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电子信息材料PPT 版
0 电子信息材料-绪论
21世纪是信息时代
●21世纪将全面进入信息时代
●当前信息的发展以多媒体和数字化为主要特征 ●人类进入了3T 时代
→处理、传输、存储超高容量信息（Tb 即1012bits ） →超高速信息流（Tb/s ） →高频响应（THz ）
信息技术的发展趋势
●信息技术的几个主要方面：
获取、传输、存储、显示、处理
●信息技术是依靠电子学和微电子学技术发展 ●信息技术=电子信息技术
●信息的载体：电子→光电子→光子 20世纪 → 21世纪 →最重要的信息材料：微电子材料 →发展最快的信息材料：光电子材料 →最有前途的信息材料：光子材料
信息技术发展的几个主要方面及相关材料
●信息材料是信息技术发展的基础和先导
●以大规模继承电路为基础的电子计算机技术仍是信息处理的而主要技术。DRAM 发展趋势：光刻线愈来愈小（纳米级）
●电子在小于0.1um （纳米范畴）的器件内部的输运和散射会呈现量子化特性，设计器件时要运用量子力学理论。
●固态纳米器件分类：量子点器件、共振隧穿器件、库伦阻塞效应单电子器件
●开关、存储器、光电转换元件一般用波导连成回路 ●目前光学器件都是立足于III-V 族半导体化合物材
料，开拓硅基材料，如SiGe/Si 的量子化材料很有前途 ●通讯技术的重大进步：光纤通讯代替电缆和微波通讯（以光子作为信息的载体）
●光纤通讯特点：高容量、无中继传输 ●关键技术：光学放大器、波分复用技术 ●第五代光纤通讯方式：
→以相位调制方式和查分检测方式的相干光光纤通信 →理想的光纤内，“孤立子”可以无限传播 →光通信窗口波长移向更长波段（2um-5um ），可使光纤的散射损耗更低
→相干光通信、孤立子光通信和超长波长红外光通信是可预见的第五代光通信
●发展新材料始终是光通信中的核心问题 ●光纤放大器的材料要满足高的宽频带增益，并能应用于不同的通信窗口（1.3um-1.55um ）
●提高磁存储密度主要依赖于改进磁介质材料
●写入头要求更高的磁矩，读出头要求更高的磁电阻 ●光存储技术特点： →存储寿命长
→能非接触式读、写和擦 →信息的信噪比（CNR ）高 →信息位的价格低
●短波长记录的高密度光盘存储介质分类： →磁光存储介质 →相变型存储介质
→波长吸收范围更短的有机存储介质 ●光存储主要发展方向：
→利用近场光学扫描显微镜进行高密度信息存储 →运用角度多功、波长多功、空间多功与移动多功等的全信息存储
→发展三维存储技术
信息显示技术
●阴极射线管（CRT ） ●平板显示技术
●液晶显示技术：有源矩阵型（AML ）、双端装置型（TTD ） 薄膜晶体管（TFT ） ●场致发射显示（FED ）：只能用于较小的显示器 ●等离子体显示（PDP ）
探测器与传感器材料
●按光电转换方式光电探测器可分为光电导型、光生伏打型（势垒型）和热电偶型。 ●光电探测器最大的进展：
→用超晶格（量子阱）结构提高了量子效率、响应时间和集成度。
→制成探测器阵列，可以用作成像探测
●传感器材料主要分两类：半导体传感器材料和光纤传感器材料。
激光材料
●GaN 是能够获得最短波长的半导体激光器
●通过量子阱中的量子级联而发展的中红外半导体激光器
光功能材料
●主要是无机非线性光学晶体：KTP 、BBO 、LBO 、LiNbO 3、K(Ta ，Nb)O 3
●三次非线性光学材料：声光玻璃和磁光玻璃
1 微电子芯片技术发展对材料的需求
概述
●21世纪的微电子技术将从目前的3G 逐步发展到3T ●微电子技术的进展有赖于材料科学和技术的巨大贡献：
→集成电路本身是制造在各相关体或薄膜材料之上 →制造过程中也涉及到一系列材料问题
衬底材料
●半导体衬底材料是发展微电子产业的基础 ●集成电路对硅材料的主要要求及发展趋势： →晶片（wafer ）直径越来越大
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→随着特征尺寸的缩小、集成密度的提高以及芯片面积的增大，对硅材料有了更高的要求
→对硅材料的几何精度特别是平整度的要求越来越高 ●硅片表面颗粒或缺陷分类：外生粒子、晶生粒子 三种SOI 材料
