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半導體光電子學 版權信息
- ISBN：9787030747495
- 條形碼：9787030747495 ; 978-7-03-074749-5
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
半導體光電子學 本書特色
本書不僅涵蓋了光電器件的基本原理，還涉及*新進展，對研究生系統學校本課程有重要的作用
半導體光電子學 內容簡介
本書主要介紹納米結構的基本光學和光電性質，包括近期新的二維單層晶體的光學性質,還有等離子、納米光子學、紫外線量子阱激光器、寬禁帶材料和異質結構等。涉及多學科交叉，包括了納米科學、物理學、材料科學、和光學、電子和機械工程。
半導體光電子學 目錄
目錄
第1章 緒論 1
1.1 半導體器件及半導體IC 產業的發展歷史 1
1.1.1 半導體器件早期發展 1
1.1.2 半導體IC 產業發展 2
1.1.3 摩爾定律和后摩爾時代 3
1.2 半導體材料的基本性質 4
1.2.1 半導體的結構特征 4
1.2.2 半導體的能帶結構 7
1.2.3 半導體基本光學特性 10
1.3 半導體的光電應用簡介 12
1.3.1 半導體發光器件原理簡介 13
1.3.2 載流子躍遷發射光譜介紹 14
1.3.3 半導體發光激發過程 16
1.3.4 半導體LED 器件發展及機理概述 17
課后習題 18
參考文獻 18
第2章 半導體光電子器件中的異質結與橫模 20
2.1 半導體光電子器件的基本結構 20
2.1.1 PN 結 20
2.1.2 異質結 29
2.2 半導體光電子器件中的模式 41
2.2.1 橫模及其物理意義 42
2.2.2 TE、TM 模及其物理意義 44
2.3 器件的遠場與相差 46
2.3.1 器件的遠場 46
2.3.2 器件的相差 49
課后習題 53
參考文獻 53
第3章 載流子注入與速率方程 55
3.1 載流子的物理概念及其注入過程 55
3.1.1 半導體的能級與能帶 55
3.1.2 半導體中的能態密度 57
3.1.3 半導體中的雜質與缺陷 58
3.1.4 半導體平衡載流子分布 59
3.1.5 半導體中載流子的注入 61
3.2 載流子的輻射與非輻射復合過程 62
3.2.1 載流子的輻射復合過程 63
3.2.2 載流子的非輻射復合過程 64
3.2.3 俄歇復合過程 67
3.2.4 表面復合 69
3.3 能帶收縮與能帶填充效應 69
3.3.1 能帶收縮效應 70
3.3.2 能帶填充效應 71
3.4 LED 載流子速率方程與發光效率 74
3.4.1 LED 發光原理 74
3.4.2 LED 載流子速率方程 76
3.4.3 LED 發光效率 78
課后習題 82
參考文獻 82
第4章 半導體激光器 84
4.1 半導體激光器的速率方程推導 84
4.1.1 激光振蕩增益 84
4.1.2 場速率方程 85
4.1.3 線寬增強因子 86
4.1.4 激光速率方程 88
4.2 FP 激光器閾值條件與縱模特性 90
4.2.1 FP 激光器結構及工作原理 90
4.2.2 FP 激光器閾值條件 91
4.2.3 FP 激光器縱模特征 93
4.3 半導體激光器閾值與效率 93
4.3.1 半導體激光器閾值特性 94
4.3.2 半導體激光器效率 96
4.4 半導體激光器的溫度特性 97
4.5 半導體激光器的增益特性 99
課后習題 104
參考文獻 104
第5章 動態單模與高速調制 106
5.1 發光二極管直接調制 106
5.2 半導體激光器直接調制 108
5.2.1 半導體激光器的瞬態特性 108
5.2.2 半導體激光器的動態分析 109
5.2.3 半導體激光器的模式穩定性問題 110
5.3 DFB 和DBR 激光器 112
