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半导体光电子学 版权信息
- ISBN：9787030747495
- 条形码：9787030747495 ; 978-7-03-074749-5
- 装帧：一般胶版纸
- 册数：暂无
- 重量：暂无
- 所属分类：>>
半导体光电子学 本书特色
本书不仅涵盖了光电器件的基本原理，还涉及*新进展，对研究生系统学校本课程有重要的作用
半导体光电子学 内容简介
本书主要介绍纳米结构的基本光学和光电性质，包括近期新的二维单层晶体的光学性质,还有等离子、纳米光子学、紫外线量子阱激光器、宽禁带材料和异质结构等。涉及多学科交叉，包括了纳米科学、物理学、材料科学、和光学、电子和机械工程。
半导体光电子学 目录
目录
第1章 绪论 1
1.1 半导体器件及半导体IC 产业的发展历史 1
1.1.1 半导体器件早期发展 1
1.1.2 半导体IC 产业发展 2
1.1.3 摩尔定律和后摩尔时代 3
1.2 半导体材料的基本性质 4
1.2.1 半导体的结构特征 4
1.2.2 半导体的能带结构 7
1.2.3 半导体基本光学特性 10
1.3 半导体的光电应用简介 12
1.3.1 半导体发光器件原理简介 13
1.3.2 载流子跃迁发射光谱介绍 14
1.3.3 半导体发光激发过程 16
1.3.4 半导体LED 器件发展及机理概述 17
课后习题 18
参考文献 18
第2章 半导体光电子器件中的异质结与横模 20
2.1 半导体光电子器件的基本结构 20
2.1.1 PN 结 20
2.1.2 异质结 29
2.2 半导体光电子器件中的模式 41
2.2.1 横模及其物理意义 42
2.2.2 TE、TM 模及其物理意义 44
2.3 器件的远场与相差 46
2.3.1 器件的远场 46
2.3.2 器件的相差 49
课后习题 53
参考文献 53
第3章 载流子注入与速率方程 55
3.1 载流子的物理概念及其注入过程 55
3.1.1 半导体的能级与能带 55
3.1.2 半导体中的能态密度 57
3.1.3 半导体中的杂质与缺陷 58
3.1.4 半导体平衡载流子分布 59
3.1.5 半导体中载流子的注入 61
3.2 载流子的辐射与非辐射复合过程 62
3.2.1 载流子的辐射复合过程 63
3.2.2 载流子的非辐射复合过程 64
3.2.3 俄歇复合过程 67
3.2.4 表面复合 69
3.3 能带收缩与能带填充效应 69
3.3.1 能带收缩效应 70
3.3.2 能带填充效应 71
3.4 LED 载流子速率方程与发光效率 74
3.4.1 LED 发光原理 74
3.4.2 LED 载流子速率方程 76
3.4.3 LED 发光效率 78
课后习题 82
参考文献 82
第4章 半导体激光器 84
4.1 半导体激光器的速率方程推导 84
4.1.1 激光振荡增益 84
4.1.2 场速率方程 85
4.1.3 线宽增强因子 86
4.1.4 激光速率方程 88
4.2 FP 激光器阈值条件与纵模特性 90
4.2.1 FP 激光器结构及工作原理 90
4.2.2 FP 激光器阈值条件 91
4.2.3 FP 激光器纵模特征 93
4.3 半导体激光器阈值与效率 93
4.3.1 半导体激光器阈值特性 94
4.3.2 半导体激光器效率 96
4.4 半导体激光器的温度特性 97
4.5 半导体激光器的增益特性 99
课后习题 104
参考文献 104
第5章 动态单模与高速调制 106
5.1 发光二极管直接调制 106
5.2 半导体激光器直接调制 108
5.2.1 半导体激光器的瞬态特性 108
5.2.2 半导体激光器的动态分析 109
5.2.3 半导体激光器的模式稳定性问题 110
5.3 DFB 和DBR 激光器 112
5.3.1 耦合波方程 112
