硅技术的发展和未来PDF电子书下载

1导论：各种形式的硅 1

1.1引言 1

1.2从20世纪60年代到70年代初：能带 2

1.3.20世纪70年代：应用于硅的表面理论 6

1.4 20世纪80年代：硅的结构能 8

1.5 20世纪90年代：硅团簇与量子点的结构和电子性质 12

1.6未来展望 15

参考文献 16

第一部分 半导体体硅晶体 21

2硅：半导体材料 21

2.1引言 21

2.2早期历史 22

2.3硅研究中的竞争与合作 24

2.4最初的器件应用 29

2.5 MOS技术和集成 30

2.6结论 33

参考文献 36

3硅：一个工业奇迹 37

3.1引言 37

3.2主要制程 37

3.3硅材料生产工艺 38

参考文献 39

第二部分 多晶硅 43

4电子器件用多晶硅薄膜 43

4.1引言 43

4.2多晶硅薄膜分类 44

4.3多晶硅生长和微晶结构 45

4.3.1 CVD多晶硅 46

4.3.2非晶硅晶化的多晶硅 52

4.3.3 CVD多晶硅晶界化学 54

4.3.4多晶硅的掺杂 55

4.4多晶硅的电性能 56

4.5结论 59

参考文献 60

5光伏用硅 64

5.1引言 64

5.2光伏用硅材料 65

5.2.1不同生产工艺的历史与现状 66

5.2.2薄膜沉积工艺 68

5.3光伏硅的输运特性 71

5.3.1缺陷及杂质对硅输运性质的影响 71

5.3.2吸除改善材料性能 72

5.4硅太阳电池 74

5.4.1硅太阳电池技术与其他技术的比较 74

5.4.2多晶硅太阳电池技术 75

5.5结论 76

参考文献 77

第三部分 外延、薄膜和多孔层 83

6分子束外延薄膜 83

6.1设备原理和生长机理 83

6.2历史概述 86

6.3应变异质结构的稳定性 86

6.3.1应变层的临界厚度 87

6.3.2亚稳态膺晶生长 88

6.3.3器件结构的加工和退火 89

6.4硅MBE生长膜中掺杂剂的分布 89

6.4.1掺杂问题 89

6.4.2突变和δ型掺杂分布 91

6.5半导体器件研究 92

6.5.1异质结双极晶体管（HBT） 93

6.5.2 SiGe MOSFET和MODFET 94

6.5.3垂直MOSFET结构 95

6.6若干研究重点介绍 97

6.6.1级联激光器 97

6.6.2表面结构 99

6.6.3自组织和有序化 100

6.7结论 104

参考文献 105

7氢化非晶硅（a-Si：H） 108

7.1引言 108

7.2 a-Si的制备和结构性质 109

7.3 a-Si：H的电学性质 111

7.4光致发光和光电导 114

7.5亚稳态 116

7.6 a-Si太阳电池 116

参考文献 119

8绝缘体上硅和多孔硅 121

8.1绝缘体上硅 121

8.1.1 SOI MOS晶体管的一般性质 121

8.1.2 SOI应用 122

8.2 S0I材料 123

8.2.1早期的SOI材料 123

8.2.2蓝宝石上硅（silicon-on-sapphire，SOS） 123

8.2.3 SIMOX 125

8.2.4晶片键合和背面腐蚀 129

8.2.5智能剥离（Smart-Cut？） 133

8.2.6 Eltran？ 137

8.3结论 139

参考文献 140

第四部分 晶格缺陷 149

9缺陷能谱学 149

9.1引言 149

9.2表征缺陷特性的基本参数 150

9.3结空间电荷技术 152

9.3.1电容技术 153

9.3.2热测量技术 153

9.3.3光学测量技术 157

9.4其他光学测量方法 159

9.4.1光热电离谱 159

9.4.2傅里叶光电导纳谱 163

参考文献 164

10硅及其在扫描探针显微术进展中的重大作用 166

10.1引言 166

10.2作为扫描探针显微镜基准的硅 166

10.3作为AFM悬臂材料的硅 172

10.4作为STM和AFM尖端的Si（111）（7x7）表面 173

参考文献 176

第五部分 硅掺杂 181

11缺陷、扩散、离子注入、再结晶和电介质 181

11.1引言 181

11.2高温扩散掺杂 182

11.3缺陷与扩散机制 183

11.4晶格缺陷、扩散与吸杂 184

11.5离子注入 184

11.6硅、氮、碳及电介质 187

11.7注入分布 188

11.8溅射和分布 190

11.9辐照缺陷与态、表面态以及界面态 190

11.10离子注入样品的热处理 192

11.10.1炉退火 192

11.10.2电子束、激光束与快速热处理 193

11.11结论 197

参考文献 198

12硅的中子嬗变掺杂（NTD） 201

12.1引言 201

12.2传统的磷掺杂法 201

12.3中子辐照磷掺杂 203

12.3.1发展历史 203

12.3.2掺杂反应 203

12.3.3副反应 204

12.3.4辐照硅的放射性 205

12.3.5晶体缺陷的退火 205

12.3.6硅掺杂的技术实现 207

12.4展望 208

参考文献 209

第六部分 某些杂质的作用 213

13硅中的过渡金属杂质 213

13.1引言 213

13.2扩散和固溶度 214

13.3电活性 218

13.4杂质工程 221

13.4.1吸杂 221

13.4.2痕量检测 222

13.4.3其他工程问题 223

13.5结论 223

参考文献 224

14氢 227

14.1引言 227

14.2氢原子和分子 228

14.3受主钝化 233

14.4施主钝化 237

14.5过渡金属-氢复合物 241

14.6结论 244

参考文献 245

第七部分 器件 257

15半导体功率器件 257

15.1引言 257

15.1.1历史 257

15.1.2半导体功率器件的要求 259

15.2二极管 262

15.2.1截止电压（反向或阻断态） 262

15.2.2导通态（正向） 265

15.2.3动态性能 268

15.2.4发展趋势 270

15.3晶闸管 271

