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集成电路制造与封装基础 版权信息
- ISBN：9787030583864
- 条形码：9787030583864 ; 978-7-03-058386-4
- 装帧：一般胶版纸
- 册数：暂无
- 重量：暂无
- 所属分类：>>
集成电路制造与封装基础 本书特色
本课程基于2013陕西省立项的精品课程《集成电路工艺理论与实践》，整合前期《半导体工艺原理》、《集成电路封装与测试》和《生产实习》等已有的校内课程建设，形成本书
集成电路制造与封装基础 内容简介
本书主要介绍了半导体性质、硅片制备、氧化技术、光刻技术、图形技术、掺杂技术、薄膜物理制备、薄膜化学制备、工艺集成、工艺监控、封装技术、可靠性设计、可靠性筛选和组装检测等微电子技术领域的基本内容，这些内容为进一步掌握半导体材料、半导体器件和集成电路制造、封装和测试的基本理论和方法奠定坚实的基础。
集成电路制造与封装基础 目录
目录
**篇 半导体材料与衬底
第1章 半导体的性质 3
1.1 半导体的概述 3
1.1.1 半导体的基本性质 3
1.1.2 半导体的发展应用 4
1.2 半导体的晶体结构和分类 7
1.2.1 半导体的晶体结构 7
1.2.2 半导体的分类 11
1.3 半导体的缺陷 12
1.3.1 点缺陷 13
1.3.2 线缺陷 14
1.3.3 面缺陷 15
1.3.4 体缺陷 16
1.4 半导体的电子状态和能带 16
1.4.1 原子能级和晶体能带 16
1.4.2 晶体的能带结构 18
1.5 半导体的导电机制 19
1.6 半导体的杂质能级 20
1.6.1 施主杂质和施主能级 20
1.6.2 受主杂质和受主能级 21
1.7 半导体的缺陷能级 22
1.7.1 点缺陷能级 22
1.7.2 线缺陷能级 25
习题 26
参考文献 26
第2章 硅和硅片的制备 27
2.1 硅源的合成 27
2.1.1 硅的初级加工 27
2.1.2 硅的中间产物 28
2.2 多晶硅的提纯与制备 32
2.2.1 多晶硅的提纯 32
2.2.2 多晶硅的制备 32
2.3 单晶硅的生长 35
2.3.1 晶体的掺杂 35
2.3.2 直拉法 37
2.3.3 区熔法 39
2.3.4 其他的制备方法 41
2.4 硅片的加工 42
2.5 硅片的清洗 47
2.5.1 硅片的干法清洗 47
2.5.2 硅片的湿法清洗 48
2.5.3 新型清洗技术 50
2.6 硅片的检验与包装 52
2.6.1 硅片的检验 52
2.6.2 硅片的包装 54
2.7 带状硅的制备 55
习题 57
参考文献 57
第二篇 半导体工艺原理
第3章 氧化技术 61
3.1 二氧化硅的性质和应用 61
3.1.1 二氧化硅的基本结构 61
3.1.2 二氧化硅的性质 63
3.1.3 二氧化硅在集成电路中的应用 64
3.2 热氧化的基本原理 65
3.2.1 二氧化硅的生长 65
3.2.2 迪尔-格罗夫模型 66
3.2.3 决定二氧化硅生长的因素 69
3.2.4 影响二氧化硅生长的因素 71
3.3 氧化方法 75
3.3.1 热生长氧化法 76
3.3.2 掺氯氧化法 81
3.3.3 热分解淀积法 82
3.4 氧化工艺的质量检测 85
3.4.1 氧化膜的缺陷检验 85
3.4.2 氧化膜的物理测量 86
3.4.3 氧化膜的光学测量 87
3.4.4 氧化膜的电学测量 88
3.4.5 氧化层密度的测量 91
习题 92
参考文献 92
第4章 图形技术 93
4.1 图形加工 93
4.1.1 图形加工的流程 94
4.1.2 图形加工的缺陷 98
4.2 光刻技术 100
4.2.1 洁净室 101
4.2.2 光刻胶 101
4.2.3 掩膜版 105
4.2.4 光刻技术分类 107
4.2.5 传统曝光技术 110
4.2.6 分辨率增强技术 112
4.2.7 新型曝光技术 114
4.3 刻蚀技术 117
4.3.1 湿法刻蚀 118