5.3.2 ？/4 相移的折射率耦合DFB 113
5.3.3 增益耦合DFB 114
5.3.4 DBR 激光器 114
5.3.5 工作特性 115
5.4 半导体激光器的强度噪声和线宽 116
5.4.1 肖洛-汤斯线宽 116
5.4.2 频率噪声 117
5.4.3 Langevin 噪声源 118
5.4.4 RIN 和谱密度函数 118
5.5 半导体激光器的啁啾 119
课后习题 119
参考文献 119
第6章 半导体光电探测器 121
6.1 基本结构与原理 121
6.1.1 探测器的响应度和带宽 126
6.1.2 探测器的噪声 128
6.2 快速光电二极管 134
6.3 雪崩光电二极管 134
6.3.1 雪崩光电二极管的基本结构和原理 135
6.3.2 雪崩光电二极管制备材料的选择 136
6.3.3 雪崩光电二极管的芯片结构 137
6.4 极弱光信号探测 139
6.4.1 基本型光子计数系统 139
6.4.2 辐射源补偿型光子计数系统 141
6.4.3 背景补偿型光子计数系统 142
6.5 微波光子探测器 144
6.5.1 外光电探测器 144
6.5.2 光电导探测器 144
6.5.3 光生伏特探测器 144
6.5.4 光磁电探测器 145
课后习题 145
参考文献 145
第7章 太阳能光热与光伏 146
7.1 太阳能光热吸收薄膜 146
7.1.1 太阳能光热吸收薄膜的发展历程 146
7.1.2 太阳能光热吸收薄膜的工作原理 147
7.1.3 太阳能光热吸收薄膜的分类 149
7.1.4 太阳能光热吸收薄膜的制备 150
7.2 太阳能真空集热管 152
7.3 太阳能电池基本原理 153
7.3.1 光生伏特效应 153
7.3.2 太阳能电池的电流-电压特性 154
7.3.3 太阳能电池的性能表征 155
7.4 太阳能电池的分类与特色 156
7.4.1 硅基太阳能电池 157
7.4.2 薄膜太阳能电池 158
7.4.3 新型太阳能电池 162
课后习题 173
参考文献 173
第8章 光子集成 174
8.1 光子集成的意义与瓶颈问题 174
8.1.1 光子集成的出现 174
8.1.2 光子集成的分类、意义与应用 175
8.1.3 光子集成的瓶颈问题 178
8.1.4 光子集成发展的启示：InP 还是Si 180
8.2 半导体光调制器 182
8.2.1 电吸收调制器的基本原理与工作特性 182
8.2.2 M-Z 调制器的基本原理与工作特性 188
8.3 半导体集成光源 192
8.3.1 对接生长技术 192
8.3.2 选区生长技术 193
8.3.3 量子阱混合技术 193
8.3.4 非对称双波导技术 194
课后习题 195
参考文献 195
第9章 半导体光电子器件制造技术 196
9.1 生长技术 196
9.1.1 薄膜的制备技术 196
9.1.2 物理气相沉积 198
9.1.3 化学气相沉积 203
9.1.4 其他技术 209
9.2 光刻技术 212
9.2.1 光刻技术基本原理与流程 212
9.2.2 极紫外光刻技术 218
9.2.3 电子束光刻技术 219
9.2.4 其他光刻技术 221
9.3 刻蚀技术 223
9.3.1 刻蚀技术基本原理与性能参数 224
9.3.2 湿法刻蚀 225
9.3.3 干法刻蚀 228
9.4 离子注入与快速退火技术 238
9.4.1 离子注入概述 238
9.4.2 离子注入设备及工艺 241
9.4.3 离子注入原理 244
9.4.4 注入离子在靶中的分布 248
9.4.5 注入损伤 252
9.4.6 退火 255
9.4.7 离子注入在半导体工艺中的应用 257
9.5 处理与优化技术 261
9.5.1 减薄技术 261
9.5.2 抛光技术 263
9.5.3 解离技术 269
