【材料课件】第八章半导体电子材料.pptx
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半导体材料导论描述课件
半导体材料在集成电路、微电 子器件、光电子器件等领域发 挥着关键作用，推动着科技的 进步与发展。
半导体材料在能源转换和存储 、传感器、生物医疗等领域也 具有广泛应用，为人类生活带 来便利。
半导体材料的发展趋势与前景
随着科技的不断发展，新型半导体材 料不断涌现，如二维材料、氧化物半 导体等，具有更优异的性能和更广泛 的应用前景。
硅基半导体是指以硅为基底制造 的半导体材料。自20世纪50年 代以来，硅基半导体一直是半导
体产业的主流技术。
目前，硅基半导体在集成电路、 微电子、光电子、通信等领域得 到了广泛应用，是现代信息技术
的基石之一。
随着技术的不断进步，硅基半导 体的性能不断提高，制造成本不 断降低，使得其应用领域不断拓
展。
半导体材料导论描述 课件
目录
• 半导体材料简介 • 半导体材料的物理性质 • 半导体材料的制备与加工 • 半导体材料的发展趋势与挑战 • 案例分析：硅基半导体的应用与发展 • 总结与展望
CHAPTER 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金属和绝缘体之间，其导电能力随温度、光照和杂质等因 素发生变化。
硅基半导体的优势与局限性
硅基半导体的优势在于其成熟度高、 可靠性好、稳定性高、制造成本低等 。
然而，硅基半导体的局限性也很明显 ，如硅材料的带隙较窄、光电性能较 差等，限制了其在某些领域的应用。
硅基半导体的未来发展方向
1
随着科技的不断发展，硅基半导体将继续在高性 能计算、物联网、人工智能等领域发挥重要作用 。
详细描述
半导体是指那些在一定条件下能够导电的材料，其导电能力随温度、光照和杂质 等因素发生变化。在常温下，纯净的半导体通常表现为绝缘体，但当温度升高或 受到光照等外部因素影响时，其导电性能会显著增强。
半导体材料总结ppt课件
ppt课件.
23
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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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24
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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
体心原子的划分，属于每个晶胞 1
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9
9
（c）面心立方晶体 6个面中心各有1个原子， 6*1/2=3原子； 8个顶角各有1个原子，8*1/8=1个原子。 每个面心立方晶胞有4个原子。
ppt课件. 面心原子的划分，属于每个晶胞 110/2
10
（2）半导体材料的能带结构
间接带隙结构 直接带隙结构
∶ ∶
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4
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按组成
元素半导体 无机半导体
化合物半导体
有机半导体
按结构
晶体
单晶半导体 多晶半导体
非晶、无定形半导体
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5
5
3.半导体材料的基本性质及应用
