1.1-電子材料概論1

1、合肥工業(yè)大學材料科學與工程學院(School of Materials Science and Engineering, Hefei University of Technology)許育東(Ph.D., Associate Professor),半導體材料（電子材料）與器件工藝（Semiconductor & Electronic Materials and Devices Technology）,內(nèi)容概要（Con

2、tents Description）,電子材料概述以及課程要求電子材料以及半導體材料的晶體結(jié)構(gòu)(crystal structure)半導體材料(semiconducting mater.)（微電子材料(microelectronic materials)的發(fā)展、性質(zhì)以及第三代半導體材料的性能及制造技術(shù)）半導體材料（多晶，單晶，薄膜）(p-Si,s-Si,a-Si,thin films)制備技術(shù);白光LED制造技術(shù)（WLED）壓電

3、材料、鐵電材料以及器件(piezeoelectrics, ferroelectrics)（概念、性能、制造和應用技術(shù)）微電子器件（pn junction, FET）及集成電路（IC）集成電路（IC）的制造工藝（Oxidation, diffusion, photolithography）,Highlights 1:硅平面工藝制造p-n結(jié)二極管,知識點：摻雜擴散技術(shù)；（恒定/有限表面源擴散，兩步法）光刻技術(shù)；（圖形轉(zhuǎn)換）平面

4、工藝；半導體單晶工藝；半導體器件測試技術(shù)；,Wafer-晶圓；chip-芯片,Highlights 2: IC & MOSFET device,N溝道增強型MOSFET (n-channel enhancement metal-oxide semiconductor field effect transistor),N溝道增強型MOSFET基本上是一種左右對稱的拓撲結(jié)構(gòu)，它是在P型半導體上生成一層SiO2 薄膜絕緣層，然后

5、用光刻工藝擴散兩個高摻雜的N型區(qū)，從N型區(qū)引出電極，一個是漏極D，一個是源極S。在源極和漏極之間的絕緣層上鍍一層金屬鋁作為柵極G。P型半導體稱為襯底，用符號B表示。,,Up-to-date progress of MOSFET,延伸閱讀：,在MOSFET中常用的柵極絕緣材料的介電常數(shù)值為：SiO2 (3.8)，Si3N4 (6.4)，Al2O3 (>7.5)。柵絕緣層是50~60nm SiO2 + Si3N4的MOS器件，稱為M

6、NOFET；柵絕緣層是50~60nm SiO2 + Al2O3的MOS器件，稱為MAOFET。提高柵絕緣層的介電常數(shù)，可以增大器件的電流，增強器件的驅(qū)動能力，使工作速度提高，得以實現(xiàn)超高速集成電路。同時，若采用高介電常數(shù)的柵絕緣膜，則也可以適當增加絕緣膜的厚度，以利于改善柵介質(zhì)薄膜的均勻性。因此，采用高K材料來制作柵絕緣層，可以大大提高絕緣柵場效應晶體管（MISFET）的性能。用高K材料作為柵絕緣層的場效應晶體管即稱為MFSFET。

7、至于對高介電常數(shù)柵極絕緣材料的要求，主要是：介電常數(shù)高，并與Si和SiO2的黏附性能好。能夠很好滿足這些要求的高介電常數(shù)材料（也稱為高k材料），現(xiàn)在仍在探討之中。一般，比較受到關(guān)注的高k材料，主要是10 100（如PbZr1-xTixO3 [PZT], (Ba, Sr)TiO3 [BST]等）的兩類介質(zhì)材料。其中ZrO2、HfO2、ZrSiO4、HfSiO4等與硅之間有較好的兼容性和熱穩(wěn)定性。,Next generation CPU,

8、,2014上馬14nm工藝的還有Airmont架構(gòu)的Atom，Intel在IDF上發(fā)布的Bay Trail平臺的Atom使用的是Silvermont架構(gòu)，Airmont則是Silvermont架構(gòu)的繼任者，Intel已經(jīng)許諾Atom處理器會每年升級架構(gòu)和制程工藝，比Core系列的Tick-Tock戰(zhàn)略還要激進?！　?4nm之后半導體制造工藝又會進入一個新拐點——10nm，這個節(jié)點意義重大，因為要進入量子階段了，半導體的電氣特性會有改變