9.6 封装与测试技术 269
9.6.1 封装技术概述 270
9.6.2 电子封装技术 272
9.6.3 光电子封装技术 275
9.6.4 半导体测试流程 278
9.6.5 半导体测试方法 282
9.6.6 半导体光电子器件参数测试 287
9.7 本章小结 295
课后习题 295
参考文献 296
第1章 绪论 1
1.1 半导体器件及半导体IC 产业的发展历史 1
1.1.1 半导体器件早期发展 1
1.1.2 半导体IC 产业发展 2
1.1.3 摩尔定律和后摩尔时代 3
1.2 半导体材料的基本性质 4
1.2.1 半导体的结构特征 4
1.2.2 半导体的能带结构 7
1.2.3 半导体基本光学特性 10
1.3 半导体的光电应用简介 12
1.3.1 半导体发光器件原理简介 13
1.3.2 载流子跃迁发射光谱介绍 14
1.3.3 半导体发光激发过程 16
1.3.4 半导体LED 器件发展及机理概述 17
课后习题 18
参考文献 18
第2章 半导体光电子器件中的异质结与横模 20
2.1 半导体光电子器件的基本结构 20
2.1.1 PN 结 20
2.1.2 异质结 29
2.2 半导体光电子器件中的模式 41
2.2.1 横模及其物理意义 42
2.2.2 TE、TM 模及其物理意义 44
2.3 器件的远场与相差 46
2.3.1 器件的远场 46
2.3.2 器件的相差 49
课后习题 53
参考文献 53
第3章 载流子注入与速率方程 55
3.1 载流子的物理概念及其注入过程 55
3.1.1 半导体的能级与能带 55
3.1.2 半导体中的能态密度 57
3.1.3 半导体中的杂质与缺陷 58
3.1.4 半导体平衡载流子分布 59
3.1.5 半导体中载流子的注入 61
3.2 载流子的辐射与非辐射复合过程 62
3.2.1 载流子的辐射复合过程 63
3.2.2 载流子的非辐射复合过程 64
3.2.3 俄歇复合过程 67
3.2.4 表面复合 69
3.3 能带收缩与能带填充效应 69
3.3.1 能带收缩效应 70
3.3.2 能带填充效应 71
3.4 LED 载流子速率方程与发光效率 74
3.4.1 LED 发光原理 74
3.4.2 LED 载流子速率方程 76
3.4.3 LED 发光效率 78
课后习题 82
参考文献 82
第4章 半导体激光器 84
4.1 半导体激光器的速率方程推导 84
4.1.1 激光振荡增益 84
4.1.2 场速率方程 85
4.1.3 线宽增强因子 86
4.1.4 激光速率方程 88
4.2 FP 激光器阈值条件与纵模特性 90
4.2.1 FP 激光器结构及工作原理 90
4.2.2 FP 激光器阈值条件 91
4.2.3 FP 激光器纵模特征 93
4.3 半导体激光器阈值与效率 93
4.3.1 半导体激光器阈值特性 94
4.3.2 半导体激光器效率 96
4.4 半导体激光器的温度特性 97
4.5 半导体激光器的增益特性 99
课后习题 104
参考文献 104
第5章 动态单模与高速调制 106
5.1 发光二极管直接调制 106
5.2 半导体激光器直接调制 108
5.2.1 半导体激光器的瞬态特性 108
5.2.2 半导体激光器的动态分析 109
5.2.3 半导体激光器的模式稳定性问题 110
5.3 DFB 和DBR 激光器 112
5.3.1 耦合波方程 112
5.3.2 ？/4 相移的折射率耦合DFB 113
5.3.3 增益耦合DFB 114
5.3.4 DBR 激光器 114
5.3.5 工作特性 115
5.4 半导体激光器的强度噪声和线宽 116
5.4.1 肖洛-汤斯线宽 116
5.4.2 频率噪声 117
5.4.3 Langevin 噪声源 118
5.4.4 RIN 和谱密度函数 118
5.5 半导体激光器的啁啾 119
