半導體材料是材料、信息、新能源的交叉學科，是信息、新能源（半導體照明、太陽能光伏）等高科技產(chǎn)業(yè)的材料基礎。 本書共15章，詳細介紹了半導體材料的基本概念、基本物理原理、制備原理和制備技術，重點介紹了半導體硅材料（包括高純多晶硅、區(qū)熔單晶硅、直拉單晶硅和硅薄膜半導體材料）的制備、結構和性質(zhì)，闡述了化合物半導體（包括Ⅲ-Ⅴ族、Ⅱ-Ⅵ族、Ⅳ-Ⅳ族化合物半導體材料和氧化物半導體材料）的制備技術和基本性質(zhì)，還闡述了有機半導體材料、半導體量子點（量子阱）等新型半導體材料的制備和性質(zhì)。本書配套MOOC在線課程、習題參考答案等。
楊德仁，半導體材料學家，中國科學院院士�，F(xiàn)任浙江大學硅及先進半導體材料全國重點實驗室主任、杭州國際科創(chuàng)中心首席科學家，并任浙大寧波理工學院校長，國家自然科學基金創(chuàng)新研究群體負責人；兼任中國可再生能源學會副理事長等， Elsevier旗下Micro and Nanostructures等雜志主編。長期從事半導體硅材料的研究，曾主持國家973、863、國家重大專項、國家自然科學基金重大、重點等項目，以第一獲獎人獲得國家自然科學二等獎2項，國家技術發(fā)明二等獎1項，何梁何利科學與技術進步獎。
第1章 半導體材料概論 1
1.1 半導體材料的研究和發(fā)展歷史 2
1.2 半導體材料的基本性質(zhì) 3
1.2.1 半導體材料的分類 4
1.2.2 半導體材料的基本電學特性 5
1.2.3 半導體材料的材料結構特性 7
1.3 半導體材料的應用和產(chǎn)業(yè) 8
1.3.1 半導體材料在微電子產(chǎn)業(yè)的應用 8
1.3.2 半導體材料在光電子產(chǎn)業(yè)的應用 10
1.3.3 半導體材料在太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的應用 11
1.4 半導體材料的展望 12
習題1 13
第2章 半導體材料物理基礎 14
2.1 載流子和能帶 14
2.1.1 載流子和電導率 14
2.1.2 能帶結構 15
2.1.3 電子和空穴 18
2.2 雜質(zhì)和缺陷能級 19
2.2.1 摻雜半導體材料 19
2.2.2 雜質(zhì)能級 20
2.2.3 深能級 22
2.2.4 缺陷能級 23
2.3 熱平衡狀態(tài)下的載流子 23
2.3.1 載流子的狀態(tài)密度和統(tǒng)計分布 24
2.3.2 本征半導體的載流子濃度 27
2.3.3 摻雜半導體的載流子濃度和補償 28
2.4 非平衡少數(shù)載流子 30
2.4.1 非平衡載流子的產(chǎn)生、復合和壽命 30
2.4.2 非平衡載流子的擴散 32
2.4.3 非平衡載流子在電場下的漂移和擴散 33
2.5 PN結 35
2.5.1 PN結的制備 36
2.5.2 PN結的能帶結構 38
2.5.3 PN結的電流-電壓特性 39
2.6 金屬-半導體接觸和MIS結構 41
2.6.1 金屬-半導體接觸 41
2.6.2 歐姆接觸 43
2.6.3 MIS結構 44
習題2 45
參考文獻 45
第3章 半導體材料晶體生長原理 46
3.1 半導體晶體材料的生長方式 46
3.2 晶體生長的熱力學理論 47
3.2.1 晶體生長的自由能和驅動力 47
3.2.2 晶體生長的均勻成核 50
3.2.3 晶體生長的非均勻成核 52
3.3 晶體生長的動力學理論 54
3.3.1 晶體生長單原子層界面模型 54
3.3.2 晶體生長機制 56
3.4 晶體的外形控制 59
3.4.1 晶體外形和界面自由能的關系 59
3.4.2 晶體外形和晶體生長界面的關系 60
3.4.3 晶體外形和晶體生長方向的關系 61
習題3 62
參考文獻 63
第4章 半導體材料晶體生長技術 64
4.1 熔體生長技術 64
4.1.1 直拉晶體生長技術 64
4.1.2 布里奇曼晶體生長技術 66
4.1.3 區(qū)熔晶體生長技術 67
4.2 溶液生長技術 69
4.2.1 溶液降溫生長晶體技術 70
4.2.2 溶液恒溫蒸發(fā)生長晶體技術 70
4.2.3 溶液溫差水熱生長晶體技術 71
4.2.4 溶劑分凝（助溶劑法）生長晶體技術 71
4.2.5 溶液液相外延生長晶體技術 71
4.3 氣相生長技術 73
4.3.1 真空蒸發(fā)法 74
4.3.2 升華法 78
4.3.3 化學氣相沉積法 78
