第6章电子与微电子材料
(集成光电子学导论)第六章常见光波导材料与结构
1 cm = 10 000 微米
1、空气净化
From Intel Museum
三道防线: ✓环境净化（clean room） ✓材料清洗（wafer cleaning） ✓吸杂（gettering）
光电所
• 投资4000万元的光电子学研究所实验大楼坐落在深圳大学文山湖畔。这是 一座设施先进、功能完善、配套齐全、专业化水准高的现代化实验大楼，总 面积8200平方米，其中有1200平方米的百级和万级净化实验室，有电子级超 纯水制备系统、各种特殊气体的供送系统以及相应的安全保障和环保设施等。 投资6000万元购置的先进科研仪器设备，构建了显微分析、光谱分析、超快 诊断技术、光电子材料、生物光子学、等离子体显示、应用光学、电子学等 10多个测试实验室和真空光电子器件、半导体光电子材料与器件、平板显示 器件、有机电致发光材料、纳米光电子材料等10多个工艺实验室。主要大型 仪器设备有：金属有机化合物气相沉积（MOCVD）系统、微波等离子体增 强化学气相沉积（MPECVD）系统、等离子体增强化学气相沉积（PECVD） 系统、磁控溅射系统、反应离子刻蚀机、光刻机、高精度丝网印刷机、大型 高精度点胶机、高精度喷砂机、多功能镀膜机、扫描探针显微镜、扫描电子 显微镜、台阶轮廓测试仪、三维视频显微镜、真空紫外单色仪、紫外/可见/近 红外光谱仪、飞秒激光器、皮秒激光器、荧光光谱测试仪、激光拉曼谱仪、 高分辨X射线衍射仪、变磁场霍尔测试仪、多光子激发荧光显微成像系统、高 速示波器、逻辑分析仪和数字电路开发系统等，以及光学设计分析、多物理 场分析等大型软件。这些硬件条件，为建设一流的光电子学研究所奠定了坚 实的基础。
半导体激光器，探测器，放大器， 电光调制器
目前最好的电光调制器，声光调制 器
微电子与光电子要点整理
第一章目前的微电子制造技术可以分为四个方面：双极型制造工艺、MOS制造工艺、Bi-CMOS制造工艺和SOI制造工艺。
双极型工艺的优缺点：（1）缺点：双极型工艺过程复杂、成本高、集成度低，在现在的超大规模集成电路中已经很少单独使用。
（2）优点：双极型工艺速度快、较大的电流驱动能力等特点是CMOS 工艺所达不到的。
在某些情况下，作为CMOS工艺的补充，双极型工艺仍然被少量地使用。
双极型三极管：是双极型工艺的典型器件，由两种载流子参与导电，由两个pn结组成，是一种电流控制电流源器件，分为PNP和NPN两种。
PN结隔离分为三种结构：（1）标准下埋集电极三极管（SBC）（2）集电极扩散隔离三极管（CDI）（3）三重扩散三极管（3D）典型的PN结隔离的双极型工艺流程复杂，总的工序一般有40多道（9次光刻，5次隔离）。
MOS场效应晶体管是金属—氧化物—半导体场效应晶体管的简称，它通过改变外加电压产生的电场强度来控制其导电能力。
MOS晶体管是电压控制元件，参与导电的只有一种载流子，因此称其为单极型器件。
MOS晶体管可以分为增强型晶体管与耗尽型晶体管两种。
根据沟道掺杂不同，又可分为N沟道增强型晶体管、P沟道增强型晶体管、N沟道耗尽型晶体管、P沟道耗尽型晶体管。
MOS场效应晶体管利用栅极电压的大小，来改变半导体表面感生电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。
P沟道MOS晶体管与N沟道MOS晶体管同时运用到一个集成电路中就构成了CMOS集成电路。
双阱工艺CMOS器件的结构示意图Bi-CMOS技术是一种将CMOS器件和双极型器件集成在同一芯片上的技术。
Bi-CMOS的制作工艺主要分为两大类：（1）低端Bi-CMOS工艺：以CMOS工艺为基础（2）高端Bi-CMOS工艺：以双极型工艺为基础，可进一步分为P阱Bi-CMOS工艺和双阱Bi-CMOS 工艺。
SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘层上覆硅)器件与体硅器件相比，除了具备良好的抗辐射性能还具有以下各项优点：（1）功耗低（2）工作速度快（3）静电电容小，寄生电容小（4）可进一步提高集成电路芯片的集成度、功能和可靠性，能在微功耗、低电压、高温、高压等方面发挥它的优势（5）耐高温环境SOI晶圆结构示意图SOI材料是在绝缘层上生长一层具有一定厚度的单晶硅薄膜的材料。
第6章 电子束和离子束加工
特种加工技术
二、电子束加工装臵
电子枪
电子发射阴极、控制 栅极和加速阳极等；
真空系统 控制系统
电磁透镜、偏转线圈、 工作台系统
电源系统 辅助装臵
特种加工技术
电子枪
用途：
钨丝
发射高速电子流 电子束的预聚焦 电子束的强度控制
小功率
大功率
组成
电子发射阴极（纯钨或纯钽） 控制栅极 加速阳极
非热型（化学效应）
利用电子束的化学效应进行刻蚀
刻蚀
特种加工技术
功率密度对加工模式的影响
a) 低密度 b) 中低密度 c) 高密度
表面改性
电子束焊接
电子束打孔、切槽
特种加工技术
电子束加工的应用范围
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
特种加工技术
（1）高速打孔
特点
能打各种孔（最小φ3μm ）
生产效率高
可加工各种材料
实际应用
打400孔；3mm厚时，φ1mm的锥形孔，每秒可打20孔。）
可加工斜孔。 可以加工各种直的型孔和型面，也可以加工弯孔和曲面。
特种加工技术
电子束加工曲面
电子束在磁场中运动，由于受到电磁力，其轨迹会发生偏转。 如果在磁场中对工件加工，则可切割出曲面。
特种加工技术
电子束加工弯槽
电子束在磁场中运动，由于受到电磁力，其轨迹会发生偏转。 如果在磁场中对工件中部进行切割时，则可加工出弯槽。
特种加工技术
电子束加工分类
通过控制电子束能量密度的大小和能量注入时 间，就可以达到不同的加工目的。 电子束打孔、切割等加工：高电子束能能量密度， 使材料融化和气化，就可以进行； 电子束焊接：使材料局部融化就可以进行； 电子束热处理：只使材料局部加热就可以进行； 电子束光刻加工：利用较低能量密度的电子束轰击 高分子材料时产生化学变化的原理，即可进行。
工学第六章薄膜工艺课件
约为10-3Torr，铝的密度2.7g/cm3，半径40cm，代入上式得：源自R d＝17.4埃 /min
作业
• 希望用一台单源蒸发台淀积Ga和Al的混合 物，如果淀积温度是1000℃，坩埚内的初 始混合物是1：1，两种成分黏滞系数都为1， 则蒸发初期膜的组成将是怎样？膜的组成 如何随时间变化？
1.4 物理淀积－溅射
简单平行板溅射系统腔体 晶片上形成薄膜。
离子入射到到晶片表面时，可能产生的结果
反射：入射离子能量很 低；
吸附：入射离子能量小 于10eV； 离子注入：入射离子能 量大于10KeV； 溅射：入射离子能量为 10 － 10KeV 。 一 部 分 离 子能量以热的形式释放； 一部分离子造成靶原子 溅射。
高真空
10-8 － 10-4 Torr 10-6 －10-2 Pa
超高真空 <10-8 Torr
<10-6 Pa
真空泵
1. 真空的产生要依靠真空泵。而在低真空和高真 空情形下，要分别使用不同的泵。
2. 低真空下一般使用机械泵，其抽真空过程可以 分为三个步骤：捕捉气体，压缩气体，排除气 体。比如：活塞泵，旋转叶片真空泵，罗茨泵 等。
• 溅射的物理机制：是利用等离子体中的离 子对靶材料进行轰击，靶材料原子或原子 团被发射出来，堆集在晶片衬底上形成薄 膜。
• 与蒸发工艺相比：台阶覆盖性好，容易制 备合金或复合材料薄膜。
靶－接负极
晶片－置于正极
进气－氩气（用于产生等离 子）
工作原理：高压产生等离子 体之后，正离子在电场作用 下向负极运动，轰击靶电极， 激发出来的二次电子向正极 运动，维持等离子体。而被 轰击出来的靶原子则堆集在
• 温度：实际上确定了蒸气压。温度越高，蒸气压 越大，淀积速率越快，但需要控制淀积速率不能 太大，否则会造成薄膜表面形貌变差。
电气工程概论 第六章 电工新技术(一)
电气工程概论 28
