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第1篇 概论1

第1章 信息功能材料在信息技术中的战略地位3

第2章 信息功能材料的发展现状和趋势4

1 半导体硅材料4

1.1 硅材料的发展现状4

1.2 发展趋势4

1.3 我国硅材料的发展现状与趋势5

1.4 半导体集成电路的发展——从晶体管到集成电路简述6

1.5 微纳米加工技术简介6

2 硅基异质结构材料7

2.1 GeSi/Si材料7

2.2 硅基Ⅲ～Ⅴ族材料8

2.3 硅基发光材料8

2.4 硅基激光器研究取得重要进展8

2.5 硅基氮化镓发光材料和器件8

3 GaAs和InP基Ⅲ～Ⅴ族化合物半导体材料8

3.1 GaAs和InP单晶材料9

3.2 GaAs和InP基超晶格、量子阱材料与器件9

3.3 一维量子线、零维量子点材料13

4 宽带隙半导体材料15

4.1 GaN基异质外延材料15

4.2 碳化硅（SiC）和氧化锌（ZnO）材料15

4.3 单晶金刚石薄膜研究进展15

4.4 宽带隙半导体材料研究存在的问题16

5 光纤和光纤传感材料16

5.1 通信光纤的发展历史和应用现状16

5.2 光纤通信技术的发展趋势16

5.3 我国光纤产业的发展现状17

5.4 光纤传感技术的发展现状与趋势18

6 信息存储材料和器件18

6.1 信息存储材料与器件的发展现状18

6.2 信息存储材料的发展趋势19

7 发光与显示材料与技术20

7.1 发光材料20

7.2 显示材料与技术20

8 信息获取相关材料与器件21

8.1 探测器材料与器件21

8.2 半导体传感器材料的发展现状与趋势22

9 全固态激光材料和器件23

10 光子晶体和左手材料23

10.1 光子晶体的研究现状与发展趋势23

10.2 左手材料的研究现状与发展趋势24

11 超导电子学器件和量子信息材料24

11.1 超导材料与超导电子学器件的应用简介24

11.2 固态量子比特构筑和量子信息25

12 我国信息功能材料的研究现状和发展趋势26

12.1 我国信息功能材料的研究现状26

12.2 信息功能材料与技术的发展趋势27

参考文献28

第2篇 半导体硅材料29

第1章 概述31

1 硅材料的研究和应用31

1.1 硅材料的研究和开发31

1.2 集成电路用硅单晶32

1.3 太阳电池用硅材料32

1.4 光电子用硅材料33

2 硅材料的晶体结构34

3 硅材料的基本性质36

3.1 硅材料的基本物理性质36

3.2 硅材料的基本化学性质36

3.3 硅材料的电学性质37

第2章 硅单晶的制备39

1 高纯多晶硅的制备39

1.1 冶金级硅的制备39

1.2 SIMENS方法（SiHCL3法）制造多晶硅40

1.3 ASiMi方法（SiH4法）制造多晶硅40

1.4 粒状多晶硅的制造技术41

2 单晶硅的生长41

2.1 硅单晶的区熔生长41

2.2 硅单晶的直拉生长42

3 硅的外延生长51

3.1 外延的化学反应52

3.2 掺杂53

3.3 外延工艺过程53

3.4 自掺杂54

3.5 缺陷的产生和消除54

3.6 图形漂移和变形54

3.7 外延沉积设备55

3.8 低温硅外延55

4 绝缘体上的硅（SOI）57

4.1 SIMOX工艺57

4.2 智能剥离工艺（Smart CutTM process）58

4.3 智能剥离工艺的改良59

4.4 应变SOI结构59

第3章 硅晶体的力学性能60

1 单晶硅的力学及传热学常数60

2 硅单晶的断裂61

2.1 硅单晶的晶向对断裂的影响61

2.2 样品形貌对断裂的影响62

2.3 杂质对硅单晶断裂的影响62

3 硅单晶的塑性变形63

3.1 硅单晶的脆塑转变63

3.2 硅单晶的塑性变形63

3.3 掺杂效应65

4 器件工艺中的热应力及硅片翘曲66

4.1 硅片热应力分布的影响因素66

4.2 硅片热处理中的热应力分布67

第4章 硅晶体表面性质69

1 硅晶体的表面69

2 硅的表面态及表面原子结构71

2.1 硅的表面态71

2.2 硅的表面原子结构71

3 硅／二氧化硅的界面性质73

4 硅的表面钝化73

4.1 二氧化硅74

4.2 氮化硅74

4.3 氧化铝75

4.4 非晶硅钝化工艺75

4.5 氢钝化75

第5章 硅晶体的腐蚀76

1 单晶硅的各向异性腐蚀76

1.1 KOH系76

1.2 TWAH系77

1.3 EDP系77

1.4 单晶硅各向异性腐蚀的原因78

