《緒論半導(dǎo)體材料》PPT課件.ppt

1、半導(dǎo)體材料,微電子學(xué)院 吳振宇 E-mail: ,教學(xué)計(jì)劃,緒論 （1） 第一章 硅和鍺的物理化學(xué)性質(zhì)（1） 第二章 區(qū)熔提純（2） 第三章 晶體生長（2） 第四章 硅的氣相外延生長（2） 第五章 同質(zhì)外延生長（3） 第六章 異質(zhì)外延生長（3） 第七章 半導(dǎo)體材料分析技術(shù)(1),考核,期末考試60%+平時(shí)成績40% 開卷 平時(shí)成績:四次作業(yè) 考試:10題簡答題,第一章 緒論,半導(dǎo)體材料及其分類 半導(dǎo)體材料的發(fā)展和現(xiàn)狀 半導(dǎo)體材料的應(yīng)用,半導(dǎo)體材料及其分類,半導(dǎo)體材料：是指電阻率在107cm103cm，介于金屬和絕緣體之間的材料。具有以下性質(zhì)：一般半導(dǎo)體材料的電阻率隨溫度的升高而迅速增大；雜質(zhì)對(duì)

2、半導(dǎo)體性質(zhì)有著決定性的作用；光照可以引起半導(dǎo)體電學(xué)性質(zhì)的變化。 半導(dǎo)體材料是制作晶體管、集成電路、電力電子器件、光電子器件的重要基礎(chǔ)材料；支撐通信、計(jì)算機(jī)、信息家電與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展；半導(dǎo)體材料科學(xué)是半導(dǎo)體科學(xué)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。,半導(dǎo)體材料及其分類,按照不同角度進(jìn)行半導(dǎo)體材料的分類。 按照化學(xué)組分：元素半導(dǎo)體、化合物半導(dǎo)體、固溶體半導(dǎo)體元素半導(dǎo)體有鍺、硅、硒、硼、碲、銻等。50年代，鍺在半導(dǎo)體中占主導(dǎo)地位，但鍺半導(dǎo)體器件的耐高溫和抗輻射性能較差，到60年代后期逐漸被硅材料取代。目前的集成電路大多數(shù)是用硅材料制造的?；衔锇雽?dǎo)體由兩種或兩種以上的元素化合而成的半導(dǎo)體材料。它的種類很多，

3、可能有4,000多種，目前已研制出1,000多種。重要的有砷化鎵、磷化銦、銻化銦、碳化硅、硫化鎘等。其中砷化鎵是制造微波器件和集成電的重要材料。碳化硅由于其抗輻射能力強(qiáng)、耐高溫和化學(xué)穩(wěn)定性好，在航天技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。-:GaAs -:SiC -: PbS -:AsSe3固溶體是由二個(gè)或多個(gè)晶格結(jié)構(gòu)類似的元素、化合物溶合而成。如Ge-Si固溶體、Hg1-xCdxTe固溶體等。,半導(dǎo)體材料及其分類,晶態(tài)：結(jié)晶形和無定形半導(dǎo)體無定形半導(dǎo)體材料(主要有硫系玻璃和四面體鍵非晶態(tài)半導(dǎo)體)具有本征半導(dǎo)體的性質(zhì)，一般不能通過摻雜改變導(dǎo)電類型或大幅改變電導(dǎo)率，具有良好的開關(guān)和記憶特性和很強(qiáng)的抗輻射能力，主

4、要用來制造閾值開關(guān)、記憶開關(guān)和固體顯示器件。 組成：一元、二元、三元、多元 GaAl1-xAsx, GaAs1-xPx 有機(jī)半導(dǎo)體：已知有幾十種，包括萘、蒽、聚丙烯腈、酞菁和一些芳香族化合物等，目前尚未得到應(yīng)用。 應(yīng)用方式：體材料和薄膜材料,半導(dǎo)體材料的發(fā)展和現(xiàn)狀,硅(Si)元素， 瑞典化學(xué)家，貝采尼烏斯， 1823年發(fā)現(xiàn)。 鍺(Ge)元素，德國化學(xué)家，Winker，1886年首次從硫銀礦中發(fā)現(xiàn)。 1947年用偏析法提純的鍺晶錠，研制出第一只晶體管. 1950年蒂爾（G. Teal）用喬赫拉斯基（直拉法）首先拉制出鍺單晶。 1952年蒲凡（W. Pfann）發(fā)明了區(qū)熔提煉法，使鍺能提純到本征純

