半导体材料ppt课件
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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。
第四章半导体材料-PPT课件
0 0
1 . 1 2 7 m 红外 G a A s , E g 1 . 4 e V , 0 . 8 8 5 m
2、非平衡载流子 光发射 电子被光激发到导带而在价带中留下空穴，状态不 稳定。由此产生的电子空穴对称为非平衡载流子。过一 段时间，电子将跃迁回价带，同时发射一个光子，称为 光发射。 光发射应用：半导体发光二极管、半 导体激光器。但非平衡载流子不是由光激 发产生，而由电子、空穴注入产生。
在外电场下，半导体有电流，电流密度：
jE
且与载流子浓度n、载流子有效质量m*和弛豫时间 有 关： 2
ne j E m* j E
e — 迁 移 率 m * 导电性能 n e
半导体中电子运动不同于真空。真空中服从牛顿定 律，F=-eE=m0a。 m0—自由电子质量。半导体中电子于能带中受约束， 也可以用牛顿定律描述运动。但m0要改成m*。不同半 导体m*不同。
Si Si Si
Si
Si中掺5价P，P取代Si原子。4个 价电子与Si组成共价键。第5个价电 子多余，输送到导带上成为自由电 子。导带中电子导电。 产生的自由电子浓度约等于杂质 原子浓度（可控）。
导带
Si Si
e
Si
P
Si
导带
P
P施主Βιβλιοθήκη PPn型半导体
价带
P
P
施主
P
P
价带
P称为施主杂质，表示能给出一个价电子。
4-2 传统的典型半导体材料
一、分类
1、元素半导体
ⅢA-ⅦA族，十几种元素，如Ge、Si、Se（硒）、Te （碲）等。 2、化合物半导体
二元化合物 ⅢA-ⅤA化合物，9种（Al、Ga、In——P、As、Sb）
1 . 1 2 7 m 红外 G a A s , E g 1 . 4 e V , 0 . 8 8 5 m
2、非平衡载流子 光发射 电子被光激发到导带而在价带中留下空穴，状态不 稳定。由此产生的电子空穴对称为非平衡载流子。过一 段时间，电子将跃迁回价带，同时发射一个光子，称为 光发射。 光发射应用：半导体发光二极管、半 导体激光器。但非平衡载流子不是由光激 发产生，而由电子、空穴注入产生。
在外电场下，半导体有电流，电流密度：
jE
且与载流子浓度n、载流子有效质量m*和弛豫时间 有 关： 2
ne j E m* j E
e — 迁 移 率 m * 导电性能 n e
半导体中电子运动不同于真空。真空中服从牛顿定 律，F=-eE=m0a。 m0—自由电子质量。半导体中电子于能带中受约束， 也可以用牛顿定律描述运动。但m0要改成m*。不同半 导体m*不同。
Si Si Si
Si
Si中掺5价P，P取代Si原子。4个 价电子与Si组成共价键。第5个价电 子多余，输送到导带上成为自由电 子。导带中电子导电。 产生的自由电子浓度约等于杂质 原子浓度（可控）。
导带
Si Si
e
Si
P
Si
导带
P
P施主Βιβλιοθήκη PPn型半导体
价带
P
P
施主
P
P
价带
P称为施主杂质，表示能给出一个价电子。
4-2 传统的典型半导体材料
一、分类
1、元素半导体
ⅢA-ⅦA族，十几种元素，如Ge、Si、Se（硒）、Te （碲）等。 2、化合物半导体
二元化合物 ⅢA-ⅤA化合物，9种（Al、Ga、In——P、As、Sb）
半导体物理与器件-课件-教学PPT-作者-裴素华-第1章-半导体材料的基本性质
简化为
J = pqv p
1.6.4 半导体的电阻率ρ
电阻率是半导体材料的一个重要参数，其值为电导率
的倒数。 1
1
ρ= =
σ nqμn + pqμ p