2 单晶硅的各向同性腐蚀78

3 硅单晶缺陷的腐蚀和显示78

4 硅单晶的干法腐蚀79

4.1 纯气相腐蚀法79

4.2 溅射刻蚀法和离子束铣蚀法80

4.3 化学等离子刻蚀法和反应离子刻蚀法80

4.4 反应离子束法84

4.5 激光辅助刻蚀法84

第6章 硅晶片的加工工艺86

1 切断和滚圆86

2 切片和倒角87

3 研磨和腐蚀88

4 硅片的抛光89

5 硅片的化学清洗90

5.1 硅片的沾污来源及沾污类型90

5.2 硅片的清洗原则90

5.3 硅片的清洗工艺90

6 检验包装91

第7章 硅单晶的缺陷93

1 硅单晶中的点缺陷93

1.1 点缺陷的基本性质93

1.2 点缺陷在硅晶体生长过程中的运动93

2 硅单晶中的原生缺陷94

2.1 原生缺陷的类型94

2.2 空洞型缺陷的形成95

2.3 Void的控制97

3 硅单晶中的位错97

4 硅单晶的氧化诱生层错98

4.1 OSF的形成机制和长大规律98

4.2 OSF的收缩99

4.3 OSF的形貌99

4.4 环状OSF100

5 硅单晶的工艺诱生缺陷100

5.1 热应力引入的位错100

5.2 机械损伤引入的位错100

6 硅单晶的辐照缺陷101

第8章 硅单晶中的轻元素杂质103

1 硅单晶中的氧杂质103

1.1 硅单晶中氧的基本性质103

1.2 硅单晶中氧浓度的控制105

1.3 硅单晶中的氧施主105

1.4 硅单晶中的氧沉淀106

1.5 硅晶体的内吸杂工艺108

2 硅单晶中的碳杂质109

2.1 硅单晶中碳的基本性质109

2.2 硅单晶中碳对氧沉淀和氧施主的作用110

3 硅单晶中的氮杂质111

3.1 硅单晶中氮的基本性质111

3.2 硅单晶中氮对微缺陷的作用112

3.3 硅单晶中氮对机械强度的作用112

3.4 硅单晶中氮对氧沉淀、氧施主和内吸杂的作用113

3.5 硅单晶中氮－氧复合体113

4 硅单晶中的氢杂质114

4.1 硅单晶中氢的基本性质114

4.2 硅单晶中氢和氧的作用114

4.3 硅单晶中氢对电活性缺陷的钝化作用115

第9章 硅单晶中的过渡族金属杂质和吸杂116

1 过渡族金属在硅中的固溶度116

2 过渡族金属在硅中的扩散117

3 金属复合体118

4 金属沉淀118

5 硅中过渡族金属对材料电学性能的影响120

6 硅中过渡族金属的吸杂原理122

6.1 松弛吸杂机理122

6.2 分凝吸杂机理122

7 硅中过渡族金属的吸杂工艺122

7.1 内吸杂工艺122

7.2 外吸杂工艺122

7.3 短程吸杂123

第10章 其他硅材料124

1 铸造多晶硅124

1.1 铸造多晶硅的研究和开发124

1.2 铸造多晶硅的制备124

1.3 铸造多晶硅的缺陷和杂质127

2 非晶硅薄膜130

2.1 非晶硅薄膜的研究和开发130

2.2 非晶硅薄膜的基本性质131

2.3 非晶硅薄膜的制备131

2.4 非晶硅薄膜的缺陷及钝化132

3 多晶硅薄膜132

3.1 多晶硅薄膜的特点132

3.2 多晶硅薄膜的制备133

第11章 硅材料的发光136

1 硅材料的光学特性136

2 硅单晶中复合与发光137

3 硅中等电子中心和稀土铒的发光138

3.1 硅中等电子杂质（复合体）的发光138

3.2 稀土铒的发光139

4 硅中的缺陷发光140

5 多孔硅的发光141

5.1 多孔硅的制备141

5.2 多孔硅光致发光机理142

5.3 热处理对多孔硅发光特性的影响142

5.4 多孔硅及其复合体系的发光特性142

6 纳米硅的发光143

6.1 纳米晶硅嵌入SiO2结构的制备144

6.2 纳米晶硅嵌入SiO2结构发光机理144

6.3 纳米晶硅嵌入SiO2结构的光致发光及其光增益144

参考文献146

第3篇 集成电路制造技术149

第1章 集成电路设计技术151

1 集成电路设计技术概述151

1.1 集成电路设计151

1.2 集成电路设计的发展历程151

1.3 集成电路设计的分类151

1.4 集成电路设计的方法学152

2 CMOS数字集成电路设计技术152

2.1 CMOS基本数字单元152

2.2 CMOS数字集成电路设计流程155

2.3 硬件描述语言155

2.4 CMOS数字集成电路的版图设计156

3 CMOS模拟集成设计技术157

3.1 基本CMOS模拟电路157

3.2 模拟电路设计流程158

4 IP及SOC设计158

4.1 SOC系统集成芯片158

