化合物半导体ppt课件
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化合物半导体ppt课件
高亮度发光管，从而使人类可以获得高重复性、长寿命的 全色包括白光光源；
短波长激光器，束斑尺寸小，可实现高密度数据光存储， 以及紫外探测器。
信号与系统
❖近年来，随着半导体器件应用领域的不断扩大，特别 是有些特殊场合要求半导体适应在高温、强辐射和大功 率等环境下工作，传统的一和二代半导体无能为力。 ❖于是人们将目光投向一些被称为第三代宽带隙半导体 材料的研究，如金刚石、SiC、GaN、ZnO和AlN 等。 ❖这些材料的禁带宽度在 2 eV 以上，拥有一系列优异的 物理和化学性能。
信号与系统
主要半导体材料基本特性
物理量
带隙宽度(eV) 能带类型
击穿场强(MV/cm) 电子迁移率 (cm2/V s) 空穴迁移率 (cm2/V s)
热导率(W/cm K) 饱和电子漂移速
度(107 cm /s) 晶格常数 (Å)
Si 1.12 间接 0.3 1350
480
1.3 1
5.43
Ge 0.67 间接 0.1 3900
纳米ZnO和ZnO薄膜也成为研究热点
FESEM images of flower-shaped ZnO nanostructures seen composed of hexagonal ZnO nanorods
Side view and top view of ZnO nanorods
信号与系统
王中林
❖1987年获亚利桑那州立大学物理学博士学位，现为美国佐治亚理工学院董事讲席讲 授、工程学杰出讲席教授、纳米结构表征中心主任。
❖他是中国科学院外籍院士，美国物理学会、美国科学促进会会士、美国显微镜学会 和美国材料研究学会的会士（fellow）
❖在美国《科学》杂志发表论文10篇，英国《自然》杂志3篇，在《自然》子刊上发表 6篇。他发表的学术论文已被引用43,000次以上，是该校百年来单篇论文引用次数最多 的论文作者和该校有史以来个人论文引用总次数之第一名。是世界上在材料和纳米技 术论文引用次数最多的前五位作者之一。
半导体基础知识PPT培训课件
半导体基础知识ppt培 训课件
目录
• 半导体简介 • 半导体材料 • 半导体器件 • 半导体制造工艺 • 半导体技术发展趋势 • 案例分析
半导体简介
01
半导体的定义
总结词
半导体的定义
详细描述
半导体是指在常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，常见的半导体材 料有硅、锗等。
半导体的特性
总结词
化合物半导体具有宽的禁带宽度和高 的电子迁移率等特点，使得化合物半 导体在光电子器件和高速电子器件等 领域具有广泛的应用。
掺杂半导体
掺杂半导体是在纯净的半导体中掺入其他元素，改变其导电 性能的半导体。
掺杂半导体的导电性能可以通过掺入不同类型和浓度的杂质 来调控，从而实现电子和空穴的平衡，是制造晶体管、集成 电路等电子器件的重要材料。
掺杂的目的是形成PN结、调控载流 子浓度等，从而影响器件的电学性能。
掺杂和退火的均匀性和控制精度对器 件性能至关重要，直接影响最终产品 的质量和可靠性。
半导体技术发展趋势
05
新型半导体材料
硅基半导体材料
宽禁带半导体材料
作为传统的半导体材料，硅基半导体 在集成电路、微电子等领域应用广泛。 随着技术的不断发展，硅基半导体的 性能也在不断提升。
半导体制造工艺
04
晶圆制备
晶圆制备是半导体制造的第一步，其目的是获得具有特定晶体结构和纯度的单晶硅 片。
制备过程包括多晶硅的提纯、熔炼、长晶、切磨、抛光等步骤，最终得到可用于后 续工艺的晶圆。
晶圆的质量和表面光洁度对后续工艺的成败至关重要，因此制备过程中需严格控制 工艺参数和材料质量。
薄膜沉积
输入 标题
详细描述
集成电路的制作过程涉及微电子技术，通过一系列的 工艺步骤，将晶体管、电阻、电容等电子元件集成在 一块硅片上，形成复杂的电路。
目录
• 半导体简介 • 半导体材料 • 半导体器件 • 半导体制造工艺 • 半导体技术发展趋势 • 案例分析
半导体简介
01
半导体的定义
总结词
半导体的定义
详细描述
半导体是指在常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，常见的半导体材 料有硅、锗等。
半导体的特性
总结词
化合物半导体具有宽的禁带宽度和高 的电子迁移率等特点，使得化合物半 导体在光电子器件和高速电子器件等 领域具有广泛的应用。
掺杂半导体
掺杂半导体是在纯净的半导体中掺入其他元素，改变其导电 性能的半导体。
掺杂半导体的导电性能可以通过掺入不同类型和浓度的杂质 来调控，从而实现电子和空穴的平衡，是制造晶体管、集成 电路等电子器件的重要材料。
掺杂的目的是形成PN结、调控载流 子浓度等，从而影响器件的电学性能。
掺杂和退火的均匀性和控制精度对器 件性能至关重要，直接影响最终产品 的质量和可靠性。
半导体技术发展趋势
05
新型半导体材料
硅基半导体材料
宽禁带半导体材料
