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目录

第一章绪论

第二章半导体材料简介

第三章  半导体材料制备理论基础

第四章  半导体材料制备技术

第五章  半导体材料的测试分析

第一章绪论

1.摩尔定律，半导体材料定义；

答：Moore’s Law：当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。

半导体材料：定义一：依据材料导电能力的高低来区分导体、半导体、绝缘体，把电阻率介于金属和绝缘体之间的材料定义为半导体。

定义二：在绝对零度无任何导电能力；但其导电性随温度升高呈总体上升趋势，且对光照等外部条件和材料的纯度与结构完整性等内部条件十分敏感。

2.半导体材料的分类；

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3.半导体材料的电学特性参数。

 第二章半导体材料简介

1.金刚石、C60、碳纳米管的性质、用途; 石墨烯的特性；锗、硅的性质、应用；

答：① 金刚石 

• 自然界硬度最高、最耐磨的材料；

• 间接禁带；

• 可见光折射率高、吸收系数低；

• 纯净的金刚石化学性质稳定，耐酸、碱腐蚀，高温下也不与浓氢氟酸、硝酸等反应。可在碳酸钠、硝酸钠、硝酸钾的熔体中被腐蚀；

• 纯净金刚石电阻率很高，掺杂后可降低。

• 禁带宽：5.5eV，是硅的5倍

• 热导率高：24W/（cm.K），是硅的16倍

• 临界击穿电场强度高：10MV/cm，是硅的33倍

• 载流子饱和速度大:，是硅的2.32倍

• 相对介电常数低：5.5 ，是硅的0.47倍

用途：目前常作为GaN、Ga2O3器件及电路的热沉使用

② C60基本特性：

a) 直接跃迁型

b) 禁带较宽，Eg在1.7∼2.3eV

c) PL实验表明C60薄膜有一定强度的室温光荧光；

d) 通过选择掺杂改变其能带结构，可进一步改善其发光特性；

e) 掺有一定量钾或铷等碱金属原子的C60具有超导性质；

f) 常温高压下能发生向金刚石转变的结构相变。

C60的应用：

• 光电池、光探测、光通信等（直接禁带，Eg = 1.7∼2.3eV）

• 发光与显示（室温光荧光，直接禁带）

• 超导应用（掺钾或铷有超导性质）

• 用于制备金刚石（能向金刚石结构发生相变）

③ 碳纳米管（CNT） ：

呈半导体特性的CNT结构：

•螺旋矢量参数n-m=3K时呈半导体特性；

•n-m≠3K时呈金属特性

CNT的基本性质：

• 碳纳米管具有良好的力学性能，抗拉强度是钢的100倍,密度却只有钢的1/6，硬度与金刚石相当，却拥有良好的柔韧性。

• 碳纳米管具有良好的传热性能，具有非常大的长径比，沿着长度方向的热交换性能很高，垂直方向的热交换性能较低，通过合适的取向，可以合成高各向异性的热传导材料。

• 碳纳米管具有良好的导电性能。化学键完整，圆柱形结构可克服边界散射，导电自由通道长。金属性的单壁碳纳米管能够承受电流密度超过109A/cm2。

CNT的应用： 

 • 因碳纳米管可制作PN结，故可用来制造二极管、晶体管等电子器件；

 • 具有纳米尺度曲率半径的尖端，能在很低电压下发射出大量电子，具 有良好的场致发射性能，是场发射平板显示器、气体放电灯和荧光灯、X-射线管和微波发生器等器件的理想阴极材料；

