半导体材料SEMICONDUCTOR

半导体还是很难的，特别是一些基础的理论，很伤脑筋 我总结的是一些半导体的应用方面的知识 现在的电子世界是建立在半导体之上的 算是材料类别里很有前途的一个行业了

SEMICONDUCTOR

Review

Characters

Conductivity: 10-3-10-9 S/cm

Between conductor and insulator

The temperature coefficient of conductivity is positive with high purity

电子和空穴两种载流子参与导电

Classification

按性能分

高温半导体

磁性半导体

热电半导体

按晶体结构分

金刚石型

闪锌矿型

纤锌矿型

黄铜矿型

按结晶程度

晶体

非晶体

微晶

按禁带的宽度来分类

宽带隙半导体 （wide bandgap semiconducor）

Eg＞2-6 ev；也称为第三代半导体材料

SiC、GaN、ZnO 和金刚石

特点

宽禁带半导体材料具有禁带宽度大、击穿电场强度高、饱和电子漂移速度高、热导率大、介电常数小、抗辐射能力强以及良好的化学稳定性

应用

制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件

利用其特有的禁带宽度，还可以制作蓝、绿光和紫外光器件和光探测器件

窄带隙半导体 （narrow bandgap semiconducor）

Eg＜2 ev

硒化铅(PbSe,0.165 eV)、碲化铅(PbTe,0.19 eV)、硫化铅（PbS）

特点

窄带隙半导体材料因具有吸收太阳光可见波段能量、可见光催化降解有机物及可见光解水制氢的优异特性

应用

一是通过对以TiO2 为代表的传统半导体材料进行掺杂和改性,将其带隙移至可见光波段;二是开发全新组成的窄带隙半导体材料

按化学元素组成

元素

Si

Ge

Se

整流器、光电导器件

化合物

二元

砷化镓

批量

硫化镉

少量

o

碳化硅

碲化铅

碲化铋

碲化镓

氧化亚铜

三元

CuInSe2

太阳能电池

CdSnAs2

CuFeS2

Cu2SeSnSe4

固溶

SiGe

应用

GaAiAs

InGaAsP

InAs-CdSnAs2

Fundamental of semiconductor fabrication

Basic fabrication steps

Oxidation

Photolithography and etching

Diffusion and implantation

Metalization

Crystal growth

Starting material

Polycrystalline semiconductor

Single crystal

Wafer

Wafer shaping

Crystal characterization

Silicon oxidation

The thermal oxidation process used to form silicon oxidation

Impurity redistribution during oxidation

Masking properties of silicon oxidation

Oxidation quality

Material properties and thickness measurement techniques for SiO2 films

Simulation

Photolithography

Optical lithography

The clean room

Exposure tools

Masks

Photoresist

Pattern transfer

Resolution enhancement techniques

Next generation lithography methods

Electron beam lithography

Electron resist

Extreme ultraviolet lithography

X-RAY lithography

Ion beam lithography

Photolithography simulation

Etching

Wet chemical Etching

Silicon Etching

Silicon oxidation Etching

Silicon nitride and polysilicon Etching

Aluminum Etching

Gallium arsenide Etching

Dry Etching

Plasma fundamental

Etch mechanism, plasma diagnostics, and end point control

Reactive plasma etching techniques and equipments

Reactive plasma etching applications

Etch simulation

Diffusion

Diffusion equation

Diffusion profiles

Evaluation of Diffusion layers

Extrinsic Diffusion

Lateral Diffusion

Ion implantation

Ion distribution

Ion stopping

Ion channeling

Implant damage

Annealing

Film deposition

CVD

Molecular beam epitaxy

Dielectric deposition

Polysilicon deposition

Metallization

Process integration

The integrated circuit resistor

The integrated circuit capacitor

The integrated circuit inductor

The basic fabrication process

Dielectric isolation

Self aligned double polysilicon bipolar structures

Mosfet techniques

Memory devices

COMS technology

BiCOMS technology

MEMS

Bulk micromachining

Surface micromachining

LIGA process

IC manufacturing

Electronic testing

Test structures

Final test

Packaging

Die separation

types

Statistics process control

Statistics experimental design

Comparing distribution

Analysis variance

Factorial designs

Yield

Functional yield

Parametric yield

Computer integrated manufacturing

Future trends and challenges

Integration

Ultrashallow junction formation

Ultrathin oxidation

Silicide formation

New material for interconnection

Power limitations

SOI integration

System on a chip

Brief History

1833 法拉第

当a-Ag2S被加热时，它的电阻率急剧下降，这和金属的性质完全相反

1873年史密斯

硒的光电导现象

1874布朗

硫化铅与硫化铁具有整流现象

1906年邓伍迪

碳化硅的检波器

1947年12

晶体管

1950

锗单晶

1956

使硅中有害杂质含量降到10-9级或更低，并实现了工业化生产

1958

集成电路

Current situation

工业上得到应用并能批量供应的半导体晶体材料有硅、锗、砷化镓、磷化镓、锑化铟、磷化铟、锑化镓及碲化镉