作为传统的半导体材料，硅基半导体 在集成电路、微电子等领域应用广泛。 随着技术的不断发展，硅基半导体的 性能也在不断提升。
半导体制造工艺
04
晶圆制备
晶圆制备是半导体制造的第一步，其目的是获得具有特定晶体结构和纯度的单晶硅 片。
制备过程包括多晶硅的提纯、熔炼、长晶、切磨、抛光等步骤，最终得到可用于后 续工艺的晶圆。
晶圆的质量和表面光洁度对后续工艺的成败至关重要，因此制备过程中需严格控制 工艺参数和材料质量。
薄膜沉积
输入 标题
详细描述
集成电路的制作过程涉及微电子技术，通过一系列的 工艺步骤，将晶体管、电阻、电容等电子元件集成在 一块硅片上，形成复杂的电路。
化合物半导体材料课件
启哥的化合物半导体材料课程什么是化合物半导体第二代化合物半导体行业详解（砷化镓&磷化铟）0102030405总结第三代化合物半导体行业详解（碳化硅&氮化镓）第四代化合物半导体行业详解（氮化铝&氧化镓）什么是化合物半导体材料？它们有什么共同点和特点？•通常我们把硅和锗这样的单一元素半导体材料，称为第一代半导体材料，硅也是最常见用量最大的半导体材料，通常95%左右的半导体器件，都是由硅材料加工而来。
•如果该半导体材料，由两种或者两种以上的不同元素组成，统称为“化合物半导体”，比如碳化硅（SiC），氮化镓（GaN），氧化镓（Ga2O3）等。
•这些化合物半导体在特殊的应用领域比如光电，射频，功率，传感器等方面有着独特的优势，这些领域化合物半导体材料由于其自身材料特性的关系，用它做的器件有着远比硅材料做的器件有更强的性能。
•因此在硅材料逐渐逼近材料极限，再无潜力可挖的情况下，这些化合物材料渐渐被行业所重视，在新的舞台上展露头脚。
•比如近年来的碳化硅功率半导体逐渐替代硅功率在电动汽车，光伏，风电等领域大量应用，砷化镓器件做的各类射频器件，早已完成对硅材料的替代。
常见化合物半导体材料基础理化特性Ge GaAs InP SiC（4H）GaN AIN Ga2O3（β型）禁带宽度 1.120.67 1.43 1.3 3.3 3.34 6.1 4.9相对介电常数11.71613.112.59.79.88.510击穿场强0.30.10.60.5 2.5 3.328热导率 1.50.580.550.7 2.7 2.1 3.20.13-0.23电子迁移率14003900850054008501200135300能带特性间接间接直接直接间接直接间接间接•通常我们把禁带宽度大于2.2eV的宽禁带的碳化硅和氮化镓称为第三代半导体材料，而大于4eV的超宽禁带以及超窄禁带的材料称为第四代半导体材料，第三第四代这只是通俗说法，业内只提宽禁带，超宽禁带和超窄禁带。
《矽和化合物半导体》PPT课件
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10
圖1.8 矽和砷化鎵的能帶結構。圓圈(。)表示在價電帶的電洞，點(‧)表
示在導電帶的電子，(a)間接能隙，矽；(b)直接能隙，砷化鎵
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11
圖1.9 磷砷化鎵的能隙對磷化鎵的莫爾分數變化圖
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12
圖1.10 各種可見光和紅外光發光二極體的發光相對強度對波長的關係圖
19
圖1.14 將矽晶棒標示平邊
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20
圖1.15 以內直徑切片製程的概略圖
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21
圖1.16 拋光製程的概略圖
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22
圖1.17 四點針測法的概略圖
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23
圖1.18 電阻值的測量
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26精选课件ppt Nhomakorabea6
圖1.4 立方晶體中的一些重要平面的米勒指標
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7
圖1.5 矽的蝕刻圖案(a)<111>和(b)<100>長晶方向，以(110)平邊以
及適當的切割方向為參考
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8
圖1.6 矽{111}表面，具鋁合金區域，顯示鑽石晶格的對稱
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9
圖1.7 概略的能帶圖表示法：(a)絕緣體，(b)半導體，(c)導體
27
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28
