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1、半导体材料,主讲教师：李立珺 Tel:029-88166286 Email：,参考书目与教材:,半导体材料杨树人等（教材）半导体材料王季陶 刘明登主编 高教出版社 半导体材料浅释万群 化学工业出版社Robert F.Pierret:Semiconductor Device Fundamentals(Part1)Donald A.Neamen:Semiconductor Physics and Devices/,考核方式,任选课，3个学分，48学时考核方式：闭卷笔试课程成绩评分 考试70%,平时30%（出勤、课上表现）考试内容 以教材和上课内容为主,课程内容,半导体材料概述锗、硅晶体的制备工艺锗
2、、硅单晶中的杂质与缺陷硅的外延生长族化合物半导体族化合物半导体氧化物半导体材料其他半导体材料其他微电子材料与工艺的介绍,学习目的和要求,熟悉硅、锗等元素半导体包括硅、锗单晶中的杂质和缺陷问题熟悉砷化镓等化合物半导体的基本性质掌握相图的识别方法并会用相图来指引实际生产中工艺条件选择掌握化学提纯和区熔提纯掌握晶体生长的原理；通过对外延的学习对半导体工艺有基本了解掌握半导体材料制备方法及性能控制原理了解其他化合物半导体及氧化物半导体材料的性质了解其他半导体材料的发展趋势,绪论的主要内容,半导体的主要特征半导体材料的分类半导体材料的主要应用半导体材料的发展现状与趋势纳米科技和纳米材料,2.负电阻温度系
3、数Si：T=300K=2 x 105 cm T=320K=2 x 104cm3.具有整流效应,电学性质,电阻率:电阻率可在很大范围内变化,一、半导体的主要特征,一、半导体的主要特征,4.光电导效应,在光线作用下，对于半导体材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度，就激发出电子-空穴对，使载流子浓度增加，半导体的导电性增加，阻值减低，这种现象称为光电导效应。光敏电阻就是基于这种效应的光电器件。,1839年，法国科学家贝克雷尔(Becqurel)就发现，光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。这种现象后来被称为“光生伏打效应”，简称“光伏效应”。,一、半导体的主要特征,
4、5.具有光生伏特效应,光照对半导体的影响 硫化镉(CdS)半导体薄膜，无光照时的暗电阻为几十M，光照时阻值下降为几十K,一、半导体的主要特征,二、半导体材料的分类,从功能用途分 光电材料,热电材料,微波材料,敏感材料等 从组成和状态分 无机半导体,有机半导体,元素半导体,化合物半导体,二、半导体材料的分类,无机物元素半导体：化学元素周期表化合物半导体-族，GaN/GaAs/GaP/InP微波、光电器件的主要材料，InSb/InAs禁带窄，电子迁移率高，主要用于制作红外器件和霍耳器件。-族，Zn0，主要用于光电器件，场致发光-族，PbS/PbTe,窄禁带，光敏器件氧化物半导体，SnO2硫化物半导
5、体，As(S,Se,Te),Ge(S,Se,Te)稀土化合物半导体,EuO,TmS有机物半导体：酞菁类、多环、稠环化合物,本征半导体的共价键结构,束缚电子,在绝对温度T=0K时，所有的价电子都紧紧束缚在共价键中，不会成为自由电子，因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。,1.本征半导体化学成分纯净的半导体晶体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。,二、半导体材料的分类,这一现象称为本征激发，也称热激发。,当温度升高或受到光的照射时，束缚电子能量增高，有的电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。,自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出