对于强P型和强N型半导体业有相应的简化。
从上面的公式可以看出，半导体电阻率的大小决定于 n, p, μn ,μp的具体数值，而这些参数又与温度有关， 所以电阻率灵敏的依赖于温度，这是半导体的重要 特点之一。
b) P型硅中电子和空穴 的迁移率
载流子的迁移率还要随温度而变化。
硅中载流子迁移率随温度变化的曲线 a) μn b) μp
1.6.3 半导体样品中的漂移电流密度
设一个晶体样品如图所示， 以单位面积为底，以平 均漂移速度v为长度的矩 形体积。先求出电子电 流密度，设电场E为x方 向，在电场的作用下， 电子应沿着-x方向运动。
不论半导体中的杂质激发还是本征激发，都是依靠吸收 晶格热振动能量而发生的。由于晶格的热振动能量是随 温度变化的，因而载流子的激发也要随温度而变化。
载流子激发随温度的变化 a）温度很低 b）室温临近 c）温度较高 d）温度很高
伴随着温度的升高，半导体的费米能级也相应地发 生变化
杂质半导体费米能级随温度的变化 a）N型半导体 b）P型半导体
a)随机热运动 b) 随机热运动和外加电场作用下的运动合成
随机热运动的结果是没有电荷迁移，不能形成电流。
引入两个概念：
1. 大量载流子碰撞间存在一个路程的平均值，称为平 均自由程，用λ表示，其典型值为10-5cm；
2. 两次碰撞间的平均时间称为平均自由时间，用τ表示, 约为1ps；
建立了上述随机热运动的图像后，就可以比较实际地去 分析载流子在外加电场作用下的运动了。
半导体材料的发展及应用培训教材PPT(共 33张)
半导体交通信号灯
路灯采LED与电源模块分离式设 计易于往后维修保固。最佳化散 热管理技术，有效将灯具光衰现 象降至最低。灯具防尘防水保护 等级IP66 。
当前化合物半导体产业发展的主要体现
二.消费类
信息产业数字化、智能化、网络化的 不断推进,新材料和新技术的不断涌现,都 将对半导体未来的发展产生深远的影响, 将会从不同的侧面促进半导体高速、低 噪声、大功率、大电流、高线性、大动 态范围、高效率、高灵敏度、低功耗、 低成本、高可靠、微小型等方面快速发 展。
日常生活中的消费品？？？
电视 手机 音箱 冰箱
…
它们又应用到了半导体材料的哪 些方面呢？
数字电视机
选择数字电视便是选 择了一种高品质，新 时代的生活方式。
消费类
全球家用电子产品装备无线控制和数据连接的比例越来越 高，音视频装置日益无线化，这类产品的市场为化合物半 导体的应用带来了庞大的新市场。
当前化合物半导体产业发展的主要体现
三. 移动通信技术正在不断朝有利于 化合物半导体产品的方向发展
目前，二代半技术成为移动通信 技术的主流，同时正在逐渐向第三代 （3G）过渡.
由于二代半技术对功放的效率和散热 有更高的要求，而3G技术要求更高 的工作频率，更宽的带宽和高线性， 这对砷化镓技术的发展是有利的。
总的来说：
硅（元素半导体）本身有许多难以 再改善的电子特性已经无法再充分满足 人们的需求，化合物半导体逐渐受到青 睐，其中砷化镓凭借着高频率，高电子 迁移率，低噪音，输出功率高，耗能少 ，效益高以及线性度良好，不易失真等 优越的特性，脱颖而出，开发前景令人 鼓舞。
当前化合物半导体产业发展的主要体现
谢谢大家！
•
11、人生的某些障碍，你是逃不掉的。与其费尽周折绕过去，不如勇敢地攀登，或许这会铸就你人生的高点。
一种典型半导体材料SiC2PPT课件
2.SiC衬底的制备
SiC单晶的加工：
要求：表面超光滑、无缺陷、无损伤。 重要性：直接影响器件的性能。 难度：SiC的莫氏硬度为9.2，难度相当大。
工艺流程： 切割：用金刚线锯。 粗、精研磨：使用不同粗细的碳化硼和金刚石颗粒加 粗磨和精磨。 粗抛光：机械抛光，用微小的金刚石粉粒进行粗抛。 精抛光：化学机械抛光。
