半導體材料的應用及發(fā)展探析(精).doc

半導體材料的特性分類及應用發(fā)展任聰（武漢大學 計算機學院 計算機科學與技術(shù) 2009301500133） 摘要：二十一世紀，半導體材料及其應用已經(jīng)成為衡量一個國家經(jīng)濟發(fā)展，科技進步和國防實力的重要標志，半導體產(chǎn)品廣泛用于生活生產(chǎn)之中。本文對半導體材料的特性性能，分類應用，制備方法和發(fā)展方向作出簡要解析。關(guān)鍵詞：半導體材料 硅材料 半導體 半導體特性 制備方法 低維半導體材料 化合物半導體材料引言：20世紀中葉，單晶硅和半導體晶體管的發(fā)明及其硅集成電路的研制成功，導致了電子工業(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)，是人類進入信息時代；超晶格概念的提出及其半導體超晶格，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)展與運用使得半導體進入納米時代。然而半導體材料的價值仍在于它的光學，電學及其他各種特性，自硅出現(xiàn)在很長時間內(nèi)，硅仍將是大規(guī)模集成電路的主要材料，如在軍事領域中應用的抗輻射硅單體（NTD ）, 高效太陽能電池用硅單體，紅外CCD 器件用硅單體的等。隨著半導體技術(shù)的發(fā)展和半導體材料的研究，微電子技術(shù)朝著高密度，高可靠性方向發(fā)展，各種各樣新的半導體材料出現(xiàn)，而 GaAs和InP 基材料等還是化合物半導體及器件的主要支柱材料。與此同時以硅材料為核心的當代微電子技術(shù)趨向于納米級，到達這一尺寸后，一些列來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題，為滿足人類社會不斷增長的對更大信息量的需求，近年來新的半導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)當前國際前沿研究熱點，從而引起新的技術(shù)革命。 中國半導體材料經(jīng)過40多年的研究與發(fā)展，已具備了相當?shù)幕A，特別是在改革開放后，中國的半導體材料和半導體技術(shù)獲得明顯發(fā)展，除滿足國內(nèi)需求外，一些材料已經(jīng)進入國際市場，然而綜觀中國半導體產(chǎn)業(yè)鏈的全局，上端的設計，制造業(yè)較弱，尤其凸顯的瓶頸部位式設計與材料設備業(yè)，但是可以相信整個發(fā)展大路上市順利的，中國半導體材料應該掌握自主知識產(chǎn)權(quán)，系統(tǒng)技術(shù)的開發(fā)人才，規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，盡快在材料設備業(yè)發(fā)展。1. 半導體材料的概念與特性當今，以半導體材料為芯片的各種產(chǎn)品已廣泛進入人們的生活生產(chǎn)中，電視機，電子計算機，電子表等等，半導體材料為什么會擁有如此巨大的應用，我們需要從半導體材料的概念和特性開始了解。半導體材料（semiconductormaterial ）是導電能力介于導體與絕緣體之間的物質(zhì)。半導體材料是一類具有半導體性能、可用來制作半導體器件和集成電的電子材料，其電導率在10（U-3）10（U-9）歐姆/厘米范圍內(nèi)。在某些情況下，半導體具有導電的性質(zhì)。首先，一般的半導體材料的電導率隨溫度的升高迅速增大，各種熱敏電阻的開發(fā)就是利用了這個特性；其次，雜質(zhì)摻入對半導體的性質(zhì)起著決定性的作用，他們可使半導體的特性多樣化，使得PN 結(jié)形成，進而制作各種二極管和三極管；再次，半導體的電學性質(zhì)回因光照引起變化，光敏電阻隨之誕生；一些半導體具有較強的溫差效應，可以利用它制作半導體制冷劑等；化合物半導體還具有超高速，低功耗，多功能，抗輻射等特性，在智能化，光纖通信等領域具有廣泛運用；半導體基片可以實現(xiàn)原器件集中制作在一個芯片上，于是產(chǎn)生了各種規(guī)模的集成電路，正是由于半導體材料的各種各樣的特性使得半導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. 半導體材料的分類與制備2.1半導體材料的分類半導體材料可按化學組成來分，再將結(jié)構(gòu)與性能比較特殊的非晶態(tài)與液態(tài)半導體單獨列為一類。按照這樣分類方法可將半導體材料分為元素半導體、無機化合物半導體、有機化合物半導體和非晶態(tài)與液態(tài)半導體。還包括固溶體半導體，超晶格半導體等，不同的分類方法有著不同的劃分不同的半導體材料擁有著獨自的特點，在他們使用的領域都起著重要的作用。2.2半導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)實際上在超高真空條件下，對分支或原子數(shù)源和襯底溫度加以精密控制的薄膜蒸發(fā)技術(shù)。