4.3.2 干法刻蚀 121
习题 130
参考文献 131
第5章 掺杂技术 132
5.1 合金法 132
5.2 扩散技术 133
5.2.1 扩散方程 133
5.2.2 扩散类型 135
5.2.3 扩散机理 139
5.2.4 扩散方法 146
5.2.5 扩散设备 151
5.3 离子注入法 154
5.3.1 离子注入的机理 154
5.3.2 离子注入的分布 159
5.3.3 离子注入的设备 160
5.3.4 离子注入的效应 162
5.3.5 离子注入的应用及展望
165 习题 166
参考文献 166
第三篇 薄膜技术
第6章 薄膜的物理制备 169
6.1 真空技术 169
6.1.1 真空的概念 169
6.1.2 真空的获取 170
6.1.3 真空的检漏 176
6.1.4 真空的测量 177
6.2 真空蒸镀 181
6.2.1 真空蒸镀的原理 181
6.2.2 真空蒸镀的分类及特点 182
6.3 溅射镀膜 184
6.3.1 溅射的基本原理 185
6.3.2 溅射镀膜的分类 186
6.3.3 溅射镀膜的特点 189
6.4 离子镀 190
6.4.1 离子镀的基本原理 190
6.4.2 离子镀的分类 191
6.4.3 离子镀的优点 192
6.5 分子束外延 192
6.5.1 分子束外延的基本原理 193
6.5.2 分子束外延的特点 193
6.5.3 分子束外延的缺陷 194
6.5.4 分子束外延的影响因素 196
6.6 脉冲激光沉积 197
6.6.1 脉冲激光沉积的原理 197
6.6.2 脉冲激光沉积的特点 198
6.6.3 脉冲激光沉积的影响因素 199
习题 200
参考文献 200
第7章 薄膜的化学制备 202
7.1 化学气相沉积 202
7.1.1 化学气相沉积的基本原理 203
7.1.2 化学气相沉积的常用方法 204
7.1.3 化学气相沉积的发展趋势及特点 213
7.2 化学溶液制备 214
7.2.1 化学反应沉积法 214
7.2.2 阳极氧化法 216
7.2.3 电镀法 216
7.2.4 喷雾热分解法 218
习题 219
参考文献 219
第四篇 工艺集成与封装
第8章 工艺集成 223
8.1 金属化与多层互连 223
8.1.1 金属互连线 223
8.1.2 欧姆接触 224
8.1.3 布线技术 227
8.1.4 多层互连 232
8.1.5 铜多层互连系统工艺 235
8.2 CMOS集成电路工艺 237
8.2.1 隔离工艺 238
8.2.2 双阱工艺 240
8.2.3 薄栅氧化 241
8.2.4 非均匀沟道掺杂 241
8.2.5 自对准工艺 242
8.2.6 源/漏技术与浅结形成 243
8.2.7 CMOS电路工艺流程 244
8.3 双极型集成电路工艺 250
8.3.1 标准埋层双极型晶体管工艺流程 251
8.3.2 其他先进的双极型集成电路工艺流程 253
习题 255
参考文献 255
第9章 工艺检测及监控 257
9.1 工艺检测的概述 257
9.1.1 **类工艺检测 257
9.1.2 第二类工艺检测 259
9.2 工艺检测的内容 259
9.2.1 晶片检测 259
9.2.2 氧化层检测 261
9.2.3 光刻工艺检测 262
9.2.4 扩散层检测 263
9.2.5 离子注入层检测 265
9.2.6 外延层检测 266
9.3 工艺监控 267
9.3.1 工艺实时监控 268
9.3.2 工艺检测片 268
9.3.3 集成结构测试图形 268
习题 275
参考文献 275
第10章 封装技术 276
10.1 封装技术发展的现状 276
10.1.1 封装的概念 276
10.1.2 封装的层次 277
10.1.3 封装的作用 278
10.1.4 封装的发展历史 279
10.2 封装的工艺流程 280
10.2.1 芯片减薄和切割 281
10.2.2 芯片贴装 282
10.2.3 芯片互连 284
