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&半導(dǎo)體材料物理與技術(shù) 版權(quán)信息
- ISBN：9787030627322
- 條形碼：9787030627322 ; 978-7-03-062732-2
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊(cè)數(shù)：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
&半導(dǎo)體材料物理與技術(shù) 內(nèi)容簡(jiǎn)介
半導(dǎo)體材料是二級(jí)學(xué)科“微電子與固體電子學(xué)”的一個(gè)分支學(xué)科，《半導(dǎo)體材料物理與技術(shù)》將這一分支學(xué)科的專業(yè)知識(shí)劃分為半導(dǎo)體材料概述、物理性能、晶體生長(zhǎng)、熱處理、性能測(cè)量和工藝基礎(chǔ)技術(shù)6個(gè)組成部分，通過把分散在眾多教科書、專著和文獻(xiàn)資料中的專業(yè)知識(shí)系統(tǒng)地納入這一學(xué)科體系框架，使之成為一本全面介紹半導(dǎo)體材料物理知識(shí)、工藝基本原理和實(shí)用化技術(shù)的專業(yè)書籍。由于篇幅的限制，《半導(dǎo)體材料物理與技術(shù)》并未深入涉及物理學(xué)基本原理的推導(dǎo)、各種材料的性能參數(shù)和各類制備工藝的技術(shù)細(xì)節(jié)，需要時(shí)讀者可運(yùn)用搜索引擎來獲取相關(guān)的內(nèi)容。
&半導(dǎo)體材料物理與技術(shù) 目錄
目錄
前言
第1章 概述 1
1.1 半導(dǎo)體材料 2
1.2 半導(dǎo)體材料物理與技術(shù) 4
1.2.1 半導(dǎo)體材料的物理基礎(chǔ) 4
1.2.2 半導(dǎo)體材料的物理性能 6
1.2.3 半導(dǎo)體材料的制備技術(shù) 8
1.3 半導(dǎo)體材料的應(yīng)用 9
第2章 半導(dǎo)體材料的物理性能 17
2.1 晶體材料的原子結(jié)構(gòu) 18
2.2 材料的成分參數(shù) 21
2.3 材料的宏觀結(jié)構(gòu)特性 21
2.4 材料中電子的能帶結(jié)構(gòu) 22
2.5 缺陷性能 33
2.5.1 點(diǎn)缺陷 33
2.5.2 線缺陷 34
2.5.3 面缺陷 36
2.5.4 界面缺陷 37
2.5.5 體缺陷 38
2.5.6 表面缺陷 38
2.6 表面與界面性能 39
2.7 電學(xué)性能 41
2.7.1 平衡態(tài)下材料的電學(xué)特性 42
2.7.2 外場(chǎng)作用下的材料電學(xué)特性 46
2.7.3 非平衡態(tài)下的材料電學(xué)特性 48
2.7.4 載流子的碰撞電離特性 52
2.7.5 壓電特性 52
2.8 光學(xué)性能 52
2.8.1 光在材料中的傳播特性 53
2.8.2 材料的光吸收特性 53
2.8.3 材料的輻射特性 55
2.8.4 材料表面的光散射特性 56
2.9 磁學(xué)性能 56
2.10 力學(xué)性能 57
2.11 材料性能的非均勻性 58
2.12 熱學(xué)與熱力學(xué)性能 58
2.12.1 熱學(xué)性能 58
2.12.2 相圖 59
2.12.3 缺陷化學(xué)理論及其相關(guān)的材料熱力學(xué)常數(shù) 64
2.12.4 材料中原子的擴(kuò)散特性 65
第3章 半導(dǎo)體材料的生長(zhǎng) 71
3.1 晶體生長(zhǎng)的基礎(chǔ)理論 71
3.1.1 生長(zhǎng)方式與驅(qū)動(dòng)力 72
3.1.2 成核理論 73
3.1.3 生長(zhǎng)速率和生長(zhǎng)模式 75
3.1.4 平衡形態(tài)理論 78
3.1.5 生長(zhǎng)過程中的傳輸理論 79
3.2 體晶材料的生長(zhǎng)技術(shù) 82
3.2.1 布里奇曼法 83
3.2.2 區(qū)熔法 92
3.2.3 切克勞斯基法 94
3.2.4 物理氣相傳輸法 100
3.3 外延材料的生長(zhǎng)技術(shù) 102
3.3.1 液相外延 104
3.3.2 分子束外延 110
3.3.3 金屬有機(jī)氣相沉積 123
3.3.4 其他一些氣相外延技術(shù) 130
3.4 低維材料生長(zhǎng)技術(shù)簡(jiǎn)介 132