(1)半导体的晶体结构 (2)半导体的能带结构 (3) 半导体的杂质和缺陷 (4) 半导体的电学性质 (5) 半导体的光学性质
带隙大小
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(3) 半导体的杂质和缺陷
轻掺杂
掺杂浓度为1017 cm-3 杂质离子100%电离
中度掺杂 掺杂浓度为1017～1019 cm-3 载流子浓度低于掺杂浓度
重掺杂 掺杂浓度大于1019 cm-3
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硅中的杂质
1. n型掺杂剂：P，As，Sb
【材料课件】第八章 半导体电子材料
9. 可利用SOI器件制作三维集成电路
SOI器件与体硅器件比较，在相同的电压下 工作，SOI器件性能提高30%
在基本相同的低功耗下工作，SOI器件性能 可提高300%
SOI工艺将成为21世纪ULSI的主流技术之一
8.6.2 SOI材料的制备
注氧隔离 键合与背腐蚀 智能剥离 外延层转移
频率和功率的乘积
fTVm
EbVs
2
第一材料优值
F1 EbVs
约翰逊优值或者第一材料优值越大，材料 的功率和工作频率越高
8.1.2 凯斯优值
高频器件的尺寸受到热导率的限制，凯斯优值评价材 料在制作高速器件时适合程度的量化标准
K (Vb )2
为材料的相对介电常数
为热导率，反映了材料的热性质对晶体管开关性
F4
在同一工作频率下，器件的功耗随着优值F4 的增加而减少，工作频率越高，下降幅度 越大
对同一材料所制器件的最小功耗随着工作 频率提高而增大
F4越大，器件的功耗越低
8.1.5 热性能优值
反映了某种材料所制作的功率器件在高温 工作状态下的优值，三个热性能优值：
QF1 Eb3 QF 2 Eb4 QF3 Eb3
4. 由于有源层和衬底之间隔离，不致因辐照 在衬底中产生电子－空穴对导致电路性能 退化
5. SOI材料寄生电容小，有利于提高所致器 件的性能
6. 利用SOI材料可简化器件和电路加工过程
7. SOI材料所致的MOSFET中短沟道效应和 热载流子效应大大减弱，提高了器件的可 靠性
8. SOI器件功耗低
闩锁效应在大线宽的工艺上作用并不明显, 而线宽越小, 寄生 三极管的反应电压越低, 闩锁效应的影响就越明显。
闩锁效应被称为继电子迁移效应之后新的“CPU杀手”。防 止MOS电路设计中Latch-up效应的产生已成为IC设计界的重 道效应小、速度快、 集成度高、功耗低、耐高温、抗辐射等优点，越 来越受业界的青睐；
SOI器件与体硅器件比较，在相同的电压下 工作，SOI器件性能提高30%
在基本相同的低功耗下工作，SOI器件性能 可提高300%
SOI工艺将成为21世纪ULSI的主流技术之一
8.6.2 SOI材料的制备
注氧隔离 键合与背腐蚀 智能剥离 外延层转移
频率和功率的乘积
fTVm
EbVs
2
第一材料优值
F1 EbVs
约翰逊优值或者第一材料优值越大，材料 的功率和工作频率越高
8.1.2 凯斯优值
高频器件的尺寸受到热导率的限制，凯斯优值评价材 料在制作高速器件时适合程度的量化标准
K (Vb )2
为材料的相对介电常数
为热导率，反映了材料的热性质对晶体管开关性
F4
在同一工作频率下，器件的功耗随着优值F4 的增加而减少，工作频率越高，下降幅度 越大
对同一材料所制器件的最小功耗随着工作 频率提高而增大
F4越大，器件的功耗越低
8.1.5 热性能优值
反映了某种材料所制作的功率器件在高温 工作状态下的优值，三个热性能优值：
QF1 Eb3 QF 2 Eb4 QF3 Eb3
4. 由于有源层和衬底之间隔离，不致因辐照 在衬底中产生电子－空穴对导致电路性能 退化
5. SOI材料寄生电容小，有利于提高所致器 件的性能
6. 利用SOI材料可简化器件和电路加工过程