9、。此前的消息顯示Intel正在研發(fā)10nm以內(nèi)的工藝，現(xiàn)在計劃2015年開始進入10nm階段，不過真正量產(chǎn)的時間可能要到2016年了。　　10nm之后是7nm，Intel計劃2017年開始嘗試7nm工藝，不過真正生產(chǎn)可能還要到2018年?！　‖F(xiàn)在還不確定Intel是否會在10nm工藝階段啟用EUV光刻設備，此前ASML表示在2013Q2季度開始出貨EUV光刻設備(遠紫外線（Extreme Ultraviolet）)，2018年業(yè)界會

10、開始進入18英寸(457mm)晶圓階段。,,Highlights 3: 鐵電隨機存儲器（Ferroelectric Random Access Memories, FRAM）,前 言（Preface）,電子材料是當前材料科學的一個重要方面,品種多、用途廣、涉及面寬。是制作電子元器件和集成電路的基礎，是獲得高性能高可靠先進電子元器件和系統(tǒng)的保證。同時還廣泛應用于印制電路板和微線板、封裝用材料、元器件和整機、電信電纜和光纖、各種顯示

11、器及顯示板，以及各種控制和顯示儀表等等。,,分類與特點應用與發(fā)展動態(tài),1.1.1 在國民經(jīng)濟中的地位,電子材料是指與電子工業(yè)有關(guān)的、在電子學與微電子學中使用的材料，是制作電子元器件和集成電路的物質(zhì)基礎。新材料(novel mater.)、新能源(new energy resources)和信息技術(shù)(IT)是當前國際公認的新科技革命(New Scientific Revolution)的三大支柱。電子材料處于材料科學與工程的最前沿。電子

12、材料的優(yōu)劣直接影響電子產(chǎn)品的質(zhì)量，與電子工業(yè)的經(jīng)濟效益有密切關(guān)系。一個國家的電子材料的品種數(shù)量和質(zhì)量，成了一個衡量該國科學技術(shù)、國民經(jīng)濟水平和軍事國防力量的主要標志。,1.1 電子材料的分類與特點(Categories and Characteristics),討論1 材料科學、信息材料、電子材料、微電子材料、光電子材料之間的關(guān)系 信息材料是最活躍的新材料領(lǐng)域，微電子材料在未來10－1

13、5年仍是最基本的信息材料，集成電路和半導體材料仍將以Si為主體，化合物半導體材料(GaAs,GaP1-xAsx等)以及新一代高溫半導體（GaN,SiC）共同發(fā)展。光電子材料將成為發(fā)展最快和最有前途的信息材料，主要集中在激光材料(如紅寶石激光晶體：Nd3+:Y3Al5O12)、高亮度LED材料、紅外探測器材料(PbS,PbSe,InSe)、液晶顯示材料(聯(lián)苯類，乙炔類)、光纖材料（如石英系）等領(lǐng)域。討論2 電子材料以及信息功能材料對

14、經(jīng)濟和社會的貢獻,1.1.2 電子材料的分類（Categories）,按用途分：結(jié)構(gòu)電子材料和功能電子材料結(jié)構(gòu)電子材料是指能承受一定壓力和重力，并能保持尺寸和大部分力學性質(zhì)（強度、硬度及韌性等）穩(wěn)定的一類材料；功能電子材料是指除強度性能外，還有特殊性能，或能實現(xiàn)光、電、磁、熱、力等不同形式的交互作用和轉(zhuǎn)換的非結(jié)構(gòu)材料；按組成（化學作用）分：無機電子材料和有機電子材料無機電子材料以可分為金屬材料(以金屬鍵結(jié)合）和非金屬材料（以離子

15、鍵和共價鍵結(jié)合）；有機電子材料主要是指高分子材料（以共價鍵和分子鍵結(jié)合）；按材料的物理性質(zhì)和應用領(lǐng)域分:按材料的物理性質(zhì)分：導電材料、超導材料、半導體材料、絕緣材料、壓電鐵電材料、磁性材料、光電材料和敏感材料等。按應用領(lǐng)域分：微電子材料、電器材料、電容器材料、磁性材料光電子材料、壓電材料、電聲材料等；傳統(tǒng)電子材料與先進電子材料,1.1.3　電子材料對環(huán)境的要求(Environmental Requirements),電子材料

