電子與微電子材料

1、電子與微電子材料Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials1Chapter 6Electronic and Microelectronic Materials電子與微電子材料第1頁本章內(nèi)容6.1導電材料6.2 介電材料6.3 半導體材料6.4 微電子材料與芯片2Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials電子與微電子材料第2頁6.1導電材料6.1.1 金屬導電材料分類作為金屬導電材料使用要求金屬導電性影響原因3Chapter6 Electronic and Microelectroni

2、c Materials導電材料定義載流子分類電子與微電子材料第3頁6.1.2 快離子導體肖特基導體（晶格空位機理）、弗侖克爾導體（間隙離子運動）本征離子電導和雜質(zhì)離子電導快離子導體和固體電解質(zhì)影響導電離子遷移原因4Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials電子與微電子材料第4頁（1）電子導電陶瓷非金屬元素碳化物、氮化物以共價鍵為主，金屬鍵為輔。這幾類化合物組成陶瓷都是電子導電如SiC、MoSi2電熱材料一些氧化物陶瓷經(jīng)過加熱或者用其它方法激發(fā)，使外層電子取得足夠能量成為自由電子而含有導電性如氧化鋁陶瓷、氧化釷陶瓷及由復合氧化物組成鉻酸鑭陶

3、瓷，都是新型高溫電子導電材料5Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials電子與微電子材料第5頁 （2）離子導電陶瓷利用離子遷移導電（固體電解質(zhì)，或快離子導體）陽離子導體：利用陽離子遷移導電如-Al2O3系：通式為nA2O3M2O，A代表三價金屬A13、Ga3、Fe3等，M代表一價離子Na、K、H3O等陰離子導體：利用O2-或F-陰離子遷移導電螢石結(jié)構(gòu)氧化物(ZrO2、HfO2、CeO2等)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物(LaAlO3、CaTiO3)。6Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials電子

4、與微電子材料第6頁6.1.3 聚合物導電材料7Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials種類：結(jié)構(gòu)型導電高分子（本節(jié)內(nèi)容）復合型導電高分子（普通高分子混入導電填料）結(jié)構(gòu)型導電高分子是指含有共軛鍵，其本身或經(jīng)過“摻雜”后含有導電性一類高分子材料。電子與微電子材料第7頁Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials8種類名稱結(jié)構(gòu)聚乙炔聚噻吩聚吡咯聚苯胺聚 苯種類電子與微電子材料第8頁Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials9導電機理導

5、電機理自由基陽離子經(jīng)過雙鍵遷移沿共軛高分子鏈傳遞電子與微電子材料第9頁Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials10導電高分子特征1.電導率范圍寬導電高分子特征電子與微電子材料第10頁Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials11導電高分子不但能夠摻雜，而且還能夠脫摻雜，而且摻雜-脫摻雜過程完全可逆。 2.摻雜-脫摻雜過程可逆3.響應速度快(10-13 sec)電子與微電子材料第11頁Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials1

6、24.有電致變色性電子與微電子材料第12頁Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials13電子與微電子材料第13頁Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials14導電高分子應用導電高分子應用電子與微電子材料第14頁Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials151.發(fā)光二極管1990 年R. H. Friend首次報道高分子發(fā)光二極管含有顏色可調(diào)、可彎曲、大面積和低成本等優(yōu)點實用化突破口2.分子導線一個分子類似于一根導線可用于高靈敏度

7、檢測、超大規(guī)模集成技術等“模板聚合、分子束沉積等方法制備“分子導線”或?qū)щ姼叻肿游⒐?或納米管) 電子與微電子材料第15頁Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials163.二次電池高分子摻雜態(tài)儲存電能、脫摻雜過程中釋放電能 全塑電池輸出電壓3V、電池容量3mA.h，復充放電上千次 電子與微電子材料第16頁Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials174.生物傳感器葡萄糖傳感器、尿素傳感器、乳酸傳感器、膽固醇傳感器電子與微電子材料第17頁Chapter6 Electronic and

