半導(dǎo)體材料的應(yīng)用及發(fā)展探析(精).doc

半導(dǎo)體材料的特性分類及應(yīng)用發(fā)展任聰（武漢大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù) 2009301500133） 摘要：二十一世紀(jì)，半導(dǎo)體材料及其應(yīng)用已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展，科技進(jìn)步和國(guó)防實(shí)力的重要標(biāo)志，半導(dǎo)體產(chǎn)品廣泛用于生活生產(chǎn)之中。本文對(duì)半導(dǎo)體材料的特性性能，分類應(yīng)用，制備方法和發(fā)展方向作出簡(jiǎn)要解析。關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體材料 硅材料 半導(dǎo)體 半導(dǎo)體特性 制備方法 低維半導(dǎo)體材料 化合物半導(dǎo)體材料引言：20世紀(jì)中葉，單晶硅和半導(dǎo)體晶體管的發(fā)明及其硅集成電路的研制成功，導(dǎo)致了電子工業(yè)革命；70年代光纖通訊技術(shù)迅速發(fā)展并逐步形成高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，是人類進(jìn)入信息時(shí)代；超晶格概念的提出及其半導(dǎo)體超晶格，量子阱材料的誕生，改變了光電器件的發(fā)展，納米技術(shù)的發(fā)展與運(yùn)用使得半導(dǎo)體進(jìn)入納米時(shí)代。然而半導(dǎo)體材料的價(jià)值仍在于它的光學(xué)，電學(xué)及其他各種特性，自硅出現(xiàn)在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，硅仍將是大規(guī)模集成電路的主要材料，如在軍事領(lǐng)域中應(yīng)用的抗輻射硅單體（NTD ）, 高效太陽(yáng)能電池用硅單體，紅外CCD 器件用硅單體的等。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展和半導(dǎo)體材料的研究，微電子技術(shù)朝著高密度，高可靠性方向發(fā)展，各種各樣新的半導(dǎo)體材料出現(xiàn)，而 GaAs和InP 基材料等還是化合物半導(dǎo)體及器件的主要支柱材料。與此同時(shí)以硅材料為核心的當(dāng)代微電子技術(shù)趨向于納米級(jí)，到達(dá)這一尺寸后，一些列來(lái)自期間工作原理和工藝技術(shù)本身的物理限制以及制造成本大幅度提高等將成為難以克服的問(wèn)題，為滿足人類社會(huì)不斷增長(zhǎng)的對(duì)更大信息量的需求，近年來(lái)新的半導(dǎo)體材料制備方法出現(xiàn)，新的制備方法的研究與發(fā)展極有可能觸發(fā)當(dāng)前國(guó)際前沿研究熱點(diǎn)，從而引起新的技術(shù)革命。 中國(guó)半導(dǎo)體材料經(jīng)過(guò)40多年的研究與發(fā)展，已具備了相當(dāng)?shù)幕A(chǔ)，特別是在改革開(kāi)放后，中國(guó)的半導(dǎo)體材料和半導(dǎo)體技術(shù)獲得明顯發(fā)展，除滿足國(guó)內(nèi)需求外，一些材料已經(jīng)進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)，然而綜觀中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的全局，上端的設(shè)計(jì)，制造業(yè)較弱，尤其凸顯的瓶頸部位式設(shè)計(jì)與材料設(shè)備業(yè)，但是可以相信整個(gè)發(fā)展大路上市順利的，中國(guó)半導(dǎo)體材料應(yīng)該掌握自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，系統(tǒng)技術(shù)的開(kāi)發(fā)人才，規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，盡快在材料設(shè)備業(yè)發(fā)展。1. 半導(dǎo)體材料的概念與特性當(dāng)今，以半導(dǎo)體材料為芯片的各種產(chǎn)品已廣泛進(jìn)入人們的生活生產(chǎn)中，電視機(jī)，電子計(jì)算機(jī)，電子表等等，半導(dǎo)體材料為什么會(huì)擁有如此巨大的應(yīng)用，我們需要從半導(dǎo)體材料的概念和特性開(kāi)始了解。半導(dǎo)體材料（semiconductormaterial ）是導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)。半導(dǎo)體材料是一類具有半導(dǎo)體性能、可用來(lái)制作半導(dǎo)體器件和集成電的電子材料，其電導(dǎo)率在10（U-3）10（U-9）歐姆/厘米范圍內(nèi)。在某些情況下，半導(dǎo)體具有導(dǎo)電的性質(zhì)。