電子材料與元器件1

1、第一章緒論光電工程學院微電子教研中心馮世娟2緒論n學時：48學時n教材：現代電子材料與元器件（科學出版社）n教參： 現代電子材料技術（國防工業(yè)出版社） 電子材料與器件原理（西安交通大學出版社）n考核方式：平時考查+期末考試3緒論n課程性質：限選 知識應用+知識拓展n課程體系：固體物理+半導體物理 化合物半導體器件 光電子器件 介電材料與器件 磁電子學與器件41.1 電子材料的發(fā)展歷史 n以電子學和光電子學為代表的信息產業(yè)已成為當今知識經濟時代國民經濟和社會發(fā)展的戰(zhàn)略性基礎產業(yè)和支柱產業(yè)。而電子功能材料與器件則是電子學和光電子學的重要物質基礎與先導。n電子信息材料是指以電子或光子為載體、用于制造

2、各種電子及光電子元器件、半導體集成電路、納米電子器件、磁性元器件、電子陶瓷器件等的材料。n同時又是一種多學科交叉的學科，涉及到電子技術、光學、物理化學、固體物理學和工藝技術等多學科知識。51.1 電子材料的發(fā)展歷史 n以半導體材料為載體圖1.1 半導體芯片上晶體管數量及特征尺寸的變化趨勢 物理學原理并不排斥通過操縱單個原子來制造物質。這樣做并不違反任何定理，而且原則上是可以實現的。毫無疑問，當我們得以對細微尺度的事物加以操縱的話，將大大擴充我們可能獲得物性的范圍 。 -費曼,195961.1 電子材料的發(fā)展歷史 n以半導體材料為載體q摩爾定律摩爾定律n18個月，個月，IC集成晶體管數目翻倍集成

3、晶體管數目翻倍n18個月，個月，IC產品性能提高一倍產品性能提高一倍n18個月，相同性能產品降價一半個月，相同性能產品降價一半q安迪安迪-比爾定律比爾定律q反摩爾定律反摩爾定律71.1 電子材料的發(fā)展歷史 n基于碳納米管q碳納米管可以具有金屬特性，也可以具有半導體特性，這取決于碳納米管碳鏈的空間螺旋。金屬的碳納米管在室溫下具有迄今最高的電導率。圖1.2 基于納米管的單電子器件 81.1 電子材料的發(fā)展歷史 n基于光電子材料q以電子為媒介而傳遞信息，因為電子的傳輸速度受其質量(9.110-31kg)影響，有一定限度。所以，隨著對信息傳輸容量和速度的要求不斷提高，而光子作為更高頻率和速度的信息載體

4、就被應用，從而又出現了與電子技術、微電子技術交叉發(fā)展的光電子技術。q光子材料是指利用光子或光互相作用來實現信息產生、傳輸、存儲、顯示、探測及處理的材料。它包括激光晶體、紅外材料、液晶、非線性光學材料、光子晶體及光纖材料等。91.1 電子材料的發(fā)展歷史 n基于光電子材料q1960年出現第一臺紅寶石激光器。q固態(tài)激光器（包括固體激光器和半導體激光器）， A1GaAs半導體激光器和lnGaAsP半導體激光器。q1991年提出和發(fā)現光子晶體。n光子晶體是一種介質或金屬材料在空間呈周期性排列并能自由控制光的人造晶體。光子晶體內部的光學折射率呈周期性分布。n可以通過摻雜來控制光子晶體帶隙的位置、寬度及帶隙

5、中摻雜模式的形成。101.1 電子材料的發(fā)展歷史 n電子材料的發(fā)展體現出如下趨勢：q功能材料與器件相結合，并趨于小型化與多功能化。q電子材料的低維化。q新型信息功能材料的不斷涌現。111.2 電子材料的重要作用 q電子材料是電子信息產業(yè)的重要組成部分，是發(fā)展電子信息產業(yè)的基礎與先導。電子材料作為基礎性材料已滲透到國民經濟和國防建設的各個領域，沒有高質量的電子材料就不可能制造出高性能的電子元器件，也就沒有先進的電子信息系統(tǒng)。 q隨著電子學向光電子學、光子學邁進，微電子材料在未來1015年仍是最基本的信息材料，光電子材料、光子材料將成為發(fā)展最快和最有前途的信息材料。 121.3 電子材料與器件的研

