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半导体材料是二级学科“微电子与固体电子学”的一个分支学科，本书将这一分支学科的专业知识划分为半导体材料概述、物理性能、晶体生长、热处理、性能测量和工艺基础技术6个组成部分，通过把分散在众多教科书、专著和文献资料中的专业知识系统地纳入这一学科体系框架，使之成为一本全面介绍半导体材料物理知识、工艺基本原理和实用化技术的专业书籍。由于篇幅的限制，本书并未深入涉及物理学基本原理的推导、各种材料的性能参数和各类制备工艺的技术细节，需要时读者可运用搜索引擎来获取相关的内容。

目录

前言

第1章 概述 1

1.1 半导体材料 2

1.2 半导体材料物理与技术 4

1.2.1 半导体材料的物理基础 4

1.2.2 半导体材料的物理性能 6

1.2.3 半导体材料的制备技术 8

1.3 半导体材料的应用 9

第2章 半导体材料的物理性能 17

2.1 晶体材料的原子结构 18

2.2 材料的成分参数 21

2.3 材料的宏观结构特性 21

2.4 材料中电子的能带结构 22

2.5 缺陷性能 33

2.5.1 点缺陷 33

2.5.2 线缺陷 34

2.5.3 面缺陷 36

2.5.4 界面缺陷 37

2.5.5 体缺陷 38

2.5.6 表面缺陷 38

2.6 表面与界面性能 39

2.7 电学性能 41

2.7.1 平衡态下材料的电学特性 42

2.7.2 外场作用下的材料电学特性 46

2.7.3 非平衡态下的材料电学特性 48

2.7.4 载流子的碰撞电离特性 52

2.7.5 压电特性 52

2.8 光学性能 52

2.8.1 光在材料中的传播特性 53

2.8.2 材料的光吸收特性 53

2.8.3 材料的辐射特性 55

2.8.4 材料表面的光散射特性 56

2.9 磁学性能 56

2.10 力学性能 57

2.11 材料性能的非均匀性 58

2.12 热学与热力学性能 58

2.12.1 热学性能 58

2.12.2 相图 59

2.12.3 缺陷化学理论及其相关的材料热力学常数 64

2.12.4 材料中原子的扩散特性 65

第3章 半导体材料的生长 71

3.1 晶体生长的基础理论 71

3.1.1 生长方式与驱动力 72

3.1.2 成核理论 73

3.1.3 生长速率和生长模式 75

3.1.4 平衡形态理论 78

3.1.5 生长过程中的传输理论 79

3.2 体晶材料的生长技术 82

3.2.1 布里奇曼法 83

3.2.2 区熔法 92

3.2.3 切克劳斯基法 94

3.2.4 物理气相传输法 100

3.3 外延材料的生长技术 102

3.3.1 液相外延 104

3.3.2 分子束外延 110

3.3.3 金属有机气相沉积 123

3.3.4 其他一些气相外延技术 130

3.4 低维材料生长技术简介 132

第4章 半导体材料的热处理 137

4.1 热处理的基本原理 137

4.1.1 相平衡热处理 137

4.1.2 非平衡热处理 141

4.1.3 热处理过程中原子运动的基本规律 141

4.2 热处理工艺的实现方式 142

4.2.1 闭管热处理 142

4.2.2 开管热处理 143

4.2.3 快速降温热处理 146

4.2.4 快速热处理 146

4.2.5 高低温循环热处理 147

4.2.6 高压热处理 147

4.2.7 多源热处理 148

4.2.8 离子源热处理 150

4.3 半导体材料热处理的实际应用 151

4.3.1 本征点缺陷种类和浓度的调控 151

4.3.2 掺杂和杂质性质的调控 153

4.3.3 杂质浓度和位错密度的降低 154

4.3.4 体缺陷尺寸的减小 154

4.3.5 化合物材料组分分布的调整 155

4.3.6 半导体材料界面特性的改善 156

4.3.7 材料的隔离？剥离和粘接 156

4.4 热处理工艺的注意事项 156

第5章 半导体材料性能参数的测量 161

5.1 几何结构特性的测量 162

5.2 光学性能的测量 164

5.2.1 透射光谱的测量 166

5.2.2 反射光谱的测量 168

5.2.3 椭圆偏振光谱的测量 169

5.2.4 散射光谱的测量 171

5.2.5 光荧光光谱的测量 172

5.2.6 阴极荧光光谱的测量 173

5.3 电学性能的测量 173

5.3.1 电阻率的测量 174

5.3.2 载流子特性的测量 177

5.3.3 表面光电压测量技术 184

