【精品课件】型硅基集成微电子及光电子材料
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。
《硅半导体材料基础》课件
目录
• 硅半导体材料的简介 • 硅半导体的物理性质 • 硅半导体的晶体结构 • 硅半导体的制备方法 • 硅半导体在电子工业中的应用 • 未来硅半导体材料的发展趋势与挑战
01
硅半导体材料的简介
硅的发现与特性
硅的发现
硅元素是在1824年由雅各布·贝采利 乌斯首次从硅酸钾中分离出来的。
非晶硅的结构
原子排列短程有序
非晶硅的原子排列呈现短程有序的结构，即局部区域内的 原子排列与单晶硅相似，但整体上缺乏长程有序的结构。
不具备完整的晶体结构
非晶硅不具有完整的晶体结构，其原子排列在空间中不连 续，没有明显的结晶轴和晶格振动。
光学和电学性能各异
非晶硅在光学和电学性能方面表现出与单晶硅不同的特性 ，例如其透光性和导电能力较差，但在某些应用领域仍具 有重要价值。
异质结构
利用不同材料的组合，形 成异质结构，实现优势互 补，提高半导体性能。
低维材料
研究二维、一维和零维的 硅基材料，探索其在光电 器件和电子器件中的应用 。
提高硅半导体的性能与稳定性
掺杂技术
通过优化掺杂技术，提高 硅半导体的导电性能和稳 定性。
表面处理
研究表面处理技术，改善 硅半导体的表面质量和稳 定性。
硅半导体的热导率较高，有利于热量的传递 和散发。
热容
硅半导体的热容随温度升高而增大，与其晶 格结构和原子振动有关。
热膨胀系数
硅半导体的热膨胀系数较低，对其机械稳定 性和可靠性有一定影响。
热稳定性
硅半导体的热稳定性较好，能够在较高温度 下保持其结构和性能的稳定性。
03
硅半导体的晶体结构
单晶硅的结构
04
硅半导体的制备方法
SOI及其制备工艺ppt
外延层质量差
可能是由于外延层沉积温度过高或过低、气体流 量不稳定等因素造成的。解决方法是控制外延设 备参数，保证外延层的质量。
硅片表面裂纹
可能是由于划片过程中参数设置不当或封装测试 过程中温度和压力控制不当造成的。解决方法是 控制划片和封装测试工艺参数，避免硅片表面产 生裂纹。
THANK YOU.
技术特点
该工艺具有剥离速度快、剥离精 度高、对衬底损伤小等优点，同 时可实现自动化生产。
应用领域
广泛应用于高质量SOI结构的制 备，如高频率、高功率器件和集 成电路等。
03
SOI材料性能及特性
SOI材料的物理性能
晶格结构
SOI材料的晶格结构通常是SiC或SiO2，具有高熔点、高弹性模 量和低热膨胀系数等特点。
02
紫外线和红外线防 护性
SOI材料能够阻挡紫外线和红外 线等短波长辐射，具有较好的防 护作用。
03
高温下的光学性能
SOI材料在高温下仍能保持良好 的光学性能，具有较高的应用价 值。
04
SOI的未来发展及前景
SOI技术的发展趋势
高速、高压、高温技术
为满足电力电子器件高效率、高频、高温工作需求，SOI技术将向高速、高压、高温方向发展。
制备工艺操作步骤及注意事项
• 硅片清洗时，需要控制清洗液的温度和时间，以避免硅片表面产生划痕和氧化。 • 热氧化时，需要控制氧气或水蒸气的流量和温度，以获得高质量的二氧化硅膜。 • 外延生长时，需要控制沉积温度和压力，以获得高质量的外延层。 • 离子注入时，需要控制注入的杂质种类和剂量，以获得所需的电学性能。 • 退火时，需要控制退火温度和时间，以获得均匀的杂质分布和良好的晶体质量。 • 划片时，需要控制切割设备和工艺参数，以避免硅片表面产生裂纹和破损。 • 封装测试时，需要进行有效的质量检测和可靠性评估，以保证产品的质量和可靠性。
生长硅基siox集成光波导材料_概述说明以及解释
生长硅基siox集成光波导材料概述说明以及解释1. 引言1.1 概述生长硅基SiOx集成光波导材料是一种在光通信领域应用广泛的材料。
它具有优秀的光学性能和可靠的物理特性，因此被广泛用于集成光学器件和集成光电子设备中。
本文将对生长硅基SiOx集成光波导材料进行全面的概述，包括其生长方法、材料特性以及在光通信领域的应用。
1.2 文章结构本文主要分为五个部分。
首先，在引言部分，我们将概述生长硅基SiOx集成光波导材料的研究背景和意义。
接着，在第二部分，我们将详细介绍生长硅基SiOx 集成光波导材料的方法以及其相关特性。
