半导体材料
作 译 者：杨德仁
出 版 日 期：2024-05-01
书 代 号：G0479730
Ｉ Ｓ Ｂ Ｎ：9787121479731
图书简介：
半导体材料是材料、信息、新能源的交叉学科，是信息、新能源（半导体照明、太阳能光伏）等高科技产业的材料基础。 本书共15章，详细介绍了半导体材料的基本概念、基本物理原理、制备原理和制备技术，重点介绍了半导体硅材料（包括高纯多晶硅、区熔单晶硅、直拉单晶硅和硅薄膜半导体材料）的制备、结构和性质，阐述了化合物半导体（包括Ⅲ-Ⅴ族、Ⅱ-Ⅵ族、Ⅳ-Ⅳ族化合物半导体材料和氧化物半导体材料）的制备技术和基本性质，还阐述了有机半导体材料、半导体量子点（量子阱）等新型半导体材料的制备和性质。本书配套MOOC在线课程、习题参考答案等。
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内容简介
半导体材料是材料、信息、新能源的交叉学科，是信息、新能源（半导体照明、太阳能光伏）等高科技产业的材料基础。 本书共15章，详细介绍了半导体材料的基本概念、基本物理原理、制备原理和制备技术，重点介绍了半导体硅材料（包括高纯多晶硅、区熔单晶硅、直拉单晶硅和硅薄膜半导体材料）的制备、结构和性质，阐述了化合物半导体（包括Ⅲ-Ⅴ族、Ⅱ-Ⅵ族、Ⅳ-Ⅳ族化合物半导体材料和氧化物半导体材料）的制备技术和基本性质，还阐述了有机半导体材料、半导体量子点（量子阱）等新型半导体材料的制备和性质。本书配套MOOC在线课程、习题参考答案等。图书详情
ISBN：9787121479731开 本：16(185*260)页 数：352字 数：563本书目录
第1章 半导体材料概论 1 1.1 半导体材料的研究和发展历史 2 1.2 半导体材料的基本性质 3 1.2.1 半导体材料的分类 4 1.2.2 半导体材料的基本电学特性 5 1.2.3 半导体材料的材料结构特性 7 1.3 半导体材料的应用和产业 8 1.3.1 半导体材料在微电子产业的应用 8 1.3.2 半导体材料在光电子产业的应用 10 1.3.3 半导体材料在太阳能光伏产业的应用 11 1.4 半导体材料的展望 12 习题1 13 第2章 半导体材料物理基础 14 2.1 载流子和能带 14 2.1.1 载流子和电导率 14 2.1.2 能带结构 15 2.1.3 电子和空穴 18 2.2 杂质和缺陷能级 19 2.2.1 掺杂半导体材料 19 2.2.2 杂质能级 20 2.2.3 深能级 22 2.2.4 缺陷能级 23 2.3 热平衡状态下的载流子 23 2.3.1 载流子的状态密度和统计分布 24 2.3.2 本征半导体的载流子浓度 27 2.3.3 掺杂半导体的载流子浓度和补偿 28 2.4 非平衡少数载流子 30 2.4.1 非平衡载流子的产生、复合和寿命 30 2.4.2 非平衡载流子的扩散 32 2.4.3 非平衡载流子在电场下的漂移和扩散 33 2.5 PN结 35 2.5.1 PN结的制备 36 2.5.2 PN结的能带结构 38 2.5.3 PN结的电流-电压特性 39 2.6 金属-半导体接触和MIS结构 41 2.6.1 金属-半导体接触 41 2.6.2 欧姆接触 43 2.6.3 MIS结构 44 习题2 45 参考文献 45 第3章 半导体材料晶体生长原理 46 3.1 半导体晶体材料的生长方式 46 3.2 晶体生长的热力学理论 47 3.2.1 晶体生长的自由能和驱动力 47 3.2.2 晶体生长的均匀成核 50 3.2.3 晶体生长的非均匀成核 52 3.3 晶体生长的动力学理论 54 3.3.1 晶体生长单原子层界面模型 54 3.3.2 晶体生长机制 56 3.4 晶体的外形控制 59 3.4.1 晶体外形和界面自由能的关系 59 3.4.2 晶体外形和晶体生长界面的关系 60 3.4.3 晶体外形和晶体生长方向的关系 61 习题3 62 参考文献 63 第4章 半导体材料晶体生长技术 64 4.1 熔体生长技术 64 4.1.1 直拉晶体生长技术 64 4.1.2 布里奇曼晶体生长技术 66 4.1.3 区熔晶体生长技术 67 4.2 溶液生长技术 69 4.2.1 溶液降温生长晶体技术 70 4.2.2 溶液恒温蒸发生长晶体技术 70 4.2.3 溶液温差水热生长晶体技术 71 4.2.4 溶剂分凝（助溶剂法）生长晶体技术 71 4.2.5 溶液液相外延生长晶体技术 71 4.3 气相生长技术 73 4.3.1 