集成电路论文
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集成电路制造工艺
半 导 体 材 料
南永成
（陕西国防工业职业技术学院 电子信息学院电子 ３０８２ 班 ７１０３００）
摘要： 摘要：半导体超薄层微结构材料是基于先进生长技术（ＭＢＥ，ＭＯＣＶＤ）的新一代人工构
造材料。它以全新的概念改变着光电子和微电子器件的设计思想，出现了“电学和光学特性 可剪裁”为特征的新范畴，是新一代固态量子器件的基础材料。我国的科研工作者又提出并 开展了多有源区纵向光耦合垂直腔面发射激光器研究，这是一种具有高增益、极低阈值、高 功率和高光束质量的新型激光器，在未来光通信、光互联与光电信息处理方面有着良好的应 用前景。
关键词：超薄层；光电子；微电子；量子； 关键词：超薄层；光电子；微电子；量子；激光器 Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｍａｔｅｒｉａｌ ｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｕｌｔｒａ－ｔｈｉｎ ｌａｙｅｒ ：
ａｄｖａｎｃｅｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ （ＭＯＣＶＤ ＭＢＥ， ｇｒｏｗ ａ ｎｅｗ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）． Ｉｔ ｗｉｔｈ ｎｅｗ ｃｏｎｃｅｐｔ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｄｅｖｉｃｅｓ ｄｅｓｉｇｎ ｉｄｅａｓ， ＂ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ａｎｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｃａｎ ｂｅ ｔａｉｌｏｒｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｎｅｗ ｃａｔｅｇｏｒｙ＂， ｉｓ ａ ｎｅｗ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｏｌｉｄ ｍａｔｅｒｉａｌ ｂａｓｅ ｏｆ ｑｕａｎｔｕｍ ｄｅｖｉｃｅｓ． Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｗｏｒｋｅｒｓ ｉｎ Ｃｈｉｎａ ａｎｄ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ａｎｄ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｍｏｒｅ ｌｉｇｈｔ ｓｏｕｒｃｅ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｖｅｒｔｉｃａｌ－ｃａｖｉｔｙ ｓｕｒｆａｃｅ－ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｌａｓｅｒ ｒｅｓｅａｒｃｈ， ｔｈｉｓ ｉｓ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｇａｉｎ， ｌｏｗ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ， ｈｉｇｈ ｑｕａｌｉｔｙ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｌａｓｅｒ ｂｅａｍｓ ｉｎ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ， ｔｈｅ ｎｅｗ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ， ｌｉｇｈｔ ａｎｄ ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｓｐｅｃｔ ｈａｓ ａ ｇｏｏｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｓｐｅｃｔ．
Ｋｅｙ Ｗｒｄｓ：Ｔｈｉｎ ｌａｙｅｒ； Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ； Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ， Ｑｕａｎｔｕｍ； ｌａｓｅｒ ： 引言： 引言：上世纪中叶，单晶硅和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研制成功，导致
了电子工业革命；上世纪 ７０ 年代初石英光导纤维材料和 ＧａＡｓ 激光器的发明，促进了光纤通 信技术迅速发展并逐步形成了高新技术产业，使人类进入了信息时代。 １．半导体材料的概念
半导体材料（ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｍａｔｅｒｉａｌ）是导电能力 介于导体与绝缘体之间的物质。 半导体材料是一类具有半 导体性能、可用来制作半导体器件和集成电的电子材料， 其电导率在 １０（Ｕ－３）～１０（Ｕ－９）欧姆／厘米范围内。如 左图 １－１ 所示为我们最常见的半导体材料。
２．半导体主要种类
半导体材料可按化学组成来分，再将结构与性能比较特殊的非晶态与液态半导体 单独列为一类。按照这样分类方法可将半导体材料分为元素半导体、无机化合物半导 －１－
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体、有机化合物半导体和非晶态与液态半导体 。
２．１ 元素半导体
在元素周期表的ⅢＡ 族至ⅦＡ 族分布着 １１ 种具有半导性的元素，下表的黑框中即 这 １１ 种元素半导体，其中 Ｃ 表示金刚石。Ｃ、Ｐ、Ｓｅ 具有绝缘体与半导体两种形态；Ｂ、 Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｅ 具有半导性；Ｓｎ、Ａｓ、Ｓｂ 具有半导体与金属两种形态。Ｐ 的熔点与沸点太 低，Ⅰ的蒸汽压太高、容易分解，所以它们的实用价值不大。Ａｓ、Ｓｂ、Ｓｎ 的稳定态是 金属，半导体是不稳定的形态。Ｂ、Ｃ、Ｔｅ 也因制备工艺上的困难和性能方
面的局限性 而尚未被利用。因此这 １１ 种元素半导体中只有 Ｇｅ、Ｓｉ、Ｓｅ ３ 种元素已得到利用。Ｇｅ、 Ｓｉ 仍是所有半导体材料中应用最广的两种材料。
２．２ 无机化合物半导体
分二元系、三元系、四元系等。 二元系包括：①Ⅳ－Ⅳ族：ＳｉＣ 和 Ｇｅ－Ｓｉ 合金都具有闪锌矿的结构。②Ⅲ－Ⅴ族：由 周期表中Ⅲ族元素 Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ 和 Ｖ 族元素 Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ 组成，典型的代表为 ＧａＡｓ。它 们都具有闪锌矿结构，它们在应用方面仅次于 Ｇｅ、 Ｓｉ，有很大的发展前途。 ③Ⅱ－Ⅵ族：Ⅱ 族元素 Ｚｎ、Ｃｄ、Ｈｇ 和Ⅵ族元素 Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ 形成的化合物，是一些重要的光电材料。ＺｎＳ、 ＣｄＴｅ、ＨｇＴｅ 具有闪锌矿结构。
④Ⅰ－Ⅶ族：Ⅰ族元素 Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ 和 Ⅶ族元素 Ｃｌ、Ｂｒ、 Ｉ 形成的化合物，其中 ＣｕＢｒ、ＣｕＩ 具有闪锌矿结构。⑤Ⅴ－Ⅵ族：Ⅴ族元素 Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ 和Ⅵ族元素 Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ 形成的化合物具有的形式，如 Ｂｉ２Ｔｅ３、Ｂｉ２Ｓｅ３、Ｂｉ２Ｓ３、Ａｓ２Ｔｅ３ 等是重要的温差电材料。⑥第四周期中的 Ｂ 族和过渡族元素 Ｃｕ、 Ｚｎ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、 Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ 的氧化物，为主要的热敏电阻材料。⑦某些稀土族元素 Ｓｃ、Ｙ、Ｓｍ、 Ｅｕ、Ｙｂ、Ｔｍ 与Ⅴ族元素 Ｎ、Ａｓ 或Ⅵ族元素 Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ 形成的化合物。 除这些二元系 化合物外还有它们与元素或它们之间的固溶体半导体，例如 Ｓｉ－ＡｌＰ、Ｇｅ－ＧａＡｓ、ＩｎＡ ｓ－ＩｎＳｂ、ＡｌＳｂ－ＧａＳｂ、ＩｎＡｓ－ＩｎＰ、ＧａＡｓ－ＧａＰ 等。研究这些固溶体可以在改善单一材料 的某些性能或开辟新的应用范围方面起很大作用。 三元系包括： 族：这是由一个Ⅱ族和一个Ⅳ族原子去替代Ⅲ－Ⅴ族中两个Ⅲ族原子 所构成的。例如 ＺｎＳｉＰ２、ＺｎＧｅＰ２、ＺｎＧｅＡｓ２、ＣｄＧｅＡｓ２、ＣｄＳｎＳｅ２ 等。族：这是由一个 Ⅰ族和一个Ⅲ族原子去替代Ⅱ－Ⅵ族中两个Ⅱ族原子所构成的， 如 ＣｕＧａＳｅ２、 ＡｇＩｎＴｅ２、 ＡｇＴｌＴｅ２、ＣｕＩｎＳｅ２、ＣｕＡｌＳ２ 等。：这是由一个Ⅰ族和一个Ⅴ族原子去替代族中两个Ⅲ 族原子所组成，如 Ｃｕ３ＡｓＳｅ４、Ａｇ３ＡｓＴｅ４、Ｃｕ３ＳｂＳ４、Ａｇ３ＳｂＳｅ４ 等。 此外，还有它的结构基本为闪锌矿的四元系（例如 Ｃｕ２ＦｅＳｎＳ４）和更复杂的无机 化合物。
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２．３ 有机化合物半导体
已知的有机半导体有几十种，熟知的有萘、蒽、聚丙烯腈、酞菁和一些芳香族化 合物等，它们作为半导体尚未得到应用。
２．４ 非晶态与液态半导体
这类半导体与晶态半导体的最大区别是不具有严格周期性排列的晶体结构。
３．几种主要半导体材料的发展现状与趋势
３．１ 硅材料
从提高硅集成电路成品率，降低成本看，增大直拉硅（ＣＺ－Ｓｉ）单晶的直径和减小 微缺陷的密度仍是今后 ＣＺ－Ｓｉ 发展的总趋势。目前 直径为 ８ 英寸（２００ｍｍ） Ｓｉ 单晶已实现大规模工业 的 生产，基于直径为 １２ 英寸（３００ｍｍ）硅片的集成电路 （ＩＣ‘ｓ）技术正处在由实验室向工业生产转变中。 目前 ３００ｍｍ， ０．１８μｍ 工艺的硅 ＵＬＳＩ 生产线已经投入 生产，３００ｍｍ，０．１３μｍ 工艺生产线也将在 ２００３ 年完 成评估。 英寸重达 ４１４ 公斤的硅单晶和 １８ 英寸的 １８ 硅园片已在实验室研制成功，直径 ２７ 英寸硅单晶研 制也正在积极筹划中。 如左图所示 ３－１－１ 所示为半导 体硅材料。 从进一步提高硅 ＩＣ‘Ｓ 的速度和集成度看，研制适合于硅深亚微米乃至纳米工艺 所需的大直径硅外延片会成为硅材料发展的主流。 另外， 材料， ＳＯＩ 包括智能剥离 （Ｓｍａｒｔ ｃｕｔ）和 ＳＩＭＯＸ 材料等也发展很快。目前，直径 ８ 英寸的硅外延片和 ＳＯＩ 材料已研制成 功，更大尺寸的片材也在开发中。 理论分析指出 ３０ｎｍ 左右将是硅 ＭＯＳ 集成电路线宽的“极限”尺寸。 这不仅是指量 子尺寸效应对现有器件特性影响所带来的物理限制和光刻技术的限制问题，更重要的 是将受硅、 ＳｉＯ２ 自身性质的限制。 尽管人们正在积极寻找高 Ｋ 介电绝缘材料 （如用 Ｓｉ３Ｎ４ 等来替代 ＳｉＯ２），低 Ｋ 介电互连材料，用 Ｃｕ 代替 Ａｌ 引线以及采用系统集成芯片技术 等来提高 ＵＬＳＩ 的集成度、运算速度和功能，但硅将最终难以满足人类不断的对更大信 息量需求。为此，人们除寻求基于全新原理的量子计算和 ＤＮＡ 生物计算等之外，还把 目光放在以 ＧａＡｓ、ＩｎＰ 为基的化合物半导体材料，特别是二维超晶格、量子阱，一维 量子线与零维量子点材料和可与硅平面工艺兼容 ＧｅＳｉ 合金材料等， 这也是目前半导体 材料研发的重点。
