中国材料工程大典 第11卷 信息功能材料工程 上PDF电子书下载

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OSF 100

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）GTR 233

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 UMOS 240

4.2 LDMOS 240

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 MKSFET 244

1.2 GaAs HEMT 245

1.3 GaAs HBT 246

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 OEIC 466

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 GaP 471

2 GaSb 472

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 FETs 597

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）P 634

3.2 （Ga,Mn）N 634

4 ZnO基稀释磁性半导体 635

参考文献 637