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06-18
半导体材料半导体材料想必大家都不陌生。
我们现在最常用的是硅（Si），但宽带隙半导体（WBG）是目前流行的半导体材料。
最早用于制造半导体器件的材料是锗（Ge）。
1999 年，Bardeen、Brattain 和 Shockley 使用锗制造了第一个晶体管。
到了20世纪60年代初期，硅以其诸多优点取代了锗，成为占主导地位的半导体材料：①硅的应用广泛。
硅作为沙子的主要成分，在自然界中的含量相当可观，价格也相对便宜； ②硅很容易被氧化，形成二氧化硅（SiO2）绝缘层，对于器件制造的选择性扩散工艺具有优异的阻隔性能； ③硅的带隙宽度比锗大，这意味着它可以允许更高的工作温度范围。
（WBG 的带隙比硅更宽）；除了硅之外，还有一种半导体材料，称为砷化镓（GaAs）。
虽然其电子迁移率高于硅，但在制造工艺上存在局限性。
：热处理稳定性差，氧化特性不好，价格也高；从而决定了其使用局限性，GaAs主要用于高速电路。
前面我们讲的是：（宽带隙）半导体谈半导体器件利用半导体材料的特性制造的半导体器件在我们的生活和工作中随处可见。
它们的广泛应用和多样性正在推动电力电子技术的发展。
全世界对半导体器件的研究已有10多年的历史，主要器件约有60种，还有多种衍生器件。
先说一下大概的发展过程：布劳恩是第一个研究半导体器件的人。
他于2000年发现金属和金属硫化物的接触电阻取决于所施加电压的大小和方向。
2000年，朗德发现了电致发光现象。
当他在金刚砂晶体的两点之间施加10V的电压时，他观察到晶体可以发出黄光。
巴丁和布莱登发明了点接触晶体管。
次年，肖克利发表了他关于p-n结和双极晶体管的经典文章。
下图是世界上第一个晶体管：三角形石英晶体管底部的两个点接触是由相距50um的金箔线压在半导体表面上制成的。
使用的半导体材料是锗。
当一个触点正向偏置而另一触点反向偏置时，可以观察到输入信号被放大的晶体管行为。
双极晶体管是开创现代电子学新时代的关键半导体器件。
1999年，Ebers提出了晶闸管的基本模型。
2000 年，Chapin 等人。
发明了一种对硅 p-n 结进行采样的太阳能电池。
2001年，Kroemer提出使用异质结双极晶体管来提高晶体管性能。
1999年，江崎在重掺杂p-n结中观察到负电阻特性，从而发明了隧道二极管。
隧道二极管和相关的隧道现象对欧姆接触和薄层之间的载流子穿透理论做出了巨大贡献。
对于先进集成电路来说，MOSFET是最重要的半导体器件。
Kahng 和 Atalla 在 中首次报道了这一情况。
2000 年，霍尔等人。
首次成功获得半导体受激发射。
2006年，Kroemer、Alferov和Kazarinov提出异质结构激光器。
它为现代激光二极管奠定了基础，使激光器能够在室温下连续工作。
激光二极管是广泛应用于数字视频、光纤通信、激光复印和空气污染监测等领域的关键部件。
在接下来的几年中，推出了三种重要的微波设备。
第一个是Gunn于2001年发明的转移电子晶体管（TED，又称耿氏二极管）。
TED广泛应用于毫米波频段领域，如探测系统、远程控制和微波测试仪器等。
第二种器件是碰撞电离雪崩渡越时间二极管（IMPATT），由Johnston等人于2008年发明。
它是一种能够在毫米波频段产生较大连续波功率的器件，用于雷达系统和预警系统。
优越的。
第三种器件是MESFET——金属半导体场效应晶体管，由Mead发明，是单片微波集成电路（MMIC）的关键器件。
2000年，Kahng和Shi Min发明了一种非常重要的半导体存储器件。
它是一种非易失性半导体存储器 (NVSM)，即使在断电后也能保留存储的信息。
虽然它与传统MOSFET非常相似，但最大的区别在于它增加了一个可以半永久性存储电荷的“浮栅”。
2000 年，矢野等人。
发明了第一个可以在室温下运行的单电子存储器。
1999年，博伊尔和史密斯发明了电荷耦合器件（CCD），广泛应用于数码相机和光学传感器。
2007年，张黎刚等人首先研究了谐振隧道二极管（RTD），它是大多数量子效应器件的基础。
量子器件可以显着减少完成给定电路功能的器件数量，因此具有极高的密度、超高速和更强的功能。
2000年，Mimura等人发明了MODFET，一种调制掺杂场效应晶体管。
未来的发展是在现有的基础上不断改进和优化，不断完善相应的功能。
半导体器件技术不断发展，那么相应的工艺是如何发展的呢？半导体工艺 许多重要的半导体技术都起源于几个世纪前发明的工艺。
