半导体器件物理ppt.ppt

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现代半导体器件物理,第一章简介,PhysicsofModernSemiconductorDevices,课程概况,课程名：

现代半导体器件物理学时：

32时间：

秋季学期5-21周授课方式：

讲授+自学+课后作业+小型科技论文考核比例：

总分（100）=考勤（10）+作业（10）+小型科技论文（10）+最后闭卷考试（70）,学习目标,掌握半导体器件物理的基本理论第1章：

了解半导体器件的过去、现状和未来第2、3章：

掌握半导体器件基本特性和传导过程第49章：

讨论所有主要半导体器件的物理过程和特性,教材和参考资料,半导体器件物理与工艺（第二版）施敏苏州大学出版社现代半导体器件物理施敏科学出版社半导体物理学刘恩科电子工业出版社半导体器件物理基础（第二版）曾树荣北京大学出版社微电子学概论张兴北京大学出版社固体物理黄昆高等教育出版社以及其他的papers、conferences、handouts,半导体器件物理研究什么？

研究半导体器件中电子或空穴的运动规律，如何通过“能带裁剪工程“（构造特定形状的势垒结构）来控制载流子（电子、空穴）的运动，使其载流子的运动行为满足特定的要求。

以及在不同器件结构下，研究其不同方面的电性能和光性能。

为什么要学习该课程？

身为一个电子工程、电机工程、应用物理或材料科学领域的学生，你可能会自问:

为什么要学习这门课程？

科学技术与人类社会的发展,信息产业特点,材料:

石器，铜器，铁器半导体材料资源:

土地，灌溉，矿藏半导体器件及人才信息产业周期：

缩短知识更新：

加快,半导体工业的核心,集成电路【IntegratedCircuit：

IC】通过一系列特定的平面制造工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件，按照一定的电路互连关系，“集成”在一块半导体单晶片上，并封装在一个保护外壳内，能执行特定的功能复杂的电子系统。

IC的战略地位,集成电路的战略地位首先表现在当代国民经济的“食物链”关系。

进入信息化社会的判据：

半导体产值占工农业总产值的0.5%。

日本经济学家认为，谁控制了超大规模集成电路技术，谁就控制了世界经济。

英国人认为，如果哪个国家不掌握半导体技术，则哪个国家就立即加入了不发达国家行列。

据美国半导体协会（SIA）预测,电子信息服务业30万亿美元相当于1997年全世界GDP总和电子装备6-8万亿美元,集成电路产值1万亿美元,GDP50万亿美元,2012年,世界GDP增长与世界集成电路产业增长情况比较（资料来源：

ICE商业部）,两个列子,1985-1990年间世界半导体商品市场份额,日本公司,美国公司,39%,37.9%,51.4%,50%,人均IC产值年增长率人均电子工业年增长率人均GDP年增长率,日本美国日本美国日本美国,2.2%,1.1%,0.1%,80年代后期-90年代初美国采取了一系列增强微电子技术创新和集成电路产业发展的措施，重新夺回领先地位。

90年代以来美国经济保持持续高速增长主要得益于信息产业的发展，而其基础是集成电路产业与技术创新。

90年代日本经济萧条的同时，集成电路市场份额严重下降。

中国台湾地区,60年代后期人均GDP200-300美元（1967年为267美元）,70-80年代大力发展集成电路产业,90年代IT业高速发展,97年人均GDP=13559美元,中国IT企业与Intel公司利润的比较,同样，TI公司的技术创新，数字信号处理器（DSP）使它的利润率比诺基亚高出10个百分点。