5.3.1 耦合波方程 112
5.3.2 ？/4 相移的折射率耦合DFB 113
5.3.3 增益耦合DFB 114
5.3.4 DBR 激光器 114
5.3.5 工作特性 115
5.4 半導體激光器的強度噪聲和線寬 116
5.4.1 肖洛-湯斯線寬 116
5.4.2 頻率噪聲 117
5.4.3 Langevin 噪聲源 118
5.4.4 RIN 和譜密度函數 118
5.5 半導體激光器的啁啾 119
課后習題 119
參考文獻 119
第6章 半導體光電探測器 121
6.1 基本結構與原理 121
6.1.1 探測器的響應度和帶寬 126
6.1.2 探測器的噪聲 128
6.2 快速光電二極管 134
6.3 雪崩光電二極管 134
6.3.1 雪崩光電二極管的基本結構和原理 135
6.3.2 雪崩光電二極管制備材料的選擇 136
6.3.3 雪崩光電二極管的芯片結構 137
6.4 極弱光信號探測 139
6.4.1 基本型光子計數系統 139
6.4.2 輻射源補償型光子計數系統 141
6.4.3 背景補償型光子計數系統 142
6.5 微波光子探測器 144
6.5.1 外光電探測器 144
6.5.2 光電導探測器 144
6.5.3 光生伏特探測器 144
6.5.4 光磁電探測器 145
課后習題 145
參考文獻 145
第7章 太陽能光熱與光伏 146
7.1 太陽能光熱吸收薄膜 146
7.1.1 太陽能光熱吸收薄膜的發展歷程 146
7.1.2 太陽能光熱吸收薄膜的工作原理 147
7.1.3 太陽能光熱吸收薄膜的分類 149
7.1.4 太陽能光熱吸收薄膜的制備 150
7.2 太陽能真空集熱管 152
7.3 太陽能電池基本原理 153
7.3.1 光生伏特效應 153
7.3.2 太陽能電池的電流-電壓特性 154
7.3.3 太陽能電池的性能表征 155
7.4 太陽能電池的分類與特色 156
7.4.1 硅基太陽能電池 157
7.4.2 薄膜太陽能電池 158
7.4.3 新型太陽能電池 162
課后習題 173
參考文獻 173
第8章 光子集成 174
8.1 光子集成的意義與瓶頸問題 174
8.1.1 光子集成的出現 174
8.1.2 光子集成的分類、意義與應用 175
8.1.3 光子集成的瓶頸問題 178
8.1.4 光子集成發展的啟示：InP 還是Si 180
8.2 半導體光調制器 182
8.2.1 電吸收調制器的基本原理與工作特性 182
8.2.2 M-Z 調制器的基本原理與工作特性 188
8.3 半導體集成光源 192
8.3.1 對接生長技術 192
8.3.2 選區生長技術 193
8.3.3 量子阱混合技術 193
8.3.4 非對稱雙波導技術 194
課后習題 195
參考文獻 195
第9章 半導體光電子器件制造技術 196
9.1 生長技術 196
9.1.1 薄膜的制備技術 196
9.1.2 物理氣相沉積 198
9.1.3 化學氣相沉積 203
9.1.4 其他技術 209
9.2 光刻技術 212
9.2.1 光刻技術基本原理與流程 212
9.2.2 極紫外光刻技術 218
9.2.3 電子束光刻技術 219
9.2.4 其他光刻技術 221
9.3 刻蝕技術 223
9.3.1 刻蝕技術基本原理與性能參數 224
9.3.2 濕法刻蝕 225
9.3.3 干法刻蝕 228
9.4 離子注入與快速退火技術 238
9.4.1 離子注入概述 238
9.4.2 離子注入設備及工藝 241
9.4.3 離子注入原理 244
9.4.4 注入離子在靶中的分布 248
9.4.5 注入損傷 252
9.4.6 退火 255
9.4.7 離子注入在半導體工藝中的應用 257
9.5 處理與優化技術 261
9.5.1 減薄技術 261
9.5.2 拋光技術 263