批量供应的外延片除硅、砷化镓和磷化镓的同质外延片外，还有一些 III-V族固溶体（如GaAsP)，II-VI族固溶体（如HgCdTe）等

有III-V族、II-VI族的量子阱超晶格材料，以及一些难以制备的金刚石、碳化硅、硒化锌等薄膜材料

非晶硅薄膜材料已大批量地生产

1万吨多晶硅,4000余吨单晶硅，半导体锗材料在100t左右

信息技术的主体

信息的获取与转换

传感器

半导体传感器材料容易和信号的放大装置（这些装置的主要部件都是用半导体材料作成的）相衔接

硅 制光敏器制压敏器件

硒、硫化镉制光敏器件

砷化镓、锑化铟制磁敏器件

信息的传递

振荡、放大、发射、接受

晶体二极管、晶体三极管、微波二极管、激光二极管、光电晶体管及各种集成电路

信息的处理

电脑

半导体集成电路

半导体器件

信息的存储

半导体存储器则构成电脑的内存储，为电脑运算直接提供信息

信息的显示

半导体发光二极管构成的指示灯、数码管和显示屏

半导体材料构成的薄膜晶体管驱动的液晶显示

能源技术的巨匠

光电-太阳能

热电-温差发电

交流电-直流电-交流电 半导体器件

材料中的先锋

硅单晶

纯度12个9的Ge

中子嬗变技术

将一种元素变为另一种元素

高精度加工

直径200mm的硅抛光片的平坦度要求小于3mm

尺寸不小于0.2mm的灰尘颗粒在一个硅片上不能超过10个，表面的杂质浓度小于10-11 g/cm2

低维量子材料

外延技术

基本原理

导电

电导率和载流子浓度和载流子迁移率成正比

半导体的迁移率一般高于金属

金属和半导体的主要差别在载流子浓度上

金属10^22

半导体10^6-10^20

半导体的导电率能在大范围内进行调节

霍尔效应

将一块矩形样品在一个方向通过电流，在与电流的垂直方向加上磁场(H)，那么在样品的第三个方向就可以出现电动势

用此法测量金属时，证明绝大多数的金属都是靠带负电荷的载流子--电子进行导电的

测量半导体时发现，一种材料既可以靠带负电荷的电子进行导电，又可以靠带正电荷的载流子进行导电

载流子的散射

晶格振动 声子

声学波散射

电离杂质散射

合金散射

过剩载流子

能带结构

原子核周围的电子是量子化的，即为能级

电子在能级之间跃迁会吸收或产生一定的能量

鲍林规则，在一个能级上最多有两个电子

当许多原子彼此靠近而形成晶体时，各原子的电子间发生相互作用，各原子间原来在分散状态的能级扩展成为能带

价带与导带相互搭接，这是导体

一类材料是由于电子在价带中并未填满，电子可以在带内的各个能级上自由流动，这需要的能量非常之小

另一类材料虽然在价带中被填满，但由于能带之间的相互搭接，所以价电子很容易从价带进入到导带成为自由电子而导电

价带与导带之间存在着禁带，这包括半导体与绝缘体

半导体材料则因其价带已填满，在价带和导带间存在有禁带，价电子必须要具有足够的能量跃过禁带才能进入导带而导电，在常温或更高一些温度下，由于能量的不均匀分布，总有一部分价电子能进入导带，使其具有一定的电导率

对绝缘体而言，其禁带宽度大，以致在常温或较高温度下均不能使其价电子进入导带所以不能导电

半导体原件制造过程

前段

晶圆处理制程

主要工作为在矽晶圆上制作电路与电子元件（如电晶体、电容体、逻辑闸等），为上述各制程中所需技术最复杂且资金投入最多的过程

微处理器（Microprocessor）为例

所需制造环境为为一温度、湿度与 含尘（Particle）均需控制的无尘室（Clean-Room）

晶圆针测制程

晶圆上即形成一格格的小格 ，我们称之为晶方或是晶粒（Die）

晶粒将会一一经过针测（Probe）仪器以测试其电气特性， 而不合格的的晶粒将会被标上记号（Ink Dot）

后段

构装

利用塑膠或陶瓷包裝晶粒與配線以成積體電路

是為了製造出所生產的電路的保護層，避免電路受到機械性刮傷或是高溫破壞

测试制程

半导体制造工艺分类

MOS型

PMOS型

NMOS型

CMOS型

BiMOS

优缺点

低的静态功耗、宽的电源电压范围、宽的输出电压幅度（无阈值损失），具有高速度、高密度潜力；可与TTL电路兼容。电流驱动能力低

集成电路工艺

光刻I---阱区光刻，刻出阱区注入孔

阱区注入及推进，形成阱区

去除SiO2，长薄氧，长Si3N4

光II---有源区光刻

光III---N管场区光刻，N管场区注入，以提高场开启，减少闩锁效应及改善阱的接触

光III---N管场区光刻，刻出N管场区注入孔； N管场区注入

光Ⅳ---p管场区光刻，p管场区注入， 调节PMOS管的开启电压，生长多晶硅

光Ⅴ---多晶硅光刻，形成多晶硅栅及多晶硅电阻

光ⅤI---P+区光刻，P+区注入。形成PMOS管的源、漏区及P+保护环

光Ⅶ---N管场区光刻，N管场区注入，形成NMOS的源、漏区及N+保护环

长PSG（磷硅玻璃）

光刻Ⅷ---引线孔光刻

光刻Ⅸ---引线孔光刻（反刻AL）

双极型

饱和型

BiMOS

TTL

典型的PN结隔离的掺金TTL电路工艺流程

衬底制备

一次氧化

隐埋层光刻

隐埋层扩散

外延淀积

热氧化

隔离光刻

隔离扩散

再氧化

基区光刻

基区扩散

再分布及氧化

发射区光刻

背面掺金

发射区扩散

再分布及氧化

接触孔光刻

铝淀积

反刻铝

铝合金

淀积钝化层

压焊块光刻

中测

I2L

非饱和型

ECL/CML

优缺点

中等速度、驱动能力强、模拟精度高、功耗比较大

半导体制造环境要求

主要污染源

微尘颗粒、中金属离子、有机物残留物和钠离子等轻金属例子

超净间

洁净等级主要由 微尘颗粒数/m3

主要制程介绍

前段

一般清洗技术 <一般清洗技术.png>

光学显影

感光胶上经过曝光和显影的程序，把光罩上的图形转换到感光胶下面的薄膜层或硅晶上

包含了感光胶涂布、烘烤、光罩对准、 曝光和显影等程序

关键技术参数:最小可分辨图形尺寸Lmin(nm)

聚焦深度DOF

曝光方式

紫外线、X射线、电子束、极紫外

蝕刻技術（Etching Technology）

將材料使用化學反應物理撞擊作用而移除的技術

濕蝕刻（wet etching）

濕蝕刻所使用的是化學溶液，在經過化學反應之後達到蝕刻的目的

乾蝕刻（dry etching）

乾蝕刻則是利用一种電漿蝕刻（plasma etching）。電漿蝕刻中蝕刻的作用，可能是電漿中离子撞擊晶片表面所產生的物理作用，或者是電漿中活性自由基（Radical）与晶片表面原子間的化學反應，甚至也可能是以上兩者的复合作用 <常见湿法蚀技术.png>

CVD化學气相沉積

物理气相沈積（PVD）

离子植入（Ion Implant）

将掺质以离子型态植入半导体组件的特定区域上，以获得精确的电子特性

化 学 机 械 研 磨 技 术

兼具有研磨性物质的机械式研磨与酸碱溶液的化学式研磨两种作用，可以使晶圆表面达到全面性的平坦化，以利后续薄膜沉积之进行

制 程 监 控

量测芯片内次微米电路之微距，以确保制程之正确性。一般而言，只有在微影图案（照相平版印刷的patterning）与后续之蚀刻制程执行后，才会进行微距的量测

光罩检测（Retical检查）

光罩是高精密度的石英平板，是用来制作晶圆上电子电路图像；必须是完美无缺，才能呈现完整的电路图像，否则不完整的图像会被复制到晶圆上

图案晶圆检测系统系以白光或雷射光来照射晶圆表面。再由一或多组侦测器接收自晶圆表面绕射出来的光线，并将该影像交由高功能软件进行底层图案消除，以辨识并发现瑕疵

铜制程技术

由于铜的电阻值比铝还小，因此可在较小的面积上承载较大的电流

后段

晶片切割（Die Saw）

將前製程加工完成之晶圓上一顆顆之 晶粒（die）切割分離

黏晶（Die Bond）

將一顆顆之晶粒置於導線架上並以銀膠（epoxy）黏著固定

銲線（Wire Bond）

為了製造出所生產的電路的保護層，避免電路受到機械性刮傷或是高溫破壞。最後整個積體電路的周圍會 向外拉出腳架（Pin），稱之為打線，作為與外界電路板連接之用

封膠（Mold）

防止濕氣由外部侵入、以機械方式支 持導線、內部產生熱量之去除及提供能夠手持之形體

剪切/成形（Trim /Form）

將導線架上構裝完成之晶粒獨立分開，並 把不需要的連接用材料及部份凸出之樹脂切除（dejunk）

印字（Mark）

將字體印於構裝完的膠體之上，其目的在於註明 商品之規格及製造者等資訊

檢驗（Inspection）

將前製程加工完成之晶圓上一顆顆之 檢驗之目的為確定構裝完成之產品是否合於使用。其中項目包括諸如：外引腳之平整性、共面度、腳距、印字 是否清晰及膠體是否有損傷等的外觀檢驗