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３．２ ＧａＡｓ 和 ＩｎＰ 单晶材料
ＧａＡｓ 和 ＩｎＰ 与硅不同，它们都是直接带隙材料，具有电子饱和漂移速度高，耐 高温，抗辐照等特点；在超高速、超高频、低功耗、低噪音器件 和电路，特别在光电子器件和光电集成方面占有独特的优势， 如 左图所示 ３－２－１ 为 ＧａＡｓ 锗片。 目前，世界 ＧａＡｓ 单晶的总年产量已超过 ２００ 吨，其中以低位 错密度的垂直梯度凝固法（ＶＧＦ）和水平（ＨＢ）方法生长的 ２－３ 英寸的导电 ＧａＡｓ 衬底材料为主； 近年来， 为满足高速移动通信的迫切需求， 大直径 （４， ６ 和 ８ 英寸）的 ＳＩ－ＧａＡｓ 发展很快。美国莫托罗拉公司正在筹建 ６ 英寸的 ＳＩ－ＧａＡｓ 集成电路生产线。ＩｎＰ 具有比 ＧａＡｓ 更优越的高频性能，发展的速度更快，但研制直径 ３ 英寸以上大直径的 ＩｎＰ 单晶的关键技术尚未完全突破，价格居高不下。 ＧａＡｓ 和 ＩｎＰ 单晶的发展趋势是： （１）增大晶体直径，目前 ４ 英寸的 ＳＩ－ＧａＡｓ 已用于生产，预计本世纪初的头几年 直径为 ６ 英寸的 ＳＩ－ＧａＡｓ 也将投入工业应用。 （２）提高材料的电学和光学微区均匀性。 （３）降低单晶的缺陷密度，特别是位错。 （４）ＧａＡｓ 和 ＩｎＰ 单晶的 ＶＧＦ 生长技术发展很快，很有可能成为主流技术。
３．３ 超晶格、量子阱半导体材料
半导体超薄层微结构材料是基于先进生长技术（ＭＢＥ，ＭＯＣＶＤ）的新一代人工构造材料。 它以全新的概念改变着光电子和微电子器件的设计思想， 出现了“电学和光学特性可剪裁” 为特征的新范畴，是新一代固态量子器件的基础材料。 ３．３．１Ⅲ－Ｖ 族超晶格、量子阱材料 ＧａＡＩＡｓ／ＧａＡｓ，ＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓ，ＡＩＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ；ＧａｌｎＡｓ／ＩｎＰ，ＡｌＩｎＡｓ／ＩｎＰ，ＩｎＧａＡｓＰ ／ＩｎＰ 等 ＧａＡｓ、ＩｎＰ 基晶格匹配和应变补偿材料体系已发展得相当成熟，已成功地用来制造 超高速，超高频微电子器件和单片集成电路。高电子迁移率晶体管（ＨＥＭＴ） ，赝配高电子迁 移率晶体管（Ｐ－ＨＥＭＴ）器件最好水平已达 ｆｍａｘ＝６００ＧＨｚ，输出功率 ５８ｍＷ，功率增益 ６．４ｄｂ； 双异质结双极晶体管（ＨＢＴ）的最高频率 ｆｍａｘ 也已高达 ５００ＧＨｚ，ＨＥＭＴ 逻辑电路研制也发展 很快。基于上述材料体系的光通信用 １．３μｍ 和 １．５μｍ 的量子阱激光器和探测器，红、黄、 橙光发光二极管和红光激光器以及大功率半导体量子阱激光器已商品化； 表面光发射器件和 光双稳器件等也已达到或接近达到实用化水平。 目前， 研制高质量的 １．５μｍ 分布反馈 （ＤＦＢ） 激光器和电吸收（ＥＡ）调制器单片集成 ＩｎＰ 基多量子阱材料和超高速驱动电路所需的低维结 构材料是解决光纤通信瓶颈问题的关键，在实验室西门子公司已完成了 ８０×４０Ｇｂｐｓ 传输
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４０ｋｍ 的实验。另外，用于制造准连续兆瓦级大功率激光阵列的高质量量子阱材料也受到人 们的重视。 虽然常规量子阱结构端面发射激光器是目前光电子领域占统治地位的有源器件， 但由于 其有源区极薄（～０．０１μｍ）端面光电灾变损伤，大电流电热烧毁和光束质量差一直是此类 激光器的性能改善和功率提高的难题。 采用多有源区量子级联耦合是解决此难题的有效途径 之一。我国早在 １９９９ 年，就研制成功 ９８０ｎｍ ＩｎＧａＡｓ 带间量子级联激光器，输出功率达 ５Ｗ 以上；２０００ 年初，法国汤姆逊公司又报道了单个激光器准连续输出功率超过 １０ 瓦好结果。 最近，我国的科研工作者又提出并开展了多有源区纵向光耦合垂直腔面发射激光器研究，这 是一种具有高增益、极低阈值、高功率和高光束质量的新型激光器，在未来光通信、光互联 与光电信息处理方面有着良好的应用前景。 为克服 ＰＮ 结半导体激光器的能隙对激光器波长范围的限制，１９９４ 年美国贝尔实验室发 明了基于量子阱内子带跃迁和阱间共振隧穿的量子级联激光器， 突破了半导体能隙对波长的 限制。自从 １９９４ 年 ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡＩＡｓ／ＩｎＰ 量子级联激光器（ＱＣＬｓ）发明以来，Ｂｅｌｌ 实验室 等的科学家，在过去的 ７ 年多的时间里，ＱＣＬｓ 在向大功率、高温和单膜工作等研究方面取 得了显着的进展。２００１ 年瑞士 Ｎｅｕｃｈａｔｅｌ 大学的科学家采用双声子共振和三量子阱有源区 结构使波长为 ９．１μｍ 的 ＱＣＬｓ 的工作温度高达 ３１２Ｋ，连续输出功率 ３ｍＷ．量子级联激光器的 工作波长已覆盖近红外到远红外波段（３－８７μｍ） ，并在光通信、超高分辨光谱、超高灵敏 气体传感器、高速调制器和无线光学连接等方面显示出重要的应用前景。中科院
上海微系统 和信息技术研究所于 １９９９ 年研制成功 １２０Ｋ ５μｍ 和 ２５０Ｋ ８μｍ 的量子级联激光器；中科院 半导体研究所于 ２０００ 年又研制成功 ３．７μｍ 室温准连续应变补偿量子级联激光器， 使我国成 为能研制这类高质量激光器材料为数不多的几个国家之一。 目前，Ⅲ－Ｖ 族超晶格、量子阱材料（如左图 ３－３－１ 所示） 作为超薄层微结构材料发展的主流方向， 正从直径 ３ 英寸向 ４ 英 寸过渡；生产型的 ＭＢＥ 和 Ｍ０ＣＶＤ 设备已研制成功并投入使用，每 台年生产能力可高达 ３．７５×１０４ 片 ４ 英寸或 １．５×１０４ 片 ６ 英寸。 英国卡迪夫的 ＭＯＣＶＤ 中心，法国的 ＰｉｃｏｇｉｇａＭＢＥ 基地，美国的 ＱＥＤ 公司，Ｍｏｔｏｒｏｌａ 公司，日本的富士通，ＮＴＴ，索尼等都有这 种外延材料出售。生产型 ＭＢＥ 和 ＭＯＣＶＤ 设备的成熟与应用，必然 促进衬底材料设备和材料评价技术的发展。 ３．３．２ 硅基应变异质结构材料 硅基光、电器件集成一直是人们所追求的目标。但由于硅是间接带隙，如何提高硅基材 料发光效率就成为一个亟待解决的问题。虽经多年研究，但进展缓慢。人们目前正致力于探 索硅基纳米材料（纳米 Ｓｉ／ＳｉＯ２） ，硅基 ＳｉＧｅＣ 体系的 Ｓｉ１－ｙＣｙ／Ｓｉ１－ｘＧｅｘ 低维结构，Ｇｅ ／Ｓｉ 量子点和量子点超晶格材料，Ｓｉ／ＳｉＣ 量子点材料，ＧａＮ／ＢＰ／Ｓｉ 以及 ＧａＮ／Ｓｉ 材料。
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最近，在 ＧａＮ／Ｓｉ 上成功地研制出 ＬＥＤ 发光器件和有关纳米硅的受激放大现象的报道，使人 们看到了一线希望。 另一方面，ＧｅＳｉ／Ｓｉ 应变层超晶格材料，因其在新一代移动通信上的重要应用前景， 而成为目前硅基材料研究的主流。Ｓｉ／ＧｅＳｉ ＭＯＤＦＥＴ 和 ＭＯＳＦＥＴ 的最高截止频率已达 ２００ＧＨｚ， ＨＢＴ 最高振荡频率为 １６０ＧＨｚ，噪音在 １０ＧＨｚ 下为 ０．９ｄｂ，其性能可与 ＧａＡｓ 器件相媲美。 尽管 ＧａＡｓ／Ｓｉ 和 ＩｎＰ／Ｓｉ 是实现光电子集成理想的材料体系，但由于晶格失配和热膨 胀系数等不同造成的高密度失配位错而导致器件性能退化和失效， 防碍着它的使用化。 最近， Ｍｏｔｏｌｏｒａ 等公司宣称，他们在 １２ 英寸的硅衬底上，用钛酸锶作协变层（柔性层） ，成功的 生长了器件级的 ＧａＡｓ 外延薄膜，取得了突破性的进展。
３．４ 宽带隙半导体材料
宽带隙半导体材主要指的是金刚石（如左图 ３－４－１ 所 示） ，ＩＩＩ 族氮化物，碳化硅，立方氮化硼以及氧化物（ＺｎＯ 等）及固溶体等，特别是 ＳｉＣ、ＧａＮ 和金刚石薄膜等材料， 因具有高热导率、 高电子饱和漂移速度和大临界击穿电压等 特点，成为研制高频大功率、耐高温、抗辐照半导体微电子 器件和电路的理想材料；在通信、汽车、航空、航天、石油 开采以及国防等方面有着广泛的应用前景。另外，ＩＩＩ 族氮 化物也是很好的光电子材料，在蓝、绿光发光二极管（ＬＥＤ）和紫、蓝、绿光激光器（ＬＤ） 以及紫外探测器等应用方面也显示了广泛的应用前景。随着 １９９３ 年 ＧａＮ 材料的 Ｐ 型掺杂突 破，ＧａＮ 基材料成为蓝绿光发光材料的研究热点。目前，ＧａＮ 基蓝绿光发光二极管己商品化， ＧａＮ 基 ＬＤ 也有商品出售，最大输出功率为 ０．５Ｗ．在微电子器件研制方面，ＧａＮ 基 ＦＥＴ 的最高 工作频率（ｆｍａｘ）已达 １４０ＧＨｚ，ｆＴ＝６７ ＧＨｚ，跨导为 ２６０ｍｓ／ｍｍ；ＨＥＭＴ 器件也相继问世，发 展很快。此外，２５６×２５６ ＧａＮ 基紫外光电焦平面阵列探测器也已研制成功。特别值得提出 的是，日本 Ｓｕｍｉｔｏｍｏ 电子工业有限公司 ２０００ 年宣称，他们采用热力学方法已研制成功 ２ 英 寸 ＧａＮ 单晶材料，这将有力的推动蓝光激光器和 ＧａＮ 基电子器件的发展。另外，近年来具有 反常带隙弯曲的窄禁带 ＩｎＡｓＮ，ＩｎＧａＡｓＮ，ＧａＮＰ 和 ＧａＮＡｓＰ 材料的研制也受到了重视，这是因 为它们在长波长光通信用高 Ｔ０ 光源和太阳能电池等方面显示了重要应用前景。 以 Ｃｒｅｅ 公司为代表的体 ＳｉＣ 单晶的研制已取得突破性进展，２ 英寸的 ４Ｈ 和 ６Ｈ ＳｉＣ 单 晶与外延片，以及 ３ 英寸的 ４Ｈ ＳｉＣ 单晶己有商品出售；以 ＳｉＣ 为 ＧａＮ 基材料衬低的蓝绿光 ＬＥＤ 业已上市，并参于与以蓝宝石为衬低的 ＧａＮ 基发光器件的竟争。其他 ＳｉＣ 相关高温器件 的研制也取得了长足的进步。目前存在的主要问题是材料中的缺陷密度高，且价格昂贵。 ＩＩ－ＶＩ 族兰绿光材料研制在徘徊了近 ３０ 年后， １９９０ 年美国 ３Ｍ 公司成功地解决了 ＩＩ 于 －ＶＩ 族的 Ｐ 型掺杂难点而得到迅速发展。 １９９１ 年 ３Ｍ 公司利用 ＭＢＥ 技术率先宣布了电注入 （Ｚｎ， Ｃｄ）Ｓｅ／ＺｎＳｅ 兰光激光器在 ７７Ｋ（４９５ｎｍ）脉冲输出功率 １００ｍＷ 的消息，开始了 ＩＩ－ＶＩ 族兰
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绿光半导体激光（材料）器件研制的高潮。经过多年的努力，目前 ＺｎＳｅ 基 ＩＩ－ＶＩ 族兰绿光 激光器的寿命虽已超过 １０００ 小时，但离使用差距尚大，加之 ＧａＮ 基材料的迅速发展和应用， 使 ＩＩ－ＶＩ 族兰绿光材料研制步伐有所变缓。提高有源区材料的完整性，特别是要降低由非 化学配比导致的点缺陷密度和进一步降低失配位错和解决欧姆接触等问题， 仍是该材料体系 走向实用化前必须要解决的问题。 宽带隙半导体异质结构材料往往也是典型的大失配异质结构材料， 所谓大失配异质结构 材料是指晶格常数、热膨胀系数或晶体的对称性等物理参数有较大差异的材料体系，如 ＧａＮ ／蓝宝石（Ｓａｐｐｈｉｒｅ） ，ＳｉＣ／Ｓｉ 和 ＧａＮ／Ｓｉ 等。大晶格失配引发界面处大量位错和缺陷的 产生，极大地影响着微结构材料的光电性能及其器件应用。如何避免和消除这一负面影响， 是目前材料制备中的一个迫切要解决的关键科学问题。这个问题的解泱，必将大大地拓宽材 料的可选择余地，开辟新的应用领域。 目前，除 ＳｉＣ 单晶衬低材料，ＧａＮ 基蓝光 ＬＥＤ 材料和器件已有商品出售外，大多数高温 半导体材料仍处在实验室研制阶段，不少影响这类材料发展的关键问题，如 ＧａＮ 衬底，ＺｎＯ 单晶簿膜制备，Ｐ 型掺杂和欧姆电极接触，单晶金刚石薄膜生长与 Ｎ 型掺杂，ＩＩ－ＶＩ 族材料 的退化机理等仍是制约这些材料实用化的关键问题，国内外虽已做了大量的研究，至今尚未 取得重大突破。
３．５ 光子晶体半导体材料
