半導(dǎo)體研究文獻(xiàn)綜述

半導(dǎo)體研究文獻(xiàn)綜述學(xué)院：材料科學(xué)與工程學(xué)院專業(yè)：材料化學(xué)班級(jí)：材料122姓名：劉田防學(xué)號(hào)：141009半導(dǎo)體材料的研究綜述文獻(xiàn)綜述摘要：半導(dǎo)體材料的價(jià)值在于它的光學(xué)、電學(xué)特性可充足應(yīng)用與器件。隨著社會(huì)的進(jìn)步和當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體材料越來越多的與當(dāng)代高科技相結(jié)合，其產(chǎn)品更加好的服務(wù)于人類變化著人類的生活及生產(chǎn)。文章從半導(dǎo)體材料基本概念的界定、半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)呈現(xiàn)狀、半導(dǎo)體材料將來發(fā)展趨勢(shì)等方面對(duì)我國(guó)近十年針對(duì)此問題的研究進(jìn)行了綜述，但愿能引發(fā)全社會(huì)的關(guān)注和重視。核心詞：半導(dǎo)體材料，研究，綜述一、該領(lǐng)域的研究意義物質(zhì)存在的形式多個(gè)多樣，固體、液體、氣體、等離子體等等。我們普通把導(dǎo)電性差的材料，如煤、人工晶體、琥珀、陶瓷等稱為絕緣體。而把導(dǎo)電性比較好的金屬如金、銀、銅、鐵、錫、鋁等稱為導(dǎo)體。能夠簡(jiǎn)樸的把介于導(dǎo)體和絕緣體之間的材料稱為半導(dǎo)體。與導(dǎo)體和絕緣體相比，半導(dǎo)體材料的發(fā)現(xiàn)是最晚的，直到20世紀(jì)30年代，當(dāng)材料的提純技術(shù)改善后來，半導(dǎo)體的存在才真正被學(xué)術(shù)界承認(rèn)。本征半導(dǎo)體：不含雜質(zhì)且無晶格缺點(diǎn)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。在極低溫度下，半導(dǎo)體的價(jià)帶是滿帶（見能帶理論），受到熱激發(fā)后，價(jià)帶中的部分電子會(huì)越過禁帶進(jìn)入能量較高的空帶，空帶中存在電子后成為導(dǎo)帶，價(jià)帶中缺少一種電子后形成一種帶正電的空位，稱為空穴。導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴合稱電子-空穴對(duì)，空穴導(dǎo)電并不是電子運(yùn)動(dòng)，但是它的運(yùn)動(dòng)能夠?qū)⑵涞刃檩d流子?？昭▽?dǎo)電時(shí)等電量的電子會(huì)沿其反方向運(yùn)動(dòng)。它們?cè)谕怆妶?chǎng)作用下產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)而形成宏觀電流，分別稱為電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電。這種由于電子-空穴對(duì)的產(chǎn)生而形成的混合型導(dǎo)電稱為本征導(dǎo)電。導(dǎo)帶中的電子會(huì)落入空穴，電子-空穴對(duì)消失，稱為復(fù)合。復(fù)合時(shí)釋放出的能量變成電磁輻射（發(fā)光）或晶格的熱振動(dòng)能量（發(fā)熱）。在一定溫度下，電子-空穴對(duì)的產(chǎn)生和復(fù)合同時(shí)存在并達(dá)成動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)半導(dǎo)體含有一定的載流子密度，從而含有一定的電阻率。溫度升高時(shí)，將產(chǎn)生更多的電子-空穴對(duì)，載流子密度增加，電阻率減小。無晶格缺點(diǎn)的純凈半導(dǎo)體的電阻率較大，實(shí)際應(yīng)用不多。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，造成了電子工業(yè)革命；20世紀(jì)70年代初石英光導(dǎo)纖維材料和GaAs激光器的發(fā)明，增進(jìn)了光纖通信技術(shù)快速發(fā)展并逐步形成了高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，使人類進(jìn)入了信息時(shí)代。