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1、Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials,1,电子与微电子材料,Chapter 6Electronic and Microelectronic Materials,本章内容,6.1导电材料6.2 介电材料6.3 半导体材料6.4 微电子材料与芯片,2,Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials,6.1导电材料,6.1.1 金属导电材料分类作为金属导电材料使用的要求金属导电性的影响因素,3,Chapter6 Electronic and Microelectronic Materia
2、ls,导电材料的定义载流子分类,6.1.2 快离子导体,肖特基导体（晶格空位机理）、弗仑克尔导体（间隙离子运动）本征离子电导和杂质离子电导快离子导体和固体电解质影响导电离子迁移的因素,4,Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials,（1）电子导电陶瓷非金属元素的碳化物、氮化物以共价键为主，金属键为辅。这几类化合物构成的陶瓷都是电子导电如SiC、MoSi2电热材料某些氧化物陶瓷通过加热或者用其它的方法激发，使外层电子获得足够的能量成为自由电子而具有导电性如氧化铝陶瓷、氧化钍陶瓷及由复合氧化物组成的铬酸镧陶瓷，都是新型的高温电子导电材料,5,
3、Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials,（2）离子导电陶瓷利用离子的迁移导电（固体电解质，或快离子导体）阳离子导体：利用阳离子迁移导电如-Al2O3的系：通式为nA2O3M2O，A代表三价金属A13、Ga3、Fe3等，M代表一价离子Na、K、H3O等阴离子导体：利用O2-或F-阴离子迁移导电萤石结构氧化物(ZrO2、HfO2、CeO2等)钙钛矿结构氧化物(LaAlO3、CaTiO3)。,6,Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials,6.1.3 聚合物导电材料,7,Chapter
4、6 Electronic and Microelectronic Materials,种类：结构型导电高分子（本节内容）复合型导电高分子（普通高分子混入导电填料）结构型导电高分子是指具有共轭键，其本身或经过“掺杂”后具有导电性的一类高分子材料。,Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials,8,种类,种类,Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials,9,导电机理,导电机理,自由基阳离子通过双键迁移沿共轭高分子链传递,Chapter6 Electronic and Microelectr
5、onic Materials,10,导电高分子的特性,1.电导率范围宽,导电高分子的特性,Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials,11,导电高分子不仅可以掺杂，而且还可以脱掺杂，并且掺杂-脱掺杂的过程完全可逆。,2.掺杂-脱掺杂过程可逆,3.响应速度快(10-13 sec),Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials,12,4.有电致变色性,Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials,13,Chapter6 Electron
6、ic and Microelectronic Materials,14,导电高分子的应用,导电高分子的应用,Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials,15,1.发光二极管,1990 年R.H.Friend首次报道高分子发光二极管具有颜色可调、可弯曲、大面积和低成本等优点实用化的突破口,2.分子导线,一个分子类似于一根导线可用于高灵敏度检测、超大规模集成技术等“模板聚合、分子束沉积等方法制备“分子导线”或导电高分子微管(或纳米管),Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials,16,3
7、.二次电池,高分子掺杂态储存电能、脱掺杂过程中释放电能 全塑电池,输出电压3V、电池容量3mA.h，复充放电上千次,Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials,17,4.生物传感器,葡萄糖传感器、尿素传感器、乳酸传感器、胆固醇传感器,Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials,18,5.气体传感器,导电高分子与大气某些介质作用-电导率改变,除去介质-恢复（掺杂/或脱掺杂过程）可用作选择性高、灵敏度高和重复性好的气体传感器。,Chapter6 Electronic and Microe
8、lectronic Materials,19,6.雷达隐身材料,导电性可以在绝缘体、半导体、金属导体之间变化不同的吸波性能密度小轻加工性能薄稳定性较好高温使用,Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials,20,7.电显示材料,掺杂/脱掺杂实现导体-绝缘体之间的转变，且电位、pH、掺杂量等变化伴随颜色变化可用于电显示,6.2介电材料,6.2.1 材料的介电性特征介电材料：介电性物质受到电场作用时，构成物质的带电粒子只能产生微观上的位移而不能进行宏观上的迁移的性质。介电材料也属于绝缘体，但更强调其可极化特征，电极化及其分类：电子极化、离子极化
9、、偶极子极化、空间电荷极化表征介电材料的基本参数：极化率、介电常数、损耗角正切tg宏观表现出对静电能的储存和损耗的性质，通常用介电常数和介电损耗tg来表示,21,Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials,（1）绝缘陶瓷 Insulating ceramics,主要利用其绝缘性电性要求：介电常数9，介电损耗tg于210-4910-3之间，电阻率要求大于1010cm。其它要求：较高的力学强度、耐热性、高导热性。,22,Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials,绝缘陶瓷种类,主晶相为莫