半导体器件的重要性,1.半导体器件是世界上规模最大的电子工业的基础。

1998年以来，全球电子工业销售量超过1万亿美元，产品遍及生活方方面面。

拉动国民经济发展，提高人民生活水平。

2.半导体器件物理是开展电子学领域知识学习的基础。

半导体器件物理为集成电路提供了基础知识，是半导体工业的发展平台。

要更深入了解电子学的相关课程，拥有半导体器件最基本的知识是必要的。

对GDP的贡献率钢材1汽车5电视10计算机1000集成电路2000,3.促进传统产业技术改造几乎所有的传统产业与微电子技术结合，用IC芯片进行智能改造，都可以使传统产业重新焕发青春；全国各行业的风机、水泵的总耗电量约占了全国发电量的36%，仅对风机、水泵采用变频调速等电子技术进行改造，每年即可节电659亿度以上，相当于三个葛洲坝电站的发电量（157亿度/年）；半导体照明工程对白炽灯进行高效节能改造，并假设推广应用30%，所节省的电能相当于三座大亚弯核电站的发电量（139亿度/年）。

.其它成功案例不胜枚举!

小结：

是信息科学的基石；是国家经济实力的重要标志；是优化传统产业的动力源泉。

（能否回答疑问？

）,器件的基础结构,人类研究半导体器件已经超过135年，迄今大约有60多种主要的器件以及上百种和主要器件相关的变异器件。

但所有这些器件均可由几种基本器件结构所组成。

金属-半导体用来做整流接触、欧姆接触；利用整流接触当作栅极、欧姆接触作漏极（drain）和源极（source）。

形成MESFET。

p-n结是半导体器件的关键基础结构，其理论是半导体器件物理的基础。

可以形成p-n-p、n-p-n双极型晶体管，形成p-n-p-n结构的可控硅器件。

异质结是快速器件和光电器件的关键构成要素。

用MOS结构当作栅极，再用两个p-n结分别当作漏极和源极，就可以制作出MOSFET。

晶体管的发明,1946年1月，Bell实验室正式成立半导体研究小组,W.Schokley，J.Bardeen、W.H.Brattain。

Bardeen提出了表面态理论，Schokley给出了实现放大器的基本设想，Brattain设计了实验。

1947年12月23日，第一次观测到了具有放大作用的晶体管。

为人类社会拉开步入电子时代的序幕，涉及生活、生产甚至战争等方方面面。

获得1956年Nobel物理奖,集成电路的发明,1952年5月，英国科学家G.W.A.Dummer第一次提出了集成电路的设想。

1958年以（德州仪器公司）TI的科学家基尔比（ClairKilby）为首的研究小组研制出了世界上第一块集成电路，并于1959年公布了该结果。

Intle公司德诺宜斯（RobertNoyce）同时间发明了IC的单晶制造概念。

RobertNoyce（Intel）,ClairKilby（TI）,获得2000年Nobel物理奖,其他的重要里程碑,布朗（Braun）在1874年发现金属和金属硫化物（如铜铁矿，copperpyrite）接触的阻值和外加电压的大小及方向有关。

在1907年，朗德（Round）发现了电致发光效应（即发光二极管，light-emittingdiode，LED），观察到当在碳化硅晶体两端外加10V的电压时，晶体会发出淡黄色的光。

1952年伊伯斯（Ebers）为复杂的开关器件可控硅器件（thyristor）提出了一个基本的模型。

以硅p-n结制成的太阳能电池（solarcell）则在1954年被阕平（Chapin）等人发明。

太阳能电池是目前获得太阳能最主要的技术之一，它可以将太阳光直接转换成电能。

1957年，克罗马（Kroemer）提出了用异质结双极型晶体管（heterjunctionbipolartransistor，HBT）来改善晶体管的特性，这种器件有可能成为更快的半导体器件。

其他的重要里程碑（续）,1958年江崎（Esaki）则观察到重掺杂（heavilydoped）的p-n结具有负电阻的特性，此发现促成了隧道二极管（tunneldiode，或穿透二极管）的问世隧道二极管以及所谓的隧穿现象（tunnelingphenomenon，或穿透现象）对薄膜间的欧姆接触或载流子穿透理论有很大贡献。

1960年由姜（Kahng）及亚特拉（Atalla）发明的MOSFET，是先进集成电路最重要的器件。

1962年霍尔（HalI）等人第一次用半导体做出了激光（laser）。

1963年克罗马（Kroemer）、阿法罗（Alferov）和卡查雷挪（Kazarinov）发表了异质结构激光（heterostructurelaser），奠定了现代激光二极管的基础，使激光可以在室温下连续工作。

