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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划半导体的材料第一章元素半导体目前发现的元素半导体材料有Si、Ge、C(金刚石)、Se、-Sn(灰锡)、P(磷)、Te(碲)和B(硼)这8种。曾认为As、Sb和I是半导体，但对它们的深入研究表明:As、Sb是半金属,I是绝缘体。Si硅的化学性质硅在元素周期表中也处于A族位置，元素符号为Si，原子序数14，原子量，具有金刚石晶体结构。硅的地球储量仅次于氧，高达%，主要以二氧化硅或金属的硅酸盐形式存在，最纯的硅矿物是石英和硅石。Si有三种稳定的同位素，28Si()，29Si(%)和30Si
2、(%)。Si的价电子组态是3s23p2，其原子半径为，Si+4半径为。Si的化学键为共价键、每个原子与最近邻4个原子组成正四面体，每个原子周围都有8个电子(4个来自最近邻)。这种结构与惰性气体类似，因此，在常温下，硅是稳定的。室温时，Si晶体总是覆盖一层SiO2，650时开始更完全的氧化。Si的这种表面自钝化、易于形成本征SiO2层，是使Si成为当今最重要的固态器件材料的独特性能之一。Si在常温下不溶于单一的强酸，易溶于碱。常温下，除氟外，Si不与其他元素发生作用。高温时，Si除与氧和水蒸气发生反应外，还可与H2、卤素、N2、S和熔融金属发生反应，分别生成SiH4、SiCl4、Si3N4、Si
3、S2等和多种金属硅化合物。Si与Ge可以任意比例形成SiGe固溶体而与C则形成共价化合物。2、硅的晶体结构和能带结构Si的晶体结构为金刚石结构，晶格常数为。3、硅的电学性质在200500K温度范围内，Si的带隙Eg、导带态密度常数Nc和价带态密度常数Nv与温度T的关系可分别表示为：Si的本征载流子浓度：4.硅的光学性质：Si对近红外光透明，对可见光不透明；Si对光的反射较强！Si是半导体行业最重要的材料!资源丰富，且易于提高到极纯的纯度。较易生长出大直径无位错单晶。易于对Si进行可控掺杂，可达到很宽的掺杂浓度范围从(10141021)；其主要掺杂剂B、As、P的离化能都较小(半导体的材料)1:
4、3-5之间；硅粉与HCI在进入反应炉前要充分干燥，并且硅粉粒度控制在为宜；合成时加入少量铜、银、镁合金作催化剂，可降低合成温度和提高SiHCl3的产率。2、三氯氢硅的提纯半导体信息功能材料11级材料化学陈天炜历史发展表明，半导体信息功能材料和器件是信息科学技术发展的物质基础和先导。晶体管的发明、硅单晶材料和硅集成电路(ICs)的研制成功，导致了电子工业大革命；光导纤维材料和以砷化镓为基础的半导体激光器的发明，超晶格、量子阱微结构材料和高速器件的研制成功，使人类进入到光纤通信、移动通信和高速、宽带信息网络的时代。纳米科学技术的发展和应用，极有可能触发新的技术革命，必将彻底地改变人类的生产和生活方
5、式。信息技术涉及到信息的获取、发射、传输、接收、存储、显示和处理等方方面面。一.半导体信息功能材料与器件研究现状1.半导体硅材料半导体硅材料(semiconductorsilicon)是最主要的元素半导体材料，包括硅多晶、硅单晶、硅片、硅外延片、非晶硅薄膜等，可直接或间接用于制备半导体器件。制备结晶态硅材料的制备方法通常是先将硅石(SiO2)在电炉中高温还原为冶金级硅(纯度95%99%)，然后将其变为硅的卤化物或氢化物，经提纯，以制备纯度很高的硅多晶。包括硅多晶的西门子法制备、硅多晶的硅烷法制备。在制造大多数半导体器件时，用的硅材料不是硅多晶，而是高完整性的硅单晶。通常用直拉法或区熔法由硅多晶