10.2.4 封装成型技术 292
10.2.5 去飞边毛刺 293
10.2.6 其他工艺流程 293
10.3 封装材料 294
10.3.1 陶瓷封装材料 294
10.3.2 金属封装材料 295
10.3.3 塑料封装材料 296
10.3.4 焊接材料 298
10.3.5 基板材料 298
10.4 先进的封装技术 299
10.4.1 球栅阵列封装 299
10.4.2 芯片尺寸封装 303
10.4.3 晶圆级封装 307
10.4.4 倒装芯片封装 310
10.4.5 多芯片组件封装 314
10.4.6 三维封装 316
习题 318
参考文献 319
第五篇 元器件可靠性设计与组装
第11章 元器件可靠性设计 323
11.1 可靠性内涵及表征 323
11.1.1 可靠性内涵 323
11.1.2 可靠性表征 324
11.2 可靠性设计分类 328
11.3 降额设计 329
11.4 热设计 332
11.4.1 失效率与温度关系 332
11.4.2 热设计思路 334
11.4.3 表面贴装元件热设计方法 334
11.5 静电防护设计 337
11.5.1 静电放电现象 337
11.5.2 静电放电损伤 338
11.5.3 静电放电防护 339
11.6 抗辐射加固技术 341
11.6.1 辐射效应分类 341
11.6.2 抗辐射加固措施 343
11.6.3 抗辐射加固原则 344
11.7 耐环境设计 344
11.7.1 元器件失效模式 345
11.7.2 耐环境设计方法 346
11.8 可靠性试验 347
11.8.1 可靠性试验方法 347
11.8.2 可靠性筛选种类 349
习题 352
参考文献 353
第12章 表面组装技术 354
12.1 表面组装概述 354
12.2 表面组装元器件及印刷电路板 355
12.2.1 表面组装元器件 355
12.2.2 印刷电路板 356
12.3 表面组装工艺材料 358
12.3.1 贴片胶 358
12.3.2 焊膏 359
12.4 表面组装工艺 361
12.4.1 涂敷和贴片技术 363
12.4.2 自动焊接技术 363
12.5 表面组装检测技术 365
12.5.1 组装工序检测 366
12.5.2 常用的检测方法 368
习题 375
参考文献 376
附表
附表A 检测项目和陪片设置 379
附表B 微电子封装的主要类型 380
**篇 半导体材料与衬底
第1章 半导体的性质 3
1.1 半导体的概述 3
1.1.1 半导体的基本性质 3
1.1.2 半导体的发展应用 4
1.2 半导体的晶体结构和分类 7
1.2.1 半导体的晶体结构 7
1.2.2 半导体的分类 11
1.3 半导体的缺陷 12
1.3.1 点缺陷 13
1.3.2 线缺陷 14
1.3.3 面缺陷 15
1.3.4 体缺陷 16
1.4 半导体的电子状态和能带 16
1.4.1 原子能级和晶体能带 16
1.4.2 晶体的能带结构 18
1.5 半导体的导电机制 19
1.6 半导体的杂质能级 20
1.6.1 施主杂质和施主能级 20
1.6.2 受主杂质和受主能级 21
1.7 半导体的缺陷能级 22
1.7.1 点缺陷能级 22
1.7.2 线缺陷能级 25
习题 26
参考文献 26
第2章 硅和硅片的制备 27
2.1 硅源的合成 27
2.1.1 硅的初级加工 27
2.1.2 硅的中间产物 28
2.2 多晶硅的提纯与制备 32
2.2.1 多晶硅的提纯 32
2.2.2 多晶硅的制备 32
2.3 单晶硅的生长 35
2.3.1 晶体的掺杂 35
2.3.2 直拉法 37
2.3.3 区熔法 39
2.3.4 其他的制备方法 41
2.4 硅片的加工 42
2.5 硅片的清洗 47
2.5.1 硅片的干法清洗 47
2.5.2 硅片的湿法清洗 48
2.5.3 新型清洗技术 50
2.6 硅片的检验与包装 52
2.6.1 硅片的检验 52
2.6.2 硅片的包装 54
2.7 带状硅的制备 55
