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一文了解半導體的過去、現在和未來-等離子設備/等離子清洗

發布日期:2021-03-26 00:00 來源:http://www.historianr.com 點擊:

一文了解半導體的過去、現在和未來-等離子設備/等離子清洗

 


集成電路的尺寸將越來越小,將出現新的量子效應器件;寬禁帶半導體代表了一個新的方向,將在短波長激光器、白光發光管、高頻大功率器件等方面有廣闊的應用;納米電子器件有可能作為下一代的半導體微電子和光電子器件;利用單電子、單光子和自旋器件作為量子調控,將在量子計算和量子通信的實用化中起關鍵作用。



半導體發展歷史1

半導體是信息化的基礎

上個世紀半導體大規模集成電路、半導體激光器、以及各種半導體器件的發明,對現代信息技術革命起了至關重要的作用,引發了一場新的全球性產業革命。

信息化是當今世界經濟和社會發展的大趨勢,信息化水平已成為衡量一個國家和地區現代化的重要標志。  

進入21世紀,全世界都在加快信息化建設步伐。

源于信息技術革命的需要,半導體物理、材料、器件將有新的更快的發展。

集成電路的尺寸將越來越小,將出現新的量子效應器件;寬禁帶半導體代表了一個新的方向,將在短波長激光器、白光發光管、高頻大功率器件等方面有廣闊的應用;納米電子器件有可能作為下一代的半導體微電子和光電子器件;利用單電子、單光子和自旋器件作為量子調控,將在量子計算和量子通信的實用化中起關鍵作用。

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晶體管的發明

1945年二次大戰結束時,美國貝爾實驗室總裁巴克萊為了適應該室從戰時轉向和平時期的工作需要,決定成立固體物理組,由肖克萊負責半導體物理小組,成員有巴丁、布拉頓、吉布尼、穆爾等人。

肖克萊和巴丁是理論物理學家,布拉頓是實驗物理學家,吉布尼是物理化學家,穆爾是電路學家,這種專業人才的搭配對于半導體物理研究和晶體管的發明是個黃金搭配,精干而高效。他們根據各自在30年代中期以后的經驗和后來的考慮,從剛開始成立時,就把重點放在半導體材料硅和鍺的研究上。

第二次世界大戰期間,英國用雷達偵察到了德國的轟炸機。雷達的核心就是真空電子管,它能夠將微弱電流放大。肖克萊早在1939年就準備制作能夠將電流放大的固體器件,以便取代真空電子管。1947年12月,巴丁和布拉頓制成了世界上DI一個鍺點接觸型三極管,具有電流放大作用。

巴丁和布拉頓的結果在1948年6月發表。點接觸晶體管的發明雖然揭開了晶體管大發展的序幕,但由于它的結構復雜,性能差,體積大和難以制造等缺點,沒有得到工業界的推廣和應用,在社會上引起的反響不夠強烈。

1948年1月肖克萊在自己研究p-n結理論的基礎上發明了另一種面結型晶體管,并于1948年6月取得了證書。面結型晶體管又稱場效應晶體管,它是平面狀的(見圖3),可以通過一些平面工藝(如擴散、掩膜等)進行大規模生產。因此只有在面結型晶體管發明以后,晶體管的優越性才很好地被人認識,逐漸取代了真空電子管。 


由于巴丁、布拉頓和肖克萊在晶體管和結型晶體管發明上的貢獻,在1956年獲得了諾貝爾物理獎。作為半導體晶體管的DI一個應用就是索尼公司的便攜式收音機,風靡全球,賺了大錢。

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集成電路的發明

晶體管收音機比電子管收音機小多了,可以隨身攜帶。但它是由晶體管、電阻、電容、磁性天線焊在一塊電路板上,相互之間由導線相連。體積還比較大,裝配工藝復雜。

1958年美國政府設立了晶體管電路小型化基金,以便適應美國為趕超前蘇聯發射的DI一顆人造衛星的需要。那時,德克薩斯公司的基爾比承擔了這一任務,試圖制造將晶體管、電阻器和電容器等包裝在一起的小型化電路。

