化合物半导体ppt课件.ppt
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1、信号与系统信号与系统化合物半导体材料化合物半导体材料主讲:申主讲:申 慧慧11信号与系统信号与系统在这个堪称最高水平的精密制造产业,在这个堪称最高水平的精密制造产业,中国正在爆发!中国正在爆发! 集成电路产业是中国产业升级的重中之集成电路产业是中国产业升级的重中之重,汽车是人类第一大工业,绝大多数重,汽车是人类第一大工业,绝大多数的外资车企,在中国销售的车辆都是在的外资车企,在中国销售的车辆都是在中国制造中国制造; ;在中国集成电路的设计、制造、封装三在中国集成电路的设计、制造、封装三大环节之中,制造目前是最弱小,差距大环节之中,制造目前是最弱小,差距最大的部分。最大的部分。在世界集成电路制造
2、领域,总的来说台湾最为强大。在世界集成电路制造领域,总的来说台湾最为强大。20162016年,全球排名前十年,全球排名前十的芯片代工厂商如下的芯片代工厂商如下: :1. 1. 台积电台积电: :市场占有率为市场占有率为59%, 2. 59%, 2. 美国格罗方德美国格罗方德, ,市场占有率为市场占有率为11%, 3.11%, 3.台湾联华台湾联华电子电子, , 4. 4.中国大陆中芯国际中国大陆中芯国际, , 5 . 5 . 台湾力晶科技台湾力晶科技,6. ,6. 美国美国Tower Jazz, 7. Tower Jazz, 7. 世界先进积世界先进积体电路体电路, ,8. 8.中国华虹半导体
3、中国华虹半导体, , 9. 9. 韩国韩国Dongbu hiTek 10.Dongbu hiTek 10.德国德国X-FabX-Fab2信号与系统信号与系统中国在集成电路制造领域,最先进规模最大的就是中芯国际,华虹宏力的最中国在集成电路制造领域,最先进规模最大的就是中芯国际,华虹宏力的最高水平制程,只有高水平制程,只有9090纳米,华虹是全球最大的智能卡(包括第二代居民身份纳米,华虹是全球最大的智能卡(包括第二代居民身份证、社保卡、手机证、社保卡、手机SIMSIM卡、奥运会门票、世博会门票、金融卡、奥运会门票、世博会门票、金融ICIC卡等)卡等)ICIC的代工的代工厂。厂。下图中国最大的十家集
4、成电路制造商,除开在中国大陆设厂的外资企业以外,下图中国最大的十家集成电路制造商,除开在中国大陆设厂的外资企业以外,只有只有5 5家:家:中芯国际,华润微电子,华虹宏力,华力微电子,西安微电子技术中芯国际,华润微电子,华虹宏力,华力微电子,西安微电子技术研究所研究所。上海华力微电子目前是国家重点扶持的集成电路制造企业,华力微电子二期上海华力微电子目前是国家重点扶持的集成电路制造企业,华力微电子二期第二座第二座1212英寸晶圆厂也在英寸晶圆厂也在20162016年投资年投资347347亿元动工,设计工艺为亿元动工,设计工艺为28-20-14nm28-20-14nm,3信号与系统信号与系统u Si
5、 Si为代表的,第一代半导体材料为代表的,第一代半导体材料 u GaAsGaAs为代表的,第二代半导体材料为代表的,第二代半导体材料u SiCSiC及及GaNGaN为代表的宽禁带材料,第三代半为代表的宽禁带材料,第三代半导体材料。包括材料本身和器件开发,仍在导体材料。包括材料本身和器件开发,仍在发展中。发展中。半导体材料的发展半导体材料的发展44信号与系统信号与系统化合物半导体材料uIIIIIIV V族化合物半导体材料族化合物半导体材料uII IIVIVI族化合物半导体材料族化合物半导体材料 。55信号与系统信号与系统66信号与系统信号与系统 所谓所谓III-VIII-V族化合物材料,应包括所
6、有的三族元素(族化合物材料,应包括所有的三族元素(B B、AlAl、GaGa、InIn、TlTl)和五族元素()和五族元素(N N、P P、AsAs、SbSb、BiBi)结合而成的化合物,)结合而成的化合物,人们先后开展研究的有十几种。其中作为电子信息材料研究、应人们先后开展研究的有十几种。其中作为电子信息材料研究、应用较多的有用较多的有GaSbGaSb、InAsInAs、InSbInSb、GaNGaN、GaPGaP、GaAsGaAs、InP InP 等几种。等几种。l GaSbGaSb、InAsInAs、InSbInSb 几种材料主要用于制作红外光电器件和霍尔几种材料主要用于制作红外光电器件