真空蒸发法 74 4.3.2 升华法 78 4.3.3 化学气相沉积法 78 4.3.4 低维半导体材料的生长和制备 81 习题4 84 参考文献 84 第5章 元素半导体材料的基本性质 86 5.1 硅材料 86 5.1.1 硅的基本性质和应用 86 5.1.2 硅的晶体结构 88 5.1.3 硅的能带结构 91 5.1.4 硅的电学性质 93 5.1.5 硅的化学性质 94 5.1.6 硅的光学性质 95 5.1.7 硅的力学性质 97 5.1.8 硅的热学性质 99 5.2 锗材料的基本性质 100 5.3 碳材料的基本性质 103 习题5 105 参考文献 105 第6章 元素半导体材料的提纯和制备 107 6.1 金属硅的制备 107 6.2 高纯多晶硅的提纯和制备 109 6.2.1 三氯氢硅工艺制备高纯多晶硅 109 6.2.2 硅烷热分解工艺制备高纯多晶硅 114 6.2.3 流化床工艺制备高纯多晶硅 115 6.2.4 其他化学提纯工艺制备高纯多晶硅 116 6.2.5 物理冶金工艺制备太阳能级多晶硅 117 6.3 高纯锗半导体材料的提纯和制备 120 6.3.1 锗半导体材料的应用 120 6.3.2 金属锗的制备 121 6.3.3 高纯锗的制备 123 6.3.4 单晶锗的制备 123 习题6 124 参考文献 124 第7章 区熔单晶硅的生长和制备 125 7.1 分凝现象和分凝系数 125 7.1.1 分凝现象和平衡分凝系数 125 7.1.2 有效分凝系数 127 7.1.3 正常凝固和杂质分布 128 7.2 区熔晶体生长理论 129 7.3 区熔单晶硅生长 132 习题7 136 参考文献 137 第8章 直拉单晶硅的生长和制备 138 8.1 直拉单晶硅的生长工艺 138 8.1.1 直拉单晶硅生长的基本工艺 139 8.1.2 直拉单晶硅生长的主要控制因素 144 8.2 直拉单晶硅的新型生长工艺 148 8.2.1 磁控直拉单晶硅生长工艺 148 8.2.2 重复装料直拉单晶硅生长工艺 149 8.2.3 连续加料直拉单晶硅生长工艺 150 8.3 硅片加工工艺 151 8.3.1 晶锭切断 151 8.3.2 晶锭滚圆和切方 152 8.3.3 晶锭切片 152 8.3.4 硅片化学腐蚀 154 8.3.5 硅片倒角 155 8.3.6 硅片研磨 155 8.3.7 硅片抛光 155 习题8 156 参考文献 157 第9章 直拉单晶硅的杂质和缺陷 159 9.1 直拉单晶硅的掺杂 159 9.1.1 直拉单晶硅的掺杂剂 159 9.1.2 直拉单晶硅的掺杂技术 160 9.1.3 直拉单晶硅的掺杂量 161 9.2 直拉单晶硅的杂质 163 9.2.1 氧杂质 163 9.2.2 碳杂质 167 9.2.3 氮杂质 169 9.2.4 锗杂质 171 9.2.5 氢杂质 173 9.2.6 金属杂质 175 9.3 直拉单晶硅的缺陷 177 9.3.1 单晶硅原生缺陷 177 9.3.2 硅片加工诱生缺陷 179 9.3.3 器件工艺诱生缺陷 180 习题9 182 参考文献 183 第10章 硅薄膜半导体材料 184 10.1 单晶硅薄膜半导体材料 184 10.1.1 外延生长单晶硅薄膜 185 10.1.2 外延单晶硅薄膜掺杂 189 10.1.3 外延单晶硅薄膜的缺陷 191 10.2 非晶硅薄膜半导体材料 192 10.2.1 非晶硅薄膜材料的基本性质 193 10.2.2 非晶硅薄膜材料的制备 196 10.2.3 非晶硅薄膜材料中的氢杂质 198 10.3 多晶硅薄膜半导体材料 200 10.3.1 多晶硅薄膜的基本性质 200 10.3.2 多晶硅薄膜的制备 202 10.4 绝缘体上硅（SOI）薄膜半导体材料 206 10.4.1 注氧隔离技术 208 10.4.2 键合和反面腐蚀技术 208 10.4.3 注氢智能切割技术 209 10.5 锗硅（SiGe）薄膜半导体材料 210 习题10 212 参考文献 212 第11章 Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料 216 11.1 Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料的基本性质 216 11.2 GaAs半导体材料的性质和应用 219 11.3 GaAs半导体材料的制备 222 11.3.1 布里奇曼法制备 