国内在SiC生长起步较晚，目前主要是山东大学、中科院上海硅酸盐研究所、中科院 物理所等单位开展SiC单晶生长制备技术研究，山东大学2019年在实验室生长出了3英寸
6H-SiC单晶。
2.SiC衬底的制备
物理气相传输法（PVT）：
核心装置如右图所示：
SiC原料的升华和晶体的再生长在一个封闭的石墨 坩埚内进行，坩埚处于高温非均匀热场中。SiC原料 部分处于高温中，温度大约在2400~2500摄氏度。 碳化硅粉逐渐分解或升华，产生Si和Si的碳化物混 合蒸汽，并在温度梯度的驱使下向粘贴在坩埚低温 区域的籽晶表面输送，使籽晶逐渐生长为晶体。
5.SiC光电器件的前景
随着各个国家在SiC项目上投入力度的加大，SiC功率器件面临的技术难题正 在逐步降低，只要SiC功率器件可靠性问题解决，随着大尺寸SiC器件的发展， 价格最终不会成为制约的瓶颈。
随着SiC功率器件在民用领域特别是电动汽车领域的推广应用，相信不久的将 来，SiC功率器件会大量的应用于军事和民用的各个领域。
SiC紫外探测器： PN结型 PIN型 异质结型 肖特基势垒型 金属-半导体-金属（MSM）型
6.SiC紫外探测器的制备
实例：SiC肖特基紫外光电探测器件的研制。
器件制备的半导体材料：4H-SiC；衬底： N+型，电阻率0.014Ω*cm，厚度300um； 外延层：N型，掺杂浓度3.3E15/cm3，厚度 10um。
半导体材料 ppt课件
1.2.3 固溶半导体
由两个或两个以上的元素构成的具有足够的含量的固体溶液，如果具有半导体性质， 就称为固溶半导体，简称固溶体或混晶。 因为不可能作出绝对纯的物质，材料经提纯后总要残留一定数量的杂质，而且半导 体材料还要有意地掺入一定的杂质，在这些情况下，杂质与本体材料也形成固溶体， 但因这些杂质的含量较低，在半导体材料的分类中不属于固溶半导体。 另一方面，固溶半导体又区别于化合物半导体，因后者是靠其价键按一定化学配比 所构成的。固溶体则在其固溶度范围内，其组成元素的含量可连续变化，其半导体及 有关性质也随之变化。 固溶体增加了材料的多样性，为应用提供了更多的选择性。 为了使固溶体具有半导体性质常常使两种半导体互溶，如Si1-xGex（其中x <1)；也 可将化合物半导体中的一个元素或两个元素用其同族元素局部取代，如用Al来局部取 代GaAs中的Ga，即Ga1-xAlxAs，或用In局部取代Ga，用P局部取代As形成Ga1xInxAs1-yPy 等等。 固溶半导体可分为二元、三元、四元、多元固溶体；也可分为同族或非同族固溶体 等（见表1.1 ）。
表1.1 半导体材料分类及其开发情况 * 此处所列子项只举其中重要者，并未完全列出。
1.2.1 元素半导体 已知有12个元素具有半导体性质，它们在元素周期表中的位置如图1.1所示。 从这里也可以看出半导体材料与物质结构的密切关系。
处于III-A族的只有硼，其熔点高(2300oC)，制备单晶困难，而且其载流子迁移率 很低，对它研究的不多，未获实际应用。 IV-A 族中第一个是碳，它的同素异形体之一金刚石具有优良的半导体性质，但制 备单晶困难，是目前研究的重点；石墨是碳的另一个同素异形体，系层状结构，难 以获得单晶，故作为半导体材料未获得应用。 IV-A族的第二个元素是硅，具有优良的半导体性质，是现代最主要的半导体材料。 再往下是锗，它具有良好的半导体的性质，是重要的半导体材料之一。 锡在常温下的同素异形体为b-Sn，属六方晶系，但在13.2oC以下 可变为立方晶 系灰锡（a-Sn）。灰锡具有半导体性质，属立方晶系。在从b-Sn转化为a-Sn 的过 程中，体积增大并变粉末，故难以在实际中应用。
《半导体基础》课件
在温度升高或电场加强时，电 子和空穴的输运能力增强。
掺杂可以改变半导体的导电性 能，增加载流子的数量。
半导体中的热传导
01 热传导是热量在半导体中传递的过程。