第4章 半導(dǎo)體材料的熱處理 137
4.1 熱處理的基本原理 137
4.1.1 相平衡熱處理 137
4.1.2 非平衡熱處理 141
4.1.3 熱處理過程中原子運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律 141
4.2 熱處理工藝的實(shí)現(xiàn)方式 142
4.2.1 閉管熱處理 142
4.2.2 開管熱處理 143
4.2.3 快速降溫?zé)崽幚?146
4.2.4 快速熱處理 146
4.2.5 高低溫循環(huán)熱處理 147
4.2.6 高壓熱處理 147
4.2.7 多源熱處理 148
4.2.8 離子源熱處理 150
4.3 半導(dǎo)體材料熱處理的實(shí)際應(yīng)用 151
4.3.1 本征點(diǎn)缺陷種類和濃度的調(diào)控 151
4.3.2 摻雜和雜質(zhì)性質(zhì)的調(diào)控 153
4.3.3 雜質(zhì)濃度和位錯(cuò)密度的降低 154
4.3.4 體缺陷尺寸的減小 154
4.3.5 化合物材料組分分布的調(diào)整 155
4.3.6 半導(dǎo)體材料界面特性的改善 156
4.3.7 材料的隔離？剝離和粘接 156
4.4 熱處理工藝的注意事項(xiàng) 156
第5章 半導(dǎo)體材料性能參數(shù)的測(cè)量 161
5.1 幾何結(jié)構(gòu)特性的測(cè)量 162
5.2 光學(xué)性能的測(cè)量 164
5.2.1 透射光譜的測(cè)量 166
5.2.2 反射光譜的測(cè)量 168
5.2.3 橢圓偏振光譜的測(cè)量 169
5.2.4 散射光譜的測(cè)量 171
5.2.5 光熒光光譜的測(cè)量 172
5.2.6 陰極熒光光譜的測(cè)量 173
5.3 電學(xué)性能的測(cè)量 173
5.3.1 電阻率的測(cè)量 174
5.3.2 載流子特性的測(cè)量 177
5.3.3 表面光電壓測(cè)量技術(shù) 184
5.3.4 光電導(dǎo)衰退法測(cè)量技術(shù) 185
5.3.5 微波反射法測(cè)量技術(shù) 186
5.3.6 光束誘導(dǎo)或電子束誘導(dǎo)電流的測(cè)量 188
5.3.7 深能級(jí)瞬態(tài)譜的測(cè)量 189
5.3.8 角分辨光電子能譜的測(cè)量 192
5.3.9 界面電學(xué)特性的測(cè)量 194
5.4 缺陷性能的測(cè)量 196
5.4.1 化學(xué)腐蝕法 196
5.4.2 熱腐蝕法 200
5.4.3 散射光激光掃描成像法 200
5.4.4 透射顯微鏡成像法 200
5.4.5 熱波法測(cè)量技術(shù) 201
5.5 材料晶格特性的測(cè)量 202
5.5.1 晶向測(cè)定技術(shù) 202
5.5.2 X光衍射技術(shù) 203
5.5.3 反射式高能電子衍射技術(shù) 211
5.5.4 與晶格特性相關(guān)的材料宏觀性能參數(shù)的測(cè)量 213
5.6 顯微結(jié)構(gòu)的測(cè)量 214
5.6.1 微分干涉相差顯微鏡 214
5.6.2 共聚焦顯微鏡 216
5.6.3 近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡 217
5.6.4 掃描力顯微鏡 218
5.6.5 電子顯微鏡 219
5.6.6 場(chǎng)離子顯微鏡 223
5.7 原子成分和濃度的測(cè)量 224
5.7.1 基于原子價(jià)電子躍遷的特征光譜測(cè)量技術(shù) 225
5.7.2 基于原子內(nèi)殼層電子躍遷的X射線特征光譜測(cè)量技術(shù) 227
5.7.3 基于被激發(fā)電子的能譜測(cè)量技術(shù) 228
5.7.4 基于質(zhì)譜分析的測(cè)量技術(shù) 229
5.8 熱力學(xué)特性的測(cè)量 237
5.8.1 差熱分析法 237
5.8.2 差示掃描量熱法 238
5.8.3 絕熱量熱法 239
5.8.4 熱流法(或熱板法)239
5.8.5 激光閃射法 239
5.8.6 熱膨脹系數(shù)的測(cè)量 240
第6章 半導(dǎo)體材料制備工藝的基礎(chǔ)技術(shù) 243
6.1 半導(dǎo)體工藝中輔助材料的選用 243
6.2 半導(dǎo)體材料工藝中的凈化和純化工藝 246
6.2.1 水的純化 246
6.2.2 氣體的純化 247
6.2.3 環(huán)境的凈化 250