封装

制程处理的最后一道手续，通常还包含了打线的过程。以金线连接芯片与导 线架的线路，再封装绝缘的塑料或陶瓷外壳，并测试集成电路功能是否正常

硅器件失效机理

1 氧化层失效：针孔、热电子效应

2 层间分离：AL-Si、Cu-Si合金与衬底热膨胀系数不匹配。

3 金属互连及应力空洞

4 机械应力

5 电过应力/静电积累

6 LATCH-UP

7 离子污染

典型的测试和检验过程

1。芯片测试（wafer sort）

2。芯片目检（die visual）

3。芯片粘贴测试（die attach）

4。压焊强度测试（lead bond strength）

5。稳定性烘焙（stabilization bake）

6。温度循环测试（temperature cycle）

8。 离心测试（constant acceleration）

9。渗漏测试（leak test）

10。高低温电测试

11。高温老化（burn-in）

12。老化后测试（post-burn-in electrical test）

芯片封装

DIP双列直插式封装

QFP塑料方型扁平式封装和PFP塑料扁平组件式封装

BGA球栅阵列封装

PGA插针网格阵列封装

CSP芯片尺寸封装

MCM多芯片模块

性质与特征

本征导电

在一定温度下，由于电子能量的分布不均匀，一部分原子或分子中的电子由价带升到导带上的能级

杂质导电

电活性杂质形成的载流子导电

以杂质导电为主的、能向导带贡献电子的杂质，称为施主杂质。对IV族元素半导体而言，V族元素就是施主杂质

从价带俘获电子，而在价带形成空穴的杂质称为 受主杂质。对IV族素半导体而言，III族元素就是受主杂质

电离能：施主或受主分别向导带或价带释放电子或空穴所需的能量称为电离能

载流子的迁移率

大小

是表征半导体材料固有特性的一个重要参数，同时也与晶体的杂质含量、晶体完整性、温度等因素有关

散射

自晶格振动、电离杂质、中性杂质、晶体缺陷，也来自载流子之间的相互作用

与温度的关系

在低温段，以电离杂质散射为主，由于载流子运动与电离杂质的静电场相互作用的结果，迁移率随温度上升而增大

在高温区， 则晶格散射起主导作用， 随温度升高，晶格振动的振幅增大，对载流子的运动的散射作用就增强，因此迁移率变低

隧道穿透势垒-隧道电流

PN结

P型

空穴作载流子

N型

电子作载流子

扩散电势

当P/N型结合成一个整体时，n型半导体失去电子的离子形成正电势；在p型区形成负电势，在边界附近形成了电位差，称为内建势场（电场），或称扩散电势

阻挡层

中间连接的区域，可以认为p型区的空穴、n型区的电子都不再向对方扩散，等于起了阻挡作用，因此pn结的这一区域又称为阻挡层

正向偏置

正极接到p 型区，负极接到n型区，见图3.6中(c)，因为半导体材料具有一定的电导率，因此电压降的主要部分却落在了阻挡层上，这时外加电场与内建电场相反，于是降低了内建电场，减少了阻挡层的厚度，使电流顺利通过

反向偏置

而当电场方向相反时，内建电场与外加电场相叠加，见图3.6中(d)，增加了阻挡层的厚度，使电流不能通过。这就是结的整流作用

金属半导体接触

在半导体片上淀积一层金属而形成紧密的接触，称为金属半导体接触

分类

半导体掺杂浓度较低（如低于5×1017/厘米3，这时表现出类似PN结的单向导电性

一类是半导体掺杂浓度很高（如高于1020/厘米3 ），这时无论加正向或反向电压，电流都随电压很快增大，相当于一个很小的电阻

肖特基势垒二极管SBD

具有单向导电性的金属--半导体接触

假如一块n型半导体与金属相接触，一般半导体的逸出功比金属小，这样半导体中的电子就流入金属，达到平衡后形成势垒，称肖特基势垒

欧姆接触

电阻很低的金属半导体接触

为了克服金属与半导体间的上述势垒，在与金属接触的半导体材料部位掺入高浓度的杂质，在这种情况下会产生隧道效应而形成欧姆接触

逸出功

电子从材料移到真空中所需的能量

异质结

两种不同半导体材料所组成的结构为异质结

突变结 这两种材料之间的过渡区厚度如只有几个原子距离

用于制作半导体激光器、异质结双极型晶体管、高电子迁移率晶体管

量子阱与超晶格

量子阱

如果半导体材料A与B组成多层异质结，A被夹在B之间，当A层的厚度小至可以与量子力学中电子的德布罗意波长（~10nm）相当时，就形成量子阱

超晶格

在多量子阱中，如果B层的厚度也减小，使每一个单层的厚度达到1~10nm ，这时就小于电子的平均自由程，那么相邻之间的电子波函数能够相互耦合，而不是相互孤立的，这种多势垒结构在垂直方向（z轴）以量子效应为主，这种结构称为超晶格

激光器、光电二极管、光学双稳态器件

低维结构

上面所说的都是载流子的运动在一维空间受到限制、而在两维可自由运动的情况。用同样的原理，可以使载流子在两维受到限制、在一维自由运动，称之为量子线。也可使载流子的运动在三维方向均受到限制（零维），称为量子盒或称量子点。零维、一维、二维材料统称为低维材料

热电效应

Seebeck effect

由温差引起的电效应

利用金属材料所得的热电转换效率很低，最高不超过0.6%

半导体材料进行研究时发现，它的热电转换效率可达3.5%以上

原理

一个半导体，将一端加热，另一端冷却，那么热端的载流子数量增多，动能增大，就向冷端扩散，冷端自然也向热端扩散，最后达到平衡。其结果是载流子离开热端的数量大于由冷端进入热端的数量

如果这是一根n型半导体棒，那么热端由于缺少电子而带正电，冷端则带负电

如果是p 型半导体，它的热端带负电；冷端带正电

广泛应用的温差电材料

适用于普冷温区制冷的Bi2Te3类材料

制备可采用区熔法和布里奇曼法。严格控制生长条件可以获得单晶体，一般则为多晶材料

非掺杂Bi2Te3材料总呈现为P型；Pb、Cd、Sn等杂质都可作为受主掺杂剂形成P型Bi2Te3。而过剩Te，或掺入I、Br、A1、Se、Li等元素和卤化物AgI、CuI、CuBr、BiI3、SbI3等都能使材料成为N型

