半导体科学与技术手册PDF电子书下载

绪论 1

0.1 半导体发展历史上的几个里程碑 1

0.2 半导体技术的应用 1

0.3 我国的半导体产业发展现状 3

0.4 半导体科学技术的未来发展 3

参考文献 6

第1章 半导体硅材料 7

1.1 硅材料的历史和发展 8

1.2 集成电路用硅材料 11

1.2.1 集成电路用直拉硅单晶 11

1.2.2 大直径硅单晶的晶体生长 12

1.2.3 大直径硅单晶的缺陷工程 15

1.2.4 大直径硅单晶的外延 20

1.2.5 SOI和应变硅材料 21

1.3 太阳电池用硅材料 21

1.3.1 太阳电池用硅材料的研究 21

1.3.2 太阳能级多晶硅 24

1.3.3 太阳电池用铸造多晶硅 25

1.3.4 太阳电池用非晶硅薄膜 27

1.3.5 太阳电池用多晶硅薄膜 30

1.3.6 太阳电池用带硅材料 33

1.4 光电子用硅材料 35

1.4.1 硅晶体位错发光 35

1.4.2 多孔硅发光 37

1.4.3 硅基纳米硅发光 39

1.4.4 纳米硅丝／硅管 41

参考文献 43

第2章 宽禁带半导体光电子器件 45

2.1 发光二极管 46

2.1.1 Ⅲ族氮化物LED 46

2.1.2 ZnO基LED 51

2.2 激光二极管 53

2.2.1 法布里-珀罗（F-P）型激光器 53

2.2.2 分布反馈Ⅲ族氮化物半导体激光器 57

2.2.3 垂直腔面发射Ⅲ族氮化物半导体激光器 58

2.3 半导体白光照明 59

2.3.1 发展半导体白光照明的意义 59

2.3.2 Ⅲ族氮化物LED白光照明的技术途径 60

2.3.3 LED白光照明技术发展动向 64

2.3.4 Ⅲ族氮化物白光照明材料发展概况 65

2.4 固态紫光光源 66

2.4.1 紫光LED研究进展 67

2.4.2 紫光LED材料面临的几个科学技术问题 68

参考文献 71

第3章 宽禁带半导体电子器件 74

3.1 导言 74

3.2 GaN材料的研究进展 75

3.2.1 GaN材料的制备 75

3.2.2 GaN材料的缺陷 77

3.2.3 Ⅲ族氮化物的极化效应 78

3.2.4 GaN基异质结 80

3.3 GaN基HEMT器件 81

3.3.1 GaN基HEMT器件的目标特性 81

3.3.2 GaN基HEMT的电流崩塌现象 83

3.3.3 热处理 84

3.3.4 槽栅、表面处理和场板 85

3.3.5 纵向层式结构设计 87

3.3.6 蓝宝石或SiC衬底上GaN基HEMT的最高性能水平 89

3.3.7 Si衬底上的GaN基HEMT 94

3.3.8 增强型HEMT 95

3.4 其他GaN基电子器件 97

3.4.1 GaN基MISHFET 97

3.4.2 GaN基HBT 99

3.5 SiC材料与电子器件 100

3.5.1 SiC材料的制备 100

3.5.2 SiC材料的缺陷 101

3.5.3 SiC基器件工艺 102

3.5.4 SiC基二极管和整流器 103

3.5.5 SiC基金属-氧化物-半导体场效应管 105

3.5.6 SiC基结型场效应管（JFET）和肖特基栅场效应管（MESFET） 107

3.5.7 SiC基双极结型晶体管（BJT）和绝缘栅双极晶体管（IGBT） 109

参考文献 110

第4章 红外半导体材料和器件 116

4.1 红外半导体激光材料和激光器的进展简介 116

4.2 近红外边发射半导体激光材料和器件 117

4.2.1 808 nm短波长AlGaAs/GaAs异质结激光器材料和器件 118

4.2.2 1.3～1.55 μm长波长InP基激光器材料和器件 118

4.2.3 980nm InGaAs/GaAs应变量子阱激光器材料 119

4.3 近红外垂直面发射半导体激光器材料和器件 120

4.3.1 近红外垂直面发射半导体激光器结构和材料 121

4.3.2 近红外垂直腔面发射激光器材料和器件 123

4.4 中红外带间跃迁半导体异质结量子阱激光材料和器件 126

4.4.1 2.0μm InP基InGaAs/InGaAsP应变补偿量子阱激光器材料和器件 126

4.4.2 Ⅳ-Ⅵ族铅盐化合物中远红外量子阱激光器材料和器件 127

4.4.3 2～5 μm GaSb基锑化物量子阱激光器材料和器件 129