4.2 SOC芯片的设计模式158

4.3 SOC芯片设计的技术优势159

4.4 IP知识产权模块159

4.5 基于IP的SOC芯片设计160

4.6 IP模块连接与芯片总线160

4.7 芯片的验证与测试161

4.8 SOC设计展望161

5 集成电路设计的发展趋势161

5.1 SOC（system on Chip）和SIP（System in package）161

5.2 C/C＋＋等高级语言引入到IC系统级设计161

5.3 混合信号系统设计162

第2章 微细加工技术163

1 光学曝光技术163

1.1 接触式曝光技术和接近式曝光技术163

1.2 光学投影成像曝光技术163

1.3 193 nm光刻技术164

1.4 光掩模制造技术165

2 电子束曝光技术166

2.1 电子束曝光系统概述166

2.2 电子束曝光系统的基本结构167

2.3 电子散射与邻近效应167

2.4 电子束曝光技术的最新进展169

3 极紫外光刻技术169

3.1 极紫外光刻技术的光源170

3.2 极紫外光刻技术的成像系统170

3.3 极紫外光刻技术的光刻掩模171

3.4 极紫外光刻技术展望171

4 刻蚀技术171

4.1 湿法腐蚀技术171

4.2 干法刻蚀技术171

4.3 反应离子刻蚀172

4.4 感应耦合等离子刻蚀技术172

5 其他微细加工技术173

5.1 聚焦离子束技术173

5.2 压印图形转移技术175

6 微细加工技术面临的挑战176

第3章 集成电路工艺技术177

1 集成电路生产环境净化技术177

1.1 沾污的类型177

1.2 沾污的来源与控制177

2 化学清洗技术178

2.1 沾污杂质的种类178

2.2 硅片清洗的顺序178

2.3 有机溶剂的去污作用178

2.4 无机试剂的去污作用178

2.5 湿法清洗设备179

3 氧化和热处理技术179

3.1 二氧化硅的结构及性质179

3.2 硅的热氧化180

3.3 热处理181

3.4 高温系统182

4 掺杂技术183

4.1 扩散技术184

4.2 离子注入技术185

5 薄膜淀积技术187

5.1 薄膜特性187

5.2 膜淀积技术188

5.3 外延191

6 金属化技术192

6.1 金属类型192

6.2 金属淀积系统194

第4章 CMOS器件及电路制造技术196

1 MOS器件的物理基础196

1.1 MOSFET的基本结构、工作原理及基本类型196

1.2 MOSFET的特性和基本参数198

1.3 CMOS器件中的短沟道效应及其他寄生效应202

1.4 MOSFET器件尺寸的等比例缩小规律204

1.5 常规MOSFET的设计原则205

2 现代深亚微米和超深亚微米CMOS器件结构以及器件物理207

2.1 早期的CMOS器件结构207

2.2 现代CMOS器件结构207

2.3 体硅CMOS器件中的闩锁效应208

2.4 CMOS器件进一步缩小面临的挑战和机遇209

3 CMOS集成电路典型的工艺模块211

3.1 阱工艺结构211

3.2 薄栅氧化211

3.3 非均匀沟道掺杂211

3.4 栅电极材料211

3.5 源漏工程与浅结形成212

3.6 难熔金属自对准硅化物212

4 CMOS电路的工艺集成213

4.1 CMOS工艺集成技术的类型213

4.2 深亚微米CMOS工艺流程213

4.3 MOS存储器技术214

5 CMOS集成技术的发展214

第5章 双极型器件及电路制造技术216

1 双极型半导体器件的结构和物理216

1.1 双极型半导体器件的性质216

1.2 晶体三极管的伏安特性曲线217

1.3 pn结二极管220

1.4 NPN高频双极晶体管220

1.5 模拟集成电路中的PNP管220

1.6 集成电路中的无源器件220

1.7 双极集成电路中的基本电路221

2 双极集成电路制造技术223

2.1 pn结隔离的NPN器件结构223

2.2 埋层和外延层的设计和制备223

2.3 基区和发射区的形成224

2.4 工艺集成224

3 先进的双极集成电路制造技术224

3.1 沟槽介质隔离224

3.2 多晶硅发射极工艺技术225

3.3 双层多晶硅自对准工艺226

3.4 多晶硅的原位掺杂技术226

3.5 异质结双极晶体管（HBT）226

4 BiCMOS集成电路227

4.1 BiCMOS集成电路介绍227

4.2 BiCMOS集成电路的制造工艺技术228