超晶格概念的提出及其半導(dǎo)體超晶格、量子阱材料的研制成功，徹底變化了光電器件的設(shè)計(jì)思想，使半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)與制造從“雜質(zhì)工程”發(fā)展到“能帶工程”。徹底變化人們的生活方式。在此筆者重要針對(duì)半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、半導(dǎo)體材料的將來發(fā)展趨勢(shì)等進(jìn)行綜述，但愿引發(fā)社會(huì)的關(guān)注，并提出了切實(shí)可行的建議。二、該領(lǐng)域的研究背景和發(fā)展脈絡(luò)半導(dǎo)體材料諸多，按化學(xué)成分可分為元素半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體兩大類。鍺和硅是最慣用的元素半導(dǎo)體；化合物半導(dǎo)體涉及第Ⅲ和第Ⅴ族化合物（砷化鎵、磷化鎵等）、第Ⅱ和第Ⅵ族化合物（硫化鎘、硫化鋅等）、氧化物（錳、鉻、鐵、銅的氧化物）,以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物構(gòu)成的固溶體（鎵鋁砷、鎵砷磷等）。除上述晶態(tài)半導(dǎo)體外，尚有非晶態(tài)的玻璃半導(dǎo)體、有機(jī)半導(dǎo)體等。半導(dǎo)體的分類，按照其制造技術(shù)能夠分為：集成電路器件，分立器件、光電半導(dǎo)體、邏輯IC、模擬IC、儲(chǔ)存器等大類，普通來說這些還會(huì)被分成小類。另外尚有以應(yīng)用領(lǐng)域、設(shè)計(jì)辦法等進(jìn)行分類，即使不慣用，但還是按照IC、LSI、VLSI（超大LSI）及其規(guī)模進(jìn)行分類的辦法。另外，尚有按照其所解決的信號(hào)，能夠分成模擬、數(shù)字、模擬數(shù)字混成及功效進(jìn)行分類的辦法。1833年，英國(guó)科學(xué)家電子學(xué)之父法拉第最先發(fā)現(xiàn)硫化銀的電阻隨著溫度的變化狀況不同于普通金屬，普通狀況下，金屬的電阻隨溫度升高而增加，但巴拉迪發(fā)現(xiàn)硫化銀材料的電阻是隨著溫度的上升而減少。這是半導(dǎo)體現(xiàn)象的初次發(fā)現(xiàn)。很快，1839年法國(guó)的貝克萊爾發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體和電解質(zhì)接觸形成的結(jié)，在光照下會(huì)產(chǎn)生一種電壓，這就是后來人們熟知的光生伏特效應(yīng)，這是被發(fā)現(xiàn)的半導(dǎo)體的第二個(gè)特性。1873年，英國(guó)的史密斯發(fā)現(xiàn)硒晶體材料在光照下電導(dǎo)增加的光電導(dǎo)效應(yīng)，這是半導(dǎo)體又一種特有的性質(zhì)。半導(dǎo)體的這四個(gè)效應(yīng)，(jianxia霍爾效應(yīng)的余績(jī)──四個(gè)伴生效應(yīng)的發(fā)現(xiàn))雖在1880年以前就先后被發(fā)現(xiàn)了，但半導(dǎo)體這個(gè)名詞大概到19才被考尼白格和維斯初次使用。而總結(jié)出半導(dǎo)體的這四個(gè)特性

始終到1947年12月才由貝爾實(shí)驗(yàn)室完畢。在1874年，德國(guó)的布勞恩觀察到某些硫化物的電導(dǎo)與所加電場(chǎng)的方向有關(guān)，即它的導(dǎo)電有方向性，在它兩端加一種正向電壓，它是導(dǎo)通的；如果把電壓極性反過來，它就不導(dǎo)電，這就是半導(dǎo)體的整流效應(yīng)，也是半導(dǎo)體所特有的第三種特性。同年，舒斯特又發(fā)現(xiàn)了銅與氧化銅的整流效應(yīng)。陳良惠指出自然界的物質(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)體的電導(dǎo)率在10-3～10-9歐·厘米范疇。在普通狀況下，半導(dǎo)體電導(dǎo)率隨溫度的升高而增大，這與金屬導(dǎo)體正好相反。凡含有上述兩種特性的材料都可歸入半導(dǎo)體材料的范疇。