优点

(1)化学稳定性较好的化合物中相对分子质量最大；

(2)熔点较低，德拜温度较低；

(3)化学键虽有离于键成分，但以共价键为主；

(4)能带结构为多能谷，禁带宽度为0.13~0.16eV；

(5)优值最大的区域中，载流子散射机制以声子散射为主；

(6)最佳塞贝克系数在200mV附近；

(7)通过形成固溶体合金可以进一步提高温差电优值，其主要原因是热导率的明显降低

适用于中温区温差发电的PbTe类材料

300一900K

适用于高温区温差发电的SiGe合金

Peltier effect

由电流引起的可逆热效应

电流通过两种金属的接点时，往一个方向使触点放热，换成相反方向，则使触点吸热

原理

当电流从n区进入p区时，在pn结处的载流子不断地流走，因此需要相应地产生新的载流子，为此需要消耗能量，如图所示，这就使温度降低

当载流子流向pn结处时，两种载流子是相迎地运动着，它就产生电子与空穴的复合，从而放出能量，如图（b）所示，使温度升高

汤姆逊效应

当存在着温度梯度的均匀导体中有电流通过时，导体中除产生与导体电阻相当的焦耳热之外，还要吸收或放出热量

热磁效应

垂直磁场中，纵向的温差引起横向的电压效应

声子曳引效应

当样品中存在温度差，沿温度降低的方向有声子的流动

光学性质

除了少数材料如金刚石、磷化镓等外，大多数材料对可见光是不透明的。但是半导体材料对一定波长的红外光却是透明的

本征光吸收

根据量子力学的概念，具有一定波长的光具有能量hn，其中h为普朗克常数，n为光波的频 率。当hn ≥Eg时，这个光子便可把价带的电子激发到导带，而形成电子空穴对。这样光子的能量hn被消耗在这种激发过程上了， 所以hn0 =Eg，n0就成为光吸收的边界。这种吸收称为本征吸收

金属无论在可见光区，还是在红外区均是不透明的

本征光电导

靠光子的能量直接把价带电子激发到导带形成的光电导

当光子能量大于临界值后，光电导出现一个最大值，然后随能量增大而光电导下降，这是由于能量高而迅速被表面吸收，同时表面复合速度又比体内快的缘故

激子和激子吸收

发光现象

自主发射

受激发射

压电效应

应力可以改变材料的电阻率

应力作用下，能级结构发生变化

声电效应

载流子通过在其中传播的相干声波的相互作用

强磁场运输和磁光现象

非晶态半导体

薄膜材料及其应用

耐磨及表面防护涂层

硬质涂层

分类

陶瓷

金属间化合物

特点

1、都具有很高的硬度、熔点和弹性模量；

为什么采用硬质涂层

2、线膨胀系数较低；

残余热应力及与其密切相关的涂层与基底间的附着力

3、断裂韧性要低于常用的金属材料

涂层的疲劳及抗冲击性能

另一个衡量涂层抵搞温度变化引起的应力的指标是热冲击抗力ST <涂层抵抗热冲击抗力.png>

由温度 差ΔT引起的热流密度与由线膨胀系数不匹配和温度变化引起的热应力σ之比有关

ST的数值越大，则表示涂层受到一定大小的热冲击时产生的应力也越小， 发生断裂的倾向也越低

氧化物陶瓷的热导系数κ大大低于其他材料，因而其ST较低，最容易在温度 变化的同时产生断裂

热防护涂层

提高高温合金使用温度，防止其在高温氧化环境中产生性能退化

通常是由一层金属涂层和一层氧化物热防护层组成的复合涂层

金属涂层的一般的成分是(Ni,Co,Fe)CrAlY

在基底金属与氧化物涂层之间提供一个过渡层，从而提高整个

热防护层对基底材料的附着力

金属涂层的中稀土元素Y还具有保护基底材料和涂层界面不被氧

化的重要作用

氧化物热防护层的主要组分是ZrO2

具有低的热导率，可以有效地降低高温工作部件在关键部位的温度，从而达到提高材料的使用温度的目的

采用等离子喷涂的方法制备上述的热防护复合涂层，涂层厚度为数百 微米。涂层后部件的使用温度通常可以达到1300°C左右

防腐涂层

阳极防护性涂层

Zn、Al、Zn-Al、Al-Mg-Re合 金的涂层可以依靠自身较负的电极电位，提高 被涂层的钢铁材料抵抗各种大气及海水条件侵 蚀的能力

不锈钢及各种镍铬合金涂层

不锈钢表面会自然 形成一层致密的Cr2O3保护膜，具有良好的耐腐 蚀性能和适当的强度、韧性、耐磨性和可加工性， 与钢铁材料基底的附着性好，因而常被喷涂于各种机械部件上，用以提高 其抗蚀性

