信息材料第一讲.ppt

信息功能材料及应用基础 课程内容安排 第一讲 信息技术与信息材料的发展第二讲 半导体材料概论第三讲 硅基半导体材料的制备第四讲 新型半导体材料的制备第五讲 研讨课 半导体材料制备技术的发展第六讲 半导体中的电子状态和能带结构第七讲 载流子的统计分布第八讲 载流子散射与输运现象 第九讲 半导体中的非平衡载流子第十讲 课程研讨 半导体物理基础第十一讲 PN结理论第十二讲 金属 半导体结理论 第十三讲 半导体材料的应用第十四讲 课程研讨 半导体器件理论与应用第十五讲 习题第十六讲 考试 课程内容安排 Developmentofinformationmaterialsandtechnology信息材料和信息技术的发展 第一讲 信息既非物质又非能量 是组成世界的要素 信息是资源 是发展经济的基础 是各国争夺的对象 信息产业是国家的支柱产业 信息技术是是快速发展的高技术 是国家核心竞争力的最重要标志 信息 信息技术 信息产业 信息技术的发展 信息技术 信息获取 信息传输 信息存储 信息显示 信息处理 信息技术的构成 信息技术的发展 信息技术的发展趋势 信息技术的几个主要方面在20世纪下半叶取得了巨大的进步从1946年世界第一台电子计算机诞生以来 计算机技术获得了惊人的发展 成为人类社会巨大的生产力计算机技术与通信技术的结合 互联网技术的诞生与发展深刻改变了人类的生产和生活方式 人类社会进入信息时代20世纪以来 信息技术是依靠电子学和微电子学技术发展的为提高传输速度和载波密度 信息的载体必然由电子发展到光子 信息技术的发展 Frommicroelectronicstophotonics electronics optoelectronics photonics 20century 21century 信息技术的发展 上世纪70年代初石英光导纤维材料和GaAs激光器的发明 促进了光纤通信技术迅速发展并逐步形成了高新技术产业 使人类进入了信息时代 超晶格概念的提出及其半导体超晶格 量子阱材料的研制成功 彻底改变了光电器件的设计思想 使半导体器件的设计与制造从 杂质工程 发展到 能带工程 纳米科学技术的发展和应用 将使人类能从原子 分子或纳米尺度水平上控制 操纵和制造功能强大的新型器件与电路 必将深刻地影响着世界的政治 经济格局和军事对抗的形式 彻底改变人们的生活方式 信息时代的到来 LeadingTechnologiesforthe21stCentury Storage Display FiberOptics Imaging Lasers Sensors Interconnects HybridIntegration Sensors Illumination Optoelectronics 信息技术的发展 光信息技术发展 里程碑 1958年 基尔比首创集成电路芯片1962年 半导体激光器问世1963年 克罗默 阿尔费罗夫提出异质结构1966年 高琨关于光纤损耗的预言 2009年诺贝尔奖1970年 阿尔费罗夫 哈雅希等实现激光二极管室温连续运转 1970年 美国Corning公司实现光纤损耗 20dB km 1970年 江琦提出量子阱概念1971年 Kogelniketal 提出DFB激光器概念1975年 DFB DBR激光器问世1975年 量子阱激光器问世1978年 亚里夫研制成功单片集成光发射机芯片1987年 掺铒光纤放大器 2000年度诺贝尔物理学奖 信息技术的发展 2007年全球整个半导体市场仅增长3 达到2556亿美元 亚洲地区的增长速率高于全球平均水平 其中中国的增长为21 居全球第一 在技术方面 存在较大差异 从较早的4英寸晶圆技术到尖端的45nm工艺技术 在中国都能找到足迹 中国半导体材料市场发展迅速 预计到2010年 半导体材料的销售额将达到530亿美元 与晶圆制造材料类似 封装材料预计在2010年将增长6 