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)體材料是一類含有半導(dǎo)體性能、可用來制作半導(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/厘米范疇內(nèi)。隨著社會(huì)的進(jìn)步以及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于半導(dǎo)體材料的界定會(huì)越來越精確。三、現(xiàn)在研究存在的重要問題及研究展望1、雜質(zhì)：半導(dǎo)體中的雜質(zhì)對(duì)電阻率的影響非常大。半導(dǎo)體中摻入微量雜質(zhì)時(shí)，雜質(zhì)原子附近的周期勢(shì)場(chǎng)受到干擾并形成附加的束縛狀態(tài)，在禁帶中產(chǎn)生附加的雜質(zhì)能級(jí)。例如四價(jià)元素鍺或硅晶體中摻入五價(jià)元素磷、砷、銻等雜質(zhì)原子時(shí)，雜質(zhì)原子作為晶格的一分子，其五個(gè)價(jià)電子中有四個(gè)與周邊的鍺（或硅）原子形成共價(jià)結(jié)合，多出的一種電子被束縛于雜質(zhì)原子附近，產(chǎn)生類氫能級(jí)。雜質(zhì)能級(jí)位于禁帶上方靠近導(dǎo)帶底附近。雜質(zhì)能級(jí)上的電子很易激發(fā)到導(dǎo)帶成為電子載流子。這種能提供電子載流子的雜質(zhì)稱為施主，對(duì)應(yīng)能級(jí)稱為施主能級(jí)。施主能級(jí)上的電子躍遷到導(dǎo)帶所需能量比從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶所需能量小得多。在鍺或硅晶體中摻入微量三價(jià)元素硼、鋁、鎵等雜質(zhì)原子時(shí)，雜質(zhì)原子與周邊四個(gè)鍺（或硅）原子形成共價(jià)結(jié)合潮流缺少一種電子，因而存在一種空位，與此空位對(duì)應(yīng)的能量狀態(tài)就是雜質(zhì)能級(jí)，普通位于禁帶下方靠近價(jià)帶處。價(jià)帶中的電子很易激發(fā)到雜質(zhì)能級(jí)上彌補(bǔ)這個(gè)空位，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。價(jià)帶中由于缺少一種電子而形成一種空穴載流子。這種能提供空穴的雜質(zhì)稱為受主雜質(zhì)。存在受主雜質(zhì)時(shí)，在價(jià)帶中形成一種空穴載流子所需能量比本征半導(dǎo)體情形要小得多。半導(dǎo)體摻雜后其電阻率大大下降。加熱或光照產(chǎn)生的熱激發(fā)或光激發(fā)都會(huì)使自由載流子數(shù)增加而造成電阻率減小，半導(dǎo)體熱敏電阻和光敏電阻就是根據(jù)此原理制成的。對(duì)摻入施主雜質(zhì)的半導(dǎo)體，導(dǎo)電載流子重要是導(dǎo)帶中的電子，屬電子型導(dǎo)電，稱N型半導(dǎo)體。摻入受主雜質(zhì)的半導(dǎo)體屬空穴型導(dǎo)電，稱P型半導(dǎo)體。半導(dǎo)體在任何溫度下都能產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，故N型半導(dǎo)體中可存在少量導(dǎo)電空穴，P型半導(dǎo)體中可存在少量導(dǎo)電電子，它們均稱為少數(shù)載流子。在半導(dǎo)體器件的多個(gè)效應(yīng)中，少數(shù)載流子常扮演重要角色。2、摻雜物：哪種材料適合作為某種半導(dǎo)體材料的摻雜物（dopant）需視兩者的原子特性而定。普通而言，摻雜物根據(jù)其帶給被摻雜材料的電荷正負(fù)被分辨為施主（donor）與受主（acceptor）。施主原子帶來的價(jià)電子（valenceelectrons）大多會(huì)與被摻雜的材料原子產(chǎn)生共價(jià)鍵，進(jìn)而被束縛。而沒有和被摻雜材料原子產(chǎn)生共價(jià)鍵的電子則會(huì)被施主原子微弱地束縛住，這個(gè)電子又稱為施主電子。和本質(zhì)半導(dǎo)體的價(jià)電子比起來，施主電子躍遷至傳導(dǎo)帶所需的能量較低，比較容易在半導(dǎo)體材料的晶格中移動(dòng)，產(chǎn)生電流。即使施主電子獲得能量會(huì)躍遷至傳導(dǎo)帶，但并不會(huì)和本質(zhì)半導(dǎo)體同樣留下一種電洞，施主原子在失去了電子后只會(huì)固定在半導(dǎo)體材料的晶格中。