陶瓷材料涂层

陶瓷材料一般均具有较好的抗腐蚀性能，还具有较好的耐 热性能和耐磨性能，因而也可被用来制造耐蚀涂层

高分子材料涂层

高分子材料一般具有较好的化学稳定性，并且具有适当 的韧性和耐磨性能，因而也可以被用来制备金属部件的防护涂层

金刚石薄膜

制备技术

合成金刚石薄膜的CVD方法一般采用1000°C以下的衬底温度和低于0.1MPa的 压力条件，在这一温度和压力范围内，石墨是碳的稳定相，而金刚石则是不稳定 的

应用

力学

高硬度、高耐磨性

热学

在室温条件下，金刚石 的热导率是铜的五倍

同时金刚石本身又是极好的绝缘材料，这使得金刚 石成为极好的高功率光电子元件的散热器件材料

光学

金刚石在从紫外到远红外的很宽的波长范围内具有 很高的光谱透过性能

极高的硬度、强度、热导率以及极低的线 膨胀系数和良好的化学稳定性。这些优异性质的综合使得金刚石薄膜成为可以 在恶劣环境中使用的极好的光学窗口材料

声学

极高的弹性模量，这决定了声波在金刚石中具有极高的传播速度

电学

金刚石具有较宽的禁带宽度、高的载流子迁移率

和饱和运动速度、高的击穿场强以及高的热导率

集成电路及能带工程

制造技术

发光二极管和异质结激光器

半导体p-n结产生激光的条件

（1）载流子的电-光转换效率要高，即要有足够高比例的载流子复合过程导致光子的产生。

（2）正向注入的电流要超过一定的阈值，即要有足够浓度的载流子密度正向注入p-n结。

（3）要有维持激光发射的谐振腔。这就是利用异质结制造半导体激光器的原因。

集成光学器件

磁记录薄膜和光存储薄膜

磁记录

在读写磁头与磁记录介质发生相对运动的同时，或磁头不断地变化磁化状态 以改变磁记录介质的磁化方向，即写入数据，或由于相对运动在磁头线圈中产生 感应电势，即读出数据

光存储介质

只读式光盘

探测激光在凹凸不平 的介质表面反射回来的光的强度的变化来读出信息的

一次写入式光盘

可擦重写型光盘

直接重写型光盘

磁光存储

依赖的是磁性材料的两个性质

当温度变化时，材料磁化状态产生相应变化的热磁效应

材料磁化状态使得从其表面反射回去的偏振光的偏振方向发生变化的克尔磁光效应

相变光存储

在较高功率的激 光照射下，薄膜材料将产生熔化现象。在激光束照射之后，薄膜的温度将以极高 的速度降低至熔点以下，这将导致被照射的区域凝固为非晶态结构。假若激光照 射功率不足以使薄膜区域熔化，但足以加热其到晶化温度以上的话，则激光照射 区域将发生晶化过程而转为晶态结构。由于晶态与非晶态区域的光学特性不同， 晶态区域对光的反射能力较强，透光性较差，因而依靠不同区域对激光束的反射 或透射能力的变化，就可以读出记录的信息

Te-As-Ge、Te-Se-S、Te-Se-Sb、In-Sb-Te 和 Te-Ge-Sn等稳定性较好的多元硫属薄膜作为相变存储材料

应用

有机电致发光薄膜OLED：平板显示

氧化物半导体敏感薄膜 SnO2, TiO2, Fe3O4: 高灵敏度气体传感器

力敏、磁敏金属薄膜FeSiB：微压力、震动、力矩、速度、加速度传感器

光催化薄膜TiO2 ：环保材料

光学薄膜：智能建筑材料，装饰照明

宽禁带半导体薄膜GaN,ZnO,SiC：短波长器件、大功率CMOS 器件

超导薄膜 YBCO, MgB

在磁光盘中，磁化矢量的方向均垂直于薄膜平面，或沿法线方向向上，或与 其相反向下。如图所示的写入过程中，激光束将磁性介质局部加热至铁磁性消失 的温度。在温度下降，铁磁性重新出现的同时，写入磁头施加一定的磁场，它使 这一区域的磁化矢量按要记录的信息而排列，从而完成写入过程

在偏振光垂直入射的情况下，磁化方向不同的区域将会使反射光的偏振方向 发生微小但却完全不同的变化，这就是克尔磁光效应。因而，在如图所示的读出 过程中，反射回来的激光束的偏振方向将与要读出的信息相对应，即依靠探测激 光偏振面的变化就可以实现信息的读出

新型光电发射薄膜Ag-BaO

对半导体材料的技术要求

器件对材料的要求

根据器件的功能来选择能满足其性能的材料，这包括材料的能带结构、晶体结构、迁移率、光学性质等

要使材料具有相应的物理参数与化学纯度，以保证器件获得良好的功能，同时为了保证器件工艺的实施，还要求材料具有相应的几何尺寸

本底纯度高、晶体缺陷少、晶体的尺寸大、加工精度高

化学组成

杂质的种类与行为

电活性杂质

由于杂质原子的价电子数与本体材料的价电子数不同，从而形成施主或受主

杂质会影响材料的电阻率、迁移率等。因此要将它们的浓度尽量降低。但在半导体材料或器件的制备过程中也常常利用某种浅施主或浅受主杂质来形成n型或p型半导体

这些杂质都分布在周期表中与本体材料邻近的一族中。由于它们所形成的能级与导带或价带靠得非常近，因此它们的解离能非常小，在室温下就可以完全解离

另一类电活性杂质的电离能较大，它们的能级位置靠近禁带的中部，这类杂质称为深能级杂质，它们常常有几个能级，在室温下不全部电离，但对载流子起复合中心或陷阱作用，因此这类杂质一般对材料是有害的，它们主要是元素周期表中的IB族，如铜、金和VIII族，如铁、镍等

电中性杂质

大多数的中性杂质是与本体材料或本体材料的一个组成元素处于元素周期表的同一族。这些杂质的价电子数与本体材料中的一种元素的相同

这种等电子杂质虽然不能释放出电子与空穴，但它们电子层数与本体元素不同。例如在磷化镓中的氮，它与磷的价电子数都是5，但它的价电子在L层，而磷在L层已填满，它们价电子就在M 层。因此氮就更容易俘获电子，而成为等电子陷阱。类似地，如果杂质对空穴的引力比较大，就成为空穴陷阱。可以利用这些陷阱制作器件

一些电中性杂质也可以用来改善材料的力学性能

化学配比偏离

一些价电子不能相键合，便构成载流子或形成点缺陷

本底纯度

先把半导体材料进行提纯，把其中所有的杂质降到一定的水平，使材料获得较高的本底纯度，然后再掺入所需的杂质

杂质分布的均匀性

器件一般是作在晶片上，所以宏观的纵向不均匀度，即晶体自头部至尾部的杂质浓度的差异，主要影响晶体的可用部分的大小；而径向不均匀度则影响器件的质量与成品率

微观不均匀度表现为杂质条纹，它亦对一些器件的性能有明显的影响

晶体缺陷

晶体内的原子是按一定的原则周期性地排列着的，这种排列遭到破坏

任何的杂质都会使晶体的正规点阵遭到破坏

但靠近器件有源区的缺陷可以吸收有源区的杂质与缺陷，常利用这一原理来改善器件性能

几何尺寸与精度

对半导体单晶的直径与截面面积一般要求愈大愈好

一个是技术性的，例如整流器或晶闸管，如果要求它们通过的电流大，那么器件的尺寸就必需大，因此所需的晶片直径也要大

另一类是经济上的，晶片愈大，一次作出的器件就多，单个器件的成本也就随之降低

晶片尺寸精度的要求主要来自器件工艺

直径公差、厚度公差、弯曲度、翘曲度、平坦度、定位面位置与尺寸

量子阱与超晶格材料则要求有原子级的精度

常用的表征参数与测量方法

电

电阻率

四探针法

两探针法

扩展电阻法

电子束感应电流（EBIC）

导电类型

热探针法

将一个热探针和一个冷探针放在半导体材料上，保持一定距离，因热端的多数载流子的扩散速度比冷端快，因此产生电位差，这电位差的正负取决于多数载流子带正电荷还是带负电荷，从此可测出材料是n型还是p型