习题 57
参考文献 57
第二篇 半导体工艺原理
第3章 氧化技术 61
3.1 二氧化硅的性质和应用 61
3.1.1 二氧化硅的基本结构 61
3.1.2 二氧化硅的性质 63
3.1.3 二氧化硅在集成电路中的应用 64
3.2 热氧化的基本原理 65
3.2.1 二氧化硅的生长 65
3.2.2 迪尔-格罗夫模型 66
3.2.3 决定二氧化硅生长的因素 69
3.2.4 影响二氧化硅生长的因素 71
3.3 氧化方法 75
3.3.1 热生长氧化法 76
3.3.2 掺氯氧化法 81
3.3.3 热分解淀积法 82
3.4 氧化工艺的质量检测 85
3.4.1 氧化膜的缺陷检验 85
3.4.2 氧化膜的物理测量 86
3.4.3 氧化膜的光学测量 87
3.4.4 氧化膜的电学测量 88
3.4.5 氧化层密度的测量 91
习题 92
参考文献 92
第4章 图形技术 93
4.1 图形加工 93
4.1.1 图形加工的流程 94
4.1.2 图形加工的缺陷 98
4.2 光刻技术 100
4.2.1 洁净室 101
4.2.2 光刻胶 101
4.2.3 掩膜版 105
4.2.4 光刻技术分类 107
4.2.5 传统曝光技术 110
4.2.6 分辨率增强技术 112
4.2.7 新型曝光技术 114
4.3 刻蚀技术 117
4.3.1 湿法刻蚀 118
4.3.2 干法刻蚀 121
习题 130
参考文献 131
第5章 掺杂技术 132
5.1 合金法 132
5.2 扩散技术 133
5.2.1 扩散方程 133
5.2.2 扩散类型 135
5.2.3 扩散机理 139
5.2.4 扩散方法 146
5.2.5 扩散设备 151
5.3 离子注入法 154
5.3.1 离子注入的机理 154
5.3.2 离子注入的分布 159
5.3.3 离子注入的设备 160
5.3.4 离子注入的效应 162
5.3.5 离子注入的应用及展望
165 习题 166
参考文献 166
第三篇 薄膜技术
第6章 薄膜的物理制备 169
6.1 真空技术 169
6.1.1 真空的概念 169
6.1.2 真空的获取 170
6.1.3 真空的检漏 176
6.1.4 真空的测量 177
6.2 真空蒸镀 181
6.2.1 真空蒸镀的原理 181
6.2.2 真空蒸镀的分类及特点 182
6.3 溅射镀膜 184
6.3.1 溅射的基本原理 185
6.3.2 溅射镀膜的分类 186
6.3.3 溅射镀膜的特点 189
6.4 离子镀 190
6.4.1 离子镀的基本原理 190
6.4.2 离子镀的分类 191
6.4.3 离子镀的优点 192
6.5 分子束外延 192
6.5.1 分子束外延的基本原理 193
6.5.2 分子束外延的特点 193
6.5.3 分子束外延的缺陷 194
6.5.4 分子束外延的影响因素 196
6.6 脉冲激光沉积 197
6.6.1 脉冲激光沉积的原理 197
6.6.2 脉冲激光沉积的特点 198
6.6.3 脉冲激光沉积的影响因素 199
习题 200
参考文献 200
第7章 薄膜的化学制备 202
7.1 化学气相沉积 202
7.1.1 化学气相沉积的基本原理 203
7.1.2 化学气相沉积的常用方法 204
7.1.3 化学气相沉积的发展趋势及特点 213
7.2 化学溶液制备 214
7.2.1 化学反应沉积法 214
7.2.2 阳极氧化法 216
7.2.3 电镀法 216
7.2.4 喷雾热分解法 218
习题 219
参考文献 219
第四篇 工艺集成与封装
第8章 工艺集成 223
8.1 金属化与多层互连 223
8.1.1 金属互连线 223
8.1.2 欧姆接触 224
8.1.3 布线技术 227
8.1.4 多层互连 232
8.1.5 铜多层互连系统工艺 235
8.2 CMOS集成电路工艺 237
8.2.1 隔离工艺 238
8.2.2 双阱工艺 240
8.2.3 薄栅氧化 241