因此這種由于摻雜而獲得多出電子提供傳導(dǎo)的半導(dǎo)體稱為n型半導(dǎo)體（n-typesemiconductor），n代表帶負(fù)電荷的電子。和施主相對(duì)的，受主原子進(jìn)入半導(dǎo)體晶格后，由于其價(jià)電子數(shù)目比半導(dǎo)體原子的價(jià)電子數(shù)量少，等效上會(huì)帶來一種的空位，這個(gè)多出的空位即可視為電洞。受主摻雜后的半導(dǎo)體稱為p型半導(dǎo)體（p-typesemiconductor），p代表帶正電荷的電洞。以一種硅的本質(zhì)半導(dǎo)體來闡明摻雜的影響。硅有四個(gè)價(jià)電子，慣用于硅的摻雜物有三價(jià)與五價(jià)的元素。當(dāng)只有三個(gè)價(jià)電子的三價(jià)元素如硼（boron）摻雜至硅半導(dǎo)體中時(shí)，硼扮演的即是受主的角色，摻雜了硼的硅半導(dǎo)體就是p型半導(dǎo)體。反過來說，如果五價(jià)元素如磷（phosphorus）摻雜至硅半導(dǎo)體時(shí)，磷扮演施主的角色，摻雜磷的硅半導(dǎo)體成為n型半導(dǎo)體。一種半導(dǎo)體材料有可能先后摻雜施主與受主，而如何決定另外質(zhì)半導(dǎo)體為n型或p型必須視摻雜后的半導(dǎo)體中，受主帶來的電洞濃度較高或是施主帶來的電子濃度較高，亦即何者為另外質(zhì)半導(dǎo)體的“多數(shù)載子”（majoritycarrier）。和多數(shù)載子相對(duì)的是少數(shù)載子（minoritycarrier）。對(duì)于半導(dǎo)體元件的操作原理分析而言，少數(shù)載子在半導(dǎo)體中的行為有著非常重要的地位。摻雜對(duì)構(gòu)造的影響：摻雜之后的半導(dǎo)體能帶會(huì)有所變化。根據(jù)摻雜物的不同，本質(zhì)半導(dǎo)體的能隙之間會(huì)出現(xiàn)不同的能階。施主原子會(huì)在靠近傳導(dǎo)帶的地方產(chǎn)生一種新的能階，而受主原子則是在靠近價(jià)帶的地方產(chǎn)生新的能階。假設(shè)摻雜硼原子進(jìn)入硅，則由于硼的能階到硅的價(jià)帶之間僅有0.045電子伏特，遠(yuǎn)不大于硅本身的能隙1.12電子伏特，因此在室溫下就能夠使摻雜到硅里的硼原子完全解離化（ionize）。摻雜物對(duì)于能帶構(gòu)造的另一種重大影響是變化了費(fèi)米能階的位置。在熱平衡的狀態(tài)下費(fèi)米能階仍然會(huì)保持定值，這個(gè)特性會(huì)引出諸多其它有用的電特性。舉例來說，一種p-n接面（p-njunction）的能帶會(huì)彎折，起因是原本p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體的費(fèi)米能階位置各不相似，但是形成p-n接面后其費(fèi)米能階必須保持在同樣的高度，造成無論是p型或是n型半導(dǎo)體的傳導(dǎo)帶或價(jià)帶都會(huì)被彎曲以配合接面處的能帶差別。上述的效應(yīng)能夠用能帶圖（banddiagram）來解釋，。在能帶圖里橫軸代表位置，縱軸則是能量。圖中也有費(fèi)米能階，半導(dǎo)體的本質(zhì)費(fèi)米能階（intrinsicFermilevel）普通以Ei來表達(dá)。在解釋半導(dǎo)體元件的行為時(shí)，能帶圖是非常有用的工具。半導(dǎo)體材料的制造：為了滿足量產(chǎn)上的需求，半導(dǎo)體的電性必須是可預(yù)測(cè)并且穩(wěn)定的，因此涉及摻雜物的純度以及半導(dǎo)體晶格構(gòu)造的品質(zhì)都必須嚴(yán)格規(guī)定。常見的品質(zhì)問題涉及晶格的錯(cuò)位（dislocation）、雙晶面（twins），或是堆棧錯(cuò)誤（stackingfault）都會(huì)影響半導(dǎo)體材料的特性。對(duì)于一種半導(dǎo)體元件而言，材料晶格的缺點(diǎn)普通是影響元件性能的主因?，F(xiàn)在用來成長(zhǎng)高純度單晶半導(dǎo)體材料最常見的辦法稱為裘可拉斯基制程（Czochralskiprocess）。這種制程將一種單晶的晶種（seed）放入溶解的同材質(zhì)液體中，再以旋轉(zhuǎn)的方式緩緩向上拉起。在晶種被拉起時(shí)，溶質(zhì)將會(huì)沿著固體和液體的接口固化，而旋轉(zhuǎn)則可讓溶質(zhì)的溫度均勻。