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半导体材料

我们的电脑里面CPU正是利用的里面集成的晶体管的开关特性实现它的数字化，而晶体管的生产必须使用半导体材料。半导体可做成两种不同特性的材料并结合一起后形成叫做PN结的器件，这种器件具有很多的特有的物理特征和化学特征与电的特性之间的转换，如力-电，温度-电等，从而可作成一些传感器和转换器，如你的显示器是电转为光，你的红外遥控器是光转为电，所谓新能源的光伏电池也是如此。此外，因为电压与电流的非线性和PN结可实现用小来控制大的作用，只要给一个很弱的控制电流就能想让它成导体就是导体，想让它是绝缘体就是绝缘体，你电脑里的元件就是利用此实现数据处理的。 

半导体材料是电导率在10～10欧／厘米之间的材料。在一般情况下，半导体电导率随温度的升高而增大，这与金属导体恰好相反。凡具有上述两种特征的材料都可归入半导体材料的范围。半导体材料是最重要最有影响的功能材料之一，它在微电子领域具有独占的地位，同时又是光电子领域的主要材料。

一、半导体材料的发展历程　　

半导体材料从发现到发展，从使用到创新，拥有这一段长久的历史。宰二十世纪初，就曾出现过点接触矿石检波器。1930年，氧化亚铜整流器制造成功并得到广泛应用，是半导体材料开始受到重视。1947年锗点接触三极管制成，成为半导体的研究成果的重大突破。50年代末，薄膜生长激素的开发和集成电路的发明，是的微电子技术得到进一步发展。60年代，砷化镓材料制成半导体激光器，固溶体半导体此阿里奥在红外线方面的研究发展，半导体材料的应用得到扩展。1969年超晶格概念的提出和超晶格量子阱的研制成功，是的半导体器件的设计与制造从杂志工程发展到能带工程，将半导体材料的研究和应用推向了一个新的领域。90年代以来随着移动通信技术的飞速发展，砷化镓和磷化烟等半导体材料成为焦点，用于制作高速高频大功率激发光电子器件等；近些年，新型半导体材料的研究得到突破，以氮化镓为代表的先进半导体材料开始体现出超强优越性，被称为IT产业的新发动机。

二、半导体材料的特性　　

1、电阻率

半导体材料是一种具有特殊导电性能的功能材料，其电阻率处于导体电阻率（ 0.00001Ω.cm以下）和绝缘体电阻率(10000000000Ω.cm)之间。例如纯硅（Si）材料的电阻率约为100000Ω.cm 。半导体材料的电阻率对其杂质含量、环境温度、以及光照、电场、磁场、压力等外界条件有非常高的灵敏性。

　　2、能带

在孤立原子中的电子分别处在具有一定能量的电子轨道上。而在晶体中，原先在不同孤立原子中但具有相同能级的许多电子形成晶体时，由于量子效应，即 Pauli 原理的不能有两个电子处于相同的状态，它们的能量必定彼此错开，各自处在一个能量略有差异的一组子能级上，形成能带。根据电子的能量分布，在某些能量范围内是不许有电子存在的称之为禁带，即能带之间的间隙。由价电子填充的能带，称之为价带或满带。价带以上的能带基本上是空的，其中最低的允许电子存在的能带称为导带。根据价带与导带的分布情况，可以获得金属、半导体和绝缘体。在一般情况下，半导体的导带底有少量电子，价带顶有少量空穴，半导体的导电就是依靠导带底的少量电子或价带顶的少量空穴。

　　3、满带电子不导电

当价带中存在一定的空穴和导带中存在一定量的电子时，半导体材料才能导电。即，半导体材料的导电行为取决于价带中的空穴和导带中的电子。

　　4、直接带隙和间接带隙

价带的电子可以通过热激发或光照等激发到导带中去。由光照激发价带的电子到导带而形成电子 — 空穴对的这个过程称为本征光吸收。

在非竖直跃迁过程中，光子主要提供跃迁所需要的能量，而声子则主要提供所需要的动量。与竖直跃迁相比，非竖直跃迁是一个二级过程，发生的几率要小得多，我们把导带底和价带顶处于k空间不同点的半导体称为间接带隙半导体。 （在晶体材料中，声子的波长一般介于光子与电子波长之间） 。

导带中的电子跃迁到价带空带能级而发射光子， 是上述光吸收的逆过程， 称为电子 —— 空穴对复合发光。

三、半导体材料的种类　　

半导体材料按化学成分和内部结构，大 致可分为以下几类。

　　1.元素半导体

有锗、硅、硒、硼、碲、锑等。50 年代，锗在半导 体中占主导地位，但 锗半导体器件的耐高温和抗辐射性能较差，到 60 年代后期逐渐 被硅材料取代。用硅制造的半导体器件，耐高温和抗辐射性能较好，特别适宜制作大 功率器件。因此，硅已成为应用最多的一种增导体材料，目前的集成电路大多数是用 硅材料制造的。