6、现了一个空位，称为空穴。,二、半导体材料的分类,2.杂质半导体,在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体称为杂质半导体。,(1)N型半导体,在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等，称为N型半导体。,二、半导体材料的分类,N型半导体,多余电子,磷原子,硅原子,多数载流子自由电子,少数载流子空穴,施主离子,自由电子,电子空穴对,二、半导体材料的分类,在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。,空穴,硼原子,硅原子,多数载流子 空穴,少数载流子自由电子,受主离子,空穴,电子空穴对,(2)P型半导体,二、半导体材料的分类,三、半导体材料的主要应用,二极管、三极管等分立器件集成电路微波器件光
7、电器件红外器件热电器件压电器件,微电子器件,第一个微处理器（1971）,光电子器件,光纤材料,光纤材料:,石英玻璃：SiO2、SiO2-GeO2、SiO2-B2O3-F 多组分玻璃：SiO2-GaO-Na2O、SiO2-B2O3Na2O 红外玻璃：重金属氧化物、卤化物 掺稀土元素玻璃：Er、Nd、多模只适于小容量近距离（40Km,100M bps)单模可传输调制后的信号40Gbps 到200Km，而不需放大。,四、半导体材料的地位、历史和发展趋势,国民经济,国家安全,科学技术,半导体微电子和光电子材料,通信、高速计算、大容量信息处理、空间防御、电子对抗、武器装备的微型化、智能化,半导体材料的地
8、位,半导体材料的地位,单晶硅和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研制成功，导致了电子工业革命世纪70年代初，石英光导纤维材料和GaAs激光器的发明，促进了光纤通信技术迅速发展，使人类进入了信息时代超晶格概念的提出及其半导体超晶格、量子阱材料的成功 改变了光电器件的设计思想，使半导体器件的设计与制造从“杂质工程”发展到“能带工程”纳米科学技术的发展和应用,使人类能从原子、分子或纳米尺度水平上控制、操纵和制造功能强大的新型器件与电路，必将彻底改变人们的生活方式,半导体科学发展史1.第一阶段：经验科学（18331931年）1833年发现ZnS 电阻变化负温度系数1873年发现Se内光电效应1874年
9、发现PbS整流效应1904年点接触二极管检波器用于高频电磁波接收,2.第二阶段：30年代40年代末：理论科学,能带理论的提出，为其后的材料和期件的发展打下了坚实的基础。,3.第三阶段：19471958：技术科学、应用科学1947年J.Bardeen,W.Brattain,W.Shockley(Bell Lab.)发明晶体管（点接触Ge晶体管）,First Transistor(1947),半导体材料发展史,1950年，、直拉法锗单晶1952年，区熔提纯技术高纯锗、直拉法硅单晶，悬浮区熔技术，提高硅的纯度1955年，SIMENS在硅芯发热体上用氢还原三氯化硅法制得高纯硅。1957年，工业化生产。
10、1958年，无位错硅单晶，为工业化大生产硅集成电路作好了准备。六十年代初，外延生长锗、硅薄膜工艺，与硅的其它显微加工技术相结合，形成了硅平面器件工艺。,半导体材料发展史,52年，H.WELKER发现族化合物具有半导体性质。这类化合物电子迁移率高、禁带宽度大，能带结构是直接跃迁，呈现负阻效应。但是当年，由于这些化合物中存在挥发元素，制备困难。多元半导体化合物制备技术的发展：晶体生长方面，五十年代末，水平布里奇曼法、温度梯度法、磁耦合提拉法生长GaAs、InP单晶。65年，氧化硼液封直拉法，在压力室中制取GaAs单晶，为工业化生长三、五族化合物单晶打下了基础。薄膜制备技术方面：63年，H.NELS
11、ON，LPE方法生长GaAs外延层，半导体激光器。其后，VPE生长三、五化合物，外延生长技术应用到器件制作中去。,半导体材料发展史,多元、多层异质外延技术出现。MBE、MOCVD可将外延层厚度控制在原子层数量级范围内，可将两种不同组份的材料交替进行超薄层生长，制备出超晶格材耦和应变复合层材料。,First IC Device(1958),4.第四阶段：集成电路阶段1958 J.Kilby（TI）研制成功第一个集成电路1959 R.Noyce（Fairchild）第一个利用平面工艺研制成集成电路,基于硅的平面工艺集成电路,6.1958以后：高技术IC发展，SSIMSILSIVLSI ULSI半导
12、体微电子学半导体激光器的发明半导体光电子学7.1958 以后的几个里程碑1958年L.Esaki研制出隧道二极管1962-63年 N.G.Basov研制出半导体激光器1969-70年 L.Esaki&R.Tsu提出半导体超晶格1963年 H.KroemerZ.Alferov提出异质结激光器1982 K.Von Klitzing量子霍尔效应1993 S.Nakamura GaN 高亮度GaN蓝光发光二极管199？D.C.Tsui分数化量子霍尔效应,微电子技术发展的规律及趋势,1965年Intel公司的创始人之一Gordon E.Moore的moore law等比例缩小(Scaling-down)