光子晶体是一种人工微结构材料（如左图 ３－５－１ 所示） 介电常数周期的被调制在与工作波长相比拟的 ， 尺度，来自结构单元的散射波的多重干涉形成一个光 子带隙，与半导体材料的电子能隙相似，并可用类似 于固态晶体中的能带论来描述三维周期介电结构中光 波的传播，相应光子晶体光带隙（禁带）能量的光波 模式在其中的传播是被禁止的。如果光子晶体的周期 性被破坏，那么在禁带中也会引入所谓的“施主”和 “受主”模，光子态密度随光子晶体维度降低而量子 化。如三维受限的“受主”掺杂的光子晶体有希望制 成非常高 Ｑ 值的单模微腔，从而为研制高质量微腔激 光器开辟新的途径。光子晶体的制备方法主要有：聚焦离子束（ＦＩＢ）结合脉冲激光蒸发方 法，即先用脉冲激光蒸发制备如 Ａｇ／ＭｎＯ 多层膜，再用 ＦＩＢ 注入隔离形成一维或二维平面阵 列光子晶体； 基于功能粒子 （磁性纳米颗粒 Ｆｅ２Ｏ３， 发光纳米颗粒 ＣｄＳ 和介电纳米颗粒 ＴｉＯ２） 和共轭高分子的自组装方法，可形成适用于可光范围的三维纳米颗粒光子晶体；二维多空硅 也可制作成一个理想的 ３－５μｍ 和 １．５μｍ 光子带隙材料等。目前，二维光子晶体制造已取 得很大进展，但三维光子晶体的研究，仍是一个具有挑战性的课题。最近，Ｃａｍｐｂｅｌｌ 等人
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提出了全息光栅光刻的方法来制造三维光子晶体，取得了进展。
３．６ 低维半导体材料
实际上这里说的低维半导体材料就是纳米材料 （如图 ３－６－１ 所示），之所以不愿意使用这个词，主 要是不想与现 在热炒 的所谓的纳米 衬衣、 纳米啤酒 瓶、纳米洗衣机等混为一谈！从本质上看，发展纳米 科学技术的重要目的之一，就是人们能在原子、分子 或者纳米的尺度水平上来控制和制造功能强大、 性能 优越的纳米电子、 光电子器件和电路， 纳米生物传感 器件等，以造福人类。可以预料，纳米科学技术的发 展和应用不仅将彻底改变人们的生产和生活方式， 也 必将改变社会政治格局和战争的对抗形式。 这也是为 什么人们对发展纳米半导体技术非常重视的原因。
４．半导体的特性参数
半导体材料虽然种类繁多但有一些固有的特性，称为半导体材料的特性参数。这 些特性参数不仅能反映半导体材料与其他非半导体材料之间的差别，而且更重要的是 能反映各种半导体材料之间甚至同一种材料在不同情况下特性上的量的差别。常用的 半导体材料的特性参数有：禁带宽度、电阻率、载流子迁移率（载流子即半导体中参加 导电的电子和空穴）、非平衡载流子寿命、位错密度。禁带宽度由半导体的电子态、原 子组态决定，反映组成这种材料的原子中价电子从束缚状态激发到自由状态所需的能 量。电阻率、载流子迁移率反映材料的导电能力。非平衡载流子寿命反映半导体材料 在外界作用（如光或电场）下内部的载流子由非平衡状态向平衡状态过渡的弛豫特性。 位错是晶体中最常见的一类晶体缺陷。位错密度可以用来衡量半导体单晶材料
晶格完 整性的程度。当然，对于非晶态半导体是没有这一反映晶格完整性的特性参数的。
５．半导体的特性要求
半导体材料的特性参数对于材料应用甚为重要。 因为不同的特性决定不同的用途。
５．１ 晶体管对材料特性的要求
根据晶体管的工作原理，要求材料有较大的非平衡载流子寿命和载流子迁移率。 用载流子迁移率大的材料制成的晶体管可以工作于更高的频率（有较好的频率响应）。
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晶体缺陷会影响晶体管的特性甚至使其失效。晶体管的工作温度高温限决定于禁带宽 度的大小。禁带宽度越大，晶体管正常工作的高温限也越高。
５．２ 光电器件对材料特性的要求
利用半导体的光电导（光照后增加的电导）性能的辐射探测器所适用的辐射频率 范围与材料的禁带宽度有关。材料的非平衡载流子寿命越大，则探测器的灵敏度越高， 而从光作用于探测器到产生响应所需的时间（即探测器的弛豫时间）也越长。因此，高 的灵敏度和短的弛豫时间二者难于兼顾。对于太阳电池来说，为了得到高的转换效率， 要求材料有大的非平衡载流子寿命和适中的禁带宽度（禁带宽度于 １．１ 至 １．６ 电子伏之 间最合适）。 晶体缺陷会使半导体发光二极管、 半导体激光二极管的发光效率大为降低。 温差电器件对材料特性的要求：为提高温差电器件的转换效率首先要使器件两端的温 差大。当低温处的温度（一般为环境温度）固定时，温差决定于高温处的温度，即温 差电器件的工作温度。为了适应足够高的工作温度就要求材料的禁带宽度不能太小， 其次材料要有大的温差电动势率、小的电阻率和小的热导率。
致谢：我是陕西国防工业职业技术学院电子信息学院电子 ３０８２ 班 ０３ 号南永成， ：
在学校学到了很多专业知识和专业知识以外的东西，非常感谢老师在各方面对我的培 养和教育！谢谢！
参考文献
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集成电路制造工艺
石墨烯－未来半导体材料 石墨烯 未来半导体材料
摘要： 摘要 摩尔定律虽然一直有效的预言了半导体产业的发展历程，但是我们也同
样遇到了物理定律的技术壁垒。多年以来，大家似乎都在盼望着摩尔定律失效的 那天，同时各种科学家研究员也想突破物理定律的限制，让摩尔定律长期有效下 去。很多研究员在研发新的材料，替代硅作为新的半导体。这迫使我们要在更为 精细的纳米级别寻找新材料。近日，我们得到了一个新的替代硅的材料，那就是 每个人都熟知的石墨。这种石墨被称作 Ｇｒａｐｈｅｎｅ，目前中文文献中一般称石墨 烯。笔者通过对这种材料的结构，性能，制备方法等方面的论述，证实了其在半 导体材料方面具有广泛的应用前景。
关键词： 型碳材料 二维结构，稳定存在 电子迁移比高， 材料，二维结构 稳定存在， 关键词：石墨烯，新型碳材料 二维结构 稳定存在，电子迁移比高，硅的替代 品 Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｅｓｐｉｔｅ ｔｈｅ ｆａｃｔ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｓ ｏｎ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｃｏｕｒｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ： ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ ｂｙ Ｍｏｏｒｅ’ｓ Ｌａｗ ｈａｖｅ ａｌｗａｙｓ ｂｅｅｎ ｖａｌｉｄ， ｗｅ ｈａｖｅ ａｌｓｏ ｅｎｃｏｕｎｔｅｒｅｄ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｂａｒｒｉｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｌａｗｓ ｏｆ Ｐｈ
ｙｓｉｃｓ． Ｆｏｒ ｍａｎｙ ｙｅａｒｓ， ｅｖｅｒｙｂｏｄｙ ｓｅｅｍｓ ｔｏ ｌｏｏｋ ｆｏｒｗａｒｄ ｔｏ ｔｈｅ ｄａｙ ｗｈｅｎ Ｍｏｏｒｅ’ｓ Ｌａｗ ｂｅｃｏｍｅｓ ｖｏｉｄ； ｂｕｔ ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ， ｖａｒｉｏｕｓ ｓｃｉｅｎｔｉｓｔｓ ａｎｄ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｒｓ ａｒｅ ｈｏｐｉｎｇ ｔｏ ｍａｋｅ ａ ｂｒｅａｋｔｈｒｏｕｇｈ ｉｎ ｔｈｅ ｒｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｌａｗｓ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ ｌｅｔｔｉｎｇ ｔｈｅ Ｍｏｏｒｅ’ｓ Ｌａｗ ｔｏ ｂｅ ｐｅｒｍａｎｅｎｔｌｙ ｖａｌｉｄ． Ａ ｌｏｔ ｏｆ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｒｓ ａｒｅ ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｒ ＆ Ｄ ｏｎ ｎｅｗ ｍａｔｅｒｉａｌ ｔｏ ｒｅｐｌａｃｅ ｓｉｌｉｃｏｎ ａｓ ｔｈｅ ｎｅｗ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ， ａｎｄ ｔｈｉｓ ｈａｓ ｃｏｍｐｅｌｌｅｄ ｕｓ ｔｏ ｓｅａｒｃｈ ｆｏｒ ｍｏｒｅ ｐｒｅｃｉｓｅ ｎｅｗ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｔｈａｔ ａｒｅ ｉｎ ｔｈｅ ｎａｎｏｓｃａｌｅ． Ｒｅｃｅｎｔｌｙ， ｗｅ ｈａｖｅ ｄｉｓｃｏｖｅｒｅｄ ａ ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｆｏｒ ｓｉｌｉｃｏｎ， ａｎｄ ｔｈａｔ ｉｓ ｔｈｅ ｅｖｅｒ ｆａｍｉｌｉａｒ ｇｒａｐｈｉｔｅ； ｉｔ ｉｓ ｃａｌｌｅｄ Ｇｒａｐｈｅｎｅ ｉｎ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ Ｃｈｉｎｅｓｅ ｌｉｔｅｒａｔｕｒｅｓ． Ｔｈｅ ａｕｔｈｏｒ ｈａｓ ｐｒｏｖｅｎ ｔｈａｔ Ｇｒａｐｈｅｎｅ ｈａｓ ａ ｗｉｄｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｉｎ ｔｅｒｍｓ ｏｆ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｂｙ ｅｘｐｏｕｎｄｉｎｇ ｔｈｅ ｖａｒｉｏｕｓ ａｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｉｔｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ， ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ： Ｇｒａｐｈｅｎｅ； Ｎｅｗ ｃａｒｂｏｎ ｍａｔｅｒｉａｌ； ｔｗｏ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ； ｓｔａｂｌｅ； ； ｈｉｇｈ ｒａｔｅ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｏｂｉｌｉｔｙ； ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｆｏｒ ｓｉｌｉｃｏｎ．
１ 引言
２０１０ 年 １０ 月 ５ 日， 瑞典皇家科学院正式宣布，将 ２０１０ 年诺贝尔物理学奖 授予英国曼彻斯特大学科学家安德烈．海姆和康斯坦丁．诺沃肖洛夫，以表彰他们 在石墨烯材料方面的卓越研究。石墨烯是一种厚度仅相当于一个原子的碳薄片，
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是目前世界上最薄、最坚硬的材料之一，导电性又胜过所有已知金属。种种物理 特性令石墨烯在 ２００４ 年诞生后， 便成为物理学的热门研究领域。 连向来喜欢 “姗 姗来迟” 的诺贝尔奖， 也难得 “慷慨” 地将奖项颁给这个问世仅六年的 “新发现” 。 大多数人对石墨烯可能有些陌生，但对铅笔肯定熟悉。事实上，铅笔芯所用 的石墨和石墨烯有非常近的关系。石墨是一种层状材料，由一层层的二维平面碳 原子网络有序堆叠形成。由于层与层间的作用力较弱，因此很容易互相剥离，形 成薄的石墨片，这也正是铅笔能在纸上留下痕迹的原因。所谓的石墨烯，就是厚 度只有一个碳原子的单层石墨。 长久以来，科学家们一直认为这种单层的二维材料是无法稳定存在的，直到 ２００４ 年，安德烈？海姆和康斯坦丁？诺沃肖洛夫师徒俩首次发现石墨烯，立即在 科学界引起轰动。 “石墨烯的轰动之处， 不仅在于它打破了二维晶体材料无法真实存在的理论 预言，还为未来的半导体材料提供了无限想象力和可能性。”复旦大学物理系主 任沈健如此评价。和很多凝聚态物理学家一样，沈健非常看好石墨烯在集成电路 元器件方面的应用。众所周知，现在的半导体材料大多采用硅。相比之下，石墨 烯非常容易制备， 电子传输性能也远远优于硅材料。 尽管目前仍有一些技术障碍， 但在沈健看来，“大门已经打开，成功只是时间问题”。