7、和霍尔器件等,相对来说,市场总量较小,发展前景受到限制。器件等,相对来说,市场总量较小,发展前景受到限制。l GaP GaP 材料属于间接带隙半导体,主要用于生产中、低亮度的发材料属于间接带隙半导体,主要用于生产中、低亮度的发光管(光管(LEDLED),这一领域市场比较成熟,竞争十分激烈,并呈现),这一领域市场比较成熟,竞争十分激烈,并呈现逐步被逐步被GaAs GaAs 基高亮度、超高亮度基高亮度、超高亮度LED LED 取代的趋势,发展前景不取代的趋势,发展前景不容乐观。容乐观。l GaAsGaAs、InPInP 材料由于自身的固有优点,在材料由于自身的固有优点,在微电子、光电子领域微电子、
8、光电子领域同时具有重要应用,成为同时具有重要应用,成为III-VIII-V族化合物半导体材料的主要代表。族化合物半导体材料的主要代表。77信号与系统信号与系统常见的III-V化合物半导体化合物晶体结构带隙niunupGaAs闪锌矿1.421.31068500320GaP闪锌矿2.27150120GaN纤锌矿3.490010InAs闪锌矿0.358.110143300450InP闪锌矿1.356.91075400150InN纤锌矿2.054400AlN纤锌矿6.243001488信号与系统信号与系统晶体结构u闪锌矿: ZnSZnS,立方晶系,同结构的有: SiC, SiC, GaAs, AlP,
9、 InSbGaAs, AlP, InSbu纤锌矿: ZnSZnS,六方晶系,同结构的有: ZnO, AlN, ZnO, AlN, GaNGaN闪锌矿结构闪锌矿结构纤锌矿结构纤锌矿结构99信号与系统信号与系统III-V族化合物半导体性质(1 1)带隙较大带隙大于)带隙较大带隙大于1.1eV1.1eV(2 2)直接跃迁能带结构)直接跃迁能带结构 光电转换效率高光电转换效率高(3 3)电子迁移率高高频、高速器件)电子迁移率高高频、高速器件1010信号与系统信号与系统GaAs半导体u光电子领域直接带隙半导体,发光效率直接带隙半导体,发光效率高,在高,在LEDLED照明等领域具有照明等领域具有重要的应用
10、前景;重要的应用前景;u微电子领域高频无线通讯等领域具有高频无线通讯等领域具有重要应用重要应用GaAs GaAs 能带结构能带结构1111信号与系统信号与系统InP半导体19101910年,蒂尔合成出年,蒂尔合成出InPInP,是最早制备出来的,是最早制备出来的III-VIII-V族化合物;族化合物;InPInP单晶体呈暗灰色,有金属光泽;单晶体呈暗灰色,有金属光泽;室温下与空气中稳定,室温下与空气中稳定,3603600 0C C下开始离解下开始离解1212信号与系统信号与系统InP特性高电场下,电子峰值漂移速度高于高电场下,电子峰值漂移速度高于GaAsGaAs中的电中的电子,是制备超高速、超
11、高频器件的良好材料;子,是制备超高速、超高频器件的良好材料;InPInP作为转移电子效应器件材料,某些性能优于作为转移电子效应器件材料,某些性能优于GaAsGaAs;InPInP的直接跃迁带隙为的直接跃迁带隙为1.35 eV1.35 eV,正好对应于光纤,正好对应于光纤通信中传输损耗最小的波段;通信中传输损耗最小的波段;InPInP的热导率比的热导率比GaAsGaAs好,散热效能好;好,散热效能好;InPInP是重要的衬底材料;是重要的衬底材料;1313信号与系统信号与系统随着半导体材料的单晶制备及外延技术的发展和突破,随着半导体材料的单晶制备及外延技术的发展和突破,并基于以下几方面原因,宽带
12、隙半导体材料应运而生。并基于以下几方面原因,宽带隙半导体材料应运而生。 u 耐高温、高热导、高耐压特性耐高温、高热导、高耐压特性,发展高温(,发展高温(300300)、高)、高功率和低损耗电子器件;功率和低损耗电子器件;u 高亮度发光管高亮度发光管,从而使人类可以获得高重复性、长寿命的,从而使人类可以获得高重复性、长寿命的全色包括白光光源;全色包括白光光源;u 短波长激光器短波长激光器,束斑尺寸小,可实现高密度数据光存储,束斑尺寸小,可实现高密度数据光存储,以及紫外探测器。以及紫外探测器。 宽带隙半导体1414信号与系统信号与系统v近年来,随着半导体器件应用领域的不断扩大,特别近年来,随着半导