MBE 生長過程實際上是一個具有熱力學和動力學同時并存，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，吸附或通過反射或脫附過程離開表面，而在襯底表面與氣態(tài)分子之間建立一個準平衡區(qū)，是晶體生長過程接近于熱力學平衡條件，即使每一個結(jié)合到晶格中的原子能選擇到一個自由能最低的格點位置，才能生長出高質(zhì)量的材料。2.2.2金屬有機化學汽相淀積技術(shù)（MOCVD ）MOCVD 使用氫氣將金屬有機化合物蒸汽和氣態(tài)非金屬氫化物經(jīng)過開關(guān)網(wǎng)絡送入反應式加熱的襯底上，通過熱分解反應而最終在其上生長出外延層的技術(shù)。2.2.3半導體微結(jié)構(gòu)材料生長和精細加工相結(jié)合的制備技術(shù)利用MBE 或MOCVD 等技術(shù)首先生長半導體微結(jié)構(gòu)材料如AlGaAs/GaAs2DEG材料等，進而結(jié)合高空間分辨電子束曝光直寫，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，即常說的所謂自上而下的制備技術(shù)。2.2.4應變自組裝納米量子點線結(jié)構(gòu)生長技術(shù)應變自組裝納米量子點線結(jié)構(gòu)材料的制備是利用SK 生長模式，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)材料生長行為。3半導體材料的發(fā)展歷程與應用3.1半導體材料的一些研究前沿近年來，基于低維半導體結(jié)構(gòu)材料（即半導體量子結(jié)構(gòu)材料）的量子力學效應（如量子尺寸效應，量子隧穿，量子干涉，庫倫阻塞和非線性光學效應等）的納米電子學，光電子學，量子計算和量子通信以及光計算，生物計算等。低維半導體包括二維晶格，量子阱材料，一維量子線和零維量子點材料。3.2半導體材料的簡略發(fā)展歷程半導體材料從發(fā)現(xiàn)到發(fā)展，從使用到創(chuàng)新，擁有這一段長久的歷史。宰二十世紀初，就曾出現(xiàn)過點接觸礦石檢波器。1930年，氧化亞銅整流器制造成功并得到廣泛應用，是半導體材料開始受到重視。1947年鍺點接觸三極管制成，成為半導體的研究成果的重大突破。50年代末，薄膜生長激素的開發(fā)和集成電路的發(fā)明，是的微電子技術(shù)得到進一步發(fā)展。60年代，砷化鎵材料制成半導體激光器，固溶體半導體此阿里奧在紅外線方面的研究發(fā)展，半導體材料的應用得到擴展。1969年超晶格概念的提出和超晶格量子阱的研制成功，是的半導體器件的設計與制造從雜志工程發(fā)展到能帶工程，將半導體材料的研究和應用推向了一個新的領域。90年代以來隨著移動通信技術(shù)的飛速發(fā)展，砷化鎵和磷化煙等半導體材料成為焦點，用于制作高速高頻大功率激發(fā)光電子器件等；近些年，新型半導體材料的研究得到突破，以氮化鎵為代表的先進半導體材料開始體現(xiàn)出超強優(yōu)越性，被稱為IT 產(chǎn)業(yè)的新發(fā)動機。3.3幾種半導體材料的應用3.3.1元素半導體材料硅在當前的應用相當廣泛，他不僅是半導體集成電路，半導體器件和硅太陽能電池的基礎材料，而且用半導體制作的電子器件和產(chǎn)品已經(jīng)大范圍的進入到人們的生活，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器，也具有著許多的優(yōu)點，廣泛的應用于多個領域。3.3.2有機半導體材料有機半導體材料具有熱激活電導率，如萘蒽，聚丙烯和聚二乙烯苯以及堿金屬和蒽的絡合物，有機半導體材料可分為有機物，聚合物和給體受體絡合物三類。有機半導體芯片等產(chǎn)品的生產(chǎn)能力差，但是擁有加工處理方便，結(jié)實耐用，成本低廉，耐磨耐用等特性。3.3.3非晶半導體材料非晶半導體按鍵合力的性質(zhì)分為共價鍵非晶半導體和離子鍵非晶半導體兩類，可用液相快冷方法和真空蒸汽或濺射的方法制備。在工業(yè)上，非晶半導體材料主要用于制備像傳感器，太陽能電池薄膜晶體管等非晶體半導體器件。3.3.4化合物半導體材料化合物半導體材料種類繁多，按元素在周期表族來分類，分為三五族，二六族，四四族等。如今化合物半導體材料已經(jīng)在太陽能電池，光電器件，超高速器件，微波等領域占據(jù)重要位置，且不同種類具有不同的應用?？傊?，半導體材料的發(fā)展迅速，應用廣泛，隨著時間的推移和技術(shù)的發(fā)展，半導體材料的應用將更加重要和關(guān)鍵，半導體技術(shù)和半導體材料的發(fā)展也將走向更高端的市場。參考文獻：1周立軍 半導體材料的發(fā)展及現(xiàn)狀 半導體情報 第38卷第1期 2001年2月2葛生燕 劉輝 半導體材料的探析與運用 科技向?qū)?2010年第5期（上）3靳曉宇 半導體材料的應用與發(fā)展研究 大眾商務 2009年6月（總第102期）4王占國 半導體材料研究的新進展 半導體技術(shù) 第27卷第3期 2002年3月5suki 發(fā)展國產(chǎn)半導體任重道遠 半導體技術(shù)