２ 石墨烯的发现
２００４ 年，英国曼彻斯特大学的安德烈?Ｋ?海姆（Ａｎｄｒｅ Ｋ． Ｇｅｉｍ）等制备出了 石墨烯。海姆和他的同事偶然中发现了一种简单易行的新途径。他们强行将石墨 分离成较小的碎片，从碎片中剥离出较薄的石墨薄片，然后用一种特殊的塑料胶 带粘住薄片的两侧，撕开胶带，薄片也随之一分为二。不断重复这一过程，就可 以得到越来越薄的石墨薄片， 而其中部分样品仅由一层碳原子构成——他们制得 了石墨烯。 斯德哥尔摩 ２０１０ 年 １０ 月 ５ 日电 瑞典皇家科学院 ５ 日宣布，将 ２０１０ 年诺贝尔物理学奖授予英国曼彻斯特大学科学家安德烈－海姆和康斯坦丁诺沃肖洛夫，以表彰他们在石墨烯材料方面的卓越研究。
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图 １ 石墨烯
图 ２ 石墨烯二维平面结构
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３ 石墨烯结构
石墨烯的问世引起了全世界的研究热潮。它不仅是已知材料中最薄的一种， 还非常牢固坚硬；作为单质，它在室温下传递电子的速度比已知导体都快。石墨 烯在原子尺度上结构非常特殊，必须用相对论量子物理学（ｒｅｌａｔｉｖｉｓｔｉｃ ｑｕａｎｔｕｍ ｐｈｙｓｉｃｓ）
才能描绘。 石墨烯结构非常稳定，是一种从石墨材料中剥离出的单 层碳原子面材料，是碳的二维结构。这种石墨晶体薄膜的厚度只有 ０．３３５ 纳米， 把 ２０ 万片薄膜叠加到一起，也只有一根头发丝那么厚。 最让人兴奋的是，它的电子迁移比率非常之高，研究员发现它大约相当于普 通硅材料的 １０００ 倍。石墨烯可以做出非常纤细的导体，仅有一个原子大小，因 此非常适合在原子级的导体。此外，石墨烯的电器性可以得到有效的控制，我们 可以控制它的开关与连断。可以让它处于半导体和绝缘体之间的形态。这就意味 着我们可以用它来替代现有的硅材料，做出超过 １００ＧＨｚ 速度的芯片。这绝对有 可能实现。石墨烯和石墨一样属于复式六角晶格，在二维平面上每个碳原子以 ｓｐ２ 杂化轨道相衔接，也就是每个碳原子与最近邻的三个碳原子间形成三个σ 键。剩余的一个 ｐ 电子轨道垂直于石墨烯平面，与周围原子形成π键，碳原子间 相互围成正六边形平面蜂窝形结构， 这样在同一原子面上只有两种空间位置相异 的原子。迄今为止，研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况。石墨烯中各 碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而 使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定。 这种稳定的晶 格结构使碳原子具有优秀的导电性。石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶 格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使 周围碳原子发生挤撞，石墨烯中电子受到的干扰也非常小。
４ 石墨烯特性
４．１ 电子运输
在发现石墨烯以前，大多数（如果不是所有的话）物理学家认为，热力 学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在。所以，它的发现立即震撼 了凝聚态物理界。虽然理论和实验界都认为完美的二维结构无法在非绝对 零度稳定存在，但是单层石墨烯在实验中被制备出来。这些可能归结于石 墨烯在纳米级别上的微观扭曲。
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石墨烯还表现出了异常的整数量子霍尔行为。其霍尔电导 ＝２ｅ２／ｈ，６ｅ２／ｈ，１０ｅ２／ｈ…… 为量子电导的奇数倍，且可以在室温下观测到。这个 行为已被科学家解释为“电子在石墨烯里遵守相对论量子力学，没有静质 量”。
４．２ 导电性
石墨烯结构非常稳定，迄今为止，研究者仍未发现石墨烯中有碳原子 缺失的情况。石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力 时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就 保持了结构稳定。这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。石墨 烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。 由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯 中电子受到的干扰也非常小。 石墨烯最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的 １／３００，远远超 过了电子在一般导体中的运动速度。这使得石墨烯中的电子，或更准确地， 应称为“载荷子”（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｈａｒｇｅ ｃａｒｒｉｅｒ），的性质和相对论性的中微子非常相 似。 石墨烯有相当的不透明度：可以吸收大约 ２．３％的可见光。而这也是石 墨烯中载荷子相对论性的体现。
４．３ 机械特性
石墨烯是人类已知强度最高的物质，比钻石还坚硬，强度比世界上最 好的钢铁还要高上 １００ 倍。哥伦比亚大学的物理学家对石墨烯的机械特性 进行了全面的研究。在试验过程中，他们选取了一些之间在 １０—２０ 微米的 石墨烯微粒作为研究对象。研究人员先是将这些石墨烯样品放在了一个表 面被钻有小孔的晶体薄板上，这些孔的直径在 １—１．５ 微米之间。之后，他 们用金刚石制成的探针对这些放置在小孔上的石墨烯施加压力，以测试它 们的承受能力。 研究人员发现，在石墨烯样品微粒开始碎裂前，它们每 １００ 纳米距离 上可承受的最大压力居然达到了大约 ２．９ 微牛。据科学家们测算，这一结果 相当于要施加 ５５ 牛顿的压力才能使 １ 米长的石墨烯断裂。如果物理学家们 能制取出厚度相当于普通食品塑料包装袋的（厚度约 １００ 纳米）石墨烯， 那么需要施加差不多两万牛的压力才能将其扯断。换句话说，如果用石墨
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烯制成包装袋，那么它将能承受大约两吨重的物品。
４．４ 电子的相互作用
利用世界上最强大的人造辐射源，美国加州大学、哥伦比亚大学和劳 伦斯?伯克利国家实验室的物理学家发现了石墨烯特性新秘密：石墨烯中电 子间以及电子与蜂窝状栅格间均存在着强烈的相互作用。 科学家借助了美国劳伦斯伯克利国家实验室的“先进光源（ＡＬＳ）”电子 同步加速器。这个加速器产生的光辐射亮度相当于医学上 Ｘ 射线强度的 １ 亿倍。科学家利用这一强光源观测发现，石墨烯中的电子不仅与蜂巢晶格 之间相互作用强烈，而且电子和电子之间也有很强的相互作用。
石墨烯结构示意图 图 ３ 石墨烯结构示意图
图 ４ 石磨烯晶体
５ 石墨烯的制备方法
石墨烯的合成方法主要有两种：机械方法和化学方法。机械方法包括微机械 分离法、取向附生法和加热 ＳｉＣ 的方法 ； 化学方法是化学分散法。
５．１ 微机械分离法
最普通的是微机械分离法， 直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剪裁下来。 ２００４ 年 Ｎｏｖｏｓｅｌｏｖｔ 等用这种方法制备出了单层石墨烯，并可以在外界环境下稳定存 在。典型制备方法是用另外一种材料膨化或者引入缺陷的热解石墨进行摩擦，体 相石墨的表面会产生絮片状的晶体，在这些絮片状的晶体中含有单层的石墨烯。
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但缺点是此法是利用摩擦石墨表面获得的薄片来筛选出单层的石墨烯薄片， 其尺 寸不易控制，无法可靠地制造长度足供应用的石墨薄片样本。
５．２ 取向附生法—晶膜生长
取向附生法是利用生长基质原子结构“种”出石墨烯，首先让碳原子在 １ １ ５ ０ ℃下渗入钌，然后冷却，冷却到 ８５０℃后，之前吸收的大量碳原子就会浮到钌 表面，镜片形状的单层的碳原子“ 孤岛” 布满了整个基质表面，最终它们可长 成完整的一层石 墨烯。第一层覆盖 ８ ０ ％后，第二层开始生长。底层的石墨烯 会与钌产生强烈的交互作用， 而第二层后就几乎与钌完全分离， 只剩下弱电耦合， 得到的单层石墨烯薄片表现令人满意。 但采用这种方法生产的石墨烯薄片
往往厚度不均匀，且石墨烯和基质之间的黏合会影 响碳层的特性。另外 Ｐｅｔｅｒ Ｗ．Ｓｕｔｔｅｒ 等使用的基质是稀有金属钌。
５．３ 加热 ＳｉＣ 法
该法是通过加热单晶 ６Ｈ－ＳｉＣ 脱除 Ｓｉ， 在单晶（０００１） 面上分解出石墨烯片层。 具体过程是：将经氧气或氢气刻蚀处理得到的样品在高真空下通过电子轰击加 热，除去氧化物。用俄歇电子能谱确定表面的氧化物完全被移除后，将样品加热 使之温度升高至 １２５０￣１４５０℃后恒温 １ｍｉｎ￣２０ｍｉｎ，从而形成极薄的石墨层，经 过几年的探索，Ｂｅｒｇｅｒ 等人已经能可控地制备出单层或是多层石墨烯。 厚度由加热温度决定，制备大面积具有单一厚度的石墨烯比较困难。 以商品化碳化硅颗粒为原料，通过高温裂解规模制备高品质无支持（Ｆｒｅｅ ｓｔａｎｄｉｎｇ）石墨烯材料的新途径。通过对原料碳化硅粒子、裂解温度、速率以及 气氛的控制，可以实现对石墨烯结构和尺寸的调控。这是一种非常新颖、对实现 石墨烯的实际应用非常重要的制备方法。 其 一条
５．４ 化学分散法
化学分散法是将氧化石墨与水以 １ ｍｇ／ｍＬ 的 比例混合， 用超声波振荡至 溶液清晰无颗粒状物质， 加入适量肼在 １ ０ ０℃回流 ２ ４ ｈ ， 产生黑色颗粒状沉淀， 过滤、 烘干即得石墨烯。 Ｓａｓｈａ Ｓｔａｎｋｏｖｉｃｈ 等利用化学分散法制得厚度为 １ ｎｍ 左 右的石墨烯。
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６ 石墨烯的表征方法
石墨烯的表征方法： 原子力显微镜、 光学显微镜、 Ｒａｍａｎ 光谱、ＸＲＤ 原子力显微镜（ＡＦＭ） 由于单层石墨烯厚度只有 ０．３３５ｎｍ，在扫描电镜（ＳＥＭ）中很难观察到，原 子力显微镜是确定石墨烯结构最直接的办法。 光学显微镜 单层石墨烯附着在表
面覆盖着一定厚度（３００ｎｍ）的 ＳｉＯ２ 层 Ｓｉ 晶片上，可 以在光学显微镜下观测到。 这是因为单层石墨层和衬底对光线产生的干涉有一定 得对比度。受空气－石墨层－ＳｉＯ２ 层间的界面影响。 Ｒａｍａｎ 光谱 Ｒｏｍａｎ 光谱的形状、宽度和位置与其测试的物体层数有关，为测量石墨烯 层数提供了一个高效率、无破坏的表征手段。 石墨烯和石墨本体一样在 １５８０ｃｍ （ Ｇ 峰） 和 ２７００ｃｍ （２ 峰） ２ 个位置有比较明显的吸收峰，相比石墨本体， 而在 ２７００ ｃｍ 处的吸收峰强度较高，并 石墨烯在 １５８０ ｃｍ 处的吸收峰强度较低， 且不同层数的石墨烯在 ２７００ ｃｍ 处的吸收峰位置略有移动。
７ 应用
石墨烯的应用范围很广，从电子产品到防弹衣和造纸，甚至未来的太 空电梯都可以以石墨烯为原料。
７．１ 可做“太空电梯”缆线
据科学家称，地球上很容易找到石墨原料，而石墨烯堪称是人类已知 的强度最高的物质，它将拥有众多令人神往 的发展前景。它不仅可以开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、可以制 造出超坚韧的防弹衣，甚至还为“太空电梯”缆线的制造打开了一扇“阿里巴 巴”之门。美国研究人员称，“太空电梯”的最大障碍之一，就是如何制造出 一根从地面连向太空卫星、长达 ２３０００ 英里并且足够强韧的缆线，美国科 学家证实，地球上强度最高的物质“石墨烯”完全适合用来制造太空电梯缆 线。 人类通过“太空电梯”进入太空，所花的成本将比通过火箭升入太空便宜 很多。为了激励科学家发明出制造太空电梯缆线的坚韧材料，美国 ＮＡＳＡ
