半导体材料绪论课件

半导体材料Tel: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RobertF.Pierret:SemiconductorDeviceFundamentals(Part1)DonaldA.Neamen:SemiconductorPhysicsandDevices

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.负电阻温度系数Si：T=300Kρ=2x105

ΩcmT=320Kρ=2x104Ωcm3.具有整流效应绝缘体半导体导体1012—1022Ω.cm10-6—1012Ω.cm≤10-6Ω.cm电学性质⒈电阻率ρ:电阻率可在很大范围内变化一、

半导体的主要特征

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MΩ，光照时阻值下降为几十KΩ气体、压力、磁场等对半导体电阻率都产生较大的影响气敏传感器压力传感器霍尔传感器一、

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

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。+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，称为空穴。自由电子空穴二、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

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－－－－－－－－－－－－P型半导体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电器件红外器件热电器件压电器件微电子器件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-B2O3–Na2O

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,100Mbps)单模可传输调制后的信号≥40Gbps到200Km，而不需放大。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（1833～1931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3.第三阶段：1947～1958：技术科学、应用科学1947年J.Bardeen,W.Brattain,W.Shockley(BellLab.)发明晶体管（点接触Ge晶体管）FirstTransistor(1947)半导体材料发展史1950年，G.K.Teal、J.B.Little直拉法锗单晶1952年，W.G.Pfann区熔提纯技术高纯锗、G.K.Teal直拉法硅单晶，P.H.Keck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。1958年，W.C.DASH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Ⅲ—Ⅴ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，J.B.MULLIN，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.NELSON，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。FirstICDevice(1958)4.第四阶段：集成电路阶段1958J.Kilby（TI）研制成功第一个集成电路1959R.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，SSI→MSI→LSI→VLSI→ULSI→半导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1982K.VonKlitzing量子霍尔效应1993S.NakamuraGaN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GordonE.Moore的moorelaw等比例缩小(Scaling-down)定律尺寸不断减小FromIntel’spublication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Ⅲ－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)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)

Ⅲ-Ⅴ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），其中以低位错密度生长的2～3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，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/GeSiMOSFET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、