半导体材料第一章(新)

提高的百分比 （%） 42.86 31.58 44.44 27
III-V族化合物和混合沟道器件 Si, Ge, GaAs, InGaAs InAs
Eg (eV) 2 µ n (cm /v-s) 2 µ p (cm /v-s) m*/mo
Si Ge GaAs In0.53Ga0.47As InAs 1.1 0.66 1.4 0.75 0.35 1,350 3,900 4,600 >8,000 40,000 480 1,900 500 350 <500 0.165 0.12 0.067 0.041 0.024
23
提高器件工作速度的有效办法:
LG
减小器件的有效沟道长度
提高材料中的载流子的迁移率
24
应变硅技术
Tensile
Compressive
k E k 2m*
2 2
25
应变硅技术
Intel 2005年完成90nm 的Prescott Pentium 4 处理器,主频 3.4GHz
Intel的Prescott Pentium 4 处理器
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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。
38

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。
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0.5微米工艺下的应变硅高速集成电路
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—无杂散动态范围
SFDR 应变测试频率 （dB） （GHz） 47.3 0.9 45.5 1.0 43 1.3
非应变Si （GHz） 0.63 0.76 0.9
3
半导体材料 现代社会文明的先导 现代工业的基石

1946年电子管计算机与1976年微机的指标对比：
计算机体积缩小30万倍，功耗降低了5万多倍，重量降 低了6万倍，平均故障率和价格大幅度的下降，计算机 的普及率迅速提高；集成电路的采用。

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。
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。
40
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。 (T ) 0 T 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。
9
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
10
延续 Moore定律的关键
高速度
高密度 高可靠 低功耗 低成本
PentiumPro
80486
1200 k trans
Pentium
8080
8086
29 k trans
80286
34
1.1.1 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10－4cm； 绝缘体：电阻率大于1010 cm； 半导体：电阻率介于于10－4cm 到1010 cm
35
能带理论

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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。
42
1.1.2 半导体材料的分类
一、 按组分、结构分类
元素半导体 化合物半导体
结晶形半导体
无机半导体
无定形半导体
有机半导体 oled
元素半导体 化合物半导体
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点石成金 李嘉诚投资创新型环保初创企业
联合早报 2014年04月19日
在一片电路 板上镶嵌33个小 的LED灯泡，再 折叠成灯泡的形 状，与传统灯泡 只有一个光点不 同，这种灯泡拥 有360度的折射线， 有着很高的亮度。 100瓦的亮度，节 能灯用24瓦电， 该灯泡只用12瓦 。
33
1.1 绪论
28
高迁移率pMOSFET：SiGe, Ge, In(Ga)Sb, GeSn
a
Effective Hole Mobility (arbitrary units)
Biaxially Strained Uniaxially Strained
b
Si钝化的Ge 和GeSn pFETs展现 了优异性能！
ZrO2/Ge IEDM, p.437
43
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）

44
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，AlN
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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
Pentium
8080
8086
29 k trans
80286
80386
5
2011年我国集成电路市场品牌结构
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。
数据来源：中国海关总署，进口重点商品量值；CCID
a
GeSn QW VLSI, 2014
a
IEDM, p.697 GeC Ge with Si IEDM, p.902 SGOI a sSi(110) passivation IEDM, IEDM, p.18.7.1 VLSI, p.80 b p. 33.6.1 sSi(110) a a sSiGe IEDM, p.3.2.1 sGe IEDM, p.753 IEDM, p.18.2.1
80386
11
MOSFET的工作速度
LG
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
12
后摩尔时代IC纳米器件与氧化层厚度的关系
15
45 nm 氧化层厚度
16
隧道电流随氧化层厚度减小而指数升高
Taur, IEEE Spectrum, July 1999
导体 导体 Eg 导体
半导体 绝缘体 Eg Eg
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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。
第一章 半导体材料概述
1
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。
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” 4
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%）
PentiumPro
80486
1200 k trans
21
多功能集成
SiP:System-in-Package SoC:System-on-chip
22
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. /discussion/ other/4238315/Featuredimensionreduction-slowdown
17
隧道电流随氧化层厚度减小而指数升高 CMOS静态功耗的构成
18
June 21, 2000
Kilopass Technology Confidential
19
微处理器工作速度(90nm下降）
Cooling costs are limiting clock speeds.
1.0E+04 10
4
2
人类历史上90%的知识与物质财富创造于20世纪！

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。
2011年我国集成电路进口额产品结构 6 6
7
数据来源：国家统计局，CSIA
8 8
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）
2000
2002
2004
2006 2008 Year
2010
2012
2014
高迁移率材料CMOS器件的Si基集成
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应变锗锡GeSn技术
IEDM2011-404
30
后Moore时代 CMOS器件
31
31
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!
2004 Frequency Extrapolation
Clock Speed (MHz)
1.0E+03 10
3
2 10 1.0E+02
1990
1995
2000
2005
2010
20
微电子技术新进展

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。
资料来源：IBM GTO
sGe QW IEDM, p.150 InGaSb IEDM, p.138 a sGe QW a GeSn IEDM, p.137 InSb IEDM, p.402 Ge with Si IEDM, p.727 GeO2/Ge(110) passivation VLSI, p.56 IEDM, p.26.1.1 b sSi(110) IEDM, p.63 GeO2/Ge
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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。