5、度. 1952年H. Welker發(fā)現(xiàn)-化合物半導(dǎo)體。 1968年，S.R.奧弗申斯基，用硫系非晶態(tài)半導(dǎo)體薄膜成功制作開關(guān)器件;1975年，W.E.斯皮爾等，非晶硅中實(shí)現(xiàn)摻雜效應(yīng);安德森和莫脫，建立非晶態(tài)半導(dǎo)體的電子理論(1977年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng))。 1972年生長出超晶格材料（1972年，Esaki, Tsu等，MBE 法制作GaAsAlGaAs超晶格）。 注：半導(dǎo)體超晶格結(jié)構(gòu)一般由兩種具有不同禁帶寬度和電子親和力的半導(dǎo)體材料周期性交替生長而構(gòu)成。超晶格結(jié)構(gòu)的量子阱中存在量子化的能級(jí), 產(chǎn)生量子阱中子帶間的紅外光躍遷以及量子限制Stark 效應(yīng)和低閾值量子阱激光等現(xiàn)象，因此超晶格材料制作成的

6、半導(dǎo)體器件在光學(xué)性質(zhì)方面具有獨(dú)特之處。,半導(dǎo)體材料的發(fā)展和現(xiàn)狀,（Shockley、Bardeen和Brattain) 1956年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）,第一只晶體管,半導(dǎo)體材料的發(fā)展和現(xiàn)狀,(1959, Robert Noyce,Fairchild）,(1958 , Jack Kilby,TI ) ( 2000 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）,第一塊集成電路,半導(dǎo)體材料的發(fā)展和現(xiàn)狀,在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中，一般分為三代：第一代：Si、Ge第二代：GaAs、InP、GaP、InAs、AlAs及其合金等第三代：寬禁帶的GaN、SiC、ZnSe和金剛石等 半導(dǎo)體硅材料：單晶硅和多晶硅 多晶硅：主要生產(chǎn)方法：改良西門子

7、法世界年產(chǎn)量：18，00025，000 t我國年需求量：2005年約: 1,000 t (ICs) ; 1,400 t ( Solar Cells )我國年產(chǎn)量：2005年不足 300 t (峨嵋半導(dǎo)體材料廠、洛陽單晶硅廠) 單晶硅：主要生產(chǎn)方法：直拉法(CZ)、區(qū)熔法(FZ) 世界年產(chǎn)量：2002年10，000 t(主要為812英寸)我國年產(chǎn)量：2002年約460 t (約占全球3 ，大部分為36英寸，主要生產(chǎn)企業(yè)有北京有研硅股、浙大海納等),半導(dǎo)體材料的發(fā)展和現(xiàn)狀,GaAs：主要生產(chǎn)方法：液封直拉(LEC)法、水平舟(HB)法、VGF(垂直梯度凝固法)、VB(垂直布里支曼法)、VCZ(蒸氣壓控制直拉法)日本：46英寸為主，占市場80我國：23英寸為主，4英寸產(chǎn)業(yè)初期 (有研硅股、中科鎵英、46所、55所等) GaN：MOCVD, MBE等;2000年， 美國kyma公司用AlN作襯底開發(fā)出4英寸GaN工藝；2001年, Nitronex公司在4英寸硅襯底上成功制造GaN晶體管；2001年，臺(tái)灣Powdec公司規(guī)模生產(chǎn)4英寸GaN外延片；中科院半導(dǎo)體所自主開發(fā)2英寸外延片生產(chǎn)設(shè)備，深圳大光集團(tuán)GaN基藍(lán)光LED產(chǎn)業(yè)化。,半導(dǎo)體材料的應(yīng)用,主要半導(dǎo)體材料的比較,教材,教材： 半導(dǎo)體材料 參考材料： K.N.Tu,電子薄膜材料 , 科學(xué)出版社，1999 薄