電子材料與元器件1

1、第一章緒論光電工程學(xué)院微電子教研中心馮世娟2緒論n學(xué)時(shí)：48學(xué)時(shí)n教材：現(xiàn)代電子材料與元器件（科學(xué)出版社）n教參： 現(xiàn)代電子材料技術(shù)（國防工業(yè)出版社） 電子材料與器件原理（西安交通大學(xué)出版社）n考核方式：平時(shí)考查+期末考試3緒論n課程性質(zhì)：限選 知識(shí)應(yīng)用+知識(shí)拓展n課程體系：固體物理+半導(dǎo)體物理 化合物半導(dǎo)體器件 光電子器件 介電材料與器件 磁電子學(xué)與器件41.1 電子材料的發(fā)展歷史 n以電子學(xué)和光電子學(xué)為代表的信息產(chǎn)業(yè)已成為當(dāng)今知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的戰(zhàn)略性基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)和支柱產(chǎn)業(yè)。而電子功能材料與器件則是電子學(xué)和光電子學(xué)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)與先導(dǎo)。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(dǎo)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(shí)又是一種多學(xué)科交叉的學(xué)科，涉及到電子技術(shù)、光學(xué)、物理化學(xué)、固體物理學(xué)和工藝技術(shù)等多學(xué)科知識(shí)。51.1 電子材料的發(fā)展歷史 n以半導(dǎo)體材料為載體圖1.1 半導(dǎo)體芯片上晶體管數(shù)量及特征尺寸的變化趨勢(shì) 物理學(xué)原理并不排斥通過操縱單個(gè)原子來制造物質(zhì)。這樣做并不違反任何定理，而且原則上是可以實(shí)現(xiàn)的。毫無疑問，當(dāng)我們得以對(duì)細(xì)微尺度的事物加以操縱的話，將大大擴(kuò)充我們可能獲得物性的范圍 。 -費(fèi)曼,195961.1 電子材料的發(fā)展歷史 n以半導(dǎo)體材料為載體q摩爾定律摩爾定律n18個(gè)月，個(gè)月，IC集成晶體管數(shù)目翻倍集成

3、晶體管數(shù)目翻倍n18個(gè)月，個(gè)月，IC產(chǎn)品性能提高一倍產(chǎn)品性能提高一倍n18個(gè)月，相同性能產(chǎn)品降價(jià)一半個(gè)月，相同性能產(chǎn)品降價(jià)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(dǎo)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(dǎo)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?yàn)殡娮拥膫鬏斔俣仁芷滟|(zhì)量(9.110-31kg)影響，有一定限度。所以，隨著對(duì)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(yīng)用，從而又出現(xiàn)了與電子技術(shù)、微電子技術(shù)交叉發(fā)展的光電子技術(shù)。q光子材料是指利用光子或光互相作用來實(shí)現(xiàn)信息產(chǎn)生、傳輸、存儲(chǔ)、顯示、探測(cè)及處理的材料。它包括激光晶體、紅外材料、液晶、非線性光學(xué)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(xiàn)第一臺(tái)紅寶石激光器。q固態(tài)激光器（包括固體激光器和半導(dǎo)體激光器）， A1GaAs半導(dǎo)體激光器和lnGaAsP半導(dǎo)體激光器。q1991年提出和發(fā)現(xiàn)光子晶體。n光子晶體是一種介質(zhì)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(nèi)部的光學(xué)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(xiàn)出如下趨勢(shì)：q功能材料與器件相結(jié)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(xiàn)。111.2 電子材料的重要作用 q電子材料是電子信息產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，是發(fā)展電子信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)與先導(dǎo)。電子材料作為基礎(chǔ)性材料已滲透到國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域，沒有高質(zhì)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(jìn)的電子信息系統(tǒng)。 q隨著電子學(xué)向光電子學(xué)、光子學(xué)邁進(jìn)，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(xiàn)狀 n1 硅基半導(dǎo)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(jìn)入32納米技術(shù)代，柵長13nm；2016年進(jìn)入22納米技術(shù)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(zhì)、金屬柵、雙柵/多柵器件、應(yīng)變溝道和高遷移率材料、銅互連技術(shù)（擴(kuò)散阻擋層）、低介電常數(shù)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(shè)計(jì)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(shù)等，來進(jìn)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(xiàn)狀 n1 硅基半導(dǎo)體材料q基于石

7、墨材料的硅基場(chǎng)效應(yīng)晶體管的研究圖1.3 石墨層的結(jié)構(gòu) 石墨是一種嚴(yán)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(jié)構(gòu)排列而形成的有序結(jié)構(gòu)。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(dá)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(xiàn)狀 n1 硅基半導(dǎo)體材料q基于石墨材料的硅基場(chǎng)效應(yīng)晶體管的研究圖1.4 基于雙柵極的石墨場(chǎng)效應(yīng)晶體管 這些性能使得石墨層成為制作場(chǎng)效應(yīng)晶體管的一種非常有前途的基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)如圖1.4所示。151.3 電子材料與器件

8、的研究現(xiàn)狀n2 化合物半導(dǎo)體材料 q與半導(dǎo)體硅相比，III-V族化合物半導(dǎo)體材料以其在高速、大功率、低功耗、低噪聲系數(shù)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(yīng)用。 qGaAs qInP qGaN qSiC q金剛石薄膜 HBT和HEMT ，量子激光器和探測(cè)器高熱導(dǎo)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(yīng)用；短波發(fā)光探測(cè)方面也有較好的應(yīng)用。161.3 電子材料與器件的研究現(xiàn)狀n3 半導(dǎo)體自旋電子學(xué)材料和器件q探索載流子的自旋運(yùn)動(dòng)規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對(duì)其操縱、調(diào)控及其應(yīng)用的科學(xué)稱之為自旋電子學(xué)自旋電子學(xué) 。q自旋極化的電子注入

9、到半導(dǎo)體中，并被人為操控，可以制成新型的自旋電子器件，用于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和運(yùn)算。 q由于在InMnAs和GaMnAs磁性半導(dǎo)體中發(fā)現(xiàn)了低溫鐵磁性，特別是在TiCoO2、 GaMnN、GaCN、ZnCoO等磁性半導(dǎo)體中發(fā)現(xiàn)了居里點(diǎn)高于室溫的鐵磁性，引發(fā)了磁性半導(dǎo)體材料的研究熱潮，然而由于對(duì)磁性的起源不明，研究進(jìn)展緩慢。171.3 電子材料與器件的研究現(xiàn)狀n4 磁性納米材料的應(yīng)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(shù)和高新技術(shù)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國防科研以及社會(huì)生活中獲得了多方面的廣泛而重要的應(yīng)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