16、在做成元器件和集成電路之后，還應具備一致性和穩(wěn)定性，能夠承受各種惡劣的環(huán)境。主　要表現(xiàn)在以下幾方面：溫度壓力濕度環(huán)境中的化學顆粒及塵埃輻射機械因素,軌道艙,,推進艙,,返回艙,,神州飛船、嫦娥衛(wèi)星上電子材料與器件應用舉例,電子元器件溫度可靠性（太陽照射面，其月面溫度高達120C°，而它的背陰面溫度卻是-180C°，因此要選用諸如高溫半導體等特殊材料 ）太陽能電池板（太陽能電池材料（如單晶Si，非晶Si等

17、）、形狀記憶合金材料（Ti-Ni和Ti-Ni-X（X指Cu，F(xiàn)e等）合金 ））飛船復合材料：神州飛船外層的復合材料非常好，它在返回途中與大氣摩擦會產(chǎn)生2800度以上的高溫，它的外層自己燃燒，自己散發(fā)熱量，能保證返回艙內(nèi)人員、儀器設備等的安全。高亮度、高可靠性光電顯示材料,1.2 電子材料的應用與發(fā)展動態(tài)(Applications and Developments),為適應電子整機和設備小型化、輕量化、薄型化、數(shù)字化、多功能，現(xiàn)在社

18、會要求電子元器件的開發(fā)生產(chǎn)必須向小型化(minimization)、高集成化(integration)、薄膜化(thin films)發(fā)展；電子材料今后將盡可能長適應電子元器件的這些要求。,電子材料的要求和選用原則納米電子材料、復合材料等新型電子材料電子材料的發(fā)展動態(tài),1.2.1 納米電子材料(Nanoelectronics),納米管有序陣列(CNT Ordered Arrays),由于碳納米管自身的獨特性能，決定了這種新型材料在高

19、新技術(shù)諸多領(lǐng)域有著誘人的應用前景。在電子方面，利用碳納米管奇異的電學性能，可將其應用于超級電容器、場發(fā)射平板顯示器、晶體管集成電路等領(lǐng)域。在材料方面，可將其應用于金屬、水泥、塑料、纖維等諸多復合材料領(lǐng)域。它是迄今為止最好的貯氫材料，并可作為多類反應的催化劑的優(yōu)良載體。在軍事方面，可利用它對波的吸收、折射率高的特點，作為隱身材料廣泛應用于隱形飛機和超音速飛機。在航天領(lǐng)域，利用其良好的熱學性能，添加到火箭的固體燃料中，從而使燃燒效率更高。,

20、碳納米管（CNT）,(Carbon Nano Tube),石墨烯是單原子層的石墨,石墨是碳單質(zhì)的同素異形體之一地球上的生命都是以碳元素為基礎的某種承度上說，有機化學其實就是碳的化學碳元素是神奇的六號元素，其單質(zhì)的眾多同素異形體，從最硬到極軟、全吸光到全透光、絕緣體到半導體到導體、絕熱到良導熱、高臨界溫度的超導體等。,鉆石是已知最硬的礦石；石墨卻是最軟的礦石之一。* 鉆石是終極的研磨劑；石墨卻是非常好的潤滑劑。* 鉆石是一流的絕

21、緣體；石墨卻是良導體。* 鉆石通常是透明的；石墨卻是不透光的。* 鉆石的結(jié)晶是立方晶系；石墨卻是六方晶系。* 鉆石的價值昴貴；石墨卻是相當廉價。,石墨和石墨烯的特性,石墨的特性:耐高溫性:石墨的熔點為3850℃士50℃，沸點為4250℃，即使經(jīng)過超高電弧灼燒，重量損失也很少，熱膨脹系數(shù)也很小。石墨強度隨溫度提高而增強，在2000℃時，石墨強度提高一倍;導電導熱性:石墨的導電性比一般非金屬礦高一百倍，導熱性超過鋼、鐵、鉛等金屬材

