电子信息材料基础摘要

第一章微电子电路中的主要材料问题1.衬底材料——Si，SOI，GaAs,InP,GaN等（1）晶片直径越来越大；（2）微缺陷要求越来越高；（3）几何精度特别是平整度；2.半导体材料的分类1.按化学组分和结构元素半导体材料(B,Si,Ge,GreySn,P,Se,Te)化合物半导体材料III-V族半导体材料(GaAs,InP,GaN…）II-VI族半导体材料(ZnO,ZnS,ZnSe,CdTe,CdSe…)IV-VI族半导体材料(PbS,PbSe,PbTe…)IV-IV族半导体材料(SiC,SiGe,SiSn,GeSn…)多元化合物半导体(GaAlAs,InGaAsP,Zn1-xMgxSySe1-y…)2.按禁带宽度窄带隙半导体材料/宽带隙半导体材料3.按使用功能电子材料、光电材料、传感材料、热电致冷材料等3.第一代半导体材料，元素半导体材料，以Si和Ge为代表;Si：Eg=1.12eV第二代半导体材料，化合物半导体材料，以GaAs1.42eV，InP1.35eV等材料为代表;第三代半导体材料，化合物半导体材料，以GaN，SiC，ZnO等材料为代表;GaN:Eg=3.3eV半导体材料另一发展趋势是：由三维体材料向薄膜、两维超晶格量子阱、一维量子线和零维量子点材料方向发展。4.Si单晶生长：（1）区熔法（FZ）（2）直拉法（CZ）优点：较好的直径控制较好的缺陷控制较好的杂质控制缺点：与坩埚接触，易引入杂质直拉法的工艺过程：1.籽晶熔接,“烤晶”，以除去表面挥发性杂质同时可减少热冲击2.引晶和缩颈,其目的是排除接触不良引起的多晶和尽量消除籽晶内原有位错的延伸3.放肩,让晶体逐渐长大到所需的直径为止4.等径生长,当晶体直径到达所需尺寸后，提高拉速，使晶体直径不再增大，称为收肩,收肩后保持晶体直径不变，就是等径生长。此时要严格控制温度和拉速不变5.收晶，加快拉速，使晶体脱离熔体液面。5.作为标准CMOS工艺的一种改进技术，SOI技术通过在两层硅基板之间封入一个绝缘的氧化层(这与大容量CMOS工艺技术恰好相反)，从而将活跃的晶体管元件相互隔离。SOI器件具有寄生电容小、短沟道效应小、速度快、集成度高、功耗低、耐高温、抗辐射等优点，越来越受业界的青睐；SiO2埋层能有效地使电子从一个晶体管门电路流到另一个晶体管门电路，不让多余的电子渗漏到硅晶圆上。绝缘体上硅片(silicon-on-insulator，SOI)技术是一种在硅材料与硅集成电路巨大成功的基础上出现、有其独特优势、能突破硅材料与硅集成电路限制的新技术。CMOS管的下面会构成多个三极管,这些三极管自身就可能构成一个电路。这就是MOS管的寄生三极管效应。如果电路偶尔中出现了能够使三极管开通的条件,这个寄生的电路就会极大的影响正常电路的运作,会使原本的MOS电路承受比正常工作大得多的电流,可能使电路迅速的烧毁。闩锁效应在大线宽的工艺上作用并不明显,而线宽越小,寄生三极管的反应电压越低,闩锁效应的影响就越明显。闩锁效应被称为继电子迁移效应之后新的“CPU杀手”。防止6.SOI中“工程化的”基板由以下三层构成：（1）薄薄的单晶硅顶层，在其上形成蚀刻电路（2）相当薄的绝缘二氧化硅中间层（3）非常厚的体型衬底硅衬底层，其主要作用是为上面的两层提供机械支撑。7.SOI材料的特点1.Si有源层与衬底之间有介电绝缘层的隔离，消除了体硅CMOS闩锁效应2.易于制备出使有源层完全耗尽的超薄SOI层3.由于漏结面积减少，SOI器件中漏电流比体硅器件减少2~3个数量级4.由于有源层和衬底之间隔离，不致因辐照在衬底中产生电子－空穴对导致电路性能退化5.SOI材料寄生电容小，有利于提高所制器件的性能6.利用SOI材料可简化器件和电路加工过程7.SOI材料所致的MOSFET中短沟道效应和热载流子效应大大减弱，提高了器件的可靠性8.SOI器件功耗低9.