第一章　绪论

1.1　半导体材料发展简史

1.2　半导体材料功能结构的演进

1.2.1　半导体三维结构材料

1.2.2　半导体低维结构材料

1.3　半导体材料生长动力学模式

1.3.1　半导体材料生长方法概述

1.3.2　块状半导体晶体生长动力学

1.3.3　半导体异质结构材料外延生长动力学

1.3.4　半导体纳米材料的气-液-固(VLS)反应生长动力学

1.4　碳基材料——石墨烯与碳纳米管

1.4.1　石墨烯

1.4.2　碳纳米管

参考文献

第二章　现代半导体材料制备和表征技术

王占国，半导体材料及材料物理学家。1938年12月29日生于河南镇平县。1962年毕业于南开大学物理系，同年到中国科学院半导体研究所工作至今。现任中国科学院半导体研究所研究员，中国电子学会常务理事、半导体和集成技术分会主任，中国材料研究学会荣誉理事，国家“973计划”材料领域咨询专家组组长，以及多个国际会议顾问委员会委员等。主要从事半导体材料和材料物理以及半导体低维结构生长、性质和量子器件研制等方面研究，先后获国家自然科学二等奖、国家科技进步三等奖，中国科学院自然科学一等奖和科技进步一、二和三等奖以及何梁何利科技进步奖等多项，与合作者一起发表SC 。

本书首先回顾了半导体材料的发展史，简述了半导体材料的生长机理和现代半导体材料制备与表征新技术；然后对元素半导体锗、硅单晶材料以及硅基异质结构材料的制备、物性及其在微电子、光伏电池和光电集成方面的应用做了概述；接着介绍以GaAs、InP为代表的Ⅲ-V族化食物单晶衬底材料、趣晶格量子阱、量子线和量子点材料及应用，宽禁带GaN基Ⅲ族氮化物异质结构材料和SiC单aaa、外延材料及其相关器件应用；进而重点描述近年来得到迅速发展的以Zn0为代表的II-VI族半导体材料的研究现状与发展趋势；最后分别介绍HgCdTe等半导体红外探测材料和金刚石与立方氮化硼半导体材料的最新研究进展。

半导体材料特性参数

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。

半导体材料特性要求

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。

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）。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。

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。对于太阳能电池来说，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。

制备不同的半导体器件对半导体材料有不同的形态要求，包括单晶的切片、磨片、抛光片、薄膜等。半导体材料的不同形态要求对应不同的加工工艺。常用的半导体材料制备工艺有提纯、单晶的制备和薄膜外延生长。

所有的半导体材料都需要对原料进行提纯，要求的纯度在6个“9”以上，最高达11个“9”以上。提纯的方法分两大类，一类是不改变材料的化学组成进行提纯，称为物理提纯；另一类是把元素先变成化合物进行提纯，再将提纯后的化合物还原成元素，称为化学提纯。物理提纯的方法有真空蒸发、区域精制、拉晶提纯等，使用最多的是区域精制。化学提纯的主要方法有电解、络合、萃取、精馏等，使用最多的是精馏。由于每一种方法都有一定的局限性，因此常使用几种提纯方法相结合的工艺流程以获得合格的材料。

绝大多数半导体器件是在单晶片或以单晶片为衬底的外延片上作出的。成批量的半导体单晶都是用熔体生长法制成的。直拉法应用最广，80%的硅单晶、大部分锗单晶和锑化铟单晶是用此法生产的，其中硅单晶的最大直径已达300毫米。在熔体中通入磁场的直拉法称为磁控拉晶法，用此法已生产出高均匀性硅单晶。在坩埚熔体表面加入液体覆盖剂称液封直拉法，用此法拉制砷化镓、磷化镓、磷化铟等分解压较大的单晶。悬浮区熔法的熔体不与容器接触，用此法生长高纯硅单晶。水平区熔法用以生产锗单晶。水平定向结晶法主要用于制备砷化镓单晶，而垂直定向结晶法用于制备碲化镉、砷化镓。用各种方法生产的体单晶再经过晶体定向、滚磨、作参考面、切片、磨片、倒角、抛光、腐蚀、清洗、检测、封装等全部或部分工序以提供相应的晶片。

在单晶衬底上生长单晶薄膜称为外延。外延的方法有气相、液相、固相、分子束外延等。工业生产使用的主要是化学气相外延，其次是液相外延。金属有机化合物气相外延和分子束外延则用于制备量子阱及超晶格等微结构。非晶、微晶、多晶薄膜多在玻璃、陶瓷、金属等衬底上用不同类型的化学气相沉积、磁控溅射等方法制成。