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1、半导体材料,西南大学材料科学与工程学院,1,要点 半导体材料概述、半导体材料的发展、电学性能与应用、半导体材料的发展趋势,半导体,西南大学材料科学与工程学院,2,半导体：电阻率介于金属和绝缘体之间并有负的电阻温度系数的物质。半导体室温时电阻率约在10-3109欧厘米之间，温度升高时电阻率指数则减小。,半导体历史,西南大学材料科学与工程学院,3,半导体的发现实际上可以追溯到很久以前： 1833年，英国巴拉迪最先发现硫化银的电阻随着温度的变化情况不同于一般金属。一般情况下，金属的电阻随温度升高而增加，但巴拉迪发现硫化银材料的电阻是随着温度的上升而降低。这是半导体现象的首次发现。 不久， 1839年
2、法国的贝克莱尔发现半导体和电解质接触形成的结，在光照下会产生一个电压，这就是后来人们熟知的光生伏特效应，这是被发现的半导体的第二个特征。,半导体历史,西南大学材料科学与工程学院,4,半导体的发现实际上可以追溯到很久以前： 在1874年，德国的布劳恩观察到某些硫化物的电导与所加电场的方向有关，即它的导电有方向性。在它两端加一个正向电压，它是导通的；如果把电压极性反过来，它就不导电，这就是半导体的整流效应，也是半导体所特有的第三种特性。同年，舒斯特又发现了铜与氧化铜的整流效应。 1873年，英国的史密斯发现硒晶体材料在光照下电导增加的光电导效应，这是半导体又一个特有的性质。半导体的这四个效应，虽在
3、1880年以前就先后被发现了，但半导体这个名词大概到1911年才被考尼白格和维斯首次使用。 而总结出半导体的这四个特性一直到1947年12月才由贝尔实验室完成。,半导体材料,西南大学材料科学与工程学院,5,半导体材料很多，按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。 锗和硅是最常用的元素半导体；化合物半导体包括-族化合物（砷化镓、磷化镓等）、-族化合物( 硫化镉、硫化锌等)、氧化物(锰、铬、铁、铜的氧化物)，以及由-族化合物和-族化合物组成的固溶体（镓铝砷、镓砷磷等）。 除上述晶态半导体外，还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。,半导体材料分类,西南大学材料科学与工程学院,6,重要半导体晶
4、体结构,西南大学材料科学与工程学院,7,半导体材料的制造,西南大学材料科学与工程学院,8,为了满足量产上的需求，半导体的电性必须是可预测并且稳定的，因此包括掺杂物的纯度以及半导体晶格结构的品质都必须严格要求。 常见的品质问题包括晶格的位错（dislocation）、孪晶面（twins），或是堆垛层错 （stacking fault）都会影响半导体材料的特性。对于一个半导体元件而言，材料晶格的缺陷通常是影响元件性能的主因。,半导体材料的制造,西南大学材料科学与工程学院,9,目前用来成长高纯度单晶半导体材料最常见的方法称为丘克拉斯基法（Czochralski method）。这种制程将一个单晶的晶
5、种（seed）放入熔化的同材质液体中，再以旋转的方式缓缓向上拉起。在晶种被拉起时，溶质将会沿着固体和液体的接口固化，而旋转则可让溶质的温度均匀。,多晶硅生产设备,丘克拉斯基法,西南大学材料科学与工程学院,10,2010全球十大半导体公司排名,西南大学材料科学与工程学院,11,全球半导体发展现状,西南大学材料科学与工程学院,12,十亿美元,中国半导体市场发展趋势,西南大学材料科学与工程学院,13,2008-2014年中国半导体市场规模增长情况,能带结构,西南大学材料科学与工程学院,14,导体、绝缘体、半导体,西南大学材料科学与工程学院,15,材料的导电性能不同，是因为它们的能带结构不同。,导体,
6、半导体,绝缘体,Eg,Eg,元素半导体材料的特性,西南大学材料科学与工程学院,16,半导体的导电机制,西南大学材料科学与工程学院,17,满 带,空 带,Eg,半导体的载流子：电子和空穴,电子和空穴总是成对出现的,在电场作用下，电子和空穴均可导电，它们称作本征载流子。它们的导电形成半导体的本征导电性。,半导体的导电机制,西南大学材料科学与工程学院,18,空带,满带,空穴下面能级上的电子可以跃迁到空穴上来，这相当于空穴向下跃迁。,满带上带正电的空穴向下跃迁也是形成电流，这称为空穴导电。,在外电场作用下,半导体的导电机制,西南大学材料科学与工程学院,19,半导体中导电过程的简单“停车站”模拟 （a）
7、不可能移动（b）上下两层都可能移动,半导体的导电特性,温度特性 温度也能显著改变半导体材料的导电性能。一般来说，半导体的导电能力随温度升高而迅速增加，即半导体的电阻率具有负的温度系数，而金属的电阻率具有正当温度系数，且其随温度的变化很慢。 环境特性 半导体的导电能力还会随光照而发生变化,称为光电导现象。此外半导体的导电能力还会随所处环境的电场、磁场、压力和气氛的作用等而变化。,西南大学材料科学与工程学院,20,半导体的掺杂,西南大学材料科学与工程学院,21,掺杂工艺： 主要为热扩散和离子注入,多子与少子,热扩散,西南大学材料科学与工程学院,22,离子注入,西南大学材料科学与工程学院,23,PN