课后习题 119
参考文献 119
第6章 半导体光电探测器 121
6.1 基本结构与原理 121
6.1.1 探测器的响应度和带宽 126
6.1.2 探测器的噪声 128
6.2 快速光电二极管 134
6.3 雪崩光电二极管 134
6.3.1 雪崩光电二极管的基本结构和原理 135
6.3.2 雪崩光电二极管制备材料的选择 136
6.3.3 雪崩光电二极管的芯片结构 137
6.4 极弱光信号探测 139
6.4.1 基本型光子计数系统 139
6.4.2 辐射源补偿型光子计数系统 141
6.4.3 背景补偿型光子计数系统 142
6.5 微波光子探测器 144
6.5.1 外光电探测器 144
6.5.2 光电导探测器 144
6.5.3 光生伏特探测器 144
6.5.4 光磁电探测器 145
课后习题 145
参考文献 145
第7章 太阳能光热与光伏 146
7.1 太阳能光热吸收薄膜 146
7.1.1 太阳能光热吸收薄膜的发展历程 146
7.1.2 太阳能光热吸收薄膜的工作原理 147
7.1.3 太阳能光热吸收薄膜的分类 149
7.1.4 太阳能光热吸收薄膜的制备 150
7.2 太阳能真空集热管 152
7.3 太阳能电池基本原理 153
7.3.1 光生伏特效应 153
7.3.2 太阳能电池的电流-电压特性 154
7.3.3 太阳能电池的性能表征 155
7.4 太阳能电池的分类与特色 156
7.4.1 硅基太阳能电池 157
7.4.2 薄膜太阳能电池 158
7.4.3 新型太阳能电池 162
课后习题 173
参考文献 173
第8章 光子集成 174
8.1 光子集成的意义与瓶颈问题 174
8.1.1 光子集成的出现 174
8.1.2 光子集成的分类、意义与应用 175
8.1.3 光子集成的瓶颈问题 178
8.1.4 光子集成发展的启示：InP 还是Si 180
8.2 半导体光调制器 182
8.2.1 电吸收调制器的基本原理与工作特性 182
8.2.2 M-Z 调制器的基本原理与工作特性 188
8.3 半导体集成光源 192
8.3.1 对接生长技术 192
8.3.2 选区生长技术 193
8.3.3 量子阱混合技术 193
8.3.4 非对称双波导技术 194
课后习题 195
参考文献 195
第9章 半导体光电子器件制造技术 196
9.1 生长技术 196
9.1.1 薄膜的制备技术 196
9.1.2 物理气相沉积 198
9.1.3 化学气相沉积 203
9.1.4 其他技术 209
9.2 光刻技术 212
9.2.1 光刻技术基本原理与流程 212
9.2.2 极紫外光刻技术 218
9.2.3 电子束光刻技术 219
9.2.4 其他光刻技术 221
9.3 刻蚀技术 223
9.3.1 刻蚀技术基本原理与性能参数 224
9.3.2 湿法刻蚀 225
9.3.3 干法刻蚀 228
9.4 离子注入与快速退火技术 238
9.4.1 离子注入概述 238
9.4.2 离子注入设备及工艺 241
9.4.3 离子注入原理 244
9.4.4 注入离子在靶中的分布 248
9.4.5 注入损伤 252
9.4.6 退火 255
9.4.7 离子注入在半导体工艺中的应用 257
9.5 处理与优化技术 261
9.5.1 减薄技术 261
9.5.2 抛光技术 263
9.5.3 解离技术 269
9.6 封装与测试技术 269
9.6.1 封装技术概述 270
9.6.2 电子封装技术 272
9.6.3 光电子封装技术 275
9.6.4 半导体测试流程 278
9.6.5 半导体测试方法 282
9.6.6 半导体光电子器件参数测试 287
9.7 本章小结 295
课后习题 295
参考文献 296
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半导体光电子学 节选