6、究現狀 n1 硅基半導體材料q硅單晶研發(fā)的主要方向：提高硅集成電路成品率、性能，降低成本，增大直拉硅單晶的直徑，解決缺陷等。q2013年進入32納米技術代，柵長13nm；2016年進入22納米技術代，柵長9nm；2022年柵長將是4.5nm。q人們一方面開發(fā)諸如高K柵介質、金屬柵、雙柵/多柵器件、應變溝道和高遷移率材料、銅互連技術（擴散阻擋層）、低介電常數材料、多壁納米碳管通孔和三維銅互連等；另一方面，在電路設計與制造方面，采用硅基微/納器件混合電路、光電混合集成和系統(tǒng)集成芯片(SOC)技術等，來進一步提高硅ICs的速度和功能。131.3 電子材料與器件的研究現狀 n1 硅基半導體材料q基于石

7、墨材料的硅基場效應晶體管的研究圖1.3 石墨層的結構 石墨是一種嚴格意義上的二維材料，它是由單原子層的碳原子以蜂窩狀結構排列而形成的有序結構。由于石墨層中的電子-光子散射作用非常微弱，因此，即使是在室溫的條件下，石墨中的電子遷移率就高達200,000cm2/Vs。并且其載流子飽和速率是硅材料的6-7倍。 141.3 電子材料與器件的研究現狀 n1 硅基半導體材料q基于石墨材料的硅基場效應晶體管的研究圖1.4 基于雙柵極的石墨場效應晶體管 這些性能使得石墨層成為制作場效應晶體管的一種非常有前途的基礎材料，用于制作工作在毫米波頻段或更高頻段的晶體管，其結構如圖1.4所示。151.3 電子材料與器件

8、的研究現狀n2 化合物半導體材料 q與半導體硅相比，III-V族化合物半導體材料以其在高速、大功率、低功耗、低噪聲系數等方面的優(yōu)異光電性能，使得其射頻及微波通信、光纖通信、太陽能電池和顯示等方面得到了廣泛的應用。 qGaAs qInP qGaN qSiC q金剛石薄膜 HBT和HEMT ，量子激光器和探測器高熱導率、高電子漂移速度和大的擊穿電壓使其在高頻、大功率、抗輻射方面有廣泛的應用；短波發(fā)光探測方面也有較好的應用。161.3 電子材料與器件的研究現狀n3 半導體自旋電子學材料和器件q探索載流子的自旋運動規(guī)律，實現對其操縱、調控及其應用的科學稱之為自旋電子學自旋電子學 。q自旋極化的電子注入

9、到半導體中，并被人為操控，可以制成新型的自旋電子器件，用于數據的存儲和運算。 q由于在InMnAs和GaMnAs磁性半導體中發(fā)現了低溫鐵磁性，特別是在TiCoO2、 GaMnN、GaCN、ZnCoO等磁性半導體中發(fā)現了居里點高于室溫的鐵磁性，引發(fā)了磁性半導體材料的研究熱潮，然而由于對磁性的起源不明，研究進展緩慢。171.3 電子材料與器件的研究現狀n4 磁性納米材料的應用q由于納米磁性材料具有多種特別的納米磁特性，可制成納米磁膜(包括磁多層膜)、納米磁線、納米磁粉(包括磁粉塊體)和磁性液體等多種形態(tài)的磁性材料，因而已在傳統(tǒng)技術和高新技術、工農業(yè)生產和國防科研以及社會生活中獲得了多方面的廣泛而重要的應用。q磁記錄方面 q納米永磁材料方面 q納米軟磁材料方面 181.3