 • 具有很高的比表面积（单位质量物质的表面积）和良好的导电性，是制造超级电容器的理想材料；

 • 生物相容性优，能够通过蛋白质功能基团修饰实现生物传感与检测。

④ 石墨烯特性：

• 电学方面： 导电性能优异，电导率可与铜媲美。迁移率约为硅中电子迁移率的100 倍；

• 力学方面: 石墨烯强度高,理想石墨烯的强度约为普通钢的100 倍，是金属薄膜材料中最软的一种，重量轻。

• 光学方面： 单层石墨烯可吸收2. 3% 的可见光和红外光, 且与波长无关，高度透明特性。

• 热学方面： 石墨烯的热导率是室温下铜的热导率的10倍多。

• 具有超高比表面积。

• 优异的吸附材料

石墨烯的应用：

• 代替硅生产超级计算机。成为下一代超高频率晶体管的基础材料而广泛应用于高性能集成电路和新型纳米电子器件中，构成的全碳电路；

• 光子传感器；

• 太阳能电池和液晶显示屏；

• 超级电容器。

硅：

• 能够直接氧化生成SiO2

• 有效地掩蔽大多数杂质的扩散，使器件的几何 图形得到精确的控制。

• 解决表面的钝化问题，易使器件 特性获得良好的重复性和稳定性。

• 高质量MOS结构

应用： n

单晶硅：集成电路、分立器件、太阳能电池；

多晶硅：太阳能电池；薄膜晶体管；MOSFET栅极等; n

非晶硅：柔性太阳能电池；薄膜晶体管等。

锗：

锗的μ高（3900；1800）且在某些重掺情况下对红外高度敏感（0.66），

在高频小功率晶体管以及中、 远红外探测器和遥测温度计等方面维持着有限的应用。工作在3～5微米和8～14微米波段的掺金锗光电二极管和掺Hg锗光电二极管。 Ge的最新应用－Si1-xGex

2.SiC的特性、用途；

特性：1）热导率高；2）能直接生长二氧化硅层；

3）常温下SiC存在杂质不完全离化现象；4）无法使用扩散工艺实现掺杂。

电力电子器件（功率半导体器件）、高温集成电路、日盲探测器、抗辐照器件等。4H-SiC最适合制造电力电子器件与高温集成电路。

3.III-V族化合物半导体的结构特点、性质、应用；砷化镓材料的特点、应用；具有负微分迁移率效应半导体材料的特点；

随着原子序数的减小：

禁带宽度呈增大趋势,相对介电常数呈缩小趋势，熔点整体呈上升趋势，热导率呈增大趋势。

规律内因：两种元素的电负性差越大，离子键成分比例越高，晶体极性越强。

砷化镓（GaAs） Ø

结构：闪锌矿结构

特性：

• 直接带隙，禁带宽度 Eg = 1.43 eV

• 临界击穿电场强度 Ec = 4×105 V/cm

• 相对介电常数 ɛr = 13.1

• 载流子迁移率 μn=8500cm2/(V·s) μp=350cm2/(V·s)

• 饱和电子漂移速度 2.1×107 cm/s

• 负微分迁移率效应

应用：

• 微波集成电路

• 射频器件

• 光电子器件（光电导开关, 激光器,太阳电池）

• 耿氏二极管

负微分迁移率效应能带结构的三个特征：

1）存在导带电子的子能谷；

2）子能谷与主能谷的能量差小于禁带宽度而远大于kT； u

3）电子在子能谷中的有效质量大于在主能谷中的有效质量，因而子能谷底的有效态密度较高，迁移率较低。

4、GaP LED的发光机制；锑化镓（GaSb）的性质与用途；砷化硼（BAs）的性质与用途；

（1）GaP通过辐射复合中心实现波长发光

 

（2）锑化镓（GaSb）

特性：

• 直接带隙

• 禁带宽度 Eg = 0.72 eV

• 相对介电常数 ɛr = 15.69

• 载流子迁移率 μn=9500cm2/(V·s) μp=1624cm2/(V·s)