　　2.化合物半导体

由两种或两种以上的元素化合而成的半导体材料。它 的种类很多，重要的有砷化镓、磷化锢、锑化锢、碳化硅、硫化镉及镓砷硅等。其中 砷化镓是制造微波器件和集成电的重要材料。碳化硅由于其抗辐射能力强、耐高温和 化学稳定性好，在航天技术领域有着广泛的应用。

　　3.无定形半导体材料

用作半导体 的玻璃是一种非晶体无定形半导体材料，分为氧化物玻璃和非氧化物玻璃两种。这类 材料具有良好的开关和记忆特性和很强的抗辐射能力，主要用来制造阈值开关、记忆 开关和固体显示器件。

　　4.有机半导体材料

已知的有机半导体材料有几十种，包括萘、 蒽、聚丙烯腈、酞菁和一些芳香族化合物等，目前尚未得到应用 。

四、半导体材料的应用　　

1、元素半导体材料

硅在当前的应用相当广泛，他不仅是半导体集成电路，半导体器件和硅太阳能电池的基础材料，而且用半导作的电子器件和产品已经大范围的进入到人们的生活，人们的家用电器中所用到的电子器件80%以上与案件都离不开硅材料。锗是稀有元素，地壳中的含量较少，由于锗的特有性质，使得它的应用主要集中与制作各种二极管，三极管等。而以锗制作的其他钱江如探测器，也具有着许多的优点，广泛的应用于多个领域。

　　2、有机半导体材料

有机半导体材料具有热激活电导率，如萘蒽，聚丙烯和聚二乙烯苯以及碱金属和蒽的络合物，有机半导体材料可分为有机物，聚合物和给体受体络合物三类。有机半导体芯片等产品的生产能力差，但是拥有加工处理方便，结实耐用，成本低廉，耐磨耐用等特性。

　　3、非晶半导体材料

非晶半导体按键合力的性质分为共价键非晶半导体和离子键非晶半导体两类，可用液相快冷方法和真空蒸汽或溅射的方法制备。在工业上，非晶半导体材料主要用于制备像传感器，太阳能锂电池薄膜晶体管等非晶体半导体器件。

　　4、化合物半导体材料

化合物半导体材料种类繁多，按元素在周期表族来分类，分为三五族，二六族，四四族等。如今化合物半导体材料已经在太阳能电池，光电器件，超高速器件，微波等领域占据重要位置，且不同种类具有不同的应用。总之，半导体材料的发展迅速，应用广泛，随着时间的推移和技术的发展，半导体材料的应用将更加重要和关键，半导体技术和半导体材料的发展也将走向更高端的市场。

五、常见的半导体材料现状及趋势　　

1、硅材料

从提高硅集成电路成品率，降低成本看，增大直拉硅（CZ－Si）单晶的直径和减小微缺陷的密度仍是今后CZ－Si发展的总趋势。目前直径为8英寸（200mm）的Si单晶已实现大规模工业生产，基于直径为12英寸（300mm）硅片的集成电路（IC‘s）技术正处在由实验室向工业生产转变中。目前300mm，0.18μm工艺的硅ULSI生产线已经投入生产，300mm，0.13μm工艺生产线也将在2003年完成评估。18英寸重达414公斤的硅单晶和18英寸的硅园片已在实验室研制成功，直径27英寸硅单晶研制也正在积极筹划中。

从进一步提高硅IC‘S的速度和集成度看，研制适合于硅深亚微米乃至纳米工艺所需的大直径硅外延片会成为硅材料发展的主流。另外，SOI材料，包括智能剥离（Smart cut）和SIMOX材料等也发展很快。目前，直径8英寸的硅外延片和SOI材料已研制成功，更大尺寸的片材也在开发中。

理论分析指出30nm左右将是硅MOS集成电路线宽的“极限”尺寸。这不仅是指量子尺寸效应对现有器件特性影响所带来的物理和光刻技术的问题，更重要的是将受硅、SiO2自身性质的。尽管人们正在积极寻找高K介电绝缘材料（如用Si3N4等来替代SiO2），低K介电互连材料，用Cu代替Al引线以及采用系统集成芯片技术等来提高ULSI的集成度、运算速度和功能，但硅将最终难以满足人类不断的对更大信息量需求。为此，人们除寻求基于全新原理的量子计算和DNA生物计算等之外，还把目光放在以GaAs、InP为基的化合物半导体材料，特别是二维超晶格、量子阱，一维量子线与零维量子点材料和可与硅平面工艺兼容GeSi合金材料等，这也是目前半导体材料研发的重点。下载本文