载流子浓度

霍尔测量

结合电阻率测量可得出载流子浓度和迁移率

迁移率

如果知道迁移率与杂质浓度的关系，就可以求出杂质浓度

少数载流子寿命

可反映半导体的深能级杂质与缺陷的情况

光电导衰退法

表面光电压法

电子束感生电流法

电阻率均匀性

化学纯度

本底纯度

中子活化法

质谱法

原子吸收光谱法

发射光谱

红外吸收法

光荧光法

微区分析

离子探针

电子探针

分析电镜

表面纯度

俄歇能谱

全反射X光荧光分析

气相色谱

晶体学参数

由于晶体的各向异性，所以器件设计都要求材料的晶体学取向

光衍射法

光图法

位错

位错密度直接影响器件的性能与成品率

腐蚀-光学显微镜

X光形貌法

微缺陷

腐蚀-光学显微镜

缀饰X 光形貌

透射电子显微镜

几何尺寸

晶体与片的直径及其公差

晶片的厚度、弯曲度、翘曲度、平行度

抛光片的平坦度

千分尺

无接触测厚仪

激光干涉仪

Principles and applications

Semiconducting Devices and Their Working Principles

1. Thermistors: These utilize the temperature dependency effect of semiconductors.

2. Varistors: These utilize the voltage dependency effect of semiconductors.

3. Rectifiers: These utilize the impurity dependency effect of semiconductors.

4. Strain gauges: These utilize the change in resistance effect of semiconductors.

5. Zener diodes: These utilize the electric field effect of semiconductors.

6. Transistors: These utilize the amplification effects of semiconductors.

7. Photoconductive cells: These utilize the light illumination effect of semiconductors.

8. Photovoltaic cells: These utilize the optical characteristics of semiconductors.

9. Hall effect generators: These utilize the carrier drift effect in semiconductors

Choicest Materials for Different Semiconductor Devices

Diodes二极管

Si, Ge, GaAs

Zener Diodes稳压二极管

Zener breakdown, occurs at a precisely defined voltage, allowing the diode to be used as a precision voltage reference

Avalanche Diodes雪崩二极管

conduct in the reverse direction when the reverse bias voltage exceeds the breakdown voltage

Cat’s Whisker (or Crystal) Diodes

also called crystal diodes and found application in crystal radio receivers

Thermal Diodes

conventional p-n diodes used to monitor temperature due to their varying forward voltage with temperature

Constant Current Diodes

They allow a current through them to rise to a certain value, and then level off at a specific value

Photodiodes

Photodiodes are intended to sense light (photodetector), so they are packaged in materials that allow light to pass

PIN Diodes

used as radio frequency switches and attenuators. also used as large volume ionizing radiation detectors and as photodetectors

Schottky Diodes

Schottky diodes are constructed from a metal to semiconductor contact useful in voltage clamping applications and prevention of transistor saturation

Gold-Doped Diodes

This allows the diode to operate at signal frequencies, at the expense of a higher forward voltage drop

Super Barrier Diodes

Super barrier diodes are rectifier diodes that incorporate the low forward voltage drop of the Schottky diode with the surge-handling capability and low reverse leakage current of a normal p-n junction diode

Varicap (or Varactor) Diodes

These are important in PLL (phase-locked loop) and FLL (frequency-locked loop) circuits, allowing tuning circuits such as those in television receivers, to lock quickly, replacing older designs that took a long time to warm up and lock

Gunn Diodes

exhibit a region of negative differential resistance. With appropriate biasing, the dipole domains are formed and travel across the diode, allowing high frequency microwave oscillators to be built

Esaki (or Tunnel) Diodes

showing negative resistance caused by quantum tunnelling, allowing amplification of signals and very simple bistable circuits

Light-Emitting Diodes (LEDs)

carriers that cross the junction emit photons when they recombine with the majority carrier on the other side

Laser Diodes

When an LED-like structure is contained in a resonant cavity formed by polishing the parallel end faces, a laser can be formed

Transient Voltage Suppression (TVS) Diode

These are avalanche diodes designed specifically to protect other semiconductor devices from high-voltage transients

Snap-Off (or Step Recovery) Diodes (SRD)

After a forward current has been passing in an SRD and the current is interrupted or reversed, the reverse conduction will cease very abruptly

CPU, microprocessor

AlGaAs chips

Transistors

Si, Ge

Bipolar Junction Transistor (BJT)

A bipolar junction transistor is a sandwiched form of construction in which, one type of semiconductor (say n-type) is placed between two layers of other type of semiconductor (i.e. p-types).

Field-Effect Transistor (FET)

It is a unipolar, 3-terminal solid-state device in which the current is controlled by an electric field

Metal-Semiconductor Field-Effect Transistors (MESFET)

It uses a reverse-biased Schottky barrier instead of a p-n junction

Insulated-Gate Field-Effect Transistor (IGFET)

the channel current is controlled by a voltage applied at gate electrode and an insulator is used to isolate this gate from the channel

MOSFET

The main advantage of MOSFEF over JFET is that the input impedance of a MOSFET is much more than that of a JFET, because of very small gate leakage current

p-Channel Enhancement MOSFET (PMOS)

Photocells

Se, CdS, PbS (i.e. Galena or galenite)

Rectifiers

Si, Se, CuO

ICs

Si chip, GaAs and Si hybrid chips

Light detectors

InSb, CdSe, PbTe, HgCdTe

High-frequency devices

Ge

Fluorescent screens such as T.V. screens

ZnS, Phosphor coating of oxides and sulphides of Zn, Cd, Be

Infrared detectors

Si, Ge

Nuclear radiation detectors

Si, Ge

Gunn diode (a microwave device)

GaAs, InP

Semiconductor lasers

GaAs, AlGaAs, GaP, GaSb

Solar cells/batteries

Photovoltaic action materials such as Se

Absorber material

Si Cu2S CdTe Cu2S CuInSe2 GaAs

Collector material

Si CdS CdS ZnCdS CdS AlGaAs

Cinematography

Photocell effect based materials such as Se, CdS, PbSO4

Xerox-type photocopier

Se

Hyper high-speed computers

New generation AlGaAs chips

Sensor elements for guided missiles

Hg-Cd-Te crystals

Automatic door opener

Photoconductivity based materials such as CdSe, CdS, CdTe

Stroboscope disk (flashing light called stobotron)

Opto-electronic polymers

Red phosphor for TV tubes

Yttrium (Y)

Diamond transistors

Phosphorus-doped diamond film n-type semiconductor

Semiconductor lenses and mirrors for high power lenses

Synthetic diamond

Light absorption and optics

Single crystal diamond

Light emitting diode (LED)

For visible green color light

Gap, CdS

For visible red color light

GaAsP, CdSe

For visible yellow light

GaP

For visible blue light

SiC

For invisible infrared light

GaAs, InSb

For ultraviolet region of light

ZnS

Avalanche photodiode

InAlAs, InGaAs, GaAsSb

Photon detector

InP, InAs, InSb

Photoconductors

in green light

CdS

in red light

CdSe

in infrared region

CdTi

family of optoelectronic devices <The%20family%20of%20optoelectronic%20devices.png>

Emerging Wide Bandgap Semiconductors

InMnAs

It is a metal-insulator semiconductor which is suitable for working at low temperature. It may be used as magnetic sensors.

GaMnAs.

It is suitable for high spin-injection. It may be used for infrared LED and lasers.