4.5 GaSb基带间级联激光器材料和器件 131

4.6 中远红外InP基量子级联激光器材料和器件 133

4.6.1 带内子带间光跃迁激射理论 134

4.6.2 InP基室温连续和室温大功率多模量子级联激光器 136

4.6.3 InP基中红外短波端（λ≈3～6 μm）多模应变补偿量子级联激光器 137

4.6.4 中红外InP基单模量子级联分布反馈激光器 140

4.6.5 InP基中红外长波端和远红外波段量子级联激光器 142

4.7 中、远红外GaAs基量子级联激光器材料和器件 143

4.7.1 GaAs基中红外量子级联激光器 143

4.7.2 GaAs基远红外量子级联激光器 144

4.8 小结和展望 147

参考文献 149

第5章 低维半导体材料和器件 158

5.1 导言 158

5.2 低维半导体材料的发展概况 158

5.3 低维半导体材料的制备技术 162

5.4 半导体激光器和发光管 165

5.4.1 边发射激光器 166

5.4.2 量子阱激光器 167

5.4.3 量子点、量子线激光器 168

5.4.4 垂直腔面发射激光器 172

5.4.5 量子级联激光器 175

5.4.6 微腔激光器 178

5.4.7 超辐射发光管 181

5.5 半导体红外光探测器 183

5.6 超高频微电子器件 185

5.6.1 高电子迁移率晶体管HEMT 186

5.6.2 异质结双极晶体管HBT 188

5.6.3 共振隧穿器件 192

5.6.4 三端弹道输运器件 193

5.7 单电子器件 194

5.7.1 单电子晶体管 195

5.7.2 单电子存储器 197

5.8 存在的问题及发展趋势 198

参考文献 201

第6章 射频系统与射频集成电路设计 204

6.1 导言 204

6.2 射频定义 204

6.3 射频通信系统 205

6.3.1 数字无线电广播 205

6.3.2 数字电视 207

6.3.3 射频识别RFID 208

6.3.4 卫星定位系统 209

6.3.5 移动通信系统 210

6.3.6 无线局域网与无线城域网 211

6.3.7 微波通信与卫星通信 212

6.3.8 雷达系统 213

6.4 射频系统组成 215

6.4.1 射频发射机组成 215

6.4.2 直接解调式接收机结构 216

6.4.3 超外差结构 216

6.5 射频集成电路设计专用知识 217

6.5.1 传输线效应 218

6.5.2 史密斯圆图及其应用 219

6.5.3 S参数 221

6.6 射频IC工艺 221

6.6.1 单质与异质双极结型晶体管工艺 221

6.6.2 射频CMOS工艺 222

6.6.3 GaAs MESFET与HEMT工艺 223

6.7 射频IC设计工程 225

6.8 主要射频IC设计 227

6.9 小结 236

参考文献 237

第7章 功率半导体器件与功率集成电路 238

7.1 功率半导体器件的定义与发展简史 238

7.2 功率二极管和功率开关器件 239

7.2.1 功率二极管 239

7.2.2 功率双极型开关器件 241

7.2.3 功率MOS器件 243

7.2.4 Super Junction结构 244

7.2.5 IGBT和MCT 250

7.2.6 SiC功率开／关器件 251

7.3 功率集成电路与集成功率模块 252

7.3.1 功率集成电路 252

7.3.2 RESURF理论 254

7.3.3 SOI高压集成技术 255

7.3.4 BCD工艺技术及功率封装技术 257

7.3.5 智能功率模块 260

参考文献 260

第8章 太阳电池 267

8.1 导言 267

8.2 太阳电池工作原理和效率 268

8.3 晶体硅太阳电池 268

8.4 Ⅲ-Ⅴ族化合物太阳电池 271

8.4.1 Ⅲ-Ⅴ族化合物太阳电池的特点和发展历史 271

8.4.2 单结GaAs太阳电池 273

8.4.3 单结GaAs/Ge异质结太阳电池 274

8.4.4 多结叠层Ⅲ-Ⅴ族太阳电池 275

8.4.5 GaAs聚光太阳电池 278

8.4.6 超薄型Ⅲ-Ⅴ族太阳电池 278

8.4.7 Ⅲ-Ⅴ族量子阱太阳电池 280

8.5 硅基薄膜太阳电池 282

8.5.1 非晶硅基薄膜的制备和基本性质 282

8.5.2 非晶硅的光致变化及其抑制途径 284