可利用SOI器件制作三维集成电路8.SOI材料的制备•注氧隔离•键合与背腐蚀：该技术可避免离子注入造成的损伤和缺陷；但不易制得厚度低于100nm的硅膜•智能剥离：可获得高质量的硅有源层和完整性较好的SiO2掩埋层•外延层转移：外延生长SOI层，层厚度易于控制，厚度均匀性较好，并减少晶体中的原生缺陷，有利于提高器件的成品率9.GaAs、InP单晶体生长的难点合成与生长：熔点温度下高挥发（As、P）——高蒸汽压、纯化学配比高温生长——坩堝沾污高温高压——不完整性：缺陷、位错GaAs（InP）单晶拉制工艺：液封直拉（LEC）、垂直布里奇曼（VB）、垂直梯度凝固（VGF）GaAs单晶的制备可采用水平布里奇曼法（横拉法）HB/液态密封法LEC/蒸汽控制直拉VCZ方法。10.GaAs是功率放大器的主流技术•GaAs能实现对放大功率的严格要求•高工作频率，低噪声，工作温度使用范围高，能源利用率高•手机中的功率放大器是GaAs的主要市场•目前GaAs器件的市场规模是每年数十亿美元11.InP特性•高电场下，电子峰值漂移速度高于GaAs中的电子，是制备超高速、超高频器件的良好材料；•InP作为转移电子效应器件材料，某些性能优于GaAs•InP的直接跃迁带隙为1.35eV，正好对应于光纤通信中传输损耗最小的波段；•InP的热导率比GaAs好，散热效能好•InP是重要的衬底材料12.InP的制备方法•合成与拉晶需要在高压下进行(1070C离解压为2.75x106Pa)InP多晶合成•InP单晶合成采用液态密封法，最大直径可达100mm13.GaN的制备方法•GaN材料具有很高的熔点（3000K）因此其单晶较难制备。•薄膜GaN广泛在Al2O3，SiC，ZnO和LiGaO2等单晶基片上实现了外延。最常见的基片是A面和C面蓝宝石14.III-V高温半导体技术发展的动力对于固态大功率发射源的持续而又急迫需求固态源优势：小体积、长寿命、高可靠、轻重量（满足军事武器系统及民用微波发射设备的特殊要求）固态源缺点：功率小、效率低原因：载流子输运特性、器件能承载的输入功率电平（电流、电压）、散热特性降低制造成本的要求15.III-V宽禁带半导体的主要优点强场下高电子漂移速度：高频、大电流大禁带宽度：高温下保持器件的正常工作高热导率：大功率下保持较低的结温高击穿电场强度：提高器件外加电压来提高输出功率16.GaN高温半导体技术共同特点——宽禁带半导体材料：高温工作（400C）、高热导（减小重量、尺寸）GaN器件特点：异质结构——提高电子输运特性进展：固态微波大功率源：军事电子系统功率发射、民用基站功放模块17.III-V族化合物半导体适MMIC应用的性能因素GaAs类化合物半导体中载流子更优异的输运特性：器件及IC的工作频率可进入微波毫米波频段GaAs类化合物半导体体材料的半绝缘特性：可作为较理想的微波电路基板材料GaAs类化合物半导体材料的优良的IC加工性能：可以解决微波频段IC（MMIC）的制造难题III-V化合物半导体技术与传统的Si技术始终处于并行发展的状态并相互推动。微波半导体器件在发展过程中对半导体特性的多方面深入发掘与利用促成了射频III-V化合物器件工作的不断突破III-V化合物半导体技术的发展使半导体的利用由“同质材料及同质结构”进入“异质材料与异质结构”阶段III-V化合物半导体技术的发展使器件原理由“掺杂工程”设计进入“能带工程”设计阶段III-V化合物半导体技术的发展使半导体材料技术由“体材料”进入“功能材料”阶段III-V化合物半导体技术的发展正在进入对新材料（高温半导体、多元半导体）及新原理IC（包括使用非半导体复合基片材料）的全面开发利用阶段第五章LTCC技术研究1.LTCC技术是一种先进的无源集成及混合电路封装技术,它可将三大无源元器件（包括电阻器、电容器和电感器）及其各种无源组件（如滤波器、变压器等）封装于多层布线基板中，并与有源器件（如：功率MOS、晶体管、IC电路模块等）共同集成为一完整的电路系统。信息功能材料概述1.信息技术(IT)定义：一切与信息收集、存储、处理、传输、显示乃至应用有关的各种技术。