02 热传导主要通过晶格振动和自由载流子传 递。
03
半导体的热传导系数受到温度、掺杂浓度 和材料类型的影响。
04
在高温或高掺杂浓度下，热传导系数会增 加。
模拟电路和数字电路中均有广泛应用。
场效应晶体管
总结词
场效应晶体管是一种电压控制型器件，利用电场效应来控制导电沟道的通断。
详细描述
场效应晶体管可分为N沟道和P沟道两种类型，通过调整栅极电压来控制源极和漏极之 间的电流。场效应晶体管具有低噪声、高输入阻抗和低功耗等优点，广泛应用于放大器
和逻辑电路中。
集成电路基础
掺杂半导体
N型半导体
通过掺入施主杂质，增加自由电子数量，提高导电能力。
P型半导体
通过掺入受主杂质，增加自由空穴数量，提高导电能力。
宽禁带半导体
碳化硅（SiC）
具有宽禁带、高临界击穿场强等特点， 适用于制造高温、高频、大功率的电子 器件。
VS
氮化镓（GaN）
具有宽禁带、高电子迁移率等特点，适用 于制造蓝光、紫外线的光电器件。
详细描述
二极管由一个PN结和两个电极组成，其单 向导电性是由于PN结的正向导通和反向截 止特性。根据结构不同，二极管可分为点接 触型、肖特基型和隧道二极管等。
双极晶体管
总结词
双极晶体管是一种电流控制型器件，具有放 大信号的功能。
详细描述
双极晶体管由三个电极和两个PN结组成， 通过调整基极电流来控制集电极和发射极之 间的电流，实现信号的放大。双极晶体管在
《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
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• 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。
半导体基础知识PPT
03
半导体器件
二极管
工作原理
二极管是由一个PN结组成的电子器件， 具有单向导电性。在正向偏置时，电流可 以流通；而在反向偏置时，电流被阻止。
应用
类型
常见的二极管类型有硅二极管和锗二 极管，它们在电气性能上略有差异。
二极管在电子线路中广泛应用，如整 流、检波、开关等。
三极管
1 2
工作原理
三极管是由两个PN结组成的电子器件，具有电 流放大作用。通过调整基极电流，可以控制集电 极和发射极之间的电流。
感谢观看
半导体的导电机制主要是由其 内部的电子和空穴的运动决定 的。
半导体的特性
半导体材料的导电能力受温度、光照、电场等因素影响，具有热敏、光敏、掺杂等 特点。
半导体的电阻率可在很大范围内变化，通过改变温度、光照、电场等条件，可以控 制其电阻率的变化。
半导体的载流子类型和浓度决定了其导电性能，可以通过掺杂等方式改变载流子类 型和浓度。
物理沉积
通过物理过程如真空蒸发、溅 射等，将所需材料沉积在晶圆
表面形成薄膜。
化学气相沉积
利用化学反应在晶圆表面生成 所需材料的薄膜。
外延生长
在单晶基底上通过控制温度、 气体流量等参数，使薄膜按照 单晶的晶体结构生长。
离子注入
将离子化的材料注入到晶圆内 部的特定区域，形成具有一定
特性的薄膜。
掺杂与刻蚀
功耗具有重要意义。
集成电路设计
01
02
03
人工智能辅助设计
利用人工智能技术进行集 成电路自动化设计，提高 设计效率和准确性。
异构集成技术
将不同工艺类型的芯片集 成在一个封装内，实现高 性能、低功耗的系统级芯 片。
定制化设计
半导体材料总结ppt课件
(一)、半导体材料特性(5学时)
1.半导体材料的发展趋势
2.半导体材料的分类ຫໍສະໝຸດ 3.半导体材料的基本性质及应用
4.实例说明如何运用半导体材料知识开展实验设
计
ppt课件.
1
1
2. 半导体材料的分类
禁带宽度的不同，又可分为： 窄带隙半导体材料：Si，Ge 宽带隙半导体材料：GaN，ZnO，SiC，AlN
ppt课件.