激光二极管后来被广泛应用到数字光碟、光纤通信、激光影印和监测空气污染等方面。

其他的重要里程碑（续）,1963年冈（Gunn）提出的转移电子二极管（transferred-electrondiode，TED），又称为冈二极管（Gunndiode），被广泛应用到侦测系统、远程控制和微波测试仪器。

姜士敦（Johnston）等人发明的碰撞电离雪崩渡越时间二极管（IMPATTdiode）,是目前可以在毫米波频率下产生最高连续波（continuouswave,CW）功率器件。

1966年由密德（Mead）发明金半场效应晶体管（MESFET），并成为单片微波集成电路monolitlicmicrowaveintegratecircuit,MMIC）的关键器件。

三种重要的微波器件相继被发明制造出来：

其他的重要里程碑（续）,1967年姜（Kahng）和施敏发明了一种非挥发性半导体存储器（nonvolatilesemiconductormemory，NVSM），可以在电源关掉以后，仍然保持其储存的信息。

成为应用于便携式电子系统如手机、笔记本电脑、数码相机和智能卡方面最主要的存储器。

1970年波意尔（Boyle）和史密斯（Smith）发明电荷耦合器件（charge-coupleddevice，CCD）它被大量地用于手提式摄像机（videcamera）和光检测系统上。

1974年张立纲等发明了共振式隧道二极管（resonanttunnelingdiode，RTD），它是大部分量子效应（quantum-effect）器件的基础量子效应器件因为可以在特定电路功能下，大量地减少器件数量，所以具有超高密集度、超高速及更强的功能1980年，Minura等人发明了调制掺杂场效应晶体管（modulation-dopedfield-effecttransistor，MODFET），如果选择适当的异质结材料，这将会是更快速的场效应晶体管。

主要半导体器件列表,了解了多少？

计算机的发展历史,第一台计算机1832年TheBabbageDifferenceEngine25,000个元件费用：

7,470$,300倍缩小100万倍缩小3000万倍缩小140万倍快10万倍长70万倍没有办法比,开发时间器件数尺寸重量功耗运算速度寿命价格,1996，Intel5500万晶体管150mm2,0.1克0.1W10亿次/s10年100元,1946，美国莫尔学院18000真空管150m2,30吨，140kW7000次/s7分国宝级,世界最初的电子管计算机ENIAC（左）与ICCPU的比较,Intel4004Micro-Processor,19711000transistors1MHzoperation,IntelPentium（IV）microprocessor,体系架构：

90纳米制程二级高速缓存：

2MB三级高速缓存：

无主频速率：

3.73GHz时钟速度：

3.73GHz前端总线：

1066MHz,AMD的双核心Opteron处理器,国产处理器中国大陆,龙芯一号（神州龙芯公司）,基于0.18微米CMOS工艺，32位微处理器。

支持最新版本的Linux、VxWork，WindowsCE等操作系统。

可广泛应用于工业控制、信息家电、通讯、网络设备、PDA、网络终端、存储服务器、安全服务器等产品上。

方舟科技的CPU,北大众志的CPU6,中国台湾,VIAC3处理器,RiseTechnologyRisemP6,其他优秀的处理器,嵌入式CPU是指应用于各种信息设备里的CPU，一般功能不太强、主要是以低价格、低功耗为特征，著名的有ARM、MIPS等公司的CPU。

高性能CPU是指应用于服务器和超级计算机中的高性能CPU，例如Alpha、UltraSparc、PowerPC等等。

IBMPowerPC604,SUN0.13mUltraSPARCIV内核,半导体器件物理研究的层次,电子设计的抽象层次结构图,器件是半导体器件物理的研究对象！

Moore定律和等比例缩小,1965,Intel的创始人之一GordonMoore在他的论文“crammingmorecomponentsontointegratedcircuits”里预言：