• 热导率 0.36 W·cm-1·K-1

• 熔点 712℃

• 饱和电子漂移速度 3.3×107 cm/s

应用：

• 红外探测器（禁带宽度窄）

• 太阳能电池（对红外波段敏感 800-2000nm） • 射频器件（高迁移率）

（3）砷化硼（BAs）

特性：

• 间接带隙

• 禁带宽度 Eg = 2.02eV

• 热导率 13W·cm-1·K-1

• 熔点 2027℃

应用：

• 功率器件与集成电路良好的热沉

• 是金刚石材料的潜在竞争对手

5、III-N化合物的性质、规律、应用；

1）氮化镓（GaN）

GaN兼得了SiC材料大功率与GaAs材料高频的性能优势,极化效应：自发极化、压电极化。

应用：

• 射频：5G 基站、雷达——GaN 射频器件大有可为

• 光电子：GaN 低功耗、高发光效率为 LED、紫外激光器助力

• 电力电子：GaN 推动快充、汽车电子进入小体积、高效率时代

2）氮化铝（AlN） 

特性（α相）

• 直接带隙

• 禁带宽度 Eg =6.2eV

• 相对介电常数 ɛr =8.5

• 热导率3.2W·cm-1·K-1

• 熔点3214℃

3）氮化硼（BN）

特性 (cBN)：

• 禁带宽度 Eg = 6.4eV

• 相对介电常数 ɛr = 7.1

• 热导率7.6W·cm-1·K-1

• 熔点2923℃ cBN单晶

应用：

• 良好的热沉材料

• 功率半导体器件

• 光电子器件

6.II-VI族化合物半导体的结构和特点，CdS、CdTe的特点及应用；

ZnS、CdS、HgS、 ZnSe、CdSe、 ZnTe、CdTe

• 闪锌矿、纤锌矿

• 全部为直接带隙

• 禁带宽度均较宽

• 存在自补偿效应

HgSe、 HgTe

• 室温下Eg≤0,半金属

• 只有闪锌矿结构

CdTe:有稳定P型

自补偿效应：伴随掺杂而产生与掺入杂质互为补偿的电活性缺陷（空位），从而

使掺杂无效的效应。

减弱自补偿效应的途径：

(1) 在晶体制备过程中对形成能低的空位

元素加以控制

(2) 添加第三种元素以改变系统相图

(3) 采用离子注入法进行掺杂。

CdS、CdTe：

特点：1）光电导灵敏度较高

2）Eg＝1.5eV；直接跃迁型

3） CdTe吸收系数a大：1µm厚-吸收率99%

4） II-VI中唯一的双极性

7.氧化物半导体的特点；ZnO的性质与用途；Ga2O3的性质与用途；

氧化物半导体：

• 金属与氧原子电负性差影响离子键与共价键比例

• 氧化物半导体大多属宽禁带半导体

1）氧化锌ZnO

特性：（纤锌矿）

• 直接带隙

• 禁带宽度 Eg = 3.37eV

• 相对介电常数 ɛr = 9.1

• 载流子迁移率 μn= 125 cm2/(V·s)

• 饱和电子漂移速度 2.7×107 cm/s

• 热导率 0.54 W·cm-1·K-1

• 缺陷能级辐射复合（红、黄、绿、紫）

• 极化效应, 2DEG（MgZnO/ZnO异质结构）

应用：

• 透明导电薄膜

• LED、LD

• 紫外探测器

• 太阳能电池

• 传感器

• 电子器件（TFT、SBD）（压电、机电耦合、电声）（IZO、ZTO、AZO）

2）氧化镓Ga2O3

特性（β-Ga2O3）： 

• 直接带隙，禁带宽度 Eg = 4.9eV

• 临界击穿电场强度 Ec=8 MV/cm

• 相对介电常数 ɛr = 10

• 载流子迁移率 μn= 300cm2/(V·s)

• 饱和电子漂移速度 2.0×107 cm/s

• 热导率 0.27W·cm-1·K-1

• 熔点1740℃ • 极化效应,可形成二维电子气（2DEG）

与主流半导体材料比较：

• 禁带宽度大，属于超宽带半导体    高温

• 临界击穿电场强度高，26倍于硅，3倍于4H-SiC    高压

• 电子迁移率低，但可以形成2DEG     高速、低阻

• 热导率低     散热差、需要热沉

应用：

• 大功率电力电子器件  MESFET、 MOSFET、SBD、

• 日盲光电探测器（253nm） 日盲区240nm~290nm单晶、薄膜纳米结构等

• 气敏传感器  还原性气体/氧气

• LED、透明电极、能源催化等

8.宽禁带半导体材料的种类和特性；

ZnO,SiC,GaN,SiC

禁带宽适合作高温器件。

9.有机半导体的能隙、掺杂原理、性质、应用；

最高占据分子轨道

•HOMO能级—填充轨道中能量最高的能级

（EHOMO相当于EV）

最低空置分子轨道

•LUMO能级—空置轨道中能量最低的能级

（ELUMO相当于EC）

能隙—LUMO能级与HOMO能级之间的能量差

10.非晶半导体的结构特点；非晶半导体的掺杂；非晶半导体与结晶半导体在光学性质方面的区别；

（1）长程无序，短程有序

（2）以施主为例：

晶体：杂质电离后直接向导带底释放一个自由电子

非晶：杂质电离后电子首先填充隙态中的能级

当隙态密度较低时，适当浓度的施主即可改变隙态的电子填充水平，费米能级的位置上升，Ec-EF降低；

当隙态密度很高时，高浓度的施主也难以改变隙态的电子填充水平，费米能级被“钉扎”在隙态中央。

（3）非晶半导体光学性质

• 电子跨越隙态时的跃迁没有直接跃迁和间接跃迁的区别

• 电子跃迁时不再遵守动量守恒的选择定则

• 非晶结构上的无序使非晶半导体中的电子没有确定的波矢

• 在讨论非晶光电子学问题时：光能隙＝禁带

• 光吸收边并不全等于迁移率边

非晶半导体与电子跃迁有关的光吸收谱具有明显的三段特征。

（1）近红外区A的低能吸收－非本征吸收

特点: 由于A区电子态都是低密度状态，所以吸收系数α较低。α随光子能量的变化比较平缓.

（2）指数型吸收区B－本征吸收

特点: α 随光子能量的增大而指数上升