9.5.3 解離技術 269
9.6 封裝與測試技術 269
9.6.1 封裝技術概述 270
9.6.2 電子封裝技術 272
9.6.3 光電子封裝技術 275
9.6.4 半導體測試流程 278
9.6.5 半導體測試方法 282
9.6.6 半導體光電子器件參數測試 287
9.7 本章小結 295
課后習題 295
參考文獻 296
第1章 緒論 1
1.1 半導體器件及半導體IC 產業的發展歷史 1
1.1.1 半導體器件早期發展 1
1.1.2 半導體IC 產業發展 2
1.1.3 摩爾定律和后摩爾時代 3
1.2 半導體材料的基本性質 4
1.2.1 半導體的結構特征 4
1.2.2 半導體的能帶結構 7
1.2.3 半導體基本光學特性 10
1.3 半導體的光電應用簡介 12
1.3.1 半導體發光器件原理簡介 13
1.3.2 載流子躍遷發射光譜介紹 14
1.3.3 半導體發光激發過程 16
1.3.4 半導體LED 器件發展及機理概述 17
課后習題 18
參考文獻 18
第2章 半導體光電子器件中的異質結與橫模 20
2.1 半導體光電子器件的基本結構 20
2.1.1 PN 結 20
2.1.2 異質結 29
2.2 半導體光電子器件中的模式 41
2.2.1 橫模及其物理意義 42
2.2.2 TE、TM 模及其物理意義 44
2.3 器件的遠場與相差 46
2.3.1 器件的遠場 46
2.3.2 器件的相差 49
課后習題 53
參考文獻 53
第3章 載流子注入與速率方程 55
3.1 載流子的物理概念及其注入過程 55
3.1.1 半導體的能級與能帶 55
3.1.2 半導體中的能態密度 57
3.1.3 半導體中的雜質與缺陷 58
3.1.4 半導體平衡載流子分布 59
3.1.5 半導體中載流子的注入 61
3.2 載流子的輻射與非輻射復合過程 62
3.2.1 載流子的輻射復合過程 63
3.2.2 載流子的非輻射復合過程 64
3.2.3 俄歇復合過程 67
3.2.4 表面復合 69
3.3 能帶收縮與能帶填充效應 69
3.3.1 能帶收縮效應 70
3.3.2 能帶填充效應 71
3.4 LED 載流子速率方程與發光效率 74
3.4.1 LED 發光原理 74
3.4.2 LED 載流子速率方程 76
3.4.3 LED 發光效率 78
課后習題 82
參考文獻 82
第4章 半導體激光器 84
4.1 半導體激光器的速率方程推導 84
4.1.1 激光振蕩增益 84
4.1.2 場速率方程 85
4.1.3 線寬增強因子 86
4.1.4 激光速率方程 88
4.2 FP 激光器閾值條件與縱模特性 90
4.2.1 FP 激光器結構及工作原理 90
4.2.2 FP 激光器閾值條件 91
4.2.3 FP 激光器縱模特征 93
4.3 半導體激光器閾值與效率 93
4.3.1 半導體激光器閾值特性 94
4.3.2 半導體激光器效率 96
4.4 半導體激光器的溫度特性 97
4.5 半導體激光器的增益特性 99
課后習題 104
參考文獻 104
第5章 動態單模與高速調制 106
5.1 發光二極管直接調制 106
5.2 半導體激光器直接調制 108
5.2.1 半導體激光器的瞬態特性 108
5.2.2 半導體激光器的動態分析 109
5.2.3 半導體激光器的模式穩定性問題 110
5.3 DFB 和DBR 激光器 112
5.3.1 耦合波方程 112
5.3.2 ？/4 相移的折射率耦合DFB 113
5.3.3 增益耦合DFB 114
5.3.4 DBR 激光器 114
5.3.5 工作特性 115
5.4 半導體激光器的強度噪聲和線寬 116
5.4.1 肖洛-湯斯線寬 116
5.4.2 頻率噪聲 117
5.4.3 Langevin 噪聲源 118
5.4.4 RIN 和譜密度函數 118