5.3.4 光电导衰退法测量技术 185

5.3.5 微波反射法测量技术 186

5.3.6 光束诱导或电子束诱导电流的测量 188

5.3.7 深能级瞬态谱的测量 189

5.3.8 角分辨光电子能谱的测量 192

5.3.9 界面电学特性的测量 194

5.4 缺陷性能的测量 196

5.4.1 化学腐蚀法 196

5.4.2 热腐蚀法 200

5.4.3 散射光激光扫描成像法 200

5.4.4 透射显微镜成像法 200

5.4.5 热波法测量技术 201

5.5 材料晶格特性的测量 202

5.5.1 晶向测定技术 202

5.5.2 X光衍射技术 203

5.5.3 反射式高能电子衍射技术 211

5.5.4 与晶格特性相关的材料宏观性能参数的测量 213

5.6 显微结构的测量 214

5.6.1 微分干涉相差显微镜 214

5.6.2 共聚焦显微镜 216

5.6.3 近场光学显微镜 217

5.6.4 扫描力显微镜 218

5.6.5 电子显微镜 219

5.6.6 场离子显微镜 223

5.7 原子成分和浓度的测量 224

5.7.1 基于原子价电子跃迁的特征光谱测量技术 225

5.7.2 基于原子内壳层电子跃迁的X射线特征光谱测量技术 227

5.7.3 基于被激发电子的能谱测量技术 228

5.7.4 基于质谱分析的测量技术 229

5.8 热力学特性的测量 237

5.8.1 差热分析法 237

5.8.2 差示扫描量热法 238

5.8.3 绝热量热法 239

5.8.4 热流法(或热板法)239

5.8.5 激光闪射法 239

5.8.6 热膨胀系数的测量 240

第6章 半导体材料制备工艺的基础技术 243

6.1 半导体工艺中辅助材料的选用 243

6.2 半导体材料工艺中的净化和纯化工艺 246

6.2.1 水的纯化 246

6.2.2 气体的纯化 247

6.2.3 环境的净化 250

6.2.4 工艺所用材料和腔体的洁净处理 253

6.3 半导体设备的真空技术 256

6.3.1 真空泵 257

6.3.2 真空部件 259

6.3.3 真空系统 264

6.3.4 真空度的测量 267

6.3.5 抽真空工艺 268

6.3.6 真空系统的检漏 269

6.4 半导体工艺中的加热技术 271

6.4.1 加热 271

6.4.2 温场的建立和控制 273

6.4.3 温度的测量 275

6.4.4 温度的控制 277

6.5 源材料的制备技术 279

6.5.1 提纯技术 279

6.5.2 合成技术 283

6.6 半导体材料的加工工艺 285

6.6.1 晶体滚圆 285

6.6.2 晶锭切割 286

6.6.3 划片与倒角 286

6.6.4 表面抛光 287

6.6.5 单点金刚石切削 290

6.6.6 剥离和粘接技术 290

6.7 其他与工艺相关的辅助性技术 294

杨建荣，男，汉族，1958年9月生。1981年苏州大学物理系毕业，1988年在中科院上海技术物理研究所获理学博士学位，现任该所材料器件研究中心副主任、研究员、博士生导师。

20多年的研究经历伴随着我国碲镉汞红外焦平面技术从无到有、从关键技术研究到满足国家重大工程应用需求的整个过程，先后从事过碲镉汞金属有机气相沉积（MOCVD）、分子束外延（MBE）、液相外延（LPE）工艺和外延材料的各种热处理工艺研究，并长期参与碲锌镉单晶材料的研究工作。在研究过程中，注重通过材料与器件关系的研究，发现材料中存在的问题，并通过加强材料物理性能的研究，加深对材料性能及所存在问题的原因和机理的认识。此外，在部门内长期负责工艺设备和实验室的建设工作，2005年负责完成了具有中试规模技术较为先进的红外焦平面材料器件工艺线的建设，为新技术的研究和承接国家级重大工程项目奠定了基础。近年来，所在团队研制和小批量生产的碲镉汞和碲锌镉材料已达到工程化应用的水平。当前的工作主要集中在第二代碲镉汞红外焦平面材料的生产型技术和第三代碲镉汞红外焦平面材料的制备技术两个方面，以满足材料的工程化应用和新一代碲镉汞红外焦平面技术的发展对碲镉汞外延材料的需求。

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书籍介绍

本书根据作者从事半导体材料研究所积累的理论知识、工作经验和技术资料，在查阅了大量的书籍和文献资料的基础上，将与半导体材料专业技术相关的知识要点提取出来，并根据作者的理解将相关内容分成6个部分，即半导体材料概述、材料物理性能、晶体生长、热处理、材料性能测量和半导体工艺基础技术。