首先，一般的半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率隨溫度的升高迅速增大，各種熱敏電阻的開(kāi)發(fā)就是利用了這個(gè)特性；其次，雜質(zhì)摻入對(duì)半導(dǎo)體的性質(zhì)起著決定性的作用，他們可使半導(dǎo)體的特性多樣化，使得PN 結(jié)形成，進(jìn)而制作各種二極管和三極管；再次，半導(dǎo)體的電學(xué)性質(zhì)回因光照引起變化，光敏電阻隨之誕生；一些半導(dǎo)體具有較強(qiáng)的溫差效應(yīng)，可以利用它制作半導(dǎo)體制冷劑等；化合物半導(dǎo)體還具有超高速，低功耗，多功能，抗輻射等特性，在智能化，光纖通信等領(lǐng)域具有廣泛運(yùn)用；半導(dǎo)體基片可以實(shí)現(xiàn)原器件集中制作在一個(gè)芯片上，于是產(chǎn)生了各種規(guī)模的集成電路，正是由于半導(dǎo)體材料的各種各樣的特性使得半導(dǎo)體材料擁有多種多樣的用途，在科技發(fā)展和人們的生活中起到十分重要的作用。2. 半導(dǎo)體材料的分類與制備2.1半導(dǎo)體材料的分類半導(dǎo)體材料可按化學(xué)組成來(lái)分，再將結(jié)構(gòu)與性能比較特殊的非晶態(tài)與液態(tài)半導(dǎo)體單獨(dú)列為一類。按照這樣分類方法可將半導(dǎo)體材料分為元素半導(dǎo)體、無(wú)機(jī)化合物半導(dǎo)體、有機(jī)化合物半導(dǎo)體和非晶態(tài)與液態(tài)半導(dǎo)體。還包括固溶體半導(dǎo)體，超晶格半導(dǎo)體等，不同的分類方法有著不同的劃分不同的半導(dǎo)體材料擁有著獨(dú)自的特點(diǎn)，在他們使用的領(lǐng)域都起著重要的作用。2.2半導(dǎo)體材料的幾種制備技術(shù)2.2.1分子束外延技術(shù)（MBE ）MBE 技術(shù)實(shí)際上在超高真空條件下，對(duì)分支或原子數(shù)源和襯底溫度加以精密控制的薄膜蒸發(fā)技術(shù)。MBE 生長(zhǎng)過(guò)程實(shí)際上是一個(gè)具有熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)同時(shí)并存，相互關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)。只有在由分子數(shù)源產(chǎn)生的分子束不受碰撞地直接噴射到受熱的潔凈襯底表面，在表面上遷徙，吸附或通過(guò)反射或脫附過(guò)程離開(kāi)表面，而在襯底表面與氣態(tài)分子之間建立一個(gè)準(zhǔn)平衡區(qū)，是晶體生長(zhǎng)過(guò)程接近于熱力學(xué)平衡條件，即使每一個(gè)結(jié)合到晶格中的原子能選擇到一個(gè)自由能最低的格點(diǎn)位置，才能生長(zhǎng)出高質(zhì)量的材料。2.2.2金屬有機(jī)化學(xué)汽相淀積技術(shù)（MOCVD ）MOCVD 使用氫氣將金屬有機(jī)化合物蒸汽和氣態(tài)非金屬氫化物經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)送入反應(yīng)式加熱的襯底上，通過(guò)熱分解反應(yīng)而最終在其上生長(zhǎng)出外延層的技術(shù)。2.2.3半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料生長(zhǎng)和精細(xì)加工相結(jié)合的制備技術(shù)利用MBE 或MOCVD 等技術(shù)首先生長(zhǎng)半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料如AlGaAs/GaAs2DEG材料等，進(jìn)而結(jié)合高空間分辨電子束曝光直寫(xiě)，濕法或干法刻蝕和聚焦離子束注入隔離制備納米量子線和量子點(diǎn)，即常說(shuō)的所謂自上而下的制備技術(shù)。2.2.4應(yīng)變自組裝納米量子點(diǎn)線結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)技術(shù)應(yīng)變自組裝納米量子點(diǎn)線結(jié)構(gòu)材料的制備是利用SK 生長(zhǎng)模式，它主要用于描述具有較大晶格失調(diào)而界面能較小的一支結(jié)構(gòu)材料生長(zhǎng)行為。3半導(dǎo)體材料的發(fā)展歷程與應(yīng)用3.1半導(dǎo)體材料的一些研究前沿近年來(lái)，基于低維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)材料（即半導(dǎo)體量子結(jié)構(gòu)材料）的量子力學(xué)效應(yīng)（如量子尺寸效應(yīng)，量子隧穿，量子干涉，庫(kù)倫阻塞和非線性光學(xué)效應(yīng)等）的納米電子學(xué)，光電子學(xué)，量子計(jì)算和量子通信以及光計(jì)算，生物計(jì)算等。