1958年9月基爾比制成了世界上DI一個集成電路振蕩器,這一切都記載在他當天的筆記中?;鶢柋劝l明的集成電路在1959年2月取得了證書權,名稱為“小型化電子電路”。

與此同時,美國加州菲切爾德(仙童)半導體公司的諾伊斯提出了用鋁連接晶體管的想法。在基爾比發明集成電路5個月以后,即1959年2月,他采用霍爾尼提出的平面晶體管方法,在整個硅片上生成SiO2掩膜,應用光刻技術按模板刻成窗口和引線通路,通過窗口擴散雜質,構成基極、發射極和集電極,將金或鋁蒸發,因而制成集成電路。1959年7月諾伊斯的集成電路取得了證書權,名稱為“半導體器件與引線結構”。從此集成電路走上了大規模發展的新時期。

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太陽能電池的發明

為了人造衛星的需要,1954年皮爾森和富勒利用磷和硼的擴散技術制成了大面積的硅p-n結太陽能電池,光電轉換效率達6%以上,超過了過去建議的太陽能轉換效率的15倍。它的制作成本低廉,可以批量生產,因此很快得到了大規模的應用。

太陽能電池的工作原理是光生伏特。當光照射在半導體上時,在半導體中產生電子-空穴對。如果接通外電路,就會有電流通過,這就是光生伏特。    

太陽能電池的商業應用開始于1958年,它被選用為美國DI一個人造衛星Vanguard I的無線電發射機的電源。當前能源危機下,太陽能電池作為一種再生和無污染電源引起了人們極大的注意。

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半導體激光器的發明    

半導體發光管和激光器的工作原理和太陽能電池正好相反:太陽能電池是用光產生電,而發光管、激光器則用電產生光。用電流將電子和空穴分別引入半導體的導帶和價帶。電子和空穴復合,產生光子。 

1962年美國霍爾用p-n同質結制成了DI一個半導體激光器。產生激光必須滿足3個條件:粒子數的反轉分布、諧振腔和電流超過一定閾值。    

1963年美國的克勒默和蘇聯的阿爾費羅夫各自獨立地制成了異質結激光器,也就是在圖8中,結區用一種禁帶寬度小的材料,如GaAs;兩邊的p區和n區用另一種禁帶寬度大的材料,如AlxGa1-xAs。這樣,發光區域被限制在窄小結區中。

因此大大提高了發光效率,降低了激光器的閾值電流。1970年蘇聯的約飛研究所和美國的貝爾實驗室分別制成了室溫下連續工作的雙異質結激光器,從而使半導體激光器在光通信中得到了廣泛的應用。

由于克勒默和阿爾費羅夫在發展半導體激光器方面的重要貢獻,他們在2000年和集成電路發明者基爾比一起獲得了諾貝爾物理獎。硅大規模集成電路和半導體激光器的發明使得世界進入了一個以微電子和光電子技術為基礎的信息時代,大大促進了社會和經濟的發展。

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分子束外延技術的發明    

制造雙異質結激光器的一個關鍵技術是分子束外延。1968年貝爾實驗室的卓以和發現,在超高真空容器中通過精細控制束流的大小和時間,能夠按照需要生長不同層數、不同種類的半導體材料,因而發明了分子束外延技術。分子束外延設備的示意圖見圖11。

裝置內部處于超高真空條件下(10-10torr),蒸發爐內裝有原材料元素(如Ga、As、Al等)的源。前面是可以控制的擋板,打開擋板,將被蒸發的源原子直射至加熱的襯底上進行外延生長。目前用這種技術已經能做到單原子層的生長。裝置周圍是一些檢測儀器,用以監控生長過程。

半導體技術的應用

1
大規模集成電路和計算機    

大規模集成電路為計算機、網絡的發展打下了基礎。按照摩爾定律,集成電路的集成度以每18個月翻一番的速度發展,近期它的線度已達到幾十納米(毫米、微米、納米),每一個芯片上包含了上百億個元件。

計算機科學已經發展到很高水平,無論是計算機的硬件還是軟件都已十分成熟,每秒萬億次甚至更高速度的計算機(天河:2000萬億次,世界第二)都已問世,這為各種高速運算、海量信息處理和轉換提供了有力的工具。  