4.3.4 低維半導體材料的生長和制備 81
習題4 84
參考文獻 84
第5章 元素半導體材料的基本性質(zhì) 86
5.1 硅材料 86
5.1.1 硅的基本性質(zhì)和應用 86
5.1.2 硅的晶體結構 88
5.1.3 硅的能帶結構 91
5.1.4 硅的電學性質(zhì) 93
5.1.5 硅的化學性質(zhì) 94
5.1.6 硅的光學性質(zhì) 95
5.1.7 硅的力學性質(zhì) 97
5.1.8 硅的熱學性質(zhì) 99
5.2 鍺材料的基本性質(zhì) 100
5.3 碳材料的基本性質(zhì) 103
習題5 105
參考文獻 105
第6章 元素半導體材料的提純和制備 107
6.1 金屬硅的制備 107
6.2 高純多晶硅的提純和制備 109
6.2.1 三氯氫硅工藝制備高純多晶硅 109
6.2.2 硅烷熱分解工藝制備高純多晶硅 114
6.2.3 流化床工藝制備高純多晶硅 115
6.2.4 其他化學提純工藝制備高純多晶硅 116
6.2.5 物理冶金工藝制備太陽能級多晶硅 117
6.3 高純鍺半導體材料的提純和制備 120
6.3.1 鍺半導體材料的應用 120
6.3.2 金屬鍺的制備 121
6.3.3 高純鍺的制備 123
6.3.4 單晶鍺的制備 123
習題6 124
參考文獻 124
第7章 區(qū)熔單晶硅的生長和制備 125
7.1 分凝現(xiàn)象和分凝系數(shù) 125
7.1.1 分凝現(xiàn)象和平衡分凝系數(shù) 125
7.1.2 有效分凝系數(shù) 127
7.1.3 正常凝固和雜質(zhì)分布 128
7.2 區(qū)熔晶體生長理論 129
7.3 區(qū)熔單晶硅生長 132
習題7 136
參考文獻 137
第8章 直拉單晶硅的生長和制備 138
8.1 直拉單晶硅的生長工藝 138
8.1.1 直拉單晶硅生長的基本工藝 139
8.1.2 直拉單晶硅生長的主要控制因素 144
8.2 直拉單晶硅的新型生長工藝 148
8.2.1 磁控直拉單晶硅生長工藝 148
8.2.2 重復裝料直拉單晶硅生長工藝 149
8.2.3 連續(xù)加料直拉單晶硅生長工藝 150
8.3 硅片加工工藝 151
8.3.1 晶錠切斷 151
8.3.2 晶錠滾圓和切方 152
8.3.3 晶錠切片 152
8.3.4 硅片化學腐蝕 154
8.3.5 硅片倒角 155
8.3.6 硅片研磨 155
8.3.7 硅片拋光 155
習題8 156
參考文獻 157
第9章 直拉單晶硅的雜質(zhì)和缺陷 159
9.1 直拉單晶硅的摻雜 159
9.1.1 直拉單晶硅的摻雜劑 159
9.1.2 直拉單晶硅的摻雜技術 160
9.1.3 直拉單晶硅的摻雜量 161
9.2 直拉單晶硅的雜質(zhì) 163
9.2.1 氧雜質(zhì) 163
9.2.2 碳雜質(zhì) 167
9.2.3 氮雜質(zhì) 169
9.2.4 鍺雜質(zhì) 171
9.2.5 氫雜質(zhì) 173
9.2.6 金屬雜質(zhì) 175
9.3 直拉單晶硅的缺陷 177
9.3.1 單晶硅原生缺陷 177
9.3.2 硅片加工誘生缺陷 179
9.3.3 器件工藝誘生缺陷 180
習題9 182
參考文獻 183
第10章 硅薄膜半導體材料 184
10.1 單晶硅薄膜半導體材料 184
10.1.1 外延生長單晶硅薄膜 185
10.1.2 外延單晶硅薄膜摻雜 189
10.1.3 外延單晶硅薄膜的缺陷 191
10.2 非晶硅薄膜半導體材料 192
10.2.1 非晶硅薄膜材料的基本性質(zhì) 193
10.2.2 非晶硅薄膜材料的制備 196
10.2.3 非晶硅薄膜材料中的氫雜質(zhì) 198
10.3 多晶硅薄膜半導體材料 200
10.3.1 多晶硅薄膜的基本性質(zhì) 200
10.3.2 多晶硅薄膜的制備 202
10.4 絕緣體上硅（SOI）薄膜半導體材料 206
10.4.1 注氧隔離技術 208
10.4.2 鍵合和反面腐蝕技術 208
10.4.3 注氫智能切割技術 209
10.5 鍺硅（SiGe）薄膜半導體材料 210
習題10 212
參考文獻 212
第11章 Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體材料 216