CoTiO2.

It has high coherent length.

NiGaAs.

It is suitable for efficient carrier injection. It may be used for high speed digital electronic applications.

ZnGeP2.

It is a chalcopyrite material that exhibits unusual nonlinear optical properties. It can be used in optical oscillations.

ZnSnAs2.

This is a chalcopyrite material. It shows promise for frequency converters and IR- generation.

ZnSiN2.

It is a wide bandgap chalcopyrite having lattice parameter close to GaN and SiC. Achievement of ferromagnetism in it will enable its usefulness to make ultraviolet solar-blind detector and microwave power electronic devices.

EuS.

It is a dilute magnetic semiconductor (DMS) material. It can be used as tunnelling barrier, which can effectively function as spin filter

Left Handed (LH) Materials

Microwave components

• Miniaturized antennas

• Probes

• Waveguides

• Interconnections between nanodevices and external terminations

• Novel filters in cellular phones

• Micro-lenses

半导体材料的应用

制作半导体器件

分立器件（discrete part）

（1）晶体二极管；

具有一个pn结，或具有与pn结相类似的肖特基势垒的器件

主要应用于整流与检波

（2）晶体三极管；

重要的分立器件、也是构成集成电路的主要元件

三极管工作原理图 <半导体导论/三极管工作原理图.png>

结型晶体管

电压放大和功率放大

场效应晶体管

一种电压控制的器件

（3）发光二极管；

是利用pn结进行发光的器件，当向其pn结通入正向电流时，可发出红外光或可见光

GaP是发光二极管使用最多的晶体材料

发光二极管的主要材料结构与发光性能 <半导体导论/发光二极管的主要材料结构与发光性能.png>

发光二极管与视感度的关系 <半导体导论/发光二极管与视感度的关系.png>

（4）激光管；

激发方式

电注入激光二极管，它是靠电能直接激发发射出激光

另一种则靠光泵进行激发

（5）电力电子器件；

金属-氧化物-半导体（MOS）型集成电路

双极型集成电路

（6）电子转移器件；

（7）能量转换器件；

太阳电池

（1）单晶硅太阳能电池

单晶硅太阳能电池变换效率最高，已达２０％以上，但价格也最贵

（2）多晶硅太阳能电池

非晶态硅太阳电池变换效率最低，但价格最便宜，今后最有希望用于一般发电的将是这种电池。一旦它的大面积组件光电变换效率达到１０％，每瓦发电设备价格降到１－－２美元时，便足以同现在的发电方式竞争

（3）非晶硅太阳能电池

（4）多元化合物太阳能电池

砷化镓半导体同锑化镓半导体重叠而成的太阳能电池，光电变换效率可达３６％，快赶上了燃煤发电的效率

（5）聚光太阳能电池

光伏材料 <半导体导论/光伏材料.png>

（8）敏感元件

集成电路（integrated circiut，简称IC）

（1）Si 集成电路；

（1）双极型电路；

（2） 金属-氧化物-半导体（MOS）型电路；

（3）双极MOS（BiMOS）电路等

（2）GaAs集成电路；

（3）混合集成电路

光学窗口、透镜等

主要半导体器件所用材料及其工作原理 <半导体导论/主要半导体器件所用材料及其工作原理.png>

展望

微电子学、光电子学都将以很高的速度继续发展

半导体在军事技术上的应用日益重要

新技术的发展将有赖于半导体技术

半导体的新材料、新结构、新现象为今后发展开拓了新的方向

趋势

硅的优势地位在可预见的将来不会发生显著的变化

化合物半导体材料在品种上、品质上将会得到进一步的发展，发展的重点将是GaAs、InP、GaN 等III-V族化合物以及ZnSe、CdTe、HgCdTe等II-VI族化合物

大直径单晶制备技术及超精度晶片加工工艺将得到进一步的发展

在低维结构材料方面，将会有更多的材料与结构

检测技术也将得到发展，如精度达原子级的分析技术、表面与结构的检测技术、在线检测技术等都会得到相应的发展

新的材料、新的现象、新的制备工艺将会不断地出现

半导体材料的制备

过程

原料

提纯

高纯物质

合成

高纯化合物多晶

单晶制备

单晶棒

晶片加工

切片

磨片

抛光片

外延生长

外延片

提纯

目的纯度

对某种（些）特定杂质的含量要严格低于某些数值，而对其他杂质的含量则要求较宽的情况下的纯度

整体纯度

控制材料中所有的或绝大部分杂质的情况

一般用多少个9来表示

剩余电阻率比值，RRR=r300/r4.2

提纯方法

化学提纯

电解法

提纯原理

化学电位差

制约因素

电解液的纯度

阳极泥的污染

阴极的污染

实例

Ga

In

Al

萃取法

提纯原理

化合物在两液相间的分配

制约因素

萃取剂的污染

转化过程的污染

实例

GeCl4

GaCl3

化合物精馏法

提纯原理

利用蒸汽压差多次冷凝蒸发

制约因素

蒸汽压相近的杂质

杂质间相互作用

容器的污染

实例

GeCl4

SiHCl3

SiH4

AsCl3

络合物法

提纯原理

形成络合物以改变原有性质

制约因素

络合剂纯度

必须用其他方式分离

真空系统的污染

实例

SiHCl3

化学吸附法

提纯原理

制约因素

实例

物理提纯

真空蒸发法

提纯原理

蒸气压差

制约因素

沸点高的杂质

容器的污染

实例

Ga

As

Se

区熔法

提纯原理

固液相多次分离

制约因素

起始浓度不能高

分凝系数接近1

表面膜对杂质的吸附

容器的污染

实例

Ge

Si

Sn

Sb

Al

直拉单晶法

提纯原理

固液相以此分凝，晶界间杂质的排除

直拉法是将物料在坩埚中熔化，然后将籽晶下降，使籽晶与熔体相熔接，控制适当的温度梯度，使熔体沿籽晶方向结晶凝固，籽晶杆相应向上提拉，坩埚与籽晶一般朝相反方向旋转，以得到良好的搅拌，并保证加热与冷却的均匀性。定向结晶法是将原料在坩埚中熔化，然后从一端开始逐渐凝固

