半导体材料学分-浙江大学材料科学与工程学院

1课程简介和教学大纲格式课程代码：09192250课程名称：半导体材料学分：2周学时:4面向对象：本科生预修课程要求：无一、课程介绍（100-150字）（一）中文简介半导体材料是信息、能源和材料的交叉学科，支撑着微电子、光电子、太阳能光伏等高科技产业。本课程讲述半导体材料的基本概念和原理，讲述硅材料、III-V和II-VI化合物半导体材料（砷化镓等）以及其它新型半导体材料（如纳米半导体材料）的制备、性质和应用。本课程适合固体物理、材料、电子和信息专业的硕士研究生和本科生。（二）英文简介Semiconductormaterialsarethebasicmaterialsofmicroelectronics,optoelctronicsandphotovoltaicsindustry.Thiscoursefocusesonbasicconceptsandprinciplesofsemiconductormaterials.Theproperties,fabricationandapplicationofmainsemiconductormaterials,suchassiliconandGaAs,areintroduced.Inaddition,thecurrentdevelopmentofnewsemiconductormaterialsincludingGaN,SiC,ZnOandsoonarealsodiscussed.二、教学目标(一)学习目标半导体材料是信息、能源和材料的交叉学科，是上世纪50年代开始快速发展的一个学科，它支撑着微电子、光电子、太阳能光伏等高科技产业，对现代科技和工业有重要作用。通过本课程的学习，让学生了解和掌握半导体材料的研究历史、基本概念和原理，了解和半导体材料相关的晶体生长、缺陷控制等知识，通过对主要的半导体材料硅材料（多晶硅、单晶硅及工艺）以及砷化镓、氮化镓、碳化硅、氧化锌等半导体材料知识介绍，让学生了解和掌握元素半导体、化合物半导体材料以及正在研究开发的新型半导体材料的制备、性质和应用，以培养同学的半导体材料以及在微电子、光电子和太阳能光伏的基本应用知识。（二）可测量结果1)了解半导体材料的研究历史、应用，掌握半导体材料的性能、分类、核心科学问题，2）了解半导体晶体材料生长的动力学、热力学理论，掌握半导体材料能带原理。3）了解和掌握半导体材料制备的主要技术和工艺，能够指出不同半导体材料、不同技2术技术、不同性能的之间的关系。4）能说明元素半导体硅材料基本性质、提纯制备工艺和流程，掌握高纯硅材料制备的影响元素，并通过课外作业和课堂讨论，了解和掌握半导体锗材料的提纯制备工艺和性质。5）掌握半导体硅晶体材料的不同制备工艺，重点了解直拉技术制备硅晶体的方法和加工工艺。6）了解和掌握不同半导体硅薄膜材料的制备技术和性质，指出其材料质量和制备的影响元素。7）了解和掌握多种化合物半导体材料（GaAS，GaN，SiC、ZnO等）的制备和性质。8)通过课外作业和课堂讨论，了解和掌握纳米半导体材料的制备、性质和研究进展。三、课程要求（一）授课方式与要求（1）教师讲授（讲授核心内容、答疑、公布讨论主题等）；(2)课后作业（按照作业查阅参考文献，准备powerpoint文件）；（3）讨论课（由学生报告，学生提问，学生答疑、教师引导）；（4）期末开卷考试（二）考试评分与建议考试成绩分三部分：（1）平时上课、提问、讨论，20％，（2）平时作业20％，（3）期末考试，开卷，60％。四、教学安排第一课半导体材料的概论。