一种多层次、多专业的综合技术。现代信息技术是以微电子学和光电子学为基础，以计算机与通信技术为核心，对各种信息进行收集、存储、处理、传递和显示的技术。信息材料是指与现代信息技术相关的用于信息收集、存储、处理、传递和显示的材料。信息材料是信息技术的基础和先导。2.信息收集技术和材料•信息收集材料是指用于信息传感和探测的一类对外界信息敏感的材料。•在外界信息（力、热、光、声、电、化学、生物等）的影响下，材料物理或化学性质（电学性质）会发生相应变化，通过测量这些变化可方便精确地探测、接收和了解外界信息的变化。3.信息传感材料主要包括力敏传感材料、热敏传感材料、光敏传感材料、磁敏传感材料、气敏传感材料、温敏传感材料、压敏传感材料、生物传感材料等。4.信息存储技术和材料☻磁存储材料，主要是金属磁粉和钡铁氧体磁粉，用于计算机存储；☻光存储材料，有磁光记录材料、相变光盘材料等，用于外部存储；☻铁电介质存储材料，用于动态随机存取存储器；☻半导体动态存储材料，目前以硅为主，用于内存。5.信息处理技术和材料•以硅材料为核心的集成电路继续占有重要地位•砷化镓也是一种重要的集成电路材料。•不断扩大的晶圆尺寸100-125-150-200-300，并向450mm过度，以提高芯片产量和降低芯片成本•不断缩小的芯片特征储存，深亚微米技术1mm-08mm-0.5mm-0.35mm-0.25mm-0.18mm-0.13mm-90nm-22nm6．信息显示技术和材料将各类形式的信息作用于人的视觉而为人所感知的手段为信息显示技术。信息显示材料主要是指用于阴极射线管和各类平板显示器件的一些发光显示材料。按显示原理分类，信息显示材料主要分为：液晶显示材料（LCD）、等离子体显示材料（PDP）、阴极射线管显示材料（CRT）、场发射显示材料（FED）、真空荧光显示材料、有机电致发光显示材料等。7.信息材料产业现状与展望光电信息功能材料的研究为当代科学的前沿，具有多学科交叉的特点，是一个极富创新和挑战的领域。信息材料也从体型材料发展到薄层、超薄层微结构材料，并正向光电信息功能集成芯片和有机/无机复合材料以及纳米结构材料方向发展。▼以集成电路为基础的微电子技术产业继续占有重要位置。▼以光通信、光存储、光电显示为基础的光电子技术产业。信息材料应用--物联网技术1.第一.物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；第二.其用户端延伸和扩展到了任何物体与物体之间，进行信息交换和通信2.A.多元多功能传感器的需求：同一芯片上需要多个传感器、或同一个传感器芯片具有光、电、磁、热、声、气多功能探测性能，使信息传输系统复杂化，网络协议要求复杂化。B.无线/移动传感与探测的要求：物联网系统的范围扩大，有线网络已不能满足需求，大量的监控与探测，须发展无线传输传感器芯片。因此：●多元无线/移动传感与探测是物联网发展的必然！●多元/多功能传感器芯片是途径!3.1.生物传感器芯片2.气体传感芯片3.温度/湿度传感器4.多功能—有毒气体/烟火传感器芯片5.多功能：温度/应变一体化传感器芯片7.多功能--表声波/压电ZnO传感器芯片8.柔性应变敏感薄膜传感器4.归纳：传统传感器的局限性：缺点：传感器功能单一，芯片很少多元化，采用有线连接，限制物联网的应用。传感芯片多元化、多功能化，硬件无线化！5.无线物联网感知硬件：新一代集成系统应用发展的趋势：系统集成化（SOC）—传感器多元多功能化—材料薄膜多层化6.物联网自旋阀传感器：1.大的巨磁电阻(GMR)变化率（5%）2.大的灵敏度3.高的稳定性7.物联网传感器发展趋势;1.从人的网络到事的网络:一方面可以提高经济效益，大大节约成本；一方面可以为全球经济的复苏提供技术动力2.多元传感器使网络充满智慧3.无线传感网络的兴起4.人与物品、环境、社会、经济连接5.集成收发组件的运动传感器6.更多物品相连接7.复杂与多元化资