22、料，導熱系數(shù)隨溫度升高而降低，甚至在極高的溫度下，石墨成絕熱體。（銀1.6×10-8 銅1.7×10-8 鐵1.0×10-7 石墨(8～13)×10-6, Ω*m)化學穩(wěn)定性:石墨在常溫下具有良好的化學穩(wěn)定性，能耐酸堿、耐有機溶劑的腐蝕。潤滑性:石墨的潤滑性能取決于石墨鱗片的大小，鱗片越大，摩擦系數(shù)越小，潤滑性能越好。石墨為層狀耐磨礦物，其Bond粉碎功指數(shù)高達45.03kw/t，相較于粘土的

23、7.1kw/t、黃鐵礦的8.9kw/t，以及石英的12.77kw/t高出許多.抗熱震性:石墨在高溫下使用時能經(jīng)受住溫度的劇烈變化而不致破壞，溫度突變時，石墨的體積變化不大，不會產(chǎn)生裂紋。,石墨烯的特性 石墨烯是目前已知的世界上最薄的材料,也是有史以來被證實的最結(jié)實的材料,其強度可達130 GPa，是鋼的100多倍，，其斷裂強度達到了驚人的42NM-1；最新的研究表明，石墨烯具有 10 倍于商用硅片的高載流

24、子遷移率（15000 cm2V-1s-1） ，石墨烯的熱導率可達5000W/ m·K，是室溫下純金剛石的 3倍。目前試驗還證實了石墨烯中的電子和空穴成對現(xiàn)象(Electron-Hole Symmetry)，半整數(shù)量子霍爾效應(Half-integer Quantum Hall Effect)，室溫量子霍爾效應(Room-Temperature Quantum Hall Effect)等多種獨特的電子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。,石墨烯的制備和

25、應用,近20年來,碳納米材料一直是科技創(chuàng)新的前沿領(lǐng)域,1985年發(fā)現(xiàn)的富勒烯和1991年發(fā)現(xiàn)的碳納米管均引起了巨大的研究熱潮. 2004年石墨烯被英國曼徹斯特大學Geim和他的同事們首次制備。一直以來，人們認為，單層的石墨烯是不可穩(wěn)定能存在的。Geim教授在理論上不可行的情況下依然進行了償試，他用膠帶粘附的方法成功得到了單層的石墨烯，并在2004年的《Nature》上發(fā)表了關(guān)于石墨烯的研究成果。石墨烯的發(fā)現(xiàn)在納米科技上是有劃時代的意義

26、的。Geim教授也憑借這一發(fā)現(xiàn)獲得了2010年諾貝爾物理學獎。而我們知道富勒烯的發(fā)現(xiàn)者已經(jīng)獲得了1996年的諾貝爾化學獎。目前有三種方法制備石墨烯,一種是SiC的高溫熱解外延法或過渡族金屬催化外延法，另一種是輕微摩擦法或撕膠帶法.第三種是化學修飾分散/還原法.石墨烯是目前已知的力學強度最高的材料，并有可能作為添加劑廣泛應用于新型高強度復合材料之中。用來開發(fā)制造出紙片般薄的超輕型飛機材料、超堅韌的防彈衣和“太空電梯”用的超韌纜線，研究

27、表明石墨烯增強聚乙烯醇（PVA）復合材料，只需要添加0.7%（重量比）的石墨烯，就可以使復合材料的拉伸強度提高76 ％，同時其楊氏模量增加62％；另外，在功能化石墨烯增強的聚氨酯復合材料中，石墨烯含量為1％時，其復合材料的強度提高75％，模量提高120 ％。在電子應用方面石墨烯的應用范圍很廣，從柔性電子產(chǎn)品到智能服裝，從可折疊顯示器到有機太陽能電池，甚至未來的全碳電路都是以石墨烯為原料。研究表明，石墨烯可以被刻成尺寸不到1個分子大小的

28、單電子晶體管，石墨烯單電子晶體管可在室溫下工作，而10納米是硅材料技術(shù)無法再發(fā)揮作用的小型化極限，有研究者認為石墨烯可能最終會替代硅。石墨烯器件制成的計算機CPU的運行速度可達到太赫茲，即1千兆赫茲的1000倍。石墨烯在高靈敏度傳感器和高性能儲能器件方面也已經(jīng)展示出誘人的應用前景然而，迄今為止，如何規(guī)?；a(chǎn)石墨烯以及制備大尺寸、高質(zhì)量的石墨烯薄膜仍舊是一個有待解決的難題。,石墨、氧化石墨、可膨脹石墨,氧化石墨烯的改性,石墨烯的透明