7. SOI材料所致的MOSFET中短沟道效应和 热载流子效应大大减弱，提高了器件的可 靠性
8. SOI器件功耗低
闩锁效应在大线宽的工艺上作用并不明显, 而线宽越小, 寄生 三极管的反应电压越低, 闩锁效应的影响就越明显。
闩锁效应被称为继电子迁移效应之后新的“CPU杀手”。防 止MOS电路设计中Latch-up效应的产生已成为IC设计界的重 道效应小、速度快、 集成度高、功耗低、耐高温、抗辐射等优点，越 来越受业界的青睐；
半导体器件物理课件——第八章
GaAs, n ，p 所30以它们是制造LE
8.3.2量子效率
2.辐射效率 • 发生辐射复合的电子数与总的注入电子数比：
r
Ur U r Unr
Ur
n
r
U nr
n
nr
r
1
1r
nr
r
（8-16） （8-17） （8-18） （8-19）
8.3.2量子效率
三种可能的复合过程
Ec
Et
R1
Ev
R3 浅施主能级Ed
8.1.1辐射复合
.带间辐射复合
带间辐射复合是导带中的电子直接跃迁到价带与价带中的空穴复合。发射的光子的能量接近等于半 导体材料的禁带宽度。
由于半导体材料能带结构的不同，带间辐射复合又可以分为直接辐射复合和间接辐射合两种:
导带
导带
价带
价带
图8-1 带间复合：（a）直接 能隙复合（b）间接能隙复合
8.1.1 辐射复合
8.3.2量子效率
• 1.注射效率
h
Eg
h ＞ Eg Eg
h ＜ Eg
（a）
（b）
图8-12 带尾对带带复合的影 响；（a）型，（b） 型
r
In
In I p Irec
8.3.2量子效率
注射效率就是可以产生辐射复合的二极管电流在二极管的总电流中所占的百 分比。
• 根据（8-15）式提高注射效率的途径是：
h
Eg
En exc
NEp
（8-8）
式中 NE表p 示吸收或放出能量为 的E p 个N声子。
8.1.1辐射复合
5.激子复合
束缚激子：
若激子对杂质的结合能为
E
，则其发射光谱的峰值为
第八章 半导体电子材料
SOI中“工程化的”基板由以下三层构成：
（1）薄薄的单晶硅顶层，在其上形成蚀刻电路 （2）相当薄的绝缘二氧化硅中间层 Nhomakorabea
（3）非常厚的体型衬底硅衬底层，其主要作用是 为上面的两层提供机械支撑。
SOI材料的分类
Si/绝缘体结构
Si/SiO2/Si结构
硅 硅 绝缘体 SiO2 硅衬底
SOI材料的特点
SOI是Silicon－on－Insulator的缩写，称绝缘 硅
随着芯片特诊尺寸跨入纳米尺度后，临近半导体物理器件 的极限问题接踵而来，如电容损耗、漏电流增大、噪声提 升、闩锁效应和短沟道效应等。 为了克服这些问题，SOI技术应运而生。 作为标准CMOS工艺的一种改进技术，SOI技术通过在两 层硅基板之间封入一个绝缘的氧化层(这与大容量CMOS工 艺技术恰好相反)，从而将活跃的晶体管元件相互隔离。 SiO2埋层能有效地使电子从一个晶体管门电路流到另一个 晶体管门电路，不让多余的电子渗漏到硅晶圆上。
该方法的优点是硅薄层缺陷密度低，硅薄层和Si02 埋层厚度也易控制。该方法的领引厂商是法国 Soitec公司，该公司能量产φ200/φ300mmSOI晶圆， 能提供各种硅薄层和SiO2埋层厚度的SOI晶圆，主 要有3个品种，PD（部分耗尽）、FD（全部耗尽） 和UT（超薄）UHIBOND。
4）外延层转移
闩锁效应，又称寄生PNPN效应
CMOS管的下面会构成多个三极管, 这些三极管自身就可能 构成一个电路。这就是MOS管的寄生三极管效应。 如果电路偶尔中出现了能够使三极管开通的条件, 这个寄生 的电路就会极大的影响正常电路的运作, 会使原本的MOS电 路承受比正常工作大得多的电流, 可能使电路迅速的烧毁。 闩锁效应在大线宽的工艺上作用并不明显, 而线宽越小, 寄生 三极管的反应电压越低, 闩锁效应的影响就越明显。 闩锁效应被称为继电子迁移效应之后新的“CPU杀手”。防 止MOS电路设计中Latch-up效应的产生已成为IC设计界的重 要课题。