8.2.4 非均匀沟道掺杂 241
8.2.5 自对准工艺 242
8.2.6 源/漏技术与浅结形成 243
8.2.7 CMOS电路工艺流程 244
8.3 双极型集成电路工艺 250
8.3.1 标准埋层双极型晶体管工艺流程 251
8.3.2 其他先进的双极型集成电路工艺流程 253
习题 255
参考文献 255
第9章 工艺检测及监控 257
9.1 工艺检测的概述 257
9.1.1 **类工艺检测 257
9.1.2 第二类工艺检测 259
9.2 工艺检测的内容 259
9.2.1 晶片检测 259
9.2.2 氧化层检测 261
9.2.3 光刻工艺检测 262
9.2.4 扩散层检测 263
9.2.5 离子注入层检测 265
9.2.6 外延层检测 266
9.3 工艺监控 267
9.3.1 工艺实时监控 268
9.3.2 工艺检测片 268
9.3.3 集成结构测试图形 268
习题 275
参考文献 275
第10章 封装技术 276
10.1 封装技术发展的现状 276
10.1.1 封装的概念 276
10.1.2 封装的层次 277
10.1.3 封装的作用 278
10.1.4 封装的发展历史 279
10.2 封装的工艺流程 280
10.2.1 芯片减薄和切割 281
10.2.2 芯片贴装 282
10.2.3 芯片互连 284
10.2.4 封装成型技术 292
10.2.5 去飞边毛刺 293
10.2.6 其他工艺流程 293
10.3 封装材料 294
10.3.1 陶瓷封装材料 294
10.3.2 金属封装材料 295
10.3.3 塑料封装材料 296
10.3.4 焊接材料 298
10.3.5 基板材料 298
10.4 先进的封装技术 299
10.4.1 球栅阵列封装 299
10.4.2 芯片尺寸封装 303
10.4.3 晶圆级封装 307
10.4.4 倒装芯片封装 310
10.4.5 多芯片组件封装 314
10.4.6 三维封装 316
习题 318
参考文献 319
第五篇 元器件可靠性设计与组装
第11章 元器件可靠性设计 323
11.1 可靠性内涵及表征 323
11.1.1 可靠性内涵 323
11.1.2 可靠性表征 324
11.2 可靠性设计分类 328
11.3 降额设计 329
11.4 热设计 332
11.4.1 失效率与温度关系 332
11.4.2 热设计思路 334
11.4.3 表面贴装元件热设计方法 334
11.5 静电防护设计 337
11.5.1 静电放电现象 337
11.5.2 静电放电损伤 338
11.5.3 静电放电防护 339
11.6 抗辐射加固技术 341
11.6.1 辐射效应分类 341
11.6.2 抗辐射加固措施 343
11.6.3 抗辐射加固原则 344
11.7 耐环境设计 344
11.7.1 元器件失效模式 345
11.7.2 耐环境设计方法 346
11.8 可靠性试验 347
11.8.1 可靠性试验方法 347
11.8.2 可靠性筛选种类 349
习题 352
参考文献 353
第12章 表面组装技术 354
12.1 表面组装概述 354
12.2 表面组装元器件及印刷电路板 355
12.2.1 表面组装元器件 355
12.2.2 印刷电路板 356
12.3 表面组装工艺材料 358
12.3.1 贴片胶 358
12.3.2 焊膏 359
12.4 表面组装工艺 361
12.4.1 涂敷和贴片技术 363
12.4.2 自动焊接技术 363
12.5 表面组装检测技术 365
12.5.1 组装工序检测 366
12.5.2 常用的检测方法 368
习题 375
参考文献 376
附表
附表A 检测项目和陪片设置 379
附表B 微电子封装的主要类型 380
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集成电路制造与封装基础 节选
