半導(dǎo)體材料緒論課件

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

劉明登主編

高教出版社

《半導(dǎo)體材料淺釋》萬(wàn)群化學(xué)工業(yè)出版社RobertF.Pierret:SemiconductorDeviceFundamentals(Part1)DonaldA.Neamen:SemiconductorPhysicsandDevices

考核方式任選課，3個(gè)學(xué)分，48學(xué)時(shí)考核方式：閉卷筆試課程成績(jī)?cè)u(píng)分—考試70%,平時(shí)30%（出勤、課上表現(xiàn)）考試內(nèi)容—以教材和上課內(nèi)容為主學(xué)習(xí)目的和要求熟悉硅、鍺等元素半導(dǎo)體包括硅、鍺單晶中的雜質(zhì)和缺陷問(wèn)題熟悉砷化鎵等化合物半導(dǎo)體的基本性質(zhì)掌握相圖的識(shí)別方法并會(huì)用相圖來(lái)指引實(shí)際生產(chǎn)中工藝條件選擇掌握化學(xué)提純和區(qū)熔提純掌握晶體生長(zhǎng)的原理；通過(guò)對(duì)外延的學(xué)習(xí)對(duì)半導(dǎo)體工藝有基本了解掌握半導(dǎo)體材料制備方法及性能控制原理了解其他化合物半導(dǎo)體及氧化物半導(dǎo)體材料的性質(zhì)了解其他半導(dǎo)體材料的發(fā)展趨勢(shì)緒論的主要內(nèi)容半導(dǎo)體的主要特征半導(dǎo)體材料的分類半導(dǎo)體材料的主要應(yīng)用半導(dǎo)體材料的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)納米科技和納米材料2.負(fù)電阻溫度系數(shù)Si：T=300Kρ=2x105

ΩcmT=320Kρ=2x104Ωcm3.具有整流效應(yīng)絕緣體半導(dǎo)體導(dǎo)體1012—1022Ω.cm10-6—1012Ω.cm≤10-6Ω.cm電學(xué)性質(zhì)⒈電阻率ρ:電阻率可在很大范圍內(nèi)變化一、

半導(dǎo)體的主要特征

1839年，法國(guó)科學(xué)家貝克雷爾(Becqurel)就發(fā)現(xiàn)，光照能使半導(dǎo)體材料的不同部位之間產(chǎn)生電位差。這種現(xiàn)象后來(lái)被稱為“光生伏打效應(yīng)”，簡(jiǎn)稱“光伏效應(yīng)”。

一、半導(dǎo)體的主要特征5.具有光生伏特效應(yīng)光照對(duì)半導(dǎo)體的影響

硫化鎘(CdS)半導(dǎo)體薄膜，無(wú)光照時(shí)的暗電阻為幾十MΩ，光照時(shí)阻值下降為幾十KΩ氣體、壓力、磁場(chǎng)等對(duì)半導(dǎo)體電阻率都產(chǎn)生較大的影響氣敏傳感器壓力傳感器霍爾傳感器一、

半導(dǎo)體的主要特征二、半導(dǎo)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(wú)機(jī)半導(dǎo)體,有機(jī)半導(dǎo)體,元素半導(dǎo)體,化合物半導(dǎo)體

本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)束縛電子在絕對(duì)溫度T=0K時(shí)，所有的價(jià)電子都緊緊束縛在共價(jià)鍵中，不會(huì)成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱，接近絕緣體。1.本征半導(dǎo)體——化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體晶體。制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達(dá)到99.9999999%，常稱為“九個(gè)9”。二、半導(dǎo)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(dāng)溫度升高或受到光的照射時(shí)，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(dǎo)電，成為自由電子。+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子產(chǎn)生的同時(shí)，在其原來(lái)的共價(jià)鍵中就出現(xiàn)了一個(gè)空位，稱為空穴。自由電子空穴二、半導(dǎo)體材料的分類2.雜質(zhì)半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量雜質(zhì)元素后的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。(1)

N型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)雜質(zhì)元素，例如磷，砷等，稱為N型半導(dǎo)體。

