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1导论：各种形式的硅1

1.1引言1

1.2从20世纪60年代到70年代初：能带2

1.3.20世纪70年代：应用于硅的表面理论6

1.4 20世纪80年代：硅的结构能8

1.5 20世纪90年代：硅团簇与量子点的结构和电子性质12

1.6未来展望15

参考文献16

第一部分 半导体体硅晶体21

2硅：半导体材料21

2.1引言21

2.2早期历史22

2.3硅研究中的竞争与合作24

2.4最初的器件应用29

2.5 MOS技术和集成30

2.6结论33

参考文献36

3硅：一个工业奇迹37

3.1引言37

3.2主要制程37

3.3硅材料生产工艺38

参考文献39

第二部分 多晶硅43

4电子器件用多晶硅薄膜43

4.1引言43

4.2多晶硅薄膜分类44

4.3多晶硅生长和微晶结构45

4.3.1 CVD多晶硅46

4.3.2非晶硅晶化的多晶硅52

4.3.3 CVD多晶硅晶界化学54

4.3.4多晶硅的掺杂55

4.4多晶硅的电性能56

4.5结论59

参考文献60

5光伏用硅64

5.1引言64

5.2光伏用硅材料65

5.2.1不同生产工艺的历史与现状66

5.2.2薄膜沉积工艺68

5.3光伏硅的输运特性71

5.3.1缺陷及杂质对硅输运性质的影响71

5.3.2吸除改善材料性能72

5.4硅太阳电池74

5.4.1硅太阳电池技术与其他技术的比较74

5.4.2多晶硅太阳电池技术75

5.5结论76

参考文献77

第三部分 外延、薄膜和多孔层83

6分子束外延薄膜83

6.1设备原理和生长机理83

6.2历史概述86

6.3应变异质结构的稳定性86

6.3.1应变层的临界厚度87

6.3.2亚稳态膺晶生长88

6.3.3器件结构的加工和退火89

6.4硅MBE生长膜中掺杂剂的分布89

6.4.1掺杂问题89

6.4.2突变和δ型掺杂分布91

6.5半导体器件研究92

6.5.1异质结双极晶体管（HBT）93

6.5.2 SiGe MOSFET和MODFET94

6.5.3垂直MOSFET结构95

6.6若干研究重点介绍97

6.6.1级联激光器97

6.6.2表面结构99

6.6.3自组织和有序化100

6.7结论104

参考文献105

7氢化非晶硅（a-Si：H）108

7.1引言108

7.2 a-Si的制备和结构性质109

7.3 a-Si：H的电学性质111

7.4光致发光和光电导114

7.5亚稳态116

7.6 a-Si太阳电池116

参考文献119

8绝缘体上硅和多孔硅121

8.1绝缘体上硅121

8.1.1 SOI MOS晶体管的一般性质121

8.1.2 SOI应用122

8.2 S0I材料123

8.2.1早期的SOI材料123

8.2.2蓝宝石上硅（silicon-on-sapphire，SOS）123

8.2.3 SIMOX125

8.2.4晶片键合和背面腐蚀129

8.2.5智能剥离（Smart-Cut？）133

8.2.6 Eltran？137

8.3结论139

参考文献140

第四部分 晶格缺陷149

9缺陷能谱学149

9.1引言149

9.2表征缺陷特性的基本参数150

9.3结空间电荷技术152

9.3.1电容技术153

9.3.2热测量技术153

9.3.3光学测量技术157

9.4其他光学测量方法159

9.4.1光热电离谱159

9.4.2傅里叶光电导纳谱163

参考文献164

10硅及其在扫描探针显微术进展中的重大作用166

10.1引言166

10.2作为扫描探针显微镜基准的硅166

10.3作为AFM悬臂材料的硅172

10.4作为STM和AFM尖端的Si（111）（7x7）表面173

参考文献176

第五部分 硅掺杂181

11缺陷、扩散、离子注入、再结晶和电介质181

11.1引言181

11.2高温扩散掺杂182

11.3缺陷与扩散机制183

11.4晶格缺陷、扩散与吸杂184

11.5离子注入184

11.6硅、氮、碳及电介质187

11.7注入分布188

11.8溅射和分布190

11.9辐照缺陷与态、表面态以及界面态190

11.10离子注入样品的热处理192

11.10.1炉退火192

11.10.2电子束、激光束与快速热处理193

11.11结论197

参考文献198

12硅的中子嬗变掺杂（NTD）201

12.1引言201

12.2传统的磷掺杂法201

12.3中子辐照磷掺杂203

12.3.1发展历史203

12.3.2掺杂反应203

12.3.3副反应204

12.3.4辐照硅的放射性205

12.3.5晶体缺陷的退火205

12.3.6硅掺杂的技术实现207

12.4展望208

参考文献209

第六部分 某些杂质的作用213

13硅中的过渡金属杂质213

13.1引言213

13.2扩散和固溶度214

13.3电活性218

13.4杂质工程221

13.4.1吸杂221

13.4.2痕量检测222

13.4.3其他工程问题223

13.5结论223

参考文献224

14氢227

14.1引言227

14.2氢原子和分子228

14.3受主钝化233

14.4施主钝化237

14.5过渡金属-氢复合物241

14.6结论244

参考文献245

第七部分 器件257

15半导体功率器件257

15.1引言257

15.1.1历史257

15.1.2半导体功率器件的要求259

15.2二极管262

15.2.1截止电压（反向或阻断态）262

15.2.2导通态（正向）265

15.2.3动态性能268

15.2.4发展趋势270

