电子信息材料PPT版Word文件下载.docx

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→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、LiNbO3、K（Ta，Nb）O3●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→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●SmartCutSOI：

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SiO2和SiNxOy。

→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CoSi2或TiSi2/CoSi2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SiO2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SiO2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=I0exp-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（ћυ）<

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。

fv－fc<

0,即Fc－Fv>

Ec－Ev﹦ћυ→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●980nmInGaAs/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——非本征光电导型光伏型光电探测器

●光伏型光电探测器是利用半导体pn结或肖特基结在光的作用下产生光电压（或光电流）进行光电探测的器件。

（如：

光电池）●光伏型光电探测器主要优点：

→无需偏执电压→直接进行光电能量转换●雪崩型的光电探测器也是光伏型的光电探测器，具有与光电倍增管类似的内部增益，具有更高的探测灵敏度，但是只能工作于光电导模式。

光电探测器工作性能参数

●响应度RI、RV——与波长有关RI=Ip÷

Pi；

RV=Vp÷

Pi;

RV=RI×

Rd.●外量子效率ηEηE=hυRI/q;

ηE=1.24RI/λ●暗电流Id——决定噪声特性宽禁带紫外光电探测器材料

●采用禁带较宽的材料可望在较短的波长上获得较好的响应。

●2eV以上的宽禁带半导体材料主要包括IV族的SiC和金刚石，III-V族的氮化物GaN、AlN、InN及其合金，以及不少II-VI族化合物及其合金。

●对于紫外光电探测器，要充分抑制在可见光及红外光波段的响应。

除需选用具有合适的禁带宽度的材料体系以充分利用自身的波长选择作用外，另一个重要的方面是必须提高材料的晶体结构完整性，避免引入不必要的杂质。

●短波红外新型光电探测器材料●中波、长波红外量子阱光电探测器材料●光电子集成电路及光子集成电路材料

3有机光电子材料

光诱导电子转移与电荷转移

●光诱导电子转移——在一个反应体系里，如存在着几种不同化合物的分子，当其中之一被激发后，被激发的分子容易和另一种分子发生分子间的电子转移。

特别是前者具有电子给体（或受体）性质、后者具有电子受体（或给体）性质时。

●光诱导电子转移化合物除了有发色团间相互隔离的体系外，还有发色团间的相互共轭的化合物。

●电荷转移——分子内共轭的电荷转移化合物在受光照后发生的并非是“一个”电子转移的过程，而是发生了“部分”电子转移，即电荷转移。

（表明分子内集团间存在着强互扰作用）基团效应

●光顺-反异构、发光行为等●芪类化合物

分子的构象效应

●顺、反式取代导致化合物荧光量子产率不同

●双键阻抑有利于荧光发射●单键阻抑导致荧光发射大大降低

●自去耦导致荧光猝灭或出现双重荧光，A*能引起荧光增强扭曲的分子内电荷转移

●通过分子内原来的共平面电子给体和受体两部分间的夹面扭曲导致相互正交而实现隔离的强烈的电荷转移会导致扭曲而形成电子转移，从而导致荧光猝灭。

●因分子振动导致两个正交平面，发生局部电子云重叠，因而出现了具有电子转移特征的反常发光带，升高温度会促使该反常发光峰强度增加，由此可判断是否出现了TICT。