2010年将达206亿美元 世界半导体行业巨头纷纷到国内投资 整个半导体行业快速发展 全球半导体材料市场 2003年中国电子信息产业销售收入1 88万亿元 折合2200 2300亿美元 产业规模已超过日本位居世界第二 同期日本信息产业销售收入只有1900亿美元 成为中国第一大支柱产业 中国电子信息产业的规模 中国从上世纪60年代初开始研制砷化镓 主要研发单位有中科稼英半导体有限公司 北京圣科佳电子有限公司 中科镓英公司成功拉制出中国第一根6 4公斤5英寸LEC法大直径砷化镓单晶 信息产业部46所生长出中国第一根6英寸砷化镓单晶 单晶重12kg 并已连续生长出6根6英寸砷化镓单晶 中国GaAs材料单晶以2 3英寸为主 4英寸处在产业化前期 研制水平达6英寸 目前4英寸以上晶片及集成电路GaAs晶片主要依赖进口 砷化镓生产主要原材料为砷和镓 中国是砷和镓的资源大国 但仅能生产品位较低的砷 镓材料 6N以下纯度 主要用于生产光电子器件 集成电路用砷化镓材料的砷和镓原料要求达7N 基本靠进口解决 中国的砷化镓产业 一维量子线 零维量子点半导体材料 基于量子尺寸效应 量子干涉效应 量子隧穿效应和库仑阻效应以及非线性光学效应等的低维半导体材料是一种人工构造 通过能带工程实施 的新型半导体材料 是新一代微电子 光电子器件和电路的基础 它的发展与应用 极有可能触发新的技术革命目前低维半导体材料生长与制备主要集中在几个比较成熟的材料体系上 如GaAlAs GaAs In Ga As GaAs InGaAs InAlAs GaAs InGaAs InP In Ga As InAlAs InP InGaAsP InAlAs InP以及GeSi Si等 并在纳米微电子和光电子研制方面取得了重大进展 俄罗斯约飞技术物理所MBE小组 柏林的俄德联合研制小组和中科院半导体所半导体材料科学重点实验室的MBE小组等研制成功的In Ga As GaAs高功率量子点激光器 工作波长l m左右 单管室温连续输出功率高达3 6 4W 国家中长期科技发展规划确定要实施16个重大科技专项 其中有三个专项与信息技术相关 第一 极大规模集成电路制造装备及成套工艺 第二 核心电子器件 高端通用芯片及基础软件产品 第三 新一代宽带无线移动通信网 中国信息科学技术发展战略 极大规模集成电路制造装备及成套工艺 十一五 期间重点实施的内容和目标分别是 重点实现90纳米制造装备产品化 若干关键技术和元部件国产化 研究开发出65纳米制造装备样机 突破45纳米以下若干关键技术 攻克若干项极大规模集成电路制造核心技术 共性技术 初步建立我国集成电路制造产业创新体系 十一五 期间重点实施的内容和目标分别是 重点研究开发微波毫米波器件 高端通用芯片 操作系统 数据库管理系统和中间件为核心的基础软件产品 提高计算机和网络应用 国家安全等领域整机系统产品和基础软件产品的自主知识产权拥有量和自主品牌的市场占有率 核心电子器件 高端通用芯片及基础软件产品 新一代宽带无线移动通信网 十一五 期间重点实施的内容和目标分别是 研制具有海量通信能力的新一代宽带蜂窝移动通信系统 低成本广泛覆盖的宽带无线通信接入系统 近短距离无线互联系统与传感器网络 掌握关键技术 显著提高我国在国际主流技术标准所涉及的知识产权占有比例 加大科技成果的商业应用 形成超过1000亿元的产值 1 信息获取技术与材料 探测器材料 狭能隙材料 红外 使用铅盐 碲镉汞和SbIn等材料 获取信息主要使用探测器和传感器 目前光电子技术是获取信息的主要手段 宽能隙材料 可见和近紫外 采用Si Ge和GaN AlN等材料 应用案例 材料断裂等结构监测 物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性 将输入物理量变换为调制的光信号 物性型光纤传感器 传感器材料 半导体传感器材料在外场 光 热 电 磁等 