第1章 绪论 半导体材料是半导体产业的基石，同时是推动集成电路技术创新的引擎。在当今我们生活的 21世纪，小到日常使用的手机、计算机，大到汽车、智能机器人等，无一不需要高性能芯片从内部进行驱动。组成芯片的*小单元即为半导体场效应管这样一种神奇的“电学开关”。它通过电控制实现“开”和“关”的行为，而数以亿万个这样的“开关”组合在一起就能够实现复杂的运算。这些“开关”便利用了半导体材料的特性，人们经过几十年的研究，探索了各种特性的半导体材料，使“开关”更加可靠、高效。如何将这些“开关”巧妙地组合在一起，实现更加高级的功能？这就需要用到半导体加工制备技术，近几十年来研究人员发展了各种半导体加工制备技术。随着半导体加工制备技术水平和加工精度的不断提高，半导体芯片的集成度与运算能力也不断地提高，给生活带来了翻天覆地的变化。伴随着半导体产业的蓬勃发展，新型光电子器件也层出不穷，半导体光电子器件已成为生活的重要组成部分。当使用光作为信息传递的媒介时，需要半导体光电子器件实现电信号与光信号之间的相互转换。日常生活中的收音机信号发射接收器、电梯自动闭合门和数码相机中的光电探测器，以及用于光纤通话的激光信号发射器，都属于半导体光电子器件集成的实际应用。这些光电子器件利用了电子和光子之间复杂的相互作用，都为生活提供了巨大的便利。本章首先回顾并介绍了半导体器件及传统半导体集成电路 (Integrated Circuit，IC)产业的发展历史；然后介绍半导体材料的基本性质，包括半导体的晶体结构，并由此延伸到半导体的能带结构；*后介绍半导体材料在光电子器件中的应用和常见的半导体 LED器件机理。 1.1半导体器件及半导体 IC产业的发展历史 1.1.1半导体器件早期发展 半导体材料*早的应用可以追溯到 1874年，Braun发现了金属(铜、铁、银等 )和锗半导体材料接触时，会产生电流传导的非对称性，利用金属和半导体接触的特性*终制备了一些器件，称为检波器，这可以看作收音机的早期版本。之后到了 1906年，Pickard使用硅材料制备了点接触的检波器。 1907年，Pierce使用金属溅射系统在半导体材料上溅射各种金属时，发现了金属半导体二极管的整流特性。随后到了 1935年，硒整流器和硅点接触二极管已经广泛应用于收音机中的检波器。伴随着雷达技术的发展，整流二极管和混频器的需求量持续上升，进一步推动了半导体产业的发展。随着金属半导体接触物理模型的提出，人们对于金属半导体接触器件的认识也达到了一个新的阶段。 1942年，Bethe提出了著名的热电子发射理论，理论中介绍了在金属与半导体接触时，电流的大小是由半导体中的电子向金属热电子发射的过程决定的，而不是由漂移或者扩散过程决定的。半导体时代真正始于 1947年 12月[1]，AT&T公司贝尔实验室的科学家 John Bardeen 和 Walter Brattain展示了一种由半导体材料锗制成的固态电子设备。当将电信号施加到锗晶体上的触点时，输出功率大于输入功率，*终这些结果以论文形式发表于 1948年[1]，且**个点接触型晶体管也因此而诞生。晶体管(Transistor)这个新的词汇来自两个单词的组合：Transfer(传输)和 Resistor(电阻)。John Bardeen和 Walter Brattain的主管 William Shockley于 1949年对一种新型的晶体管，即结型双极晶体管 (Junction Bipolar Transistor)进行了预测，这种晶体管的巨大优势在于容易批量生产 [2]。1956年，这三人因晶体管的发明一起获得了诺贝尔物理学奖。受到军用方面对电子设备需求的推动， 20世纪 50年代半导体产业迅速发展。锗晶体管因为尺寸更小、功耗更低、工作温度更低、响应时间更短等优势迅速取代了大多数电子设备中的真空管 (Vacuum Tube)。