11.1 Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體材料的基本性質(zhì) 216
11.2 GaAs半導體材料的性質(zhì)和應用 219
11.3 GaAs半導體材料的制備 222
11.3.1 布里奇曼法制備 223
11.3.2 液封直拉法制備 224
11.3.3 單晶GaAs薄膜的外延制備 225
11.4 GaAs晶體的雜質(zhì)和缺陷 227
11.4.1 GaAs晶體的摻雜 227
11.4.2 GaAs晶體的Si雜質(zhì) 228
11.4.3 GaAs晶體的缺陷 229
11.5 GaN半導體材料的性質(zhì)和應用 230
11.6 GaN半導體材料的制備 233
11.6.1 單晶GaN的制備 233
11.6.2 單晶GaN薄膜的制備 235
11.7 GaN晶體的雜質(zhì)和缺陷 236
11.7.1 GaN晶體的雜質(zhì) 236
11.7.2 GaN晶體的缺陷 237
11.8 其他Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體材料 240
11.8.1 InP半導體材料 240
11.8.2 GaP半導體材料 242
習題11 243
參考文獻 243
第12章 Ⅱ-Ⅵ族化合物半導體材料 245
12.1 Ⅱ-Ⅵ族化合物半導體材料的基本性質(zhì) 246
12.2 Ⅱ-Ⅵ族化合物半導體材料的制備 247
12.2.1 Ⅱ-Ⅵ族化合物半導體晶體材料的制備 248
12.2.2 Ⅱ-Ⅵ族化合物半導體薄膜材料的制備 251
12.2.3 Ⅱ-Ⅵ族化合物半導體材料的缺陷 253
12.3 CdTe半導體材料 255
12.3.1 CdTe半導體材料的性質(zhì)和應用 255
12.3.2 CdTe半導體材料的制備 257
12.3.3 CdTe半導體材料的缺陷 259
12.4 其他Ⅱ-Ⅵ族化合物半導體材料 260
12.4.1 CdS半導體材料 260
12.4.2 CuInGaSe半導體材料 261
習題12 263
參考文獻 263
第13章 氧化物半導體材料 267
13.1 ZnO半導體材料 267
13.1.1 ZnO半導體材料的基本性質(zhì) 268
13.1.2 ZnO半導體材料的器件及應用 271
13.1.3 ZnO半導體材料的制備 273
13.1.4 ZnO晶體的缺陷與雜質(zhì) 275
13.2 Ga2O3半導體材料 280
13.2.1 Ga2O3半導體材料的基本性質(zhì) 280
13.2.2 Ga2O3半導體材料的器件及應用 282
13.2.3 Ga2O3半導體材料的制備 284
13.2.4 Ga2O3晶體的雜質(zhì)和缺陷 289
習題13 293
參考文獻 294
第14章 Ⅳ-Ⅳ族化合物半導體材料 299
14.1 SiC半導體材料的性質(zhì)和應用 299
14.1.1 晶體結構 299
14.1.2 能帶結構 300
14.1.3 摻雜和載流子濃度 302
14.1.4 遷移率 303
14.1.5 光學性質(zhì) 303
14.1.6 其他性質(zhì) 304
14.1.7 應用 305
14.2 SiC半導體材料的制備 305
14.2.1 單晶SiC的制備 305
14.2.2 SiC薄膜材料的制備 308
14.3 SiC晶體的雜質(zhì)和缺陷 309
14.3.1 SiC晶體的摻雜 309
14.3.2 SiC晶體的缺陷 311
習題14 313
參考文獻 314
第15章 有機半導體材料 317
15.1 有機半導體材料的基本性質(zhì) 317
15.1.1 有機半導體材料的結構性質(zhì) 318
15.1.2 有機半導體材料的電學性質(zhì) 321
15.1.3 有機半導體材料的光學性質(zhì) 323
15.1.4 有機半導體材料的其他性質(zhì) 324
15.2 有機半導體材料的制備 324
15.2.1 溶液法 324
15.2.2 非溶液法 326
15.3 有機半導體材料的器件應用 327
15.3.1 有機半導體材料在發(fā)光器件中的應用 327
15.3.2 有機半導體材料在光伏器件中的應用 329
15.3.3 有機半導體材料在電子器件中的應用 331
15.3.4 有機半導體材料在新型器件中的應用 332
習題15 333
參考文獻 333
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