然后，在第三部分，我们将对生长硅基SiOx材料的发展历程、在光通信领域的应用以及其未来前景进行概述说明。
接下来，在第四部分，我们将解释在生长硅基SiOx集成光波导过程中所面临的挑战，并提出相应的解决方案和技术创新。
最后，在第五部分，我们将总结本文的主要观点，并对未来发展提出展望和建议。
1.3 目的本文的目的是全面介绍生长硅基SiOx集成光波导材料以及其在光通信领域中的应用。
通过对该材料的概述说明和解释挑战与解决方案，读者可以更好地理解该材料的特性和优势，并了解到在光通信领域中进一步推动其应用所需采取的策略。
这将有助于促进该材料在光学器件领域的发展，并为未来开发更高性能、更可靠的集成光电子设备奠定基础。
2. 生长硅基siox集成光波导材料2.1 生长方法：生长硅基siox集成光波导材料通常采用化学气相沉积(CVD)方法。
CVD是一种常用的生长方法，通过控制气相中气体的流量和反应温度，使其在硅基衬底上形成薄膜。
在CVD过程中，通常使用有机金属前驱物（如TES、TEOS等）作为硅源。
这些前驱物被分解后，在衬底表面沉积出富含硅的薄膜。
同时，通过加入适当的掺杂剂（如Be、P等）可以实现杂质掺杂，以调节siox材料的性能。
2.2 硅基siox材料特性：生长硅基siox集成光波导材料具有多种特性。
首先，它具有极高的折射率，使其能够有效地限制光信号在波导内部传播，并提供较高的耦合效率。
硅基光电子学中的SOI材料
硅基光电子学中的SOI材料陈媛媛【摘要】SOI material is an important kind of optical waveguide materials for silicon-based optoelectronics applications. In this paper,the common preparation methods of SOI materials,including SIMOX-SOI,BE-SOI,Smart Cut,are introduced at first and their different characteristics are compared. Then, the common technology to make optical waveguide using SOI materials,including photolithography and etching,are introduced. Among which,the etching technology is divided into wet-etching and dry-etching.%SOI材料是近年来应用于硅基光电子学中的一种重要的光波导材料.本文首先简要介绍了常见的SOI材料的制备方法,包括注氧隔离(SIMOX-SOI)、硅键合背面腐蚀(BE-SOI)和注氢智能剥离(Smart Cut)等,并比较了它们各自的特点和优劣.其次介绍了SOI材料加工制造波导的基本工艺,包括光刻和刻蚀,其中刻蚀又分为干法刻蚀和湿法腐蚀.【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2011(041)009【总页数】5页(P943-947)【关键词】硅基;光电子学;SOI;光波导材料;光波导器件【作者】陈媛媛【作者单位】北京工商大学计算机与信息工程学院,北京100048【正文语种】中文【中图分类】TN2521 引言SOI材料早期主要是应用于微电子学技术中，利用SOI材料可以制作各种高性能及抗辐射电子电路。
新型硅基集成微电子及光电子材料62页PPT
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❖ 知识就是财富 ❖ 丰富你的人生
71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
1、不要轻言放弃，否则对不起自己。
2、要冒一次险!整个生命就是一场冒险。走得最远的人，常是愿意 去做，并愿意去冒险的人。“稳妥”之船，从未能从岸边走远。-戴尔．卡耐基。
梦 境
3、人生就像一杯没有加糖的咖啡，喝起来是苦涩的，回味起来却有 久久不会退去的余香。