1.日本超导磁悬浮列车技术
车载超导磁体
动 力 集 成 绕 组
感 应 导动 磁力 铁集 成 超
驱动列车行驶
悬 浮 超 导 磁 铁
电气工程概论
7
6.2.2 超导技术的应用
一.超导电机
绕组由实用超导线绕制成的电机。具有功率密度大、 效率高等优点。
83MW超导发电机超导转子（左）与试验车间（日本）
电气工程概论 8
超导线在临界温度Tc、临界磁场强度Hc和临界电流密度 Jc值以内时,具有超导性,其电阻为零。 超导电机绕组的电阻损耗降为零，既解决了电枢绕组发热、 温升问题，又使电机的效率大为提高。 更重要的是超导线的临界磁场强度和临界电流密度都很高， 使超导电机的气隙磁通密度和绕组的电流密度可以比传统常 规电机提高几倍到几十倍。这样，就大大提高了电机的功率 密度，降低电机的重量、体积和材料消耗。
第6章 电工新技术
电气工程概论
1
主要内容：
了解电工新技术的发展趋势； 了解超导电工技术； 了解聚变电工技术； 了解磁流体发电技术； 了解磁流体推进技术； 了解可再生能源发电技术； 了解磁悬浮列车技术； 了解燃料电池技术； 了解飞轮储能技术； 了解脉冲功率技术； 了解微机电系统。
电气工程概论 2
6.1 电工新技术的发展趋势
电气工程概论 21
日本超导磁悬浮列车MAGLEV
（磁 图悬 片浮 资列 料车 ）的 原 理 和 应 用
22
超导磁悬浮列车的轨道
电气工程概论
第六章光电子材料与器件
主要由受激的喇曼散射和布里渊散射引起，且只在强入射光功 率激励下才表现出来
6.2 光纤
传输光纤 光纤色散特性
光纤的色散是由于光纤所传信号的不同频率成分或不同模式 成分的群速度不同而引起传输信号畸变的一种物理现象。
由于脉冲展宽，在光通讯中，为了不造成误码，必须降低脉 冲速率，这就将降低光纤通讯的信息容量和品质。而在光纤 传感方面，在需要考虑信号传输的失真度问题时，光纤的色 散也成为一个重要参数。
1 固体激光器的工作原理
固体激光器是研究最早的一类激光器，它以固体作为工作物 质，包括绝缘晶体和玻璃两大类。工作物质是在基质材料中 掺入激活离子(金属离子或稀土离子)而制成。
固体激光器的工作方 式主要分为脉冲和连 续(CW)两大类。
固体激光器的构成通 常包括工作物质、谐 振腔、泵浦光源这三 个基本组成部分
传输光纤
传输光纤主要用于光通信，对光纤性能有两个方面的要求：传 输损耗要低，光纤色散要小。
传输损耗特性
6.2 光纤
传输损耗特性
图6.7 光纤的总损耗谱
6.2 光纤
传输损耗特性 瑞利散射损耗
由于光纤材料—石英玻璃的密度不均匀和折射率不均匀引起
波导效应散射损耗
由于波导结构不规则，从而导致高阶模的辐射形成损耗
6.4 液晶显示材料与器件
1 液晶材料的物理性质
液晶的发现可追溯到19世纪末，1888年奥地利的植物学家 F·Reinitzer在作加热胆甾醇的苯甲酸脂实验时发现，当加热 使温度升高到一定程度后，结晶的固体开始溶解。但溶化后 不是透明的液体，而是一种呈混浊态的粘稠液体，并发出多 彩而美丽的珍珠光泽。当再进一步升温后，才变成透明的液 体。他把这种粘稠而混浊的液体放到偏光显微镜下观察，发 现这种液体具有双折射性。
电子材料导论 李言荣 习题参考答案
与基片表面形成键合。加入氧化铋，能改善导体膜与基片的键合强度。 这类键合称为玻璃键合。 氧化物键合：采用金属氧化物替代玻璃，从而改善玻璃键合强度的键合类型称为 氧化物键合。
7. 对薄膜导体有哪些要求？列出几种常用的薄膜导体材料。P72 答：对薄膜导体的要求：导电性好、可焊性和耐焊接性好、化学稳定性高、附着 性好、成本低。薄膜导体材料分类：单元素薄膜和多层薄膜。单元素薄膜：铝膜； 多层薄膜：二元系铬金；三元系钛钯金；四元系钛铜镍金。
电子材料导论 复习题（李言荣版）
注明：本文档为电子材料导论（李言荣 2001 旧版）课后复习题参考答案，题目 大部分来源于书本归纳，小部分（书本答案不明确或不全）来源于网络，可供 考生备考《电子材料基础》、《电子材料导论》等课程作为参考。该版本目前（15 年）应为网络答案最全版本，历年真题可垂询 QQ1285864186。时间和水平有限， 不足之处敬请谅解。
