半導體材料緒論課件

半導體材料Tel:Email：參考書目與教材:《半導體材料》楊樹人等（教材）《半導體材料》王季陶

劉明登主編

高教出版社

《半導體材料淺釋》萬群化學工業(yè)出版社RobertF.Pierret:SemiconductorDeviceFundamentals(Part1)DonaldA.Neamen:SemiconductorPhysicsandDevices

考核方式任選課，3個學分，48學時考核方式：閉卷筆試課程成績評分—考試70%,平時30%（出勤、課上表現(xiàn)）考試內容—以教材和上課內容為主學習目的和要求熟悉硅、鍺等元素半導體包括硅、鍺單晶中的雜質和缺陷問題熟悉砷化鎵等化合物半導體的基本性質掌握相圖的識別方法并會用相圖來指引實際生產中工藝條件選擇掌握化學提純和區(qū)熔提純掌握晶體生長的原理；通過對外延的學習對半導體工藝有基本了解掌握半導體材料制備方法及性能控制原理了解其他化合物半導體及氧化物半導體材料的性質了解其他半導體材料的發(fā)展趨勢緒論的主要內容半導體的主要特征半導體材料的分類半導體材料的主要應用半導體材料的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢納米科技和納米材料2.負電阻溫度系數(shù)Si：T=300Kρ=2x105

ΩcmT=320Kρ=2x104Ωcm3.具有整流效應絕緣體半導體導體1012—1022Ω.cm10-6—1012Ω.cm≤10-6Ω.cm電學性質⒈電阻率ρ:電阻率可在很大范圍內變化一、

半導體的主要特征

1839年，法國科學家貝克雷爾(Becqurel)就發(fā)現(xiàn)，光照能使半導體材料的不同部位之間產生電位差。這種現(xiàn)象后來被稱為“光生伏打效應”，簡稱“光伏效應”。

一、半導體的主要特征5.具有光生伏特效應光照對半導體的影響

硫化鎘(CdS)半導體薄膜，無光照時的暗電阻為幾十MΩ，光照時阻值下降為幾十KΩ氣體、壓力、磁場等對半導體電阻率都產生較大的影響氣敏傳感器壓力傳感器霍爾傳感器一、

半導體的主要特征二、半導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

無機半導體,有機半導體,元素半導體,化合物半導體

本征半導體的共價鍵結構束縛電子在絕對溫度T=0K時，所有的價電子都緊緊束縛在共價鍵中，不會成為自由電子，因此本征半導體的導電能力很弱，接近絕緣體。1.本征半導體——化學成分純凈的半導體晶體。制造半導體器件的半導體材料的純度要達到99.9999999%，常稱為“九個9”。二、半導體材料的分類

這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。

當溫度升高或受到光的照射時，束縛電子能量增高，有的電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導電，成為自由電子。+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子產生的同時，在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)了一個空位，稱為空穴。自由電子空穴二、半導體材料的分類2.雜質半導體

在本征半導體中摻入某些微量雜質元素后的半導體稱為雜質半導體。(1)

N型半導體

在本征半導體中摻入五價雜質元素，例如磷，砷等，稱為N型半導體。

二、半導體材料的分類

在本征半導體中摻入三價雜質元素，如硼、鎵等?？昭ㄅ鹪庸柙佣鄶?shù)載流子——空穴少數(shù)載流子——自由電子－－－－－－－－－－－－P型半導體受主離子空穴電子空穴對(2)

P型半導體二、半導體材料的分類三、半導體材料的主要應用二極管、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-B2O3–Na2O

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,100Mbps)單?？蓚鬏斦{制后的信號≥40Gbps到200Km，而不需放大。國民經濟國家安全科學技術半導體微電子和光電子材料通信、高速計算、大容量信息處理、空間防御、電子對抗、武器裝備的微型化、智能化半導體材料的地位半導體材料的地位單晶硅和半導體晶體管的發(fā)明及其硅集成電路的研制成功，導致了電子工業(yè)革命世紀70年代初，石英光導纖維材料和GaAs激光器的發(fā)明，促進了光纖通信技術迅速發(fā)展，使人類進入了信息時代超晶格概念的提出及其半導體超晶格、量子阱材料的成功

改變了光電器件的設計思想，使半導體器件的設計與制造從“雜質工程”發(fā)展到“能帶工程”納米科學技術的發(fā)展和應用,使人類能從原子、分子或納米尺度水平上控制、操縱和制造功能強大的新型器件與電路，必將徹底改變人們的生活方式