10、来石（3Al2O3SiO2）的普通陶瓷主晶相为刚玉Al2O3的氧化铝陶瓷镁质陶瓷晶相为含镁硅酸盐（MgOAl2O3SiO2系）钡长石瓷（BaOAl2O32SiO2）由高岭土与BaCO3烧制而成高温介电损耗小，用作电阻瓷。高导热绝缘陶瓷BeO陶瓷非氧化物类陶瓷，如AlN、Si3N4、SiC、BN等,23,绝缘子,Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials,24,Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials,（2）介电陶瓷dielectric ceramic,也称介质陶瓷主要利用其介电性按
11、使用频率，可分为高频介质陶瓷微波介质陶瓷,25,Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials,高频介质陶瓷,电性要求：高频电场（1MHz）下具有适中至较高的介电常数（8.5900）高频介电损耗小，tg小于6104主要由碱土金属和稀土金属的钛酸盐或它们的固溶体构成例如CaTiO3是由CaCO3与TiO2高温烧制而成用于制作小尺寸高频电容器,26,Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials,27,Chapter6 Electronic and Microelectronic Materia
12、ls,微波介质陶瓷,应用于微波频段(300MHz300GHz)电路中作为介质材料并完成一种或多种功能的陶瓷电性要求：高的介电常数，r在30200之间高稳定性，频率温度系数要小微波频段介质损耗要小，tan10-4，Q10000代表性的微波介质陶瓷包括BaOTiO2体系、钙钛矿型陶瓷、(Ba,Sr)ZrO3、CaZrO3、Ca(Zr,Ti)O3、Sr(Zr,Ti)O3、(Ba,Sr)(Zr,Ti)O3等应用：制作谐振器、滤波器、介质天线、介质导波回路等微波元器件,28,Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials,微波介质陶瓷的应用：制作谐振器
13、、滤波器、介质天线、介质导波回路等微波元器件,29,Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials,6.2.2 压电材料压电效应和逆压电效应,30,Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials,压电陶瓷：具有压电效应，能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料。,常用的压电陶瓷,钛酸钡系钛酸铅锆酸铅二元系二元系中添加第三种ABO3(A表示二价金属离子，B表示四价金属离子或几种离子总和为正四价)型化合物如：Pb(Mn1/3)Nb2/3)O3和Pb(CO1/3Nb2/3)O3等组成的三元系。铌酸
14、盐系压电陶瓷如Na0.5K0.5NbO3、BaxSr1-xNb2O5不含有毒的铅，对环境保护有利。,31,Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials,钛锆酸铅（PZT）：最有代表性的压电陶瓷材料,32,Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials,压电陶瓷应用：换能器（超声、电声换能器等）陶瓷滤波器、陶瓷变压器、陶瓷鉴频器、高压发生器、红外探测器、声表面波器件、电光器件、引燃引爆装置和压电陀螺等,33,Chapter6 Electronic and Microelectronic Ma
15、terials,6.2.4 铁电材料定义，电滞曲线，剩余极化强度、矫顽电场强度,34,Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials,铁电陶瓷（Ferroelectric Ceramics）一定具有压电性，但是压电陶瓷不一定具有铁电性。铁电陶瓷用途：制作铁电陶瓷电容器，压电元件、热释电元件、电光元件、电热器件等。,BaTiO3：典型的铁电陶瓷随温度变化，晶相结构发生改变。很高的介电常数，特别是在其居里点Tc（120）附近，可高达6000损耗因子可高达0.010.02,35,Chapter6 Electronic and Microelectr
16、onic Materials,BaTiO3的改性：形成置换固溶体置换Ba2的有Ca2、Sr2、Pb2等置换Ti4的有Zr4等掺杂改性如电荷不匹配的La3、Cd3、Dy3部分取代Ba2尺寸不匹配的Nb4、Ta5取代Ti4,36,Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials,6.3 半导体材料 Semiconductors,37,Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials,38,电导率介于绝缘体及导体之间易受温度、照光、磁场及微量杂质原子影响,6.3.1 半导体材料概述,Chapter6
17、Electronic and Microelectronic Materials,能带理论,39,Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials,40,半导体器件对材料的要求,Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials,6.3.2 半导体分类及特点,元素半导体Ge（锗）,Si（硅）,C（金刚石）、-Sn（灰锡）、P（磷）、Se（硒）、Te（碲）、B（硼）等固体单质本征半导体（Intrinsic semiconductor）：不含杂质（掺杂剂）掺杂半导体（Extrinsic semicon
18、ductor）：本征半导体加入掺杂剂而形成,41,Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials,掺杂（Doping）：在高纯半导体中有意识地加入少量杂质以提高载荷体数量施主杂质（n-型半导体）：A族元素（C、Si、Ge、Sn）中掺入以VA族元素（P、Sb、Bi）受主杂质（p-型半导体）：A族元素（C、Si、Ge、Sn）中掺入以A族元素（如B）,42,Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials,n-型半导体（电子型，施主型）,43,Chapter6 Electronic and Micr