29、性和導電性,石墨烯的相關(guān)表征方法,電子信息材料發(fā)展趨勢,1ps=10-3ns=10-6us=10-9ms=10-12s ; 1TB=103GB=106MB=109KB=1012B；GIPS:Giga Instruction Per Second,1.2.2 現(xiàn)代社會對電子材料的要求,結(jié)構(gòu)與功能相結(jié)合 (Comprehensive Performance)智能材料 (Intelligence)減少污染 (No or less Pol

30、lution)節(jié)省能源 (Energy Waste Reduction)長壽命與可控壽命 (Long Service Time )可靠性（Reliability）,Highlights 4: 白光LED制造過程,制造襯底材料加工制成晶片,GaN外延生長制成外延晶片,LED晶片制造制成LED晶粒,LED晶粒封裝制成LED成品,白光LED的制作過程與制作硅晶圓IC很相似，首先經(jīng)過單晶生長技術(shù)，制成藍寶石或碳化硅單晶棒，經(jīng)過切割

31、、研磨、拋光制成拋光晶片；再將其作為襯底 (substrate)，使用外延技術(shù)將氮化鎵(GaN)半導體生長在襯底表面，制成外延晶片；外延片經(jīng)過半導體蝕刻工藝制成n型和p型電極，通過切割加工成LED晶粒；最后經(jīng)過固晶、邦線、封膠等工序制成白光LED成品。,,,,白光發(fā)光二極管是由日本日亞化學公司第一個將其商品化，系二波長白光 (藍色光+黃色光)，主要技術(shù)原理是以氮化鎵(GaN)系藍光二極管芯片加上YAG黃色熒光粉，利用藍光激發(fā)黃色熒光粉產(chǎn)

32、生黃色光，同時配合自身產(chǎn)生的藍光，即形成藍黃混合二波長白光。二波長白光LED的光譜如圖所示。另一種是三波長（藍色光+綠色光+紅色光）白光發(fā)光二極管，三波長白光的技術(shù)原理，是用紫外光的氮化鎵系發(fā)光二極管芯片激發(fā)塗在其表面的混合熒光粉（內(nèi)含紅綠藍三色），使之產(chǎn)生三波長白光。此種白光光色均勻，演色性好，不會像二波長白光有偏色現(xiàn)象（偏黃或偏藍）。隨著白光LED光效提升與技術(shù)進步， 白光LED應用開始跨入照明領(lǐng)域，目前照明LED的光

33、效已達150lm/W以上(日光燈光效是70lm/W)，正在向200lm/W邁進。白光LED與一般照明比較，除了省電外（用電量是一般燈泡的八分之一，日光燈的二分之一），還有壽命長（可達5萬小時以上），安全環(huán)保（無污染）。因此，白光LED被譽為「綠色照明光源」。,白色發(fā)光二極管(LED)發(fā)光原理,白光LED原理,（1）藍光LED芯片和YAG熒光粉合成白光這種白光LED是由在GaN芯片表面涂覆YAG熒光粉來實現(xiàn)的，由GaN芯片發(fā)射的藍光（

34、465nm）激發(fā)YAG熒光粉發(fā)射出黃光（555nm）。根據(jù)補色原理，黃光與未完全被吸收的藍光相加可得到白色的可見光，并且通過調(diào)節(jié)它們的強度比，可以得到各種色溫的白光，其白光發(fā)光原理見圖。,藍光激發(fā)白光LED示意圖,（2）紫外LED激發(fā)紅綠藍熒光粉合成白光,（3）藍光LED芯片激發(fā)紅綠熒光粉合成白光 這種熒光粉的構(gòu)造綜合了前兩種白光LED的思路，由藍光激發(fā)的熒光粉發(fā)射紅色、綠色熒光粉與未被完全吸收的藍光復合成白光。

35、這種白光LED與紫外LED芯片激發(fā)白光LED相比，對LED芯片要求較低，LED芯片發(fā)射光的利用效率高，色純度很高，顯色性也很好。 但是這種白光LED燈的缺點也很突出：由于它的藍光部分由LED提供，對熒光粉的涂覆工藝要求較高。而且目前還缺少可被藍光有效激發(fā)的深紅色熒光粉。,白熾燈、熒光燈與發(fā)光二極管,LED光源發(fā)光效率高 　 　發(fā)光效率比較：白熾燈、鹵鎢燈光效為12-24流明/瓦、熒光燈50-70流明/瓦 鈉燈