●SIMOX ：适合制作薄膜全耗尽超大规模集成电路 ●BESOI ：适合制作薄膜部分耗尽集成电路 ●Smart Cut SOI ：非常有发展前景的SOI 材料
*通过改进晶体质量及优化器件结构和工艺，器件性能会有大幅度提高。
*在Si 双极晶体管上通过育入GeSi/Si 异质结构可以获得速度性能更好的器件。
栅极结构材料
●栅极结构材料是CMOS 器件中最重要的结构之一，它包括栅绝缘介质层和栅电极两部分。
栅绝缘介质
●MOSFET 的栅绝缘介质层具有缺陷少、漏电电流小、抗击穿强度高、稳定性好、与Si 有良好的界面特性和界面态密度低等特点。
●MOSFET 器件特征尺寸进入到深亚微米尺度后，为了克服短沟效应影响，并适合低压、低功耗电路工作的需要，通常要采用双掺杂栅结构。 ●随着器件尺寸进一步缩小，电子直接隧穿将变得十分显著。这使得栅对沟道的控制减弱和器件的功耗增加，成为限制器件尺寸缩小的重要因素之一。 ●克服这一限制的有效方法：
→采用具有高介电常数的新型绝缘介质材料替代SiO 2和SiN x O y 。
→采用多层介质膜结构 →改变衬底性能
栅电极材料
●串联电阻低和寄生效应小是MOSFET 对栅电极材料的基本要求。
金属铝—>多晶硅—>难容金属硅化物
●器件的栅介质和多晶硅栅电极都越来越薄，多晶硅的耗尽效应越来越严重，沟道中杂质的涨落成为影响器件性能的重要制约因素。
●人们提出了栅工程和沟道零掺杂的概念
存储电容材料
●存储电容是数字电路中的动态随机存储器（DRAM ）和模拟电路中的重要部件。 ●主要需满足：
→集成度、存储容量高、存取速度快、能随机存取 →非挥发性
●新型氧化物铁电材料：
→高介电常数——作为DRAM 的存储电容绝缘介质层材料
→电极化强度随电压变化的电滞效应——制备铁电随机存储器（NVFRAM ）
高介电常数的DRAM
●影响高介电常数铁电材料在DRAM 中应用的主要因素：
→较大的漏电流
→较高的体和界面缺陷 →较低的介电击穿强度 →与硅工艺的兼容性
非挥发性铁电存储器（NVFRAM ）
●NVFRAM 利用铁电材料具有自发极化以及自发极化在电场作用下反转的特性存储信息。 ●当前NVFRAM 研究的主要方向：
→影响铁电材料抗疲劳性能和自发极化强度因素 →改进制备工艺 →开发新的铁电材料
●铁电材料物理主要研究方向： →电极化的极限开关速度
→铁电材料层能保持稳定的铁电性能的最小厚度 →开关参数
局域互连材料
●局域互连多晶硅线条的纵向和横向尺寸都越来越小。由于多晶硅的电阻率较高，接触和局域互连成了影响集成电路速度的重要因素之一。
●作为栅和局域互连材料必须具有可以实现自对准、热稳定性好，与氧化硅的界面特性好、与MOS 工艺兼容等特点。
●SALICIDE 的桥接问题发展方向将以CoSi 2或TiSi 2/CoSi 2复合结构的栅和局域互连材料为主。
互连材料
●互连材料包括金属导电材料和相配套的绝缘介质材料。
●连线层数和互连线长度的迅速增加以及互连线宽度的减小，将引起连线电阻增加，使电路的互连时间延迟、信号衰减及串扰增加。
●互连线宽的减小还会导致电流密度增加，引起电迁移和应力迁移效应的加剧，从而严重影响电路的可靠性。 ●减小互联延迟的主要途径： →优化互连布线系统设置 →采用新的互连材料
●为了减少寄生连线的电容和串扰，需要采用较SiO 2介电常数更低的绝缘介质材料改进电路系统的互连特性。
●当器件特征尺寸缩小到深亚微米以下时，铝金属的互连可靠性成为主要问题。
●Cu 互连性能在延迟性和可靠性方面都优于Al 。 Cu 的缺点： →Cu 污染问题
→Cu 淀积到硅片后便会形成高阻的铜硅化物，而Cu 和SiO 2的粘附性较差。 →Cu 的布线问题
钝化层材料
●钝化就是通过在不影响已经完成的集成电路的性能前提下，在芯片表面覆盖一层绝缘介质薄膜，以尽可能少地减少外界环境对电路的影响，使电路封装后可以长
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期稳定可靠的工作。 ●钝化方法分类：
→收集型钝化发——通过化学键结合 →淀积阻挡层方法——淀积适当的薄膜
加工工艺
●光刻技术与材料的相关性主要系现在光刻胶、透镜、掩膜版几个方面。