作用下半导体的电性能发生变化 由此获得外场的信息 光纤传感器材料光在光纤中传播时 受外场的作用能引起振幅 相位 频率和偏振态的变化 光纤可积累外场引起的光的变化 用于压力 磁场 温度 电压传感器 信息获取技术与材料 传感器材料 半导体传感器材料 光纤传感器材料 压阻材料Si Ge InSb等 热敏感材料NTC PTC等 压电材料BaTiO3等 旋光材料 保偏光纤 椭圆双折射光纤 掺杂和涂层光纤 信息获取技术与材料 声发射检测传感器 材料或结构受外力或内力作用产生变形或断裂 以弹性波形式释放出应变能的现象称无声发射 各种材料声发射的频率范围很宽 从次声频 声频到超声频 但多数金属 如钢 铁等 的声发射频带 均在超声范围内 声发射分 1 连续发射 2 突发发射 由于结构和传感器的谐振 检测到的发射信号像衰减的正弦波 检测到的两类信号如图所示 2 信息处理技术与材料 以大规模继承电路为基础的电子计算机技术是信息处理的主要技术 硅材料为核心的集成电路占90 以上 自1958年问世以来 其集成度提高100万倍 单位价格下降为100万分之一 目前大规模硅集成电路以MOS MetalOnSilicon 为主流技术 1998年出现的绝缘层上硅材料SOI SiliconOnInsulator 推动了微电子技术的进一步发展 此材料有效避免了器件与衬底间的寄生效应 具有高速 高密度 抗辐射 无闭锁效应等有点 相比MOS技术 可以使芯片的性能提高35 微电子技术五十年前后对比 以Si为核心的半导体动态随机存储器发展 在半导体产业的发展中 一般将硅 锗称为第一代半导体材料 将砷化镓 磷化锢 磷化镓 砷化锢 砷化铝及其合金等称为第二代半导体材料 而将宽禁带 Eg 2 3eV 的氮化镓 碳化硅 硒化锌和金刚石等称为第三代半导体材料 上述材料是目前主要应用的半导体材料 三代半导体材料代表品种分别为硅 砷化镓和氮化镓 三代半导体材料 1 增大晶体直径 目前4英寸的SI GaAs已用于生产 预计本世纪初的头几年直径为6英寸的SI GaAs也将投入工业应用 2 提高材料的电学和光学微区均匀性 3 降低单晶的缺陷密度 特别是位错 4 GaAs和InP单晶的VGF生长技术发展很快 很有可能成为主流技术 第二代半导体材料发展趋势 目前 世界GaAs单晶的总年产量已超过200吨 其中以低位错密度的垂直梯度凝固法 VGF 和水平 HB 方法生长的2 3英寸的导电GaAs衬底材料为主 近年来 为满足高速移动通信的迫切需求 大直径 4 6和8英寸 的SI GaAs发展很快 美国莫托罗拉公司正在筹建6英寸的SI GaAs集成电路生产线 InP具有比GaAs更优越的高频性能 发展的速度更快 但研制直径3英寸以上大直径的InP单晶的关键技术尚未完全突破 价格居高不下 第二代半导体单晶制备 日本是最大的生产国和输出国 占世界市场的70 80 美国在1999年成功地建成了3条6英寸砷化镓生产线 在砷化镓生产技术上领先一步 日本住友电工是世界最大的砷化镓生产和销售商 年产GaAs单晶30t 美国AXT公司是世界最大的VGFGaAs材料生产商 世界GaAs单晶主要生产商情况见表6 国际上砷化镓市场需求以4英寸单晶材料为主 而6英寸单晶材料产量和市场需求快速增加 已占据35 以上的市场份额 研制和小批量生产水平达到8英寸 砷化镓国际市场 GaAIAs GaAs GaInAs GaAs AIGaInP GaAs GalnAs InP AlInAs InP InGaAsP InP等GaAs InP已成功地用来制造超高速 超高频微电子器件和单片集成电路 V族超晶格 量子阱材料 以氮化镓和碳化硅为代表的第三代半导体材料具有禁带宽度大 击穿电场高 热导率大 电子饱和漂移速度高 介电常数小 抗辐射能力强 良好的化学稳定性等独特的特性 它在光显示 光存储 光探测等光电子器件和高温 高频大功率电子等微电子器件领域有广阔的应用前景 