半导体材料概述第一章(新版)

1第一章半导体材料概述2文明的发展速度在近40000年的时段内生活过1000代人。超过800代人生活在树林与洞穴的非人工住所。只有120代人认识并使用过轮子。约40代人使用过风车与水车。约20代人认识并使用过钟表。约10代人了解印刷术。约5代人乘坐过轮船与火车旅游。约4代人使用电灯。约3代人乘坐汽车旅行，使用过电话与吸尘器。约2代人乘飞机旅行，使用过无线电与冰箱。只有当代人到过外太空，使用原子能、笔记本电脑。人类历史上90%的知识与物质财富创造于20世纪！3公元前8-9000年，新石器时代开始；公元前3000年，青铜时代开始；公元前1300-1400年，铁器时代开始。18世纪第一次工业革命蒸汽时代；19世纪中电动机发明。第二次工业革命电气时代；20世纪初，半导体技术开始应用，20世纪中期半导体产业开始形成，开始了以Si等半导体材料为代表的电子材料时代。4半导体材料现代社会文明的先导现代工业的基石半导体器件深入到日常生活和工业生产等各个领域。世界人均晶体管占有量本世纪初已超过1亿只。有人把受半导体技术推动的信息时代的到来称之为第三次工业革命的开始；“谁掌握了半导体技术（微电子），谁就掌握了主动权”5信息功能半导体：逻辑电子应用物理电子应用移动互联网节能革命微波功率半导体电力电子（功率半导体）集成电路（ICs）世界科技的两大发展趋势56电力电子器件功率损耗较大，远大于信息电子器件，一般都要安装散热器。7利用SiC和GaN大幅削减电力转换装置的体积【日经BP社报道】8PentiumPentiumPentiumProPentiumPro80808080808680868028680286803868038629ktrans80486804861200ktrans微电子技术发展的驱动力2013年达到3056亿美元（增加4.8%）预计2014年为3180亿美元（预计增加4.1%）99数据来源：中国海关总署，进口重点商品量值；CCID2011年我国集成电路市场品牌结构2011年我国集成电路进口额产品结构2013年我国进口集成电路产品2318亿美元，占世界市场的75%；出口877亿美元，同比增加64.1%；绝对逆差1500亿美元，居第一。101111数据来源：国家统计局，CSIA1212未来微电子技术有潜力的市场1、智能终端2、云计算与大数据（存储和计算）3、物联网（传感器、识别芯片，2013年5000亿元，增长30%）4、宽带通信（4G，5G，视频流量，BTA下载等）5、智能工业（智能家电、智能制造、3D打印，数控机床）6、智能电网与轨道交通（发电、输电、变电、配电、用电）7、智能医疗（2015年约20-30亿元规模）8、汽车电子（未来有5000-7000亿市场规模，准入门槛高）9、安防监控系统10、信息安全（智能卡，网络加密等）13在40年的时间里，集成电路尺寸减小10000倍性能提高10万倍成本减低1亿倍14PentiumPentiumPentiumProPentiumPro80808080808680868028680286803868038629ktrans80486804861200ktrans高速度高密度高可靠低功耗低成本延续Moore定律的关键15提高器件工作速度的有效办法:减小器件的有效沟道长度提高材料中的载流子的迁移率GLMOSFET的工作速度16后摩尔时代IC技术发展趋势1718纳米器件与氧化层厚度的关系1945nm氧化层厚度20隧道电流随氧化层厚度减小而指数升高Taur,IEEESpectrum,July199921CMOS静态功耗的构成隧道电流随氧化层厚度减小而指数升高22June21,2000KilopassTechnologyConfidential231.0E+021.0E+031.0E+0419901995200020052010ClockSpeed(MHz)103102104微处理器工作速度(90nm下降）Coolingcostsarelimitingclockspeeds.2004FrequencyExtrapolation24资料来源：IBMGTO多核计算成为处理器性能提升的新增长点，同时也恶化了处理器与存储器间的性能鸿沟。微电子技术新进展25多功能集成SiP:System-in-PackageSoC:System-on-chip26成本问题研发成本剧增，单个晶体管成本不遵循摩尔定律Source:IBS.提高器件工作速度的有效办法:减小器件的有效沟道长度提高材料中的载流子的迁移率GL28CompressiveTensile*222mkEk应变硅技术29Intel的PrescottPentium4处理器Intel2005年完成90nm的PrescottPentium4处理器,主频3.4GHz应变硅技术30超高速10位D/A电路流片实现与非应变工艺相比，应变工艺得到的D/A电路可以提升1-2代。SFDR应变测试频率非应变Si提高的百分比（dB）（GHz）（GHz）（%）47.30.90.6342.8645.51.00.7631.58431.30.944.44SFDR—无杂散动态范围0.5微米工艺下的应变硅高速集成电路31III-V族化合物和混合沟道器件Si,Ge,GaAs,InGaAsInAsSiGeGaAsIn0.53Ga0.47AsInAsEg(eV)1.10.661.40.750.35µn(cm2/v-s)1,3503,9004,6008,00040,000µp(cm2/v-s)4801,900500350500m*/mo0.1650.120.0670.0410.02432高迁移率pMOSFET：SiGe,Ge,In(Ga)Sb,GeSn高迁移率材料CMOS器件的Si基集成3220002002200420