●化学机械抛光技术（CMP ）是一种新型的平坦化工艺技术。
→CMP 进行平坦化的基本工作原理是在CMP 设备磨盘中，辅以各种成分的磨料，对需要进行平坦化的材料层进行磨抛，从而实现芯片表面平坦化的目的。 →磨抛过程：在磨盘和磨料的作用下，材料表面薄层被部分软化，随后在磨料中硬度高的细微颗粒摩擦剂的作用下被磨掉。
2 半导体光电材料
半导体光电材料的发展
●半导体光电材料是指具有光电功能的半导体材料。 ●半导体激光：在半导体pn 结材料上，通过电注入pn 结的两种载流子（电子和空穴）的复合产生受激辐射。实现激射，且激射波长是由半导体材料的带隙决定，并只有直接带隙半导体材料才能实现激射。 ●半导体激光材料：
三维同质结构材料→异质结构材料→量子阱结构材料→应变量子阱结构材料
●半导体探测器材料：光电导型和光伏型
半导体激光器材料
●同质结构材料：第一只半导体激光器（低温） ●异质结构材料：（室温） ●量子阱结构：（阈值电流降低） ●应变量子阱结构：（阈值电流更低） ●发展趋势：结构更新、波段拓展
态密度和量子限制效应
●光跃迁：半导体导带和价带的电子-空穴对的产生和复合过程，以光子的形式吸收或者释放能量。 ●一般同时涉及电子和空穴两种载流子
●光吸收过程主要是从有大量电子布据的价带到几乎
为空的导带之间产生的。公式：I=I 0exp
-αz
吸收系数与光子能量的关系
●由于杂质所引起的能带填充效应，使得实际吸收边变软。
●由于量子结构的限制效应，使得量子阱和空穴形成的一系列分裂的子能带，因此，吸收系数谱成阶跃性。 ●粒子数分布反转条件：当吸收系数α( ?υ)<0时，光波在媒质中传播获得增益，这时吸收系数用增益表示。f v －f c <0,即F c －F v >E c －E v ﹦?υ→产生受激辐射 *入射光子激发电子从导带到价带跃迁，并伴随发射一个与入射光子具有相同能量、相位以及传播方向的光子——受激辐射。
●形成粒子数反转的条件：大量的注入载流子（通过在有源层两边，采用合适的掺杂层形成pn 结来实现） ●不限制载流子和光波，会导致极高的阈值电流密度和很差的输出光波模式。
●限制载流子和光波可采用异质结构实现。（双异质结构（DH ）是第一个完成上述两种限制的结构） ●激光阈值条件：半导体要获得激光输出，辐射必须是相干的，并且增益至少不小于损耗。 ●对半导体激光器的主要要求：低的工作电流、高的输出功率、高电光转换效率和较佳的温度特性。
紫外至可见光量子阱激光器材料
●GaN 基激光器材料
●AlGaInP 红光激光器材料
红外波段量子阱激光器材料
●短波长AlGaAs/GaAs 激光器材料 ●长波长InP 基激光器材料
●980nm InGaAs/ GaAs 应变量子阱激光器材料
●GaInAsSb/ AlGaAsSb 量子阱激光器材料 ●InGaAs/ InGaAsP 应变量子阱激光器材料
中远红外量子级联激光器材料
●基于斜角跃迁的量子级联激光器 ●基于垂直跃迁的量子级联激光器 ●室温工作的量子级联激光器 ●单纵模量子级联激光器
量子线、量子点激光器材料
●一维限制——量子阱结构（QWL ）
实现了对载流子在一维方向上的限制，从而改变了半导体材料的能带结构及态密度分布。相比异质结激光器，量子阱结构激光器性能得到了很大的提高，阶跃性质的态密度使得载流子的能量分布变窄，从而导致较窄的荧光谱线和较高的微分增益。
●二维限制——量子线结构(QWR) ●三维限制——量子点结构（QD ） ●刻蚀再生长
●自组织生长量子点 ●非平面衬底上生长
半导体光电探测器基础
●光电探测器——将光信号转换成电信号的器件 ●半导体光电探测器分类：光电导型、光伏型
电导型光电探测器
●半导体材料在光的作用下产生光生载流子，从而使材料的电导率发生变化并形成光电导。利用光电导可构成光电导型光电探测器。
●本征型光电导——如果光子的能量大于此种材料的禁带宽度，能将价带中的电子激发到导带上去，产生电子-空穴对，即产生带间吸收形成光电导。
●非本征光电导——如果光子的能量小于此种材料的禁带宽度，可能将束缚在杂质能级上的载流子激发到导带或价带上去，产生光电导。
●常规光电探测器——本征光电导型
●中远红外光电探测器——非本征光电导型