23
23
GaAs电学性质
电子迁移率高达 8000cm2 VS
GaAs中电子有效质量为自由电子的1/15， 是硅电子的1/3
用GaAs制备的晶体管开关速度比硅的快 3~4倍
高频器件，军事上应用
ppt课件.
24
24
本征载流子浓度
T 3 0 0 K n i 1 .3 1 0 6/c m 3
化学组分和结构的不同，又可分为： 元素半导体、化合物半导体、固溶体半导体、非晶半导 体、微结构半导体、有机半导体和稀磁半导体等
使用功能的不同，可分为： 电子材料、光电材料、传感材料、热电致冷材料等
ppt课件.
2
2
ppt课件.
3
3
按功能和应用
光电半导体
热电半导体
微波半导体 气敏半导体 微电子半导体
ppt课件.
6
6
（1）半导体材料结构
晶体： 有规则对称的几何外形； 物理性质(力、热、电、光…)各向异性； 有确定的熔点； 微观上，分子、原子或离子呈有规则的周期性 排列，形成空间点阵(晶格)。
简单立方晶格
面心立方晶格
Au、Ag、Cu、Al…
ppt课件.
体心立方晶格 Li、Na、K、Fe…
六角密排晶格 Be，Mg，Zn，Cd…
1.半导体材料的发展趋势
2.半导体材料的分类ຫໍສະໝຸດ 3.半导体材料的基本性质及应用
4.实例说明如何运用半导体材料知识开展实验设
计
ppt课件.
1
1
2. 半导体材料的分类
禁带宽度的不同，又可分为： 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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GaAs电学性质
电子迁移率高达 8000cm2 VS
GaAs中电子有效质量为自由电子的1/15， 是硅电子的1/3
用GaAs制备的晶体管开关速度比硅的快 3~4倍
高频器件，军事上应用
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本征载流子浓度
T 3 0 0 K n i 1 .3 1 0 6/c m 3
化学组分和结构的不同，又可分为： 元素半导体、化合物半导体、固溶体半导体、非晶半导 体、微结构半导体、有机半导体和稀磁半导体等
使用功能的不同，可分为： 电子材料、光电材料、传感材料、热电致冷材料等
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按功能和应用
光电半导体
热电半导体
微波半导体 气敏半导体 微电子半导体
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6
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（1）半导体材料结构
晶体： 有规则对称的几何外形； 物理性质(力、热、电、光…)各向异性； 有确定的熔点； 微观上，分子、原子或离子呈有规则的周期性 排列，形成空间点阵(晶格)。
简单立方晶格
面心立方晶格
Au、Ag、Cu、Al…
ppt课件.
体心立方晶格 Li、Na、K、Fe…
六角密排晶格 Be，Mg，Zn，Cd…
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10
11
Gas Flow Control
Regulator Flow meter Mass flow controller
12
CVD 爐管內的氣流
13
CVD化学反应
Disproportionation irreversible
AsCl3(g) ＋3Ga(s) 3GaCl(g) ＋1/4 As4(g) 3GaCl(g) ＋1/2 As4(g) 2GaAs(s) ＋GaCl3(g) Disadvantages: multizone furnace
3
4
5
100nm （a）Undoped ZnO film surface and cross section
100nm
100nm (b) N-In codoped ZnO film surface and cross section
100nm
6
CVD薄膜生长
7
CVD 炉体设计
8
CVD SYSTEM
10.48 10.78 8.50 9.19 9.74 8.94 8.28 10.56
15 -52.5 -15.8 -82.5
88 -32 -28 175
Log[p(torr)]=B-A/T
31
Horizontal MOVPE Reactor
32
MOVPE Reactor
33
34
扩散系统示意框图
(CH3)3Ga(g) ＋AsH3(g) GaAs(s) ＋3CH4(g)
Advantages:
low growth temperature
cold wall reactor
Disadvantage: chemical purity and cost
15
16
气体的扩散及表面反应
17
18
19
Schematic diagram of Anodic Oxidation equipment
38
阳极氧化膜的形成机理:
电极反应：金属（M）的阳极氧化，首先是电解水。在电解液中， 通电后在电流作用下发生水解，同时在阴极放出氢气。 H2O→H+ +OH阴极 6H+ 6e→3H2↑ 阳极 6OH-- 6e→3H2O 3[O]
TMAl TEAl TMGa TEGa TMIn TEIn DEZn Cp2Mg
P at 298 K
(torr) 14.2 0.041 238 4.79 1.75 0.31 8.53 0.05
A
B Melt point
(oC)
2780 3625 1825 2530 2830 2815 2190 3556
2M 3[O] →M2O3 阳极氧化膜的生长过程是在膜的增厚和溶解这一矛盾过程中展开的。 通电瞬间，由于氧和M的亲和力特别强，在M表面迅速生成一层致密 无孔的氧化膜，它具有很高的绝缘电阻，称之为阻挡层。由于在形 成氧化M时体积要膨胀，使得阻挡层变得凹凸不平，在膜层较薄的 地方，氧化膜首先被电解液溶解并形成空穴，接着电解液变通过空 穴到达M基体表面，使电化学反应能够继续进行，孔隙越来越深， 阻挡层便逐渐向M基体方向扩展，即得到了多孔状的氧化膜。