062008201020122014sSi(110)aIEDM,p.18.7.1sGeQWaIEDM,p.137EffectiveHoleMobility(arbitraryunits)GeO2/Ge(110)VLSI,p.56sGeQWaIEDM,p.150InGaSbIEDM,p.138sSi(110)bIEDM,p.63GewithSipassivationVLSI,p.80GeO2/GeIEDM,p.697sSi(110)bIEDM,p.3.2.1GewithSipassivationIEDM,p.26.1.1GeCIEDM,p.902sGeaIEDM,p.18.2.1ZrO2/GeIEDM,p.437SGOIIEDM,p.33.6.1YearsSiGeaIEDM,p.753InSbIEDM,p.727GeSnaIEDM,p.402aBiaxiallyStrainedbUniaxiallyStrainedGeSnQWaVLSI,2014Si钝化的Ge和GeSnpFETs展现了优异性能！3333后Moore时代CMOS器件34结论依靠缩小线宽提高速度越来越困难，新器件结构创新和应用迫在眉睫设计技术是提高速度的有效方法，空间还很大新型材料是增强速度的根本手段，潜力无限实现基于材料和器件的设计技术基于设计的器件和材料技术科学、技术、经济高度融合和互动微电子技术的明天依然灿烂!35361.1绪论371.1.1什么是半导体材料？定义一：依据材料导电能力的高低来区分导体、半导体、绝缘体，把电阻率介于金属和绝缘体之间的材料定义为半导体。导体：电阻率小于10－4cm；绝缘体：电阻率大于1010cm；半导体：电阻率介于于10－4cm到1010cm38能带理论导体导体导体半导体绝缘体EgEgEg39导体三种能带情况1、能带与能带之间有带隙存在，但是在任何温度下，价电子都是占满能带的一部分，在这个能带中还有一部分状态是空的；2、一个能带完全被电子占满，但和下一个空能带之间恰好能量连续没有能量间隔；3、一个能带完全被电子占满，和另外一个空能带重合；对于这3中情况从能级图上来看，是因为其共有化电子很易从低能级跃迁到高能级上去。在外电场的作用下，大量共有化电子很易获得能量，形成电流。40绝缘体能带之间的禁带宽度非常大，或杂质的电离能较高，通常情况下电阻率很高。某些晶体由外层轨道分裂而成的能带是被电子填满的满带，自然不能导电。理想的绝缘材料：在其熔点以下的任何温度，只要外加电压小于其击穿电压，就没有可察觉的电流通过。41半导体两个被禁带隔开的能带，各可容纳4N个电子。绝对零度时，所有的共价电子正好填满能量较低的一个能带，称此能带为价带；而能量较高的能带在绝对零度时完全空着，但在非零温度下会有少许电子，其定向运动能有效传递电流，因而称此能带为导带。在非零温度下，半导体的价带顶部附近有少量电子被激发到导带底部。同时，价带因缺失了这些电子出现少许空状态，即产生了可以导电的荷正电的载流子空穴。42金属、半导体与绝缘体之间的界限并不绝对半导体材料是一种电阻率易变，且变化范围很宽的材料，具有电阻率的结构和组分敏感性。1、某些结构完整且不包含杂质，或杂质浓度极低的高纯结晶态半导体，以及大多数未掺杂的非晶态半导体，室温下也会具有跟绝缘体不相上下的高电阻率；2、当它们含有足够高浓度的某些特殊杂质时，其电阻率又会下降到金属的电阻率范畴，甚至比某些导电性欠佳的金属电阻率还低。金刚石等宽禁带材料，不含杂质的高纯状态呈高阻如绝缘体，在有效杂质浓度足够高时又呈低阻如良导体。43半导体的导电能力还与某些外部条件有关。相对金属和绝缘体，半导体的电阻率对光照、磁场和电场等外部条件的敏感性要强得多。金属的电阻率随着温度的升高而升高，而半导体的电阻率基本上随着温度的升高而下降。只在有效杂质浓度较高时的某一段温度区为正数。在接近绝对零度的极低温下，金属电阻率普遍会极度下降，有许多金属还会成为电阻率无穷小的超导体；而半导体的电阻率则一般会极度增大，达到绝缘体的水平。TT0)(44半导体材料定义二在绝对零度无任何导电能力；但其导电性随温度升高呈总体上升趋势，且对光照等外部条件和材料的纯度与结构完整性等内部条件十分敏感。451.1.2半导体材料的分类一、按组分、结构分类无机半导体有机半导体oled结晶形半导体无定形半导体元素半导体化合物半导体元素半导体化合物半导体46二、按照半导体形态分类块状薄膜精细结构（纳米结构，超晶格结构）47三、按照禁带宽度分类窄带隙半导体材料：Si，Ge宽带隙半导体材料：GaN，ZnO，SiC，AlN48四、按照特性和功能分类微电子材料：集成电路、器件光电子材料：激光器，探测器等热电材料：半导体制冷器微波材料：微波高频器件敏感材料：压敏、温敏、湿敏、气敏传感器49元素半导体大约十几种，处于元素周期表中ⅢA—ⅦA族的金属与非金属的交界处，有人称为半导体、半金属范围。Ge、Si、Se、α-Sn、C、B、P、As、S、Sb、Te、I等50无机化合物半导体据统计可能有四千多种，已发现的约有一千多种，二千多种是预见性的。III-V族化合物半导体II-VI族化合物半导体IV-IV族化合物半导体IV-VI族化合物半导体V-VI族化合物半导体51主要半导体材料及其分类无机材料有机材料晶体非晶态精细结构材料元素半导体化合物及其固溶体III-VII-VIIV-IVIV-VIV-VI氧化物多元系金刚石GeSi-SnSe…GaAsGaPGaSbGaNInAsInPInSbInNAlN…GaAsPInGaAsAlGaInN…CdSCdSeCdTeZnSZnSeZnTeHgSHgSeHgTe…TeCdHgZnSeTe…SiCSiGePbSPbSePbTeSnSSnSeSnTeGeSGeSeGeTePbSnTe…Bi2S3Bi2