二、半導(dǎo)體材料的分類

在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)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(dǎo)體受主離子空穴電子空穴對(duì)(2)

P型半導(dǎo)體二、半導(dǎo)體材料的分類三、半導(dǎo)體材料的主要應(yīng)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)單模可傳輸調(diào)制后的信號(hào)≥40Gbps到200Km，而不需放大。國(guó)民經(jīng)濟(jì)國(guó)家安全科學(xué)技術(shù)半導(dǎo)體微電子和光電子材料通信、高速計(jì)算、大容量信息處理、空間防御、電子對(duì)抗、武器裝備的微型化、智能化半導(dǎo)體材料的地位半導(dǎo)體材料的地位單晶硅和半導(dǎo)體晶體管的發(fā)明及其硅集成電路的研制成功，導(dǎo)致了電子工業(yè)革命世紀(jì)70年代初，石英光導(dǎo)纖維材料和GaAs激光器的發(fā)明，促進(jìn)了光纖通信技術(shù)迅速發(fā)展，使人類進(jìn)入了信息時(shí)代超晶格概念的提出及其半導(dǎo)體超晶格、量子阱材料的成功

改變了光電器件的設(shè)計(jì)思想，使半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)與制造從“雜質(zhì)工程”發(fā)展到“能帶工程”納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)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(qiáng)大的新型器件與電路，必將徹底改變?nèi)藗兊纳罘绞?/p>

半導(dǎo)體科學(xué)發(fā)展史1.第一階段：經(jīng)驗(yàn)科學(xué)（1833～1931年）1833年發(fā)現(xiàn)ZnS

電阻變化負(fù)溫度系數(shù)1873年發(fā)現(xiàn)Se內(nèi)光電效應(yīng)1874年發(fā)現(xiàn)PbS整流效應(yīng)1904年點(diǎn)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(shù)科學(xué)、應(yīng)用科學(xué)1947年J.Bardeen,W.Brattain,W.Shockley(BellLab.)發(fā)明晶體管（點(diǎn)接觸Ge晶體管）FirstTransistor(1947)半導(dǎo)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(shù)高純鍺、G.K.Teal直拉法硅單晶，P.H.Keck懸浮區(qū)熔技術(shù)，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(chǎn)。1958年，W.C.DASH無(wú)位錯(cuò)硅單晶，為工業(yè)化大生產(chǎn)硅集成電路作好了準(zhǔn)備。六十年代初，外延生長(zhǎng)鍺、硅薄膜工藝，與硅的其它顯微加工技術(shù)相結(jié)合，形成了硅平面器件工藝。半導(dǎo)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(dǎo)體性質(zhì)。這類化合物電子遷移率高、禁帶寬度大，能帶結(jié)構(gòu)是直接躍遷，呈現(xiàn)負(fù)阻效應(yīng)。但是當(dāng)年，由于這些化合物中存在揮發(fā)元素，制備困難。多元半導(dǎo)體化合物制備技術(shù)的發(fā)展：晶體生長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)三、五族化合物單晶打下了基礎(chǔ)。薄膜制備技術(shù)方面：63年，H.NELSON，LPE方法生長(zhǎng)GaAs外延層，半導(dǎo)體激光器。其后，VPE生長(zhǎng)三、五化合物，外延生長(zhǎng)技術(shù)應(yīng)用到器件制作中去。半導(dǎo)體材料發(fā)展史多元、多層異質(zhì)外延技術(shù)出現(xiàn)。MBE、MOCVD可將外延層厚度控制在原子層數(shù)量級(jí)范圍內(nèi)，可將兩種不同組份的材料交替進(jìn)行超薄層生長(zhǎng)，制備出超晶格材耦和應(yīng)變復(fù)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(gè)集成電路1959R.Noyce（Fairchild）第一個(gè)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(shù)IC發(fā)展，SSI→MSI→LSI→VLSI→ULSI→半導(dǎo)體微電子學(xué)半導(dǎo)體激光器的發(fā)明→半導(dǎo)體光電子學(xué)7.