主要讲述半导体材料的意义、应用和研究历史，指出半导体材料的电阻率特性、导电性特性和光典型特性，说明半导体材料主要分类和主要半导体材料，指出半导体材料的杂质和缺陷是半导体材料研究的关键问题所在，并简要介绍我国半导体材料工业，最后介绍半导体材料的研究和展望。第二课晶体生长的原理。主要讲述半导体晶体材料生长的基本原理，介绍半导体晶体材料分类和特点，讲述晶体生长的热力学基本知识，包括熔-固相、气-固相和液-固相转变的热力学条件，说明均匀形核、异质形核以及自由能、形核功等概念；讲述晶体材料生长的动力学过程，让学生了解完整突变光滑面生长模型、非完整突变光滑面生长模型以及杰克逊（Jackson）模型。最后，介绍晶体生长的外形，通过乌尔夫(Woolf)定律，说明不同晶体形状产生的原因。3第三课晶体生长的技术。主要讲述半导体晶体材料生长的基本技术，主要包括熔体生长晶体技术、溶液生长晶体技术、气相生长晶体技术和固相生长晶体技术。在熔体生长晶体部分，主要讲述直拉(Czochralski)法、布里滋曼(Bridgman)法、区熔(floatingzone)法和液封提拉法(LEC)生长晶体的工艺和技术原理；在溶液生长晶体技术部分个，阐述其特点，讲授降温、恒温蒸发、温差水热、溶剂热等晶体生长技术；在气相晶体生长技术部分，讲授升华、真空蒸发、化学气相沉积等工艺和原理；最后，讲述固相晶体生长的特点，以及主要技术途径和优缺点。第四课半导体硅材料的基本性质。主要讲述半导体硅材料的晶体结构、电学性质、化学性质、光学性质、力学性质、热学性质和能带性质，让同学全面了解硅材料的基本性质和特点，同时，介绍不同形式的硅材料及应用。课外作业：元素半导体锗的性质（Powerpoint）第五课硅和锗的化学提纯。主要讲述元素半导体硅和锗的提纯技术和原理，首先讲授金属硅的制备工艺和性质；其次讲授半导体级高纯多晶硅的制备技术和原理，包括三氯氢硅氢还原法（SiHCl3）、硅烷热分解法（SiH4）、四氯化硅氢还原法（SiCl4）和二氯二氢硅还原法（SiH2Cl2）；然后，讲述从富集锗精矿到半导体高纯锗的制备工艺和原理，同时，说明半导体硅、锗制备技术的异同点。第六课区熔原理和区熔硅单晶的制备。主要讲述利用区熔技术制备单晶硅的原理和技术，在原理部分，首先讲述分凝的基本原理，包括分凝系数、正常凝固、杂质分布的BPS公式等；其次讲述区熔单晶硅的基本原理，如一次区熔、多次区熔、影响因素等等；最后，讲述区熔硅单晶的基本工艺和主要影响参数。第七课课堂讨论。主要讲述半导体锗的基本性质、应用和特点，由同学做报告，同学提问、同学质疑、同学回答，教师引导和总结。第八课直拉提纯和直拉硅单晶。主要讲述直拉硅单晶制备的基本原理和技术。课程首先介4绍直拉提纯以及直拉硅单晶的原理和基本技术，讲述装料、引晶、放肩、等径、收尾等直拉硅单晶的生长基本工艺，讨论热场、对流等晶体生长参数对晶体生长主要影响，介绍磁场拉晶（MCZ）、连续拉晶等新型直拉硅单晶生长工艺，并详细介绍割断、滚圆、切片、磨片、抛光、清洗等直拉硅单晶硅片加工工艺。第九课直拉硅单晶的杂质和缺陷。讲述直拉硅单晶的杂质和缺陷的基本概念和作用，课程讲述直拉硅单晶生长时的共熔、投杂等掺杂技术，以及掺杂浓度的控制技术和原理；讲述直拉硅单晶中氧、碳、氢、氮轻元素杂质的基本性质和引入，介绍硅单晶中的金属杂质的基本性质和内外吸杂技术；课程还讲授硅单晶中的空洞型等原生缺陷以及和工艺诱生缺陷的引入和基本性质。课外作业：直拉硅单晶掺杂浓度的计算第十课硅薄膜材料。本课半导体硅薄膜的基本性质和制备技术，讲述单晶硅薄膜材料的制备，其影响因素以及自掺杂现象；讲授SOI材料的用途、分类，以及主要的三种制备技术；介绍非晶硅薄膜的特征和性质，杂质和缺陷，以及其多种制备技术；最后，阐述多晶硅薄膜的制备、用途，以及和其他硅薄膜的异同点。