矽和化合物半導體
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1
圖1.1 絕緣體、半導體、和導體與電阻係數的範圍
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3
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4
圖1.2 三種立方結晶單元(a)簡單立方，(b)體心立方，(c)面心立方
半导体材料第8讲化合物半导体2PPT课件
图中点6对应AsGa的熔点， 与它相对应的 纯砷的平衡 蒸气压为9.5×104Pa
6
相图的作用
• 通过分析相图，可知： • 1、 根据图a，可知GaAs的熔点为1237℃，合成GaAs要求温度较高。 • 2、根据图b，可知在780℃以上，砷的蒸汽压大于106Pa（10个大气
压），如果直接把As和Ga放在密封容器中加热，压力太大，对设备 要求高，不易拉制单晶，而且在高压下拉制的单晶位错密度大。 • 根据图C， GaAs（固）和液相平衡时，砷的蒸汽压为9.5×104Pa，只 要维持这个压力就可以长出化学计量比为1：1的GaAs，偏离此压力， 则产物中会砷或镓的比例会偏大。 • 3、根据图b中的曲线4-2-1（纯砷的蒸汽压与温度的关系）可知，固态 砷在617℃时的蒸汽压为1×105Pa，可设计一个二温区的设备。在一抽 空的石英管两端放置砷和镓，砷端的温度为617℃，镓端的温度大于 1237℃，砷蒸汽与镓反应完全，达到平衡后，熔体中Ga与As的化学计 量比一定是1：1
10
合成GaAs工艺： 1、将纯Ga盛于石英舟内，放在石英反应管一端，
纯砷放到另一端。
为了使整个体系能保持有9×104Pa的砷蒸气，装砷量要 比按化学计量计算的量要多一些。
2、高真空下分别加温除去氧化膜。
• Ga在700℃，1.3×10-3Pa下恒温处理2h除去氧化膜。 • 砷在280℃，1.3×10-3Pa真空下恒温处理2h除去氧化膜。
半导体材料
1
第六章 III－V族化合物半导体
• 本课要点： • 掌握III－V族化合物的平衡相图的分析方法 • 砷化镓单晶的生长方法：水平布里奇曼法
和液态密封法 • 砷化镓单晶的杂质控制
2
1、III－V族化合物体系的平衡相图
6
相图的作用
• 通过分析相图，可知： • 1、 根据图a，可知GaAs的熔点为1237℃，合成GaAs要求温度较高。 • 2、根据图b，可知在780℃以上，砷的蒸汽压大于106Pa（10个大气
压），如果直接把As和Ga放在密封容器中加热，压力太大，对设备 要求高，不易拉制单晶，而且在高压下拉制的单晶位错密度大。 • 根据图C， GaAs（固）和液相平衡时，砷的蒸汽压为9.5×104Pa，只 要维持这个压力就可以长出化学计量比为1：1的GaAs，偏离此压力， 则产物中会砷或镓的比例会偏大。 • 3、根据图b中的曲线4-2-1（纯砷的蒸汽压与温度的关系）可知，固态 砷在617℃时的蒸汽压为1×105Pa，可设计一个二温区的设备。在一抽 空的石英管两端放置砷和镓，砷端的温度为617℃，镓端的温度大于 1237℃，砷蒸汽与镓反应完全，达到平衡后，熔体中Ga与As的化学计 量比一定是1：1
10
合成GaAs工艺： 1、将纯Ga盛于石英舟内，放在石英反应管一端，
纯砷放到另一端。
为了使整个体系能保持有9×104Pa的砷蒸气，装砷量要 比按化学计量计算的量要多一些。
2、高真空下分别加温除去氧化膜。
• Ga在700℃，1.3×10-3Pa下恒温处理2h除去氧化膜。 • 砷在280℃，1.3×10-3Pa真空下恒温处理2h除去氧化膜。
半导体材料
1
第六章 III－V族化合物半导体
• 本课要点： • 掌握III－V族化合物的平衡相图的分析方法 • 砷化镓单晶的生长方法：水平布里奇曼法
和液态密封法 • 砷化镓单晶的杂质控制
2
1、III－V族化合物体系的平衡相图
半导体材料课件III-V族化合物半导体的特性 GaAs单晶的生长方法
光探测器
高效太阳电池
霍尔元件
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
GaAs在我们日常生活中的一些应用
遥 控 器 是 通 过 GaAs 发 出 的 红 外光把指令传给主机的。
家电上的红色、绿色指示灯是 以 GaAs 等 材 料 为 衬 底 做 成 的 发光二极管。
吉林大学电子科学与工程学院
CD， DVD，BD光盘是用以 GaAs为衬底制成的GaAlAs激 光二极管进行读出的。
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
非凝聚体系p-T-x相图各投影图的含义
GaAs体系 p-T-x相图
¾G a - A s 的 T - x 图 ， 反 映 体 系sGaAs+l+g三相平衡时的 温度与xAs组成的关系。
质很不相同，把这种不对称性叫做极性
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
极性（闪锌矿是非中心对称的）