《半导体材料》课件
N型半导体
通过向半导体中掺入五价杂质，可以形成具有负 电荷的N型半导体。
PN结
PN结是由P型和N型半导体材料结合而成的结构， 具有重要的电子器件应用。
二极管
二极管是一种基本的半导体器件。它具有只允许 单向电流通过的特性。
4. 高级半导体器件
M Oபைடு நூலகம்FET
MOSFET是一种基于半导体材料 的重要集成电路组件，广泛应用 于电子设备中。
光电二极管
光电二极管是一种半导体器件， 可以将光能转换为电能，广泛用 于通信和光电领域。
激光二极管
激光二极管是利用半导体材料产 生激光的器件，应用于激光打印 机、激光通信等领域。
5. 应用领域
计算机芯片
半导体材料是计算机 芯片制造的基础，推 动了电子产品的快速 发展。
通信设备
半导体器件在无线通 信、移动通信等领域 中发挥着重要的作用。
光电子器件
光电子器件利用半导 体材料的特性，实现 光信号的检测和处理。
新能源领域
半导体材料在太阳能 电池、燃料电池等新 能源领域有着广泛的 应用。
6. 总结
半导体材料具有独特的电性能和广泛的应用。通过了解半导体的基本概念和器件原理，我们可以更好地理解现 代电子技术的发展和应用。期待未来半导体材料的更多突破和创新！
2. 基本概念
1 价带和导带
半导体中的价带和导带决定了电子的能量状态和传导性质。
2 禁带宽度
禁带宽度是指价带和导带之间的能量间隔，影响了半导体的导电性。
3 掺杂
通过掺杂杂质，可以改变半导体的导电性能，使其成为P型或N型半导体。
3. 掺杂与半导体器件
P型半导体
通过向半导体中掺入三价杂质，可以形成具有正 电荷的P型半导体。
半导体材料最新ppt课件[文字可编辑]
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1.2.2 化合物半导体：
?化合物半导体材料的种类繁多，性能各异，因此用途也就多种多样。 ?化合物半导体按其构成的元素数量可分为二元、三元、四元等。 ?按其构成元素在元素周期表中的位置可分为III-V 族、II-IV-V族等等。 ?如果要问哪些化合物是半导体，哪些不是，有没有规律性？应该回答说，规律性 是有的，但还没有找到一个严密的公式可以毫无例外地判断某个化合物是否属于半 导体。 ?常用的方法是先找到一个已知的化合物半导体，然后按元素周期表的规律进行替 换（参照图1.1） 。
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 ）。
薄膜在半导体材料中占有重要的地位。 ?在熔体生长单晶的方法出现不久，就开始了汽相生长薄膜的工作。但直到硅晶 体管的平面工艺出现以后，硅的外延生长才被提上了日程，因为这种器件要求 在一个有一定的厚度的低电阻率的硅片上，有一较高电阻率单晶的薄层。 ?发展起来的化学汽相外延法，一直到今天仍旧是生产硅外延片的唯一的方法。 外延技术给化合物半导体解决了一系列晶体制备的难题，包括提高纯度、降低 缺陷、改善化学配比、制作固溶体或异质结等。 ?一些微波二极管、激光管、发光管、探测器等，都是在外延片上作成的。 ?除采用化汽相外延法外，又于1963年开发成功了液相外延，不久又出现了金 属有机化学汽相外延等。 ?1969年在美国工作的江畸玲于奈和朱肇祥首先提出了超晶格的概念，用当时 的晶体生长与外延技术是生长不出这种材料的，因为它要求材料有原子级的精 度。 ?为此研究成功了分子束外延，用此方法于1972年生长出超晶格材料。 从此开始了半导体的性能在微观尺度上的可剪裁阶段。
《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。
