=10-12s ; 1TB=103GB=106MB=109KB=1012B；GIPS:Giga Instruction Per Second,

8、1.2.2 現(xiàn)代社會(huì)對(duì)電子材料的要求,結(jié)構(gòu)與功能相結(jié)合 (Comprehensive Performance) 智能材料 (Intelligence) 減少污染 (No or less Pollution) 節(jié)省能源 (Energy Waste Reduction) 長(zhǎng)壽命與可控壽命 (Long Service Time ) 可靠性（Reliability）,Highlights 4: 白光LED制造過(guò)程,制造襯底材料 加工制成晶片,GaN外延生長(zhǎng) 制成外延晶片,LED晶片制造 制成LED晶粒,LED晶粒封裝 制成LED成品,白光LED的制作過(guò)程與制作硅晶圓IC很相似，首先經(jīng)過(guò)單晶生長(zhǎng)技術(shù)，制

9、成藍(lán)寶石或碳化硅單晶棒，經(jīng)過(guò)切割、研磨、拋光制成拋光晶片；再將其作為襯底 (substrate)，使用外延技術(shù)將氮化鎵(GaN)半導(dǎo)體生長(zhǎng)在襯底表面，制成外延晶片；外延片經(jīng)過(guò)半導(dǎo)體蝕刻工藝制成n型和p型電極，通過(guò)切割加工成LED晶粒；最后經(jīng)過(guò)固晶、邦線、封膠等工序制成白光LED成品。,白光發(fā)光二極管是由日本日亞化學(xué)公司第一個(gè)將其商品化，系二波長(zhǎng)白光 (藍(lán)色光+黃色光)，主要技術(shù)原理是以氮化鎵(GaN)系藍(lán)光二極管芯片加上YAG黃色熒光粉，利用藍(lán)光激發(fā)黃色熒光粉產(chǎn)生黃色光，同時(shí)配合自身產(chǎn)生的藍(lán)光，即形成藍(lán)黃混合二波長(zhǎng)白光。二波長(zhǎng)白光LED的光譜如圖所示。 另一種是三波長(zhǎng)（藍(lán)色光+綠色光+紅色光）

10、白光發(fā)光二極管，三波長(zhǎng)白光的技術(shù)原理，是用紫外光的氮化鎵系發(fā)光二極管芯片激發(fā)塗在其表面的混合熒光粉（內(nèi)含紅綠藍(lán)三色），使之產(chǎn)生三波長(zhǎng)白光。此種白光光色均勻，演色性好，不會(huì)像二波長(zhǎng)白光有偏色現(xiàn)象（偏黃或偏藍(lán)）。 隨著白光LED光效提升與技術(shù)進(jìn)步， 白光LED應(yīng)用開(kāi)始跨入照明領(lǐng)域，目前照明LED的光效已達(dá)150lm/W以上(日光燈光效是70lm/W)，正在向200lm/W邁進(jìn)。 白光LED與一般照明比較，除了省電外（用電量是一般燈泡的八分之一，日光燈的二分之一），還有壽命長(zhǎng)（可達(dá)5萬(wàn)小時(shí)以上），安全環(huán)保（無(wú)污染）。因此，白光LED被譽(yù)為綠色照明光源。,白色發(fā)光二極管(LED)發(fā)光原理,白光LED原

11、理,（1）藍(lán)光LED芯片和YAG熒光粉合成白光 這種白光LED是由在GaN芯片表面涂覆YAG熒光粉來(lái)實(shí)現(xiàn)的，由GaN芯片發(fā)射的藍(lán)光（465nm）激發(fā)YAG熒光粉發(fā)射出黃光（555nm）。根據(jù)補(bǔ)色原理，黃光與未完全被吸收的藍(lán)光相加可得到白色的可見(jiàn)光，并且通過(guò)調(diào)節(jié)它們的強(qiáng)度比，可以得到各種色溫的白光，其白光發(fā)光原理見(jiàn)圖。,藍(lán)光激發(fā)白光LED示意圖,（2）紫外LED激發(fā)紅綠藍(lán)熒光粉合成白光,（3）藍(lán)光LED芯片激發(fā)紅綠熒光粉合成白光 這種熒光粉的構(gòu)造綜合了前兩種白光LED的思路，由藍(lán)光激發(fā)的熒光粉發(fā)射紅色、綠色熒光粉與未被完全吸收的藍(lán)光復(fù)合成白光。這種白光LED與紫外LED芯片激發(fā)白光LED相比，對(duì)