新型硅基集成微电子及光电子材料 4、守业的最好办法就是不断的发展。 5、当爱不能完美，我宁愿选择无悔，不管来生多么美丽，我不愿失 去今生对你的记忆，我不求天长地久的美景，我只要生生世世的轮 回里有你。
《微电子技术》课件
微电子技术用于制造军事设备 ，如导弹制导系统、雷达、通
信设备等。
微电子技术的发展趋势
纳米技术
随着芯片上元件尺寸的 不断缩小，纳米技术成 为微电子技术的重要发
展方向。
3D集成
通过将多个芯片垂直集 成在一起，实现更高的
性能和更低的功耗。
柔性电子
柔性电子是将电子器件 制造在柔性材料上的技 术，具有可弯曲、可折
将杂质元素引入半导体材料中的 技术。
离子注入掺杂
利用离子注入机将杂质离子注入 到半导体材料中的技术。
化学气相掺杂
利用化学气相沉积的方法，将含 有杂质元素的化合物沉积到半导
体材料中的技术。
04
集成电路设计
集成电路设计流程
需求分析
明确设计要求，分析性能指标，确定设计规 模和复杂度。
逻辑设计
根据规格说明书，进行逻辑设计，包括算法 设计、逻辑电路设计等。
《微电子技术》 ppt课件
contents
目录
• 微电子技术概述 • 微电子器件 • 微电子工艺技术 • 集成电路设计 • 微电子封装技术 • 微电子技术发展面临的挑战与机遇
01
微电子技术概述
微电子技术的定义
微电子技术是一门研究在微小 尺寸下制造电子器件和系统的 技术。
它涉及到利用半导体材料、器 件设计和制造工艺，将电子系 统集成在微小尺寸的芯片上。
02
微电子技术领域的竞争非常激烈，企业需要不断提升自身的技
术水平和产品质量，以获得竞争优势。
客户需求多样化
03
客户需求多样化，要求企业提供更加定制化的产品和服务，以
满足不同客户的需求。
新材料、新工艺的机遇
新材料的应用
新型硅基集成微电子及光电子材料PPT课件
栅介质的限制
超薄栅氧化层
随着 d 的缩小，栅漏电流呈 指数性增长
直接隧穿的泄漏电流 栅氧化层的势垒
d d限制： 3 ~ 2 nm
第25页/共60页
栅介质的限制
Dox
d多晶硅耗尽
+ d栅介质层
+ d量子效应
由多晶硅耗尽效应引起的等效厚度 : d多晶硅耗尽 ~ 0.5nm 由量子效应引起的等效厚度: d量子效应 ~ 0.5nm
2 /Degree
第51页/共60页
五.硅基光电子材料
• Si在微电子领域占据绝对主导地位 • 至今为止，Si在光电子领域没有得到应有的应用。
• Si是间接带隙半导体，不发光。 • Si光电二极管/Si光/ Si太阳能电池 • 但是，利用成熟的硅IC工艺，实现Si基集成发光的努力从来就没有停止。
14
第14页/共60页
等比例缩小定律
• 1974年由Dennard提出 • 基本指导思想是：保持MOS器件内部 电场不变：恒定电场规律（CE律）
• 等比例缩小器件的纵向、横向尺寸，以增加跨导和减少负载电容，提高集成 电路的性能
• 电源电压也要缩小相同的倍数
第15页/共60页
CE律的问题
• 阈值电压不可能缩的太小 • 源漏耗尽区宽度不可能按比例缩小 • 电源电压标准的改变会带来很大的不便
倍
第8页/共60页
IC类型(按器件结构分)
• 双极型IC：主要由双极三极管构成
• NPN型 • PNP型
优点是速度高、驱动能力强， 缺点是功耗较大、集成度较低
• MOS型IC：主要由M功O耗S低三、极集管成度构高成，随着特征
尺寸的缩小，速度也可以很高 • NMOS
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QCE(准恒场)律 1/ / / 2/ 1/ 1/ 3/2 3 2/3 1/2 2
21世纪微电子技术的 三个发展方向
特征尺寸继续等比例缩小 IC发展成为片上系统(SOC) 微电子技术与其它领域相结合将产生新的产
业和新的学科，例如MEMS、DNA芯片等
我国微电子发展情况（南昌）
晶湛科技有限公司
国内第六条8英寸生产线
江西联创光电公司
国家 “铟镓氮LED外延片、芯片产业化” 示范工程企业，国家半导体照明工程产业 化南昌基地核心企业
晶能（LatticePower）公司
硅基蓝光LED生产线
我国年微电子发展展望
21世纪初叶是我国微电子 产业的黄金时期!