223 11.3.2 液封直拉法制备 224 11.3.3 单晶GaAs薄膜的外延制备 225 11.4 GaAs晶体的杂质和缺陷 227 11.4.1 GaAs晶体的掺杂 227 11.4.2 GaAs晶体的Si杂质 228 11.4.3 GaAs晶体的缺陷 229 11.5 GaN半导体材料的性质和应用 230 11.6 GaN半导体材料的制备 233 11.6.1 单晶GaN的制备 233 11.6.2 单晶GaN薄膜的制备 235 11.7 GaN晶体的杂质和缺陷 236 11.7.1 GaN晶体的杂质 236 11.7.2 GaN晶体的缺陷 237 11.8 其他Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料 240 11.8.1 InP半导体材料 240 11.8.2 GaP半导体材料 242 习题11 243 参考文献 243 第12章 Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料 245 12.1 Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料的基本性质 246 12.2 Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料的制备 247 12.2.1 Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体晶体材料的制备 248 12.2.2 Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体薄膜材料的制备 251 12.2.3 Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料的缺陷 253 12.3 CdTe半导体材料 255 12.3.1 CdTe半导体材料的性质和应用 255 12.3.2 CdTe半导体材料的制备 257 12.3.3 CdTe半导体材料的缺陷 259 12.4 其他Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料 260 12.4.1 CdS半导体材料 260 12.4.2 CuInGaSe半导体材料 261 习题12 263 参考文献 263 第13章 氧化物半导体材料 267 13.1 ZnO半导体材料 267 13.1.1 ZnO半导体材料的基本性质 268 13.1.2 ZnO半导体材料的器件及应用 271 13.1.3 ZnO半导体材料的制备 273 13.1.4 ZnO晶体的缺陷与杂质 275 13.2 Ga2O3半导体材料 280 13.2.1 Ga2O3半导体材料的基本性质 280 13.2.2 Ga2O3半导体材料的器件及应用 282 13.2.3 Ga2O3半导体材料的制备 284 13.2.4 Ga2O3晶体的杂质和缺陷 289 习题13 293 参考文献 294 第14章 Ⅳ-Ⅳ族化合物半导体材料 299 14.1 SiC半导体材料的性质和应用 299 14.1.1 晶体结构 299 14.1.2 能带结构 300 14.1.3 掺杂和载流子浓度 302 14.1.4 迁移率 303 14.1.5 光学性质 303 14.1.6 其他性质 304 14.1.7 应用 305 14.2 SiC半导体材料的制备 305 14.2.1 单晶SiC的制备 305 14.2.2 SiC薄膜材料的制备 308 14.3 SiC晶体的杂质和缺陷 309 14.3.1 SiC晶体的掺杂 309 14.3.2 SiC晶体的缺陷 311 习题14 313 参考文献 314 第15章 有机半导体材料 317 15.1 有机半导体材料的基本性质 317 15.1.1 有机半导体材料的结构性质 318 15.1.2 有机半导体材料的电学性质 321 15.1.3 有机半导体材料的光学性质 323 15.1.4 有机半导体材料的其他性质 324 15.2 有机半导体材料的制备 324 15.2.1 溶液法 324 15.2.2 非溶液法 326 15.3 有机半导体材料的器件应用 327 15.3.1 有机半导体材料在发光器件中的应用 327 15.3.2 有机半导体材料在光伏器件中的应用 329 15.3.3 有机半导体材料在电子器件中的应用 331 15.3.4 有机半导体材料在新型器件中的应用 332 习题15 333 参考文献 333展开前 言