通过引入制造更高纯度的单晶半导体材料的技术，晶体管制造显著加速。 1950年人类制造出**颗单晶锗， 1952年人类制造出**颗单晶硅。在整个 20世纪 50年代，半导体工业快速发展，和工业界联合*终发展了各种分立电子器件，这些分立的电子器件用于制造收音机、计算机以及许多其他民用和军用产品。这里分立元件主要是指一种独立的电子器件，如电阻、电容、二极管或晶体管，它们是构成一个庞大电子系统的*小单元。当今它们仍然广泛使用于电子产品中，在任何电子系统和几乎每块印刷电路板 (Printed Circuit Board，PCB)上都可以轻松找到各式各样的分立元件 [1]。 1.1.2半导体 IC产业发展 1957年，参加纪念晶体管发明十周年研讨会的 Jack Kilby注意到，大多数分立元件，如电阻、电容、二极管和晶体管，都可以由一块半导体材料 (如硅)加工制成。因此，他认为有可能将众多分立元件制作在同一块半导体基板上并将它们相互连接起来形成电路，这将大大缩小电路的尺寸，并降低电路的成本。 Jack Kilby于 1958年加入德州仪器公司 (Texas Instruments Inc.)并追求实现他的新想法。由于没有现成的硅衬底，他使用了他能找到的材料：一个锗条。首先在锗条上面制备了一个晶体管，随后又加了一个电容、三个电阻。通过连接晶体管、电容和三个电阻， Jack Kilby制造了**个 IC器件，如图 1-1所示。由于德州仪器公司的 Jack Kilby制造的**个 IC器件为长条形状， IC器件长期以来一直称为“条”而不是“芯片”。大约在同一时间，飞兆半导体公司 (Fairchild Semiconductor Inc.)的 Robert Noyce也在研究类似的事情——用更低的成本赚更多的钱。与 Jack Kilby的 IC器件(或条)不同，后者使用真正的金属线连接不同的分立元件， Robert Noyce的芯片采用铝图形蚀刻，在晶圆表面蒸镀铝薄膜并按照特定形状刻蚀铝薄膜以达到不同元件之间的金属互连。通过使用硅代替锗， Robert Noyce应用了由他的同事 Jean Horni开发的平面制备工艺来制造结型晶体管，该晶体管使用了硅及其氧化物二氧化硅，高度稳定的二氧化硅在高温氧化炉中能够很容易地在硅片表面生长，可以用于电隔离和扩散掩模。Robert Noyce在 1960年设计的**批硅 IC芯片由 0.4英寸(in)①硅晶片制成。 Robert Noyce的芯片具备现代 IC芯片的基本加工技术。 1961年，飞兆半导体公司制造了**款仅由四个晶体管组成的商用 IC，并以每个 150美元的价格出售。美国国家航空航天局 (NASA)是新推出的 IC芯片的主要客户。 图 1-1德州仪器公司的 Jack Kilby制作的世界上**个集成电路器件原型照片 [1] 经过长达数年的专利权斗争，德州仪器公司和飞兆半导体公司通过同意交叉许可各自的技术解决了争端， Jack Kilby和 Robert Noyce也共享了 IC发明者的头衔。 2000年 Jack Kilby因 IC的发明获得了诺贝尔物理学奖。 Robert Noyce于 1968年离开飞兆半导体公司，并与 Andrew Grove和 Gordon Moore共同创立了英特尔公司。他后来还担任了位于得克萨斯州奥斯汀的国际半导体制造商联盟 SEMATECH的首席执行官。 1.1.3摩尔定律和后摩尔时代 20世纪 60年代，集成电路产业发展非常迅速。 1964年，英特尔公司的联合创始人之一 Gordon Moore注意到计算机芯片上集成的元器件数量每 12个月翻一番，而价格却保持不变。作为集成电路领域的先驱者，他预测这种趋势将在未来保持。事实证明 Gordon Moore提出的理论准确预测了行业 40多年的发展，仅在 1975年进行了轻微调整，将 12个月的周期改为 18个月。他的这种预测在半导体行业称为摩尔定律 (Moore’s Law)。 