15.3.1基本特性 271

15.3.2截止电压 273

15.3.3导通态 274

15.3.4动态性能 275

15.3.5发展趋势 277

15.4 GTO（门极关断晶闸管） 277

15.4.1基本特性 277

15.4.2动态性能 278

15.4.3发展趋势 279

15.5双极晶体管 279

15.5.1基本特性 279

15.5.2导通态 280

15.5.3截止电压 281

15.5.4动态性能 281

15.5.5发展趋势 282

15.6 MOS晶体管（金属-氧化物-硅晶体管） 283

15.6.1基本特性 283

15.6.2导通态 284

15.6.3动态性能 286

15.6.4发展趋势 289

15.7 IGBT（绝缘栅双极晶体管） 290

15.7.1基本特性 290

15.7.2导通态 292

15.7.3截止电压 294

15.7.4动态性能 294

15.7.5发展趋势 296

15.8结论 297

参考文献 298

16补偿器件突破硅的极限 300

16.1引言 300

16.2当今的高压器件概念和实现补偿原理的方法 301

16.3制备技术与挑战 305

16.4补偿器件特征 308

16.5对典型功率MOSFET应用的影响 315

16.6结论和展望 317

参考文献 318

17集成电路 320

17.1引言 320

17.2历史回顾 320

17.3集成电路在全球经济中的重要性 321

17.4市场约束 322

17.5产品“功能”（Enablers） 324

17.6集成能力 325

17.7设计瓶颈 326

17.8应用范围和产品系列 328

17.8.1应用范围 328

17.8.2产品系列变化 329

17.9结论 330

参考文献 331

18硅纳电子学：下一个20年 332

18.1引言 332

18.2 CMOS规模扩展 332

18.3 50nm以下的新型MOSFET 334

18.3.1应变SiGe 334

18.3 2应变硅 337

18.3.3纵向晶体管 338

18.3.4部分耗尽和全耗尽SOI 339

18.3.5双栅晶体管 341

18.4 FinFET存储单元 344

18.5 Si MOSFET的极限 346

18.6新器件 348

18.6.1单电子晶体管 348

18.6.2分子器件 350

18.6.3碳纳米管 350

18.7展望 351

参考文献 352

19硅纳米光刻技术 355

19.1引言 355

19.2光学光刻 356

19.3下一代光刻技术 358

19.4电子束光刻 361

19.5纳米压印光刻技术 364

19.6接近式探针光刻技术 366

19.7结论 367

参考文献 368

20硅传感器 370

20.1引言 370

20.2“化学”传感器 370

20.3生物传感器 372

20.4“物理”传感器 373

20.5新思路和发展趋势 373

参考文献 374

第八部分 对硅的补充：化合物半导体 379

21化合物半导体 379

21.1引言 379

21.2走向成功的艰难历程 379

21.3 Ⅲ～Ⅴ族化合物的性质 382

21.4 Ⅲ～Ⅴ族基器件、器件工艺及对衬底的要求 384

21.5 GaAs：从材料合成到晶片加工 387

21.5.1基本考虑 387

21.5.2 GaAs合成 393

21.5.3晶体生长 395

21.5 4热处理 399

21.5.5晶体评价 400

21.5.6晶片加工 405

21.6 GaAs和Ⅲ～Ⅴ族化合物的发展前景 407

参考文献 408

第九部分 新的研究领域 417

22 SiGe异质结电子自旋量子计算机 417

22.1引言 417

22.2 QC的器件物理问题和预期性能 418

22.3采用SiGe电子自旋运行的QC 419

22.4其他方案 423

22.4.1纯硅量子点 423

22.4.2 GaAs和CdTe量子点 425

22.5结论 425

参考文献 426

23碳纳米管在微电子学中的应用 428

23.1引言 428

23.2纳米管的制备 430

23.3碳纳米管的互联 430

23.4碳纳米管晶体管和电路 432

23.5 CNTFET模拟和垂直CNTFET概念 433

23.6结论 436

参考文献 436

24制造情境智能系统 438

24.1引言 438

24.2硅的作用 440

24.2.1模块计算平台 440

24.2.2微机电系统 441

24.2.3新型硅形状因子 442

24.3情境智能：开发方法 442

24.4新的计算方案和系统 443

24.4.1“消失的计算机” 444

24.4.2“外联件” 444

24.5新颖先进的集成技术 445

24.5.1智能种子计划 445

24.5.2三维封装技术 447

24.5.3智能种子的三维封装 448

24.6传感器和驱动器用新形式的硅材料 450

24.6.1纤维计算技术 450

24.6.2硅纤维的机械设计 451

24.6.3纤维的制备 451

24.6.4机电测试 453

24.6.5有源器件电路设计 454

24.6.6有源器件电路的制造 455

24.6.7硅纤维电路的测试 456

24.6.8未来硅纤维的发展目标 456

24.7结论 457

参考文献 458

25大脑半导体 461

25.1引言 461

25.2离子-电子界面 461

25.2.1中心-外膜平面导体 462

25.2.2细胞-硅结狭隙 463

25.2.3狭隙的导电性 464

25.2.4细胞-硅结中的离子通道 466

25.3神经元-硅电路 467

25.3.1通过晶体管记录神经元活动 468

25.3.2神经元活动的电容激励 468

25.3.3芯片上的双神经元电路 471

25.4脑-硅芯片 473

25.4.1组织-片层导体 473

25.4.2脑切片的晶体管记录 474

25.5结论与展望 475

参考文献 476

List of Contributors 477