8.5.3 微晶硅和纳米硅薄膜 285

8.5.4 非晶硅单结太阳电池 285

8.5.5 非晶硅／非晶锗硅叠层太阳电池 286

8.5.6 非晶硅／微晶硅叠层太阳电池 287

8.5.7 多晶硅薄膜太阳电池 289

8.6 其他薄膜太阳电池简介 291

8.6.1 铜铟镓硒（CIGS）太阳电池 291

8.6.2 碲化镉薄膜太阳电池 294

8.6.3 染料敏化太阳电池 296

8.7 第三代太阳电池 299

8.8 展望 302

参考文献 303

第9章 微光刻与微纳米加工技术 306

9.1 微光刻与微／纳米加工技术简介 306

9.1.1 微电子技术的关键工艺技术 306

9.1.2 微光刻与微／纳米加工技术面临的挑战与需要解决的关键技术问题 307

9.2 微光刻图形设计与数据处理技术的研究 311

9.2.1 计算机辅助设计技术 311

9.2.2 微光刻图形设计及数据格式转换体系的研究 312

9.3 光学光刻分辨率增强技术的研究 317

9.3.1 移相掩模制造技术及应用技术研究 318

9.3.2 光学邻近效应校正掩模制造技术及应用技术研究 320

9.3.3 可制造性设计技术研究 321

9.4 电子束曝光技术的研究 323

9.4.1 电子束曝光模拟与电子束邻近效应校正技术研究 326

9.4.2 光学光刻系统和电子束光刻系统之间的匹配与混合光刻技术的研究 328

9.5 刻蚀技术研究 328

9.5.1 湿法腐蚀技术 329

9.5.2 干法刻蚀技术 330

9.5.3 反应离子刻蚀技术 332

9.5.4 感应耦合等离子刻蚀技术 332

9.6 下一代光刻技术与掩模制造技术的研究 333

9.6.1 X射线光刻技术及掩模制造技术 333

9.6.2 极紫外投影光刻技术及掩模制造技术 335

9.6.3 散射角限制的投影电子束曝光技术及掩模制造技术 337

9.6.4 可变轴浸没透镜电子束投影微缩曝光技术 338

9.6.5 聚焦离子束加工技术 338

9.7 纳米器件和纳米结构图形加工技术的研究 341

9.7.1 亚50nm CMOS器件研究 341

9.7.2 纳米压印光刻技术研究 343

9.8 小结 346

参考文献 347

第10章 微电子与光电子集成 351

10.1 光发射器件技术 352

10.1.1 硅基光发射二极管 352

10.1.2 硅基半导体激光器 357

10.2 光电探测器技术 358

10.2.1 半导体光电探测器的基本结构 358

10.2.2 基于硅基双极型工艺的光电探测器 360

10.2.3 基于硅基CMOS工艺的集成光电探测器 363

10.3 光波导集成技术 370

10.3.1 半导体光波导基本结构 370

10.3.2 半导体光波导的应用 374

10.4 硅基光电子集成回路 378

10.4.1 硅基光电子集成回路简介 379

10.4.2 集成硅基光发射器 380

10.4.3 集成硅基光波导 382

10.4.4 集成硅基光电接收机 385

10.5 小结 388

参考文献 388

第11章 半导体的检测与分析 391

11.1 科学内容 392

11.1.1 体单晶 392

11.1.2 薄膜 397

11.1.3 器件工艺 402

11.1.4 超晶格、量子阱、量子线、量子点、纳米材料 404

11.2 实验技术 406

11.2.1 电学表征 407

11.2.2 光学表征 409

11.2.3 X射线衍射表征 413

11.2.4 离子束技术 415

11.2.5 电子束显微学 416

11.2.6 俄歇电子谱、X射线光电子谱 417

11.2.7 扫描探针显微学（SPM） 418

11.2.8 其他表征实验技术 418

11.3 展望与建议 419

11.3.1 展望 419

11.3.2 建议 420

参考文献 420

第12章 高速光电子器件测试与封装 422

12.1 高速半导体光电子器件的封装设计 422

12.1.1 半导体光电子器件的封装形式 422

12.1.2 高速光电子器件的微波封装设计 424

12.1.3 高速半导体光电子器件封装设计的发展方向 425

12.2 小信号频率响应测试方法 426

12.2.1 微波矢量网络分析仪扫频测试法 426

12.2.2 光外差测试法 428

