半導體工程導論（簡體書）

前 言

可以說除了最基本的設備以外，其他所有用到電或光工作的儀器和設備功能的實現都有賴於半導體材料構造的元器件。從簡單的日常小玩意兒，到如計算機和智能手機之類的信息處理和傳輸工具，再到醫療設備、外太空和軍事儀器、太陽能電池和燈泡，半導體是幾乎所有電子和光子設備正常工作的基礎。半導體材料和器件對人類技術文明的影響持續增長，因為它們在人工智能、機器學習、物聯網、無人駕駛以及最先進的生物醫學應用領域中扮演了賦能者的角色。在21世紀我們的日常生活中，上述幾例半導體技術的應用僅僅是冰山一角。

可見半導體材料、器件及由其構成的電路毫無疑問是過去60年來人類科技水準空前提高的關鍵因素之一，並且它們在可預見的將來會產生更深遠的影響。

與半導體科學和工程作為核心技術的重要性相適應，近年來市面上已經出版了數百本相關的教材、專著。主要為了服務於教育目的，這些圖書涵蓋了一個個主題，深入介紹了半導體和半導體器件的物理知識、半導體器件和積體電路的製造、半導體材料的表徵等。此外，這些年來已經出版和將要出版的無數專著致力於深入研究上述每個領域中的關鍵科學概念。

與一般的教材、專著不同，《半導體工程導論》以一種簡明的方式介紹了整個半導體工程領域。因為《半導體工程導論》的目標讀者沒有經過正規科班訓練，也沒有半導體科學和工程學研究經驗，所以不可避免地簡化了一些複雜概念。《半導體工程導論》的目標是將半導體工程學作為一個由電子學、光子學、材料工程學以及材料科學、物理學和化學等多個層面重疊而成的獨立的技術和商業個體進行介紹。《半導體工程導論》試圖通過以一種易於理解的方式討論和介紹構成半導體工程技術領域的關鍵要素。

《半導體工程導論》不太適用於半導體物理、材料、器件和工藝相關的學科教學。不過，對於理工科的學生來說，只要之前接觸過與半導體有關的內容，就會發現本書對於深入瞭解半導體科學和工程中涉及的大量問題有相當的助益。《半導體工程導論》還可用作一些在線課程、社區大學、繼續教育、電子學認證項目以及STEM（科學技術、工程和數學）課程部分內容的參考書。

在學術界之外，任何職位的半導體專業人士，包括半導體行業的工藝工程師、銷售和營銷人員，都可以使用《半導體工程導論》作為半導體工程行業的信息來源。它也可以作為一個有用的參考資料，用於電子和光子學行業的企業培訓。此外，對於智能財產權專家、半導體行業投資者以及對半導體行業感興趣的讀者都會發現《半導體工程導論》是一個方便的資料來源。

基於這些考慮，《半導體工程導論》的構思與結構以導論的形式呈現。在撰寫《半導體工程導論》的過程中，作者並非簡單照抄現成的參考文獻，而是依靠了其40多年的半導體科學與技術方面的研究經驗和教學經驗，這些經驗反映在作者的研究論文和課堂講義中。作者還在每一章的末尾都提供了一個關鍵字清單，這些關鍵字可以用來搜索並訪問互聯網上的相關資源。此外，在《半導體工程導論》末尾列出了一些教材和專著，以便於有興趣的讀者深入學習。

《半導體工程導論》第1章簡要概述了半導體有別於其他固體的基本物理特性，這些特性是理解半導體器件工作原理的必要條件。第2章回顧了半導體材料，包括無機、化合物、有機半導體材料。同時，第2章也介紹了有代表性的絕緣體和導體的材料，它們是構成可以工作的半導體器件和電路所必不可少的組成部分。而這些器件和電路是在第3章概述的。第4章是關於半導體工藝的基礎知識，並且用通俗的語言討論了半導體製造中使用的方法、設備、工具和介質。在概述了半導體工藝技術之後，第5章討論了主流半導體製造工藝中涉及的各單步工藝。最後，第6章簡要概述了半導體材料和工藝表徵的基本原理。

最後，作者對於這些年裡能有機會和各位老師、同事及研究生們相互交流深感榮幸和表示感謝。在眾多的人中，要特別感謝來自波蘭華沙技術大學的教師和導師，日本東北大學的Junichi Nishizawa教授以及賓夕法尼亞州立大學的導師和同事Joseph Stach教授和Richard Tressler教授。除此之外，我妻子Ewa的耐心、理解和支援使得《半導體工程導論》得以順利出版。