成为半导体领域研究热点 第三代半导体材料 SiC宽禁带半导体材料 使用硅器件的传统集成电路大都只能工作在250 以下 不能满足高温 高功率及高频等要求 SiC具有独特的物理性质和电学性质 是实现高温与高功率 高频 抗辐射相结合器件的理想材料 SiC器件工艺 如氧化 掺杂 刻蚀及金属 半导体接触 都日臻成熟 这些为SiC器件的研制及应用奠定了基础 光信息处理和计算已经提出 它可以发挥并列处理的优点 能高速处理信号 以全光计算机为目标 用光学系统为完成一维或多维数据的数字计算还处于探索阶段 研制开发高效低功耗的光子器件及相应材料是其关键 目前 研制的高密度对称反射式自由电效应 SR SEED 无腔面光双稳态开关集成面阵 其光功耗极低 小于10fJ m2 开关时间为纳秒 每秒可以进行上亿次光学数学处理 光互连集成回路的应用可以有效解决电子计算机电信号受RC驰豫时间的限制 同时解决了电子信号自身干扰问题 进展 立足于 族半导体化合物 利用材料的量尺寸效应 做成量子阱 量子线 量子点 开拓硅基材料 如SiGe Si量子化材料 信息处理技术与材料 光信息处理技术的发展 3 信息存储技术与材料 数字信息存储的要求 高存储密度 高速据传输率 高存储寿命 高的擦写次数及低价格 计算机系统中的各种方式的存储器 内存储器要求集成度高 存取速度快 以半导体动态随机存储器为主 外存储器中 磁存储技术发展迅速 形成了巨大的产业 磁存储介质的主要形式是磁带 软磁盘 硬磁盘 存储密度每5年增加10倍 磁存储技术及材料 磁带机的容量及数据率发展 硬磁盘技术的进展 信息存储技术与材料 70年代 将磁性氧化物 氧化铁 涂布在塑料薄膜或金属薄片上制成磁带或磁盘 存储密度为几b in2级别 80年代 采用超细磁性氧化物粉末以及薄膜氧化物磁头 存储密度到几百千b in2 90年代后 采用连续磁性薄膜介质的硬磁盘存储 如CoCrPt CoCrTa等 存储密度到105b in2 更高存储密度 大于1Gb in2 的硬磁盘则采用了高矫顽磁力 大于240KA m 的连续纵向纳米晶粒磁性介质 而实现磁垂直存储 则要采用各向异性 KU 0 4J cm3 的磁性介质 必然CoSm和Fe Pt多层膜 信息存储技术与材料 磁介质材料的发展 光存储技术及材料 信息存储技术与材料 光存储技术最早用于微缩照相 上世纪60年代出现激光全息技术 70年代 开发光盘存储技术 包括CD和LD 光盘存储材料 1 磁光存储介质 金属多层膜 Pt Co膜 掺杂的MnBiAl薄膜 稀土掺杂的钇铁榴石薄膜 2 相变存储介质 Ge Te Sb In Sb Ag Te等 3 有机存储介质 酞箐化合物 箐化合物 螺环化合物等 其工作波长短 但存在光 热稳定性差的特点 随着光子学技术发展 目前的光热记录方式将向光子记录方式转变 光存储与磁存储比较 DRAW HD OD的今后发展和相互关系 信息存储技术与材料 4 信息显示技术与材料 信息显示技术是将各种形式的信息作用于人的视觉使人感知的的手段 静止信息显示手段 打印机 复印机 传真机 扫描机等 使无机硒合金和有机酞箐染料作为感光鼓材料 活动图像显示手段 阴极射线管 CRT 发光材料 红 Y2O2S Eu 蓝 ZnS Ag 绿 ZnS Cu Al 平板显示技术液晶显示技术 LCD 场致放射显示技术 FED 等离子体显示技术 PDP 和发光二级管显示技术 LED CRT FED PDP和LCD四种显示器的性能比较 信息显示技术与材料 PDP易做成大屏幕显示器 但驱动电压高 功耗大 LCD功耗低 工作电压低 体积小 易携带 主要用于小屏幕 FED视角宽 功耗低 响应速度快 光效率和具有CRT和LCD的优点 但面积较难扩大 CRT是活动图像的主要显示手段 还需提高颜色纯度 有机发光二极管材料的化学分子式和器件结构 a 器件结构 b Alq分子结构 c 双胺分子结构 d PPV分子结构 