12.2.3 小信号功率测试法 430

12.2.4 小信号频率响应测试的发展趋势 432

12.3 高速光电子器件的大信号响应测试 433

12.3.1 眼图测试分析 433

12.3.2 误码率测试分析 435

12.3.3 低误码率的测算 436

12.3.4 大信号响应测试的发展趋势 437

12.4 高速光电子器件的等效电路模型 438

12.4.1 等效电路模型的发展历程 438

12.4.2 激光器的等效电路模型 440

12.4.3 光探测器的等效电路模型 442

12.4.4 电吸收调制器的等效电路模型 443

12.4.5 光电子器件等效电路的特点与发展趋势 443

12.5 光谱与频谱分析技术 444

12.5.1 借助于电域测量获得光电子器件的光域特性 444

12.5.2 借助于光域测量获得光电子器件的电域特性 446

12.5.3 微波光电测量技术的发展趋势 448

12.6 小结 448

参考文献 449

第13章 新型硅基半导体器件 455

13.1 超薄体SOI MOS器件 456

13.2 体硅和SOI应变沟道MOS器件 459

13.2.1 体硅应变沟道MOS器件 459

13.2.2 SOI应变沟道MOS器件 461

13.3 SOV/SON MOS器件 462

13.3.1 SOV MOS器件 463

13.3.2 SON MOS器件 464

13.4 新型准SOI器件 466

13.5 双栅器件 468

13.5.1 垂直双栅器件 469

13.5.2 FINFET器件 469

13.6 多栅SOI MOS器件 472

13.6.1 Pi栅MOS器件 473

13.6.2 Ω栅MOS器件 474

参考文献 476

第14章 薄膜微电子学 480

14.1 导言 480

14.1.1 薄膜微电子学发展历程 480

14.1.2 薄膜微电子学的意义 481

14.1.3 薄膜微电子学的广阔之路 482

14.2 硅基薄膜材料 483

14.2.1 非晶硅 483

14.2.2 氢化非晶硅的亚稳特性 485

14.2.3 纳米晶和微晶硅 486

14.2.4 多晶硅 488

14.3 硅基薄膜晶体管 492

14.3.1 非晶硅薄膜晶体管（a-Si TFT） 492

14.3.2 a-Si∶H TFT阈值电压的亚稳特性 496

14.3.3 多晶硅薄膜晶体管（poly-Si TFT） 498

14.4 硅基薄膜集成电子学 500

14.4.1 AMLCD的像素电路和驱动电路 501

14.4.2 AMOLED的像素电路 503

14.4.3 多晶硅TFT的显示驱动集成电路 504

14.5 广义的薄膜微电子学 508

14.5.1 柔性电子学 509

14.5.2 有机电子学 510

14.5.3 透明电子学 514

14.6 结语：非硅衬底上的SOC——代工之路 516

参考文献 517

第15章 有机电子学 524

15.1 导言 524

15.2 有机薄膜晶体管发展概况 524

15.3 有机半导体导电机制 527

15.4 有机薄膜晶体管工作原理 528

15.5 有机电子材料 531

15.5.1 p型有机半导体材料 531

15.5.2 n型有机半导体材料 537

15.5.3 栅绝缘材料 539

15.5.4 电极材料 544

15.6 有机薄膜晶体管结构 546

15.7 有机薄膜晶体管应用举例 548

15.7.1 有机双极型晶体管 548

15.7.2 有机晶体管在发光器件上的应用 549

15.7.3 晶体管结构的有机存储器 551

15.8 小结和展望 552

参考文献 552

第16章 纳米电子学 555

16.1 半导体低维结构的制备技术 555

16.1.1 纳米晶体制备技术 555

16.1.2 纳米晶线制备技术 558

16.1.3 S-K自组织生长 560

16.1.4 刻蚀技术 562

16.1.5 自组装方法 564

16.2 碳纳米管器件 566

16.2.1 碳纳米管的场效应管 566

16.2.2 碳纳米管场发射器件 569

16.3 硅发光器件 570

16.3.1 硅基纳米结构的制备 570

16.3.2 发光机制研究 571

16.3.3 硅发光器件的发展 572

16.3.4 硅基激光器 574

16.4 纳米晶体器件 575