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此前还发出了 ４００ 万美元的悬赏。
图 ５ 太空电梯
７．２ 代替硅生产超级计算机
据科学家称，石墨烯除了异常牢固外，还具有一系列独一无二的特性， 石墨烯还是目前已知导电性能最出色的材料，这使它在微电子领域也具有 巨大的应用潜力。研究人员甚至将石墨烯看作是硅的替代品，能用来生产 未来的超级计算机。 ＩＢＭ 宣布研发出号称全世界速度最快的石墨烯（ｇｒａｐｈｅｎｅ）场效晶体管 （ＦＥＴ），可在 ２６ＧＨｚ 频率下运作。该公司 Ｔｈｏｍａｓ Ｊ． Ｗａｔｓｏｎ 研究中心的研究 人员并预测，碳元素更高的电子迁移率，可望使该种材料超越硅的极限， 达到 １００ＧＨｚ 以上的速度跨入兆赫（ｔｅｒａｈｅｒｔｚ）领域。
８ 结论
我们每个人都有使用铅笔的经历， 但几乎没有人意识到当我们用铅笔在纸上 留下字迹的同时也不知不觉地制造出了很有可能在不久的将来改变人类生活的 新材料。这种目前在科学界最热门的材料就是石墨烯。顾名思义，石墨烯与石墨 有紧密的联系。我们知道，石墨是一类层状的材料，它是由一层又一层的二维平 面碳原子网络有序堆叠而形成的。由于层间的作用力较弱，因此石墨层间很容易 互相剥离，形成薄的石墨片，这也正是铅笔能在纸上留下痕迹的原因。这样的剥
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离存在一个最小的极限，那就是单层的剥离，即形成厚度只有一个碳原子的单层 石墨，这就是石墨烯。但长久以来，科学家们从理论上一直认为这种纯粹的二维 晶体材料是无法稳定存在的，一些试图制备石墨烯的工作也均以失败而告终。直 到 ２００４ 年，英国曼彻斯特大学的 Ａ． Ｇｅｉｍ 教授及其合作人员凭借极大的耐心与 一点点运气终于如大海捞针般首次发现了石墨烯。 他们采取的手段与铅笔写字有 异曲同工之妙， 即通过透明胶带对石墨进行反复的粘贴与撕开使得石墨片的厚度 逐渐减小， 最终通过显微镜在大量的薄片中寻找到了理论厚度只有 ０．３４ 纳米 （约 为头发直径的二十万分之一）的石墨烯。这一发现在科学界引起了巨大的轰动， 不仅是因为它打破了二维晶体无法真实存在的理论预言， 更为重要的是石墨烯的 出现带来了众多出乎人们意料的新奇特性， 使它成为继富勒烯和碳纳米管后又一 个里程碑式的新材料。而 Ｇｅｉｍ 教授也凭借这一发现获得了 ２００８ 年诺贝尔物理 学奖的提名。 石墨烯这一目前世界上最薄的物质首先让凝聚态物理学家们 惊喜不已。由于碳原子间的作用力很
强，因此即使经过多次的剥离，石墨烯的晶 体结构依然相当完整，这就保证了电子能在石墨烯平面上畅通无阻的迁移，其迁 移速率为传统半导体硅材料的数十至上百倍。 这一优势使得石墨烯很有可能取代 硅成为下一代超高频率晶体管的基础材料而广泛应用于高性能集成电路和新型 纳米电子器件中。目前科学家们已经研制出了石墨烯晶体管的原型，并且乐观地 预计不久就会出现全由石墨烯构成的全碳电路并广泛应用于人们的日常生活中。 此外，二维石墨烯材料中的电子行为与三维材料截然不同，无法用传统的量子力 学加以解释，而必须运用更为复杂的相对论量子力学来阐释。因此石墨烯为相对 论量子力学的研究提供了很好的平台， 而在这之前科学家们只能在高能宇宙射线 或高能加速器中对该理论进行验证，如今终于可以在普通环境下轻松开展研究 了。石墨烯还具有超高的强度，碳原子间的强大作用力使其成为目前已知的力学 强度最高的材料，并有可能作为添加剂广泛应用于新型高强度复合材料之中。石 墨烯良好的导电性及其对光的高透过性又让它在透明导电薄膜的应用中独具优 势，而这类薄膜在液晶显示以及太阳能电池等领域至关重要。另外，石墨烯在高 灵敏度传感器和高性能储能器件方面也已经展示出诱人的应用前景。可以说，石 墨烯的出现不仅给科学家们提供了一个充满魅力与无限可能的研究对象， 更让我 们对其充满了期待，也许在不久的将来，石墨烯就会为我们搭建起更加便捷与美 好的生活。看了以上的介绍，如果你对石墨烯产生了兴趣的话，不妨也可以尝试 着 ＤＩＹ 一下。其实很简单，只要你一点石墨、有一卷胶带和一台显微镜就可以 了，当然还要加上足够的耐心。好了，现在你就可以像 Ｇｅｉｍ 教授一样开始在科 学世界中的探索了。
参考文献： 参考文献：
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集成电路设计小论文
电子学与集成电路设计小论文 论文题目：半导体制造工艺综述 学院： 专业： 学号： 姓名： 指导教师： 二〇一三年五月十五日 摘要 典型的集成电路硅片制造工艺可能要花费六到八周的时间，包括350或者更
多步骤来完成所有的制造工艺。这种工艺的复杂性是无以复加的。大多数半导体流程都发生在硅片顶层的几微米以内。这一有源区对应于工艺流程的顶层工艺。所有硅上方的材料都是互联芯片上各个器件所需的分层结构的一部分。为了增加多层金属及绝缘层，工艺流程要求在不同工艺步骤中循环。集成电路制造就是在硅片上执行一系列复杂的化学或者物理操作。这些操作可以分为四大基本类：薄膜制作、刻印、刻蚀和掺杂。 关键词：集成电路、工艺、硅片
一、简述 大多数半导体流程都发生在硅片顶层的几微米以内。这一有源区对应于工艺流程的高端工艺。所有硅上方的材料都是互连芯片上各个器件所需的分层结构的一部分。为了增加多层金属及绝缘层，工艺流程要求硅片在不同的工艺步骤中循环。了解了工艺流程，就会认识到要制造一块高性能微芯片，只需要多次运用有限的几种工艺。 集成电路制造就是在硅片上执行一系列复杂的化学或者物理操作，这些操作可以分为四大基本类：薄膜制作（layer）、刻印（pattern）、刻蚀和掺杂。基本流程如图1所示。即使制造单个MOS管也不例外。由于CMOS技术在工艺家族中最具有代表性，我们以它为例介绍硅片制造流程。 图1 CMOS工艺流程中的主要制造步骤 二、COMS制作工艺流程 1，双阱工艺 在一般的CMOS流程中，第一步往往是定义MOSFET的有源区，现在的亚0.25um的工艺通常采用双阱工艺（也称双管）来定义nMOS和pMOS晶体管的有源区。通常采用倒掺杂技术来优化晶体管的电学特性，这一技术采用高能量、
集成电路课程设计报告
课程设计 班级： 姓名： 学号： 成绩： 电子与信息工程学院 电子科学系
CMOS二输入与非门的设计 一、概要 随着微电子技术的快速发展，人们生活水平不断提高，使得科学技术已融入到社会生活中每一个方面。而对于现代信息产业和信息社会的基础来讲，集成电路是改造和提升传统产业的核心技术。随着全球信息化、网络化和知识经济浪潮的到来，集成电路产业的地位越来越重要，它已成为事关国民经济、国防建设、人民生活和信息安全的基础性、战略性产业。 集成电路有两种。一种是模拟集成电路。另一种是数字集成电路。本论文讲的是数字集成电路版图设计的基本知识。然而在数字集成电路中CMOS与非门的制作是非常重要的。 二、CMOS二输入与非门的设计准备工作 1.CMOS二输入与非门的基本构成电路 使用S-Edit绘制的CMOS与非门电路如图1。 图1 基本的CMOS二输入与非门电路
2.计算相关参数 所谓与非门的等效反相器设计，实际上就是根据晶体管的串并联关系，再根据等效反相器中的相应晶体管的尺寸，直接获得与非门中各晶体管的尺寸的设计方法。具体方法是：将与非门中的VT3和VT4的串联结构等效为反相器中的NMOS 晶体管，将并联的VT 1、VT 2等效PMOS 的宽长比(W/L)n 和(W/L)p 以后，考虑到VT3和VT4是串联结构，为保持下降时间不变，VT 3和VT 4的等线电阻必须减小为一半，即他们的宽长比必须为反相器中的NMOS 的宽长比增加一倍，由此得到(W/L)VT3,VT4=2(W/L)N 。 因为考虑到二输入与非门的输入端IN A 和IN B 只要有一个为低电平，与非门输出就为高电平的实际情况，为保证在这种情况下仍能获得所需的上升时间，要求VT 1和VT 2的宽长比与反相其中的PMOS 相同，即(W/L)VT1,VT2=(W/L)P 。至此，根据得到的等效反向器的晶体管尺寸，就可以直接获得与非门中各晶体管的尺寸。 如下图所示为t PHL 和t PLH ，分别为从高到低和从低到高的传输延时，通过反相器的输入和输出电压波形如图所示。给其一个阶跃输入，并在电压值50%这一点测量传输延迟时间，为了使延迟时间的计算简单，假设反相器可以等效成一个有效的导通电阻R eff ，所驱动的负载电容是C L 。 图2 反相器尺寸确定中的简单时序模型 对于上升和下降的情况，50%的电都发生在： L eff C R 69.0=τ 这两个Reff 的值分别定义成上拉和下拉情况的平均导通电阻。如果测量t PHL 和t PLH ，可以提取相等的导通电阻。 由于不知道确定的t PHL 和t PLH ，所以与非门中的NMOS 宽长比取L-Edit 软件中设计规则文件MOSIS/ORBIT 2.0U SCNA Design Rules 的最小宽长比及最小长度值。 3.分析电路性质 根据数字电路知识可得二输入与非门输出AB F =。使用W-Edit 对电路进行仿真后得到的结果如图4和图5所示。
【毕业论文选题】半导体专业集成电路设计论文题目有哪些
半导体专业集成电路设计论文题目有哪些 经过20多年的发展无制造半导体产业快速发展，成为令世界瞩目的一支新兴力量。那么对于半导体专业中集成电路设计论文题目又有哪些呢？请看最新整理。 半导体专业集成电路设计论文题目一： 1、基于遗传算法的模拟集成电路优化设计 2、一种关于PCB铜板表面缺陷检测的AOI设计 3、基于3D打印的高导电石墨烯基柔性电路的构建与性能研究 4、CMOS太赫兹探测器的优化设计研究 5、石墨烯基喷墨打印墨水及其柔性电路的制备研究 6、基于工艺偏差的带隙基准电压源设计 7、基于CMOS工艺的太赫兹成像芯片研究 8、PCB元器件定位与识别技术研究 9、基于机器视觉的PCB缺陷自动检测系统 10、纳米银导电墨水的制备及室温打印性能研究 1
11、高散热印制电路材料与互连的构建研究 12、基于CMOS工艺的射频毫米波锁相环集成电路关键技术研究 13、高速高密度PCB信号完整性与电源完整性研究 14、温度冲击条件下PCB无铅焊点可靠性研究 15、多层PCB过孔转换结构的信号完整性分析 16、基于近场扫描的高速电路电磁辐射建模研究 17、铜/树脂界面结合力的研究及其在印制线路板制造中的应用 18、基于HFSS的高速PCB信号完整性研究 19、基于CMOS工艺的全芯片ESD设计 20、高速板级电路及硅通孔三维封装集成的电磁特性研究 21、CMOS电荷泵锁相环的分析与设计 22、CMOS射频接收集成电路关键技术研究与设计实现 23、PCB铜表面的抗氧化处理方法 24、高速电路PCB的信号完整性和电源完整性仿真分析 25、面向PCB焊点检测的关键技术研究 26、CMOS工艺静电保护电路与器件的特性分析和优化设计 27、PCB光学特性对PCB光电外观检查机性能的影响机理 28、印制电路板表面涂覆层与刚挠分层的失效分析研究 29、贴片机同步带传动XY平台的伺服控制系统设计 30、HDMI视频接口电路信号完整性设计 31、嵌入挠性线路印制电路板工艺技术研究及应用 32、基于MIPI协议的LCD驱动接口数字集成电路设计 33、HDI印制电路板精细线路及埋孔制作关键技术与应用 34、辐照环境中通信数字集成电路软错误预测建模研究 35、PCI-E总线高速数据采集卡的研制 36、数字电路功耗分析及优化的研究 2
集成电路综述论文