19、oelectronic Materials,施主(供体donor)能带Ed,p-型半导体（空穴型，受主型）,44,Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials,受主(受体acceptor)能带Ea,45,Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials,化合物半导体由两种或两种以上元素以确定原子配比形成的、具有确定的禁带宽和能带结构等半导体性质的化合物。-族化合物半导体：A族元素B、A1、Ga、In和VA族元素N、P、As、Sb所形成的二元化合物如GaAs、InP、GaN、GaP、InSb、
20、GaSb、InAs-族化合物半导体：B族元素Zn、Cd、Hg与VIA族元素O、S、Se、Te所形成的二元化物-族化合物半导体：A族元素Ge、Sn、Pb与VIA族元素S、Se、O、Te所形成的部分二元化合物,46,Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials,固溶半导体具有半导体性质的固溶体两种半导体互溶，如Si1-X GeX(其中x1)化合物半导体中的一个元素或两个元素用其同族元素局部取代，如用Al来局部取代GaAs中的Ga，即Ga1-X AlXAs非晶半导体四面体结构半导体（如非晶态的Si、Ga、GaAs、GaP、InP、GaSb）硫系半
21、导体（如S、Se、Te、As2S3、As2Te3、Sb2S3）氧化物半导体（如GeO2、B2O3、SiO2、TiO2）,47,Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials,(3)超晶格半导体,超晶格半导体材料利用异质外延法，即在晶体衬底上一层叠一层地生长出不同材料的薄膜来，所得材料叫超晶格材料,48,Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials,组分超晶格,超晶格的重复单元是由不同半导体材料的薄膜堆垛而成,49,Chapter6 Electronic and Microelectroni
22、c Materials,掺杂超晶格,在同一种半导体中，用交替地改变掺杂类型的方法做成的新型人造周期性半导体结构的材料,50,掺杂超晶格半导体的能带结构,Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials,51,任何一种半导体材料只要很好控制掺杂类型都可以做成超晶格；多层结构的完整性非常好，由于掺杂量一般较小，杂质引起的晶格畸变也较小，掺杂超晶格中没有像组分超晶格那样明显的异质界面；掺杂超晶格的有效能量隙可以具有从零到未调制的基体材料能量隙之间的任何值，取决于对各分层厚度和掺杂浓度的选择。,掺杂超晶格的优点,Chapter6 Electronic
23、and Microelectronic Materials,多维超晶格,52,Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials,应变超晶格,在弹性形变限度之内的超薄膜中，晶格本身发生应变而阻止缺陷的产生,53,Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials,半导体的电阻特性,54,Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials,6.3.3 PN结,把本征半导体的两侧分别掺入施主型和受主型杂质，或者将一块n型和一块p型半导体结合在一起，两者的界
24、面及其相邻的区域就称为PN结。PN结的最大特性就是单向导电性。,55,Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials,56,（1）单晶硅,单晶硅具有准金属的性质，有较弱的导电性，而且其电导率随着温度的升高而增加，有显著的半导电性。,机械强度高结晶性好自然界中储量丰富成本低可以拉制出大尺寸的完整单晶,6.3.4 一些重要的半导体材料,Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials,57,(1)Performance and application,晶体管,双极型晶体管 场效应晶体管,Chapt
25、er6 Electronic and Microelectronic Materials,58,(2)Preparation,制备方法,Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials,59,(3)Research and development,研究开发方向,优质大直径（250300mm）单晶硅的研制生产，其均匀性要求很高；单晶硅中微缺陷的密度亦需进一步降低；制片后的氧化层错密度要求从100个cm-2降低至10个cm-2，氧化层错密度降低与氧、碳含量、工艺条件有关，特别是提拉单晶的速度和温度场的均匀性。,Chapter6 Electronic
26、 and Microelectronic Materials,（2）砷化镓（GaAs）单晶,Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials,60,宽禁带，高电子迁移可以在较高的工作温度和工作频率下工作,61,(1)GaAs,GaAs中电子的有效质量仅为自由电子质量的1/15，GaAs中电子速度更快制造出速度更快、功能更强的计算机，高频通信信号的放大器,砷化镓中的电子激发后释放能量以发光的形式进行制作半导体激光器和光探测器,Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials,62,（1）热阻器,与
27、金属不同，半导体的电阻率随温度升高是减少的，利用这种特性做成热阻器除可以用来测温外，还可以用于火灾报警。这是由于当热阻器受热时，电阻下降，就让一很大的电流通过电路，启动警铃。,6.3.5 半导体材料的应用,Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials,63,（2）压力传感器,半导体的能带结构与能隙宽度与半导体的原子间距有关，当压力作用在这种半导体上时，原子间距减小，同时能隙变窄，导电性增加。因此，可以根据电导来推算压力的大小。,Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials,64,（3）光