6、制得硅单晶。目前世界上直拉硅单晶和区熔硅单晶的用量约为9：1，直拉硅主要用于集成电路和晶体管，其中用于集成电路的直拉硅单晶由于其有明确的规格，且其技术要求严格，成为单独一类称集成电路用硅单晶。区熔硅主要用于制作电力电子元件，纯度极高的区熔硅还用于射线探测器。硅单晶多年来一直围绕着纯度、物理性质的均匀性、结构完整性及降低成本这些问题而进行研究与开发。材料的纯度主要取决于硅多晶的制备工艺，同时与后续工序的玷污也有密切关系。材料的均匀性主要涉及掺杂剂，特别是氧、碳含量的分布及其行为，在直拉生长工艺中采用磁场(见磁控直拉法单晶生长)计算机控制或连续送料，使均匀性得到很大改善；对区熔单晶采用中子嬗变掺杂
7、技术，大大改善了均匀性。在结构完整性方面，直拉硅单晶早已采用无位错拉晶工艺，目前工作主要放在氧施主、氧沉淀及其诱生缺陷与杂质的相互作用上。氧在热处理中的行为非常复杂。直拉单晶经300500热处理会产生热施主，而经650以上热处理可消除热施主，同时产生氧沉淀成核中心，在更高温度下处理会产生氧沉淀，形成层错和位错等诱生缺陷，利用这些诱生缺陷能吸收硅中有害金属杂质和过饱和热点缺陷的特性，发展成使器件由源区变成“洁净区”的吸除工艺，能有效地提高器件的成品率。对硅单晶锭需经切片、研磨或抛光(见半导体晶片加工)后，提供给器件生产者使用。某些器件还要求在抛光片上生长一层硅外延层，此种材料称硅外延片。非晶硅材
8、料具有连续无规的网格结构，最近邻原子配位数和结晶硅一样，仍为4，为共价键合，具有短程有序，但是，键角和键长在一定范围内变化。由于非晶硅也具有分开的价带和导带，因而有典型的半导体特性，非晶硅从一晶胞到另一晶胞不具有平移对称性，即具有长程无序性，造成带边的定域态和带隙中央的扩展态，非晶硅属亚稳态，具有某些不稳定性。其制备方法有辉光放电分解法等(见太阳电池材料)。半导体硅材料与集成电路硅是当前微电子技术的基础材料，预计到本世纪中叶都不会改变。从提高硅ICs成品率、性能和降低成本来看，增大直拉硅单晶的直径，解决硅片直径增大导致的缺陷密度增加和均匀性变差等问题，仍是今后硅单晶发展的大趋势。预计由8英寸向
9、12英寸过渡的硅ICs工艺将在近年内完成，到XX年后，12英寸硅片将成为主流产品；随着极大规模硅ICs向更小线宽发展，是否需要研制更大直径的硅单晶材料，虽存争议，但更大直径的硅单晶(如18英寸等)研制也在筹划中。从进一步缩小器件的特征尺寸，提高硅ICs的速度和集成度看，研制适合于硅深亚微米乃至纳米工艺所需的大直径硅外延片将会成为硅材料发展的另一个主要方向。根据XX年版“国际半导体技术发展路线图”的预测，集成电路的特征线宽，XX年将进入32纳米技术代，晶体管物理栅长将是13nm，并于XX年进入到22纳米技术代，晶体管物理栅长将是9nln；到2022年，那时的晶体管物理栅长将是45nln。这时硅C
10、MOS技术将接近或达到它的“极限”，摩尔定律将受到物理(短沟场效应、绝缘氧化物量子隧穿效应、沟道掺杂原子统计涨落、功耗等)、技术(寄生电阻和电容、互连延迟、光刻技术等)和经济三方面(制造成本昂贵)的挑战。为克服上述器件物理和互连技术限制，人们一方面正在开发诸如高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。然而，虽然采取上述措施可以延长摩尔定律的寿命，但硅微电子技术最终难以满足
11、人类对信息量需求的日益增长。为此，人们正在积极探索基于全新原理的材料、器件和电路技术。如基于量子力学效应的纳米电子(光电子)技术、量子信息技术、光计算技术和分子电子学技术等。“十五”以来，我国极大规模集成电路关键制造装备(8英寸注入机和刻蚀机等)取得突破，光刻机也有长足进步；以中芯国际有限责任公司等为代表的8，12英寸晶圆代工大型企业的成功建设，已将我国极大规模集成电路的制造水平提高到90一65nil水平，大大缩短了与国际水平的差距，预计在2020年左右，可实现与国际同步发展。虽然我国多晶硅材料产业在过去几年里取得了很大进步，但多为6个?9纯度的太阳能级多晶硅，而电子级多晶硅材料几乎全部依赖进