半導體科學發(fā)展史1.第一階段：經驗科學（1833～1931年）1833年發(fā)現(xiàn)ZnS

電阻變化負溫度系數(shù)1873年發(fā)現(xiàn)Se內光電效應1874年發(fā)現(xiàn)PbS整流效應1904年點接觸二極管檢波器用于高頻電磁波接收3.第三階段：1947～1958：技術科學、應用科學1947年J.Bardeen,W.Brattain,W.Shockley(BellLab.)發(fā)明晶體管（點接觸Ge晶體管）FirstTransistor(1947)半導體材料發(fā)展史1950年，G.K.Teal、J.B.Little直拉法鍺單晶1952年，W.G.Pfann區(qū)熔提純技術高純鍺、G.K.Teal直拉法硅單晶，P.H.Keck懸浮區(qū)熔技術，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。1958年，W.C.DASH無位錯硅單晶，為工業(yè)化大生產硅集成電路作好了準備。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相結合，形成了硅平面器件工藝。半導體材料發(fā)展史52年，H.WELKER發(fā)現(xiàn)Ⅲ—Ⅴ族化合物具有半導體性質。這類化合物電子遷移率高、禁帶寬度大，能帶結構是直接躍遷，呈現(xiàn)負阻效應。但是當年，由于這些化合物中存在揮發(fā)元素，制備困難。多元半導體化合物制備技術的發(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。薄膜制備技術方面：63年，H.NELSON，LPE方法生長GaAs外延層，半導體激光器。其后，VPE生長三、五化合物，外延生長技術應用到器件制作中去。半導體材料發(fā)展史多元、多層異質外延技術出現(xiàn)。MBE、MOCVD可將外延層厚度控制在原子層數(shù)量級范圍內，可將兩種不同組份的材料交替進行超薄層生長，制備出超晶格材耦和應變復合層材料。FirstICDevice(1958)4.第四階段：集成電路階段1958J.Kilby（TI）研制成功第一個集成電路1959R.Noyce（Fairchild）第一個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IC發(fā)展，SSI→MSI→LSI→VLSI→ULSI→半導體微電子學半導體激光器的發(fā)明→半導體光電子學7.

1958以后的幾個里程碑1958年L.Esaki研制出隧道二極管1962-63年N.G.Basov研制出半導體激光器1969-70年L.Esaki&R.Tsu提出半導體超晶格1963年H.KroemerZ.Alferov提出異質結激光器1982K.VonKlitzing量子霍爾效應1993S.NakamuraGaN高亮度GaN藍光發(fā)光二極管199？D.C.Tsui分數(shù)化量子霍爾效應微電子技術發(fā)展的規(guī)律及趨勢1965年Intel公司的創(chuàng)始人之一GordonE.Moore的moorelaw等比例縮小(Scaling-down)定律尺寸不斷減小FromIntel’spublication半導體材料的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢第五階段：能帶工程提出1970年：Esaki(江琦）提出超晶格半導體的概念1971年：生長出GaAs/AlGaAs超晶格材料單周期結構晶體，在人工設計極化周期下可以用來實現(xiàn)倍頻、差頻、混頻、OPO等非線性過程。相當于兩個有著不同周期的極化晶體緊密相聯(lián)，以實現(xiàn)信頻后再實現(xiàn)和頻，級聯(lián)產生三信頻。硅材料GaAs和InP單晶材料半導體超晶格、量子阱材料Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料硅基應變異質結構材料一維量子線、零維量子點半導體微結構材料寬帶隙半導體材料光子晶體半導體材料的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(1)硅(Si)硅基半導體材料及其集成電路的發(fā)展導致了微型計算機的出現(xiàn)和整個計算機產業(yè)的飛躍.半導體中的大部分器件都是以硅為基礎的增大直拉硅（CZ-Si）單晶的直徑仍是今后CZ-Si發(fā)展的總趨勢。(2)

Ⅲ-Ⅴ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10倍，抗輻射能力強2個量級，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單晶的總年產量已超過200噸（日本1999年的GaAs單晶的生產量為94噸，InP為27噸），其中以低位錯密度生長的2～3英寸的導電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單晶的關鍵技術尚未完全突破，價格居高不下。（3）以氮化鎵材料P型摻雜的突破為起點,以高效率藍綠光發(fā)光二極管和藍光半導體激光器的研制成功為標志的半導體材料。它將在光顯示、光存儲、光照明等領域有廣闊的應用前景。在未來10年里,氮化鎵材料將成為市場增幅最快的半導體材料。（4）半導體超晶格、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基晶格匹配和應變補償材料體系已發(fā)展得相當成熟，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。硅基應變異質結構材料GeSi/Si應變層超晶格材料,因其在新一代移動通信上的重要應用前景，而成為目前硅基材料研究的主流。Si/GeSiMOSFET的最高截止頻率已達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、零維量子點基于量子尺寸效應、量子干涉效應，量子隧穿效應以及非線性光學效應等的低維半導體材料是一種人工構造（通過能帶工程實施）的新型半導體材料，是新一代量子器件的基礎。（6）寬帶隙半導體材料寬帶隙半導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,因具有高熱導率、高電子飽和漂移速度和大臨界擊穿電壓等特點，成為研制高頻大功率、耐高溫、抗輻射半導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用前景。（7）下一代半導體材料的探索

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九十年代以來發(fā)展起來的一門綜合現(xiàn)代科學（介觀物理、量子化學等）和先進工程技術（計算機、微電子和掃瞄隧道顯微鏡等技術）的前沿交叉學科。納米結構是指以納米尺度物質單元為基礎，按一定規(guī)律構筑或者營造的一種新體系，包括一維、二維、三維體系。這些物質單元主要包括納米微粒、穩(wěn)定的團簇、納米管、納米棒、