28、敏电阻器,半导体的电导率随入射光量的增加而增加。这种效应可用来制作光敏电阻，此处所说的光可以是可见光，也可以是紫外线或红外线，只要所提供的光子能量与禁带宽度相当或大于禁带宽度即可。,Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials,65,（4）磁敏电阻,在通电的半导体上加磁场时，半导体的电阻将增加，这种现象称为磁阻效应。产生磁阻现象的原因在于加磁场后，半导体内运动的载流子会受到洛伦兹力的作用而改变路程的方向，因而延长了电流经过的路程，从而导致电阻增加。根据这种特性可做成磁敏电阻。,Chapter6 Electronic and Microele
29、ctronic Materials,66,（5）光电倍增管,光电倍增管是利用电子的受激发射，激发源起初是光子，而后是被电场加速的电子。假定一个非常弱的光源将价带中的一个电子激发到了导带中，而后，在电场作用下，这个电子被加速到很高的速度并具有了很高的能量，它将激发一个或更多的其他电子，这些电子也将受这个电场的作用而加速再激发其他的电子，如此下去，一个非常弱的光信号就被放大了。,Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials,67,（6）发光二极管,Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials
30、,68,（7）整流二极管,利用PN结的单向导电性,半波整流电路,Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials,69,（8）齐纳二极管Zener diodes,利用P-N结的击穿特性如果反向电压（偏压）增加到某个特殊值，对于一个微小偏压的变化，就会使电流产生一个可观的增加。,Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials,70,（8）晶体管 Transistors,由二个P-N结组成可以是P-N-P-型，也可以是N-P-N型,Chapter6 Electronic and Microelec
31、tronic Materials,6.4微电子材料与芯片,6.4.1 微电子芯片发展概况6.4.2 IC制造一般构造与技术过程（图6-23讲解）,71,Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials,金属氧化物半导体（MOS）晶体管示意图,光刻原理,对底材进行区域选择性保护，裸露区域被刻蚀。,72,Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials,Manufacturing steps,The manufacturing process involves four main steps:Dep
32、osition（沉积）：单晶硅片上沉积异相薄膜 SiO2,Al,etc.,Doping（掺杂）：通过掺杂改变导电性Photolithography（光成像）：照相制版，制掩膜 Etching（蚀刻）：转印立体图案至单晶硅片上,73,Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials,Process,74,Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials,Etching result,An ion beam milled set of tracks in Si.The photoresist is
33、still in place.Notice the accurate pattern transfer from the mask into the Si,and also that the photoresist mask is beginning to show signs of damage and wear.,75,Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials,6.4.3 微电子主要材料,IC衬底材料、栅结构材料、存储电容材料、局域互联材料、光刻胶、电子封装材料。,76,Chapter6 Electronic and Microel
34、ectronic Materials,正性与负性光刻胶,光刻胶 光致抗蚀剂(photoresist)正性光刻胶光致可溶（易溶）负性光刻胶光致不溶（难溶）,正性光刻胶,光致增溶机理,77,邻重氮萘醌+线性酚醛环氧,Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials,酸增殖反应,光照下光产酸剂分解出H+，然后H+催化保护基团的脱落，同时产生H+，后者又可以作为催化剂，如此不断循环，使酸浓度越来越高,78,Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials,负性光刻胶,机理：光致耦合、交联等；代表类型：聚
35、乙烯醇肉桂酸酯、环化橡胶-多叠氮体系、水性光刻胶等,79,Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials,环化橡胶-多叠氮感光体系,叠氮光交联机理：,80,Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials,氮宾,双叠氮光交联剂,81,Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials,水溶性光刻胶,水溶性高分子+水溶性 多叠氮感光交联剂水溶性高分子：聚乙烯基吡咯烷酮、聚丙烯酰胺等；水溶性叠氮光敏交联剂：,不用苯系和卤代溶剂，环保,82,Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials,对光刻胶的要求,光刻胶的一般要求,要求有很好的成膜性。光刻时一般采用旋转涂胶的办法，即在硅片的中心滴一滴光刻胶，然后在高速旋转台上旋转，使光刻胶均匀分布在硅片上成膜。要求胶膜对二氧化硅有强的附着力。要有足够的光敏性。要有良好的分辨率，所谓分辨率就是光刻可达到的最细线条的宽度。对光刻所用腐蚀液有良好的抗腐蚀性等等。,83,Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials,