12、LED芯片要求較低，LED芯片發(fā)射光的利用效率高，色純度很高，顯色性也很好。 但是這種白光LED燈的缺點(diǎn)也很突出：由于它的藍(lán)光部分由LED提供，對(duì)熒光粉的涂覆工藝要求較高。而且目前還缺少可被藍(lán)光有效激發(fā)的深紅色熒光粉。,白熾燈、熒光燈與發(fā)光二極管,LED光源發(fā)光效率高 發(fā)光效率比較：白熾燈、鹵鎢燈光效為12-24流明/瓦、熒光燈50-70流明/瓦 鈉燈90-140流明/瓦、大部分的耗電變成熱量損耗。 LED光效：可發(fā)到50-200流明/瓦，而且發(fā)光的單色性好，光譜窄，無(wú)需過(guò)濾，可直接發(fā)出有色可見(jiàn)光。 LED光源耗電量少 LED單管功率0.03-0.06瓦，采用直流驅(qū)動(dòng)，單管驅(qū)動(dòng)電壓1.5-3.

13、5伏。電流15-18毫安反映速度快，可在高頻操作，用在同樣照明效果的情況下，耗電量是白熾燈的萬(wàn)分之一，熒光管的二分之一，日本估計(jì)，如采用光效比熒光燈還要高2倍的LED替代日本一半的白熾燈和熒光燈、每年可節(jié)約相當(dāng)于60億升原油，同樣效果的一支日光燈40多瓦，而采用LED每支的功率只有8瓦。 LED光源使用壽命長(zhǎng) 白熾燈、熒光燈、鹵鎢燈是采用電子光場(chǎng)輻射發(fā)光，燈絲發(fā)光易燒，熱沉積、光衰減等特點(diǎn)，而采用LED燈體積小，重量輕，環(huán)氧樹(shù)脂封裝，可承受高強(qiáng)機(jī)械沖擊和震動(dòng)，不易破碎，平均壽命達(dá)10萬(wàn)小時(shí)，LED燈具使用壽命可達(dá)5-10年，可以大大孤低燈具的維護(hù)費(fèi)用避免經(jīng)常換燈之苦。,LED光源安全可靠性強(qiáng)

14、發(fā)熱量低、無(wú)熱輻射性、冷光源、可以安全抵摸，能精確控制光型及發(fā)光角度、光色和、無(wú)眩光、不含汞，鈉元素等可能危害健康的物質(zhì)。 LED光源有利環(huán)保 LED為全固體發(fā)光體、耐沖擊不易破碎、廢棄物可回收、沒(méi)有污染減少大量二氧化硫及氮化物等有害氣體以及二氧化碳等溫室氣體的產(chǎn)生改善人們生活居住環(huán)境，可稱(chēng)“綠色照明光源?！?生產(chǎn)白光LED技術(shù)目前有三種：一種，利用三基色原理和目前已能生產(chǎn)的紅、綠、藍(lán)三種超高亮度LED按光強(qiáng)1:2:0.38比例混合而成白色，二種，利用超高度InGan藍(lán)色LED，其管總上加少許的釔鋁石榴為主體的熒光粉、它能在藍(lán)光激發(fā)下產(chǎn)生黃綠光、而此黃綠光又可與透出的藍(lán)光合成白光，三種是不可制

15、紫外光LED，采用紫外光激三基色熒光粉或其他熒光粉，產(chǎn)生多色混合而成的白光。 當(dāng)然，節(jié)能是我們考慮使用LED光源的最主要原因，也許LED光源要比傳統(tǒng)光源昂貴，但是用一年時(shí)間的節(jié)能收回光源的投資，從而獲得4-9年中每年幾倍的節(jié)能凈收蓋期。,資料：有機(jī)發(fā)光二極管,1.2.3 電子材料的選用原則 (Selections of Electronic Materials),根據(jù)元器件性能參數(shù) 根據(jù)元器件結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 根據(jù)元器件工藝特點(diǎn) 按經(jīng)濟(jì)原則,1.2.4 電子材料發(fā)展動(dòng)態(tài),先進(jìn)電子材料 納米材料、仿生智能材料、先進(jìn)復(fù)合材料、生物電子材料等 有機(jī)電子材料 有機(jī)導(dǎo)電、壓電、光電、磁電等 薄膜電子材料 (主流) 計(jì)算機(jī)技術(shù)與電子材料,課程性質(zhì)和任務(wù),本課程為本專(zhuān)業(yè)高年級(jí)專(zhuān)業(yè)課，它緊密地把基礎(chǔ)理論與生產(chǎn)實(shí)踐溶于一