4
3 1
2
5 6
6
7
扩散系统示意框图 1.氢气入口；2.氢气出口；3.石墨舟；4.加入炉管；
5.抽气口；6.分子泵；7.机械泵。
35
晶片
源 盖
石墨扩散舟结构图 Structure of graphite crucible
36
37
阳极氧化
A
铂片
GaSb
Байду номын сангаас
GaSb做阳极，铂片做阴极，
电解液是酒石酸与乙烯乙 二醇混合后的一种水溶液
Low-Pressure CVD System
20
Plasma-Enhanced CVD
21
以不同法成長Si3N4之比較
22
PECVD、LPCVD、APCVD 之比較
23
24
25
26
The MOVD growth system
27
MOCVD Growth System
Gas handle system
low gas flow low reaction efficiency (<66%) system contamination (hot wall)
14
CVD化学反应
Pyrolysis irreversible
Hydride reaction, SiH4(g) Si(s) ＋2H2(g)
Metal-organic reaction MOCVD
Semiconductor materials
Lecturer: Aimin Liu & Weifeng Liu
1
半导体材料及器件工艺技术（四）
1 喷雾热解成膜技术
2 CVD成膜技术
低压CVD、常压CVD、离子增强型CVD、 MOCVD
3 扩散及阳极氧化技术
2
超声喷雾热分解装置示意图
Common materials to dry etch Si, SiO2, Si3N4, Al, W, Ti, TiN, TiSi2, Photoresist
39
半导体材料及器件工艺技术（五）
1 刻蚀技术
化学刻蚀、离子刻蚀、反应离子刻蚀
2 半导体材料及器件的测试
40
Dry Etching
Dry etching methods Glow discharge methods Dry physical etching (Sputter etching) Plasma assisted etching Dry chemical etching (Plasma etching) Reactive ion etching (RIE) Ion beam methods Ion milling Reactive ion beam etching Chemical assisted ion milling
Reactor
Computer Control
Vacuum and Exhaust system
28
Reactor-1
29
Aixtron Model-2400 reactor
30
Vapor pressure of most common MO compounds
Compound
(Al(CH3)3)2 Al(C2H5)3 Ga(CH3)3 Ga(C2H5)3 In(CH3)3 In(C2H5)3 Zn(C2H5)2 Mg(C5H5)2
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Gas Flow Control
Regulator Flow meter Mass flow controller
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CVD 爐管內的氣流
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CVD化学反应
Disproportionation irreversible
AsCl3(g) ＋3Ga(s) 3GaCl(g) ＋1/4 As4(g) 3GaCl(g) ＋1/2 As4(g) 2GaAs(s) ＋GaCl3(g) Disadvantages: multizone furnace
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100nm （a）Undoped ZnO film surface and cross section
100nm
100nm (b) N-In codoped ZnO film surface and cross section
100nm
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CVD薄膜生长
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CVD 炉体设计
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CVD SYSTEM
10.48 10.78 8.50 9.19 9.74 8.94 8.28 10.56
15 -52.5 -15.8 -82.5
88 -32 -28 175
Log[p(torr)]=B-A/T
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Horizontal MOVPE Reactor
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MOVPE Reactor
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扩散系统示意框图
(CH3)3Ga(g) ＋AsH3(g) GaAs(s) ＋3CH4(g)
Advantages:
low growth temperature
cold wall reactor