15.3晶闸管271

15.3.1基本特性271

15.3.2截止电压273

15.3.3导通态274

15.3.4动态性能275

15.3.5发展趋势277

15.4 GTO（门极关断晶闸管）277

15.4.1基本特性277

15.4.2动态性能278

15.4.3发展趋势279

15.5双极晶体管279

15.5.1基本特性279

15.5.2导通态280

15.5.3截止电压281

15.5.4动态性能281

15.5.5发展趋势282

15.6 MOS晶体管（金属-氧化物-硅晶体管）283

15.6.1基本特性283

15.6.2导通态284

15.6.3动态性能286

15.6.4发展趋势289

15.7 IGBT（绝缘栅双极晶体管）290

15.7.1基本特性290

15.7.2导通态292

15.7.3截止电压294

15.7.4动态性能294

15.7.5发展趋势296

15.8结论297

参考文献298

16补偿器件突破硅的极限300

16.1引言300

16.2当今的高压器件概念和实现补偿原理的方法301

16.3制备技术与挑战305

16.4补偿器件特征308

16.5对典型功率MOSFET应用的影响315

16.6结论和展望317

参考文献318

17集成电路320

17.1引言320

17.2历史回顾320

17.3集成电路在全球经济中的重要性321

17.4市场约束322

17.5产品“功能”（Enablers）324

17.6集成能力325

17.7设计瓶颈326

17.8应用范围和产品系列328

17.8.1应用范围328

17.8.2产品系列变化329

17.9结论330

参考文献331

18硅纳电子学：下一个20年332

18.1引言332

18.2 CMOS规模扩展332

18.3 50nm以下的新型MOSFET334

18.3.1应变SiGe334

18.3 2应变硅337

18.3.3纵向晶体管338

18.3.4部分耗尽和全耗尽SOI339

18.3.5双栅晶体管341

18.4 FinFET存储单元344

18.5 Si MOSFET的极限346

18.6新器件348

18.6.1单电子晶体管348

18.6.2分子器件350

18.6.3碳纳米管350

18.7展望351

参考文献352

19硅纳米光刻技术355

19.1引言355

19.2光学光刻356

19.3下一代光刻技术358

19.4电子束光刻361

19.5纳米压印光刻技术364

19.6接近式探针光刻技术366

19.7结论367

参考文献368

20硅传感器370

20.1引言370

20.2“化学”传感器370

20.3生物传感器372

20.4“物理”传感器373

20.5新思路和发展趋势373

参考文献374

第八部分 对硅的补充：化合物半导体379

21化合物半导体379

21.1引言379

21.2走向成功的艰难历程379

21.3 Ⅲ～Ⅴ族化合物的性质382

21.4 Ⅲ～Ⅴ族基器件、器件工艺及对衬底的要求384

21.5 GaAs：从材料合成到晶片加工387

21.5.1基本考虑387

21.5.2 GaAs合成393

21.5.3晶体生长395

21.5 4热处理399

21.5.5晶体评价400

21.5.6晶片加工405

21.6 GaAs和Ⅲ～Ⅴ族化合物的发展前景407

参考文献408

第九部分 新的研究领域417

22 SiGe异质结电子自旋量子计算机417

22.1引言417

22.2 QC的器件物理问题和预期性能418

22.3采用SiGe电子自旋运行的QC419

22.4其他方案423

22.4.1纯硅量子点423

22.4.2 GaAs和CdTe量子点425

22.5结论425

参考文献426

23碳纳米管在微电子学中的应用428

23.1引言428

23.2纳米管的制备430

23.3碳纳米管的互联430

23.4碳纳米管晶体管和电路432

23.5 CNTFET模拟和垂直CNTFET概念433

23.6结论436

参考文献436

24制造情境智能系统438

24.1引言438

24.2硅的作用440

24.2.1模块计算平台440

24.2.2微机电系统441

24.2.3新型硅形状因子442

24.3情境智能：开发方法442

24.4新的计算方案和系统443

24.4.1“消失的计算机”444

24.4.2“外联件”444

24.5新颖先进的集成技术445

24.5.1智能种子计划445

24.5.2三维封装技术447

24.5.3智能种子的三维封装448

24.6传感器和驱动器用新形式的硅材料450

24.6.1纤维计算技术450

24.6.2硅纤维的机械设计451

24.6.3纤维的制备451

24.6.4机电测试453

24.6.5有源器件电路设计454

24.6.6有源器件电路的制造455

24.6.7硅纤维电路的测试456

24.6.8未来硅纤维的发展目标456

24.7结论457

参考文献458

25大脑半导体461

25.1引言461

25.2离子-电子界面461

25.2.1中心-外膜平面导体462

25.2.2细胞-硅结狭隙463

25.2.3狭隙的导电性464

25.2.4细胞-硅结中的离子通道466

25.3神经元-硅电路467

25.3.1通过晶体管记录神经元活动468

25.3.2神经元活动的电容激励468

25.3.3芯片上的双神经元电路471

25.4脑-硅芯片473

25.4.1组织-片层导体473

25.4.2脑切片的晶体管记录474

25.5结论与展望475

参考文献476

List of Contributors477