每18个月芯片集成度增加一倍。

40年来这个预言基本正确。

毫无疑问，在过去的四十年里，摩尔定律成为了科技进步速度的推动力。

然而传统的光刻技术正在日益成为半导体制造工艺的瓶颈，业界已有专家预计，芯片性能的增长速度将在今后几年趋缓。

一般认为，摩尔定律能再适用10年左右。

其制约的因素一是技术，二是经济。

制约因素之一技术从技术的角度看，随着硅片上线路密度的增加，其复杂性和差错率也将呈指数增长，同时也使全面而彻底的芯片测试几乎成为不可能。

一旦芯片上线条的宽度达到纳米数量级时，相当于只有几个分子的大小，这种情况下材料的物理、化学性能将发生质的变化，致使采用现行工艺的半导体器件不能正常工作，摩尔定律也就要走到它的尽头了。

制约因素之二经济从经济的角度看，目前是20-30亿美元建一座芯片厂，线条尺寸缩小到0.1微米时将猛增至100亿美元，比一座核电站投资还大。

由于花不起这笔钱，迫使越来越多的公司退出了芯片行业。

看来摩尔定律要再维持十年的寿命，也决非易事。

不过不用担心，新的工艺、新的器件结构、纳米电子学为半导体工业带来了曙光！

英特尔公司技术战略部主任保罗加吉尼则认为，2015年左右，部分采用了纳米导线等技术的“混合型”晶体管将投入生产，5年内取代半导体晶体管。

Moore定律：

处理器集成度提高,Moore定律：

存储器集成度的提高,器件按比例缩小原理,在1974年第九期的IEEEJournalofSolid-StateCircuits期刊上，Dennard提出了器件等比例缩小定律。

基本思想：

MOS器件的横向纵向尺寸（沟道长、宽度等横向尺寸和栅层厚度、结深等纵向尺寸）按一定比例K缩小，单位面积上的功耗可保持不变；这时器件所占的面积（因而成本）可随之缩小K2倍，器件性能可提高K3倍。

所以器件越小，同样面积芯片可集成更多、更好的器件，降低了器件相对成本。

这是摩尔定律的物理基础，也正是这种物理特性，刺激了加速的技术创新。

半导体工艺技术,很多重要的半导体技术其实是由多个以前发明的工艺技术延伸而来的。

例如1798年就已经发明了图形曝光工艺，只是当初影像图形是从石片转移过来的。

将叙述各种首次被应用到半导体工艺或制作半导体器件而被研发出来的具有里程碑意义的技术。

具有里程碑意义的技术,1918年柴可拉斯基（Czochralski）发明了一种液态-固态单晶生长的技术（Cz法），至今仍广泛应用于大部分硅晶片晶体的生长。

1925年布理吉曼（Bridgman）发明另一种技术，被大量用于砷化镓和一些化合物半导体的晶体生长。

1952年魏可（Welker）发现砷化镓和其他的V族化合物也是半导体材料，相关这些化合物半导体的技术和器件才陆续被深入研究。

具有里程碑意义的技术（续）,1855年菲克（Fick）提出了基本扩散理论。

对半导体工艺而言，杂质原子（dopant）的扩散（diffusion）是很重要的一种现象。

1952年范恩（Pfann）在其专利中提及利用扩散技术来改变硅的电导率的想法。

1957年安卓斯（Andrus）把古老的图形曝光技术应用在半导体器件的制作上，利用一些感光而且抗刻蚀的聚合物（即光阻）来做图形的转移。

图形曝光技术是半导体工业中的一个关键性的技术，图形曝光的成本就占了35以上。

1957年弗洛区（Frosch）和德利克（Derrick）提出氧化物掩蔽层方式（oxidemaskingmethod），发现氧化层可以阻止大部分杂质的扩散穿透。

同年，雪弗塔（Sheftal）等人提出用化学气相淀积（CVD）外延生长技术。

是在具有晶格结构的晶体表面上，生长出一层半导体晶体薄膜的技术，这种技术对改善器件特性或制造新颖结构器件而言非常重要。

具有里程碑意义的技术（续）,1958年肖克莱（Shockley）提出了离子注入（ionimplantation）技术来掺杂半导体，这种技术可以精确地控制掺杂原子的数目。

