电子材料与元器件1课件

第一章

绪论光电工程学院微电子教研中心冯世娟fengsj@第一章

绪论光电工程学院微电子教研中心绪论学时：48学时教材：现代电子材料与元器件（科学出版社）教参：

现代电子材料技术（国防工业出版社）电子材料与器件原理（西安交通大学出版社）考核方式：平时考查+期末考试绪论学时：48学时绪论课程性质：限选

知识应用+知识拓展课程体系：固体物理+半导体物理

化合物半导体器件

光电子器件

介电材料与器件

磁电子学与器件绪论课程性质：限选1.1电子材料的发展历史以电子学和光电子学为代表的信息产业已成为当今知识经济时代国民经济和社会发展的战略性基础产业和支柱产业。而电子功能材料与器件则是电子学和光电子学的重要物质基础与先导。电子信息材料是指以电子或光子为载体、用于制造各种电子及光电子元器件、半导体集成电路、纳米电子器件、磁性元器件、电子陶瓷器件等的材料。同时又是一种多学科交叉的学科，涉及到电子技术、光学、物理化学、固体物理学和工艺技术等多学科知识。1.1电子材料的发展历史以电子学和光电子学为代表的信息产1.1电子材料的发展历史以半导体材料为载体图1.1半导体芯片上晶体管数量及特征尺寸的变化趋势物理学原理并不排斥通过操纵单个原子来制造物质。这样做并不违反任何定理，而且原则上是可以实现的。毫无疑问，当我们得以对细微尺度的事物加以操纵的话，将大大扩充我们可能获得物性的范围。---费曼,19591.1电子材料的发展历史以半导体材料为载体图1.1半导1.1电子材料的发展历史以半导体材料为载体摩尔定律18个月，IC集成晶体管数目翻倍18个月，IC产品性能提高一倍18个月，相同性能产品降价一半安迪-比尔定律反摩尔定律1.1电子材料的发展历史以半导体材料为载体1.1电子材料的发展历史基于碳纳米管碳纳米管可以具有金属特性，也可以具有半导体特性，这取决于碳纳米管碳链的空间螺旋。金属的碳纳米管在室温下具有迄今最高的电导率。图1.2基于纳米管的单电子器件1.1电子材料的发展历史基于碳纳米管图1.2基于纳米管1.1电子材料的发展历史基于光电子材料以电子为媒介而传递信息，因为电子的传输速度受其质量(9.1×10-31kg)影响，有一定限度。所以，随着对信息传输容量和速度的要求不断提高，而光子作为更高频率和速度的信息载体就被应用，从而又出现了与电子技术、微电子技术交叉发展的光电子技术。光子材料是指利用光子或光互相作用来实现信息产生、传输、存储、显示、探测及处理的材料。它包括激光晶体、红外材料、液晶、非线性光学材料、光子晶体及光纤材料等。1.1电子材料的发展历史基于光电子材料1.1电子材料的发展历史基于光电子材料1960年出现第一台红宝石激光器。固态激光器（包括固体激光器和半导体激光器），

A1GaAs半导体激光器和lnGaAsP半导体激光器。1991年提出和发现光子晶体。光子晶体是一种介质或金属材料在空间呈周期性排列并能自由控制光的人造晶体。光子晶体内部的光学折射率呈周期性分布。可以通过掺杂来控制光子晶体带隙的位置、宽度及带隙中掺杂模式的形成。1.1电子材料的发展历史基于光电子材料1.1电子材料的发展历史电子材料的发展体现出如下趋势：功能材料与器件相结合，并趋于小型化与多功能化。电子材料的低维化。新型信息功能材料的不断涌现。1.1电子材料的发展历史电子材料的发展体现出如下趋势：1.2电子材料的重要作用电子材料是电子信息产业的重要组成部分，是发展电子信息产业的基础与先导。电子材料作为基础性材料已渗透到国民经济和国防建设的各个领域，没有高质量的电子材料就不可能制造出高性能的电子元器件，也就没有先进的电子信息系统。随着电子学向光电子学、光子学迈进，微电子材料在未来10～15年仍是最基本的信息材料，光电子材料、光子材料将成为发展最快和最有前途的信息材料。1.2电子材料的重要作用电子材料是电子信息产业的重要组成1.3电子材料与器件的研究现状1硅基半导体材料硅单晶研发的主要方向：提高硅集成电路成品率、性能，降低成本，增大直拉硅单晶的直径，解决缺陷等。2013年进入32纳米技术代，栅长13nm；2016年进入22纳米技术代，栅长9nm；2022年栅长将是4.5nm。人们一方面开发诸如高K栅介质、金属栅、双栅/多栅器件、应变沟道和高迁移率材料、铜互连技术（扩散阻挡层）、低介电常数材料、多壁纳米碳管通孔和三维铜互连等；另一方面，在电路设计与制造方面，采用硅基微/纳器件混合电路、光电混合集成和系统集成芯片(SOC)技术等，来进一步提高硅ICs的速度和功能。1.3电子材料与器件的研究现状1硅基半导体材料1.3电子材料与器件的研究现状1硅基半导体材料基于石墨材料的硅基场效应晶体管的研究图1.3石墨层的结构石墨是一种严格意义上的二维材料，它是由单原子层的碳原子以蜂窝状结构排列而形成的有序结构。由于石墨层中的电子-光子散射作用非常微弱，因此，即使是在室温的条件下，石墨中的电子迁移率就高达200,000cm2/Vs。并且其载流子饱和速率是硅材料的6-7倍。