4.3 BiCMOS集成技术在数模混合电路和系统集成中的应用230

5 双极技术的展望231

第6章 半导体功率器件及电路232

1 巨型晶体管（GTR）233

1.1 功率晶体管（单管）GTR233

1.2 达林顿晶体管233

1.3 GTR的设计234

1.4 GTR的终端结构设计235

2 功率场效应晶体管235

2.1 VDMOS的基本结构235

2.2 VDMOS的基本工作原理236

2.3 VDMOS的主要参数236

2.4 VDMOS的设计236

3 绝缘栅双极晶体管（IGBT）238

3.1 IGBT的主要工作原理238

3.2 IGBT的基本结构238

3.3 IGBT的开关特性238

3.4 IGBT的闩锁效应239

3.5 IGBT的设计239

4 其他功率器件240

4.1 UMOS240

4.2 LDMOS240

4.3 静电感应晶体管（SIT）241

4.4 功率集成技术242

4.5 VDMOS、IGBT的新发展243

第7章 化合物半导体器件和电路244

1 化合物半导体器件结构和器件物理244

1.1 GaAs MKSFET244

1.2 GaAs HEMT245

1.3 GaAs HBT246

1.4 无源器件249

2 化合物半导体工艺技术250

2.1 刻蚀技术250

2.2 隔离方法251

2.3 欧姆接触251

2.4 肖特基势垒252

2.5 金属化和剥离工艺252

2.6 空气桥与接地253

2.7 背面减薄254

3 GaAs集成电路255

3.1 MMIC简要介绍255

3.2 实用电路举例255

4 先进的化合物半导体器件258

4.1 InP基器件258

4.2 GaN电子器件的原理和发展趋势259

4.3 SiC电子器件的原理和发展趋势259

第8章 集成电路的封装技术261

1 集成电路封装的发展历程及趋势261

2 传统的集成电路封装技术262

2.1 常用的封装类型及应用范围262

2.2 引线键合是关键264

2.3 质量稳定可靠的秘诀264

2.4 环境与静电对集成电路封装过程的影响265

3 倒装焊技术266

3.1 倒装焊技术的特点和优势266

3.2 倒装焊技术的分类267

3.3 倒装芯片的焊接方式269

3.4 倒装焊工艺的芯片填充技术270

3.5 焊点的质量检验及相应指标270

4 新型电子封装技术270

4.1 多芯片模块的组装技术（MCM）271

4.2 MCM-C的主要制作工艺和技术271

4.3 三维立体（3D）封装272

4.4 系统级封装（SIP）272

参考文献274

第4篇 硅基异质结构材料和器件277

第1章 概述279

1 信息社会呼唤新的半导体材料279

2 硅基异质结材料——第二代硅280

3 硅基异质材料和器件的发展趋势281

第2章 SiGe的晶体结构284

1 晶体结构284

2 晶格常数284

3 SiGe合金的相图285

4 Sil-x Gex合金的有序性286

5 晶格失配和SiGe的临界厚度286

6 Sil-x Gex/Si系的失配位错287

7 结论289

第3章 SiGe的能带结构290

1 Si和Ge的能带结构290

2 SiGe体材料的能带结构291

3 应变对Sil-x Gex能带结构的影响292

4 应变SiGe合金的能带结构294

5 SiGe异质结的能带偏移294

6 SiGe的有效质量296

7 结论296

第4章 SiGe的力学性质、热学性质和Raman光谱297

1 SiGe的力学性质297

2 SiGe的热力学性质297

2.1 SiGe的线胀系数297

2.2 SiGe的热导率298

3 SiGe的温差电动势特性：塞贝尔参数299

4 SiGe的Raman光谱299

5 结论300

第5章 SiGe的电学性质和磁学性质302

1 SiGe的电子迁移率和空穴迁移率302

1.1 Si和Ge体材料的载流子迁移率302

1.2 SiGe合金的迁移率303

2 SiGe/Si和SiGe/Ge中的二维载流子303

3 SiGe/Si异质结中的载流子注入304

3.1 Si/SiGe同型异质结中的载流子注入模型305

3.2 异型异质结中的载流子注入模型306

4 SiGe/Si结构的磁学特性307

4.1 SdH（Shubnikov de Haas，舒布尼科夫—德哈斯）效应和量子霍尔效应307

4.2 二维电子气307

4.3 二维空穴气308

4.4 分数量子霍尔效应308

5 结论309