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随着信息技术的飞速发展，SOI技术在高速微电子 器件、低压/低功耗器件、抗辐照电路、高温电子 器件、微机械（MEMS）以及光通信器件等主流 商用信息技术领域的优势逐渐凸现，被国际上公 认为是“二十一世纪的微电子技术”、“新一代 硅”。
SOI是Silicon－on－Insulator的缩写，称绝缘 硅
F4
在同一工作频率下，器件的功耗随着优值F4 的增加而减少，工作频率越高，下降幅度 越大
对同一材料所制器件的最小功耗随着工作 频率提高而增大
F4越大，器件的功耗越低
8.1.5 热性能优值
反映了某种材料所制作的功率器件在高温 工作状态下的优值，三个热性能优值：
QF1 Eb3 QF 2 Eb4 QF 3 Eb3
非晶硅Si
非晶硅Si:H带隙中同时具有受主型和施主型 局域能带，具有俘获正负离子的双重作用
非晶硅Si:H本身是电中性的，遇到电场干扰 或者正负离子污染时，在表面感应电荷， 起到屏蔽作用
非晶硅Si:H膜与单晶硅的晶体结构和热膨胀 行为接近，用非晶硅Si:H钝化后的器件界面 力学性能稳定，没有内应力
频率和功率的乘积
fTVm
EbVs
2
第一材料优值
F1 EbVs
约翰逊优值或者第一材料优值越大，材料 的功率和工作频率越高
8.1.2 凯斯优值
高频器件的尺寸受到热导率的限制，凯斯优值评价材 料在制作高速器件时适合程度的量化标准
K (Vb )2
为材料的相对介电常数
为热导率，反映了材料的热性质对晶体管开关性
随着芯片特诊尺寸跨入纳米尺度后，临近半导体物理器件 的极限问题接踵而来，如电容损耗、漏电流增大、噪声提 升、闩锁效应和短沟道效应等。
为了克服这些问题，SOI技术应运而生。 作为标准CMOS工艺的一种改进技术，SOI技术通过在两
层硅基板之间封入一个绝缘的氧化层(这与大容量CMOS工 艺技术恰好相反)，从而将活跃的晶体管元件相互隔离。 S晶iO体2埋管层门能电有路效，地不使让电多子余从的一电个子晶渗体漏管到门硅电晶路圆流上到。另一个
8.4 非晶硅的优点
非晶硅薄膜是器件和电路加工所用表面钝 化膜材料之一
对活性半导体表面进行钝化对提供器件性 能、增强器件和电路的稳定性、可靠性； 提高其封装成品率等有重要作用
能带模型
短程有序－－基本能带 长程无序－－定域态带尾 悬挂键－－带隙中间形成隙态
非晶硅钝化机理和特点
非晶硅Si:H膜致密性好，对水气和碱金属离 子等有很好的掩蔽作用
闩锁效应，又称寄生PNPN效应
CMOS管的下面会构成多个三极管, 这些三极管自身就可能 构成一个电路。这就是MOS管的寄生三极管效应。
如果电路偶尔中出现了能够使三极管开通的条件, 这个寄生 的电路就会极大的影响正常电路的运作, 会使原本的MOS电 路承受比正常工作大得多的电流, 可能使电路迅速的烧毁。
8.5 SiGe/Si固溶体
能带工程－－－固溶体
异质结－－－基极材料和发射极材料
HBT－－异质结双结晶体管 FET－－场效应晶体管 TFT－－薄膜晶体管 CMOS－－金属/氧化物/半导体晶体管
8.6 绝缘体硅材料（SOI）
绝缘体上硅片(silicon-on-insulator，SOI) 技术是一 种在硅材料与硅集成电路巨大成功的基础上出现、 有其独特优势、能突破硅材料与硅集成电路限制 的新技术。
能的限制，凯斯优值越大，器件尺寸越小
金刚石 30.77
8.1.3 巴利加优值
评价材料用于大功率开关器件的潜力
B Eb3
巴利加优值越大，器件功率越大 GaN 385.8
8.1.4 高频器件用材料优值
器件的最小功耗
RonCin
1
Eb2
第四材料优值F4为材料的高频器件优值
F4 Eb2