5.5 半導體激光器的啁啾 119
課后習題 119
參考文獻 119
第6章 半導體光電探測器 121
6.1 基本結構與原理 121
6.1.1 探測器的響應度和帶寬 126
6.1.2 探測器的噪聲 128
6.2 快速光電二極管 134
6.3 雪崩光電二極管 134
6.3.1 雪崩光電二極管的基本結構和原理 135
6.3.2 雪崩光電二極管制備材料的選擇 136
6.3.3 雪崩光電二極管的芯片結構 137
6.4 極弱光信號探測 139
6.4.1 基本型光子計數系統 139
6.4.2 輻射源補償型光子計數系統 141
6.4.3 背景補償型光子計數系統 142
6.5 微波光子探測器 144
6.5.1 外光電探測器 144
6.5.2 光電導探測器 144
6.5.3 光生伏特探測器 144
6.5.4 光磁電探測器 145
課后習題 145
參考文獻 145
第7章 太陽能光熱與光伏 146
7.1 太陽能光熱吸收薄膜 146
7.1.1 太陽能光熱吸收薄膜的發展歷程 146
7.1.2 太陽能光熱吸收薄膜的工作原理 147
7.1.3 太陽能光熱吸收薄膜的分類 149
7.1.4 太陽能光熱吸收薄膜的制備 150
7.2 太陽能真空集熱管 152
7.3 太陽能電池基本原理 153
7.3.1 光生伏特效應 153
7.3.2 太陽能電池的電流-電壓特性 154
7.3.3 太陽能電池的性能表征 155
7.4 太陽能電池的分類與特色 156
7.4.1 硅基太陽能電池 157
7.4.2 薄膜太陽能電池 158
7.4.3 新型太陽能電池 162
課后習題 173
參考文獻 173
第8章 光子集成 174
8.1 光子集成的意義與瓶頸問題 174
8.1.1 光子集成的出現 174
8.1.2 光子集成的分類、意義與應用 175
8.1.3 光子集成的瓶頸問題 178
8.1.4 光子集成發展的啟示：InP 還是Si 180
8.2 半導體光調制器 182
8.2.1 電吸收調制器的基本原理與工作特性 182
8.2.2 M-Z 調制器的基本原理與工作特性 188
8.3 半導體集成光源 192
8.3.1 對接生長技術 192
8.3.2 選區生長技術 193
8.3.3 量子阱混合技術 193
8.3.4 非對稱雙波導技術 194
課后習題 195
參考文獻 195
第9章 半導體光電子器件制造技術 196
9.1 生長技術 196
9.1.1 薄膜的制備技術 196
9.1.2 物理氣相沉積 198
9.1.3 化學氣相沉積 203
9.1.4 其他技術 209
9.2 光刻技術 212
9.2.1 光刻技術基本原理與流程 212
9.2.2 極紫外光刻技術 218
9.2.3 電子束光刻技術 219
9.2.4 其他光刻技術 221
9.3 刻蝕技術 223
9.3.1 刻蝕技術基本原理與性能參數 224
9.3.2 濕法刻蝕 225
9.3.3 干法刻蝕 228
9.4 離子注入與快速退火技術 238
9.4.1 離子注入概述 238
9.4.2 離子注入設備及工藝 241
9.4.3 離子注入原理 244
9.4.4 注入離子在靶中的分布 248
9.4.5 注入損傷 252
9.4.6 退火 255
9.4.7 離子注入在半導體工藝中的應用 257
9.5 處理與優化技術 261
9.5.1 減薄技術 261
9.5.2 拋光技術 263
9.5.3 解離技術 269
9.6 封裝與測試技術 269
9.6.1 封裝技術概述 270
9.6.2 電子封裝技術 272
9.6.3 光電子封裝技術 275
9.6.4 半導體測試流程 278
9.6.5 半導體測試方法 282
9.6.6 半導體光電子器件參數測試 287
9.7 本章小結 295
課后習題 295
參考文獻 296