1.3电子材料与器件的研究现状1硅基半导体材料图1.31.3电子材料与器件的研究现状1硅基半导体材料基于石墨材料的硅基场效应晶体管的研究图1.4基于双栅极的石墨场效应晶体管这些性能使得石墨层成为制作场效应晶体管的一种非常有前途的基础材料，用于制作工作在毫米波频段或更高频段的晶体管，其结构如图1.4所示。1.3电子材料与器件的研究现状1硅基半导体材料图1.41.3电子材料与器件的研究现状2化合物半导体材料与半导体硅相比，III-V族化合物半导体材料以其在高速、大功率、低功耗、低噪声系数等方面的优异光电性能，使得其射频及微波通信、光纤通信、太阳能电池和显示等方面得到了广泛的应用。GaAsInPGaNSiC金刚石薄膜HBT和HEMT

，量子激光器和探测器高热导率、高电子漂移速度和大的击穿电压使其在高频、大功率、抗辐射方面有广泛的应用；短波发光探测方面也有较好的应用。1.3电子材料与器件的研究现状2化合物半导体材料HBT1.3电子材料与器件的研究现状3半导体自旋电子学材料和器件探索载流子的自旋运动规律，实现对其操纵、调控及其应用的科学称之为自旋电子学。自旋极化的电子注入到半导体中，并被人为操控，可以制成新型的自旋电子器件，用于数据的存储和运算。

由于在InMnAs和GaMnAs磁性半导体中发现了低温铁磁性，特别是在TiCoO2、GaMnN、GaCN、ZnCoO等磁性半导体中发现了居里点高于室温的铁磁性，引发了磁性半导体材料的研究热潮，然而由于对磁性的起源不明，研究进展缓慢。1.3电子材料与器件的研究现状3半导体自旋电子学材料和器1.3电子材料与器件的研究现状4磁性纳米材料的应用由于纳米磁性材料具有多种特别的纳米磁特性，可制成纳米磁膜(包括磁多层膜)、纳米磁线、纳米磁粉(包括磁粉块体)和磁性液体等多种形态的磁性材料，因而已在传统技术和高新技术、工农业生产和国防科研以及社会生活中获得了多方面的广泛而重要的应用。磁记录方面纳米永磁材料方面纳米软磁材料方面

1.3电子材料与器件的研究现状4磁性纳米材料的应用1.3电子材料与器件的研究现状5有机光电子材料图1.5有机晶体管驱动的OLED显示器1.3电子材料与器件的研究现状5有机光电子材料图1.51.4电子材料的发展前景集成电路和半导体器件用材料由单片集成向系统集成发展光电子材料向纳米结构、非均值、非线性和非平衡态发展新型电子元器件用材料主要向小型化、片式化和复合化方向发展1.4电子材料的发展前景集成电路和半导体器件用材料由单片第一章

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绪论光电工程学院微电子教研中心绪论学时：48学时教材：现代电子材料与元器件（科学出版社）教参：