1958以后的幾個(gè)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(dǎo)體激光器1969-70年L.Esaki&R.Tsu提出半導(dǎo)體超晶格1963年H.KroemerZ.Alferov提出異質(zhì)結(jié)激光器1982K.VonKlitzing量子霍爾效應(yīng)1993S.NakamuraGaN高亮度GaN藍(lán)光發(fā)光二極管199？D.C.Tsui分?jǐn)?shù)化量子霍爾效應(yīng)微電子技術(shù)發(fā)展的規(guī)律及趨勢(shì)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(dǎo)體材料的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)第五階段：能帶工程提出1970年：Esaki(江琦）提出超晶格半導(dǎo)體的概念1971年：生長(zhǎng)出GaAs/AlGaAs超晶格材料單周期結(jié)構(gòu)晶體，在人工設(shè)計(jì)極化周期下可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)倍頻、差頻、混頻、OPO等非線性過(guò)程。相當(dāng)于兩個(gè)有著不同周期的極化晶體緊密相聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)信頻后再實(shí)現(xiàn)和頻，級(jí)聯(lián)產(chǎn)生三信頻。硅材料GaAs和InP單晶材料半導(dǎo)體超晶格、量子阱材料Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料硅基應(yīng)變異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料一維量子線、零維量子點(diǎn)半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料寬帶隙半導(dǎo)體材料光子晶體半導(dǎo)體材料的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)(1)硅(Si)硅基半導(dǎo)體材料及其集成電路的發(fā)展導(dǎo)致了微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和整個(gè)計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的飛躍.半導(dǎo)體中的大部分器件都是以硅為基礎(chǔ)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(shì)。(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(qiáng)10倍，抗輻射能力強(qiáng)2個(gè)量級(jí)，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(chǎn)量已超過(guò)200噸（日本1999年的GaAs單晶的生產(chǎn)量為94噸，InP為27噸），其中以低位錯(cuò)密度生長(zhǎng)的2～3英寸的導(dǎo)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(guān)鍵技術(shù)尚未完全突破，價(jià)格居高不下。（3）以氮化鎵材料P型摻雜的突破為起點(diǎn),以高效率藍(lán)綠光發(fā)光二極管和藍(lán)光半導(dǎo)體激光器的研制成功為標(biāo)志的半導(dǎo)體材料。它將在光顯示、光存儲(chǔ)、光照明等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。在未來(lái)10年里,氮化鎵材料將成為市場(chǎng)增幅最快的半導(dǎo)體材料。（4）半導(dǎo)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(yīng)變補(bǔ)償材料體系已發(fā)展得相當(dāng)成熟，已成功地用來(lái)制造超高速、超高頻微電子器件和單片集成電路。硅基應(yīng)變異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料GeSi/Si應(yīng)變層超晶格材料,因其在新一代移動(dòng)通信上的重要應(yīng)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(dá)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(diǎn)基于量子尺寸效應(yīng)、量子干涉效應(yīng)，量子隧穿效應(yīng)以及非線性光學(xué)效應(yīng)等的低維半導(dǎo)體材料是一種人工構(gòu)造（通過(guò)能帶工程實(shí)施）的新型半導(dǎo)體材料，是新一代量子器件的基礎(chǔ)。（6）寬帶隙半導(dǎo)體材料寬帶隙半導(dǎo)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(dǎo)率、高電子飽和漂移速度和大臨界擊穿電壓等特點(diǎn)，成為研制高頻大功率、耐高溫、抗輻射半導(dǎo)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(guó)防等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。（7）下一代半導(dǎo)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(jì)九十年代以來(lái)發(fā)展起來(lái)的一門綜合現(xiàn)代科學(xué)（介觀物理、量子化學(xué)等）和先進(jìn)工程技術(shù)（計(jì)算機(jī)、微電子和掃瞄隧道顯微鏡等技術(shù)）的前沿交叉學(xué)科。納米結(jié)構(gòu)是指以納米尺度物質(zhì)單元為基礎(chǔ)，按一定規(guī)律構(gòu)筑或者營(yíng)造的一種新體系，包括一維、二維、三維體系。這些物質(zhì)單元主要包括納米微粒、穩(wěn)定的團(tuán)簇、納米管、納米棒、