集成电路的过去、现在和未来 摘要:本文简要介绍了集成电路的发展历史、发展现状和发展前景。着重介绍了集成电路技术在一些领域的应用和我国集成电路产业的现状和发展。 关键词：集成电路技术应用电子信息技术 一、发展历史 集成电路的发明和应用是人类20世纪科技发展史上一颗最为璀璨的明珠。50多年来，集成电路不仅给经济繁荣、社会进步和国家安全等方面带来了巨大成功，而且改变了人们的生产、生活和思维方式。当前集成电路已是无处不有、无时不在。她已经成为人类文明不可缺乏的重要内容。 1949年12月23日，美国贝尔实验室的肖克莱、巴丁和布拉顿三人研究小组发现了晶体管效应，并在此基础上制出了世界上第一枚锗点接触晶体管，从此开创了人类大规模利用半导体的新时代。两年后肖克莱首次提出了晶体管理论。1953年出现了锗合金晶体管，1955年又出现了扩散基区锗合金晶体管。1957年美国仙童公司利用硅晶片上热生长二氧化硅工艺制造出世界上第一只硅平面晶体管。从此，硅成为人类利用半导体材料的主要角色。1958年美国德州仪器公司青年工程师基尔比制作出世界上第一块集成电路。1960年初美国仙童公司的诺依思制造出第一块实用化的集成电路芯片。集成电路的发明为人类开创了微电子时代的新纪元。在此后的五十多年里，集成电路技术发展迅速，至今，半导体领域中获得过诺贝尔物理奖的发明创造已有5项。晶体管由于其广泛的用途而被 迅速投入工业生产，“硅谷”成为世界集成电路的策源地，并由此向世界多个国家和地区辐射：上世纪60年代向西欧辐射，70年代向日本转移，80年代又向韩国、我国台湾和新加坡转移。至上世纪90年代，集成电路产业已成为一个高度国际化的产业。 发展现状 简介 集成电路具有多种特点，如其体积小、质量轻、功能齐全、可靠性高、安装方便、频率特性好、专用性强以及元器件的性能参数比较一致，对称性好。目前最先进的集成电路是微处理器或多核处理器的“核心”，可以控制电脑、手机到数字微波炉的一切。当前全球生产技术水平最高的集成电路项目是三星电子高端存储器芯片项目，其预备生产目前世界上最先进的10纳米级闪存芯片。集成电路的设计是集成电路三大产业支柱之一，目前相对主流的设计技术有IP核技术、可重构芯片技术、适应计算设计技术以及结构化设计技术等。IP核技术是目前主流的设计技术，ARM公司以专业设计IP核在CPU领域占据重要地位，成为了全球性RISC微处理器标准的缔造者。三大产业支柱之一的封装技术也在快速发展，目前有发展前景的是DCA技术和三维封装技术。同时，集成电路中单片系统集成芯片的特征尺寸在不断缩小，芯片的集成度在逐渐提升，工作电压在逐渐降低。 2、国内产业现状 中国集成电路发展势头迅速。2000年《国务院关于印发鼓励软件产业和集成电路产业发展若干政策的通知》发布以来，中国集成电路市场和产业规模都实现了快速增长。市场规模方面，2014年中国集成电路市场规模首次突破万亿级大关，达到10393亿元，同比增长13.4%，约占全球市场份额的50%。产业规模方面，2014年中国集成电路产业销售额为3015.4亿元，2001-2014年年均增长率达到23.8%。2014年12月5日，联发科与晶圆代工厂商华力电子共同宣布双方将在28纳米工艺技术和晶圆制造服务方面紧密合作，受到业界极大关注。2015年7月，我国科技重大专项“40-28纳米集成电路制造用300毫米硅片”在上海产业区启动，旨在解决我国集成电路行业300毫米硅片完全依赖进口的局面。
集成电路设计实验报告
集成电路设计 实验报告 时间：2011年12月
实验一原理图设计 一、实验目的 1.学会使用Unix操作系统 2.学会使用CADENCE的SCHEMA TIC COMPOSOR软件 二：实验内容 使用schematic软件，设计出D触发器，设置好参数。 二、实验步骤 1、在桌面上点击Xstart图标 2、在User name：一栏中填入用户名，在Host：中填入IP地址，在Password：一栏中填入 用户密码，在protocol：中选择telnet类型 3、点击菜单上的Run！，即可进入该用户unix界面 4、系统中用户名为“test9”，密码为test123456 5、在命令行中（提示符后，如：test22>）键入以下命令 icfb&↙(回车键)，其中& 表示后台工作，调出Cadence软件。 出现的主窗口所示： 6、建立库(library)：窗口分Library和Technology File两部分。Library部分有Name和Directory 两项，分别输入要建立的Library的名称和路径。如果只建立进行SPICE模拟的线路图，Technology部分选择Don’t need a techfile选项。如果在库中要创立掩模版或其它的物理数据（即要建立除了schematic外的一些view），则须选择Compile a new techfile(建立新的techfile)或Attach to an existing techfile(使用原有的techfile)。 7、建立单元文件(cell)：在Library Name中选择存放新文件的库，在Cell Name中输 入名称，然后在Tool选项中选择Composer-Schematic工具(进行SPICE模拟)，在View Name中就会自动填上相应的View Name—schematic。当然在Tool工具中还有很多别的
集成电路封装与测试_毕业设计论文
毕业设计（论文）集成电路封装与测试
摘要 IC封装是一个富于挑战、引人入胜的领域。它是集成电路芯片生产完成后不可缺少的一道工序，是器件到系统的桥梁。封装这一生产环节对微电子产品的质量和竞争力都有极大的影响。按目前国际上流行的看法认为，在微电子器件的总体成本中，设计占了三分之一，芯片生产占了三分之一，而封装和测试也占了三分之一，真可谓三分天下有其一。封装研究在全球范围的发展是如此迅猛，而它所面临的挑战和机遇也是自电子产品问世以来所从未遇到过的；封装所涉及的问题之多之广，也是其它许多领域中少见的，它需要从材料到工艺、从无机到聚合物、从大型生产设备到计算力学等等许许多多似乎毫不关连的专家的协同努力，是一门综合性非常强的新型高科技学科。 媒介传输与检测是CPU封装中一个重要环节，检测CPU物理性能的好坏，直接影响到产品的质量。本文简单介绍了工艺流程，机器的构造及其常见问题。 关键词：封装媒介传输与检测工艺流程机器构造常见问题
Abstract IC packaging is a challenging and attractive field. It is the integrated circuit chip production after the completion of an indispensable process to work together is a bridge device to the system. Packaging of the production of microelectronic products, quality and competitiveness have a great impact. Under the current popular view of the international community believe that the overall cost of microelectronic devices, the design of a third, accounting for one third of chip production, packaging and testing and also accounted for a third, it is There are one-third of the world. Packaging research at the global level of development is so rapid, and it faces the challenges and opportunities since the advent of electronic products has never been encountered before; package the issues involved as many as broad, but also in many other fields rare, it needs to process from the material, from inorganic to polymers, from the calculation of large-scale production equipment and so many seem to have no mechanical connection of the concerted efforts of the experts is a very strong comprehensive new high-tech subjects . Media transmission and detection CPU package is an important part of testing the physical properties of the mixed CPU, a direct impact on product quality. This paper describes a simple process, the structure of the machine and its common problems. Keyword: Packaging Media transmission and detection Technology process Construction machinery Frequently Asked Questions
集成电路论文
集成电路自动测试技术综述 陈华成0812002193 电087 摘要：随着经济发展和技术的进步，集成电路(Integrated Circuit，IC)产业取得了突飞猛进的发展。集成电路测试是集成电路产业链中的一个重要环节，是保证集成电路性能、质量的关键环节之一。集成电路测试是集成电路产业的一门支撑技术，而集成电路自动测试设备(Automatic Test Equipment，A TE)是实现集成电路测试必不可少的工具。 本文首先介绍了集成电路自动测试系统的国内外研究现状，接着介绍了数字集成电路的测试技术，包括逻辑功能测试技术和直流参数测试技术。逻辑功能测试技术介绍了测试向量的格式化作为输入激励和对输出结果的采样，最后讨论了集成电路测试面临的技术难题。 关键词：集成电路；测试技术；IC 1 引言 随着经济的发展，人们生活质量的提高，生活中遍布着各类电子消费产品。电脑﹑手机和mp3播放器等电子产品和人们的生活息息相关，这些都为集成电路产业的发展带来了巨大的市场空间。2007年世界半导体营业额高达2.740亿美元，2008世界半导体产业营业额增至2.850亿美元，专家预测今后的几年随着消费的增长，对集成电路的需求必然强劲。因此，世界集成电路产业正在处于高速发展的阶段。 集成电路产业是衡量一个国家综合实力的重要重要指标。而这个庞大的产业主要由集成电路的设计、芯片、封装和测试构成。在这个集成电路生产的整个过程中，集成电路测试是惟一一个贯穿集成电路生产和应用全过程的产业。如：集成电路设计原型的验证测试、晶圆片测试、封装成品测试，只有通过了全部测试合格的集成电路才可能作为合格产品出厂，测试是保证产品质量的重要环节。 集成电路测试是伴随着集成电路的发展而发展的，它为集成电路的进步做出了巨大贡献。我国的集成电路自动测试系统起步较晚，虽有一定的发展，但与国外的同类产品相比技术水平上还有很大的差距，特别是在一些关键技术上难以实现突破。国内使用的高端大型自动测试系统，几乎是被国外产品垄断。市场上各种型号国产集成电路测试，中小规模占到80%。大规模集成电路测试系统由于稳定性、实用性、价格等因素导致没有实用化。大规模/超大规模集成电路测试系统主要依靠进口满足国内的科研、生产与应用测试，我国急需自主创新的大规模集成电路测试技术，因此，本文对集成电路测试技术进行了总结和分析。 2 集成电路测试的必要性 随着集成电路应用领域扩大，大量用于各种整机系统中。在系统中集成电路往往作为关键器件使用，其质量和性能的好坏直接影响到了系统稳定性和可靠性。 如何检测故障剔除次品是芯片生产厂商不得不面对的一个问题，良好的测试流程，可以使不良品在投放市场之前就已经被淘汰，这对于提高产品质量，建立生产销售的良性循环，树立企业的良好形象都是至关重要的。次品的损失成本可以在合格产品的售价里得到相应的
集成电路设计实训
研究生课程开设申请表 开课院（系、所）：集成电路学院 课程申请开设类型：新开√重开□更名□（请在□内打勾，下同）