8、结的形成,西南大学材料科学与工程学院,24,当N型半导体和P型半导体结合在一起时，由于P型半导体中空穴浓度高、电子浓度低，而N型半导体中电子浓度高、空穴浓度低； 在交界面附近电子和空穴都要从浓度高的地方浓度低的地方扩散。P区的空穴要扩散到N区，且与N区的电子复合，在P区一侧就留下了不能移动的负离子空间电荷区。 同样，N区的电子要扩散到P 区，且与P区的空穴负荷在N区一侧就留下了不能移动的正离子空间电荷区。,PN结的形成,西南大学材料科学与工程学院,25,对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。 在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。 由于耗尽层的存在，PN结
9、的电阻很大。,PN结,PN结的导电性,西南大学材料科学与工程学院,26,如果电源的正极接P区，负极接N区，外加的正向电压有一部分降落在PN结区，PN结处于正向偏置。 电流从P型一边流向N型一边，空穴和电子都向界面运动，使空间电荷区变窄，电流可以顺利通过，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。 于是，内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大，PN结呈现低阻性。,正向导通,PN结的导电性,西南大学材料科学与工程学院,27,如果电源的正极接N区，负极接P区，外加的反向电压有一部分降落在PN结区，PN结处于反向偏置。 空穴和电子都向远离界面的方向运动，使空间电荷区变宽，电流不能流过，方向与PN
10、结内电场方向相同，加强了内电场。 内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小，PN结呈现高阻性。,反向截止,PN结的伏安特性,PN结的伏安特性最主要特点就是单向导电性。,西南大学材料科学与工程学院,28,正向导通，反向截止,PN结是几乎所有半导体器件的基本单元。,半导体电学性能的应用,1、热敏电阻 根据半导体的电阻值随温度的升高而迅速下降的现象制成的半导体器件，称为热敏电阻(thermosensitive resistance) 。 热敏电阻有体积小，热惯性小，寿命长等优点，已广泛应用于自动控制技术。 2、光敏电阻 半导体硒，在照射光的频率大于其红限频率时，它的电阻值有随光强的增加而急剧
11、减小的现象。利用这种特性制成的半导体器件称为光敏电阻(photosensitive resistance)。 光敏电阻是自动控制、遥感等技术中的一个重要元件。,西南大学材料科学与工程学院,29,半导体电学性能的应用,3、温差热电偶 把两种不同材料的半导体组成一个回路，并使两个接头具有不同的温度，会产生较大的温差电动势，称为半导体温差热电偶。温度每差一度，温差电动势能够达到、甚至超过1毫伏。 利用半导体温差热电偶可以制成温度计，或小型发电机。,西南大学材料科学与工程学院,30,光生伏特效应-Photovoltaic,用适当波长的光照射非均匀半导体，例如P-N结和金属-半导体接触等，由于势垒区中内
12、建电场（也称为自建电场）的作用，电子和空穴被分开，产生光生电流或者光生电压。,西南大学材料科学与工程学院,31,这种由内建电场引起的光-电效应，称为光生伏特效应。 利用光电效应可以制成太阳能电池，直接把光能转换成电能，这是它最重要的实际应用。另外，光生伏特效应也广泛应用于光电探测器。,光伏效应应用,西南大学材料科学与工程学院,32,半导体的应用,西南大学材料科学与工程学院,33,半导体材料主要发展趋势,西南大学材料科学与工程学院,34,Si单晶作为主要半导体材料，其大直径化的进程仍将继续。直径450mm单晶已列入发展规划，直径680mm（27in）的单晶研制也已列入议事日程，微电子器件用GaA
13、s、InP等也不断使用大直径晶片。 对大尺寸（Si）晶片的几何尺寸精度和晶片表面质量要求越来越高，从而促进超精细晶片加工技术的发展。,1、晶片尺寸更大,半导体材料主要发展趋势,西南大学材料科学与工程学院,35,1989年推出的英特尔486处理器采用1微米工艺技术，当前国际主流生产技术为0.250.35m，先进生产技术为0.130.10m，90nm技术已开始投入小批量生产，并研究成功65 nm技术。2010年采用45nm 技术，按照国际半导体产业发展路线图（ITRS）预测2016年和2018年将分别发展到22nm和18nm，预计在2020年有望达到16nm 。,2、 线宽更小,半导体材料主要发展
14、趋势,西南大学材料科学与工程学院,36,传统半导体材料中大部分采用的是硅，新型半导体材料如氮化镓、碳化硅、硒化锌的发展将极大丰富半导体材料的应用领域。,3、新材料,量子（阱、线、点）结构半导体材料的研制向实用化发展，使“能带工程”用于生产实践。通过对半导体材料和相应器件设计的人工“裁剪”，必将研制出更多、更高性能的新颖（电子、光电子等）功能器件。,半导体材料主要发展趋势,西南大学材料科学与工程学院,37,封装技术对于降低成本和功耗非常重要。芯片制造商通过封装技术创新使产品微型化。 封装的关键新能要求包括插脚数目、电板空间密度的最大化及散热效果。有些技术如芯片比例封装（CSP）提供的封装仅为芯片尺寸的120%。由于提高速度通常意味着更容易散热，因此散热效果很重要 。,4、新的封装技术,先进半导体材料主要发展趋势,西南大学材料科学与工程学院,38,随着通信的发展，半导体工业涉及范围越来越广，包括信号处理、模拟、功率管理和集成。混合信号技术和混合工艺技术的实力也越来越重要。,5、技术要求范围扩大,结束,西南大学材料科学与工程学院,39,