从此扩散和离子注入两种技术可以相辅相成，用来掺杂。

1959年科比（Kilby）提出集成电路的雏型。

它包含了一个BJT、三个电阻和一个电容，所有的器件都由锗做成，而且由接线相连成一个混合的电路。

1959年诺依斯（Noyce）提出一个在单一半导体衬底上做成的集成电路。

1960年由荷尼（Hoerni）提出平面（planar）工艺，整个半导体表面先生成一层氧化层，再用图形曝光刻浊工艺；将部分的氧化层移除，并留下一个窗口（window），然后将杂质透过窗口掺杂到半导体表面后形成p-n结。

1963年由万雷斯（Wanlass）和萨支唐（Sah）提出CMOS的观念，CMOS优点是只有在逻辑状态转换时（如从0到1）才会产生大电流，而在稳定状态时只有极小的电流流过，所以功率耗损可以大幅度减少，对先进集成电路而言，CMOS技术是最主要的技术。

具有里程碑意义的技术（续）,1967年丹纳（Dennard）发明了一项由两个器件组成的极重要的电路，即动态随机存储器（DRAM）.存储单元器件包含了一个MOSFET和一个储存电荷的电容，其中MOSFET作为使电容充电或放电的开关。

应用在非便携式（non-portable）电子系统中的第一选择。

1969年柯文（Kerwin）等人提出了多晶硅自对准栅极工艺，这个工艺不但改善了器件的可靠性，还降低了寄生电容。

同年，门纳赛维（Manasevit）和辛浦生（simpson）提出金属有机化学气相淀积技术（MOCVD）。

对化合物半导体而言，这是二种非常重要的外延技术。

1971年尔文（Irving）等人提出，利用CF4-O2的混合气体来到蚀硅晶片。

当器件的尺寸变小，为了增加图形转移的可靠度，干法刻蚀（dryetching）技术取代了湿法腐蚀技术。

同年，卓以和（Cho）提出了分子束外延（MBE）技术，可以近乎完美地控制原于的排列，所以也可以控制外延层组成和掺杂浓度，这项技术也带来了许多光器件和量子器件的发明。

具有里程碑意义的技术（续）,1971年霍夫（Hoff）等人制造出来第一个微处理器（microprocessor），将一个简单电脑的中央处理单元（CPU）放在一个芯片上，这就是如图的四位微处理器（Intel4004），其芯片大小是3mm4mm，并且包含了2300个MOSFET.它是由p型沟道多晶硅栅极工艺做成，设计规范是8um。

这是半导体工业上一个重大的突破。

1982年由朗（Rung）等人提出沟槽式绝缘技术，用以隔绝CMOS器件。

目前这种方法几乎已取代了所有其他的绝缘技术。

1989年达阀利（Davari）等人提出了化学机械抛光方法（CMP），以得到各层介电层的全面平坦化（globalplanarization），这是多层金属布线的关键技术。

1993年帕拉查克（Paraszczak）等人提出在尺寸长度小到100nm时，以铜导线取代铝导线的想法。

在亚微米器件中，电致迁移（electromigration）即当强电流通过导线时，使导线的金属离子迁移的情形。

铜的抗电致迁移高且电阻率比铝低。

器件尺寸等比例缩小后，要求开发新的技术，工业界认为三个关键的技术是：

沟槽式隔离（trenchisolation）、化学机械抛光（chemical-mechanicalpolishing，CMP）和铜布线,一些关键的半导体技术列表,半导体芯片的制造框图,典型的半导体芯片的制造流程,半导体芯片制造的关键步骤,硅片制造工艺流程，光刻为核心,半导体制造企业,半导体制造企业可划分为2类：

