信息材料第一讲.ppt
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1、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,Development of information materialsand technology信
2、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
3、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,From microelectronics to photonics,electronics,optoelectronics,photonics,20 century,21 century,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
4、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,Leading Technologies for the 21st Century,Storage,Display,Fiber Optics,Imaging,Lasers,Sensors,Interconnects,Hybrid Integration,Sensors,Illumination,Optoelectronics,信息技术的发展,光信息技术发展“里程碑”,19
5、58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,Kogelnik et al.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255
6、6亿美元。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22002300亿美元,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
7、。,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23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7
8、N,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GaAlAsGaAs,In(Ga)AsGaAs,InGaAsInAlAsGaAs,InGaAsInP,In(Ga)AsInAlAsInP,InGaAsPInAlAsInP以及 GeSiSi等,并在纳米微电子和光电子研制方面取得了重大进
9、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)AsGaAs高功率量子点激光器,工作波长lm左右,单管室温连续输出功率高达3.64W,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;
10、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
11、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
12、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:
13、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(Metal On Silicon)为主流技术。1998年出现的绝缘层上硅材料SOI(Silicon On Insulator)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
14、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(Eg2.3eV)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SIGaAs已用于生产,预计本世纪初的头几年直径为6英寸的SIGaAs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
15、)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23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SIGaAs发展很快。美国莫托罗拉公司正在筹建6英寸的SIGaAs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7080%;
16、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VGF GaAs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,GaAIAsGaAs,GaInAsGaAs,AIGaInPGaAs;GalnAsInP,AlInAsInP,InGaAsPInP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
17、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S
18、iC 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
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