半導(dǎo)體材料概念簡介---選修課論文

1、半導(dǎo)體材料摘要：目前半導(dǎo)體產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于生活生產(chǎn)中，半導(dǎo)體材料及其應(yīng)用已經(jīng)成為衡量一個國家經(jīng)濟發(fā)展和科技進步的重要標(biāo)志。本文對半導(dǎo)體材料的定義、特性性能、材料分類及應(yīng)用和發(fā)展方向作出簡要解析。 關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體材料 半導(dǎo)體材料分類 半導(dǎo)體特性 制備方法 半導(dǎo)體材料應(yīng)用引言：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)，使人類進入信息時代；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)展與運用使得半導(dǎo)體進入納米時代。然而半導(dǎo)體材料的價值仍在于它的光學(xué)、電學(xué)及其他各種

2、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(lǐng)域中應(yīng)用的抗輻射硅單體、高效太陽能電池用硅單體、紅外CCD器件用硅單體等。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。與此同時以硅材料為核心的當(dāng)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(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

3、際前沿研究熱點，從而引起新的技術(shù)革命。中國半導(dǎo)體材料經(jīng)過40多年的研究與發(fā)展，已具備了相當(dāng)?shù)幕A(chǔ)，特別是在改革開放后，中國的半導(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(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的全局，上端的設(shè)計，制造業(yè)較弱，尤其凸顯的瓶頸部位式設(shè)計與材料設(shè)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(dǎo)體材料應(yīng)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)模化產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，盡快在材料設(shè)備業(yè)發(fā)展。1.半導(dǎo)體材料的定義及性質(zhì) 當(dāng)今，以半導(dǎo)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(dǎo)體材料為什么會擁有如此巨大的應(yīng)用，我們需要從

4、半導(dǎo)體材料的概念和特性開始了解。 自然界的物質(zhì)、材料按導(dǎo)電能力大小可分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體三大類。半導(dǎo)體的電阻率在1m·cm1G·cm范圍之間。在一般情況下，半導(dǎo)體電導(dǎo)率隨溫度的升高而增大，這與金屬導(dǎo)體恰好相反。 凡具有上述兩種特征的材料都可歸入半導(dǎo)體材料的范圍。反映半導(dǎo)體內(nèi)在基本性質(zhì)的卻是各種外界因素如光、熱、磁、電等作用于半導(dǎo)體而引起的物理效應(yīng)和現(xiàn)象，這些可統(tǒng)稱為半導(dǎo)體材料的半導(dǎo)體性質(zhì)。構(gòu)成固態(tài)電子器件的基體材料絕大多數(shù)是半導(dǎo)體，正是這些半導(dǎo)體材料的各種半導(dǎo)體性質(zhì)賦予各種不同類型半導(dǎo)體器件以不同的功能和特性。半導(dǎo)體的基本化學(xué)特征在于原子間存在飽和的共價鍵。作為共價鍵特

5、征的典型是在晶格結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)為四面體結(jié)構(gòu),所以典型的半導(dǎo)體材料具有金剛石或閃鋅礦(ZnS)的結(jié)構(gòu)。 由于地球的礦藏多半是化合物，所以最早得到利用的半導(dǎo)體材料都是化合物,例如方鉛礦(PbS)很早就用于無線電檢波，氧化亞銅(Cu2O)用作固體整流器，閃鋅礦(ZnS)是熟知的固體發(fā)光材料，碳化硅(SiC)的整流檢波作用也較早被利用。硒(Se)是最早發(fā)現(xiàn)并被利用的元素半導(dǎo)體，曾是固體整流器和光電池的重要材料。元素半導(dǎo)體鍺（Ge）放大作用的發(fā)現(xiàn)開辟了半導(dǎo)體歷史新的一頁，從此電子設(shè)備開始實現(xiàn)晶體管化。中國的半導(dǎo)體研究和生產(chǎn)是從1957年首次制備出高純度(99.999999%99.9999999%) 的鍺開始

6、的。采用元素半導(dǎo)體硅（Si）以后，不僅使晶體管的類型和品種增加、性能提高，而且迎來了大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的時代。以砷化鎵(GaAs)為代表的族化合物的發(fā)現(xiàn)促進了微波器件和光電器件的迅速發(fā)展。 非晶態(tài)半導(dǎo)體雖然在整體上分子排列無序，但是仍具有單晶體的微觀結(jié)構(gòu)，因此具有許多特殊的性質(zhì)。1975年，英國W.G.斯皮爾在輝光放電分解硅烷法制備的非晶硅薄膜中摻雜成功，使非晶硅薄膜的電阻率變化10個數(shù)量級，促進非晶態(tài)半導(dǎo)體器件的開發(fā)和應(yīng)用。同單晶材料相比，非晶態(tài)半導(dǎo)體材料制備工藝簡單，對襯底結(jié)構(gòu)無特殊要求，易于大面積生長，摻雜后電阻率變化大，可以制成多種器件。非晶硅太陽能電池吸收系數(shù)大，轉(zhuǎn)換效率高，面