Disadvantage: chemical purity and cost
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气体的扩散及表面反应
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Schematic diagram of Anodic Oxidation equipment
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阳极氧化膜的形成机理:
电极反应：金属（M）的阳极氧化，首先是电解水。在电解液中， 通电后在电流作用下发生水解，同时在阴极放出氢气。 H2O→H+ +OH阴极 6H+ 6e→3H2↑ 阳极 6OH-- 6e→3H2O 3[O]
TMAl TEAl TMGa TEGa TMIn TEIn DEZn Cp2Mg
P at 298 K
(torr) 14.2 0.041 238 4.79 1.75 0.31 8.53 0.05
A
B Melt point
(oC)
2780 3625 1825 2530 2830 2815 2190 3556
2M 3[O] →M2O3 阳极氧化膜的生长过程是在膜的增厚和溶解这一矛盾过程中展开的。 通电瞬间，由于氧和M的亲和力特别强，在M表面迅速生成一层致密 无孔的氧化膜，它具有很高的绝缘电阻，称之为阻挡层。由于在形 成氧化M时体积要膨胀，使得阻挡层变得凹凸不平，在膜层较薄的 地方，氧化膜首先被电解液溶解并形成空穴，接着电解液变通过空 穴到达M基体表面，使电化学反应能够继续进行，孔隙越来越深， 阻挡层便逐渐向M基体方向扩展，即得到了多孔状的氧化膜。
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扩散系统示意框图 1.氢气入口；2.氢气出口；3.石墨舟；4.加入炉管；
5.抽气口；6.分子泵；7.机械泵。
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晶片
源 盖
石墨扩散舟结构图 Structure of graphite crucible
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阳极氧化
A
铂片
GaSb
Байду номын сангаас
GaSb做阳极，铂片做阴极，
电解液是酒石酸与乙烯乙 二醇混合后的一种水溶液
Low-Pressure CVD System
20
Plasma-Enhanced CVD
21
以不同法成長Si3N4之比較
22
PECVD、LPCVD、APCVD 之比較
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The MOVD growth system
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MOCVD Growth System
Gas handle system
low gas flow low reaction efficiency (<66%) system contamination (hot wall)
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CVD化学反应
Pyrolysis irreversible
Hydride reaction, SiH4(g) Si(s) ＋2H2(g)
Metal-organic reaction MOCVD
Semiconductor materials
Lecturer: Aimin Liu & Weifeng Liu
1
半导体材料及器件工艺技术（四）
1 喷雾热解成膜技术
2 CVD成膜技术
低压CVD、常压CVD、离子增强型CVD、 MOCVD
3 扩散及阳极氧化技术
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超声喷雾热分解装置示意图
Common materials to dry etch Si, SiO2, Si3N4, Al, W, Ti, TiN, TiSi2, Photoresist
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半导体材料及器件工艺技术（五）
1 刻蚀技术
化学刻蚀、离子刻蚀、反应离子刻蚀
2 半导体材料及器件的测试
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Dry Etching
Dry etching methods Glow discharge methods Dry physical etching (Sputter etching) Plasma assisted etching Dry chemical etching (Plasma etching) Reactive ion etching (RIE) Ion beam methods Ion milling Reactive ion beam etching Chemical assisted ion milling
Reactor
Computer Control
Vacuum and Exhaust system
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Reactor-1
29
Aixtron Model-2400 reactor
30
Vapor pressure of most common MO compounds
Compound
(Al(CH3)3)2 Al(C2H5)3 Ga(CH3)3 Ga(C2H5)3 In(CH3)3 In(C2H5)3 Zn(C2H5)2 Mg(C5H5)2