现代电子材料技术（国防工业出版社）电子材料与器件原理（西安交通大学出版社）考核方式：平时考查+期末考试绪论学时：48学时绪论课程性质：限选

知识应用+知识拓展课程体系：固体物理+半导体物理

化合物半导体器件

光电子器件

介电材料与器件

磁电子学与器件绪论课程性质：限选1.1电子材料的发展历史以电子学和光电子学为代表的信息产业已成为当今知识经济时代国民经济和社会发展的战略性基础产业和支柱产业。而电子功能材料与器件则是电子学和光电子学的重要物质基础与先导。电子信息材料是指以电子或光子为载体、用于制造各种电子及光电子元器件、半导体集成电路、纳米电子器件、磁性元器件、电子陶瓷器件等的材料。同时又是一种多学科交叉的学科，涉及到电子技术、光学、物理化学、固体物理学和工艺技术等多学科知识。1.1电子材料的发展历史以电子学和光电子学为代表的信息产1.1电子材料的发展历史以半导体材料为载体图1.1半导体芯片上晶体管数量及特征尺寸的变化趋势物理学原理并不排斥通过操纵单个原子来制造物质。这样做并不违反任何定理，而且原则上是可以实现的。毫无疑问，当我们得以对细微尺度的事物加以操纵的话，将大大扩充我们可能获得物性的范围。---费曼,19591.1电子材料的发展历史以半导体材料为载体图1.1半导1.1电子材料的发展历史以半导体材料为载体摩尔定律18个月，IC集成晶体管数目翻倍18个月，IC产品性能提高一倍18个月，相同性能产品降价一半安迪-比尔定律反摩尔定律1.1电子材料的发展历史以半导体材料为载体1.1电子材料的发展历史基于碳纳米管碳纳米管可以具有金属特性，也可以具有半导体特性，这取决于碳纳米管碳链的空间螺旋。金属的碳纳米管在室温下具有迄今最高的电导率。图1.2基于纳米管的单电子器件1.1电子材料的发展历史基于碳纳米管图1.2基于纳米管1.1电子材料的发展历史基于光电子材料以电子为媒介而传递信息，因为电子的传输速度受其质量(9.1×10-31kg)影响，有一定限度。所以，随着对信息传输容量和速度的要求不断提高，而光子作为更高频率和速度的信息载体就被应用，从而又出现了与电子技术、微电子技术交叉发展的光电子技术。光子材料是指利用光子或光互相作用来实现信息产生、传输、存储、显示、探测及处理的材料。它包括激光晶体、红外材料、液晶、非线性光学材料、光子晶体及光纤材料等。1.1电子材料的发展历史基于光电子材料1.1电子材料的发展历史基于光电子材料1960年出现第一台红宝石激光器。固态激光器（包括固体激光器和半导体激光器），

A1GaAs半导体激光器和lnGaAsP半导体激光器。1991年提出和发现光子晶体。光子晶体是一种介质或金属材料在空间呈周期性排列并能自由控制光的人造晶体。光子晶体内部的光学折射率呈周期性分布。可以通过掺杂来控制光子晶体带隙的位置、宽度及带隙中掺杂模式的形成。1.1电子材料的发展历史基于光电子材料1.1电子材料的发展历史电子材料的发展体现出如下趋势：功能材料与器件相结合，并趋于小型化与多功能化。电子材料的低维化。新型信息功能材料的不断涌现。1.1电子材料的发展历史电子材料的发展体现出如下趋势：1.2电子材料的重要作用电子材料是电子信息产业的重要组成部分，是发展电子信息产业的基础与先导。电子材料作为基础性材料已渗透到国民经济和国防建设的各个领域，没有高质量的电子材料就不可能制造出高性能的电子元器件，也就没有先进的电子信息系统。随着电子学向光电子学、光子学迈进，微电子材料在未来10～15年仍是最基本的信息材料，光电子材料、光子材料将成为发展最快和最有前途的信息材料。1.2电子材料的重要作用电子材料是电子信息产业的重要组成1.3电子材料与器件的研究现状1硅基半导体材料硅单晶研发的主要方向：提高硅集成电路成品率、性能，降低成本，增大直拉硅单晶的直径，解决缺陷等。2013年进入32纳米技术代，栅长13nm；2016年进入22纳米技术代，栅长9nm；2022年栅长将是4.5nm。人们一方面开发诸如高K栅介质、金属栅、双栅/多栅器件、应变沟道和高迁移率材料、铜互连技术（扩散阻挡层）、低介电常数材料、多壁纳米碳管通孔和三维铜互连等；另一方面，在电路设计与制造方面，采用硅基微/纳器件混合电路、光电混合集成和系统集成芯片(SOC)技术等，来进一步提高硅ICs的速度和功能。1.3电子材料与器件的研究现状1硅基半导体材料1.3电子材料与器件的研究现状1硅基半导体材料基于石墨材料的硅基场效应晶体管的研究图1.3石墨层的结构石墨是一种严格意义上的二维材料，它是由单原子层的碳原子以蜂窝状结构排列而形成的有序结构。由于石墨层中的电子-光子散射作用非常微弱，因此，即使是在室温的条件下，石墨中的电子迁移率就高达200,000cm2/Vs。并且其载流子饱和速率是硅材料的6-7倍。

1.3电子材料与器件的研究现状1硅基半导体材料图1.31.3电子材料与器件的研究现状1硅基半导体材料基于石墨材料的硅基场效应晶体管的研究图1.4基于双栅极的石墨场效应晶体管这些性能使得石墨层成为制作场效应晶体管的一种非常有前途的基础材料，用于制作工作在毫米波频段或更高频段的晶体管，其结构如图1.4所示。1.3电子材料与器件的研究现状1硅基半导体材料图1.41.3电子材料与器件的研究现状2化合物半导体材料与半导体硅相比，III-V族化合物半导体材料以其在高速、大功率、低功耗、低噪声系数等方面的优异光电性能，使得其射频及微波通信、光纤通信、太阳能电池和显示等方面得到了广泛的应用。GaAsInPGaNSiC金刚石薄膜HBT和HEMT

，量子激光器和探测器高热导率、高电子漂移速度和大的击穿电压使其在高频、大功率、抗辐射方面有广泛的应用；短波发光探测方面也有较好的应用。1.3电子材料与器件的研究现状2化合物