7、積大，已應(yīng)用到計算器、電子表等商品中。目前無論在理論方面，還是在應(yīng)用方面，半導(dǎo)體的研究正在很快地發(fā)展著。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、化合物半導(dǎo)體、有機半導(dǎo)體、固溶體半導(dǎo)體和非晶態(tài)與液態(tài)半導(dǎo)體。元素半導(dǎo)體大約有十幾種，處于A族A族的金屬元素與非金屬元素交界處，如Ge，Si，Se，Te等；化合物半導(dǎo)體分為二元化合物半導(dǎo)體和多元化合物半導(dǎo)體；有機半導(dǎo)體分為有機分子晶體、有機分子絡(luò)合物、和高分子聚合物，一般指具有半導(dǎo)體性質(zhì)的碳-碳雙鍵有機化合物，電導(dǎo)率為

8、10-10102·cm。固溶體半導(dǎo)體是由兩個或多個晶格結(jié)構(gòu)類似的元素化合物相融合而成，有二元系和三元系之分，如A-A組成的Ge-Si固溶體，A-A組成的Bi-Sb固溶體。原子排列短程有序、長程無序的半導(dǎo)體成為非晶態(tài)半導(dǎo)體，主要有非晶硅、非晶鍺等。 2.2半導(dǎo)體材料的制備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(xué)和動力學(xué)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

9、面與氣態(tài)分子之間建立一個準(zhǔn)平衡區(qū)，是晶體生長過程接近于熱力學(xué)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(xué)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(luò)送入反應(yīng)式加熱的襯底上，通過熱分解反應(yīng)而最終在其上生長出外延層的技術(shù)。 2.2.3半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料生長和精細(xì)加工相結(jié)合的制備技術(shù) 利用MBE 或MOCVD等技術(shù)首先生長半導(dǎo)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

10、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線結(jié)構(gòu)生長技術(shù) 應(yīng)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(dǎo)體材料的發(fā)展歷程及應(yīng)用3.1半導(dǎo)體材料的簡略發(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，擁有這一段長久的歷史。宰二十世紀(jì)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(yīng)用，是半導(dǎo)體材料開始受到重視。1947年鍺點接觸三極管制成，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

11、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)用推向了一個新的領(lǐng)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(dǎo)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(dǎo)體材料的研究得到突破，以氮化鎵為代表的先進半導(dǎo)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。3.2半導(dǎo)體材料的應(yīng)用 3.2.1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)體器件和硅太陽能電池的基礎(chǔ)材料，而

12、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(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器，也具有著許多的優(yōu)點，廣泛的應(yīng)用于多個領(lǐng)域。 3.2.2有機半導(dǎo)體材料 有機半導(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，有機半導(dǎo)體材料可分為有機物，聚合物和給體受體絡(luò)合物三類。有機半導(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)實耐用，成本低廉，耐磨耐用等特性。 3.2.3非晶半導(dǎo)體材料 非晶半導(dǎo)體按鍵合力的

13、性質(zhì)分為共價鍵非晶半導(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濺射的方法制備。在工業(yè)上，非晶半導(dǎo)體材料主要用于制備像傳感器，太陽能電池薄膜晶體管等非晶體半導(dǎo)體器件。 3.2.4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。今天，半導(dǎo)體已廣泛地用于家電、通訊、工業(yè)制造、航空、航天等領(lǐng)域。1994年，電子工業(yè)的世界市場份額為6910億美元，1998年增加到9358億美元。而其中由于美國經(jīng)濟的衰退，導(dǎo)致了半導(dǎo)體市場的下滑，即由

14、1995年的1500多億美元，下降到1998年的1300多億美元。經(jīng)過幾年的徘徊，目前半導(dǎo)體市場已有所回升。 硅單晶及其外延?，F(xiàn)在電子元器件90以上都是由硅材料制備的，全世界與硅相關(guān)的電子工業(yè)產(chǎn)值接近一萬億美元。從整個半導(dǎo)體材料和信息技術(shù)發(fā)展來看，目前的信息載體主要是電子，即電子的電荷（電流）。電子還有一個屬性，電子的自旋，我們尚未用上。如果我們再把電子的自旋用上，就增加了一個自由度，這也是人們目前研究的方向之一。我們從電子材料硅、鍺發(fā)展到光電子材料GaAs和InP，GaN等，就是電子跟光子可以結(jié)合一起使用的材料，光電子材料比電子材料的功能更強大；再下一代的材料很可能是光子材料。我們現(xiàn)在只用了光子的振幅，而光的偏振和光的位相應(yīng)用還未開發(fā)出來，所以這給我們研究者留下了非常廣闊的天地。從材料的發(fā)展來看，從塊體材料向薄層、超薄層，低維（納米）結(jié)構(gòu)材料和功能芯片材料方向發(fā)展；功能芯片可能是有機跟無機的結(jié)合，也可以是生命與有機和無機的結(jié)合，這也為我們提供了一個非常廣闊的創(chuàng)新的天地，我相信人們將來能在這個領(lǐng)域大有作為。 總之，半導(dǎo)體材料