设计/制造企业：

许多企业都集合了芯片设计和芯片制造，从芯片的前端设计到后端加工都在企业内部完成。

Intel、IBM、Motorola、Samsung、Hynix、Infineon、Philips、STmicroelectronics等。

代工企业：

在芯片制造业中，有一类特殊的企业，专门为其他芯片设计企业制造芯片，这类企业称为晶圆代工厂（foundry）。

代工的出现是由于现代技术的飞速发展，越来越多的技术需要更加细致的分工，这样可以部分降低企业的成本或风险。

比如显卡和主板，它的核心是图形处理器和芯片组，是由象nVIDIA、ATI，INTEL、AMD、VIA、SIS、ALI等一些顶级的芯片研发公司设计出来，然后委托给某些工厂加工成芯片和芯片组。

著名代工企业,台积电（TSMC）：

如ATI和nVIDIA公司设计的图形处理芯片，或者VIA，SIS，ALI设计的主板南北桥芯片组基本都是由TSMC和UMC这两家公司负责生产。

TSMC是由台湾“半导体教父”张忠谋先生创建。

台联电（UMC）：

1980年，岛内第一家集成电路公司。

在曹兴诚的带领下，如今联电已成为仅次于台积电的台湾第二大半导体企业，同时也是世界上第二大专业芯片代工厂。

中芯国际（SMIC）：

中芯国际成立于2000年，公司总部位于中国上海，拥有三座芯片代工厂，包括一座后段铜制程代工厂。

技术能力包括逻辑电路、混合信号/射频电路、高压电路、系统级芯片、嵌入式及其他存储器,硅基液晶和影像感测器等。

上海宏力（GSMC）：

宏力于2000年11月18日奠基，一期项目总投资为16.3亿美元，目前已建成两座12吋规格的厂房，其中一厂A线（8吋线）已投入生产，预计2004年下半年月生产能力可达27,000片八吋硅片，技术水平将达0.13微米。

和舰科技（HJTC）:

和舰于2001年11月斥资15亿美元建立，坐落于风景优美、驰名中外的“人间天堂”-苏州工业园区，占地1.3平方公里，是一家具有雄厚外资，制造尖端集成电路的一流晶圆专工企业。

测试,测试不同于设计过程中的验证；测试指工艺过程中或封装后进行的电学参数测量。

硅片测试是为了检验规格的一致性而在硅片级集成电路上进行的电学参数测量。

硅片测试的目的是检验可接受的电学性能。

装配和封装,装配和封装过程是取出性能良好的器件，将他们放入管壳，用引线将器件上的压点与管壳上的电极互相连接起来。

封装为芯片提供一种保护并将它粘贴到更高级装配板上的措施。

封装形式,集成电路的分类按器件结构类型分类,双极集成电路：

主要由双极晶体管构成NPN型双极集成电路PNP型双极集成电路优点是速度高、驱动能力强，缺点是功耗较大、集成度较低。

金属-氧化物-半导体（MOS）集成电路：

主要由MOS晶体管构成NMOSPMOSCMOS（互补MOS）功耗低、集成度高，随着特征尺寸的缩小，速度也可以很高。

双极-MOS（BiMOS）集成电路：

同时包括双极和MOS晶体管的集成电路为BiMOS集成电路，综合了双极和MOS器件两者的优点，但制作工艺复杂。

按集成电路规模分类,集成度：

每块集成电路芯片中包含的元器件数目。

小规模集成电路（SmallScaleIC，SSI）中规模集成电路（MediumScaleIC，MSI）大规模集成电路（LargeScaleIC，LSI）超大规模集成电路（VeryLargeScaleIC，VLSI）特大规模集成电路（UltraLargeScaleIC，ULSI）巨大规模集成电路（GiganticScaleIC，GSI）,按电路功能分类,数字集成电路（DigitalIC）：

它是指处理数字信号的集成电路，即采用二进制方式进行数字计算和逻辑函数运算的一类集成电路。

模拟集成电路（AnalogIC）：

它是指处理模拟信号（连续变化的信号）的集成电路。

线性集成电路：

又叫做放大集成电路，如运算放大器、电压比较器、跟随器等。

非线性集成电路：

如振荡器、定时器等电路。

数模混合集成电路（Digital-AnalogIC）：

例如数模（D/A）转换器和模数（A/D）转换器等。

技术趋势,自从进入微电子时代之后，