一、课程介绍（含教学目标、教学要求等）（300字以内） 本课程将向学生提供集成电路设计的理论与实例相结合的培养训练，讲述包括电路设计与仿真、版图设计和验证以及寄生参数提取的完整全定制集成电路设计流程以及CADENCE与IC制造厂商的工艺库配合等内容。通过系统的理论学习与上机实践，学生可掌握集成电路设计流程以及各阶段所使用的工具，并能进行集成电路的设计工作。 掌握资料查询、文献检索及运用现代信息技术获取相关信息的基本方法；培养学生具有一定的设计，归纳、整理、分析设计结果，撰写论文，参与学术交流的能力。 指导学生学会如何利用现代的EDA工具设计集成电路，培养学生的工程设计意识，启发学生的创新思想。 全面了解集成电路设计、制造、封装、测试的完整芯片制成技术，提高综合运用微电子技术知识的能力和实践能力。 二、教学大纲（含章节目录）：（可附页） 第一章cadence集成电路设计软件介绍 第二章偏置电路设计 第三章基本运放和高性能运放 第四章比较器、振荡器设计 第五章电源系统设计（LDO与DC-DC） 三、教学周历
四、主讲教师简介： 常昌远，男，1961年10月出生，2000年东南大学微电子专业博士毕业，现为东南大学副教授，硕士研究生导师。长期从事微电子和自动控制领域内的教学、科研和指导研究生工作。参加过国家自然科学基金重点项目的研究、并主持与IC设计企业合作的多项横向研究课题。近年来主要从事显示控制芯片和电源管理芯片DC-DC、LDO等产品的开发，在CMOS数字集成电路、模拟集成电路的分析、设计与研发、系统的建模和稳定性设计等方面积累了较丰富的实际工作经验。教学方面，主讲包括与研究方向有关的“半导体功率器件”，“自动控制原理”，CMOS模拟集成电路设计等课程。已在国内核心刊物上发表学术论文20余篇，获国家专利1项。目前在东南大学IC学院负责集成电路设计与MPW项目建
集成电路设计基础复习
1、解释基本概念：集成电路，集成度，特征尺寸 参考答案： A、集成电路（IC：integrated circuit）是指通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件，按照一定的电路互连，“集成”在一块半导体晶片（如硅或砷化镓）上，封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能的集成块。 B、集成度是指在每个芯片中包含的元器件的数目。 C、特征尺寸是代表工艺光刻条件所能达到的最小栅长（L）尺寸。 2、写出下列英文缩写的全称：IC，MOS，VLSI，SOC，DRC，ERC，LVS，LPE 参考答案： IC：integrated circuit；MOS：metal oxide semiconductor；VLSI：very large scale integration；SOC：system on chip；DRC：design rule check；ERC：electrical rule check；LVS：layout versus schematic；LPE：layout parameter extraction 3、试述集成电路的几种主要分类方法 参考答案： 集成电路的分类方法大致有五种：器件结构类型、集成规模、使用的基片材料、电路功能以及应用领域。根据器件的结构类型，通常将其分为双极集成电路、MOS集成电路和Bi-MOS 集成电路。按集成规模可分为：小规模集成电路、中规模集成电路、大规模集成电路、超大规模集成电路、特大规模集成电路和巨大规模集成电路。按基片结构形式，可分为单片集成电路和混合集成电路两大类。按电路的功能将其分为数字集成电路、模拟集成电路和数模混合集成电路。按应用领域划分，集成电路又可分为标准通用集成电路和专用集成电路。 4、试述“自顶向下”集成电路设计步骤。 参考答案： “自顶向下”的设计步骤中，设计者首先需要进行行为设计以确定芯片的功能；其次进行结构设计；接着是把各子单元转换成逻辑图或电路图；最后将电路图转换成版图，并经各种验证后以标准版图数据格式输出。 5、比较标准单元法和门阵列法的差异。 参考答案：
cmos模拟集成电路设计实验报告
北京邮电大学 实验报告 实验题目：cmos模拟集成电路实验 姓名：何明枢 班级：2013211207 班内序号：19 学号：2013211007 指导老师：韩可 日期：2016 年 1 月16 日星期六
目录 实验一:共源级放大器性能分析 (1) 一、实验目的 (1) 二、实验内容 (1) 三、实验结果 (1) 四、实验结果分析 (3) 实验二:差分放大器设计 (4) 一、实验目的 (4) 二、实验要求 (4) 三、实验原理 (4) 四、实验结果 (5) 五、思考题 (6) 实验三：电流源负载差分放大器设计 (7) 一、实验目的 (7) 二、实验内容 (7) 三、差分放大器的设计方法 (7) 四、实验原理 (7) 五、实验结果 (9) 六、实验分析 (10) 实验五：共源共栅电流镜设计 (11) 一、实验目的 (11) 二、实验题目及要求 (11) 三、实验内容 (11) 四、实验原理 (11) 五、实验结果 (14) 六、电路工作状态分析 (15) 实验六：两级运算放大器设计 (17) 一、实验目的 (17) 二、实验要求 (17) 三、实验内容 (17) 四、实验原理 (21) 五、实验结果 (23) 六、思考题 (24) 七、实验结果分析 (24) 实验总结与体会 (26) 一、实验中遇到的的问题 (26) 二、实验体会 (26) 三、对课程的一些建议 (27)
实验一:共源级放大器性能分析 一、实验目的 1、掌握synopsys软件启动和电路原理图（schematic）设计输入方法； 2、掌握使用synopsys电路仿真软件custom designer对原理图进行电路特性仿真； 3、输入共源级放大器电路并对其进行DC、AC分析，绘制曲线； 4、深入理解共源级放大器的工作原理以及mos管参数的改变对放大器性能的影响 二、实验内容 1、启动synopsys，建立库及Cellview文件。 2、输入共源级放大器电路图。 3、设置仿真环境。 4、仿真并查看仿真结果，绘制曲线。 三、实验结果 1、实验电路图
集成电路论文83832
模拟集成电路 模拟集成电路设计与应用综述 系、部：计电系11级供用电技术二班 学生姓名：季丽丽 指导教师：徐晓莹 专业：电路基础 班级：11级供用电技术二班 完成时间：2012、06、25
模拟集成电路设计与应用综述 摘要 近年来，随着集成电路工艺技术的进步，整个电子系统可以集成在一个芯片上。这些变化改变了模拟电路在电子系统中的作用，并且影响着模拟集成电路的发展。随着信息技术及其产业的迅速发展，当今社会进入到了一个崭新的信息化时代。微电子技术是信息技术的核心技术，模拟集成电路又是微电子技术的核心技术之一，因而模拟集成电路成为信息时代的重要技术领域。已广泛应用于信号放大、频率变换、模拟运算、计算机接口、自动控制、卫星通信等领域。 关键词：模拟集成电路；微电子技术；信号放大；频率变换 引言 集成电路是一种微型电子器件或部件。采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、二极管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块 或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构；其中所有元件在结构上已组成一个整体，这样，整个电路的体积大大缩小，且引出线和焊接点的数目也大为减少，从而使电子元件向着微小型化、低功耗和高可靠性方面迈进了一大步。 集成电路具有体积小，重量轻，引出线和焊接点少，寿命长，可靠性高，性 能好等优点，同时成本低，便于大规模生产。它不仅在工、民用电子设备如收录机、电视机、计算机等方面得到广泛的应用，同时在军事、通讯、遥控等方面也 得到广泛的应用。 集成电路按其功能、结构的不同，可以分为模拟集成电路、数字集成电路和数/模混合集成电路三大类。
集成电路设计实习报告-孙
集成电路版图设计实习报告 学院：电气与控制工程学院 专业班级：微电子科学与工程1101班 姓名：孙召洋 学号：1106080113
一、实验要求： 1. 熟悉Cadence的工作环境。 2. 能够熟练使用Cadence工具设计反相器，与非门等基本电路。 3. 熟记Cadence中的快捷操作。比如说“W”是连线的快捷键。 4. 能够看懂其他人所画的原理图以及仿真结果，并进行分析等。 二、实验步骤： 1、使用用户名和密码登陆入服务器，右击桌面，在弹出菜单中单击open Terminal；在弹出的终端中键入Unix命令icfb&然后按回车启动Cadence。Cadence启动完成后，关闭提示信息。设计项目的建立 2、点击Tools-Library Manager启动设计库管理软件。点击File-New-Library 新建设计库文件。在弹出的菜单项中输入你的设计库的名称，比如My Design,点击OK。选择关联的工艺库文件，点击OK。在弹出的菜单中的Technology Library下拉菜单中选择需要的工艺库，然后单击OK。 3、设计的项目库文件建立完成，然后我们在这个项目库的基础上建立其子项目。点击选择My Design，然后点击File-New-Cell View。输入子项目的名称及子项目的类型，这设计版图之前我们假定先设计原理图：所以我们选择Composer-Schematic，然后点击OK。 4、进入原理图编辑平台,原理图设计,输入器件：点击Instance按键或快捷键I插入器件。查找所需要的器件类型-点击Browse-tsmc35mm-pch5点击Close。更改器件参数，主要是宽和长。点击Hide，在编辑作业面上点击插入刚才设定的器件。如果想改参数器件，点击选择该器件，然后按Q，可以修改参数器件使用同样的方法输入Nmos,工艺库中叫nch5. 点击Wire(narrow)手动连线。完成连线后，输入电源标志和地标志：在analogLib库中选择VDD和GND，输入电源线标示符。接输入输出标示脚：按快捷键P，输入引脚名称in, Direction选择input,点击Hide，并且和输入线连接起来。同理设置输出引脚Out。 5、版图初步建立新的Cell，点击File-New-Cell View 还是建立名称为inv的版图编辑文件，Tool选择Virtuoso版图编辑软件，点击OK，关闭信息提示框。进入版图编辑环境根据之前仿真所得宽长比和反相器inv或与非门NAND的原理图画出反相器inv或与非门NAND的IC版图； 6、完成后使用版图验证系统进行DRC（设计规则检查）。 三、实验设计规则： 1、Linux常用的文件和目录命令： cd //用于切换子目录 pwd//用于显示当前工作子目录 ls//用于列出当前子目录下的所有内容清单 rm//用于删除文件 touch//用于建立文件或是更新文件的修改日期 mkdir//用于建立一个或者几个子目录
集成电路设计与集成系统
集成电路卓越计划实验班本科培养计划Undergraduate Experimental Program in IC Design and Integrated System 一、培养目标 Ⅰ．Program Objectives 培养具备坚实的集成电路与集成系统专业理论基础、工程实践能力和相关创业能力，创新意识、创业素质和综合能力强，具备多学科视野和国际竞争力的光电领域研究型高端工程技术人才。毕业生能在集成电路产业部门、研究院所、高等院校及其相关领域创造性地从事集成电路工程相关的研究、开发和管理等工作。 Aiming at preparing all-rounded, high-quality talents with international competence, this program will enable students to be solidly grounded in basic theory, wide-ranged in specialized knowledge, capable of practical work and particularly specialized in Integrated Circuit theories, methods and EDA tools, Integrated System and Information Processing. Our graduates will be capable of research, design and management in IC-related industrial sectors, research centers and colleges etc. 二、基本规格要求 Ⅱ．Learning Outcomes 毕业生应获得以下几个方面的知识和能力: 1．扎实的数理基础； 2．熟练掌握微电子学与固体电子学、半导体集成电路及嵌入式系统的基本理论和方法； 3．分析解决本学科领域内工程技术问题的能力； 4．了解本学科重大工程技术的发展动态和前沿； 5．外语应用能力强； 6．出色的文献检索、资料综述和撰写科技论文的能力； 7．较好的创业素质，较强的项目协调、组织能力； ·122·