[111]
Ⅲ
[111]
Ⅴ
表面A
Ⅲ
ⅤⅤ ⅢⅢ
Ⅴ
[1 1 1]
Ⅲ
Ⅴ
表面B
[1 1 1]
闪锌矿结构在[110]面上的投影 显示在[111]方向和[1 1 1] 方向的差别
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
从垂直[111]方向看，GaAs是一系列由Ga原子和As 原子组成的双原子层，因此晶体在对称晶面上的性 质不同。如[111]和[111]是不同的。 III族：A原子，对应的{111}面称为A面 V族：B原子，对应的{111}面称为B面 ¾ A—B组成的双原子层称为电偶极层 ¾ A边和B边化学键，有效电荷不同，电学和化学性
直接3.4eV 间接2.26eV 直接 1.43eV 直接 0.73eV
高效太阳电池
霍尔元件
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半导体材料
GaAs在我们日常生活中的一些应用
遥 控 器 是 通 过 GaAs 发 出 的 红 外光把指令传给主机的。
家电上的红色、绿色指示灯是 以 GaAs 等 材 料 为 衬 底 做 成 的 发光二极管。
吉林大学电子科学与工程学院
CD， DVD，BD光盘是用以 GaAs为衬底制成的GaAlAs激 光二极管进行读出的。
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半导体材料
非凝聚体系p-T-x相图各投影图的含义
GaAs体系 p-T-x相图
¾G a - A s 的 T - x 图 ， 反 映 体 系sGaAs+l+g三相平衡时的 温度与xAs组成的关系。
质很不相同，把这种不对称性叫做极性
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半导体材料
极性（闪锌矿是非中心对称的）
[111]
Ⅲ
[111]
Ⅴ
表面A
Ⅲ
ⅤⅤ ⅢⅢ
Ⅴ
[1 1 1]
Ⅲ
Ⅴ
表面B
[1 1 1]
闪锌矿结构在[110]面上的投影 显示在[111]方向和[1 1 1] 方向的差别
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
从垂直[111]方向看，GaAs是一系列由Ga原子和As 原子组成的双原子层，因此晶体在对称晶面上的性 质不同。如[111]和[111]是不同的。 III族：A原子，对应的{111}面称为A面 V族：B原子，对应的{111}面称为B面 ¾ A—B组成的双原子层称为电偶极层 ¾ A边和B边化学键，有效电荷不同，电学和化学性
直接3.4eV 间接2.26eV 直接 1.43eV 直接 0.73eV
第七章 三五族化合物半导体 ppt课件
➢ 优点：生长真空度高、温度低和生长速度小。
➢ 不足之处：成本昂贵且不适用于同时多个衬底生长。
特点: (a)它是个超高真空的物理淀积过程，不考虑化学反应和质 量传输，膜的组份 和杂质浓度因源而调整；(b)它的温度最低，有效控制自掺杂和衬底热分解 (c) 测试设备先进，生长速度严格控制，低达每分钟几十纳米。
用途：（1）制备超晶格结构； （2）生长具有多层结构的薄膜外延层---各种异质结。
ppt课件
15
化学束外延CBE
❖ 用气态源代替固态源进行MBE生长，即所谓 的气态源MBE，称为化学束外延生长
❖ （Chemical Beam Epitaxy，CBE）
ppt课件
16
作业七
❖ 写出下列缩写的中文全称 CVD，PVD，VPE，SOS ，SOI ，MOCVD， MBE，LPE，CBE，ALE ，MLE
ppt课件
5
CVD法的基本原理和过程 化学气相沉积是利用气态物质在一固体材料表面上进行化学反应，生成固态
沉积物的过程。CVD在本质上是一种材料的合成过程，其主要步骤有： （1）反应剂被携带气体进入反应器后，在基体材料表面附近形成边界后，然 后在主气流中的反应剂越过边界扩散型材料表面。 （2）反应剂被吸附在基体材料表面，并进行化学反应。 （3）化学反应生成的固态物质，即所需要的沉积物，在基体材料表面成核， 生长成薄膜。 （4）反应后的气相产物离开基体材料表面，扩散回边界层，并随输运气体排 出反应室。
外延生长
外延是在单晶上生长一层同质或异质的薄膜层。
ppt课件
1
薄膜制备技术
❖ 1．物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，PVD）
❖ 2．化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）
➢ 不足之处：成本昂贵且不适用于同时多个衬底生长。
特点: (a)它是个超高真空的物理淀积过程，不考虑化学反应和质 量传输，膜的组份 和杂质浓度因源而调整；(b)它的温度最低，有效控制自掺杂和衬底热分解 (c) 测试设备先进，生长速度严格控制，低达每分钟几十纳米。
用途：（1）制备超晶格结构； （2）生长具有多层结构的薄膜外延层---各种异质结。