低維半導(dǎo)體包括二維晶格，量子阱材料，一維量子線和零維量子點(diǎn)材料。3.2半導(dǎo)體材料的簡(jiǎn)略發(fā)展歷程半導(dǎo)體材料從發(fā)現(xiàn)到發(fā)展，從使用到創(chuàng)新，擁有這一段長(zhǎng)久的歷史。宰二十世紀(jì)初，就曾出現(xiàn)過(guò)點(diǎn)接觸礦石檢波器。1930年，氧化亞銅整流器制造成功并得到廣泛應(yīng)用，是半導(dǎo)體材料開(kāi)始受到重視。1947年鍺點(diǎn)接觸三極管制成，成為半導(dǎo)體的研究成果的重大突破。50年代末，薄膜生長(zhǎng)激素的開(kāi)發(fā)和集成電路的發(fā)明，是的微電子技術(shù)得到進(jìn)一步發(fā)展。60年代，砷化鎵材料制成半導(dǎo)體激光器，固溶體半導(dǎo)體此阿里奧在紅外線方面的研究發(fā)展，半導(dǎo)體材料的應(yīng)用得到擴(kuò)展。1969年超晶格概念的提出和超晶格量子阱的研制成功，是的半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)與制造從雜志工程發(fā)展到能帶工程，將半導(dǎo)體材料的研究和應(yīng)用推向了一個(gè)新的領(lǐng)域。90年代以來(lái)隨著移動(dòng)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，砷化鎵和磷化煙等半導(dǎo)體材料成為焦點(diǎn)，用于制作高速高頻大功率激發(fā)光電子器件等；近些年，新型半導(dǎo)體材料的研究得到突破，以氮化鎵為代表的先進(jìn)半導(dǎo)體材料開(kāi)始體現(xiàn)出超強(qiáng)優(yōu)越性，被稱為IT 產(chǎn)業(yè)的新發(fā)動(dòng)機(jī)。3.3幾種半導(dǎo)體材料的應(yīng)用3.3.1元素半導(dǎo)體材料硅在當(dāng)前的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，他不僅是半導(dǎo)體集成電路，半導(dǎo)體器件和硅太陽(yáng)能電池的基礎(chǔ)材料，而且用半導(dǎo)體制作的電子器件和產(chǎn)品已經(jīng)大范圍的進(jìn)入到人們的生活，人們的家用電器中所用到的電子器件80%以上與案件都離不開(kāi)硅材料。鍺是稀有元素，地殼中的含量較少，由于鍺的特有性質(zhì)，使得它的應(yīng)用主要集中與制作各種二極管，三極管等。而以鍺制作的其他錢江如探測(cè)器，也具有著許多的優(yōu)點(diǎn)，廣泛的應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。3.3.2有機(jī)半導(dǎo)體材料有機(jī)半導(dǎo)體材料具有熱激活電導(dǎo)率，如萘蒽，聚丙烯和聚二乙烯苯以及堿金屬和蒽的絡(luò)合物，有機(jī)半導(dǎo)體材料可分為有機(jī)物，聚合物和給體受體絡(luò)合物三類。有機(jī)半導(dǎo)體芯片等產(chǎn)品的生產(chǎn)能力差，但是擁有加工處理方便，結(jié)實(shí)耐用，成本低廉，耐磨耐用等特性。3.3.3非晶半導(dǎo)體材料非晶半導(dǎo)體按鍵合力的性質(zhì)分為共價(jià)鍵非晶半導(dǎo)體和離子鍵非晶半導(dǎo)體兩類，可用液相快冷方法和真空蒸汽或?yàn)R射的方法制備。在工業(yè)上，非晶半導(dǎo)體材料主要用于制備像傳感器，太陽(yáng)能電池薄膜晶體管等非晶體半導(dǎo)體器件。3.3.4化合物半導(dǎo)體材料化合物半導(dǎo)體材料種類繁多，按元素在周期表族來(lái)分類，分為三五族，二六族，四四族等。如今化合物半導(dǎo)體材料已經(jīng)在太陽(yáng)能電池，光電器件，超高速器件，微波等領(lǐng)域占據(jù)重要位置，且不同種類具有不同的應(yīng)用?？傊?，半導(dǎo)體材料的發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛，隨著時(shí)間的推移和技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體材料的應(yīng)用將更加重要和關(guān)鍵，半導(dǎo)體技術(shù)和半導(dǎo)體材料的發(fā)展也將走向更高端的市場(chǎng)。參考文獻(xiàn)：1周立軍 半導(dǎo)體材料的發(fā)展及現(xiàn)狀 半導(dǎo)體情報(bào) 第38卷第1期 2001年2月2葛生燕 劉輝 半導(dǎo)體材料的探析與運(yùn)用 科技向?qū)?2010年第5期（上）3靳曉宇 半導(dǎo)體材料的應(yīng)用與發(fā)展研究 大眾商務(wù) 2009年6月（總第102期）4王占國(guó) 半導(dǎo)體材料研究的新進(jìn)展 半導(dǎo)體技術(shù) 第27卷第3期 2002年3月5suki 發(fā)展國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體任重道遠(yuǎn) 半導(dǎo)體技術(shù)