半导体材料
发光材料
超导材料
铁电材料
如：石英振荡器
磁性材料
(Ph.D., Associate Professor)
内容概要
（Contents Description）
• 电子材料概述以及课程要求 • 电子材料的晶体结构 • 半导体材料（微电子材料的发展、性质以及第 三代半导体材料的性能及制造技术） • 半导体材料（多晶，单晶，薄膜）制备技术 • 压电材料、铁电材料（概念、性能、制造和应 用技术） • 微电子器件（pn junction, FET）及集成电路 （IC）的制造
电子材料与器件工艺 （Electronic Materials and Devices Technology）
合肥工业大学材料科学与工程学院
(School of Materials Science and Engineering, Hefei University of Technology)
许育东
•
LED光源使用寿命长
白炽灯、荧光灯、卤钨灯是采用电子光场辐射发光，灯丝 发光易烧，热沉积、光衰减等特点，而采用LED灯体积小，重 量轻，环氧树脂封装，可承受高强机械冲击和震动，不易破碎， 平均寿命达10万小时，LED灯具使用寿命可达5-10年，可以大 大孤低灯具的维护费用避免经常换灯之苦。
•
LED光源安全可靠性强
碳纳米管（CNT）
(Carbon Nano Tube)
1.2.1 现代社会对电子材料的要求
1. 结构与功能相结合 (Comprehensive Performance) 2. 智能材料 (Intelligence) 3. 减少污染 (No or less Pollution) 4. 节省能源 (Energy Waste Reduction) 5. 长寿命与可控寿命 (Long Service Time ) 6. 可靠性（Reliability）
学技术、国民经济水平和军事国防力量的主要标志。
• 讨论1 材料科学、信息材料、电子材料、微电子材料、 光电子材料之间的关系
信息材料是最活跃的新材料领域，微电子材料在未来把10－
15年仍是最基本的信息材料，集成电路和半导体材料仍将以Si为 主体，化合物半导体材料(GaAs,GaP1-xAsx等)以及新一代高温半 导体（GaN,SiC）共同发展。光电子材料将成为发展最快和最有 前途的信息材料，主要集中在激光材料(如红宝石激光晶体： Nd3+:Y3Al5O12) 、 高 亮 度 LED 材 料 、 红 外 探 测 器 材 料 (PbS,PbSe,InSe)、液晶显示材料(联苯类，乙炔类)、光纤材料 （如石英系）等领域。
2. 有机电子材料
有机导电、压电、光电、磁电等
3. 薄膜电子材料 (主流)
4. 计算机技术与电子材料
课程性质和任务
本课程为本专业高年级专业课，它紧密地把基础理论 与生产实践溶于一体。学生学习本课程后，可以深入掌握 半导体物理、电介质物理、磁性物理的基础知识，具备从 事电子材料生产、研究、应用和开发的基本能力；本课程 又为后续专业课程的基础，直接同电子器件和电子材料测 量密切结合。因此本课程为本专业重要专业课程。 电子材料的重点是阐明各类电子材料晶体结构、光电 磁特性及影响因素、基本制造工艺（特别是压电铁电陶瓷、 半导体单晶、半导体薄膜、集成电路与元器件的制造）， 为研制电子材料奠定理论与实践.
应用与发展动态
1.1 电子材料的分类与特点(Categories and Characteristics)
1.1.1 在国民经济中的地位
电子材料是指与电子工业有关的、在电子学与微 电子学中使用的材料，是制作电子元器件和集成电路
的物质基础。材料、能源和信息技术是当前国际公认
的新科技革命的三大支柱。电子材料处于材料科学与 工程的最前沿。电子材料的优劣直接影响电子产品的 质量，与电子工业的经济效益有密切关系。一个国家 的电子材料的品种数量和质量，成了一个衡量该国科
2.
按组成（化学作用）分：无机电子材料和有机电子材料
1) 2)
3.
按材料的物理性质和应用领域分:
1)
2)
4.