信息显示技术与材料 OLED是有前途的显示器材料 但发光亮度 量子效率 稳定性和耐用性以及寻找蓝色与红色材料方面仍需努力 GaN 禁带宽度仅为3 4eV 材料可以用于高密度光存储的短波激光光源 信息显示材料 III族氮化物在蓝 绿光发光二极管 LED 和紫 蓝 绿光激光器 LD 以及紫外探测器等方面也显示了广泛的应用前景 随着1993年GaN材料的P型掺杂突破 GaN基材料成为蓝绿光发光材料的研究热点 目前 GaN基蓝绿光发光二极管己商品化 GaN基LD也有商品出售 最大输出功率为0 5W 此外 256 256GaN基紫外光电焦平面阵列探测器也已研制成功 2000年日本Sumitomo电子工业有限公司宣称研制成功2英寸GaN单晶材料 这将有力的推动蓝光激光器和GaN基电子器件的发展 信息显示材料 GaAIAs GaAs GaInAs GaAs AIGaInP GaAs GalnAs InP AlInAs InP InGaAsP InP等GaAs InP已成功地用来制造超高速 超高频微电子器件和单片集成电路 基于上述材料体系的光通信用1 3 m和1 5 m的量子阱激光器和探测器 红 黄 橙光发光二极管和红光激光器以及大功率半导体量子阱激光器已商品化 信息显示材料 硅基应变异质结构材料 硅基光 电器件集成一直是人们所追求的目标 但由于硅是间接带隙 如何提高硅基材料发光效率就成为一个亟待解决的问题 虽经多年研究 但进展缓慢 人们目前正致力于探索硅基纳米材料 纳米Si SiO2 硅基SiGeC体系的Si1 yCy Si1 xGex低维结构 Ge Si量子点和量子点超晶格材料 Si SiC量子点材料 GaN BP Si以及GaN Si材料 最近 在GaN Si上成功地研制出LED发光器件和有关纳米硅的受激放大现象的报道 使人们看到了一线希望 尽管GaAs Si和InP Si是实现光电子集成理想的材料体系 但由于晶格失配和热膨胀系数等不同造成的高密度失配位错而导致器件性能退化和失效 防碍着它的使用化 最近 Motolora等公司宣称 他们在12英寸的硅衬底上 用钛酸锶作协变层 柔性层 成功的生长了器件级的GaAs外延薄膜 取得了突破性的进展 硅基应变异质结构材料 GaN在宽禁带半导体中也占有主导地位 GaN半导体材料的商业应用研究始于1970年 其在高频和高温条件下能够激发蓝光的特性一开始就吸引了半导体开发人员的极大兴趣 但GaN的生长技术和器件制造工艺直到近几年才取得了商业应用的实质进步和突破 由于GaN半导体器件在光电子器件和光子器件领域广阔的应用前景 其广泛应用预示着光电信息乃至光子信息时代的来临 信息显示材料 1993年日本的日亚化学公司研制出第一支蓝光发光管 1995年该公司首先将GaN蓝光LED商品化 到1997年某市场份额已达1 43亿美元 据StrategiesUnlimited的预测 GaN器件年增长率将高达44 到2006年其市场份额将达30亿美元 目前 日亚化学公司生产蓝光LED 峰值波长450nm 输出光为3mw 发光亮度2cd Ip 20mA GaN绿光LED 峰值波长525nm 输出光功率为2mw 发光亮度6cd Ip 20mA 此外 日亚化学公司利用其GaN蓝光LED和磷光技术 又开发出白光固体发光器件产品 不久将来可替代电灯 既提高灯的寿命 又大大地节省能源 因此 GaN越来越受到人们的欢迎 GaN蓝光激光器也被日亚公司首先开发成功 目前寿命已超过10000hr 与此同时 GaN的电子器件发展也十分迅速 目前GaNFET性能已达到ft 52GHz fmax 82GHz 在18GHz频率下 CW输出功率密度大于3W mm 这是至今报导K波段微波GaNFET的最高值 美国的APA光学公司1993年研制出世界上第一个氮化镓基HEMT器件 2000年9月美国kyma公司利用AlN作衬底 开发出2英寸和4英寸GaN新工艺 