6.2.4 工藝所用材料和腔體的潔凈處理 253
6.3 半導(dǎo)體設(shè)備的真空技術(shù) 256
6.3.1 真空泵 257
6.3.2 真空部件 259
6.3.3 真空系統(tǒng) 264
6.3.4 真空度的測(cè)量 267
6.3.5 抽真空工藝 268
6.3.6 真空系統(tǒng)的檢漏 269
6.4 半導(dǎo)體工藝中的加熱技術(shù) 271
6.4.1 加熱 271
6.4.2 溫場(chǎng)的建立和控制 273
6.4.3 溫度的測(cè)量 275
6.4.4 溫度的控制 277
6.5 源材料的制備技術(shù) 279
6.5.1 提純技術(shù) 279
6.5.2 合成技術(shù) 283
6.6 半導(dǎo)體材料的加工工藝 285
6.6.1 晶體滾圓 285
6.6.2 晶錠切割 286
6.6.3 劃片與倒角 286
6.6.4 表面拋光 287
6.6.5 單點(diǎn)金剛石切削 290
6.6.6 剝離和粘接技術(shù) 290
6.7 其他與工藝相關(guān)的輔助性技術(shù) 294
前言
第1章 概述 1
1.1 半導(dǎo)體材料 2
1.2 半導(dǎo)體材料物理與技術(shù) 4
1.2.1 半導(dǎo)體材料的物理基礎(chǔ) 4
1.2.2 半導(dǎo)體材料的物理性能 6
1.2.3 半導(dǎo)體材料的制備技術(shù) 8
1.3 半導(dǎo)體材料的應(yīng)用 9
第2章 半導(dǎo)體材料的物理性能 17
2.1 晶體材料的原子結(jié)構(gòu) 18
2.2 材料的成分參數(shù) 21
2.3 材料的宏觀結(jié)構(gòu)特性 21
2.4 材料中電子的能帶結(jié)構(gòu) 22
2.5 缺陷性能 33
2.5.1 點(diǎn)缺陷 33
2.5.2 線缺陷 34
2.5.3 面缺陷 36
2.5.4 界面缺陷 37
2.5.5 體缺陷 38
2.5.6 表面缺陷 38
2.6 表面與界面性能 39
2.7 電學(xué)性能 41
2.7.1 平衡態(tài)下材料的電學(xué)特性 42
2.7.2 外場(chǎng)作用下的材料電學(xué)特性 46
2.7.3 非平衡態(tài)下的材料電學(xué)特性 48
2.7.4 載流子的碰撞電離特性 52
2.7.5 壓電特性 52
2.8 光學(xué)性能 52
2.8.1 光在材料中的傳播特性 53
2.8.2 材料的光吸收特性 53
2.8.3 材料的輻射特性 55
2.8.4 材料表面的光散射特性 56
2.9 磁學(xué)性能 56
2.10 力學(xué)性能 57
2.11 材料性能的非均勻性 58
2.12 熱學(xué)與熱力學(xué)性能 58
2.12.1 熱學(xué)性能 58
2.12.2 相圖 59
2.12.3 缺陷化學(xué)理論及其相關(guān)的材料熱力學(xué)常數(shù) 64
2.12.4 材料中原子的擴(kuò)散特性 65
第3章 半導(dǎo)體材料的生長(zhǎng) 71
3.1 晶體生長(zhǎng)的基礎(chǔ)理論 71
3.1.1 生長(zhǎng)方式與驅(qū)動(dòng)力 72
3.1.2 成核理論 73
3.1.3 生長(zhǎng)速率和生長(zhǎng)模式 75
3.1.4 平衡形態(tài)理論 78
3.1.5 生長(zhǎng)過程中的傳輸理論 79
3.2 體晶材料的生長(zhǎng)技術(shù) 82
3.2.1 布里奇曼法 83
3.2.2 區(qū)熔法 92
3.2.3 切克勞斯基法 94
3.2.4 物理氣相傳輸法 100
3.3 外延材料的生長(zhǎng)技術(shù) 102
3.3.1 液相外延 104
3.3.2 分子束外延 110
3.3.3 金屬有機(jī)氣相沉積 123
3.3.4 其他一些氣相外延技術(shù) 130
3.4 低維材料生長(zhǎng)技術(shù)簡(jiǎn)介 132
第4章 半導(dǎo)體材料的熱處理 137
4.1 熱處理的基本原理 137
4.1.1 相平衡熱處理 137
4.1.2 非平衡熱處理 141
4.1.3 熱處理過程中原子運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律 141
4.2 熱處理工藝的實(shí)現(xiàn)方式 142
4.2.1 閉管熱處理 142
4.2.2 開管熱處理 143
4.2.3 快速降溫?zé)崽幚?146
4.2.4 快速熱處理 146
4.2.5 高低溫循環(huán)熱處理 147
4.2.6 高壓熱處理 147