16.4.1 纳米晶体发光管（LED） 575

16.4.2 纳米线激光器 578

16.4.3 纳米晶体的非线性光学性质 579

16.5 S-K方法制备的自组织量子点器件 580

16.5.1 量子点单光子源 580

16.5.2 单光子探测器 583

16.5.3 光存储器件 583

16.5.4 量子点激光器 585

16.6 分子电子学（交叉科学） 586

参考文献 587

第17章 低维半导体量子相干和调控 589

17.1 导言 589

17.2 相干性的定义及其他 590

17.2.1 光激发的相干过程 591

17.2.2 叠加量子态的相干演化过程 591

17.2.3 空间域中的相干过程 591

17.2.4 时间域中的相干过程 591

17.2.5 自旋相干过程 591

17.3 量子拍频 592

17.3.1 电子自旋的量子拍频 592

17.3.2 二维激子的自旋量子拍频 592

17.3.3 相互作用激子的拉曼量子拍频 593

17.3.4 量子点中电子相干叠加态的量子拍频 594

17.4 波函数工程——叠加量子态的相干操作、纠缠 594

17.4.1 单量子点量子态的光学相干操作 595

17.4.2 单量子点中不同磁激子态之间光激发诱导的量子纠缠 595

17.4.3 用量子点产生纠缠光子对 597

17.4.4 用量子点十字转门产生和探测电子纠缠对 598

17.5小结 598

参考文献 599

第18章 半导体自旋电子学 601

18.1 导言 601

18.2 稀释磁性半导体的磁性 602

18.3 自旋注入 606

18.3.1 自旋的光注入 609

18.3.2 自旋的电注入 609

18.3.3 自旋极化的探测 612

18.3.4 自旋极化的弛豫 612

18.4 自旋操控 613

18.5 高居里温度稀磁半导体材料 616

18.5.1 (Ga,Mn)P 617

18.5.2 (Ga,Mn)N 618

18.5.3 (Zn,Mn)O 619

18.6 小结 620

参考文献 621

第19章 微纳传感与光机电器件及系统 628

19.1 导言 628

19.2 微纳系统技术的发展历史 630

19.2.1 从微传感器起步 631

19.2.2 开拓新的领域 632

19.2.3 进入纳米尺度 634

19.3 微纳系统技术发展的国内外现状 635

19.3.1 传感器 635

19.3.2 光MEMS 638

19.3.3 信息MEMS 638

19.3.4 生物MEMS 640

19.3.5 NEMS 642

19.4 科学内容 644

19.4.1 设计技术 644

19.4.2 制造技术 645

19.4.3 器件和系统 647

19.5 发展趋势 649

参考文献 650

第20章 大功率半导体激光器 655

20.1 导言 655

20.2 大功率半导体激光器关键技术 655

20.2.1 量子阱激光器外延结构的优化设计 656

20.2.2 大功率激光器列阵激光巴条优化设计 656

20.2.3 腔面镀膜技术 656

20.2.4 低阻欧姆接触工艺技术 657

20.2.5 大功率半导体激光器封装技术 657

20.2.6 大功率半导体激光器热管理技术 658

20.3 大功率边发射半导体激光器的进展 659

20.3.1 大功率半导体激光器的功率特性 659

20.3.2 大功率半导体激光器的效率 661

20.3.3 大功率半导体激光器的光谱特性 663

20.3.4 大功率半导体激光器的可靠性 664

20.3.5 大功率半导体激光器的价格趋势 665

20.4 大功率垂直腔面发射激光器进展 666

20.4.1 红光VCSEL 666

20.4.2 蓝光VCSEL 667

20.4.3 980nm InGaAs/GaAs系列VCSEL 668

20.4.4 垂直外腔面发射激光器 668

20.4.5 VCSEL的前景 669

20.5 大功率半导体激光器应用 670

20.5.1 大功率半导体激光器在激光加工中的应用 670

20.5.2 大功率半导体激光器在激光显示中的应用 672

20.5.3 大功率半导体激光器在激光医疗中的应用 673

20.5.4 大功率半导体激光器在军事上的应用 673

参考文献 676

附录 主要作者简介 677