12、口，严重制约我国集成电路产业的发展。我国硅单晶材料以5，6英寸为主，其生产能力已达3400t以上，8，12英寸硅单晶及抛光片，虽已具有小批量生产能力，但尚未应用于集成电路制造。硅外延材料产品主要是4和5英寸的，6英寸外延片还未实现量产，8，12英寸硅外延片尚处起步阶段。8，12英寸硅抛光片和外延片绝大部分依赖进口。我国S01(主要是SIMOX圆片技术)研发虽有一定的基础，但在8英寸以上S01圆片制造方面仍是空白。在SiGe异质结外延材料生长和SiGeHBT等器件与电路研发的技术水平，特别是生产水平与国外差距很大。2.硅外延材料在适合的晶体底层上的单个晶体半导体薄膜的生长就是外延生长。底层通常是
13、由和沉积的半导体同种物质的晶体组成，但也不总是这样。高质量的单晶硅薄膜已经可以在合成蓝宝石或尖晶石wafer上生长了，因为这些物质都有像硅一样可以让晶核生长的晶体结构。合成蓝宝石或尖晶石的成本超过同尺寸的硅wafer太多了，所以大多数外延生长沉积还是在硅底层上生长硅薄膜。硅外延是在高温下通过气相化学反应，在抛光的硅单晶片上生长一层或多层硅单晶薄膜通过控制生长条件，可以获得不同电阻率，不同厚度，及不同型号的外延层主要用于制造各种硅集成电路和分立器件，是集成电路和分离点其中重要的基础材料。大直径的硅集成电路芯片生产线均选用硅外延片作为起始材料。3.一V族化合物半导体材料与硅相比，一V族化合物材料以
14、其优异的光电性质在高速、大功率、低功耗、低噪音器件、电路、光纤通信、激光光源、太阳能电池和显示等方面得到了广泛的应用。GaAs，ImP和GaN及其微结构材料是目前最重要、应用最广泛的一V族化合物半导体材料。GaAs和InP单晶材料GaAs和InP单晶的发展趋势是增大晶体直径，提高电学和光学微区均匀性，降低缺陷密度和成本。目前，直径为6英寸的SIGaAs和4英寸的InP已用于集成电路的制造，但受到硅基GeSi和GaN基材的挑战，发展速度有所减缓。位错密度低的GaAs和InP单晶的垂直梯度凝固生长技术发展很快，很有可能成为单晶生长的主流技术。我国在砷化镓单晶研发方面有较好的基础，进入2l世纪后，产
15、业有了较大发展，已拉制出6英寸的大直径砷化镓，形成了年产万片级以上的多条砷化镓单晶片抛光生产线和多条4英寸GaAs集成电路生产线。34英寸的InP单晶的研制也取得了重要进展。GaAs和InP基超晶格、量子阱材料以GaAs和InP为基的晶格匹配和应变补偿的超晶格、量子阱材料已发展得相当成熟，并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。目前，InP基双异质结晶体管(HBT)和高电子迁移率晶体管(HEMT)的最高频率都已进入太赫兹；GaAs基的微波单片集成电路(MMIC)已从军用高端产品发展到民用产品，XX年市场规模已达30亿美元；4500门HBT集成电路业已研制成功。我国在InP基HE
16、MT和HBT高频器件研究方面也取得可喜成绩，已研制出截止频率大于200GHz的ImP基HEMT和HBT器件，可基本满足W波段电路的需求。基于上述材料体系的光通信用13p,m和15斗m的量子阱激光器和探测器，红、黄、橙发光二极管和红光激光器以及大功率半导体量子阱激光器泵源已商品化；表面光发射器件已达到或接近达到实用化水平。目前，研制可工作在40Gbss以上的15p,m分布反馈(DFB)激光器和电吸收(EA)调制器单片集成InP基多量子阱材料和超高速驱动电路所需的低维结构材料是解决光纤通信瓶颈问题的关键之一。此外，研制准连续兆瓦级大功率激光阵列用高质量量子阱材料也因其具有极重要的应用背景受到高度重视。自从1994年美国贝尔实验室发明了基于量子阱子带跃迁和阱间共振隧穿的量子级联激光器(QCLs)以来，QCLs在向大功率、高温和单膜工作等研究方面