4.2.7 多源熱處理 148
4.2.8 離子源熱處理 150
4.3 半導(dǎo)體材料熱處理的實(shí)際應(yīng)用 151
4.3.1 本征點(diǎn)缺陷種類和濃度的調(diào)控 151
4.3.2 摻雜和雜質(zhì)性質(zhì)的調(diào)控 153
4.3.3 雜質(zhì)濃度和位錯(cuò)密度的降低 154
4.3.4 體缺陷尺寸的減小 154
4.3.5 化合物材料組分分布的調(diào)整 155
4.3.6 半導(dǎo)體材料界面特性的改善 156
4.3.7 材料的隔離？剝離和粘接 156
4.4 熱處理工藝的注意事項(xiàng) 156
第5章 半導(dǎo)體材料性能參數(shù)的測(cè)量 161
5.1 幾何結(jié)構(gòu)特性的測(cè)量 162
5.2 光學(xué)性能的測(cè)量 164
5.2.1 透射光譜的測(cè)量 166
5.2.2 反射光譜的測(cè)量 168
5.2.3 橢圓偏振光譜的測(cè)量 169
5.2.4 散射光譜的測(cè)量 171
5.2.5 光熒光光譜的測(cè)量 172
5.2.6 陰極熒光光譜的測(cè)量 173
5.3 電學(xué)性能的測(cè)量 173
5.3.1 電阻率的測(cè)量 174
5.3.2 載流子特性的測(cè)量 177
5.3.3 表面光電壓測(cè)量技術(shù) 184
5.3.4 光電導(dǎo)衰退法測(cè)量技術(shù) 185
5.3.5 微波反射法測(cè)量技術(shù) 186
5.3.6 光束誘導(dǎo)或電子束誘導(dǎo)電流的測(cè)量 188
5.3.7 深能級(jí)瞬態(tài)譜的測(cè)量 189
5.3.8 角分辨光電子能譜的測(cè)量 192
5.3.9 界面電學(xué)特性的測(cè)量 194
5.4 缺陷性能的測(cè)量 196
5.4.1 化學(xué)腐蝕法 196
5.4.2 熱腐蝕法 200
5.4.3 散射光激光掃描成像法 200
5.4.4 透射顯微鏡成像法 200
5.4.5 熱波法測(cè)量技術(shù) 201
5.5 材料晶格特性的測(cè)量 202
5.5.1 晶向測(cè)定技術(shù) 202
5.5.2 X光衍射技術(shù) 203
5.5.3 反射式高能電子衍射技術(shù) 211
5.5.4 與晶格特性相關(guān)的材料宏觀性能參數(shù)的測(cè)量 213
5.6 顯微結(jié)構(gòu)的測(cè)量 214
5.6.1 微分干涉相差顯微鏡 214
5.6.2 共聚焦顯微鏡 216
5.6.3 近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡 217
5.6.4 掃描力顯微鏡 218
5.6.5 電子顯微鏡 219
5.6.6 場(chǎng)離子顯微鏡 223
5.7 原子成分和濃度的測(cè)量 224
5.7.1 基于原子價(jià)電子躍遷的特征光譜測(cè)量技術(shù) 225
5.7.2 基于原子內(nèi)殼層電子躍遷的X射線特征光譜測(cè)量技術(shù) 227
5.7.3 基于被激發(fā)電子的能譜測(cè)量技術(shù) 228
5.7.4 基于質(zhì)譜分析的測(cè)量技術(shù) 229
5.8 熱力學(xué)特性的測(cè)量 237
5.8.1 差熱分析法 237
5.8.2 差示掃描量熱法 238
5.8.3 絕熱量熱法 239
5.8.4 熱流法(或熱板法)239
5.8.5 激光閃射法 239
5.8.6 熱膨脹系數(shù)的測(cè)量 240
第6章 半導(dǎo)體材料制備工藝的基礎(chǔ)技術(shù) 243
6.1 半導(dǎo)體工藝中輔助材料的選用 243
6.2 半導(dǎo)體材料工藝中的凈化和純化工藝 246
6.2.1 水的純化 246
6.2.2 氣體的純化 247
6.2.3 環(huán)境的凈化 250
6.2.4 工藝所用材料和腔體的潔凈處理 253
6.3 半導(dǎo)體設(shè)備的真空技術(shù) 256
6.3.1 真空泵 257
6.3.2 真空部件 259
6.3.3 真空系統(tǒng) 264
6.3.4 真空度的測(cè)量 267
6.3.5 抽真空工藝 268
6.3.6 真空系統(tǒng)的檢漏 269
6.4 半導(dǎo)體工藝中的加熱技術(shù) 271
6.4.1 加熱 271
6.4.2 溫場(chǎng)的建立和控制 273
6.4.3 溫度的測(cè)量 275
6.4.4 溫度的控制 277
6.5 源材料的制備技術(shù) 279