13、体器件应用领域的不断扩大,特别是有些特殊场合要求半导体适应在是有些特殊场合要求半导体适应在高温、强辐射和大功高温、强辐射和大功率等环境下工作率等环境下工作,传统的一和二代半导体无能为力。,传统的一和二代半导体无能为力。v于是人们将目光投向一些被称为于是人们将目光投向一些被称为第三代宽带隙半导体第三代宽带隙半导体材料材料的研究,如的研究,如金刚石、金刚石、SiCSiC、GaNGaN、ZnOZnO和和AlNAlN 等。等。v这些材料的这些材料的禁带宽度在禁带宽度在 2 eV 2 eV 以上以上,拥有一系列,拥有一系列优异的优异的物理和化学性能物理和化学性能。 1515信号与系统信号与系统 高温宽带
14、隙半导体材料,特别是高温宽带隙半导体材料,特别是SiCSiC、GaNGaN等,等, 是研制高频大功率、耐高温、抗辐照微电子器件是研制高频大功率、耐高温、抗辐照微电子器件、电路的理想材料、电路的理想材料; ; 国际军事高技术应用领域研发的重点和竞争的焦国际军事高技术应用领域研发的重点和竞争的焦点之一!点之一!1616信号与系统信号与系统 u禁带宽度对于半导体器件性能的影响非常大,它直接决定着器件的耐压和最高工作温度;u比如氮化镓禁带宽度很大,即便高温价带电子也很难吸收大于Eg的热辐射的能量跳变到导带,这样就能继续发挥半导体作用,u同理因为跃迁能量较大,所以GaN更难被击穿,因此常用作高压耐高温器
15、件,也有很高的抗辐射性能。17信号与系统信号与系统 三代材料并不存在相互替代的关系,而是在应用上各有三代材料并不存在相互替代的关系,而是在应用上各有侧重。侧重。硅材料的应用最为普及,是构成电子信息技术的主硅材料的应用最为普及,是构成电子信息技术的主要支柱,要支柱,砷化镓、磷化铟材料在工作速度、频率上优势明砷化镓、磷化铟材料在工作速度、频率上优势明显,显,而碳化硅、氮化镓将在更高的工作温度和高频下更大而碳化硅、氮化镓将在更高的工作温度和高频下更大的功率密度方面具有优势。的功率密度方面具有优势。1818信号与系统信号与系统主要半导体材料基本特性主要半导体材料基本特性物理量物理量SiGeGaAsGa
16、NAlN3C-SiC6H-SiC金刚石金刚石带隙宽度带隙宽度(eV)1.120.671.433.376.22.363.05.5能带类型能带类型间接间接间接间接直接直接直接直接直接直接间接间接间接间接击穿场强击穿场强(MV/cm)0.30.10.065 51.2-1.413-510电子迁移率电子迁移率(cm2/V s)13503900850012003008004002200空穴迁移率空穴迁移率(cm2/V s)480190040020014320901800热导率热导率(W/cm K)1.30.580.552.02.853.64.96-20饱和电子漂移速饱和电子漂移速度度(107 cm /s)
17、122.51.42.52.5晶格常数晶格常数 ()5.435.665.653.1895.1863.1124.9824.35963.080615.11733.567键结合能(键结合能(eV)51919信号与系统信号与系统主要介绍内容v ZnO ZnOv SiC SiCv GaN GaN2020信号与系统信号与系统氧化锌基本特性v ZnOZnO是一种具有是一种具有半导体、发光、压电、电光、闪烁半导体、发光、压电、电光、闪烁等性能的多功能晶等性能的多功能晶体材料体材料 ;v ZnOZnO是是- - 族半导体,室温下,它的禁带宽度为族半导体,室温下,它的禁带宽度为3.4eV3.4eV,激子结合能,激子
18、结合能高达高达60MeV60MeV,其发光波长比,其发光波长比GaNGaN的蓝光波长还要短的蓝光波长还要短 ;v ZnOZnO带边发射在紫外区,非常适宜作为白光带边发射在紫外区,非常适宜作为白光LEDLED的激发光源材料,是的激发光源材料,是半导体照明工程中的重要材料半导体照明工程中的重要材料 ; ; 对应紫外光的发射,可以开发短波长对应紫外光的发射,可以开发短波长光电器件(如:紫外发光二极管光电器件(如:紫外发光二极管(UV LED)(UV LED)、紫外半导体激光器(、紫外半导体激光器(UV UV LDLD),紫外探测器等);),紫外探测器等);v ZnOZnO与与GaNGaN的物理性能非
19、常接近,晶格失配度很小,被认为是的物理性能非常接近,晶格失配度很小,被认为是GaNGaN生生长最理想的衬底材料;长最理想的衬底材料; v ZnOZnO及其在半导体、短波长发光器件等方面的研究已成为国际前沿领及其在半导体、短波长发光器件等方面的研究已成为国际前沿领域中的研究热点域中的研究热点 ;2121信号与系统信号与系统 GaNGaN衬底材料2222信号与系统信号与系统2323信号与系统信号与系统应用背景应用背景 紫外二极管、紫外激光器、声表面波器件、透明电极紫外二极管、紫外激光器、声表面波器件、透明电极2424信号与系统信号与系统ZnO单晶衬底材料GaN发光二极管激光器透明电极窗口材料稀土基