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半導體光電子學 節選
第1章 緒論 半導體材料是半導體產業的基石，同時是推動集成電路技術創新的引擎。在當今我們生活的 21世紀，小到日常使用的手機、計算機，大到汽車、智能機器人等，無一不需要高性能芯片從內部進行驅動。組成芯片的*小單元即為半導體場效應管這樣一種神奇的“電學開關”。它通過電控制實現“開”和“關”的行為，而數以億萬個這樣的“開關”組合在一起就能夠實現復雜的運算。這些“開關”便利用了半導體材料的特性，人們經過幾十年的研究，探索了各種特性的半導體材料，使“開關”更加可靠、高效。如何將這些“開關”巧妙地組合在一起，實現更加高級的功能？這就需要用到半導體加工制備技術，近幾十年來研究人員發展了各種半導體加工制備技術。隨著半導體加工制備技術水平和加工精度的不斷提高，半導體芯片的集成度與運算能力也不斷地提高，給生活帶來了翻天覆地的變化。伴隨著半導體產業的蓬勃發展，新型光電子器件也層出不窮，半導體光電子器件已成為生活的重要組成部分。當使用光作為信息傳遞的媒介時，需要半導體光電子器件實現電信號與光信號之間的相互轉換。日常生活中的收音機信號發射接收器、電梯自動閉合門和數碼相機中的光電探測器，以及用于光纖通話的激光信號發射器，都屬于半導體光電子器件集成的實際應用。這些光電子器件利用了電子和光子之間復雜的相互作用，都為生活提供了巨大的便利。本章首先回顧并介紹了半導體器件及傳統半導體集成電路 (Integrated Circuit，IC)產業的發展歷史；然后介紹半導體材料的基本性質，包括半導體的晶體結構，并由此延伸到半導體的能帶結構；*后介紹半導體材料在光電子器件中的應用和常見的半導體 LED器件機理。 1.1半導體器件及半導體 IC產業的發展歷史 1.1.1半導體器件早期發展 半導體材料*早的應用可以追溯到 1874年，Braun發現了金屬(銅、鐵、銀等 )和鍺半導體材料接觸時，會產生電流傳導的非對稱性，利用金屬和半導體接觸的特性*終制備了一些器件，稱為檢波器，這可以看作收音機的早期版本。之后到了 1906年，Pickard使用硅材料制備了點接觸的檢波器。 1907年，Pierce使用金屬濺射系統在半導體材料上濺射各種金屬時，發現了金屬半導體二極管的整流特性。隨后到了 1935年，硒整流器和硅點接觸二極管已經廣泛應用于收音機中的檢波器。伴隨著雷達技術的發展，整流二極管和混頻器的需求量持續上升，進一步推動了半導體產業的發展。隨著金屬半導體接觸物理模型的提出，人們對于金屬半導體接觸器件的認識也達到了一個新的階段。 1942年，Bethe提出了著名的熱電子發射理論，理論中介紹了在金屬與半導體接觸時，電流的大小是由半導體中的電子向金屬熱電子發射的過程決定的，而不是由漂移或者擴散過程決定的。半導體時代真正始于 1947年 12月[1]，AT&T公司貝爾實驗室的科學家 John Bardeen 和 Walter Brattain展示了一種由半導體材料鍺制成的固態電子設備。當將電信號施加到鍺晶體上的觸點時，輸出功率大于輸入功率，*終這些結果以論文形式發表于 1948年[1]，且**個點接觸型晶體管也因此而誕生。晶體管(Transistor)這個新的詞匯來自兩個單詞的組合：Transfer(傳輸)和 Resistor(電阻)。John Bardeen和 Walter Brattain的主管 William Shockley于 1949年對一種新型的晶體管，即結型雙極晶體管 (Junction Bipolar Transistor)進行了預測，這種晶體管的巨大優勢在于容易批量生產 [2]。1956年，這三人因晶體管的發明一起獲得了諾貝爾物理學獎。受到軍用方面對電子設備需求的推動， 20世紀 50年代半導體產業迅速發展。鍺晶體管因為尺寸更小、功耗更低、工作溫度更低、響應時間更短等優勢迅速取代了大多數電子設備中的真空管 (Vacuum Tube)。