6.5.1 提純技術(shù) 279
6.5.2 合成技術(shù) 283
6.6 半導(dǎo)體材料的加工工藝 285
6.6.1 晶體滾圓 285
6.6.2 晶錠切割 286
6.6.3 劃片與倒角 286
6.6.4 表面拋光 287
6.6.5 單點(diǎn)金剛石切削 290
6.6.6 剝離和粘接技術(shù) 290
6.7 其他與工藝相關(guān)的輔助性技術(shù) 294
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&半導(dǎo)體材料物理與技術(shù) 節(jié)選
第1章 概述 半導(dǎo)體材料是一種具有導(dǎo)電且能與光子產(chǎn)生相互作用功能的材料，經(jīng)過近百年的發(fā)展，基于半導(dǎo)體材料的芯片產(chǎn)業(yè)已發(fā)展成為當(dāng)今社會(huì)的一個(gè)支柱產(chǎn)業(yè)。“半導(dǎo)體材料物理與技術(shù)”是在半導(dǎo)體物理學(xué)的發(fā)展和半導(dǎo)體材料的應(yīng)用過程中逐步形成和完善的一門專業(yè)學(xué)科，它與半導(dǎo)體微電子物理學(xué)、半導(dǎo)體器件物理與技術(shù)、半導(dǎo)體集成電路設(shè)計(jì)與制造(即固體電子學(xué))和半導(dǎo)體器件可靠性物理與技術(shù)一起隸屬于微電子與固體電子學(xué)，其內(nèi)容涵蓋了半導(dǎo)體材料物理性能、半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)、熱處理、性能測(cè)試與評(píng)價(jià)以及半導(dǎo)體材料工藝的基礎(chǔ)技術(shù)5個(gè)大的方面。圖1-1給出了這一專業(yè)學(xué)科的知識(shí)體系及其支撐學(xué)科和相鄰學(xué)科的分布情況。 圖1-1 “半導(dǎo)體材料物理與技術(shù)”學(xué)科的知識(shí)體系及其支撐學(xué)科和相鄰學(xué)科的分布情況 從1949年**片Si單晶材料在貝爾實(shí)驗(yàn)室誕生到當(dāng)今低維半導(dǎo)體材料的出現(xiàn)，半導(dǎo)體材料的種類和產(chǎn)量發(fā)生了翻天覆地的變化。半導(dǎo)體材料從Ⅵ族元素的Si材料和Ge材料發(fā)展到ⅢⅤ族和ⅡⅥ族化合物材料，從體晶材料發(fā)展到外延材料、異質(zhì)結(jié)、量子阱、超晶格材料、納米材料和二維材料，直至今日，新的半導(dǎo)體材料仍在不斷涌現(xiàn)。與此同時(shí)，半導(dǎo)體芯片則從分立的電子器件發(fā)展到今天的超大規(guī)模集成電路，同時(shí)還發(fā)展出了發(fā)光器、激光器、光電能量轉(zhuǎn)換器和光電探測(cè)器等一大批光電子器件。由此形成的計(jì)算機(jī)、通信、太陽能、照明與顯示以及各種電子元器件和傳感器等產(chǎn)業(yè)已成為當(dāng)今國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，其應(yīng)用已滲透到實(shí)體經(jīng)濟(jì)、金融和文化、服務(wù)業(yè)、互聯(lián)網(wǎng)和智能社會(huì)的方方面面。基于半導(dǎo)體材料的計(jì)算機(jī)技術(shù)是第三次工業(yè)革命(亦稱信息技術(shù)革命)的重要標(biāo)志，隨著以互聯(lián)網(wǎng)+、工業(yè)智能化和生物技術(shù)為代表的第四次工業(yè)革命時(shí)代的到來，各種新產(chǎn)品和新技術(shù)的發(fā)展依然離不開對(duì)半導(dǎo)體功能材料的需求。半個(gè)多世紀(jì)以來，“半導(dǎo)體材料物理與技術(shù)”的發(fā)展始終圍繞著兩條主線，即在固體物理前沿學(xué)科的引領(lǐng)下，人們不斷探索和發(fā)展新材料，并將其轉(zhuǎn)化成能夠滿足實(shí)用化需求的半導(dǎo)體材料，與此同時(shí)，在芯片產(chǎn)業(yè)化和工程化應(yīng)用需求的牽引下，人們始終不渝地將“大尺寸、高均勻性、低缺陷、高性能和低成本”作為發(fā)展材料制備技術(shù)的終極目標(biāo)。 1.1 半導(dǎo)體材料 半導(dǎo)體材料是一種功能材料，它能對(duì)光、電、熱、磁、聲等的作用產(chǎn)生特定的響應(yīng)。從材料結(jié)構(gòu)上看，它可以是單質(zhì)材料，也可以是混晶材料、化合物材料、異質(zhì)結(jié)材料或超晶格材料。