例如，许多年前，生活在非洲西海岸维多利亚湖的人们开始使用熔炉来生长金属晶体。
该加工技术用于在预热的人工通风炉中生产碳钢。
另一个例子是平版印刷，它于2000年发明。
这种工艺最初使用石片将图案转移到模板上。
2007年，直拉发明了一种液-固单晶生长技术——直拉晶体生长法（Czochralski method），至今仍在大多数硅片生产工艺中使用。
另一种晶体生长技术是布里奇曼于2001年发明的，成为布里奇曼晶体生长技术。
应用于砷化镓等化合物半导体的晶体生长过程。
半导体中杂质原子的扩散是一项重要的半导体器件加工技术。
2000年，菲克提出了基本扩散理论。
2000年，Pfann在他的一项专利中披露了他利用扩散技术改变硅的导电类型的想法。
2007年，安德鲁斯将古老的光刻工艺应用于现代半导体器件的制造。
他使用感光且抗蚀刻的聚合物（光刻胶）来转移布局。
平版印刷技术是半导体行业的关键技术，半导体的持续快速增长很大程度上归功于此。
2000年，Frosch和Derrick提出了氧化掩模法。
他们发现氧化层可以有效阻止大多数杂质原子的扩散和渗透。
同年，谢夫塔尔等人。
发明了基于化学气相沉积的外延生长技术。
外延（Epitaxy）是指在半导体材料晶体表面生长出与半导体材料晶格结构相同的薄层的技术。
2000年，肖克利提出了一种利用离子注入技术对半导体进行掺杂的方法，可以精确控制掺杂原子的数量。
此后，扩散和离子注入技术成为半导体掺杂的两种主要方法。
扩散可用于在高温下形成深结的工艺，而离子注入是一种低温工艺，可以在半导体中创建称为浅结的掺杂区域。
2000 年，Kilby 创建了一个原型集成电路，其中包含一个双极晶体管、三个电阻器和一个电容器。
所有组件均在锗上制造并通过金属线连接以形成混合电路。
同年，诺伊斯提出在单个半导体衬底上制造所有半导体器件，并使用镀铝导线连接半导体以创建单片集成电路的想法。
下图是世界上第一块单片集成电路：2000年，霍尔尼提出了平面工艺。
该技术首先在整个半导体表面形成氧化层，然后利用光刻技术蚀刻去除部分氧化层，在氧化层上形成窗口。
杂质原子通过窗口扩散到暴露的半导体表面，在氧化层窗口下方形成p-n结。
随着集成电路的复杂性进一步增加，半导体技术已经从NMOS技术转移到CMOS技术，CMOS技术使用NMOS和PMOS结合形成的逻辑单元。
CMOS的概念是由Wanlass和Sah于2001年提出的。
CMOS的优点是CMOS逻辑单元只在逻辑状态转换时产生大电流，而在稳态时只有很小的漏电流流过，并且功耗小。
消耗量很小。
2000年，Dennard发明了一种由两个器件组成的电路，即动态随机存取存储器（DRAM）电路。
每个存储单元包含一个 MOSFET 和一个用于存储电荷的电容器，其中 MOSFET 充当对电容器充电和放电的开关。
为了进一步提高半导体器件的性能，Kerwin等人。
2008年提出了多晶硅自对准栅极工艺。
该工艺提高了器件可靠性，同时还降低了寄生电容。
同年，Manasevit和Simpson发明了金属有机化学气相沉积（MOCVD），这是一种非常重要的化合物半导体外延生长技术。
随着器件尺寸的减小，为了提高版图转移的可靠性，干法刻蚀技术取代了湿法化学刻蚀技术。
2006 年，欧文等人。
建议使用CF/O2混合气体蚀刻硅片。
同年，Cho提出了另一项重要技术——分子束外延，该技术可以在原子尺度上几乎完美地控制外延层垂直方向的成分和掺杂浓度分布。
这项技术导致了许多光学和量子器件的发明。
自 20 世纪 80 年代初以来，出现了许多新的半导体技术来满足不断缩小的器件尺寸要求。
关键技术有三项，即沟槽隔离、化学机械抛光和铜互连线。
沟槽隔离技术由Rung等人提出。
2001年隔离CMOS器件。
目前，这种方法已经取代了几乎所有其他隔离技术。
2007 年，达瓦里等人。
提出了化学机械抛光方法来实现各介质层的全面平坦化，这是多层金属镀膜的关键技术。
在亚微米器件中，一个众所周知的失效机制是电迁移，它是指当电流流过导线时，导线中的金属离子发生迁移的现象。
尽管自 20 世纪 60 年代初以来铝一直被用作互连线，但它在高电流下会出现严重的电迁移。
2007 年，Paraszczak 等人。
提出了当最小特征尺寸接近nm时使用铜互连线代替铝互连线的想法。
半导体材料和加工技术的发展带来了电子工业的快速发展。
虽然我们今天有了前人打下的基础，但我们仍然需要继续学习。
国内半导体产业的未来虽然遥远，但不能随波逐流。
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