8、Microelectronic Materials185.氣體傳感器導電高分子與大氣一些介質(zhì)作用-電導率改變, 除去介質(zhì)-恢復（摻雜/或脫摻雜過程）可用作選擇性高、靈敏度高和重復性好氣體傳感器。 電子與微電子材料第18頁Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials196.雷達隱身材料導電性能夠在絕緣體、半導體、金屬導體之間改變不一樣吸波性能密度小輕加工性能薄穩(wěn)定性很好高溫使用電子與微電子材料第19頁Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials207.電顯示材料摻雜/脫摻雜實現(xiàn)導體-絕緣體

9、之間轉(zhuǎn)變，且電位、pH、摻雜量等改變伴隨顏色改變可用于電顯示電子與微電子材料第20頁6.2介電材料6.2.1 材料介電性特征介電材料：介電性物質(zhì)受到電場作用時，組成物質(zhì)帶電粒子只能產(chǎn)生微觀上位移而不能進行宏觀上遷移性質(zhì)。介電材料也屬于絕緣體，但更強調(diào)其可極化特征，電極化及其分類：電子極化、離子極化、偶極子極化、空間電荷極化表征介電材料基本參數(shù)：極化率、介電常數(shù)、損耗角正切tg宏觀表現(xiàn)出對靜電能儲存和損耗性質(zhì)，通慣用介電常數(shù)和介電損耗tg來表示21Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials電子與微電子材料第21頁（1）絕緣陶瓷 Insula

10、ting ceramics主要利用其絕緣性電性要求：介電常數(shù)9，介電損耗tg于210-4910-3之間，電阻率要求大于1010cm。其它要求：較高力學強度、耐熱性、高導熱性。22Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials電子與微電子材料第22頁絕緣陶瓷種類主晶相為莫來石（3Al2O3SiO2）普通陶瓷主晶相為剛玉Al2O3氧化鋁陶瓷鎂質(zhì)陶瓷晶相為含鎂硅酸鹽（MgOAl2O3SiO2系）鋇長石瓷（BaOAl2O32SiO2）由高嶺土與BaCO3燒制而成高溫介電損耗小，用作電阻瓷。高導熱絕緣陶瓷BeO陶瓷非氧化物類陶瓷，如AlN、Si3N4、

11、SiC、BN等23絕緣子Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials電子與微電子材料第23頁 24Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials電子與微電子材料第24頁（2）介電陶瓷dielectric ceramic也稱介質(zhì)陶瓷主要利用其介電性按使用頻率，可分為高頻介質(zhì)陶瓷微波介質(zhì)陶瓷25Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials電子與微電子材料第25頁高頻介質(zhì)陶瓷電性要求：高頻電場（1MHz）下含有適中至較高介電常數(shù)（8.5900

12、）高頻介電損耗小，tg小于6104主要由堿土金屬和稀土金屬鈦酸鹽或它們固溶體組成比如CaTiO3是由CaCO3與TiO2高溫燒制而成用于制作小尺寸高頻電容器26Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials電子與微電子材料第26頁27Single-layerMultilayer ceramic capacitorChapter6 Electronic and Microelectronic Materials電子與微電子材料第27頁微波介質(zhì)陶瓷應用于微波頻段(300MHz300GHz)電路中作為介質(zhì)材料并完成一個或各種功效陶瓷電性要求：高介電

13、常數(shù)，r在30200之間高穩(wěn)定性，頻率溫度系數(shù)要小微波頻段介質(zhì)損耗要小，tan10-4，Q10000代表性微波介質(zhì)陶瓷包含BaOTiO2體系、鈣鈦礦型陶瓷、(Ba,Sr)ZrO3、CaZrO3、Ca(Zr,Ti)O3、Sr(Zr,Ti)O3、(Ba,Sr)(Zr,Ti)O3等應用：制作諧振器、濾波器、介質(zhì)天線、介質(zhì)導波回路等微波元器件28Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials電子與微電子材料第28頁 微波介質(zhì)陶瓷應用：制作諧振器、濾波器、介質(zhì)天線、介質(zhì)導波回路等微波元器件29Chapter6 Electronic and Microe

14、lectronic Materials電子與微電子材料第29頁6.2.2 壓電材料壓電效應和逆壓電效應30Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials壓電陶瓷：含有壓電效應，能夠?qū)C械能和電能相互轉(zhuǎn)換功效陶瓷材料。電子與微電子材料第30頁慣用壓電陶瓷鈦酸鋇系鈦酸鉛鋯酸鉛二元系二元系中添加第三種ABO3(A表示二價金屬離子，B表示四價金屬離子或幾個離子總和為正四價)型化合物如：Pb(Mn1/3)Nb2/3)O3和Pb(CO1/3Nb2/3)O3等組成三元系。鈮酸鹽系壓電陶瓷如Na0.5K0.5NbO3 、BaxSr1-xNb2O5不含有毒鉛，