自從1943年計算機誕生以來,由于集成電路的發明,計算機向著高運算速度、體積小型化方向飛速發展。目前世界主要發達國家和中國都已擁有百萬億次以上浮點運算的大型計算機。中國制造和擁有這種超級計算機的數量在世界上據第二位,僅次于美國。

這種超級計算機能用于分析蛋白質、開發新藥等,在軍事上可用于模擬核爆炸、解密碼等。需要說明的是制造這種計算機所需的大規模集成電路中國還很落后,大部分還需進口。

2
光通信技術    

以前長距離通信靠長途電話或電報。因為通話數目少,價錢很貴。1966年英國標準通信實驗室的高錕(K. C. Kao)提出用無雜質高透明度的玻璃纖維傳輸激光信號。如果它的損耗能低到20分貝/公里,則就能實現長距離光通信。

1970年紐約康寧玻璃廠的毛瑞爾(R. D. Maurer)等用“淀積工藝”將四氯化硅蒸氣經過火焰水解,制成密實的玻璃管,再加熱后通過模子拉制成細的玻璃纖維。低損耗的玻璃纖維的誕生是光通信技術的里程碑進展。

1976年美國貝爾實驗室在亞特蘭大進行了首次光通信實地實驗,取得了很好的效果。光纖的平均功率損耗為6分貝/公里,無差錯傳輸信息超過10.9公里,相當于通過光纖環路17周。1976年12月貝爾實驗室宣布:光波通信通過了它的首次檢驗,光波通信的可能性已經得到證明。從此宣告了光通信時代的來臨,并預示著微電子時代向光電子時代的序幕正式揭開了。    

今天,電信網絡、計算機網絡和有線電視網絡已經成為一個國家重要基礎設施,所有政治、經濟、軍事、科技活動以至人們日常生活時刻都離不開這三網。我國現有電話用戶8億5千萬,其中移動手機用戶4億8千萬,是世界上較大的電信網絡。計算機上網用戶已達1.37億,有線電視用戶達1.3億,占世界三分之一。    

將來的趨勢是三網合一?,F在的手機上網已經很普遍了,這方面美國的蘋果公司走在了前面。   

光有不同的顏色和波長。不是所有顏色的光都能在光纖中傳播。 

光纖的損耗分別在1450-1550nm和1250-1350nm處具有較低值和次低值,因此是光纖通信的2個主要窗口。為了讓一根光纖能傳播盡量多的信息通道,采用了波分復用的光通信系統,就是把這2個波段劃分成很窄的波長,每個波長形成一定的通信容量。將不同波長的信號通過一根光纖傳至對方,再經過解復用,由光檢測器恢復原來以不同波長傳遞的電信號。由于光信號在傳遞中會逐步衰減,為了達到長距離傳輸的目的,每隔一定距離需要通過摻鉺光纖放大器將其信號放大。

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無線通信技術(手機)    

無線通信的基礎是蜂窩式移動電話,它的早期制式是貝爾實驗室在1978年推出的“先進移動電話服務”系統(AMPS)。該系統是將服務的區域分成許多小的六角形的地理區域(cell),就像蜂窩一樣。每個小區內有低功率的無線電話發射器、接收器和一個控制系統,形成一個基站。


各服務區的基站通過光纖連接到中央交換實體(移動電話局),該實體裝有電子交換系統?;揪W絡追蹤移動終端的位置,當移動終端到達另一小區時能自動與鄰近的基站重建聯系,以便繼續通話。由于小區內的無線通話功率低,只影響限定的范圍,因而與別的小區的通信信號不會產生干擾。

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半導體太陽電池——太陽電池用硅材料    

太陽電池用硅材料主要包括:直拉硅單晶、非晶硅、帶狀硅和薄膜多晶硅,這些材料在實驗室和產業中制成的太陽電池的效率如圖22。 

目前鑄造多晶硅占太陽能電池材料的47.54%,是較主要的太陽電池材料。到2004年,鑄造多晶硅的市場份額已經超過53%。直拉單晶硅占35.17%,占據第二位,而非晶硅薄膜占8.3%,位于第三位,而化合物半導體CuInSe和CdTe僅占0.6%。

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半導體太陽電池——多晶硅太陽電池    


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