它可以是體晶材料，也可以是外延材料。即使是同一種材料，它也可以是單晶材料、多晶材料或非晶材料。半導(dǎo)體材料既可按照功能分類，也可按照原子結(jié)構(gòu)分類。以Si材料為例，它有單質(zhì)的體晶材料和外延材料，也有與其他Ⅵ族原子結(jié)合在一起的SiC、SiGe和SiGeSn等混晶材料。Si材料既可以是單晶材料，也可以是多晶材料和非晶材料。在應(yīng)用上，Si材料既是電子材料，也是光電子材料，廣泛應(yīng)用于電子元器件、集成電路、光電探測(cè)器、太陽能電池和熱敏型紅外探測(cè)器等不同領(lǐng)域。圖1-2給出了半導(dǎo)體材料常用的若干種分類方法。顧名思義，半導(dǎo)體材料是一種導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的材料。通常將室溫下電阻率介于10-3～109Ω cm的材料歸于半導(dǎo)體材料，如此寬泛的范圍源于半導(dǎo)體材料所處的工作溫度存在很大的差異(從低于液氦溫度到大于500℃)，如以實(shí)際工作狀態(tài)下的材料導(dǎo)電性能為衡量標(biāo)準(zhǔn)，半導(dǎo)體材料電阻率的范圍要窄很多。通過對(duì)材料摻雜濃度的控制，半導(dǎo)體材料在工作狀態(tài)下的載流子濃度和電阻率還將受到進(jìn)一步的調(diào)控。 圖1-2 半導(dǎo)體材料的若干種分類方法 按照固體物理理論，晶體材料中的本征載流子濃度取決于材料價(jià)帶與導(dǎo)帶之間的能量間隙(即禁帶寬度)、能帶結(jié)構(gòu)中電子的態(tài)密度和有效質(zhì)量，禁帶寬度越大，電子從價(jià)帶通過熱激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶成為載流子的濃度就越小。從能帶角度看，半導(dǎo)體材料的禁帶寬度大都落在50meV到5eV之間。圖1-3為常用半導(dǎo)體材料在禁帶寬度和晶格常數(shù)坐標(biāo)系中的分布圖，由于材料的禁帶寬度與原子之間相互作用的強(qiáng)弱相關(guān)，隨著材料晶格常數(shù)的增大，禁帶寬度總體上呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。 圖1-3 室溫下常用半導(dǎo)體材料禁帶寬度和晶格常數(shù)的分布圖 從圖1-3也可以看出，半導(dǎo)體材料主要包含了Ⅳ族原子(Si、Ge、C和Sn)構(gòu)成的單質(zhì)晶體或混晶材料、Ⅲ族原子(Ga、In和Al等)與Ⅴ族原子(As、P、Sb和N等)結(jié)合而成的二元或多元ⅢⅤ族化合物材料以及由Ⅱ族原子(Zn、Cd、Hg、Mg和Be等)與Ⅵ族原子(Te、Se、S和O等)構(gòu)成的二元或多元ⅡⅥ族化合物材料。Si材料是一種在常溫下呈現(xiàn)半導(dǎo)體性能的材料[1]，其特點(diǎn)是資源極其豐富且擁有理想的SiO2表面鈍化層，它是目前應(yīng)用*為廣泛的半導(dǎo)體材料。ⅢⅤ族化合物材料則因其具有直接帶隙而擁有很高的光電轉(zhuǎn)換效率，進(jìn)而成為制備光電子器件的*佳材料[2]。ⅡⅥ族化合物材料的特點(diǎn)是禁帶寬度的覆蓋范圍很寬[3]，如用光子波長(zhǎng)來衡量的話，它可以從紅外光一直覆蓋到藍(lán)光，在光電子領(lǐng)域，它能對(duì)上述兩類半導(dǎo)體材料形成了很好的補(bǔ)充。另外，隨著近年來功率器件的發(fā)展，ⅢⅥ族的Ga2O3化合物材料也開始成為一種重要的半導(dǎo)體材料[4]。除了以上這幾類半導(dǎo)體材料外，還存在一些小眾化的半導(dǎo)體化合物材料，如ⅥⅥ族元素組成的PbTe、PbSe和PbSnTe等材料[5]和摻Mn或摻Fe的磁性半導(dǎo)體材料等[6]。 除了從材料的組成上可以衍生出一系列半導(dǎo)體材料之外，通過對(duì)材料性能和結(jié)構(gòu)的調(diào)控(亦稱能帶工程技術(shù))也能獲得許多新型的半導(dǎo)體材料[79]，常用的調(diào)控手段包括異質(zhì)結(jié)、量子阱、超晶格、δ摻雜、納米結(jié)構(gòu)和二維材料等，即利用材料性能和結(jié)構(gòu)在實(shí)空間上的變化或材料的邊緣效應(yīng)來改變材料的能帶結(jié)構(gòu)和物理性能。由此誕生出的新材料包括GeSi/Si、AlGaAs/GaAs、InGaAs/GaAs、InAsSb/InAs、GaSb/InAs、GaInAs/InP、InGaN/GaN、ZnO/ZnMgO和PbSnTe/PbTe等異質(zhì)結(jié)、量子阱和超晶格材料，以及通過減小材料尺寸獲得的納米線和量子點(diǎn)材料。