**篇 半导体材料与衬底 第1章 半导体的性质 半导体技术是电子信息产业发展的基础，对航空航天技术、国防现代化乃至国民经济都会产生深刻的影响。半导体技术的发展直接依赖于半导体材料的开发和利用。半导体材料是半导体技术的重要分支之一，是半导体技术发展的物质基础。半导体材料在半导体行业中主要用来制作晶体管、固态激光器和集成电路等产品。半导体产品的性能、成品率和可靠性，除了与半导体产品本身的设计和制造工艺有关外，在很大程度上取决于半导体材料的质量。因此，半导体技术的发展，促进了半导体材料性能的提高；而半导体材料内在质量的改进，反过来又推动半导体技术向更高的水平迈进。本章主要介绍半导体材料的性质。 1.1 半导体的概述 常见的半导体有硅（Si）、锗（Ge）和砷化镓（GaAs）等，是制作晶体管、集成电路、电力电子器件和光电子器件的重要材料，支撑着通信、计算机、信息家电与网络技术等电子信息产业的发展。半导体是导电性可受控制，范围为绝缘体至导体的材料，它的发展对半导体工业的发展具有极大的影响。 1.1.1 半导体的基本性质 根据材料的导电性质，通常把导电性、导热性差的材料，称为绝缘体；而把导电性和导热性都比较好的金属材料称为导体；把介于绝缘体和导体之间的材料称为半导体[1]。典型三种材料的电阻率和电导率，如图1-1所示。 图1-1 典型绝缘体、半导体及导体的电阻率和电导率范围 从图1-1中可以看出，绝缘物质的电阻率分布在 108～1018Ω cm，如熔融石英、金刚石、玻璃和硫等固态物质都分布在这个区间；导体物质的电阻率一般小于 10.3Ω cm，如铋、铂、铝、铜和银等金属都处于这个区间；而电阻率在 10.3～108Ω cm，介于绝缘体和导体之间的固态物质，则是本书主要研究的固态物质—半导体材料，如锗、硅和砷化镓等。半导体材料的主要特性 [2]如下所示。 1）掺杂特性 完全不含杂质且无晶格缺陷的纯净半导体称为本征半导体，其电阻率很高。如果在本征半导体中有选择地掺入微量的某种杂质元素，就会使它的电阻率发生极大的变化。例如，在室温下的纯硅中掺入百万分之一的硼元素，其电阻率就会从 2.14×105Ω cm减小到 0.4Ω cm，可以使硅的导电能力提高 50多万倍。这种适当掺入极微量的杂质元素，使导电性能显著增加的现象，是半导体*显著、*突出的特性——掺杂特性。正是通过掺入某些特定的杂质元素，可人为地、精确地控制半导体的导电能力，用以制作各种半导体器件。 2）光敏特性 半导体的电阻率对光的变化十分敏感。有光照时，电阻率很小；无光照时，电阻率很大。例如，常用的硫化镉光敏电阻，在没有光照时，电阻高达几十兆欧姆；受到光照时，电阻降到几十千欧姆，电阻值改变了上千倍。利用半导体的光敏特性，可制作出多种类型的光电器件，如光电二极管、光电三极管和硅光电池等。 3）热敏特性 半导体的电阻率随温度变化会发生明显的改变。例如，纯锗温度每升高10℃，其电阻率就要减小到原来的1/2。温度的细微变化，能从半导体电阻率的明显变化上反映出来。这种半导体的导电能力与温度的密切关系特性，称为半导体的热敏特性。利用半导体的热敏特性，可以制作感温元件 —热敏电阻，可应用于温度测量和控制系统中。值得注意的是，各种半导体器件都因存在着热敏特性，在环境温度变化时影响其工作的稳定性。 此外，半导体材料还具有负电阻率温度特性、整流特性、电场和磁场效应等特性。 1.1.2 半导体的发展应用 半导体因其独*的电学性能，受到人们的广泛关注和深入研究。在实际的应用中，出现了整流管、三极管、场效应管以及平面工艺后的大规模集成电路和超大规模集成电路，同时开发出高温、高频、抗辐射及大功率等特殊的半导体器件。半导体的研发水平及产业化规模已成为衡量一个国家经济社会发展、科技进步和国防实力的重要标志。 1．半导体的发展 人类认识半导体开始于18世纪电现象的发现。1833年，英国巴拉迪*先发现硫化银的电阻随温度的变化情况不同于一般金属，其电阻随着温度的上升而降低，即热敏效应，这是人们对半导体现象的首次发现。1839年，法国的贝克莱尔发现半导体和电解质接触形成的结，在光照下会产生一个电压，这就是后来人们熟知的光生伏特效应。