闩锁效应在大线宽的工艺上作用并不明显, 而线宽越小, 寄生 三极管的反应电压越低, 闩锁效应的影响就越明显。
闩锁效应被称为继电子迁移效应之后新的“CPU杀手”。防 止MOS电路设计中Latch-up效应的产生已成为IC设计界的重 要课题。
SOI器件具有寄生电容小、短沟道效应小、速度快、 集成度高、功耗低、耐高温、抗辐射等优点，越 来越受业界的青睐；
第八章 半导体电子材料
8.1 材料优值的概念
某类器件究竟采用哪种材料更合适？
材料的某些基本性质决定的材料优值，并 用此材料优值来定量比较
常用的几种材料优值
约翰逊优值 凯斯优值 巴利加优值 高频器件用材料优值 热性能优值
8.1.1 约翰逊优值
J ( EbVs )2
最大输出功率：电压 最高工作频率：载流子的速度 结电容一定时，功率和频率的乘积为常数
SOI材料的分类
Si/绝缘体结构
8.2 硅材料的优点
资源丰富、易于提高到极纯的纯度 较易生长出大直径无位错单晶 易于对进行可控n型和p型掺杂 易于通过沉积工艺制备出单晶硅、多晶硅
和非晶硅薄膜材料
易于进行腐蚀加工 带隙大小适中 硅有相当好的力学性能 硅本身是一种稳定的绿色材料
可利用多种金属和掺杂条件在硅上制备低 阻欧姆接触
世界项级半导体厂商IBM，英特尔、TI、飞思卡 尔、飞利浦、AMD、台积电和三菱等先后采用 SOI技术生产各种SOI IC。
为此，SOI市场发展迅速。
8.6.1 SOI结构
SOI中“工程化的”基板由以下三层构成：
（1）薄薄的单晶硅顶层，在其上形成蚀刻电路
（2）相当薄的绝缘二氧化硅中间层
（3）非常厚的体型衬底硅衬底层，其主要作用是 为上面的两层提供机械支撑。
容易截断或者解理硅晶体
硅表面上很容易制备高质量的介电层－－ SiO2
8.3 多晶硅的优点
多晶硅具有接近单晶硅材料的载流子迁移 率和象非晶硅那样进行大面积低成本制备 的优点
重掺杂的多晶硅薄膜作为电容器的极板、 浮栅、电极等
轻掺杂的多晶硅薄膜常用于MOS存储器的 负载电阻和其他电阻器
多晶硅薄膜由于具有比非晶硅TFT更高的载 流子迁移率、更快的开关速度、更高的电 流驱动能力、可与CMOS工艺兼容等特点
SOI是Silicon－on－Insulator的缩写，称绝缘 硅
F4
在同一工作频率下，器件的功耗随着优值F4 的增加而减少，工作频率越高，下降幅度 越大
对同一材料所制器件的最小功耗随着工作 频率提高而增大
F4越大，器件的功耗越低
8.1.5 热性能优值
反映了某种材料所制作的功率器件在高温 工作状态下的优值，三个热性能优值：
QF1 Eb3 QF 2 Eb4 QF 3 Eb3
非晶硅Si
非晶硅Si:H带隙中同时具有受主型和施主型 局域能带，具有俘获正负离子的双重作用
非晶硅Si:H本身是电中性的，遇到电场干扰 或者正负离子污染时，在表面感应电荷， 起到屏蔽作用
非晶硅Si:H膜与单晶硅的晶体结构和热膨胀 行为接近，用非晶硅Si:H钝化后的器件界面 力学性能稳定，没有内应力
频率和功率的乘积
fTVm
EbVs
2
第一材料优值
F1 EbVs
约翰逊优值或者第一材料优值越大，材料 的功率和工作频率越高
8.1.2 凯斯优值
高频器件的尺寸受到热导率的限制，凯斯优值评价材 料在制作高速器件时适合程度的量化标准
K (Vb )2
为材料的相对介电常数
为热导率，反映了材料的热性质对晶体管开关性
随着芯片特诊尺寸跨入纳米尺度后，临近半导体物理器件 的极限问题接踵而来，如电容损耗、漏电流增大、噪声提 升、闩锁效应和短沟道效应等。
为了克服这些问题，SOI技术应运而生。 作为标准CMOS工艺的一种改进技术，SOI技术通过在两
层硅基板之间封入一个绝缘的氧化层(这与大容量CMOS工 艺技术恰好相反)，从而将活跃的晶体管元件相互隔离。 S晶iO体2埋管层门能电有路效，地不使让电多子余从的一电个子晶渗体漏管到门硅电晶路圆流上到。另一个