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15
化学束外延CBE
❖ 用气态源代替固态源进行MBE生长，即所谓 的气态源MBE，称为化学束外延生长
❖ （Chemical Beam Epitaxy，CBE）
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16
作业七
❖ 写出下列缩写的中文全称 CVD，PVD，VPE，SOS ，SOI ，MOCVD， MBE，LPE，CBE，ALE ，MLE
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5
CVD法的基本原理和过程 化学气相沉积是利用气态物质在一固体材料表面上进行化学反应，生成固态
沉积物的过程。CVD在本质上是一种材料的合成过程，其主要步骤有： （1）反应剂被携带气体进入反应器后，在基体材料表面附近形成边界后，然 后在主气流中的反应剂越过边界扩散型材料表面。 （2）反应剂被吸附在基体材料表面，并进行化学反应。 （3）化学反应生成的固态物质，即所需要的沉积物，在基体材料表面成核， 生长成薄膜。 （4）反应后的气相产物离开基体材料表面，扩散回边界层，并随输运气体排 出反应室。
外延生长
外延是在单晶上生长一层同质或异质的薄膜层。
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1
薄膜制备技术
❖ 1．物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，PVD）
❖ 2．化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）
半导体基本知识PPT课件
N型半导体和P型半导体
➢ 掺杂半导体分为N型半导体和P型半导体两类。在锗和硅中 掺入磷、砷、锑等V族元素时，这些杂质在锗和硅中起提供 电子的作用，使这些半导体以电子导电为主。这类杂质叫做 施主杂质。以电子导电为主的杂质半导体称为N型半导体， 相应的杂质也叫做N型杂质。而在锗和硅中掺入硼、铝、镓 或铟等Ⅲ族元素时，这些杂质在锗和硅中起提供空穴的作用， 使这些半导体以空穴导电为主。这类杂质叫做受主杂质。以 空穴导电为主的杂质半导体称为P型半导体。相应的杂质也 叫做P型杂质。
（l）杂质影响半导体导电性能 在室温下，半导体的电阻率在 10–4～109欧姆·厘米之间。而且，加入微量杂质能显著改变 半导体的导电能力。掺入的杂质量不同时，可使半导体的电 阻率在很大的范围内发生变化。另外，在同一种材料中掺入 不同类型的杂质，可以得到不同导电类
半导体材料的特征
2）有两种载流子参加导电 在半导体中，参与导电的载流子有 两种。一种是为大家所熟悉的电子，另一种则是带正电的载 流子，称为空穴。而且同一种半导体材料，既可以形成以电 子为主的导电，也可以形成以空穴为主的导电。在金属中则 仅靠电子导电，而在电解质中，靠正离子和负离子同时材料的特征
➢ 自然界的物质，按其导电强弱，一般可分为三大类，即导体、 半导体和绝缘体。容易导电的物质称为导体，如金、银、铜、 铝等各种金属与合金都是良导体，它们的电阻率一般在10–4 欧姆·厘米以下。不容易导电的物质称为绝缘体，如橡胶、 玻璃、陶瓷和塑料等，它们的电阻率在109欧姆·厘米以上。 顾名思义，半导体的导电性介于导体和绝缘体之间。它具有 如下的主要特征。
N型半导体和P型半导体
❖一般说，施主和受主杂质均为替 位式杂质。它们掺入晶体后，要 取代晶格中硅原子的位置。见图 4- 2。
《半导体材料》课件
解决策略
解决可靠性问题需要从材料的设计、制备、封装、测试等各个环节入手，加强质量控制和可靠性评估。
半导体材料的环境影响与可持续发展
环境影响
半导体材料的生产和使用过程中会对环境产生一定的影响，如能源消耗、废弃物处理等。
可持续发展
为了实现可持续发展，需要发展环保型的半导体材料和生产技术，降低能源消耗和废弃物排放，同时 加强废弃物的回收和再利用。
《半导体材料》ppt 课件
目录
CONTENTS
• 半导体材料简介 • 半导体材料的物理性质 • 常见半导体材料 • 半导体材料的制备与加工 • 半导体材料的发展趋势与挑战
01
半导体材料简介
半导体的定义与特性
总结词
半导体的导电能力介于导体和绝缘体 之间，其电阻率受温度、光照、电场 等因材料的制备技术
制备技术
为了获得高性能的半导体材料，需要 发展先进的制备技术。这包括化学气 相沉积、分子束外延、离子注入等。
技术挑战
制备技术面临的挑战是如何实现大规 模生产，同时保持材料的性能和均匀 性。
半导体材料的可靠性问题
可靠性问题
随着半导体材料的广泛应用，其可靠性问题越来越突出。这包括材料的稳定性、寿命、可靠性等方面的问题。
VS
电阻率
电阻率是衡量材料导电能力的物理量。半 导体的电阻率可以通过掺杂等方式进行调 控，从而实现对其导电性能的优化。
光吸收与发光特性
光吸收
半导体具有吸收光子的能力，当光子能量大于其能带间隙时，电子从价带跃迁至导带， 产生光电流。
发光特性