8. 导电聚合物按结构特征和导电机理分为哪几种类型？P83 答：导电高分子材料为导电聚合物，按结构特征和导电机理可分为： ①载流子为自由电子的电子导电聚合物； ②载流子为能在聚合物分子间迁移的正负离子的离子导电聚合物； ③载流子为在可逆氧化还原反应中可转移的电子的氧化还原性导电聚合物。
9. 试述电子导电型聚合物中掺杂剂、掺杂量跟电导率之间的关系。P85+P86 答：电子导电型聚合物掺杂方式有两种：①通过加入第二种具有不同氧化态的物 质②通过聚合材料电极表面，进行氧化或还原反应直接改变聚合物的荷电状态。 掺杂剂也有两种：P-掺杂剂，电子接受体，氧化反应；N-掺杂剂，电子给予体， 还原反应。
贵州大学固体物理学教案
贵州大学固体物理学教案第一章：固体物理学概述1.1 固体物理学的基本概念固体的定义与分类晶体的基本特征晶体的空间点阵与布拉格子1.2 固体物理学的研究方法实验方法：X射线衍射、电子显微镜、光谱学等理论方法：周期性边界条件、平面波展开、密度泛函理论等1.3 固体物理学的历史与发展固态电子学的兴起晶体生长的技术发展新型材料的发现与应用第二章：晶体的结构与性质2.1 晶体的点阵结构点阵类型的定义与特点晶胞的参数与坐标描述晶体的对称性分析2.2 晶体的物理性质热膨胀与导热性弹性与硬度电性质与磁性质2.3 晶体的电子结构能带理论的基本概念电子在晶体中的散射与迁移半导体与半金属的特性第三章：金属物理学3.1 金属的电子结构自由电子模型与费米面电子与晶格振动的合作效应电子的输运性质3.2 金属的晶体结构金属晶体的常见类型晶界的特性与分类多晶体与微观缺陷3.3 金属的相变与合金相变的类型与特点合金的性能与设计纳米结构材料的应用第四章：半导体物理学4.1 半导体的电子结构能带结构的类型与特点载流子的产生与复合半导体的掺杂效应4.2 半导体的导电性质霍尔效应与载流子迁移率光电导性与光吸收半导体器件的应用4.3 半导体材料与应用硅与锗的特性与应用化合物半导体材料新型半导体材料的研究方向第五章：超导物理学5.1 超导现象的发现与发展超导的定义与实验发现超导体的临界温度与临界磁场超导体的微观机制5.2 超导材料的性质与应用交流超导电缆与磁体超导量子干涉器高温超导材料的发现与应用前景5.3 高温超导材料的合成与表征高温超导材料的合成方法材料的结构表征技术材料的热电性质测量第六章：固体的磁性质与自旋电子学6.1 固体的磁性基础电子的自旋与磁矩磁性材料的类型与特点磁性的宏观表现：磁化、磁化率、磁滞回环6.2 磁性材料的微观机制顺磁性、抗磁性、铁磁性、反铁磁性磁畴与磁畴壁磁性材料的晶体结构与磁性关系6.3 自旋电子学及其应用自旋极化与自旋注入磁隧道结与自旋转移矩自旋电子学器件与新型存储技术第七章：固体的光学性质7.1 固体的能带结构与光吸收能带结构与光吸收的关系直接跃迁与间接跃迁带隙与半导体的发光性质7.2 固体的发光性质与LED技术发光二极管（LED）的工作原理半导体激光器有机发光二极管（OLED）7.3 非线性光学与光子晶体非线性光学效应与器件光子晶体的基本概念与特性光子晶体在光通信中的应用第八章：固体的电性质与器件8.1 固体的电导性与电阻器电导性的微观机制金属的电导性与电阻器半导体的电导性与二极管8.2 固体的晶体管与集成电路晶体管的工作原理集成电路的设计与制造微电子技术与纳米电子学8.3 新型纳米电子器件纳米线与纳米带器件单分子电子器件量子点与量子线器件第九章：固体的热性质与热力学9.1 固体的热传导性质热传导的微观机制热导率的测量与影响因素热绝缘材料与热开关9.2 热力学第一定律与第二定律热力学基本方程与状态方程熵与无序度的物理意义热力学循环与效率9.3 固体热力学应用实例热电材料与热电器件热泵与制冷技术热力学在能源转换中的应用第十章：固体物理学的前沿领域10.1 新型纳米材料一维纳米材料：纳米线、纳米管二维纳米材料：石墨烯、过渡金属硫化物三维纳米材料：纳米颗粒、纳米结构10.2 新型超导材料高温超导材料的发现与发展铁基超导材料的特性与应用拓扑绝缘体与量子相变10.3 量子计算与量子通信量子比特与量子电路量子纠错与量子保护量子通信的实验进展与未来挑战10.4 固态器件的模拟与设计计算机模拟方法与软件工具基于第一性原理的电子结构计算器件设计与优化的一般方法重点和难点解析重点一：晶体的基本特征与点阵结构晶体具有长程有序、周期性重复的点阵结构。
