半导体材料教学大纲-微电子学院微电子试验教学中心

《半导体材料》教学大纲

课程编号：MI3321036

课程名称：半导体材料 英文名称： Semiconductor Materials 学时：30 学分：2

课程类型：任选 课程性质：专业课

适用专业：微电子学 先修课程：固体物理 、半导体物理 集成电路设计与集成系统

开课学期：5 开课院系：微电子学院

一、课程的教学目标与任务

目标：半导体材料是半导体科学发展的基础。通过本课程的学习，掌握半导体材料的相关知识，为后续的相关专业课程打好基础。

任务：本课程的任务是使学生获得半导体晶体生长方面的基础理论知识，初步掌握单晶材料生长、制备方法以及常用的锗、硅、化合物半导体材料的基本性质等相关知识，

二、本课程与其它课程的联系和分工

本课程的先修课程是“固体物理”和“半导体物理”等。

三、课程内容及基本要求

（一）半导体材料概述 ( 1学时)

具体内容：半导体材料的发展和现状，半导体材料分类，半导体材料的基本特性和应用。 1. 基本要求

(1) 了解人类对半导体材料的使用和研究历史， (2) 了解半导体材料的发展历史和基本特性和分类。 2. 重点、难点

重点：半导体材料的基本特性及其应用。 难点：硅晶体的各向异性。

3. 说明：通过学习使学生了解半导体材料的发展历史和现状以及半导体材料的主要几

个研究方向。

（二）硅和锗的化学制备（3学时）

具体内容：硅和锗的物理化学性质，高纯硅的制备，锗的富集与提纯。

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1.基本要求

（1）掌握硅和锗的基本晶体结构和物理化学性质。

（2）掌握化学提纯制备高纯硅的三氯氢硅氢还原法和硅烷法。（了解硅、锗的化学提纯） 2.重点、难点

重点：高纯硅的制备。 难点：三氯氢硅的提纯。

3.说明：硅、锗的化学制备是半导体材料的制备工艺基础，经过这部分学习使学生了解高纯硅和锗的化学制备方法。

（三）区熔提纯（3学时）

具体内容：分凝现象与分凝系数，区熔原理，硅、锗的区熔提纯。 1.基本要求

（1）了解分凝现象与分凝系数。 （2）掌握区熔提纯的原理和技术。 2.重点、难点

重点：区熔提纯原理。

难点：多次区熔与根限分布。

3.说明：区熔提纯是制备超纯半导体材料、高纯金属的重要物理提纯方法，同时也是研究杂质在晶体中的分布规律的重要依据，通过学习使学生掌握区熔提纯原理和技术。

（四）晶体生长（硅、锗单晶的制备）（5学时）

具体内容：晶体生长理论基础，熔体的晶体生长，硅、锗单晶生长。 1.基本要求

（1）了解晶体生长的原理，掌握均匀成核的过程和理论。 （2）了解硅、锗单晶的制备技术。 2.重点、难点

重点：从熔体中生长单晶的主要规律及生长技术。 难点：晶核长大的动力学模型。

3.说明：制造半导体器件的材料绝大部分是单晶体，包括体单晶和薄膜单晶。因此，晶体生长问题对于半导体材料制备是一个极为重要的内容。

（五）硅、锗晶体中的杂质和缺陷（4学时）

具体内容：硅、锗晶体中杂质的性质，硅、锗晶体的掺杂，硅、锗单晶的位错，硅单晶中的微缺陷。 1.基本要求

（1）掌握Ⅲ-Ⅴ族杂质在硅、锗中的电学行为。 （2）了解硅、锗中缺陷的种类。 2.重点、难点

重点：硅、锗晶体的掺杂。

难点：硅、锗晶体中杂质的性质。

3．说明：半导体材料的杂质和缺陷对其性质具有重要的影响。单晶中的电学性质通常是采用掺杂的方法来解决。本章结合硅、锗单晶生长实际，介绍掺杂技术，然后介绍硅、锗单晶中的缺陷问题。

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（六）硅外延生长（5学时）

具体内容：外延生长概述，硅的气相外延生长，硅外延层电阻率的控制，硅外延层的缺陷，硅的异质外延。 1.基本要求

（1）了解硅外延生长工艺技术和要求。 （2）掌握硅的气相外延生长。 （3）了解硅的异质外延。 2.重点、难点

重点：硅的气相外延生长技术。

难点：硅外延生长动力学过程和模型。 3.说明：硅外延生长是半导体材料生长中的重要工艺技术，通过学习使学生掌握硅外延生长的工艺技术和要求，为半导体研究的新领域“能带工程”研究打下基础。 （七）Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体（4学时）

具体内容：Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的特性，砷化镓单晶的完整性，其他Ⅲ-Ⅴ族化合物半导材料的制备。 1.基本要求

（1）了解Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的能带结构。

（2）掌握Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体砷化镓，磷化铟的特性及制备方法。 2.重点、难点

重点：Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的特性，砷化镓，磷化铟单晶的生长方法。 难点：Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的能带结构。 3.说明：以GaAs和InP为代表介绍Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料。通过学习使学生掌握Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体特性及其制备方法，为其它化合物半导体的学习和研究打下基础。 （八）Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的外延生长（5学时）

具体内容：气相外延生长（VPE），金属有机物气相外延生长（MOVPE），液相外延生长（LPE），分子束外延生长，化学外延生长（CBE），其他外延生长技术。 1.基本要求

（1）了解Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的常用的几种外延生长。 （2）掌握金属有机物气相外延生长技术。 2.重点、难点

重点：金属有机物气相外延生长技术。 难点：MOVPE生长GaAs的反应机理。 3.说明：外延生长可以制备厚度和杂质分布均匀的薄层及异质多层结构，是化合物半导体器件制作过程中不可缺少的工艺。通过以GaAs为例介绍化合物半导体的外延生长技术，使学生掌握几种主要的外延生长方法。

四、教学安排及方式

总学时 30 学时，讲课 28 学时，多种形式教学2 学时 教学环节 教学时数 课程内容 半导体材料概述

讲课 1 实验 3

习题课 讨论课 上 机 看参录观像或 小 计 1 硅和锗的化学制备 区熔提纯 晶体生长 硅、锗晶体中的杂质和缺陷 硅外延生长 Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体 Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的外延生长 3 3 4 4 5 4 4 1 1 3 3 5 4 5 4 5

五、考核方式

笔试（半开卷）。

各教学环节占总分的比例:平时测验及作业：20%，期末考试：80%

六、推荐教材与参考资料

教材：杨树人编《半导体材料》（第二版），北京：科学出版社，2004

参考资料：周永溶编《半导体材料》，北京：北京理工大学出版社，1992

王季陶，刘明登编《半导体材料》，北京：高等教育出版社，1990

（执笔人：汪家友 审核人：柴常春）

2005年8月20日

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