某些半导体在受到激发后可以发出特定波长的光，这一特性使得半导体在发光器件、激 光器等领域具有广泛应用。
离子束刻蚀
利用离子束对材料进行刻蚀，实现纳米级加工。
解决可靠性问题需要从材料的设计、制备、封装、测试等各个环节入手，加强质量控制和可靠性评估。
半导体材料的环境影响与可持续发展
环境影响
半导体材料的生产和使用过程中会对环境产生一定的影响，如能源消耗、废弃物处理等。
可持续发展
为了实现可持续发展，需要发展环保型的半导体材料和生产技术，降低能源消耗和废弃物排放，同时 加强废弃物的回收和再利用。
《半导体材料》ppt 课件
目录
CONTENTS
• 半导体材料简介 • 半导体材料的物理性质 • 常见半导体材料 • 半导体材料的制备与加工 • 半导体材料的发展趋势与挑战
01
半导体材料简介
半导体的定义与特性
总结词
半导体的导电能力介于导体和绝缘体 之间，其电阻率受温度、光照、电场 等因材料的制备技术
制备技术
为了获得高性能的半导体材料，需要 发展先进的制备技术。这包括化学气 相沉积、分子束外延、离子注入等。
技术挑战
制备技术面临的挑战是如何实现大规 模生产，同时保持材料的性能和均匀 性。
半导体材料的可靠性问题
可靠性问题
随着半导体材料的广泛应用，其可靠性问题越来越突出。这包括材料的稳定性、寿命、可靠性等方面的问题。
VS
电阻率
电阻率是衡量材料导电能力的物理量。半 导体的电阻率可以通过掺杂等方式进行调 控，从而实现对其导电性能的优化。
光吸收与发光特性
光吸收
半导体具有吸收光子的能力，当光子能量大于其能带间隙时，电子从价带跃迁至导带， 产生光电流。
发光特性
某些半导体在受到激发后可以发出特定波长的光，这一特性使得半导体在发光器件、激 光器等领域具有广泛应用。
离子束刻蚀
利用离子束对材料进行刻蚀，实现纳米级加工。
化合物半导体产业链分析报告ppt课件
通常所说的化合物半导体多指晶态无机化合物半导体，主要是二元化合物如：砷化镓、磷化铟等
优势介绍
▪ 化合物半导体相对于硅、具有
– 直接禁带结构，且禁带宽度更大； – 电子饱和漂移速度更高等特点；
▪ 性能优异
– 光电性能优异、高速、高频、大功率 – 耐高温和高辐射等特征；
▪ 具有先天优势，可应用于
– 光电及微波器件 – 电力电子器件。
衬底材料的主流制造技术及发5G展趋势
主要是PVT、HTCVD和LPE法； SiC 大尺寸和高质量SiC生长技术是未来趋势
目前主流方法是PVT法；
HVPE法 GGaaNN 同质外延依然是GaN器件的技术改进方向
InP单晶衬底制造技术与GaAs 几乎一致
InP
改进的LEC和VGF法将成为未来InP单晶生长的主流技术
4.碳化硅：
SiC电力电子器件多为IDM企业，产业分工不显著，少有专门的设计公司。
应用领域及产业特点
航空航天
微波射频器件
光子、量子等高端集成电路
军工
光电器件
产 1、发展模式逐渐由IDM模式转化为代工生产 业 2、化合物半导体制造不追求最先进的制程工艺 特 3、各国政府高度重视，发布计划推动发展 点 4、国际龙头企业加紧布局，兼并重组日益加剧
液封提拉法 垂直梯度冷凝法 垂直布里奇法
GaAS
在产品质量和不断降低成本的要求下，不断改进的LEC和VGF法将是主流方向
衬底材料市场分析-1
1、 GaAs衬底 （1）主要产品 GaAs衬底主要为半绝缘GaAS和半导体 GaAS； （2）市场规模 半绝缘砷化镓1.4亿美元； 半导体砷化镓3.7亿美元； （3）产品价格 半绝缘砷化镓6英寸110-150美元/片； 半导体砷化镓4英寸20-30美元/片；
优势介绍
▪ 化合物半导体相对于硅、具有
– 直接禁带结构，且禁带宽度更大； – 电子饱和漂移速度更高等特点；
▪ 性能优异
– 光电性能优异、高速、高频、大功率 – 耐高温和高辐射等特征；
▪ 具有先天优势，可应用于
– 光电及微波器件 – 电力电子器件。
衬底材料的主流制造技术及发5G展趋势
主要是PVT、HTCVD和LPE法； SiC 大尺寸和高质量SiC生长技术是未来趋势
目前主流方法是PVT法；
HVPE法 GGaaNN 同质外延依然是GaN器件的技术改进方向
InP单晶衬底制造技术与GaAs 几乎一致
InP
改进的LEC和VGF法将成为未来InP单晶生长的主流技术
4.碳化硅：
SiC电力电子器件多为IDM企业，产业分工不显著，少有专门的设计公司。
应用领域及产业特点
航空航天
微波射频器件
光子、量子等高端集成电路
军工
光电器件
产 1、发展模式逐渐由IDM模式转化为代工生产 业 2、化合物半导体制造不追求最先进的制程工艺 特 3、各国政府高度重视，发布计划推动发展 点 4、国际龙头企业加紧布局，兼并重组日益加剧
液封提拉法 垂直梯度冷凝法 垂直布里奇法
GaAS
在产品质量和不断降低成本的要求下，不断改进的LEC和VGF法将是主流方向
衬底材料市场分析-1
1、 GaAs衬底 （1）主要产品 GaAs衬底主要为半绝缘GaAS和半导体 GaAS； （2）市场规模 半绝缘砷化镓1.4亿美元； 半导体砷化镓3.7亿美元； （3）产品价格 半绝缘砷化镓6英寸110-150美元/片； 半导体砷化镓4英寸20-30美元/片；
