半導體材料第1講--緒論.ppt

半導體材料 陳易明Chenym ym 什么是半導體材料 物質存在的形式多種多樣 固體 液體 氣體 等離子體等等 我們通常把導電性和導熱性差或不好的材料 如金剛石 人工晶體 琥珀 陶瓷等等 稱為絕緣體 電阻率 109 cm而把導電 導熱都比較好的金屬如金 銀 銅 鐵 錫 鋁等稱為導體 電阻率 10 6 cm可以簡單的把介于導體和絕緣體之間的材料稱為半導體 10 3 109與金屬和絕緣體相比 半導體材料的發(fā)現(xiàn)是最晚的 直到20世紀30年代 當材料的提純技術改進以后 半導體的存在才真正被學術界認可 半導體的發(fā)現(xiàn)實際上可以追溯到很久以前 1833年 英國巴拉迪最先發(fā)現(xiàn)硫化銀的電阻隨著溫度的變化情況不同于一般金屬 一般情況下 金屬的電阻隨溫度升高而增加 但巴拉迪發(fā)現(xiàn)硫化銀材料的電阻是隨著溫度的上升而降低 這是半導體現(xiàn)象的首次發(fā)現(xiàn) 1839年法國的貝克萊爾發(fā)現(xiàn)半導體和電解質接觸形成的結 在光照下會產(chǎn)生一個電壓 這就是后來人們熟知的光生伏特效應 這是被發(fā)現(xiàn)的半導體的第二個特征 在1874年 德國的布勞恩觀察到某些硫化物的電導與所加電場的方向有關 即它的導電有方向性 在它兩端加一個正向電壓 它是導通的 如果把電壓極性反過來 它就不導電 這就是半導體的整流效應 也是半導體所特有的第三種特性 同年 舒斯特又發(fā)現(xiàn)了銅與氧化銅的整流效應 1873年 英國的史密斯發(fā)現(xiàn)硒晶體材料在光照下電導增加的光電導效應 這是半導體又一個特有的性質 半導體的這四個效應 雖在1880年以前就先后被發(fā)現(xiàn)了 但半導體這個名詞大概到1911年才被考尼白格和維斯首次使用 而總結出半導體的這四個特性一直到1947年12月才由貝爾實驗室完成 很多人會疑問 為什么半導體被認可需要這么多年呢 主要原因是當時的材料不純 沒有好的材料 很多與材料相關的問題就難以說清楚 半導體的主要特性 電阻率 10 3 109負的電阻率溫度系數(shù) 電阻是隨著溫度的上升而降低通常具有很高的熱電勢整流效應光敏特性 能產(chǎn)生光伏效應或光電導效應霍爾效應 半導體材料的早期應用 半導體的第一個應用就是利用它的整流效應作為檢波器 就是點接觸二極管 即將一個金屬探針接觸在一塊半導體上以檢測電磁波 除了檢波器之外 在早期 半導體還用來做整流器 光伏電池 紅外探測器等 半導體的四個效應都用到了 從1907年到1927年 美國的物理學家研制成功晶體整流器 硒整流器和氧化亞銅整流器 1931年 蘭治和伯格曼研制成功硒光伏電池 1932年 德國先后研制成功硫化鉛 硒化鉛和碲化鉛等半導體紅外探測器 在二戰(zhàn)中用于偵探飛機和船艦 二戰(zhàn)時盟軍在半導體方面的研究也取得了很大成效 英國就利用紅外探測器多次偵探到了德國的飛機 晶體管的發(fā)明 1947年晶體管的誕生引起了電子工業(yè)的革命 從此人類從使用電子管的時代進入半導體時代 晶體管的發(fā)明實際上是在1947年的12月23日的半年之前 當時貝爾實驗室的研究人員已經(jīng)看出了晶體管的商業(yè)價值 為寫專利 保密了半年 到1947年12月23日 巴丁和布爾吞才正式公布了他們的發(fā)明 這也成為晶體管的正式發(fā)明日 他們用了一個非常簡單的裝置 就是在一塊鍺晶體上 用兩個非常細的金屬針尖扎在鍺的表面 在一個針上加正電壓 在另外一個探針上加一個負電壓 我們現(xiàn)在分別稱為發(fā)射極和集電極 N型鍺就變成了一個基極 這樣就形成了一個有放大作用的PNP晶體管 巴丁和布爾吞當時在肖克萊領導的研究小組工作 雖然肖克萊時任組長 但是在發(fā)明專利上沒有他的名字 他心里很不愉快 為此 在很短的時間內 即在晶體管發(fā)明不久之后的1948年1月23日 他提出了一個不是點接觸而是面接觸式晶體管結構 后來證明這種結構才真正有價值 巴丁和布爾吞在保密了將近半年后才公布了他們的發(fā)明 發(fā)明公布以后 