通過引入制造更高純度的單晶半導體材料的技術，晶體管制造顯著加速。 1950年人類制造出**顆單晶鍺， 1952年人類制造出**顆單晶硅。在整個 20世紀 50年代，半導體工業快速發展，和工業界聯合*終發展了各種分立電子器件，這些分立的電子器件用于制造收音機、計算機以及許多其他民用和軍用產品。這里分立元件主要是指一種獨立的電子器件，如電阻、電容、二極管或晶體管，它們是構成一個龐大電子系統的*小單元。當今它們仍然廣泛使用于電子產品中，在任何電子系統和幾乎每塊印刷電路板 (Printed Circuit Board，PCB)上都可以輕松找到各式各樣的分立元件 [1]。 1.1.2半導體 IC產業發展 1957年，參加紀念晶體管發明十周年研討會的 Jack Kilby注意到，大多數分立元件，如電阻、電容、二極管和晶體管，都可以由一塊半導體材料 (如硅)加工制成。因此，他認為有可能將眾多分立元件制作在同一塊半導體基板上并將它們相互連接起來形成電路，這將大大縮小電路的尺寸，并降低電路的成本。 Jack Kilby于 1958年加入德州儀器公司 (Texas Instruments Inc.)并追求實現他的新想法。由于沒有現成的硅襯底，他使用了他能找到的材料：一個鍺條。首先在鍺條上面制備了一個晶體管，隨后又加了一個電容、三個電阻。通過連接晶體管、電容和三個電阻， Jack Kilby制造了**個 IC器件，如圖 1-1所示。由于德州儀器公司的 Jack Kilby制造的**個 IC器件為長條形狀， IC器件長期以來一直稱為“條”而不是“芯片”。大約在同一時間，飛兆半導體公司 (Fairchild Semiconductor Inc.)的 Robert Noyce也在研究類似的事情——用更低的成本賺更多的錢。與 Jack Kilby的 IC器件(或條)不同，后者使用真正的金屬線連接不同的分立元件， Robert Noyce的芯片采用鋁圖形蝕刻，在晶圓表面蒸鍍鋁薄膜并按照特定形狀刻蝕鋁薄膜以達到不同元件之間的金屬互連。通過使用硅代替鍺， Robert Noyce應用了由他的同事 Jean Horni開發的平面制備工藝來制造結型晶體管，該晶體管使用了硅及其氧化物二氧化硅，高度穩定的二氧化硅在高溫氧化爐中能夠很容易地在硅片表面生長，可以用于電隔離和擴散掩模。Robert Noyce在 1960年設計的**批硅 IC芯片由 0.4英寸(in)①硅晶片制成。 Robert Noyce的芯片具備現代 IC芯片的基本加工技術。 1961年，飛兆半導體公司制造了**款僅由四個晶體管組成的商用 IC，并以每個 150美元的價格出售。美國國家航空航天局 (NASA)是新推出的 IC芯片的主要客戶。 圖 1-1德州儀器公司的 Jack Kilby制作的世界上**個集成電路器件原型照片 [1] 經過長達數年的專利權斗爭，德州儀器公司和飛兆半導體公司通過同意交叉許可各自的技術解決了爭端， Jack Kilby和 Robert Noyce也共享了 IC發明者的頭銜。 2000年 Jack Kilby因 IC的發明獲得了諾貝爾物理學獎。 Robert Noyce于 1968年離開飛兆半導體公司，并與 Andrew Grove和 Gordon Moore共同創立了英特爾公司。他后來還擔任了位于得克薩斯州奧斯汀的國際半導體制造商聯盟 SEMATECH的首席執行官。 1.1.3摩爾定律和后摩爾時代 20世紀 60年代，集成電路產業發展非常迅速。 1964年，英特爾公司的聯合創始人之一 Gordon Moore注意到計算機芯片上集成的元器件數量每 12個月翻一番，而價格卻保持不變。作為集成電路領域的先驅者，他預測這種趨勢將在未來保持。事實證明 Gordon Moore提出的理論準確預測了行業 40多年的發展，僅在 1975年進行了輕微調整，將 12個月的周期改為 18個月。他的這種預測在半導體行業稱為摩爾定律 (Moore’s Law)。 