第四章：化合物半导体材料《半导体材料》课件共49页文档
GaAs在无线通讯射频前端应用具有高工作频率、 低噪声、工作温度使用范围高以及能源利用率高 等优点，因此在未来几年内仍是高速模拟电路， 特别是功率放大器的主流制程技术。
手机是促进GaAs IC市场增长的主 要动力
根据Strategy Analytics的报告，手机仍将是促进砷化 镓（GaAs）IC市场增长的主要动力。
化物半导体材料
III－V族化合物半导体材料 II－VI族化合物半导体材料
4.1 常见的III-V化合物半导体
化合物 晶体结 带隙
ni
构
un
up
GaAs 闪锌矿 1.42 1.3×106 8500
320
GaP 闪锌矿 2.27
150
120
GaN 纤锌矿 3.4
900
10
InAs 闪锌矿 0.35 8.1×1014 3300
计算：GaAs 300 K和400 K下的带隙
晶体结构
金刚石结构 闪锌矿结构 纤锌矿结构
离子键和极性
共价键－－没有极性 离子键－－有极性
两者负电性相差越到，离子键成分越大， 极性越强。
极性的影响
（1）解理面－－密排面 （2）腐蚀速度－－B面易腐蚀 （3）外延层质量－－B面质量好 （4）晶片加工－－不对称性
光纤通信具有高速、大容量、信息多的特点，是构筑 “信息高速公路”的主干，大于2.5G比特/秒的光通信 传输系统，其收发系统均需要采用GaAs超高速专用电路。
随着光电子产业和自动化的发展，用作显示器件LED、 测距、玩具、条形码识别等应用的高亮度发光管、可见 光激光器、近红外激光器、量子阱大功率激光器等均有 极大市场需求，还有GaAs基高效太阳能电池的用量也十 分大，对低阻低位错GaAs产业的需求十分巨大而迫切。
手机是促进GaAs IC市场增长的主 要动力
根据Strategy Analytics的报告，手机仍将是促进砷化 镓（GaAs）IC市场增长的主要动力。
化物半导体材料
III－V族化合物半导体材料 II－VI族化合物半导体材料
4.1 常见的III-V化合物半导体
化合物 晶体结 带隙
ni
构
un
up
GaAs 闪锌矿 1.42 1.3×106 8500
320
GaP 闪锌矿 2.27
150
120
GaN 纤锌矿 3.4
900
10
InAs 闪锌矿 0.35 8.1×1014 3300
计算：GaAs 300 K和400 K下的带隙
晶体结构
金刚石结构 闪锌矿结构 纤锌矿结构
离子键和极性
共价键－－没有极性 离子键－－有极性
两者负电性相差越到，离子键成分越大， 极性越强。
极性的影响
（1）解理面－－密排面 （2）腐蚀速度－－B面易腐蚀 （3）外延层质量－－B面质量好 （4）晶片加工－－不对称性
光纤通信具有高速、大容量、信息多的特点，是构筑 “信息高速公路”的主干，大于2.5G比特/秒的光通信 传输系统，其收发系统均需要采用GaAs超高速专用电路。
随着光电子产业和自动化的发展，用作显示器件LED、 测距、玩具、条形码识别等应用的高亮度发光管、可见 光激光器、近红外激光器、量子阱大功率激光器等均有 极大市场需求，还有GaAs基高效太阳能电池的用量也十 分大，对低阻低位错GaAs产业的需求十分巨大而迫切。
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高亮度发光管，从而使人类可以获得高重复性、长寿命的 全色包括白光光源；
短波长激光器，束斑尺寸小，可实现高密度数据光存储， 以及紫外探测器。
14 14
信号与系统
❖近年来，随着半导体器件应用领域的不断扩大，特别 是有些特殊场合要求半导体适应在高温、强辐射和大功 率等环境下工作，传统的一和二代半导体无能为力。 ❖于是人们将目光投向一些被称为第三代宽带隙半导体 材料的研究，如金刚石、SiC、GaN、ZnO和AlN 等。 ❖这些材料的禁带宽度在 2 eV 以上，拥有一系列优异的 物理和化学性能。
2
信号与系统
中国在集成电路制造领域，最先进规模最大的就是中芯国际，华虹宏力的最 高水平制程，只有90纳米，华虹是全球最大的智能卡（包括第二代居民身份 证、社保卡、手机SIM卡、奥运会门票、世博会门票、金融IC卡等）IC的代工 厂。 下图中国最大的十家集成电路制造商，除开在中国大陆设厂的外资企业以外， 只有5家：中芯国际，华润微电子，华虹宏力，华力微电子，西安微电子技术 研究所。 上海华力微电子目前是国家重点扶持的集成电路制造企业，华力微电子二期 第二座12英寸晶圆厂也在2016年投资347亿元动工，设计工艺为28-20-14nm，
3
信号与系统
半导体材料的发展
Si为代表的，第一代半导体材料
GaAs为代表的，第二代半导体材料
SiC及GaN为代表的宽禁带材料，第三代半 导体材料。包括材料本身和器件开发，仍在 发展中。
44
信号与系统
化合物半导体材料
III－V族化合物半导体材料
II－VI族化合物半导体材料 。。。。。。
55
信号与系统
66
信号与系统