第6章 SiGe的光学性质310

1 SiGe的折射率310

2 SiGe的吸收系数311

3 SiGe的光荧光光谱311

4 弛豫SiGe合金的物理参数312

5 结论316

第7章 SiGe（001）的原子再构和表面性质317

1 SiGe（001）表面的原子再构和键合构形317

2 Si和Ge（001）面上的原子台阶318

2.1 准确定向的Si（001）表面的台阶319

2.2 倾斜角度大的（4°）Si（001）表面上的台阶319

2.3 小角（0.3°～1°）倾斜Si（001）表面上的台阶319

3 SiGe层生长过程中Ge和掺杂原子的分凝319

3.1 Si上Ge的表面分凝320

3.2 掺杂剂在Sil-x Gex外延层中的分凝321

3.3 Sb在Sil-x Gex上的分凝321

3.4 B在Sil-x Gex上的分凝321

4 SiGe外延生长的表面抑制剂322

4.1 氢322

4.2 锑322

4.3 铍322

4.4 镓322

4.5 锡322

5 结论322

第8章 SiGeC/Si异质结323

1 SiGeC的应变补偿323

2 SiGeC的能带图324

3 SiGeC的电学性质326

3.1 SGeC的空穴输运特性326

3.2 SiC结构的电子输运特性327

4 SiGeC的光学性质327

5 SiGeC的应用与发展趋势328

6 结语329

第9章 硅基Ⅲ—Ⅴ族半导体异质结构331

1 硅与Ⅲ－Ⅴ族材料的结构差异331

1.1 硅结构331

1.2 Ⅲ－Ⅴ族材料结构331

2 外延生长的硅基Ⅲ－Ⅴ族异质结构332

2.1 外延生长难点332

2.2 大失配异质结构中的位错333

2.3 硅基闪锌矿异质外延生长难点的几种应对方法334

2.4 硅基钎锌矿异质结构336

3 键合制备的硅基Ⅲ－Ⅴ族异质结构339

3.1 制备方法及其难点339

3.2 键合的硅基砷化镓（GaAs/Si）340

3.3 键合的硅基氮化镓（GaN/Si）340

3.4 键合的硅基磷化铟（InP/Si）341

4 硅基Ⅲ－Ⅴ族异质结构的展望341

第10章 SOI材料和器件342

1 SOI的制备方法343

1.1 键合－背面腐蚀技术343

1.2 注入氧分离技术343

1.3 智能剥离技术344

2 SOI的电学和光学性质345

2.1 SOI材料的表征技术345

2.2 SOI材料的晶体质量345

2.3 SOI材料的载流子寿命和表面复合346

2.4 SOI材料的Si-SiO2界面347

3 SOI的应用与发展趋势347

3.1 SOI CMOS技术347

3.2 SOI CMOS与体硅CMOS设计的比较348

3.3 SOI CMOS与体硅CMOS器件电容的比较349

3.4 SOI MOSFET技术349

3.5 SOI MOSFET设计350

3.6 新型SOI器件350

4 SOI技术的发展趋势353

第11章 硅基二氧化硅材料354

1 生长机制及动力学354

2 制备方法与系统356

2.1 预氧化清洗356

2.2 干法、湿法和HCI干法氧化356

2.3 高压氧化356

2.4 等离子氧化356

3 氧化膜的特性357

3.1 二氧化硅的掩蔽特性357

3.2 氧化电荷357

3.3 氧化应力357

4 Si-SiO2界面357

4.1 Si和SiO2的物理性质358

4.2 Si-SiO2界面态研究成果358

4.3 Si-SiO2界面态的理论计算模型358

5 多晶硅氧化359

5.1 多晶硅的氧化方法359

5.2 多晶硅的氧化模型360

5.3 多晶硅的氧化特性360

6 硅基二氧化硅光波导材料360

6.1 硅基二氧化硅光波导材料的生长方法和机制361

6.2 二氧化硅膜折射率及厚度的测试361

6.3 二氧化硅厚膜的刻蚀362

第12章 Si基异质结构的外延生长363

1 SiGe/Si异质结构材料的生长设备和方法363

2 外延衬底材料的清洁处理364

3 应变SiGe材料的生长365

4 SiGe弛豫衬底的生长365

5 自组装Ge量子点的生长366

5.1 Ge量子点的形貌演化367

5.2 Ge量子点尺寸的控制和密度的提高367

5.3 Ge量子点的有序性控制368

第13章 Si基异质结构电子器件371

1 SiGe/Si HBT的基本原理371

2 SiGe HBT的制造工艺371

2.1 两种典型的HBT结构372

2.2 SiGe HBT的制作工艺372

2.3 与工艺相关的寄生效应373