1873年，英国的史密斯发现硒晶体材料在光照下电导增加的光电导效应。1874年，德国的布劳恩观察到某些硫化物的电导率与所加电场的方向有关，即它的导电有方向性。研究发现，在硫化物的两端加一个正向电压是导通的；如果把电压极性反过来则不导电，即为半导体的整流效应。同年，舒斯特又发现了铜与氧化铜的整流效应。虽然这四个效应早在 1880年以前就被发现，但是半导体这个名词大概到 1911年才被考尼白格和维斯首次使用，直到 1947年才在贝尔实验室得以总结。 20世纪初，人们应用半导体制出氧化亚铜低功率整流器和硒整流器等器件。尽管对其做了大量的研究工作，但由于在本质上缺乏理论上的认识，进展不大。20世纪 30年代初，由于量子力学的发展，能带理论被提出。固体能带理论解释了半导体的本质，为半导体材料和器件的发展打下了坚实的理论基础。 1948年，锗晶体管的诞生掀起了电子工业的革命，打破了电子管一统天下的局面，从电子管时代进入半导体时代。此后，由于制造器件的需要，半导体的制备技术获得很大的进步。例如，直拉单晶、区熔提纯和高纯硅制备以及无位错硅单晶拉制等技术逐步完善并发展成熟，基本上解决了硅、锗器件的材料问题。 20世纪60年代，以硅氧化和外延生长为前导的硅平面器件工艺的形成，使硅集成电路的研制获得成功，促使半导体工业的发展发生了一次飞跃。目前，大规模集成电路和超大规模集成电路已成为微电子技术的核心，为航天技术、高速计算技术等高科技的发展提供了条件，促进了整个社会的技术革命。 在硅、锗元素半导体材料研究的同时，其他半导体材料也取得了重大的进步。1952年，韦尔克等发现元素周期表中Ⅲ族和Ⅴ族元素形成的二元化合物及多元化合物也是半导体材料。例如，砷化镓具有硅、锗不具备的电子迁移率高、禁带宽度大等优异特性；另外，砷化镓具有直接带隙结构和负阻效应，适合制作微波和光电器件。然而，这些化合物材料的制备远比硅、锗困难，直到 20世纪 50年代末，才用水平布里奇曼法制备出砷化镓单晶。1965年，氧化硼液封拉制砷化镓单晶技术的发现，为工业化生长Ⅲ-Ⅴ族化合物打下了基础。20世纪 60年代初，液相外延和气相外延生长技术成功应用于化合物半导体薄膜的生长，自此半导体激光器等化合物半导体器件相继问世，化合物半导体的发展进入了高潮。 20世纪70年代，分子束外延生长和金属有机气相外延生长技术的发展，可把外延层的厚度控制在原子层数量级，制备出量子阱、超晶格和应变层复合材料。超晶格的出现是半导体材料发展的又一个里程碑。低维材料推动着量子阱激光器、高速二维电子器件和光电集成器件的发展，同时也为根据半导体能带结构的差异而设计、生长新型的超晶格材料，为器件制作从杂质工程走向能带工程开拓了广阔的道路。 20世纪90年代初，通过获得高质量P型氮化镓（GaN）外延薄膜材料，制作出了高亮度蓝色发光二极管并迅速产业化，为实现全彩显示奠定了基础。 2．半导体的应用 半导体的物理性质是其产品应用的基础，表1-1列出了主要半导体材料的物理性质及应用情况。禁带宽度决定发射光的波长，禁带宽度越大，发射光的波长越短（蓝光发射）；禁带宽度越小，发射光的波长越长。电子迁移速率决定半导体低压条件下的高频工作性能，饱和速率决定半导体高压条件下的高频工作性能。 表1-1 主要半导体材料的物理性质及应用 根据重要性和开发成功的先后顺序，半导体材料可以分为三代[3]。 **代半导体主要是指硅、锗元素半导体。硅材料具有储量丰富、价格低廉、热性能与机械性能优良及易于生长大尺寸高纯度晶体等优点。目前，硅材料仍是电子信息产业*主要的基础材料，95%以上的半导体器件和 99%以上的集成电路都是用硅材料制作的。在 21世纪，硅材料的主导和核心地位仍不会动摇。然而，硅材料的物理性质限制了其在光电子和高频、高功率器件上的应用。 第二代半导体主要是指砷化镓和磷化铟等Ⅲ-Ⅴ族二元化合物半导体。砷化镓是研究*深入、应用*广泛的半导体材料，技术较成熟。砷化镓是一种直接带隙的半导体材料，且具有禁带宽度宽、电子迁移率高的优点，不仅可直接研制光电
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