近幾年，以石墨烯和拓?fù)浣^緣體為代表的二維材料的出現(xiàn)又為拓展新型半導(dǎo)體材料提供了新的發(fā)展方向。 從物理本質(zhì)上看，普通的薄膜材料(單層外延材料)與體材料在能帶結(jié)構(gòu)上并不存在區(qū)別，但是從材料的應(yīng)用角度看，兩者有時(shí)也會(huì)存在顯著的差異。例如，Si的外延片是制備雙極型器件的優(yōu)選材料；將Si材料加工成亞微米厚的SOI(silicon on insulator)材料后，器件的漏電流可大幅度減小[10]；采用外延方法可以在異質(zhì)襯底上生長(zhǎng)外延材料，也可以獲得組分均勻性遠(yuǎn)優(yōu)于體晶材料的多元化合物材料，進(jìn)而給材料的性能帶來質(zhì)的變化。 1.2 半導(dǎo)體材料物理與技術(shù) 半導(dǎo)體材料物理包括半導(dǎo)體材料的物理基礎(chǔ)、材料的物理性能和工藝技術(shù)的物理原理，半導(dǎo)體材料技術(shù)則包括材料的生長(zhǎng)技術(shù)、熱處理技術(shù)、材料性能測(cè)量技術(shù)和工藝基礎(chǔ)技術(shù)。半導(dǎo)體材料學(xué)科是由半導(dǎo)體材料物理與工藝技術(shù)所構(gòu)成的學(xué)科，物理是基礎(chǔ)，技術(shù)是手段，沒有好的物理基礎(chǔ)就沒有好的技術(shù)，沒有好的技術(shù)就無法獲得好的半導(dǎo)體材料。 1.2.1 半導(dǎo)體材料的物理基礎(chǔ) 縱觀半導(dǎo)體材料的發(fā)展歷史，半導(dǎo)體材料的物理性能研究和應(yīng)用技術(shù)研究都離不開基礎(chǔ)理論的支撐，半導(dǎo)體材料的從業(yè)人員或研究人員做的是宏觀世界中的事情，想的卻是材料內(nèi)微觀世界中的物理圖像，跨越兩個(gè)世界的橋梁就是與半導(dǎo)體材料相關(guān)的基礎(chǔ)理論和基于理論所建立起來的測(cè)量技術(shù)。固體物理和半導(dǎo)體物理是半導(dǎo)體材料物理的基礎(chǔ)理論[1112]，普通物理、電動(dòng)力學(xué)、量子力學(xué)和熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理則是這些專業(yè)基礎(chǔ)理論的理論基礎(chǔ)。半導(dǎo)體材料專業(yè)的研究人員還需掌握一些更為專業(yè)的基礎(chǔ)理論，例如，能帶理論、載流子輸運(yùn)理論、半導(dǎo)體光學(xué)性質(zhì)、表面物理、相圖理論和材料缺陷化學(xué)理論等。 從材料使用的角度來看，用戶*關(guān)心的是材料的光電性能，即材料中的電子狀態(tài)(或結(jié)構(gòu))及其在外場(chǎng)(電磁場(chǎng)和光子)作用下的變化規(guī)律，即電子在實(shí)空間、能量和動(dòng)量上的分布，以及在實(shí)空間上發(fā)生遷移和在動(dòng)量空間上發(fā)生能級(jí)躍遷的行為特性。描述材料中電子結(jié)構(gòu)的物理圖像是電子的能帶結(jié)構(gòu)，它源于半導(dǎo)體材料的能帶理論[13]，而能帶理論的基礎(chǔ)則是量子力學(xué)。反過來看，正是有了量子力學(xué)和能帶理論，才有了我們對(duì)半導(dǎo)體材料光電性能的表述方法。能帶理論、量子力學(xué)和電動(dòng)力學(xué)等理論也為我們進(jìn)一步描述電子的遷移和躍遷奠定了理論基礎(chǔ)，并由此引出了材料的導(dǎo)電特性和電子與光子相互作用的特性。 從材料制備的角度來看，所有材料的制備工藝都是材料性能在受熱力學(xué)規(guī)律控制的條件下發(fā)生改變的一種過程，這些性能主要包括材料的成分、原子排列的結(jié)構(gòu)(晶體結(jié)構(gòu))、缺陷、電學(xué)性能和光學(xué)性能等，高溫下的材料性能同時(shí)也決定著或影響著材料的使用性能。半導(dǎo)體制備技術(shù)所涉及的物理原理和理論也很廣泛，如材料的晶體生長(zhǎng)理論、相圖理論、缺陷化學(xué)平衡理論、原子擴(kuò)散理論、材料測(cè)試技術(shù)原理、真空技術(shù)原理、傳熱學(xué)理論和流體力學(xué)理論等，對(duì)相關(guān)理論進(jìn)行系統(tǒng)化的學(xué)習(xí)將有助于對(duì)材料制備技術(shù)的理解，有助于對(duì)測(cè)試結(jié)果的分析，也有助于材料制備技術(shù)的改進(jìn)和新技術(shù)的研發(fā)。 