3 SiGe HBT的特性374

3.1 SiGe HBT的直流特性374

3.2 SiGe HBT的交流特性375

3.3 SiGe HBT的噪声特性376

4 SiGe HBT的应用376

4.1 低噪声放大器（LNA）377

4.2 SiGe功率放大器（PA）377

4.3 电压控制振荡器（VCO）377

4.4 集成电路中高Q值的无源器件378

5 其他硅基电子器件378

5.1 Si/SiGe调制掺杂场效应晶体管（Si/SiGe MODFET）378

5.2 Si基MOS器件379

5.3 各种晶体管噪声的比较381

第14章 硅基光电子器件383

1 硅基发光器件383

1.1 硅基发光二极管384

1.2 硅基激光器384

2 硅基光电探测器385

2.1 SiGe/Si MQWs RCE光电探测器385

2.2 Ge量子点光电探测器386

3 硅基光波导器件386

3.1 硅基光波导材料387

3.2 SOI光波导387

3.3 MMI和光波导耦合器387

3.4 SOI CMOS高速光调制器388

3.5 SOI光波导开关388

3.6 阵列波导光栅（AWG）390

4 硅基光电子集成390

5 结束语390

参考文献392

第5篇 化合物半导体材料393

第1章 CaAs和InP的结构和性质397

1 GaAs的晶体结构和性质397

1.1 晶体结构397

1.2 能带结构397

1.3 电学性质398

1.4 高场强下的输运性质399

1.5 复合特性400

1.6 光学特性401

1.7 热力学性质402

1.8 力学性质403

1.9 GaAs的化学性质404

2 磷化铟的基本属性404

2.1 InP的晶格结构404

2.2 磷化铟的能带结构405

2.3 InP的电学性质406

2.4 高电场下的输运性质407

2.5 InP的电离效应408

2.6 InP的复合参量408

2.7 InP的光学性质408

2.8 InP的力学性质409

2.9 InP的热学性质409

2.10 InP的热力学性质410

2.11 化学性质411

第2章 GaAs和InP单晶的制备413

1 晶体生长基本原理413

2 晶体生长技术413

3 工艺流程415

3.1 多晶合成415

3.2 单晶生长工艺416

3.3 退火处理418

3.4 大直径晶体的发展418

4 晶片加工418

第3章 GaAs和InP中的杂质和缺陷421

1 杂质421

1.1 GaAs和InP中浅杂质的性质421

1.2 GaAs和InP中杂质的分凝和溶解422

1.3 GaAs中的深能级杂质422

1.4 InP中的深能级杂质423

1.5 过渡族金属杂质的光学性质424

1.6 GaAs中氢－杂质复合体的振动模式425

1.7 GaAs中独立杂质的振动模式426

1.8 GaAs中替位杂质复合体的振动模式426

1.9 InP中的杂质及杂质复合体的振动模式427

1.10 杂质的扩散427

1.11 GaAs中杂质的扩散427

2 缺陷428

2.1 点缺陷428

2.2 线缺陷430

2.3 面缺陷431

2.4 沉淀物432

第4章 GaAs和InP的测试表征435

1 结构参数的测试表征435

1.1 X射线的衍射及形貌435

1.2 化学腐蚀坑密度（EPD）436

1.3 二次离子质谱（SIMS）438

1.4 透射电子显微镜（TEM）439

1.5 红外吸收440

1.6 喇曼（Raman）谱441

1.7 电感耦合等离子体质谱／光谱（ICP-MASS/AES）443

1.8 正电子湮灭（PAT）445

2 电学参数的测试表征446

2.1 Hall测试446

2.2 深能级瞬态谱448

2.3 电子回旋共振448

3 光学特征的测试表征449

第5章 GaAs和InP的应用451

1 微电子应用451

1.1 金属半导体场效应晶体管452

1.2 高电子迁移率晶体管（HEMT）454

1.3 异质结双极晶体管457

1.4 微波二极管461

1.5 其它器件463

2 光电子应用463

2.1 LED（发光二极管）463

2.2 LD（激光器）465

2.3 OEIC466

2.4 光伏器件466

2.5 光探测器／光电开关467

2.6 InP基激光器和探测器467

3 其他应用468

第6章 其他常见化合物半导体材料471

1 GaP471

2 GaSb472

3 砷化铟（InAs）和锑化铟（InSb）472