Jerzy Ruzyllo

於賓夕法尼亞州立大學

前言

第1章 半導體特性

章節概述

1.1固體的導電性

1.1.1原子間的價鍵與導電性

1.1.2能帶結構與導電性

1.2載流子

1.2.1電子與空穴

1.2.2產生與複合過程

1.2.3載流子的運動

1.3半導體以及外界的影響

1.3.1半導體和電場以及磁場

1.3.2半導體和光

1.3.3半導體和溫度

1.4納米尺度半導體

關鍵字

第2章 半導體材料

章節概述

2.1固體的晶體結構

2.1.1晶格

2.1.2 結構缺陷

2.2半導體材料系統的構成元素

2.2.1表面與接口

2.2.2薄膜

2.3無機半導體

2.3.1單質半導體

2.3.2化合物半導體

2.3.3納米無機半導體

2.4材料選擇標準

2.5有機半導體

2.6體單晶的形成

2.6.1CZ法生長單晶

2.6.2其他方法

2.7薄膜單晶的形成

2.7.1外延沉積

2.7.2晶格匹配和晶格失配的外延沉積

2.8襯底

2.8.1半導體襯底

2.8.2非半導體襯底

2.9薄膜絕緣體

2.9.1一般性質

2.9.2多用途薄膜絕緣體

2.9.3專用薄膜絕緣體

2.10薄膜導體

2.10.1金屬

2.10.2金屬合金

2.10.3非金屬導體

關鍵字

第3章 半導體器件及其使用

章節概述

3.1半導體器件

3.2構建半導體器件

3.2.1歐姆接觸

3.2.2勢壘

3.3兩端器件：二極管

3.3.1二極管

3.3.2金屬-氧化物-半導體（MOS）電容器

3.4三端器件：電晶體

3.4.1電晶體概述

3.4.2電晶體種類

3.4.3MOSFET的工作原理

3.4.4互補金屬-氧化物-半導體（CMOS）

3.4.5MOSFET的發展

3.4.6薄膜電晶體（TFT）

3.5積體電路

3.6圖像顯示和圖像傳感器件

3.7微機電系統（MEMS）與傳感器

3.7.1MEMS/NEMS器件

3.7.2傳感器

3.8可穿戴及可植入半導體器件系統

關鍵字

第4章 工藝技術

章節概述

4.1工藝角度看襯底

4.1.1晶圓襯底

4.1.2大面積襯底

4.1.3柔性襯底

4.1.4關於襯底的進一步討論

4.2液相（濕法）工藝

4.2.1水

4.2.2特殊化學試劑

4.2.3晶圓乾燥

4.3氣相（幹法）工藝

4.3.1氣體

4.3.2真空

4.4半導體製造中的工藝

4.4.1熱處理工藝

4.4.2等離子體工藝

4.4.3電子和離子束工藝

4.4.4化學工藝

4.4.5光化學工藝

4.4.6化學機械工藝

4.5污染控制

4.5.1污染物

4.5.2潔淨環境

4.6工藝整合

關鍵字

第5章 製造工藝

章節概述

5.1圖案定義方式

5.1.1自上而下工藝

5.1.2自下而上工藝

5.1.3圖案的剝離工藝

5.1.4機械掩模

5.1.5印刷和印章轉移

5.2自上而下工藝步驟

5.3表面處理

5.3.1表面清洗

5.3.2表面改性

5.4增材工藝

5.4.1增材工藝的特點

5.4.2氧化生長薄膜：熱氧化矽法

5.4.3物理氣相沉積（PVD）

5.4.4化學氣相沉積（CVD）

5.4.5物理液相沉積（PLD）

5.4.6電化學沉積（ECD）

5.4.73D打印

5.5平面圖案轉移

5.5.1平面圖案轉移技術的實現

5.5.2光刻

5.5.3光刻中的曝光技術及工具

5.5.4電子束光刻

5.6減材工藝

5.6.1刻蝕工藝的特點

5.6.2濕法刻蝕

5.6.3蒸氣刻蝕

5.6.4幹法刻蝕

5.6.5去膠

5.7選擇性摻雜

5.7.1擴散摻雜

5.7.2離子注入摻雜

5.8接觸和互連工藝

5.8.1接觸

5.8.2互連

5.8.3大馬士革工藝（鑲嵌工藝）

5.9組裝和封裝工藝

5.9.1概述

5.9.2封裝工藝

5.9.3半導體封裝技術概況

關鍵字

第6章 半導體材料與工藝表徵

章節概述

6.1目的

6.2方法

6.3應用舉例

關鍵字

參考文獻