15、對環(huán)境保護有利。 31Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials電子與微電子材料第31頁 鈦鋯酸鉛（PZT）：最有代表性壓電陶瓷材料32Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials電子與微電子材料第32頁 壓電陶瓷應用：換能器（超聲、電聲換能器等）陶瓷濾波器、陶瓷變壓器、陶瓷鑒頻器、高壓發(fā)生器、紅外探測器、聲表面波器件、電光器件、引燃引爆裝置和壓電陀螺等33Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials電子與微電子材料第33頁6.2.

16、4 鐵電材料定義，電滯曲線，剩下極化強度、矯頑電場強度34Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials鐵電陶瓷（Ferroelectric Ceramics）一定含有壓電性，不過壓電陶瓷不一定含有鐵電性。鐵電陶瓷用途：制作鐵電陶瓷電容器，壓電元件、熱釋電元件、電光元件、電熱器件等。電子與微電子材料第34頁 BaTiO3：經(jīng)典鐵電陶瓷隨溫度改變，晶相結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。很高介電常數(shù)，尤其是在其居里點Tc（120）附近， 可高達6000損耗因子可高達0.010.0235Chapter6 Electronic and Microelectronic M

17、aterials電子與微電子材料第35頁 BaTiO3改性：形成置換固溶體置換Ba2有Ca2、Sr2、Pb2等置換Ti4有Zr4等摻雜改性如電荷不匹配La3、Cd3、Dy3部分取代Ba2尺寸不匹配Nb4、Ta5取代Ti436Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials電子與微電子材料第36頁6.3 半導體材料 Semiconductors37Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials電子與微電子材料第37頁38電導率介于絕緣體及導體之間易受溫度、照光、磁場及微量雜質(zhì)原子影響6.3.1

18、半導體材料概述Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials電子與微電子材料第38頁能帶理論39Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials電子與微電子材料第39頁40適當禁帶寬度高載流子遷移率一定導電類型適當雜質(zhì)濃度和對應電阻率較高載流子壽命半導體器件對材料要求Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials電子與微電子材料第40頁6.3.2 半導體分類及特點元素半導體Ge（鍺）,Si（硅）,C（金剛石）、-Sn（灰錫）、P（磷）、Se（

19、硒）、Te（碲）、B（硼）等固體單質(zhì)本征半導體（ Intrinsic semiconductor）：不含雜質(zhì)（摻雜劑）摻雜半導體（ Extrinsic semiconductor）：本征半導體加入摻雜劑而形成41高純半導體摻雜摻雜半導體Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials電子與微電子材料第41頁摻雜（ Doping ）：在高純半導體中有意識地加入少許雜質(zhì)以提升載荷體數(shù)量施主雜質(zhì)（ n-型半導體）：A族元素（C、Si、Ge、Sn）中摻入以VA族元素（P、Sb、Bi）受主雜質(zhì)（ p-型半導體）：A族元素（C、Si、Ge、Sn）中摻入以A

20、族元素（如B）42 Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials電子與微電子材料第42頁 n-型半導體（電子型，施主型）43Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials施主(供體donor)能帶Ed電子與微電子材料第43頁 p-型半導體（空穴型，受主型）44Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials受主(受體acceptor)能帶Ea電子與微電子材料第44頁45Chapter6 Electronic and Microelectro

21、nic Materials電子與微電子材料第45頁 化合物半導體由兩種或兩種以上元素以確定原子配比形成、含有確定禁帶寬和能帶結(jié)構(gòu)等半導體性質(zhì)化合物。-族化合物半導體： A族元素B、A1、Ga、In和VA族元素N、P、As、Sb所形成二元化合物如GaAs、InP、GaN、GaP、InSb、GaSb、InAs-族化合物半導體：B族元素Zn、Cd、Hg與VIA族元素O、S、Se、Te所形成二元化物-族化合物半導體：A族元素Ge、Sn、Pb與VIA族元素S、Se、O、Te所形成部分二元化合物46Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials電子與微電