在人类发展的历史长河中，材料的应用成为人类发展阶段的重要里程碑。基于材料的发展，人类社会历经了旧石器时代、新石器时代、铜器时代和铁器时代。自20世纪50年代以来，人类逐步进入了信息社会，跨入了“硅（半导体）时代”。 半导体材料是材料、信息、新能源的交叉学科，是伴随着电子、微电子产业发展起来的新型学科。19世纪，科学家先后发现了半导体的光生伏特效应等现象，开始了半导体物理基础研究的先河；1948年，美国贝尔实验室的巴丁、布拉登和肖克莱发明了锗（Ge）晶体管，奠定了现代半导体器件和技术的基础；1958年，美国德州仪器公司（TI）的基尔比发明了锗集成电路，开创了现代微电子技术。因此，锗是人类最早实际应用于集成电路的半导体材料。 但是，人们很快发现锗半导体材料具有一定的弱点。它的禁带宽度小，只有0.66eV，导致锗半导体器件的工作温度受到限制；而且锗的氧化膜在800℃左右就会分解，还可被水溶解，无法作为集成电路的有效绝缘层。因此，具有提纯容易、制备成本低、材料来源广、禁带宽度适宜（1.12eV）、SiO2薄膜绝缘性能好等优点的硅（Si）半导体材料，在20世纪50年代就逐渐替代了锗半导体材料成为微电子产业的基础材料，也成为迄今为止最主要、最重要的一种半导体材料，其市场份额占据了整个半导体材料的90%以上。 在元素半导体材料应用和发展的同时，化合物半导体材料也在20世纪50年代开始走上应用的舞台。最早应用的是Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料，如砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）等，人们基于它们制备了半导体发光二极管和激光器；到20世纪90年代，日本赤崎勇、天野浩和中村修二成功地实现了高亮度氮化镓（GaN）的蓝光发光二极管，从而使得宽禁带的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料得到了广泛的应用。 在传统的无机半导体晶体材料的基础上，20世纪70年代非晶半导体材料的应用和发展开始吸引人们的注意力。而导电高分子的发现和合成，以及1986年第一个有机半导体薄膜晶体管的出现，使得有机半导体材料的研究和应用进入了人们的视野。 不仅如此，近年来由于军事、通信、交通、新能源的高速发展，人们对大功率、高频、高温等半导体器件的需求日益增加，激发了人们对碳化硅（SiC）、氧化镓（Ga2O3）、氧化锌（ZnO）、金刚石等宽禁带半导体材料的研究、开发和应用。2000年前后，纳米半导体材料成为半导体材料领域关注的焦点；2005年之后，二维层状晶体材料成为新的具有潜在重大应用价值的一类半导体材料。 基于各种半导体材料的发现、研究、开发和应用，各类半导体器件层出不穷，支撑了电子、微电子、光电子、半导体照明、半导体显示、太阳能光伏等多个国际竞争激烈的高新技术产业。因此，研究和开发半导体材料，对支持我国高新战略产业的发展，攻克“卡脖子”技术，促进我国工业、科技、航空航天、军事国防等领域技术进步起着决定性的作用。我国的半导体材料事业历经几代半导体材料人的努力，已经具备一定基础。新时代正在召唤新一代半导体材料人继续发扬精益求精的科学精神，更高质量地推动我国半导体材料事业的发展。 浙江大学的半导体材料学科可以回溯至1954年，由已故的浙江大学原副校长、中国科学院院士阙端麟教授创建。20世纪五六十年代，浙江大学重点攻关高纯硅烷、高纯多晶硅的制备；20世纪七八十年代，重点实现了直拉单晶硅和区熔单晶硅的开发技术及产业化；20世纪90年代至今，浙江大学陆续开展了GaN、ZnO、SiC、金刚石等宽禁带半导体材料的研究，并开展有机半导体材料、纳米半导体材料、二维层状半导体材料等新型半导体材料的研究，取得了一系列研究成果。浙江大学在1978年获得全国第一批半导体材料硕士点，1985年获得全国第一个半导体材料工学博士点，并于同年开始建设硅材料国家重点实验室，1987年建成验收，成为我国第一批建成的国家重点实验室之一，也是其中唯一以半导体材料为主要研究对象的国家重点实验室。1989年，浙江大学的半导体材料学科被评为国家唯一的半导体材料学科的重点学科。2023年，硅材料国家重点实验室重组并更名为硅及先进半导体材料全国重点实验室。迄今为止，浙江大学半导体材料学科成为我国半导体材料教学、科研和人才培养的主要基地之一。 