8.4 非晶硅的优点
非晶硅薄膜是器件和电路加工所用表面钝 化膜材料之一
对活性半导体表面进行钝化对提供器件性 能、增强器件和电路的稳定性、可靠性； 提高其封装成品率等有重要作用
能带模型
短程有序－－基本能带 长程无序－－定域态带尾 悬挂键－－带隙中间形成隙态
非晶硅钝化机理和特点
非晶硅Si:H膜致密性好，对水气和碱金属离 子等有很好的掩蔽作用
闩锁效应，又称寄生PNPN效应
CMOS管的下面会构成多个三极管, 这些三极管自身就可能 构成一个电路。这就是MOS管的寄生三极管效应。
如果电路偶尔中出现了能够使三极管开通的条件, 这个寄生 的电路就会极大的影响正常电路的运作, 会使原本的MOS电 路承受比正常工作大得多的电流, 可能使电路迅速的烧毁。
8.5 SiGe/Si固溶体
能带工程－－－固溶体
异质结－－－基极材料和发射极材料
HBT－－异质结双结晶体管 FET－－场效应晶体管 TFT－－薄膜晶体管 CMOS－－金属/氧化物/半导体晶体管
8.6 绝缘体硅材料（SOI）
绝缘体上硅片(silicon-on-insulator，SOI) 技术是一 种在硅材料与硅集成电路巨大成功的基础上出现、 有其独特优势、能突破硅材料与硅集成电路限制 的新技术。
能的限制，凯斯优值越大，器件尺寸越小
金刚石 30.77
8.1.3 巴利加优值
评价材料用于大功率开关器件的潜力
B Eb3
巴利加优值越大，器件功率越大 GaN 385.8
8.1.4 高频器件用材料优值
器件的最小功耗
RonCin
1
Eb2
第四材料优值F4为材料的高频器件优值
F4 Eb2
闩锁效应在大线宽的工艺上作用并不明显, 而线宽越小, 寄生 三极管的反应电压越低, 闩锁效应的影响就越明显。
闩锁效应被称为继电子迁移效应之后新的“CPU杀手”。防 止MOS电路设计中Latch-up效应的产生已成为IC设计界的重 要课题。
SOI器件具有寄生电容小、短沟道效应小、速度快、 集成度高、功耗低、耐高温、抗辐射等优点，越 来越受业界的青睐；
第八章 半导体电子材料
8.1 材料优值的概念
某类器件究竟采用哪种材料更合适？
材料的某些基本性质决定的材料优值，并 用此材料优值来定量比较
常用的几种材料优值
约翰逊优值 凯斯优值 巴利加优值 高频器件用材料优值 热性能优值
8.1.1 约翰逊优值
J ( EbVs )2
最大输出功率：电压 最高工作频率：载流子的速度 结电容一定时，功率和频率的乘积为常数
SOI材料的分类
Si/绝缘体结构
8.2 硅材料的优点
资源丰富、易于提高到极纯的纯度 较易生长出大直径无位错单晶 易于对进行可控n型和p型掺杂 易于通过沉积工艺制备出单晶硅、多晶硅
和非晶硅薄膜材料
易于进行腐蚀加工 带隙大小适中 硅有相当好的力学性能 硅本身是一种稳定的绿色材料
可利用多种金属和掺杂条件在硅上制备低 阻欧姆接触
世界项级半导体厂商IBM，英特尔、TI、飞思卡 尔、飞利浦、AMD、台积电和三菱等先后采用 SOI技术生产各种SOI IC。
为此，SOI市场发展迅速。
8.6.1 SOI结构
SOI中“工程化的”基板由以下三层构成：
（1）薄薄的单晶硅顶层，在其上形成蚀刻电路
（2）相当薄的绝缘二氧化硅中间层
（3）非常厚的体型衬底硅衬底层，其主要作用是 为上面的两层提供机械支撑。
容易截断或者解理硅晶体
硅表面上很容易制备高质量的介电层－－ SiO2
8.3 多晶硅的优点
多晶硅具有接近单晶硅材料的载流子迁移 率和象非晶硅那样进行大面积低成本制备 的优点
重掺杂的多晶硅薄膜作为电容器的极板、 浮栅、电极等
轻掺杂的多晶硅薄膜常用于MOS存储器的 负载电阻和其他电阻器
多晶硅薄膜由于具有比非晶硅TFT更高的载 流子迁移率、更快的开关速度、更高的电 流驱动能力、可与CMOS工艺兼容等特点