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Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials
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4.生物传感器
葡萄糖传感 器、尿素传 感器、乳酸 传感器、胆 固醇传感器
Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials
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5.气体传感器
导电高分子与大气某些介质作用 ----电导率改变, 除去介质 ----恢复 （掺杂/或脱掺杂过程）
– 萤石结构氧化物 (ZrO 2、HfO 2、CeO 2等) – 钙钛矿结构氧化物 (LaAlO 3、CaTiO 3)。
Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials
6
6.1.3 聚合物导电材料
? 种类：
–结构型导电高分子（本节内容） –复合型导电高分子（普通高分子混入导电填料）
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2.掺杂-脱掺杂过程可逆
导电高分子不仅可以掺杂，而且还可以脱掺杂， 并且掺杂- 脱掺杂的过程完全可逆。
3.响应速度快
(10 -13 sec)
Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials
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4.有电致变色性
Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials
5
（2）离子导电陶瓷
? 利用离子的迁移导电（固体电解质，或快离 子导体）
? 阳离子导体：利用阳离子迁移导电
– 如? -Al2O3的系：通式为 nA 2O3?M2O，A代表三价 金属A1 3?、Ga 3?、Fe 3?等，M代表一价离子 Na ?、 K ?、H 3O ?等
? 阴离子导体：利用O2-或F-阴离子迁移导电
可用作选择性高、灵敏度高和重复性好的气体 传感器。
Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials
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6.雷达隐身材料
导电性可以在绝缘体、半导体、金属导体 之间变化——不同的吸波性能
密度小——轻 加工性能——薄 稳定性较好——高温使用
Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials
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(
N
N)
全氧 化态PNB 紫色 0.8V
+e -e
(
N
H
H+
N)
(
n
中 间 氧 化态EB 蓝 色
+e -e
(
NHN
NHN )
nn
全还原态LEB 淡黄 色 -0.2V
Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials
N H
0.5V
+
N)
Hn
绿色
13
Chapter 6 Electronic and Microelectronic Materials
电子与微电子材料
Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials
1
本章内容
6.1 导电材料 6.2 介电材料 6.3 半导体材料 6.4 微电子材料与芯片
? 结构型导电高分子
–是指具有共轭 π键，其本身或经过“掺杂”后
具有导电性的一类高分子材料。
Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials
7
名称
结构
种类
聚乙炔
聚噻吩
种 类
(
)
Sn
聚吡咯
(
)
Nn
H
聚苯胺
(
NH )n
聚苯
(
)
n
Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials
– 如SiC、MoSi 2电热材料
? 某些氧化物陶瓷通过加热或者用其它的方法激 发，使外层电子获得足够的能量成为自由电子 而具有导电性
– 如氧化铝陶瓷、氧化钍陶瓷及由复合氧化物组成的 铬酸镧陶瓷，都是新型的高温电子导电材料
Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials
面积和低成本等优点
“模板聚合、分子束沉积等
——实用化的突破口
方法制备“分子导线” 或导电高分子微管 (或纳米管 )
Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials
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3.二次电池
高分子掺杂态 储存电能、脱 掺杂过程中释 放电能 ——全塑电池
输出电压 3V、电池容量 3mA.h ，复充放电上千次
Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials
2
6.1 导电材料
? 导电材料的定义 ? 载流子 ? 分类
6.1.1 金属导电材料 ? 分类 ? 作为金属导电材料使用的要求 ? 金属导电性的影响因素
Chapter6 and Microelectronic Materials
导电高分子的应用
导电高分子的应用
Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials
14
1.发光二极管
2.分子导线
1990 年R. H. Friend 首次 一个分子类似于一根导线
报道
可用于高灵敏度检测、超大
高分子发光二极管具有 规模集成技术等 颜色可调、可弯曲、大
8
导电机理
导电机理
自由基阳离子通过双键迁移 沿共轭高分子链传递
Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials
9
1.电导率范围宽
导
电
高
分
子
的
导电高分子的特性
特
性
Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials
3
6.1.2 快离子导体
? 肖特基导体（晶格空位机理）、弗仑克尔导 体（间隙离子运动）
? 本征离子电导和杂质离子电导 ? 快离子导体和固体电解质 ? 影响导电离子迁移的因素
Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials
4
（1）电子导电陶瓷
? 非金属元素的碳化物、氮化物以共价键为主， 金属键为辅。这几类化合物构成的陶瓷都是电 子导电
19
7.电显示材料
掺杂/脱掺杂实现导体-绝缘体之间的转变， 且电位、pH 、掺杂量等变化伴随颜色变化 ——可用于电显示
Chapter6 Electronic and Microelectronic Materials