本人从1985年开始进入硅材料国家重点实验室（其核心为浙江大学材料系半导体材料研究所）攻读硕士、博士学位，开启了半导体材料的学习、研究生涯，到如今已有39年。20世纪90年代末，本人从德国留学后回到浙江大学，为本科生创建了“半导体材料”课程，迄今已有20余年。在总结教学、科研经验的基础上，根据浙江大学的研究特色，编写“半导体材料”的教学大纲、教学讲义、教学演示PPT和慕课（MOOC）课程，其间教学材料不断修改、完善。2010年前后，皮孝东教授加入了“半导体材料”课程的教学。从2018年起，开始酝酿并动笔编写《半导体材料》教材，历经5年多，终于成稿。 本书是“工业和信息化部‘十四五’规划教材”，也是“浙江省普通本科高校‘十四五’重点立项建设教材”，并获得了工信学术出版基金的资助。本书详细介绍了半导体材料的基本概念、基本物理原理、制备原理和制备技术，重点介绍了半导体硅材料（包括高纯多晶硅、区熔单晶硅、直拉单晶硅和硅薄膜半导体材料）的制备、结构和性质，阐述了化合物半导体（包括Ⅲ-Ⅴ族、Ⅱ-Ⅵ族、Ⅳ-Ⅳ族化合物半导体材料和氧化物半导体材料）的制备技术和基本性质，还阐述了有机半导体材料、半导体量子点（量子阱）等新型半导体材料的制备和性质。其特点是重点、详细讲述了半导体硅材料的性质、结构和制备，不仅因为硅是一种最主要的半导体材料，而且由于它的生长、加工和缺陷控制等研究成熟，因此可以举一反三，对学习、研究其他半导体材料有重要的参考作用。 全书共15章，分为四大部分。第一部分是半导体材料的基础性质和原理，包括第1章半导体材料概论、第2章半导体材料物理基础、第3章半导体材料晶体生长原理、第4章半导体材料晶体生长技术；第二部分是半导体硅材料，包括第5章元素半导体材料的基本性质、第6章元素半导体材料的提纯和制备、第7章区熔单晶硅的生长和制备、第8章直拉单晶硅的生长和制备、第9章直拉单晶硅的杂质和缺陷、第10章硅薄膜半导体材料；第三部分是化合物半导体材料，包括第11章Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料、第12章Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料、第13章氧化物半导体材料、第14章Ⅳ-Ⅳ族化合物半导体材料；第四部分是第15章有机半导体材料。 本书在杨德仁20多年使用的教学讲义、电子课件的基础上，主要由杨德仁、朱笑东和皮孝东共同编写，并由杨德仁负责主编。其中，杨德仁编写了第1章、第2章、第6章、第8章和第9章，朱笑东编写了第3章、第4章、第5章、第7章、第10章、第11章和第12章，皮孝东和夏宁编写了第13章，皮孝东和黄渊超编写了第14章，皮孝东和刘晓编写了第15章。开翠红参与了第11章中GaN半导体材料部分内容的撰写，豆茂峰和邓天琪参与了第13章中ZnO半导体材料部分内容的撰写。本书由杨德仁统一修改、定稿，由朱笑东统一编辑、校对。在本书编写过程中，李昌治、步明轩、童周禹、王坤等人阅览了本书的初稿，并提出了许多宝贵意见，在此一并表示衷心感谢。 在教学中，可以根据教学对象和学时等具体情况对书中的内容进行删减和组合，也可以进行适当扩展，参考学时为32学时。同时，为了改善教学效果，与本书配套的MOOC课程已在中国大学MOOC平台上线，欢迎已购买本书的读者学习、参考。本书提供配套的习题参考答案等，请登录华信教育资源网（www.hxedu.com.cn）注册后免费下载，也可联系本书编辑（wangxq@phei.com.cn）索取。 本书的编写参考了大量相关的科技文献，吸取了许多专家和同仁的宝贵经验，在此向他们深表谢意。 半导体材料体系众多，知识更新迅速。由于作者的知识面和水平有限，书中肯定会存在一些缺点和错误，恳请读者批评指正。 杨德仁 2024年元月于求是园展开作者简介
杨德仁，半导体材料学家，中国科学院院士。现任浙江大学硅及先进半导体材料全国重点实验室主任、杭州国际科创中心首席科学家，并任浙大宁波理工学院校长，国家自然科学基金创新研究群体负责人；兼任中国可再生能源学会副理事长等， Elsevier旗下Micro and Nanostructures等杂志主编。长期从事半导体硅材料的研究，曾主持国家973、863、国家重大专项、国家自然科学基金重大、重点等项目，以第一获奖人获得国家自然科学二等奖2项，国家技术发明二等奖1项，何梁何利科学与技术进步奖。 -
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