制约因素

起始浓度不能高

分凝系数接近1

容器的污染

加热器污染

实例

Ga

In

通常几种方法相互补充使用

分凝与分凝系数

分凝

利用相图

合成

单晶的制备

液相法生长

熔体生长

坩埚内生长

垂直定向结晶法

加热炉与安瓿固定不动，使温度按一定的程序变化即成垂直梯度凝固法

优点

可控制温度梯度，可控制气氛，晶体截面呈圆形

缺点

难以观察生长情况需进行晶体与坩埚的脱离

应用举例

CdTe，GaAs

水平定向结晶法

优点

可控制温度梯度，可控制气氛，易观查合成与单晶制备可在同一设备内进行

缺点

晶体截面非圆形，舟对熔体易污染，晶向选择性小

应用举例

CdTe，GaAs

水平区熔法

依靠熔体的表面张力保持熔区的稳定，并使之移动，用以进行区熔提纯或制备单晶

优点

杂质沿生长方向分布均匀，易于观查

缺点

较难控制温度梯度，晶体截面非圆形，舟对熔体易污染，晶向选择性小

应用举例

Ge，GaAs

坩埚外生长

直拉法

利用单晶籽晶从坩埚熔体中向上提拉，使晶体按籽晶的晶向垂直向上生长成所需直径的单晶

技术参数

热场的配置、

籽晶杆旋转的方向与速度、

坩埚的旋转方向与速度，

籽晶杆的提拉速度、

坩埚的升降速度，

保持气体的压力与流速等

优点

易于观查与控制晶体生长，晶向选择性多，易获得大直径单晶

缺点

坩埚与加热系统污染，不能生长有挥发性组分的单晶

应用举例

Ge，Se，InSb，GaSb

升级

磁控拉晶法

在直拉法的坩埚区施加磁场，使导电熔体与磁场相作用产生洛仑兹力而使熔体对流受到抑制

液封直拉法

在熔体表面再覆盖一层惰性熔体，并在炉室内保持相应的压力（大于熔体的离解压力）

优点

可控制压力，能生长有挥发性组分的单晶，易于观查，晶向选择性多，易获得大直径单晶

缺点

生长系统温度梯度较难控制

应用举例

GaAs，GaP，InP，GaSb，PbTe，InAs

毛细管法

优点

可直接制成片状晶体

缺点

坩埚及模的污染，宽度小

应用举例

Si（仅用于太阳电池）

无坩埚生长

浮区法

优点

单晶纯度高，杂质的纵向分布较均匀

缺点

生长大直径困难，杂质的径向分布不均匀

应用举例

Si

基座法

熔液生长

溶液析出法

溶液反应法

气相生长法

升华法

化学反应法

化学迁移法

优点

能获得分解压高的单晶，生长温度低

缺点

难获大单晶，晶体取向与缺陷难控制

应用举例

CdS，CdSe

固相生长法

再结晶法

粉末生长法

优点

能获得较复杂成分单晶

缺点

生长速度慢，难控制

应用举例

HgCdTe

晶片的加工

过程

硅锭条

清洗腐蚀

热处理

滚圆

磨定位面

切片

清洗

倒角

清洗

磨片

清洗腐蚀

抛光

清洗

擦片

包装

热处理

消除热应力和改善晶体的质量

切片

内圆切割机

线切割机

磨片与倒角

磨片的目的是去除切片的刀痕与损伤层，提高成批晶片的厚度的一致性、平行度、表面的平整度

倒角:是将晶片的边缘磨圆，以防止在其后的加工过程中发生崩边，或在器件的甩胶过程中造成胶在晶片边缘处堆积

抛光

几何精度、表面质量、表面洁净度 <半导体导论/大小直径硅片技术要求（代表值）的比较.png>

机械抛光

机械抛光的优点是片子的几何精度高，但由于抛光靠机械研磨，磨料的硬度必需要高于半导体材料的硬度，因此抛光表面的损伤是无法避免的

化学抛光

化学抛光可以作到表面无损伤，但是化学腐蚀速度受到各种因素的影响而很难完全均匀，不易获得很好的 平坦度

化学机械抛光

所要研磨掉的不是材料本身，而是材料与化学试剂反应的产物，因此磨料的硬度可以低于材料，这样就可以不损伤其表面

外延生长

在单晶衬底上与衬底的晶体结构按一定的关系连续生长单晶层的过程

类型

真同质外延（true homoepitaxy）

赝同质外延（pseudo-homoepitaxy）

真异质外延（true heteroepitaxy）

赝异质外延（pseudo-heteroepitaxy

作用

由于外延生长温度都低于从熔体生长单晶的温度，温度低可降低污染并有利于获得较好的化学配比，可获得优质高纯的外延层，器件的有源层就做在外延层上

在重掺（即电阻率很低）的衬底上，生长具有较高电阻率的外延层，可以解决器件的击穿电压（耐压高则要求电阻率高）与串联电阻之间的矛盾、频率与功率之间的矛盾

生长三元或多元化合物或固溶体。用通常熔体生长三元或多元化合物的单晶是困难的，其化学配比很难准确达到和保持。而生长固溶体，由于构成固溶体的元素在凝固时会发生偏析，因此难以得到沿生长方向组分均匀的固溶体

用外延方法生成结，在双极型电路中作为隔离之用

是制作异质结、量子阱、超晶格结构的唯一方法

生长的方法

化学汽相外延

工作原理

无机化合物的还原、歧化热分解

应用实例

Si

GaAs

GaAsP

金属有机化学汽相外延

工作原理

金属有机化合物和烷类化合物的热分解

应用实例

各种化合物半导体

各种量子阱超晶格的微结构

液相外延

工作原理

过饱和溶液中溶质的析出

应用实例

Si GaAs GaP GaAlAs

分子束外延

工作原理

原子或分子束流的物理沉积

应用实例

各种化合物半导体

各种量子阱超晶格的微结构

化学分子束外延

工作原理

固相相变

应用实例

SOI结构

离子束外延

工作原理

离子经电磁场作用形成束流的物理沉积

应用实例

稀土化合物等

ZnO半导体参杂材料的应用

一些主要的半导体材料

一些重要的半导体材料 <半导体导论/一些重要的半导体材料2.png>

硅

力学与热学性质 <半导体导论/硅的力学与热学性质.png>

半导体性质 <半导体导论/硅的半导体性质.png>

制备工艺

应用 <半导体导论/半导体硅材料的应用.png>

发展趋势

提高晶体完整性

提高纯度与控制杂质

大直径化

硅外延片及硅基材料的发展

（1） 集成电路的集成度与复杂性的提高；

（2）微波向更短波长区域扩展；

（3） 光电子器件的发展及其与微电子器件的集成或匹配；

（4 ）抗恶劣条件（射线、高温、大功率）能力的提高

高集成度电路使用外延的比例在增大

绝缘体上的硅（silicon on insulater，SOI）发展较快

硅锗材料（SiGe/Si）接近成熟

锗

力学与热学性质 <半导体导论/锗的热学与力学质性.png>

半导体性质 <半导体导论/锗的半导体性质.png>

制备工艺 <半导体导论/半导体锗的生产原则流程图.png>

砷化镓

力学与热学性质 <半导体导论/砷化镓的力学热学性质.png>

半导体性质

制备工艺

所有的GaAs单晶都是用熔体生长法制成

水平定向结晶法和液封直拉法

应用

磷化镓

主要物理性质 <半导体导论/磷化镓的主要物理性质.png>

制备

液封直拉法

主要用途是制造发光二极管（ LED）

磷化铟（InP）

主要物理性质 <半导体导论/磷化铟的主要性质.png>

碲化镉