传统电子材料与先进电子材料
1.1.3 电子材料对环境的要求 (Environmental Requirements)
电子材料在做成元器件和集成电路之后，还应具 备一致性和稳定性，能够承受各种恶劣的环境。主 要表现在以下几方面： 1. 温度 2. 压力 3. 湿度 4. 环境中的化学颗粒及尘埃 5. 霉菌和昆虫 6. 辐射 7. 机械因素
• 生产白光LED技术目前有三种：一种，利用三基色原理和目前已能 生产的红、绿、蓝三种超高亮度LED按光强1:2:0.38比例混合而成 白色，二种，利用超高度InGan蓝色LED，其管总上加少许的钇铝 石榴为主体的荧光粉、它能在蓝光激发下产生黄绿光、而此黄绿光 又可与透出的蓝光合成白光，三种是不可制紫外光LED，采用紫外 光激三基色荧光粉或其他荧光粉，产生多色混合而成的白光。 当然，节能是我们考虑使用LED光源的最主要原因，也许LED光源 要比传统光源昂贵，但是用一年时间的节能收回光源的投资，从而 获得4-9年中每年几倍的节能净收盖期。
纳米管有序阵列(CNT Ordered Arrays)
由于碳纳米管自身的独特性能，决定了这种新型材料在高 新技术诸多领域有着诱人的应用前景。在电子方面，利用碳纳 米管奇异的电学性能，可将其应用于超级电容器、场发射平板 显示器、晶体管集成电路等领域。在材料方面，可将其应用于 金属、水泥、塑料、纤维等诸多复合材料领域。它是迄今为止 最好的贮氢材料，并可作为多类反应的催化剂的优良载体。在 军事方面，可利用它对波的吸收、折射率高的特点，作为隐身 材料广泛应用于隐形飞机和超音速飞机。在航天领域，利用其 良好的热学性能，添加到火箭的固体燃料中，从而使燃烧效率 更高。
前
言（Preface）
电子材料是当前材料科学的一个重要方面,品种多、
用途广、涉及面宽。是制作电子元器件和集成电路的基
础，是获得高性能高可靠先进电子元器件和系统的保证。 同时还广泛应用于印制电路板和微线板、封装用材料、
元器件和整机、电信电缆和光纤、各种显示器及显示板，
以及各种控制和显示仪表等等。
分类与特点
发热量低、无热辐射性、冷光源、可以安全抵摸，能精确控制光 型及发光角度、光色和、无眩光、不含汞，钠元素等可能危害健康 的物质。
• LED光源有利环保
LED为全固体发光体、耐冲击不易破碎、废弃物可回收、没有污 染减少大量二氧化硫及氮化物等有害气体以及二氧化碳等温室气体 的产生改善人们生活居住环境，可称“绿色照明光源。”
•
资料：有机发光二极管
1.2.2 电子材料的选用原则 (Selections of Electronic Materials)
1. 根据元器件性能参数
2. 根据元器件结构特点
3. 根据元器件工艺特点
4. 按经济原则
1.2.3 电子材料发展动态
1. 先进电子材料
纳米材料、仿生智能材料、先进复合材料、生物电子材料等
• 讨论2 电子材料以及信息功能材料对经济和社会的贡 献
1.1.2 电子材料的分类（Categories）
1. 按用途分：结构电子材料和功能电子材料
1) 2) 结构电子材料是指能承受一定压力和重力，并能保持尺寸和大部分力 学性质（强度、硬度及韧性等）稳定的一类材料； 结构电子材料是指除强度性能外，还有特殊性能，或能实现光、电、 磁、热、力等不同形式的交互作用和转换的非结构材料； 无机电子材料以可分为金属材料(以金属键结合）和非金属材料（以离 子键和共价键结合）； 有机电子材料主要是指高分子材料（以共价键和分子键结合）； 按材料的物理性质分：导电材料、超导材料、半导体材料、绝缘材料、 压电铁电材料、磁性材料、光电材料和敏感材料等。 按应用领域分：微电子材料、电器材料、电容器材料、磁性材料光电 子材料、压电材料、电声材料等；
• 飞船复合材料：神州飞船外层的复合材料非常好，
它在返回途中与大气摩擦会产生2800度以上的高温， 它的外层自己燃烧，自己散发热量，能保证返回舱内 人员、仪器设备等的安全。
• 高亮度、高可靠性光电显示材料
1.2 电子材料的应用与发展动态
(Applications and Developments)
LED单管功率0.03-0.06瓦，采用直流驱动，单管驱动电压 1.5-3.5伏。电流15-18毫安反映速度快，可在高频操作，用在 同样照明效果的情况下，耗电量是白炽灯的万分之一，荧光管 的二分之一，日本估计，如采用光效比荧光灯还要高2倍的 LED替代日本一半的白炽灯和荧光灯、每年可节约相当于60亿 升原油，同样效果的一支日光灯40多瓦，而采用LED每支的功 率只有8瓦。
神州飞船、嫦娥卫星上电子材料 与器件应用举例
• 电子元器件温度可靠性（太阳照射面，其月面温度
高达120C°，而它的背阴面温度却是-180C°，因此 要选用诸如高温半导体等特殊材料 ）
• 太阳能电池板（太阳能电池材料（如单晶Si，非晶
Si等）、形状记忆合金材料（Ti-Ni和Ti-Ni-X（X指Cu， Fe等）合金 ））
白炽灯、荧光灯与发光二极管
• LED光源发光效率高
发光效率比较：白炽灯、卤钨灯光效为12-24流明/瓦、荧光灯 50-70流明/瓦 钠灯90-140流明/瓦、大部分的耗电变成热量损 耗。 LED光效：可发到50-200流明/瓦，而且发光的单色性好，光 谱窄，无需过滤，可直接发出有色可见光。
•
LED光源耗电量少
为适应电子整机和设备小型化、轻量化、薄型化、
数字化、多功能，现在社会要求电子元器件的开发生 产必须向小型化、高集成化、薄膜化发展；电子材料 今后将尽可能长适应电子元器件的这些要求。
电子材料的要求和选用原则 纳米电子材料、复合材料等新型电子材料 电子材料的发展动态