在 2000年之前，半导体行业的特征尺寸通常以微米 μm为单位。 2000年后，半导体技术发展到了纳米 (nm)技术节点。在不到 50年的时间里， IC芯片的*小特征尺寸急剧缩小，从 20世纪 60年代的约 50μm缩小到 2020年的仅 5nm。通过减小*小特征尺寸可以制造出更小的器件，从而使每个晶片可以容纳更多的芯片，或者可以用相同的裸片尺寸制造更强大的芯片。两种方式都有助于 IC制造厂(Fabs)在 IC芯片制造中获得更 多的利润。例如，当技术节点从 28nm缩小到 20nm时，芯片的尺寸缩小为原来的 51%，这意味着芯片的数量则几乎翻倍。同样，通过进一步将特征尺寸缩小到 14nm，与 28nm技术相比，芯片数量几乎是 28nm技术的四倍。在*小特征尺寸达到其*终物理尺寸 (1nm)之前，需要突破许多技术挑战限制。*值得注意的技术挑战是使芯片图形化的光刻工艺，这是用于将设计图形转移到晶圆表面并形成 IC器件的基本 IC制造步骤。目前使用的光学光刻技术将升级为更加先进的光刻技术，如极紫外 (EUV)光刻、纳米压印光刻(NIL)或电子束直写 (EBDW)光刻。这些先进光刻技术能够进一步缩小元件*小特征尺寸的物理极限。 集成电路自发明以来，其制造技术发展迅速，芯片单位面积上集成的微处理单元随时间的增长与摩尔定律非常吻合。半导体厂商通过在更小的尺寸上集成更多的器件，节约*多的材料，*终获取更多的利润。此外，半导体制程的缩减也会对芯片的性能有显著影响。在过去很长一段时间里，半导体厂商证明了减小半导体器件特征尺寸可以提高设备速度，降低功耗并提高整体设备性能。因此，几乎所有的半导体厂商都将缩小*小特征尺寸以提升处理器运算性能，降低制造成本并提高利润率放在技术研发的首位。当研发成本和特征尺寸减小所带来的利润增加处于合理水平时，半导体集成电路制造商有强烈的动机大力投资新技术并推动器件微缩。然而，当 IC技术节点达到纳米范围时，由于严重的漏电以及纳米尺度的一些量子干扰问题，简单地缩小*小特征尺寸不再能够有效地提高器件性能，除非在器件中使用非常昂贵的高 k值栅极电介质和金属栅极，而这样做无疑会大大增加制造成本。在纳米技术时代，随着 IC技术节点的不断缩小推进，研发成本几乎呈指数级增长。随着 IC技术节点发展到 32nm、28nm、22nm、20nm、14nm、 5nm及以下，越来越少的 IC制造商能够独自承担研发成本。在可预见的未来，摩尔定律将成为历史。 1.2半导体材料的基本性质 1.1节讲述了半导体器件的发展历史，以及现代社会基于半导体材料一步步发展起来的大规模集成电路的历程。这里首先明确一个基本概念，什么是半导体？半导体是指常温下导电性能介于金属 (包括铜、铝、钨等 )等良导体和橡胶、塑料、干木等绝缘体之间的一类材料。*常用的半导体材料是硅 (Si)和锗(Ge)，它们都位于元素周期表的第Ⅳ主族。另外，还有一些化合物，如砷化镓 (GaAs)、碳化硅 (SiC)和硅锗 (SiGe)，也是半导体材料。半导体*重要的特性之一是可以通过添加某些杂质 (称为掺杂过程)和施加电场来控制其导电性。本节将回归半导体材料的本身，从半导体材料的晶体结构开始，简单了解研究半导体的性质，探究半导体材料可以有如此神奇的作用的原因。 1.2.1半导体的结构特征 半导体的光电等物理性质从根本来说是由半导体的晶体结构所决定的。本节从两种*基本且典型的半导体材料，即硅 (Si)和砷化镓 (GaAs)来简单介绍半导体的晶体结构。硅是*被广泛且深入研究的半导体材料，目前的所有的商业化芯片几乎都是由硅制成的。用于制作半导体器件的硅存在多种形态，包括硅多晶、硅单晶、硅片、硅外延片、非晶硅薄膜等，根据不同的实际用途兼顾成本考量，来选择不同形态的硅材料。砷化镓是镓和砷两种元素所合成的化合物，也是重要的Ⅲ A族、ⅤA族化
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