第十一课III-V族化合物半导体材料。主要讲述III-V化合物半导体材料的基本性质和制备技术，介绍III-V族化合物半导体的材料特点、结构特性和极性特征，以砷化镓为例，介绍其能带结构、相图和制备技术，阐述其主要杂质硅的沾污及其抑制；同时，阐述其它Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体（InP，GaP）的特点和制备技术，说明其光电特性。课堂作业：化合物半导体材料的优点和缺点第十二课II-VI族化合物半导体材料。主要讲述II-VI族化合物半导体材料的基本原理和制备技术，介绍II-VI族化合物半导体的材料特点、晶体结构、光学吸收系数和相图等基本性质；说明其主要的生长方法；讨论II-VI族化合物半导体材料的点缺陷、自补偿效应及其抑制方法；最后，讲授II-VI族多元化合物半导体的基本性质，如禁带宽度、晶格常数和密度等等。课外作业：一种纳米半导体材料（Powerpoint）5第十三课新型半导体材料-GaN。主要讲述GaN半导体材料的基本性质和制备技术，介绍GaN的研究历史和应用，其电学、热学、光学等基本性质，说明其晶体结构、极性、能带、能带的变化等基本特征；讨论GaN体单晶的制备原理和技术；同时，介绍外延制备薄膜GaN的基本外延技术，讲述衬底、晶格失配等对薄膜性质的影响；最后，讲述GaN薄膜的n、p型掺杂原理和技术。第十四课新型半导体材料-ZnO。主要讲述ZnO半导体材料的基本性质和制备技术，介绍ZnO的特点和应用，说明其能带结构、晶格结构和极性特点；阐述水热法、助溶剂法、气相法制备ZnO体单晶材料的方法；阐述外延制备ZnO薄膜材料的基本原理，以及外延衬底和晶格失配对薄膜质量的影响；最后，介绍ZnO材料的n、p型掺杂概念。第十五课新型半导体材料-SiC。主要讲述SiC半导体材料的基本性质和制备技术，介绍其晶体结构、能带结构等基本性质，说明其研究历史和应用领域；阐述PVT法（lely法）制备SiC晶体材料的原理和技术；说明SiC薄膜单晶的制备，包括外延技术、生长机制和衬底材料；还讲授SiC单晶的掺杂技术，如离子注入掺杂（n、p型掺杂）等。第十六课课堂讨论和总结。主要讲述一维半导体材料的基本性质、应用和特点，由同学做报告，同学提问、同学质疑、同学回答，教师引导和总结。对课程做简要总结。五、参考教材及相关资料《半导体材料》，杨树人，王宗昌，王兢，科学出版社，ISBN：7-03-012817-6，出版日期：2004主要参考书：《硅材料科学与技术》，阙端麟，陈修治，浙江大学出版社,ISBN：7-308-02636-1,出版日期：20006《SemiconductorMaterials》，LevI.Berger，CRCPressISBN：0-8493-8912-7，出版日期：1997《半导体材料》，王季陶，刘明登，高等教育出版社，ISBN：7-04-002817-4,出版日期：1990附：时间表周次授课主题备注1半导体材料的概论。2课时2晶体生长的原理2课时3晶体生长的技术2课时4半导体硅材料的基本性质2课时5硅和锗的化学提纯2课时6区熔原理和区熔硅单晶的制备2课时7半导体锗的性质和制备（课堂讨论）2课时8直拉提纯和直拉硅单晶2课时9直拉硅单晶的杂质和缺陷2课时10硅薄膜材料2课时11III-V族化合物半导体材料2课时12II-VI族化合物半导体材料2课时13新型半导体材料-GaN2课时14新型半导体材料-ZnO2课时15新型半导体材料-SiC2课时16纳米半导体材料（课堂讨论和总结）2课时六、课程教学网站：（暂无）