新型硅基集成微电子及 光电子材料
主要内容
➢微电子的发展规律与现状 ➢0.13微米以下面临的问题及可能的解决办法 ➢高K介质材料 ➢缓冲层或隔离层材料 ➢Si基发光材料 ➢工作设想
一. 微电子技术发展的规律及现状
Moore定律 等比例缩小(Scaling-down)定律
微电子技术发展的ROADMAP
300 2109
1G
1G 10-6
比率 140
3
60 3108
106
>103 107
Moore定律
性能价格比
在过去的20年中，改进了1,000,000倍 在今后的20年中，还将改进1,000,000倍
IC类型(按器件结构分)
双极型IC：主要由双极三极管构成
NPN型 PNP型
优点是速度高、驱动能力强， 缺点是功耗较大、集成度较低
自 发 明 以来 ， IC
芯片的集成度每
三年提高4倍，而
加工特征尺寸缩
2
小 2 倍。这就是
Intel 公 司 创 始 人
之一G. E. Moore
1965 年 总 结 的 规
律，被称为摩尔
定律。
Moore定律
1965年Intel公司的创始人之一G.E. Moore预言IC产业的发展规律
集成电路的集成度每三年增长四倍， 特征尺寸每三年缩小 2 倍
MOS型IC：主要由MOS三极管构成
NMOS PMOS
CMOS
功耗低、集成度高，随着特征 尺寸的缩小，速度也可以很高
双极-MOS(BiMOS)型IC：综合了双极和MOS器件 两者的优点，但制作工艺复杂
目前，采用CMOS工艺制作的IC器件占总数的 90%以上
我国年微电子发展情况
上海中芯国际：8英寸，0.25微米 上海宏力: 8英寸，0.25微米 北京华夏半导体: 8英寸，0.25微米 天津Motorola: 8英寸，0.25微米 上海贝岭: 华虹NEC：
等比例缩小定律
1974年由Dennard提出 基本指导思想是：保持MOS器件内部
电场不变：恒定电场规律（CE律）
等比例缩小器件的纵向、横向尺寸，以增加跨 导和减少负载电容，提高集成电路的性能
电源电压也要缩小相同的倍数
CE律的问题
阈值电压不可能缩的太小 源漏耗尽区宽度不可能按比例缩小 电源电压标准的改变会带来很大的不便
新结构与新材料
新型器件结构 新型材料体系
➢高K介质 ➢金属栅电极 ➢低K介质
栅介质的限制
传统的栅结构
硅化物 重掺杂多晶硅
SiO2
经验关系: LTox Xj1/3
对 栅 介 质 层 的 要 求
年份
1999 2001 2003 2006 2009
Moore定律
1965年，G. Moore 预测半导体芯片上的晶体管 数目每两年翻两番
10 G 1G
100 M 10 M 1M 100 K 10 K 1K 0.1 K 1970
存储器容量 60%/年 每三年，翻两番
1980
1990
2000 2010
微处理器的性能
100 G8080来自808680286 80386
微电子的特点
微电子中的空间尺度以m和纳米nm为单位。 微电子学是信息领域的重要基础学科,它以实
现电路和系统的集成为目的。同时, 微电子学 也是一门综合性很强的学科
涉及了固体物理学、量子力学、热力学与统计物理学、材 料科学、电子线路、信号处理、计算机辅助设计、测试与 加工、图论、化学等多个学科
微电子有很强的渗透性，它可以是与其他技术 结合而诞生出一系列新的产物，例如微机电系 统(MEMS)、生物芯片等
二.特征尺寸缩小到0.13m以下 面临的问题
微细加工技术
目前0.18m和0.13m已开始进入大 生产
在90nm-65nm阶段，最关键的加工 工艺—光刻技术还是一个大问题，尚 未完全解决
互连技术
铜互连已在0.25/0.18um技术代中使 用；但是在0.13um以下，铜互连与 低介电常数绝缘材料共同使用时的可 靠性问题还有待研究开发
器件尺寸将缩小倍，而电源电压则只变 为原来的/倍
参数 器件尺寸L, W, tox等
电源电压 掺杂浓度 阈值电压
电流 负载电容 电场强度 门延迟时间
功耗 功耗密度 功耗延迟积
栅电容 面积 集成密度
CE(恒场)律 1/ 1/ 1/ 1/ 1/ 1 1/ 1/2 1 1/3 1/2 2
CV(恒压)律 1/ 1 2 1
10 G 1G
100 M 10 M
Peak Advertised Performance
(PAP) Real Applied Performance
(RAP) 41% Growth
Moore’s
1M
Law
80486 Pentium PentiumPro
Kilo 1970
1980
1990
2000
2010
恒定电压等比例缩小规律(CV律)
保持电源电压Vds和阈值电压Vth不变， 对其它参数进行等比例缩小。
准恒定电场定律（QCE律）
CE律和CV律的折中，20世纪采用的最多
随着器件尺寸的进一步缩小，强电场、高 功耗以及功耗密度等引起的各种问题限制 了按CV律进一步缩小的规则，电源电压必 须降低。同时又为了不使阈值电压太低而 影响电路的性能，实际上电源电压降低的 比例通常小于器件尺寸的缩小比例
IC技术是近50年来发展最快的技术
年份 特征参数
设计规则m 电源电压 V DD(伏 ）
硅片直径尺寸 （mm） 集成度
D R A M 密 度 （ bit)
微处理器时钟频 率 (H z)
平均晶体管价格$
1959 25 5 5 6
10
1970-1971 8 5
30 2103
1K
750K 0.3
2000 0.18 1.5