在工藝技術(shù)上，半導(dǎo)體材料制備工藝不僅包括自身特有的晶體材料生長(zhǎng)技術(shù)、半導(dǎo)體材料熱處理技術(shù)和材料性能測(cè)量技術(shù)，還包含了支撐材料制備工藝的很多基礎(chǔ)性技術(shù)，這些技術(shù)包括材料的加工、清洗和腐蝕，材料制備系統(tǒng)的加熱、溫控、密封、真空、部件的運(yùn)動(dòng)和工藝過程的自動(dòng)化控制，以及材料清洗使用的高純水、制備工藝中使用的高純氣體和工藝環(huán)境需要的潔凈空氣等工藝質(zhì)量保障技術(shù)。以熱力學(xué)和熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理為基礎(chǔ)的材料相圖理論[14]、缺陷化學(xué)平衡理論[15]、原子擴(kuò)散理論[16]、真空技術(shù)理論[17]和基礎(chǔ)化學(xué)等是支撐材料制備技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)理論，而普通物理、普通化學(xué)、電子學(xué)理論、機(jī)械原理和計(jì)算機(jī)技術(shù)也貫穿于整個(gè)材料制備工藝的基礎(chǔ)性技術(shù)之中。 理論是思考問題和認(rèn)識(shí)問題的基礎(chǔ)，也是分析問題的工具。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，近年來計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)獲得了快速發(fā)展，對(duì)理論仿真工具的使用越來越普及。在晶體生長(zhǎng)方面，比利時(shí)的FEMAG Soft、德國(guó)的Crys VUn和俄羅斯STR公司的CGSim都已成為商業(yè)化的晶體生長(zhǎng)模擬軟件；相圖分析方面的軟件有CALPHAD(calculation of phase diagram)、Thermo Calc和Lukas Program；Synopsys公司的Sentaurus TCAD(technology compute aided design)、LumericalDEVICE和Comsol等軟件可用于對(duì)材料與器件的光學(xué)、電學(xué)和電磁學(xué)特性的模擬計(jì)算。理論工具的應(yīng)用能幫助我們提高工作效率，降低工藝技術(shù)研發(fā)的成本。 半導(dǎo)體材料技術(shù)的發(fā)展自始至終都離不開理論的引導(dǎo)和支撐，半導(dǎo)體材料在早期的發(fā)展主要基于對(duì)元素和化合物導(dǎo)電性質(zhì)的認(rèn)識(shí)。得益于量子力學(xué)、固體物理和能帶理論的研究成果，以Si、GaAs、HgCdTe為代表的半導(dǎo)體材料在20世紀(jì)中葉獲得了快速發(fā)展。到了20世紀(jì)末，隨著能帶工程理論的出現(xiàn)，以異質(zhì)結(jié)、量子阱、超晶格材料和納米材料為代表的結(jié)構(gòu)型半導(dǎo)體材料獲得了快速發(fā)展。到了2000年前后，作為材料學(xué)和計(jì)算機(jī)交叉科學(xué)的計(jì)算材料學(xué)開始成為材料研究與發(fā)展的一門新學(xué)科，它通過設(shè)定材料物理性能和其他要素(如成本、環(huán)保和穩(wěn)定性等)，并基于材料熱力學(xué)、分子或缺陷動(dòng)力學(xué)和**性原理等理論，運(yùn)用以多目標(biāo)優(yōu)化為導(dǎo)向的晶體結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)方法和高通量智能計(jì)算技術(shù)，對(duì)材料組成、結(jié)構(gòu)、性能和功能四大要素進(jìn)行計(jì)算機(jī)搜索，以尋找新材料或優(yōu)化已有材料。 1.2.2 半導(dǎo)體材料的物理性能 無缺陷的非摻雜半導(dǎo)體材料被稱為本征材料，本征材料的原子組成和空間排列結(jié)構(gòu)無疑是材料*基本的特性，由它所決定的材料特性也被稱為材料的本征特性。由于材料制備工藝的原因，實(shí)際使用的半導(dǎo)體材料在結(jié)構(gòu)上總是或多或少存在著一些缺陷，這些缺陷的存在會(huì)影響到材料的能帶結(jié)構(gòu)
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