第二章 半导体材料特性

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第二章半导体材料特性
电导率与电阻率
电导率和电阻率只依赖于材料本身，与几何 形状无关 电阻同时依赖于材料的电阻率和几何尺寸 更小的尺寸引起互连线的电阻增加，从而增 加热损耗。

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绝缘体
电介质 去离子水（DI water) 电容(C=kA/S) 介电常数k 当电流流经芯片上连接器件的相邻金属导线 （布线）时，要使用低k介质来减少电容损耗
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第二章半导体材料特性
IIA族特性
2个价电子 有些不稳定 相当活泼 不推荐使用这族金属

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第二章半导体材料特性
IIIA族特性
3个价电子 加入到半导体材料中的掺杂元素（主要是B） 普通的互连导电材料（Al）

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第二章半导体材料特性
石墨烯



石墨烯出现在实验室中是在2004年，当时，英国曼 彻斯特大学的两位科学家安德烈· 杰姆和克斯特 亚· 诺沃塞洛夫发现他们能用一种非常简单的方法得 到越来越 薄的石墨薄片。 他们从石墨中剥离出石墨片，然后将薄片的两面粘 在一种特殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一 分为二。不断地这样操作，于是薄片越来越薄， 最 后，他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就 是石墨烯。 获得2010年诺贝尔物理学奖。
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IVA族特性
4个价电子 半导体材料 形成共价键

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VA族特性
5个价电子 加入到 半导体材料中的掺杂元素（主要是P 和As）

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VIIA族特性
7个价电子；容易接受电子；高负电性 腐蚀性 非常活泼 形成离子键 作为刻蚀和清洗化合物用

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VIIIA族特性
8个价电子 稳定；不活泼 惰性气体 应用在半导体制造中比较安全

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IB族特性
最好的金属导体 Cu正在取代Al的互连导体材料的位置

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第二章半导体材料特性
关于举办2011’中国常州国际石墨烯 产业发展高层论坛的通知

常州市人民政府拟于2011年9月28日在常州 举办2011’中国常州国际石墨烯产业发展高层 论坛，以共同交流石墨烯材料科学研究的最 新成果，分析石墨烯产业化方向和趋势，探 讨推进石墨烯技术发展的政策措施，展望石 墨烯应用前景以及对相关产业发展的重要影 响。
第二章半导体材料特性
GaAs的优点
比硅更高的电子迁移率 减少寄生电容和信号损耗 集成电路的速度比硅制成的电路更快 材料电阻率更大，在GaAs衬底上制造的半导 体器件之间很容易实现隔离，不会产生电学 性能的损失 比硅有更高的抗辐射性能

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第二章半导体材料特性
石墨烯

石墨烯不仅是已知材料 中最薄的一种，还非常 牢固坚硬；作为单质， 它在室温下传递电子的 速度比已知导体都快。
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石墨烯
石墨烯是一种二维晶体，最大的特性是其中 电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超 过了电子在一般导体中的运动速度。 常见的石墨是由一层层以蜂窝状有序排列的 平面碳原子堆叠而形成的，石墨的层间作用 力较弱，很容易互相剥离，形成薄薄的石墨 片。当把石墨片剥成单层之后，这种只有一 个碳原子厚度的单层就是石墨烯。
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第二章 半导体材料特性
第二章半导体材料特性
本章要点
2.1 原子结构与元素 2.2 导体、绝缘体与半导体 2.3 最常见半导体材料－硅 2.4 其他半导体材料

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2.1 原子结构与元素

价电子层 固体能带理论
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掺杂
掺杂——加入某种元素到纯硅中以明显增加 半导体导电性的过程 施主杂质——磷、砷——自由电子——n型硅 受主杂质——硼——空穴——p型硅

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硅的电阻率随掺杂浓度的变化
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2.4 其他半导体材料
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2.2 导体、半导体与绝缘体
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导体
铝——器件之间的互连线 钨——金属层之间的互连材料 铜——优质金属导体，可取代铝充当不同器 件之间的互连材料 Cu 29个电子(2,8,18,1)

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硅


硅用来制造器件并发挥 半导体的作用源于其独 特的材料性质 硅来源——硅土和其他 硅酸盐
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为何选择硅
硅的丰裕度 更高的熔化温度允许更宽的工艺容限 更宽的工作温度范围 氧化硅的自然生成

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集成电路工艺
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第二章半导体材料特性
导带、价带、禁带
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IA族特性
1个价电子，容易失去；低负电性 高度不稳定 非常活泼；爆炸性 形成离子键 由于污染问题不推荐使用

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作业
复习题5，11，15，18 准备报告

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谢谢听讲！
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半导体
半导体材料有较小的禁带宽度 硅Eg=1.11eV 电子在获得能量时从价带跃迁到导带。如加 热时导电性随着温度增加而提高

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2.3 最常见半导体材料－硅

最重要的半导体材料－
GaAs的缺点
缺乏天然氧化物 材料的脆性 由于镓的相对匮乏和提纯工艺中的能量消耗， GaAs的成本相当于硅的10倍。 砷的剧毒性需要在设备、工艺和废物清除设 施中特别控制。

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石墨纳米带有望取代硅成为 半导体新材料



美国斯坦福大学化学系教授戴宏杰领导研究团队，发现石墨 纳米带(graphemenanoribbon)可作为半导体晶体材料，在未 来可能整合于高表现计算机芯片，增加芯片速度与效能、降 低耗热量，取代现今大部分由硅做成的芯片。 碳到处都有，将石墨纳米带做得很小很窄，促使它具有半导 体性能。因为体积大块的碳，性质与金属比较像，做小则能 具有半导体材料特性。此研究是化学材料与电子应用的结合。 石墨纳米带比硅有优势，速度要快、耗热 量少、能加快计算 机运作，将是未来的半导体候选材料，电子器件材料选择。
III－V族化合物半导体材料——砷化镓 （GaAs），氮化镓（GaN），用于无线和高 速数字通信、空间应用、汽车工业、发光二 级管（LED）、半导体激光器等 II－VI族化合物半导体材料——碲化铬 （CdTe），硒化锌（ZnSe），分别用于红 外（IR）探测系统和蓝色发光二极管

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