22、子材料第46頁 固溶半導體含有半導體性質(zhì)固溶體兩種半導體互溶，如Si1-X GeX (其中x1)化合物半導體中一個元素或兩個元素用其同族元素局部取代，如用Al來局部取代GaAs中Ga，即Ga1-X AlXAs非晶半導體四面體結(jié)構(gòu)半導體（如非晶態(tài)Si、Ga、GaAs、GaP、InP、GaSb）硫系半導體（如S、Se、Te、As2S3、As2Te3、Sb2S3）氧化物半導體（如GeO2、B2O3、SiO2、TiO2）47Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials電子與微電子材料第47頁(3)超晶格半導體 超晶格半導體材料利用異質(zhì)外延法，即在晶

23、體襯底上一層疊一層地生長出不一樣材料薄膜來，所得材料叫超晶格材料48超晶格 由兩種不一樣半導體薄層交替排列所組成周期列陣Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials電子與微電子材料第48頁 組分超晶格超晶格重復單元是由不一樣半導體材料薄膜堆垛而成 49Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials電子與微電子材料第49頁 摻雜超晶格 在同一個半導體中，用交替地改變摻雜類型方法做成新型人造周期性半導體結(jié)構(gòu)材料50摻雜超晶格半導體能帶結(jié)構(gòu) Chapter6 Electronic and Mic

24、roelectronic Materials電子與微電子材料第50頁51任何一個半導體材料只要很好控制摻雜類型都能夠做成超晶格；多層結(jié)構(gòu)完整性非常好，因為摻雜量普通較小，雜質(zhì)引發(fā)晶格畸變也較小，摻雜超晶格中沒有像組分超晶格那樣顯著異質(zhì)界面；摻雜超晶格有效能量隙能夠含有從零到未調(diào)制基體材料能量隙之間任何值，取決于對各分層厚度和摻雜濃度選擇。 摻雜超晶格優(yōu)點Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials電子與微電子材料第51頁 多維超晶格 52Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials電子與

25、微電子材料第52頁 應變超晶格 在彈性形變程度之內(nèi)超薄膜中，晶格本身發(fā)生應變而阻止缺點產(chǎn)生 53 SiGe/Si 是經(jīng)典半導體應變超晶格材料，伴隨能帶結(jié)構(gòu)改變，載流子有效質(zhì)量可能變小，可提升載流子遷移率，可做出比普通 Si 器件更高速工作電子器件。 Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials電子與微電子材料第53頁半導體電阻特征54半導體金屬TR金屬和半導體電阻溫度曲線Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials電子與微電子材料第54頁6.3.3 PN結(jié)把本征半導體兩側(cè)分別摻入施主型和

26、受主型雜質(zhì)，或者將一塊n型和一塊p型半導體結(jié)合在一起，二者界面及其相鄰區(qū)域就稱為PN結(jié)。PN結(jié)最大特征就是單向?qū)щ娦浴?5Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials電子與微電子材料第55頁56（1）單晶硅 單晶硅含有準金屬性質(zhì)，有較弱導電性，而且其電導率伴隨溫度升高而增加，有顯著半導電性。機械強度高結(jié)晶性好自然界中儲量豐富成本低能夠拉制出大尺寸完整單晶6.3.4 一些主要半導體材料Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials電子與微電子材料第56頁57(1)Performance an

27、d application計算機中央處理裝置(即對數(shù)據(jù)進行操作部分)基本單元晶體管雙極型晶體管 場效應晶體管計算機存放器基本單元Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials電子與微電子材料第57頁58(2)Preparation制備方法提拉法或懸浮區(qū)熔法Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials電子與微電子材料第58頁59(3)Research and development 研究開發(fā)方向優(yōu)質(zhì)大直徑（250300mm）單晶硅研制生產(chǎn)，其均勻性要求很高；單晶硅中微缺點密度亦需深入降低；制

28、片后氧化層錯密度要求從100個cm-2降低至10個cm-2，氧化層錯密度降低與氧、碳含量、工藝條件相關，尤其是提拉單晶速度和溫度場均勻性。Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials電子與微電子材料第59頁（2）砷化鎵（GaAs）單晶Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials60很可能成為繼單晶硅之后第二種最主要半導體電子材料寬禁帶，高電子遷移能夠在較高工作溫度和工作頻率下工作電子與微電子材料第60頁61(1)GaAsGaAs中電子有效質(zhì)量僅為自由電子質(zhì)量1/15， GaAs中電子速度