光异构化反应及双稳态体系

●光异构化反应：

顺反异构化、价键异构化、互变异构化●顺反异构化——处于激发态的反式化合物分子越过这一势垒到达一中间旋转态（幻影态），再经“漏斗”区而到达顺势分子基态。

由于顺势分子基态处于较高能级，因此在暗场下它可在热能帮助下，越过另一势垒回到反式分子基态。

●芪氏化合物光敏化机制：

→通过激发敏化分子能量转移，使芪氏化合物分子激发态为S1或T1，然后发生异构化反应。

其下又分为：

垂直能量转移、非垂直能量转移。

→仅影响反式-顺式异构化过程。

●偶氮化合物（常用作合成染料）——光异构化反应可逆。

条件：

只要溶剂纯、无氧存在，且可见或紫外光照射时无副反应发生。

价键异构化反应

●光能转换和贮存：

通过价键异构化反应可实现有效的光化学转换而得到较高内能的新化合物，从而使光能得到贮存。

●互变异构化——通过质子转移而发生的分子内酮式与烯醇式的分子重排。

（质子转移极为重要，同时还存在是否能形成双稳态的问题）有机非线性光学材料进展

●具有二阶光学效应的化合物分子必须是非中心对称的。

二阶光学效应包括产生的二次谐波（SHG）功能及电光效应。

●利用这种效应可以实现对光波强度、相位、频率、偏振以及传播方向的控制。

●这类材料一般会具有Pockels电光效应或者Kerr电光效应。

●获得实际可应用光电材料途径：

→高分子化法→小分子结晶化法●有机非线性光学分子（或基团）接枝于高分子链组成新材料是因为要克服染料/高聚物主-客体系存在严重性能不稳定性而发展起来的。

电光效应

●电光效应（Electro-opticaleffect）是指在晶体上加有外电场时，晶体的折射率发生变化的一种现象。

●产生电光效应的机理：

由于电场会改变分子或原子中电子的运动，或者改变晶体的结构，从而导致晶体的光学性质发生变化——折射率变化。

●Pockels效应——如果晶体折射率的变化与电场成正比，这种电光效应即称为Pockels效应。

●Kerr效应——如果折射率的变化与电场的平方成正比，这种电光效应即称为Kerr效应。

●Pockels效应通常要比Kerr效应强得多。

Pockels效应与Kerr效应

●该效应是1893年由德国物理学家Pockels发现的，也称为一次电光效应（线性电光效应）。

●只有非中心对称的晶体才具有Pockels效应。

例如，中心对称的NaCl就不具有Pockels效应，而非中心对称的GaAs即具有Pockels效应。

其它具有Pockels效应的晶体有如ZnS、LiNbO3和KDP（KH2PO4）。

实际上，具有Pockels效应的晶体（简称为Pockels晶体）也同时具有压电效应，因为只有非中心对称的晶体才存在这两种效应。

●对于GaAs等非中心对称的立方晶系晶体，具有光学各向同性（折射率椭球的长、短轴相等——球体），而在加有外电场时将导致出现两个不同的折射率，即产生双折射现象，这也就是Pockels效应的表现。

●Kerr效应是1875年由Kerr发现的，也称为二次电光效应（Electro-opticalKerreffect）。

●实际上，所有晶体都具有一定的Kerr效应。

有机及高分子电致发光材料的新进展

●有机高分子电致发光器件一般是由正负电极、电子传输层、发光材料层及空穴传输层部分组成。

●发光机制：

正负载流子从不同的电极注入，分别通过它们传输层在器件内的某处复合形成激子，然后激子通过辐射衰变而发出荧光。

●整个过程分为两个阶段：

→载流子注入、运输和复合→激子衰变，包括辐射与非辐射衰变间的竞争●空穴的流动速度一般大于电子的流动，因此二者相遇点是在电子注入极附近出现，导致发生严重的荧光猝灭，从而降低了器件的发光效率。

●解决办法：

→在正确测得不同传输层中载流子流动速度的基础上，改变不同载流子输运层的厚度，从而实现两种载流子在某一确定部位处重合的目的。

→控制器件内不同层间的能垒高度，如使空穴在达到某一层间时，由于势垒存在而不易越过，这样就使得电子与空穴的重合易在此处发生。

有机及高分子电致发光材料

●空穴传输材料●电子传输材料●发光层材料●电子传输发光层材料→金属络合物→含氮的杂环化合物→其他化合物材料●空穴传输发光层材料●掺杂发光物→绿色掺杂发光物→黄色掺杂发光物→蓝色掺杂发光物→红色掺杂发光物●高分子电致发光材料有机光信息存储材料的进展