4 硫化铅（PbS）和硒化铅（PbSe）473

5 Ⅱ－Ⅵ族半导体材料474

6 其他材料（InGaAs、AlGaAs、InAlAs、InGaP等）476

参考文献477

第6篇 宽带隙半导体及其应用479

第1章 概述481

1 宽带隙半导体材料的类型481

2 宽带隙半导体材料的发展概况481

3 宽带隙半导体材料的特点482

3.1 压电性与极化效应482

3.2 高热导率483

3.3 小介电常数483

3.4 极高临界击穿电场483

3.5 耐高温、抗辐照483

3.6 大激子束缚能483

3.7 巨大能带偏移（Band offset）483

4 宽带隙半导体材料的技术应用483

4.1 短波长发光器件483

4.2 高温、高功率、高频电子器件484

4.3 探测器485

4.4 正在探索中的新技术应用领域485

5 宽带隙半导体材料面临的几个科学技术问题486

5.1 缺乏实用性的体单晶材料486

5.2 高缺陷密度486

5.3 化学比的偏离与掺杂的不对称性486

第2章 Ⅲ族氮化物半导体材料487

1 Ⅲ族氮化物半导体材料的晶体结构487

1.1 Ⅲ族氮化物半导体材料的晶体结构487

1.2 不同氮化物的晶体结构和基本物理性质488

2 宽带隙化合物半导体材料的制备技术493

2.1 分子束外延494

2.2 金属有机化学气相外延497

2.3 氢化物输运气相外延499

3 Ⅲ－Ⅴ－N化合物半导体503

3.1 GaN、GaP和GaAs的基本物理参数503

3.2 Ⅲ－Ⅴ－N化合物半导体的能带弯曲503

3.3 Ⅲ－Ⅴ－N化合物半导体的微结构性质503

3.4 Ⅲ－Ⅴ－N化合物半导体的光学性质505

4 氮化铟半导体材料505

4.1 InN材料的重要性质506

4.2 InN材料的研究历史和进展507

4.3 InN材料的生长507

4.4 InN的衬底和缓冲层509

4.5 InN的晶体结构和化学性质510

4.6 InN的电学性质511

4.7 InN的光学性质512

4.8 InN基器件的研究进展513

4.9 总结513

5 Ⅲ族氮化物半导体材料的杂质与缺陷514

5.1 本征缺陷514

5.2 非本征缺陷和掺杂516

5.3 CaN中的氢和氢复合体517

5.4 其他缺陷518

5.5 展望519

第3章 Ⅲ族氮化物半导体的基本物理性质520

1 Ⅲ族氮化物半导体的电子能带结构520

1.1 Ⅲ族氮化物半导体电子能带结构的计算520

1.2 Ⅲ族氮化物的电子能带结构521

2 Ⅲ族氮化物半导体的自发极化与压电极化523

2.1 自发极化524

2.2 压电极化524

2.3 Ⅲ族氮化物异质结构中的自发极化与压电极化524

3 Ⅲ族氮化物半导体的光学性质525

3.1 基本光学函数525

3.2 高于带隙能的光学性质526

3.3 靠近带边的光学性质（激子效应）526

3.4 低于带隙能的光学性质（折射率）528

3.5 缺陷相关的光学性质528

4 Ⅲ族氮化物半导体异质结构与量子结构529

4.1 异质结构能带及电子能态529

4.2 异质结构中的二维电子气530

4.3 量子阱和量子点531

5 低维Ⅲ族氮化物半导体输运性质533

5.1 Alx Gal-x N/GaN异质结构的经典输运性质533

5.2 Alx Gal-x N/GaN异质结构的量子输运性质535

第4章 Ⅲ族氮化物半导体器件的应用537

1 Ⅲ族氮化物半导体光发射器件（LED）537

1.1 LED的基本工作原理与性能参数537

1.2 GaN基LED材料的生长、结构及器件工艺537

1.3 GaN基LED的发展展望542

2 Ⅲ族氮化物半导体激光器（LD）542

2.1 Ⅲ族氮化物半导体激光器的物理基础542

2.2 条形Ⅲ族氮化物半导体激光器和大功率激光器545

2.3 分布反馈（DFB/DBR）Ⅲ族氮化物半导体激光器547

2.4 垂直腔面发射Ⅲ族氮化物半导体激光器547

2.5 其他类型的Ⅲ族氮化物半导体激光器548

3 Ⅲ族氮化物半导体光电探测器549

3.1 Ⅲ族氮化物紫外光电探测器的应用背景和发展概况549

3.2 紫外光电探测器的基本工作原理和主要性能参数550

3.3 Ⅲ族氮化物光导型探测器551

3.4 Ⅲ族氮化物肖特基势垒光电二极管和M—S—M型探测器551

3.5 Ⅲ族氮化物p-i-n型光电二极管552

3.6 Ⅲ族氮化物其他类型的探测器和焦平面阵列553

4 Ⅲ族氮化物半导体电子器件555

4.1 Ⅲ族氮化物半导体应用于电子器件的优势555