當時的反應并不如期望的熱烈 紐約時報 將這個消息放在了第46版收音機談話的最后 只有短短的幾句話 當時的學術雜志對此也不是非常熱衷 由于當時的反應并不是他們想象的那樣強烈 所以在1952年的4月份 為了推廣他們的這個發(fā)明 又再次舉辦了公眾聽證會 就是想把他們的研究成果公布于企業(yè)界 當時他們邀請了美國眾多做真空管的公司 每一個公司只需交納25000美元就可以參加這個聽證會 而且給予的許諾是如果將來要是采用了他的技術 聽這個報告會的25000美元入場費可以從中扣除 當時大概有幾十家公司參加了聽證會 然而大多數(shù)的人都是做真空管的 他們對半導體晶體管的意義不以為然 不是非常感興趣 試想如果晶體管的發(fā)明得到了成功應用 那么真空管就會慢慢的消失了 所以從這個角度看 他們的熱情不高也是可以理解的 但是科學界對這個發(fā)明還是給予了很高的評價 1956年 巴丁 布爾吞和肖克萊三人被授予諾貝爾物理學獎 但今日來看 晶體管的發(fā)明不僅引起了電子工業(yè)的革命 而是徹底的改變了我們人類的生產(chǎn) 生活方式 我們今天日常所用的電器幾乎沒有一樣不用晶體管 如通信 電腦 電視 航天 航空等等 硅單晶及其外延 現(xiàn)在電子元器件90 以上都是由硅材料制備的 全世界與硅相關的電子工業(yè)產(chǎn)值接近一萬億美元 直拉法是目前主要用于生產(chǎn)硅單晶的方法 上世紀50到60年代 拉出的硅單晶直徑只有兩英寸 現(xiàn)在8英寸 12英寸 長達1米多的硅單晶都已實現(xiàn)了規(guī)模生產(chǎn) 18英寸 就是直徑為45厘米硅單晶業(yè)已研制成功 目前 單晶硅的世界年產(chǎn)量已超過一萬噸 硅集成電路主要用的是8英寸硅 但12英寸硅的用量逐年增加 預計到2012年18英寸的硅可能用于集成電路制造 27英寸的硅晶體研制也正在籌劃中 從集成電路的線寬來看 我國目前集成電路工藝技術水平最高水平在45nm 中芯國際 硅的直徑為什么不是按8英寸 10英寸 12英寸 14英寸發(fā)展 而是從8到12英寸 由12到18英寸 18到27英寸發(fā)展呢 硅集成電路的發(fā)展遵循 摩爾定律 所謂 摩爾定律 就是每18個月集成電路的集成度增加一倍 而它的價格也要降低一半 隨著硅的直徑增大 雜質氧等雜質在硅錠和硅片中的分布也變得不均勻 這將嚴重的影響集成電路的成品率 特別是高集成度電路 為避免氧的沉淀帶來的問題 可采用外延的辦法解決 外延即用硅單晶片為襯底 然后在其上通過氣相反應方法再生長一層硅 如2個微米 1個微米 或0 5個微米厚等 這一層外延硅中的氧含量就可以控制到1016 cm3以下 器件和電路就做在外延硅上 而不是原來的硅單晶上 這樣就可解決由氧導致的問題 盡管成本將有所提高 但集成電路的集成度和運算速度都得到了顯著提高 這是目前硅技術發(fā)展的一個重要方向 硅微電子技術 硅微電子技術是不是可以按照 摩爾定律 永遠發(fā)展下去呢 目前硅的集成電路大規(guī)模生產(chǎn)技術已經(jīng)達到45納米 根據(jù)預測 到2022年 硅集成電路技術的線寬可能達到10個納米 這個尺度被認為是硅集成電路的 物理極限 就是說 尺寸再減小 就會遇到有很多難以克服的問題 當然這里說的10納米 并不是一個最終的結論 隨著技術的發(fā)展 特別是納米加工技術的發(fā)展 也可能把這個 極限 尺寸進一步減小 但總有一天 當代的硅微電子技術會走到盡頭 隨著集成電路線寬的進一步減小 硅微電子技術必然要遇到許多難以克服的問題比如說長度為100個納米的源和漏電極之間 摻雜原子也只有100個左右 如何保證這100個原子在成千上萬個器件里的分布保持一致 顯然是不可能的 至少也是非常困難的 也就說雜質原子分布的漲落 將導致器件性能不一 性質的不一致 就難保證電路的正常工作 又如MOS器件的柵極下面的絕緣層就是二氧化硅 它的厚度隨著器件尺寸的變小而變小 當溝道長度達到0 1個微米時 SiO2的厚度大概也在一個納米左右 盡管上面加的柵電壓很低 如一個納米上加0 5伏或者是一伏電壓 但是加在其上的電場強度就要達到每厘米5 