20、LED的基质压电换能器表面波器件气敏传感器2525信号与系统信号与系统发展历史 19591959年,美国科学家年,美国科学家LaudiseLaudise使用水热法从使用水热法从1mol/L1mol/L的的NaOHNaOH溶液中生长出溶液中生长出ZnOZnO单晶;单晶; 在随后二十年中,在随后二十年中,ZnOZnO生长研究掀起一个小高潮,尝试多生长研究掀起一个小高潮,尝试多种生长方法,如助熔剂法、水热法、气相法等,但由于该种生长方法,如助熔剂法、水热法、气相法等,但由于该晶体生长难度大,所得晶体尺寸很小,没有实用价值;晶体生长难度大,所得晶体尺寸很小,没有实用价值; 在在19801980年以后的
21、近二十年里,年以后的近二十年里,ZnOZnO单晶体的生长研究几乎单晶体的生长研究几乎处于停滞不前的状态处于停滞不前的状态 ; 近年来,用于高密度光存储技术的短波长光电器件的需求近年来,用于高密度光存储技术的短波长光电器件的需求与日俱增,与日俱增,ZnOZnO因其优良的物理、化学性能而又重新激起因其优良的物理、化学性能而又重新激起了人们的研究兴趣。了人们的研究兴趣。 2626信号与系统信号与系统 Will UV Lasers Beat the Blues Will UV Lasers Beat the Blues ? 1997 1997年,年,Robert F. Service Robert F
22、. Service 在在ScienceScience杂志上发杂志上发表了表了 Will UV Lasers Beat the BluesWill UV Lasers Beat the Blues? ? 的评论,高度评的评论,高度评价了价了ZnOZnO在紫外激光器在紫外激光器中的应用前景,掀起了人们中的应用前景,掀起了人们研究研究ZnOZnO的热潮。的热潮。 近年来,近年来,GaNGaN、SiCSiC等新型发光材料产业的迅速等新型发光材料产业的迅速 发展对发展对高质量大尺寸高质量大尺寸ZnOZnO 单晶基片的需求越来越大。单晶基片的需求越来越大。19971997年首次年首次发现了发现了ZnOZn
23、O室温紫外受激发射室温紫外受激发射,正是由于,正是由于ZnOZnO的市场需求的市场需求和本身特性,引起了人们的兴趣。和本身特性,引起了人们的兴趣。2727信号与系统信号与系统FESEM images of flower-shaped ZnO nanostructures seen composed of hexagonal ZnO nanorodsSide view and top view of ZnO nanorods纳米纳米ZnOZnO和和ZnOZnO薄膜也成为研究热点薄膜也成为研究热点2828信号与系统信号与系统高电压输出高电压输出ZnOZnO纳米线发电机纳米线发电机ZnOZnO纳米环
24、纳米环(a a)基于垂直于基片生长的纳米线所设计的纳米)基于垂直于基片生长的纳米线所设计的纳米发电机发电机(VING(VING););(b b)基于平行于基片多行生长的纳米线所设计的)基于平行于基片多行生长的纳米线所设计的纳米发电机(纳米发电机(LINGLING););(c c)基于一行平行于基片生长的氧化锌纳米线所)基于一行平行于基片生长的氧化锌纳米线所组成的纳米发电机;组成的纳米发电机;(d d)在微小形变下能产生)在微小形变下能产生1.21.2伏输出电压的纳米发伏输出电压的纳米发电机的光学照片;电机的光学照片;2929信号与系统信号与系统 氧化锌纳米结构研究的世界领袖氧化锌纳米结构研究的
25、世界领袖v 20002000年开始,利用纳米年开始,利用纳米ZnOZnO独特的半导体、光学和生物独特的半导体、光学和生物特性,合成出特性,合成出ZnOZnO纳米带、纳米环和纳米螺旋。纳米带、纳米环和纳米螺旋。v 20062006年,提出通过由压电材料合成的纳米线能将机械能年,提出通过由压电材料合成的纳米线能将机械能转化为电能,并首次提出了转化为电能,并首次提出了纳米发电机原理纳米发电机原理,并将压,并将压电所产生的电场应用于控制半导体中载流子的输运过电所产生的电场应用于控制半导体中载流子的输运过程,因此发明了压电电子学新概念和新领域。程,因此发明了压电电子学新概念和新领域。王中林王中林 v19
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