29、更加快制造出速度更加快、功效更強計算機，高頻通信信號放大器砷化鎵中電子激發(fā)后釋放能量以發(fā)光形式進行制作半導體激光器和光探測器Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials電子與微電子材料第61頁62（1）熱阻器 與金屬不一樣，半導體電阻率隨溫度升高是降低，利用這種特征做成熱阻器除能夠用來測溫外，還能夠用于火災報警。這是因為當熱阻器受熱時，電阻下降，就讓一很大電流經(jīng)過電路，開啟警鈴。6.3.5 半導體材料應用Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials電子與微電子材料第62頁63（2）壓力傳

30、感器 半導體能帶結(jié)構(gòu)與能隙寬度與半導體原子間距相關，當壓力作用在這種半導體上時，原子間距減小，同時能隙變窄，導電性增加。所以，能夠依據(jù)電導來推算壓力大小。Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials電子與微電子材料第63頁64（3）光敏電阻器半導體電導率隨入射光量增加而增加。這種效應可用來制作光敏電阻，此處所說光能夠是可見光，也能夠是紫外線或紅外線，只要所提供光子能量與禁帶寬度相當或大于禁帶寬度即可。Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials電子與微電子材料第64頁65（4）磁敏電阻在

31、通電半導體上加磁場時，半導體電阻將增加，這種現(xiàn)象稱為磁阻效應。產(chǎn)生磁阻現(xiàn)象原因在于加磁場后，半導體內(nèi)運動載流子會受到洛倫茲力作用而改變旅程方向，因而延長了電流經(jīng)過旅程，從而造成電阻增加。依據(jù)這種特征可做成磁敏電阻。Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials電子與微電子材料第65頁66（5）光電倍增管光電倍增管是利用電子受激發(fā)射，激發(fā)源起初是光子，而后是被電場加速電子。假定一個非常弱光源將價帶中一個電子激發(fā)到了導帶中，而后，在電場作用下，這個電子被加速到很高速度并含有了很高能量，它將激發(fā)一個或更多其它電子，這些電子也將受這個電場作用而加速再

32、激發(fā)其它電子，如此下去，一個非常弱光信號就被放大了。Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials電子與微電子材料第66頁67（6）發(fā)光二極管Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials電子與微電子材料第67頁 68（7）整流二極管利用PN結(jié)單向?qū)щ娦园氩ㄕ麟娐稢hapter6 Electronic and Microelectronic Materials電子與微電子材料第68頁 69（8）齊納二極管Zener diodes利用P-N結(jié)擊穿特征假如反向電壓（偏壓）增加到某個特殊值，對于

33、一個微小偏壓改變，就會使電流產(chǎn)生一個可觀增加。Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials電子與微電子材料第69頁 70（8）晶體管 Transistors由二個P-N結(jié)組成能夠是P-N-P-型，也能夠是N-P-N型Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials電子與微電子材料第70頁6.4微電子材料與芯片6.4.1 微電子芯片發(fā)展概況6.4.2 IC制造普通結(jié)構(gòu)與技術過程（圖6-23講解）71Chapter6 Electronic and Microelectronic Material

34、s硅基片n-摻雜n-摻雜p-摻雜氧化物源極漏極柵極金屬氧化物半導體（MOS）晶體管示意圖電子與微電子材料第71頁光刻原理對底材進行區(qū)域選擇性保護，裸露區(qū)域被刻蝕。72Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials電子與微電子材料第72頁Manufacturing stepsThe manufacturing process involves four main steps:Deposition （沉積）：單晶硅片上沉積異相薄膜 SiO2, Al, etc., Doping （摻雜）：經(jīng)過摻雜改變導電性Photolithography（光成像）

35、： 攝影制版，制掩膜 Etching（蝕刻）：轉(zhuǎn)印立體圖案至單晶硅片上73Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials電子與微電子材料第73頁Process74Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials電子與微電子材料第74頁Etching resultAn ion beam milled set of tracks in Si. The photoresist is still in place. Notice the accurate pattern transfer from the