4.2 主要的Ⅲ族氮化物电子器件556

4.3 Ⅲ族氮化物电子器件发展面临的主要材料、物理和器件问题558

第5章 氧化锌（ZnO）半导体560

1 ZnO材料的结构与性质560

1.1 ZnO的基本结构560

1.2 ZnO的化学配比与本征物性560

1.3 ZnO半导体单晶体材料的制备561

2 ZnO半导体薄膜的制备561

2.1 ZnO薄膜的制备方法561

2.2 晶态ZnO薄膜的生长技术563

2.3 ZnO薄膜的制备方法与生长技术比较563

3 ZnO半导体的物理性质564

3.1 ZnO半导体中的掺杂与电学性质564

3.2 ZnO的光学性质566

3.3 ZnO的压电性质568

3.4 ZnO的合金性质与能带工程568

4 ZnO半导体技术的应用569

4.1 技术应用范围569

4.2 ZnO的器件工艺570

4.3 ZnO光电器件570

4.4 气体传感器571

4.5 压敏器件572

4.6 表面声波器件（SAW）572

第6章 碳化硅半导体574

1 SiC半导体材料的结构与特性574

1.1 晶体结构与多形体574

1.2 禁带宽度及其器件应用576

1.3 临界电场与高击穿电压576

1.4 饱和漂移速度及高频优势576

1.5 高热导率及大功率优势576

1.6 力学性能和化学性质576

1.7 器件性能的评价——品质因子576

2 SiC半导体晶体的制备576

2.1 SiC相图与SiC液相的生长576

2.2 Lely法生长SiC单晶577

2.3 改进的Lely法578

3 SiC半导体薄膜的制备581

3.1 SiC的气相外延生长581

3.2 近年来SiC气相外延生长工艺的改进582

3.3 新一代热壁化学气相外延反应装置585

3.4 SiC液相的外延生长586

4 SiC的物理性质587

4.1 SiC的基本物理性质587

4.2 SiC的光学性质590

4.3 Sic的载流子性质和能带结构593

4.4 SiC中的能级596

5 SiC半导体技术的应用597

5.1 SiC p-n结、肖特基接触、欧姆接触597

5.2 SiC FETs597

5.3 SiC双极型晶体管、负阻管、晶闸管597

5.4 功率微波器件597

5.5 紫外光电二极管597

5.6 集成电路597

5.7 有关SiC器件的一些应用598

第7章 金刚石半导体600

1 金刚石半导体材料的结构与特性600

1.1 金刚石结构600

1.2 类金刚石材料的相结构601

2 金刚石材料的制备602

2.1 微波等离子体法603

2.2 等离子体喷射法604

2.3 热丝法604

2.4 其他CVD方法605

3 金刚石半导体薄膜的制备与掺杂607

3.1 在各种衬底上的异质外延和高取向金刚石膜607

3.2 选择生长和表面形貌609

3.3 金刚石薄膜的掺杂610

4 金刚石半导体的基本物理性质613

4.1 异质外延金刚石膜的电学性质614

4.2 金刚石的欧姆接触614

5 金刚石半导体技术的应用615

5.1 金刚石p-n结二极管615

5.2 肖特基二极管615

5.3 场效应晶体管617

5.4 金刚石薄膜紫外光探测器618

第8章 Ⅲ－Ⅵ族化合物半导体619

1 Ⅱ－Ⅵ族化合物半导体材料的制备619

1.1 MOCVD法制备Ⅱ－Ⅵ族化合物619

1.2 Ⅱ－Ⅵ族化合物的衬底选择以及其他生长技术620

1.3 Ⅱ－Ⅵ族化合物的掺杂620

2 Ⅱ－Ⅵ族化合物的半导性质622

2.1 Ⅱ－Ⅵ族化合物的晶体结构性质622

2.2 Ⅱ－Ⅵ族化合物能带结构性质622

2.3 Ⅱ－Ⅵ族化合物的光学性质623

2.4 Ⅱ－Ⅵ族化合物的补偿效应625

3 ZnSe基化合物半导体的异质结构625

4 ZnSe基化合物半导体技术的应用627

4.1 ZnSe基蓝绿光发光二极管627

4.2 ZnSe基白光二极管627

4.3 ZnSe基激光二极管627

4.4 n－型和p－型ZnSe的欧姆接触627

4.5 Ⅱ－Ⅵ族材料在太阳能电池和探测器等方面的应用628

第9章 宽禁带稀释磁性半导体材料629

1 稀磁半导体的磁性机制630

2 稀释磁性半导体材料的制备631

2.1 分子束外延631

2.2 离子注入632

2.3 氢化物气相外延632

2.4 溶胶－凝胶633

3 Ⅲ－Ⅴ族稀释磁性半导体材料的磁性质634

3.1 （Ga,Mn）P634

3.2 （Ga,Mn）N634

4 ZnO基稀释磁性半导体635

参考文献637