13、定律,尺寸不断减小,From Intels publication,半导体材料的发展现状与趋势,第五阶段：能带工程提出1970年：Esaki(江琦）提出超晶格半导体的概念1971年：生长出GaAs/AlGaAs超晶格材料,单周期结构晶体，在人工设计极化周期下可以用来实现倍频、差频、混频、OPO 等非线性过程。,相当于两个有着不同周期的极化晶体紧密相联，以实现信频后再实现和频，级联产生三信频。,硅材料GaAs和InP单晶材料半导体超晶格、量子阱材料V族超晶格、量子阱材料硅基应变异质结构材料一维量子线、零维量子点半导体微结构材料宽带隙半导体材料光子晶体,半导体材料的发展现状与趋势,(1)硅(Si)
14、,硅基半导体材料及其集成电路的发展导致了微型计算机的出现和整个计算机产业的飞跃.半导体中的大部分器件都是以硅为基础的增大直拉硅（CZ-Si）单晶的直径仍是今后CZ-Si发展的总趋势。,(2)-族化合物,GaAs 电子迁移率是Si的6倍（高速），禁带宽（高温）广泛用于高速、高频、大功率、低噪音、耐高温、抗辐射器件。GaAs用于集成电路其处理容量大100倍，能力强10倍，抗辐射能力强2个量级，是携带电话的主要材料。InP 的性能比 GaAs 性能更优越，用于光纤通讯、微波、毫米波器件。世界GaAs单晶的总年产量已超过200吨（日本1999年的GaAs单晶的生产量为94吨，InP为27吨），其中以低
15、位错密度生长的23英寸的导电GaAs衬底材料为主。InP具有比GaAs 更优越的高频性能，发展的速度更快；但不幸的是，研制直径3英寸以上大直径的InP单晶的关键技术尚未完全突破，价格居高不下。,（3）以氮化镓材料P型掺杂的突破为起点,以高效率蓝绿光发光二极管和蓝光半导体激光器的研制成功为标志的半导体材料。它将在光显示、光存储、光照明等领域有广阔的应用前景。在未来10年里,氮化镓材料将成为市场增幅最快的半导体材料。,（4）半导体超晶格、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，
16、InGaAsP/InP等GaAs、InP基晶格匹配和应变补偿材料体系已发展得相当成熟，已成功地用来制造超高速、超高频微电子器件和单片集成电路。硅基应变异质结构材料GeSi/Si应变层超晶格材料,因其在新一代移动通信上的重要应用前景，而成为目前硅基材料研究的主流。Si/GeSi MOSFET 的最高截止频率已达200GHz，噪音在10GHz下为0.9dB，其性能可与GaAs器件相媲美。,（5）一维量子线、零维量子点,基于量子尺寸效应、量子干涉效应，量子隧穿效应以及非线性光学效应等的低维半导体材料是一种人工构造（通过能带工程实施）的新型半导体材料，是新一代量子器件的基础。,（6）宽带隙半导体材料,
17、宽带隙半导体材料主要指的是金刚石、III族氮化物、碳化硅、立方氮化硼以及II-VI族硫、锡碲化物、氧化物（ZnO等）及固溶体等，特别是SiC、GaN 和金刚石薄膜等材料,因具有高热导率、高电子饱和漂移速度和大临界击穿电压等特点，成为研制高频大功率、耐高温、抗辐射半导体微电子器件和电路的理想材料，在通信、汽车、航空、航天、石油开采以及国防等方面有着广泛的应用前景。,（7）下一代半导体材料的探索 光集成 原子操纵,五、纳米科技和纳米材料,纳米科技是上世纪九十年代以来发展起来的一门综合现代科学（介观物理、量子化学等）和先进工程技术（计算机、微电子和扫瞄隧道显微镜等技术）的前沿交叉学科。纳米结构是指以纳米尺度物质单元为基础，按一定规律构筑或者营造的一种新体系，包括一维、二维、三维体系。这些物质单元主要包括纳米微粒、稳定的团簇、纳米管、纳米棒、纳米丝以及纳米尺寸的孔洞等。,各种ZnO纳米结构,ZnO的应用,光电方面的应用压电方面的应用气敏方面的应用压敏方面的应用,The morphology of TiO2,TiO2 Spheres,二氧化钛的应用,涂料化妆品等方面的应用陶瓷方面的应用异色效应颜料方面的应用超亲水效应方面的应用纳米Ti02在环境方面的应用在太阳能利用方面的应用在传感器方面的应用,Any quentions?Thank you!,