10兆伏以上 超過了材料的擊穿電壓 當這個厚度非常薄的時候 即使不發(fā)生擊穿 電子隧穿的幾率也很高 將導致器件無法正常工作 隨著集成電路集成度的提高 芯片的功耗也急劇增加 使其難以承受 現(xiàn)在電腦CPU的功耗已經(jīng)很高 如果說將來把它變成 納米結構 即不采用新原理 只是按 摩爾定律 走下去 進一步提高集成度 那么加在它上面的功耗就有可能把硅熔化掉 再者 就是電路器件之間的互連問題 對每一個芯片來說 每一個平方厘米上有上千萬 上億只管子 管子與管子之間的聯(lián)線的長度要占到器件面積的60 70 現(xiàn)在的連線就多達8層到10多層 盡管兩個管子之間的距離可以做得很小 但是從這個管子到另外一個管子 電子走的路徑不是直線 而要通過很長的連線 我們知道線寬越窄 截面越小 電阻越大 加上分布電容 電子通過引線所需的時間就很長 這就使CPU的速度變慢 另外納米加工的制作成本也很高 由于這些原因 硅基微電子技術最終將沒有辦法滿足人類對信息量不斷增長的需求 GaAs和InP單晶材料 人們要想突破上述的 物理極限 就要探索新原理 開發(fā)新技術 如量子計算 光計算機等 它們的工作原理是與現(xiàn)在的完全不同 尚處于初始的探索階段 在目前這個過渡期間 人們把希望放在發(fā)展新型半導體材料和開發(fā)新技術上 比如說GaAs InP和GaN基材料體系 采用這些材料 可以提高器件和電路的速度以及解決由于集成度的提高帶來的功耗增加出現(xiàn)的問題 化合物半導體材料 以砷化鎵 GaAs 為例 有以下幾個特點 一是發(fā)光效率比較高 二是電子遷移率高 同時可在較高溫度和在其它惡劣的環(huán)境下工作 特別適合于制作超高速 超高頻 低噪音的電路 它的另一個優(yōu)勢是可以實現(xiàn)光電集成 即把微電子和光電子結合起來 光電集成可大大的提高電路的功能和運算的速度 寬帶隙半導體材料 氮化鎵 碳化硅和氧化鋅等都是寬帶隙半導體材料 因為它的禁帶寬度都在3個電子伏以上 在室溫下不可能將價帶電子激發(fā)到導帶 器件的工作溫度可以很高 比如說碳化硅可以工作到600攝氏度 金剛石如果做成半導體 溫度可以更高 器件可用在石油鉆探頭上收集相關需要的信息 它們還在航空 航天等惡劣環(huán)境中有重要應用 現(xiàn)在的問題是這種材料非常難生長 硅上長硅 砷化鎵上長GaAs 它可以長得很好 但是這種材料大多都沒有塊體材料 只得用其它材料做襯底去長 比如說氮化鎵在藍寶石襯底上生長 藍寶石跟氮化鎵的熱膨脹系數(shù)和晶格常數(shù)相差很大 長出來的外延層的缺陷很多 這是最大的問題和難關 另外這種材料的加工 刻蝕也都比較困難 目前科學家正在著手解決這個問題 如果這個問題一旦解決 就可以為我們提供一個非常廣闊的發(fā)現(xiàn)新材料的空間 低維半導體材料 電子在塊體材料里 在三個維度的方向上都可以自由運動 但當材料的特征尺寸在一個維度上比電子的平均自由程相比更小的時候 電子在這個方向上的運動會受到限制 電子的能量不再是連續(xù)的 而是量子化的 我們稱這種材料為超晶格 量子阱材料 量子線材料就是電子只能沿著量子線方向自由運動 另外兩個方向上受到限制 量子點材料是指在材料三個維度上的尺寸都要比電子的平均自由程小 電子在三個方向上都不能自由運動 能量在三個方向上都是量子化的 基于GaAs和InP基的超晶格 量子阱材料已經(jīng)發(fā)展得很成熟 廣泛地應用于光通信 移動通訊 微波通訊的領域 從整個半導體材料和信息技術發(fā)展來看 目前的信息載體主要是電子 即電子的電荷 電流 電子還有一個屬性 電子的自旋 我們尚未用上 如果我們再把電子的自旋用上 就增加了一個自由度 這也是人們目前研究的方向之一 我們從電子材料硅 鍺發(fā)展到光電子材料GaAs和InP GaN等 就是電子跟光子可以結合一起使用的材料 光電子材料比電子材料的功能更強大 再下一代的材料很可能是光子材料 我們現(xiàn)在只用了光子的振幅 而光的偏振和光的位相應用還未開發(fā)出來 所以這給研究者留下了非常廣闊的天地 從材料的發(fā)展