集成电路培养方案.
西安邮电学院电子工程学院 本科集成电路设计与集成系统专业培养方案 学科：工学---电气信息专业：集成电路设计与集成系统（Engineering---Electric Information）（Integrated Circuit Design & Integrated System）专业代码：080615w 授予学位：工学学士 一、专业培养指导思想 遵循党和国家的教育方针，体现“两化融合”的时代精神，把握高等教育教学改革发展的规律与趋势，树立现代教育思想与观念，结合社会需求和学校实际，按照“打好基础、加强实践，拓宽专业、优化课程、提高能力”的原则，适应社会主义现代化建设和信息领域发展需要，德、智、体、美全面发展，具有良好的道德修养、科学文化素质、创新精神、敬业精神、社会责任感以及坚实的数理基础、外语能力和电子技术应用能力，系统地掌握专业领域的基本理论和基本知识，受到严格的科学实验训练和科学研究训练，能够在集成电路设计与集成系统领域，特别是通信专用集成电路与系统领域从事科学研究、产品开发、教学和管理等方面工作的高素质应用型人才。 二、专业培养目标 本专业学生的知识、能力、素质主要有：①较宽厚的自然科学理论基础知识、电路与系统的学科专业知识、必要的人文社会学科知识和良好的外语基础；②较强的集成电路设计和技术创新能力，具有通信、计算机、信号处理等相关学科领域的系统知识及其综合运用知识解决问题的能力；③较强的科学研究和工程实践能力，总结实践经验发现新知识的能力，掌握电子设计自动化（EDA）工具的应用；④掌握资料查询的基本方法和撰写科学论文的能力，了解本专业领域的理论前沿和发展动态；⑤良好的与人沟通和交流的能力，协同工作与组织能力；⑥良好的思想道德修养、职业素养、身心素质。毕业学生能够从事通信集成电路设计与集成系统的设计、开发、应用、教学和管理工作，成为具有奉献精神、创新意识和实践能力的高级应用型人才。 三、学制与学分 学制四年，毕业生应修最低学分198学分，其中必修课110学分，限选课36学分，任选课10学分，集中实践环节34学分，课外科技与实践活动8学分。
集成电路制造论文
离子注入掺杂对ZnO薄膜性能的影响The influence of ion implantation on the ZnO thin film 姓名:郝秀秀 西安电子科技大学 摘要 氧化锌(ZnO)是一种重要的宽禁带(室温下Eg--3．37eV)直接带隙半导体材料。离子注入是将具有高功能的掺杂离子引入到半导体中的一种工艺．其目的是改变半导体的载流子浓度和导电类型. 本论文是利用离子注入技术进行掺杂和热退火处理ZnO薄膜改性。利用溶胶凝胶方法在石英玻璃衬底上制备了ZnO薄膜，将能量56 keV、剂量1×10"cm-2的Zn离子注入到薄膜中。离子注入后，薄膜在500～900℃的氩气中退火，利用X射线衍射谱、光致发光谱和光吸收谱研究了离子注入和退火对ZnO薄膜结构和光学性质的影响。 结果显示：衍射峰在约700℃退火后得到恢复；当退火温度小于600℃时，吸收边随着退火温度的提高发生蓝移，超过600℃时，吸收边随着退火温度的提高发生红移。 关键词：ZnO薄膜；离子注入；退火温度；吸收；光致发光。 ABSTRACT Zinc oxide (ZnO) is a kind of important wide forbidden band (Eg at room temperature-3.37 eV) direct bandgap semiconductor materials. Ion implantation iswill have high function into thedopingisemiconductor process. The aim is to change the charge carriers concentration and semiconductor conductive type. The present paper is using ion implantation technology and thermal annealing processing doped ZnO thin film modification. Using sol-gel method in quartz glass substrates gel preparation ZnO films, the energy 56 keV, dose 1 X 10 "cm-2 of Zn ion implantation to film. Ion implantation, film in 500 ~ 900 ℃ in the argon annealing, X-ray diffraction spectrum, the light spectrum and light absorption spectrum to send the ion implantation and annealing ZnO thin film on the influence of the structure and optical properties. The results showed that: about 700 ℃ in the diffraction peak after annealing
数字集成电路设计实验报告
哈尔滨理工大学数字集成电路设计实验报告 学院：应用科学学院 专业班级：电科12 - 1班 学号：32 姓名：周龙 指导教师：刘倩 2015年5月20日
实验一、反相器版图设计 1.实验目的 1）、熟悉mos晶体管版图结构及绘制步骤； 2）、熟悉反相器版图结构及版图仿真； 2. 实验内容 1）绘制PMOS布局图； 2）绘制NMOS布局图； 3）绘制反相器布局图并仿真； 3. 实验步骤 1、绘制PMOS布局图： (1) 绘制N Well图层；(2) 绘制Active图层； (3) 绘制P Select图层； (4) 绘制Poly图层； (5) 绘制Active Contact图层；(6) 绘制Metal1图层； (7) 设计规则检查；(8) 检查错误； (9) 修改错误； (10)截面观察； 2、绘制NMOS布局图： (1) 新增NMOS组件；(2) 编辑NMOS组件；(3) 设计导览； 3、绘制反相器布局图： (1) 取代设定；(2) 编辑组件；(3) 坐标设定；(4) 复制组件；(5) 引用nmos组件；(6) 引用pmos组件；(7) 设计规则检查；(8) 新增PMOS基板节点组件；(9) 编辑PMOS基板节点组件；(10) 新增NMOS基板接触点； (11) 编辑NMOS基板节点组件；(12) 引用Basecontactp组件；(13) 引用Basecontactn 组件；(14) 连接闸极Poly；(15) 连接汲极；(16) 绘制电源线；(17) 标出Vdd 与GND节点；(18) 连接电源与接触点；(19) 加入输入端口；(20) 加入输出端口；(21) 更改组件名称；(22) 将布局图转化成T-Spice文件；(23) T-Spice 模拟； 4. 实验结果 nmos版图
(完整版)基于RFID应用的IC卡设计毕业设计
以下文档格式全部为word格式，下载后您可以任意修改编辑。 基于RFID应用的IC卡设计系（部）：信息科学与技 术系 专业班：电子信息工程0602班 姓名：李俊杰 学号： 指导教师：胡长阳 2010年4月
基于RFID应用的IC卡设计IC Card-based RFID Application Design 摘要 近年来，自动识别技术发展迅速，尤其是随着电子技术的高速发展和制造技术的不断进步，采用无线电和雷达技术实现的射频识别技术发展极为迅速，在物流系统、商业贸易、门禁防盗、识别技术和医学应用等领域中得到了极为广泛地支持和应用。 本文绪论部分描述了IC卡的发展和现状，第一章说明了本次设计的主要工作和任务。明确了任务之后，第二章首先介绍了IC卡系统，即IC 卡和读卡器的工作原理，然后进行了设计方案的选择与论证，决定采用AT89C2051单片机作为系统控制器而非FPGA，接着描述了本次非接触式IC卡的设计方案并给出了IC卡硬件结构图。在第三章依次介绍了IC卡
系统硬件部分的设计，即天线的制作、整流电路、稳压电路、微处理器电路、开关电路。第四章介绍了IC卡系统软件部分的设计，首先就本次设计所要用到的单片机基础知识做了详细的介绍，这其中包括定时控制寄存器、工作方式寄存器、中断允许控制寄存器、串行口寄存器以及串行通信控制寄存器，然后具体阐述了IC卡上的单片机编程思想，最后是本次设计所用应答器发码程序。 关键词：非接触式IC卡阅读器AT89C2051 射频识别 Abstract In recent years, automatic identification technology developed rapidly, especially with the rapid development of electronic technology and manufacturing technology continues to progress, using radio and radar technology to achieve rapid development of RFID technology in logistics, commerce and trade, access control security, identification technical and medical fields of application are extremely broad support and applications. Introduction This section describes the development and current status of IC cards, the first chapter describes the design of this major work and tasks. Defined the mission, the second chapter introduces the IC card system, that is, IC card and card reader works, then the design choices and arguments, decided to use AT89C2051 MCU as a system controller rather than the FPGA, and then describe of this non-contact IC card and the design of IC cards are given the the third chapter introduces the , that is, the production of the antenna, rectifier circuits, voltage regulator circuits,