电子材料与元器件1共20页PPT资料

同时又是一种多学科交叉的学科，涉及到电子技术、 光学、物理化学、固体物理学和工艺技术等多学科知 识。
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1.1 电子材料的发展历史
以半导体材料为载体
物理学原理并不排斥通过操 纵单个原子来制造物质。这 样做并不违反任何定理，而 且原则上是可以实现的。毫 无疑问，当我们得以对细微 尺度的事物加以操纵的话， 将大大扩充我们可能获得物 性的范围 。 ---费曼,1959
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1.3 电子材料与器件的研究现状
3 半导体自旋电子学材料和器件
探索载流子的自旋运动规律，实现对其操纵、调控 及其应用的科学称之为自旋电子学 。
自旋极化的电子注入到半导体中，并被人为操控， 可以制成新型的自旋电子器件，用于数据的存储和 运算。
由于在InMnAs和GaMnAs磁性半导体中发现了低温 铁Zn磁Co性O，等特磁别性是半在导体TiC中o发O2现、了G居aM里nN点、高G于aC室N温、的铁 磁性，引发了磁性半导体材料的研究热潮，然而由 于对磁性的起源不明，研究进展缓慢。
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1.3 电子材料与器件的研究现状
1 基半导体材料
硅单晶研发的主要方向：提高硅集成电路成品率、性能， 降低成本，增大直拉硅单晶的直径，解决缺陷等。
2019年进入32纳米技术代，栅长13nm；2019年进入22 纳米技术代，栅长9nm；2022年栅长将是4.5nm。
人们一方面开发诸如高K栅介质、金属栅、双栅/多栅器 件、应变沟道和高迁移率材料、铜互连技术（扩散阻挡 层）、低介电常数材料、多壁纳米碳管通孔和三维铜互 连等；另一方面，在电路设计与制造方面，采用硅基微 /纳器件混合电路、光电混合集成和系统集成芯片(SOC) 技术等，来进一步提高硅ICs的速度和功能。
光子晶体是一种介质或金属材料在空间呈周期性排列 并能自由控制光的人造晶体。光子晶体内部的光学折 射率呈周期性分布。
可以通过掺杂来控制光子晶体带隙的位置、宽度及带 隙中掺杂模式的形成。
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1.1 电子材料的发展历史
电子材料的发展体现出如下趋势：
功能材料与器件相结合，并趋于小型化与多功能化。 电子材料的低维化。 新型信息功能材料的不断涌现。
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1.1 电子材料的发展历史
以电子学和光电子学为代表的信息产业已成为当今知 识经济时代国民经济和社会发展的战略性基础产业和 支柱产业。而电子功能材料与器件则是电子学和光电 子学的重要物质基础与先导。
电子信息材料是指以电子或光子为载体、用于制造各 种电子及光电子元器件、半导体集成电路、纳米电子 器件、磁性元器件、电子陶瓷器件等的材料。
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1.2 电子材料的重要作用
电子材料是电子信息产业的重要组成部分，是发展 电子信息产业的基础与先导。电子材料作为基础性 材料已渗透到国民经济和国防建设的各个领域，没 有高质量的电子材料就不可能制造出高性能的电子 元器件，也就没有先进的电子信息系统。
随着电子学向光电子学、光子学迈进，微电子材料 在未来10～15年仍是最基本的信息材料，光电子材 料、光子材料将成为发展最快和最有前途的信息材 料。
2 化合物半导体材料
与半导体硅相比，III-V族化合物半导体材料以其在高速、大 功率、低功耗、低噪声系数等方面的优异光电性能，使得其 射频及微波通信、光纤通信、太阳能电池和显示等方面得到 了广泛的应用。
GaAs InP HBT和HEMT ，量子激光器和探测器
GaN SiC 金刚石薄膜
高热导率、高电子漂移速度和大的击 穿电压使其在高频、大功率、抗辐射 方面有广泛的应用；短波发光探测方 面也有较好的应用。
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1.3 电子材料与器件的研究现状
1 硅基半导体材料
基于石墨材料的硅基场效应晶体管的研究
这些性能使得石墨层成为制 作场效应晶体管的一种非常 有前途的基础材料，用于制 作工作在毫米波频段或更高 频段的晶体管，其结构如图 图1.4 基于双栅极的石墨场效应晶体管 1.4所示。
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1.3 电子材料与器件的研究现状
图1.2 基于纳米 管的单电子器件
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1.1 电子材料的发展历史
基于光电子材料
以电子为媒介而传递信息，因为电子的传输速度受其质 量(9.1×10-31kg)影响，有一定限度。所以，随着对信息 传输容量和速度的要求不断提高，而光子作为更高频率 和速度的信息载体就被应用，从而又出现了与电子技术、 微电子技术交叉发展的光电子技术。
光子材料是指利用光子或光互相作用来实现信息产生、 传输、存储、显示、探测及处理的材料。它包括激光晶 体、红外材料、液晶、非线性光学材料、光子晶体及光 纤材料等。
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1.1 电子材料的发展历史
基于光电子材料
1960年出现第一台红宝石激光器。 固态激光器（包括固体激光器和半导体激光器），
A1GaAs半导体激光器和lnGaAsP半导体激光器。 1991年提出和发现光子晶体。
绪论
学时：48学时 教材：现代电子材料与元器件（科学出版社） 教参：
现代电子材料技术（国防工业出版社） 电子材料与器件原理（西安交通大学出版社）
考核方式：平时考查+期末考试
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绪论
课程性质：限选
知识应用+知识拓展
课程体系：固体物理+半导体物理
化合物半导体器件 光电子器件 介电材料与器件 磁电子学与器件
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1.3 电子材料与器件的研究现状
1 硅基半导体材料
基于石墨材料的硅基场效应晶体管的研究
石墨是一种严格意义上的二维材料， 它是由单原子层的碳原子以蜂窝状 结构排列而形成的有序结构。
图1.3 石墨层的结构
由于石墨层中的电子-光子散射作用 非常微弱，因此，即使是在室温的 条件下，石墨中的电子迁移率就高 达200,000cm2/Vs。并且其载流子饱 和速率是硅材料的6-7倍。
图1.1 半导体芯片上晶体管数量及特征尺寸的变化趋势
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1.1 电子材料的发展历史
以半导体材料为载体 摩尔定律
18个月，IC集成晶体管数目翻倍 18个月，IC产品性能提高一倍 18个月，相同性能产品降价一半
安迪-比尔定律 反摩尔定律
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1.1 电子材料的发展历史
基于碳纳米管
碳纳米管可以具有金属特性，也可以具有半导体特性， 这取决于碳纳米管碳链的空间螺旋。金属的碳纳米管在 室温下具有迄今最高的电导率。