在 2000年之前，半導體行業的特征尺寸通常以微米 μm為單位。 2000年后，半導體技術發展到了納米 (nm)技術節點。在不到 50年的時間里， IC芯片的*小特征尺寸急劇縮小，從 20世紀 60年代的約 50μm縮小到 2020年的僅 5nm。通過減小*小特征尺寸可以制造出更小的器件，從而使每個晶片可以容納更多的芯片，或者可以用相同的裸片尺寸制造更強大的芯片。兩種方式都有助于 IC制造廠(Fabs)在 IC芯片制造中獲得更 多的利潤。例如，當技術節點從 28nm縮小到 20nm時，芯片的尺寸縮小為原來的 51%，這意味著芯片的數量則幾乎翻倍。同樣，通過進一步將特征尺寸縮小到 14nm，與 28nm技術相比，芯片數量幾乎是 28nm技術的四倍。在*小特征尺寸達到其*終物理尺寸 (1nm)之前，需要突破許多技術挑戰限制。*值得注意的技術挑戰是使芯片圖形化的光刻工藝，這是用于將設計圖形轉移到晶圓表面并形成 IC器件的基本 IC制造步驟。目前使用的光學光刻技術將升級為更加先進的光刻技術，如極紫外 (EUV)光刻、納米壓印光刻(NIL)或電子束直寫 (EBDW)光刻。這些先進光刻技術能夠進一步縮小元件*小特征尺寸的物理極限。 集成電路自發明以來，其制造技術發展迅速，芯片單位面積上集成的微處理單元隨時間的增長與摩爾定律非常吻合。半導體廠商通過在更小的尺寸上集成更多的器件，節約*多的材料，*終獲取更多的利潤。此外，半導體制程的縮減也會對芯片的性能有顯著影響。在過去很長一段時間里，半導體廠商證明了減小半導體器件特征尺寸可以提高設備速度，降低功耗并提高整體設備性能。因此，幾乎所有的半導體廠商都將縮小*小特征尺寸以提升處理器運算性能，降低制造成本并提高利潤率放在技術研發的首位。當研發成本和特征尺寸減小所帶來的利潤增加處于合理水平時，半導體集成電路制造商有強烈的動機大力投資新技術并推動器件微縮。然而，當 IC技術節點達到納米范圍時，由于嚴重的漏電以及納米尺度的一些量子干擾問題，簡單地縮小*小特征尺寸不再能夠有效地提高器件性能，除非在器件中使用非常昂貴的高 k值柵極電介質和金屬柵極，而這樣做無疑會大大增加制造成本。在納米技術時代，隨著 IC技術節點的不斷縮小推進，研發成本幾乎呈指數級增長。隨著 IC技術節點發展到 32nm、28nm、22nm、20nm、14nm、 5nm及以下，越來越少的 IC制造商能夠獨自承擔研發成本。在可預見的未來，摩爾定律將成為歷史。 1.2半導體材料的基本性質 1.1節講述了半導體器件的發展歷史，以及現代社會基于半導體材料一步步發展起來的大規模集成電路的歷程。這里首先明確一個基本概念，什么是半導體？半導體是指常溫下導電性能介于金屬 (包括銅、鋁、鎢等 )等良導體和橡膠、塑料、干木等絕緣體之間的一類材料。*常用的半導體材料是硅 (Si)和鍺(Ge)，它們都位于元素周期表的第Ⅳ主族。另外，還有一些化合物，如砷化鎵 (GaAs)、碳化硅 (SiC)和硅鍺 (SiGe)，也是半導體材料。半導體*重要的特性之一是可以通過添加某些雜質 (稱為摻雜過程)和施加電場來控制其導電性。本節將回歸半導體材料的本身，從半導體材料的晶體結構開始，簡單了解研究半導體的性質，探究半導體材料可以有如此神奇的作用的原因。 1.2.1半導體的結構特征 半導體的光電等物理性質從根本來說是由半導體的晶體結構所決定的。本節從兩種*基本且典型的半導體材料，即硅 (Si)和砷化鎵 (GaAs)來簡單介紹半導體的晶體結構。硅是*被廣泛且深入研究的半導體材料，目前的所有的商業化芯片幾乎都是由硅制成的。用于制作半導體器件的硅存在多種形態，包括硅多晶、硅單晶、硅片、硅外延片、非晶硅薄膜等，根據不同的實際用途兼顧成本考量，來選擇不同形態的硅材料。砷化鎵是鎵和砷兩種元素所合成的化合物，也是重要的Ⅲ A族、ⅤA族化
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