王占國(guó)指出中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)需求強(qiáng)勁，市場(chǎng)規(guī)模的增速遠(yuǎn)高于全球平均水平。但是，產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大和市場(chǎng)的繁華并不表明國(guó)內(nèi)公司分得的份額更大。相反，中國(guó)的半導(dǎo)體市場(chǎng)正日益成為外資公司的樂土。朱黎輝說基于市場(chǎng)需求和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移，我們判斷半導(dǎo)體行業(yè)在國(guó)內(nèi)有很大的增加潛力。之因此這樣說，重要是基于國(guó)家政策的支持，中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)離不開國(guó)家政策的支持。市場(chǎng)需求巨大。計(jì)算機(jī)、通訊、消費(fèi)類電子產(chǎn)品的需求帶動(dòng)半導(dǎo)體的需求。國(guó)際產(chǎn)能轉(zhuǎn)移，芯片制造的封裝測(cè)試的產(chǎn)能轉(zhuǎn)移比較明顯，國(guó)際大工廠紛紛在國(guó)內(nèi)設(shè)立工廠，或者把生產(chǎn)線交給國(guó)內(nèi)公司制造。王占國(guó)說我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，產(chǎn)業(yè)逐步完善。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)通過長(zhǎng)久發(fā)展，已經(jīng)建立起基本的產(chǎn)業(yè)構(gòu)造。近幾年的加速發(fā)展縮短了與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的差距。美國(guó)是半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)源地，但20世紀(jì)80年代美國(guó)作為半導(dǎo)體的重要生產(chǎn)在全球的地位大幅度下降。為了應(yīng)對(duì)這種狀況，美國(guó)政府以巨大的國(guó)防支出來資助半導(dǎo)體業(yè)的研發(fā)。技術(shù)是半導(dǎo)體行業(yè)的立足之本，這個(gè)行業(yè)的技術(shù)更新速度快速。國(guó)內(nèi)外半導(dǎo)體公司的展面臨強(qiáng)大的壓力，生存環(huán)境堪憂。某些學(xué)者在分析、總結(jié)的基礎(chǔ)上提出了某些建議。中國(guó)應(yīng)采用更加優(yōu)惠的政策、形成良好的投資環(huán)境吸引更多的資金流入到中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。凌玲說在短期內(nèi)，能夠借鑒走引進(jìn)、消化、吸取、趕超的路子，重點(diǎn)發(fā)展市場(chǎng)需求大的半導(dǎo)體合用技術(shù)和產(chǎn)品，通過技術(shù)改造、資本積累和市場(chǎng)開拓的互動(dòng)實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)水平的滾動(dòng)發(fā)展。王彥指出中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與突破，人才是核心因素?，F(xiàn)在我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)最缺少的就是人才，既涉及技術(shù)人員，也涉及半導(dǎo)體公司有經(jīng)驗(yàn)的中高階層主管。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)會(huì)在優(yōu)惠政策及便利的條件下朝著更快、更前的方向發(fā)展。四、本文研究目的及重要內(nèi)容

InSb

是一種含有閃鋅礦構(gòu)造的半導(dǎo)體材料，還材料含有較窄的禁寬度和較高的電子遷移率，被廣泛應(yīng)用于光電原件、磁阻元件及晶體管結(jié)之中。光纖放