2001年1月美国Nitronex公司在4英寸硅衬底上制造GaN基晶体管获得成功 GaN基器件和产品开发方兴未艾 目前进入蓝光激光器开发的公司包括飞利浦 索尼 日立 施乐和惠普等 包括飞利浦 通用等光照及汽车行业的跨国公司正积极开发白光照明和汽车用GaN基LED 发光二极管 产品 涉足GaN基电子器件开发最为活跃的企业包括Cree RfmicroDevice以及Nitronex等公司 目前 国外正朝着更大功率 更高工作温度 更高频率和实用化方向发展 日本 美国等国家纷纷进行应用于照明GaN基白光LED的产业开发 计划于2015年 2020年取代白炽灯和日光灯 引起新的照明革命 据美国市场调研公司StrstegiesUnlimited分析数据 2001年世界GaN器件市场接近7亿美元 该公司预测2009年世界GaN器件市场将达到48亿美元的销售额 美国Cree公司由于其研究领先 主宰着整个碳化硅的市场 几乎85 以上的碳化硅衬底由Cree公司提供 90 以上的生产在美国 亚洲只占4 欧洲占2 碳化硅衬底材料的市场正在快速上升阶段 估计到2007年 碳化硅衬底材料的生产将达到60万片 其中90 95 被用于氮化镓基光电子器件作外延衬底 目前在6H SiC衬底上氮化镓微电子材料室温迁移率达到2000cm2 V S 电子浓度达到1013cm 2 生长在碳化硅衬底上的氮化镓基HEMT的功率密度达到了10 3W mm 栅长0 6mm 栅宽300mm 生长在碳化硅衬底上的AlGaN GaNHEMT器件 栅长为0 12mm 的特征频率ft 101GHz 最高振荡频率fmax 155GHz 与蓝宝石衬底材料相比 碳化硅衬底材料具有高的热导率 晶格常数和热膨胀系数与氮化镓材料更为接近 仅为3 5 蓝宝石与氮化镓材料的晶格失配度为17 是一种更理想的衬底材料 目前在碳化硅衬底上氮化镓微电子材料及器件的研究是国际上的热点 也是军用氮化镓基HEMT结构材料和器件的首选衬底 但碳化硅衬底上材料十分昂贵 中国国内研究状况 表世界GaAs单晶主要生产厂家 注 主要产品 大生产 生产 大量 小规模 D开发中 光功能材料主要采用无机非线性光学晶体 如KTP BBO LBO LiNbO3等 光功能元件和材料性质 激光技术与光电功能材料 碲酸盐和硫化物玻璃的声光品质因素及性质 若干磁光玻璃的Verdet常数 室温 激光技术与光电功能材料 信息传递技术与材料 20世纪70年代低损耗的熔石英光纤和长寿命半导体激光器研制成功 使光通信成为可能 1978年 第一代光缆 长10KM 传输率 100Mb S 1981年 第二代光缆 采用单模光纤 传送容量增加10倍 第三代光纤应用熔石英光纤的最低损耗波长 1 55 m 配上该波长的半导体激光器 其传输距离和容量又提高了几倍 20世纪80年代以来 信息传递技术发展迅速 数字电信量以每年35 增长 采用光子作为信息载体 代替电缆和微波通信是20世纪通信技术的重大进步 20世纪末人们发明了光学放大器 特别是掺铒光纤放大器 将光信号直接放大 放大率达30dB以上 且不受偏振方向的影响 有很高的保真度 20世纪80年代以来 信息传递技术发展迅速 数字电信量以每年35 增长 采用光子作为信息载体 代替电缆和微波通信是20世纪通信技术的重大进步 20世纪末人们发明了光学放大器 特别是掺铒光纤放大器 将光信号直接放大 放大率达30dB以上 且不受偏振方向的影响 有很高的保真度 波分复用技术 WDM 的应用 可以使同一路光纤传输若干不同波长的光信号 这种技术的特点是用光纤宽带耦合器将n种波长的激光信号耦合入一条公用传输光纤 在信号终端用光纤光栅滤光器分理出n个波长的载波激光 再用检波器将信号分离出来 使信息传输率增加了n倍 信息传递技术与材料 波分复用 WDM 光纤通信示意图 信息传递技术与材料 在光纤通信系统中通过波分复用技术可以增加光信号传输的容量 要达到大数量地