36、90-140流明/瓦、大部分的耗電變成熱量損耗。　　 LED光效：可發(fā)到50-200流明/瓦，而且發(fā)光的單色性好，光譜窄，無需過濾，可直接發(fā)出有色可見光。LED光源耗電量少　　 LED單管功率0.03-0.06瓦，采用直流驅(qū)動，單管驅(qū)動電壓1.5-3.5伏。電流15-18毫安反映速度快，可在高頻操作，用在同樣照明效果的情況下，耗電量是白熾燈的萬分之一，熒光管的二分之一，日本估計，如采用光效比熒光燈還要高2倍的LED

37、替代日本一半的白熾燈和熒光燈、每年可節(jié)約相當于60億升原油，同樣效果的一支日光燈40多瓦，而采用LED每支的功率只有8瓦。LED光源使用壽命長　　 白熾燈、熒光燈、鹵鎢燈是采用電子光場輻射發(fā)光，燈絲發(fā)光易燒，熱沉積、光衰減等特點，而采用LED燈體積小，重量輕，環(huán)氧樹脂封裝，可承受高強機械沖擊和震動，不易破碎，平均壽命達10萬小時，LED燈具使用壽命可達5-10年，可以大大孤低燈具的維護費用避免經(jīng)常換燈之苦。,LED

38、光源安全可靠性強　　 發(fā)熱量低、無熱輻射性、冷光源、可以安全抵摸，能精確控制光型及發(fā)光角度、光色和、無眩光、不含汞，鈉元素等可能危害健康的物質(zhì)。LED光源有利環(huán)保　　 LED為全固體發(fā)光體、耐沖擊不易破碎、廢棄物可回收、沒有污染減少大量二氧化硫及氮化物等有害氣體以及二氧化碳等溫室氣體的產(chǎn)生改善人們生活居住環(huán)境，可稱“綠色照明光源?！鄙a(chǎn)白光LED技術(shù)目前有三種：一種，利用三基色原理和目前已能生產(chǎn)的紅、綠、藍

39、三種超高亮度LED按光強1:2:0.38比例混合而成白色，二種，利用超高度InGan藍色LED，其管總上加少許的釔鋁石榴為主體的熒光粉、它能在藍光激發(fā)下產(chǎn)生黃綠光、而此黃綠光又可與透出的藍光合成白光，三種是不可制紫外光LED，采用紫外光激三基色熒光粉或其他熒光粉，產(chǎn)生多色混合而成的白光。當然，節(jié)能是我們考慮使用LED光源的最主要原因，也許LED光源要比傳統(tǒng)光源昂貴，但是用一年時間的節(jié)能收回光源的投資，從而獲得4-9年中每年幾倍的節(jié)能凈

40、收蓋期。,資料：有機發(fā)光二極管,1.2.3 電子材料的選用原則(Selections of Electronic Materials),根據(jù)元器件性能參數(shù)根據(jù)元器件結(jié)構(gòu)特點根據(jù)元器件工藝特點按經(jīng)濟原則,1.2.4 電子材料發(fā)展動態(tài),先進電子材料納米材料、仿生智能材料、先進復合材料、生物電子材料等有機電子材料有機導電、壓電、光電、磁電等薄膜電子材料 (主流)計算機技術(shù)與電子材料,課程性質(zhì)和任務,本課程為本專業(yè)高年級專業(yè)

41、課，它緊密地把基礎理論與生產(chǎn)實踐溶于一體。學生學習本課程后，可以深入掌握半導體物理、電介質(zhì)物理、薄膜物理的基礎知識，具備從事電子材料生產(chǎn)、研究、應用和開發(fā)的基本能力；本課程又為后續(xù)專業(yè)課程的基礎，直接同電子器件和電子材料測量密切結(jié)合。因此本課程為本專業(yè)重要專業(yè)課程。 電子材料的重點是闡明各類電子材料晶體結(jié)構(gòu)、光電磁特性及影響因素、基本制造工藝（特別是壓電鐵電陶瓷、半導體單晶、半導體薄膜、集成電路與元器件的制造），為研制電子材料奠