所谓III-V族化合物材料，应包括所有的三族元素（B、Al、Ga、 In、Tl）和五族元素（N、P、As、Sb、Bi）结合而成的化合物， 人们先后开展研究的有十几种。其中作为电子信息材料研究、应 用较多的有GaSb、InAs、InSb、GaN、GaP、GaAs、InP 等几种。 GaSb、InAs、InSb 几种材料主要用于制作红外光电器件和霍尔 器件等，相对来说，市场总量较小，发展前景受到限制。 GaP 材料属于间接带隙半导体，主要用于生产中、低亮度的发 光管（LED），这一领域市场比较成熟，竞争十分激烈，并呈现 逐步被GaAs 基高亮度、超高亮度LED 取代的趋势，发展前景不 容乐观。 GaAs、InP 材料由于自身的固有优点，在微电子、光电子领域 同时具有重要应用，成为III-V族化合物半导体材料的主要代表。
同理因为跃迁能量较大，所以GaN更难被击穿， 因此常用作高压耐高温器件，也有很高的抗辐射 性能。
17
信号与系统 三代材料并不存在相互替代的关系，而是在应用上各有
15 15
信号与系统
高温宽带隙半导体材料，特别是SiC、GaN等，
是研制高频大功率、耐高温、抗辐照微电子器件 、电路的理想材料;
国际军事高技术应用领域研发的重点和竞争的焦
点之一！
16 16
信号与系统
禁带宽度对于半导体器件性能的影响非常大，它 直接决定着器件的耐压和最高工作温度；
比如氮化镓禁带宽度很大，即便高温价带电子也 很难吸收大于Eg的热辐射的能量跳变到导带，这 样就能继续发挥半导体作用，
信号与系统
InP半导体
✓ 1910年，蒂尔合成出InP，是最早制备出来的III-V 族化温下与空气中稳定，3600C下开始离解
12 12
信号与系统
InP特性
高电场下，电子峰值漂移速度高于GaAs中的电 子，是制备超高速、超高频器件的良好材料；
InP作为转移电子效应器件材料，某些性能优于 GaAs；
InP的直接跃迁带隙为1.35 eV，正好对应于光纤 通信中传输损耗最小的波段；
InP的热导率比GaAs好，散热效能好； InP是重要的衬底材料；
13 13
信号与系统
宽带隙半导体
随着半导体材料的单晶制备及外延技术的发展和突破， 并基于以下几方面原因，宽带隙半导体材料应运而生。
耐高温、高热导、高耐压特性，发展高温（>300℃）、高 功率和低损耗电子器件；
信号与系统
化合物半导体材料
主讲：申 慧
11
信号在与系这统个堪称最高水平的精密制造产业， 中国正在爆发！
集成电路产业是中国产业升级的重中之 重，汽车是人类第一大工业，绝大多数 的外资车企，在中国销售的车辆都是在 中国制造; 在中国集成电路的设计、制造、封装三 大环节之中，制造目前是最弱小，差距 最大的部分。 在世界集成电路制造领域，总的来说台湾最为强大。2016年，全球排名前十 的芯片代工厂商如下: 1. 台积电:市场占有率为59%, 2. 美国格罗方德,市场占有率为11%, 3.台湾联华 电子, 4.中国大陆中芯国际, 5 . 台湾力晶科技,6. 美国Tower Jazz, 7. 世界先进积 体电路,8.中国华虹半导体, 9. 韩国Dongbu hiTek 10.德国X-Fab
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信号与系统
常见的III-V化合物半导体
化合物 晶体结 带隙
ni
构
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up
GaAs 闪锌矿 1.42 1.3×106 8500
320
GaP
闪锌矿 2.27
150
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GaN
纤锌矿
3.4
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InAs
闪锌矿 0.35 8.1×1014 3300
450
InP
闪锌矿 1.35 6.9×107 5400
（1）带隙较大－－带隙大于1.1eV （2）直接跃迁能带结构 －－光电转换效率高 （3）电子迁移率高－－高频、高速器件
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信号与系统
GaAs半导体
光电子领域 直接带隙半导体，发光效率 高，在LED照明等领域具有 重要的应用前景；
微电子领域 高频无线通讯等领域具有 重要应用
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GaAs 能带结构
150
InN
纤锌矿 2.05
4400
AlN
纤锌矿 6.24
300
14
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信号与系统
晶体结构
闪锌矿： β－ZnS，立方晶系，同结构的有： β－SiC, GaAs, AlP, InSb……
纤锌矿： α－ZnS，六方晶系，同结构的有： ZnO, AlN, GaN……
闪锌矿结构
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纤锌矿结构
信号与系统 III-V族化合物半导体性质