●次甲基染料●酞菁染料衍生物●醌式多核芳烃染料●金属络合物类的信息记录材料

可擦光盘的有机化学材料●螺吡喃光色互变材料●俘精酸酐光色互变材料

4信息功能陶瓷材料及应用

引言

●信息功能陶瓷是指检测、转换、耦合、传输及存储电、磁、光、声、热、力、化学和生物等信息的介质材料。

●信息陶瓷主要包括：

铁电、压电、介电、热释电、半导、导电、超导和磁性等陶瓷。

片式电容

●片式化：

表面组装技术（SMT）——被誉为组装革命。

●内电极贱金属化：

用镍、铜等贱金属做内电极。

●微型化●高频化片式电感

●低温烧结●微型化●高频化●复合化和集成化

片式电感发展方向

●元件的小型化要求材料具有更小的晶粒尺寸、更高的磁导率和电阻，需要的粒度更细的陶瓷粉。

●元件的高频化需要有良好的甚高频-超高频特性的铁氧体或陶瓷介质材料。

●元件的系列化要求进一步提高Ni-Zn-Cu铁氧体的磁导率并拓展Ni-Zn-Cu铁氧体以外的其他材料体系。

●元件的集成化要求用于片式电感的铁氧体材料能够与其他的材料体实现共烧或工艺兼容。

陶瓷驱动器驱动电压及诱导位移分类

●伺服驱动（刚性位移）→偏场→伺服位移换能器→PMN基电致伸缩材料

●开关驱动（刚性位移）→脉冲电场→脉冲开关式马达→PZT基软性压电材料

●交流驱动（谐振位移）→正弦波电场→超声马达→硬性压电材料

●压电超声马达是利用压电陶瓷的逆压电效应原理制作的。

●压电马达的特点：

低转速无需变速机、大力矩、快响应、高功率密度、不产生磁场、抗磁干扰。

压电马达驱动方式分类

●按运行方式分：

驻波、行波、蠕动爬行●按运动形态和方式分：

椭圆运动驱动、同向驱动、单共振模式驱动●按结构分：

盘形和环形、棒状、方薄片●按功能分：

旋转马达（连续旋转、步进旋转）和直线马达（连续式、步进（蠕动）式）

压电微马达及其应用

●压电微马达的特点：

驱动电压低、转速低、力矩大（比静电微马达高三个量级）、响应快、位移分辨率高等一系列优点，将来可能为智能机器人和微机械的重要驱动器件。

●压电超声马达本身具有低速、大力距、快响应、控制性能好、可步进、可伺服工作、容易同计算机接口、可实现智能化和机电一体化、无电磁干扰和抗磁干扰等特点。

●应用目标：

厘米微马达、毫米微马达复合与复相信息功能陶瓷材料及器件

●复合材料的交叉耦合效应：

→磁致伸缩＋压电效应＝磁电效应

→霍尔效应＋电导效应＝磁阻效应

→光电导＋电致伸缩＝光致伸缩

→光膨胀＋电压效应＝热释电效应

→热膨胀＋电导效应＝热敏效应

●霍尔效应的本质是：

固体材料中的载流子在外加磁场中运动时，因为受到洛仑兹力的作用而使轨迹发生偏移，并在材料两侧产生电荷积累，形成垂直于电流方向的电场，最终使载流子受到的洛仑兹力与电场斥力相平衡，从而在两侧建立起一个稳定的电势差即霍尔电压。

正交电场和电流强度与磁场强度的乘积之比就是霍尔系数。

平行电场和电流强度之比就是电阻率。

大量的研究揭示：

参加材料导电过程的不仅有带负电的电子，还有带正电的空穴。

压电陶瓷与聚合物两相复合的各种可能

●多层结构是由横-纵向型振动的单层（片）压电陶瓷与金属内电极并联复合形成。

●多层压电陶瓷变压器及其组装成的高压电源具有体积小、质量轻、驱动电压低、升压比高、负载能力机动可调等优点。

●多层复合压电陶瓷变压器是一种新型电源变换器，能量转换方式是电-机-电。

软化学方法及意义

●硬环境制备——高温固相反应法制备陶瓷，必须在热力学平衡态。

●软环境制备——较低温度下通过一般化学反应制备材料。

可以得到多种“介稳”结构材料体系。

●软化学技术是“绿色”材料技术。

●常用的软化学：

化学前躯体过程、水热法、离子交换法、熔盐（助熔剂）法、自组装法及生物矿化过程等。

几种信息功能陶瓷薄膜

●氧化物复合膜●铁电体和金属纳米复合膜●铁电体和半导体量子点复合膜

半导体陶瓷材料与信息敏感技术●敏感元件是传感器的核心部分。

它是一类能将各种物理、化学和生物等信息转换成电信号的功能元件，具有信息感知、转换和传输功能。

敏感元件

●热敏元件

→正温度系数（PTC）→负温度系数（NTC）→PTC-NTC复合功能的V型PTCR●气敏材料●压敏材料信息功能陶瓷与器件的集成化、机敏化

●兼传感、驱动（执行）于一体的机敏陶瓷是具有自诊断、自调整、自恢复、自转换和自协调功能的智能陶瓷。

●无源机敏——若反馈和响应机制是材料本身所固有，称为无源机敏。

●有源机敏——若需要外部附加反馈系统，则成为有源机敏。

●机敏复合材料目前正蓬勃发展微波介质陶瓷与近代通信技术

●通信系统中的介质滤波器的结构有两种→采用TE01δ模式的介质谐振器型滤波器（即只允许频率与谐振频率接近的电磁波通过）→利用TEM模式介质谐振器型滤波器（即只允许频率与谐振频率接近的电磁波通过）更小巧，把谐振的电磁波能量都封闭在介质内，容易实现小型化。

●高性能微波介质材料是介质谐振器型滤波器的核心，目前对微波介质陶瓷滤波器的主要要求：

→尽可能高的相对介质常数，以减小器件尺寸。

→尽可能高的品质因数Q，以保证优良的选频特性。

→谐振频率的温度系数τf应尽可能小，以保证高的稳定性。

电子封装陶瓷基片材料