半导体材料的应用及发展探析

半导体材料的特性分类及应用发展

任聪

（武汉大学计算机学院计算机科学与技术2009301500133）

摘要：二十一世纪，半导体材料及其应用已经成为衡量一个国家经济发展，科技进步和国防实力的重要标志，半导体产品广泛用于生活生产之中。本文对半导体材料的特性性能，分类应用，制备方法和发展方向作出简要解析。

关键词：半导体材料硅材料半导体半导体特性制备方法低维半导体材料化合物半导体材料

引言：20世纪中叶，单晶硅和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研制成功，

导致了电子工业革命；70年代光纤通讯技术迅速发展并逐步形成高新技术产业，是人类进入信息时代；超晶格概念的提出及其半导体超晶格，量子阱材料的诞生，改变了光电器件的发展，纳米技术的发展与运用使得半导体进入纳米时代。然而半导体材料的价值仍在于它的光学，电学及其他各种特性，自硅出现在很长时间内，硅仍将是大规模集成电路的主要材料，如在军事领域中应用的抗辐射硅单体（NTD）,高效太阳能电池用硅单体，红外CCD器件用硅单体的等。

随着半导体技术的发展和半导体材料的研究，微电子技术朝着高密度，高可靠性方向发展，各种各样新的半导体材料出现，而 GaAs和InP基材料等还是化合物半导体及器件的主要支柱材料。与此同时以硅材料为核心的当代微电子技术趋向于纳米级，到达这一尺寸后，一些列来自期间工作原理和工艺技术本身的物理限制以及制造成本大幅度提高等将成为难以克服的问题，为满足人类社会不断增长的对更大信息量的需求，近年来新的半导体材料制备方法出现，新的制备方法的研究与发展极有可能触发当前国际前沿研究热点，从而引起新的技术革命。中国半导体材料经过40多年的研究与发展，已具备了相当的基础，特别是在改革开放后，中国的半导体材料和半导体技术获得明显发展，除满足国内需求外，一些材料已经进入国际市场，然而综观中国半导体产业链的全局，上端的设计，制造业较弱，尤其凸显的瓶颈部位式设计与材料设备业，但是可以相信整个发展大路上市顺利的，中国半导体材料应该掌握自主知识产权，系统技术的开发人才，规模化产业化生产，尽快在材料设备业发展。

1.半导体材料的概念与特性

当今，以半导体材料为芯片的各种产品已广泛进入人们的生活生产中，电视机，电子计算机，电子表等等，半导体材料为什么会拥有如此巨大的应用，我们需要从半导体材料的概念和特性开始了解。

半导体材料（semiconductormaterial）是导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。半导体材料是一类具有半导体性能、可用来制作半导体器件和集成电的电子材料，其电导率在10（U-3）～10（U-9）欧姆/厘米范围内。在某些情况下，半导体具有导电的性质。首先，一般的半导体材料的电导率随温度的升高迅速增大，各种热敏电阻的开发就是利用了这个特性；其次，杂质掺入对半导体的性质起着决定性的作用，他们可使半导体的特性多样化，使得PN结形成，进而制作各种二极管和三极管；再次，半导体的电学性质回因光照引起变化，光敏电阻随之诞生；一些半导体具有较强的温差效应，可以利用它制作半导体制冷剂等；化合物半导体还具有超高速，低功耗，多功能，抗辐射等特性，在智能化，光纤通信等领域具有广泛运用；半导体基片可以实现原器件集中制作在一个芯片上，于是产生了各种规模的集成电路，正是由于半导体材料的各种各样的特性使得半导体材料拥有多种多样的用途，在科技发展和人们的生活中起到十分重要的作用。

2.半导体材料的分类与制备

2.1半导体材料的分类

半导体材料可按化学组成来分，再将结构与性能比较特殊的非晶态与液态半导体单独列为一类。按照这样分类方法可将半导体材料分为元素半导体、无机化合物半导体、有机化合物半导体和非晶态与液态半导体。还包括固溶体半导体，超晶格半导体等，不同的分类方法有着不同的划分不同的半导体材料拥有着独自的特点，在他们使用的领域都起着重要的作用。

2.2半导体材料的几种制备技术

2.2.1分子束外延技术（MBE）

MBE技术实际上在超高真空条件下，对分支或原子数源和衬底温度加以精密控制的薄膜蒸发技术。MBE生长过程实际上是一个具有热力学和动力学同时并存，相互关联的系统。只有在由分子数源产生的分子束不受碰撞地直接喷射到受热的洁净衬底表面，在表面上迁徙，吸附或通过反射或脱附过程离开表面，而在衬底表面与气态分子之间建立一个准平衡区，是晶体生长过程接近于热力学平衡条件，即使每一个结合到晶格中的原子能选择到一个自由能最低的格点位置，才能生长出高质量的材料。

2.2.2金属有机化学汽相淀积技术（MOCVD）

MOCVD使用氢气将金属有机化合物蒸汽和气态非金属氢化物经过开关网络送入反应式加热的衬底上，通过热分解反应而最终在其上生长出外延层的技术。

2.2.3半导体微结构材料生长和精细加工相结合的制备技术

利用MBE 或MOCVD等技术首先生长半导体微结构材料如AlGaAs/GaAs2DEG材料等，进而结合高空间分辨电子束曝光直写，湿法或干法刻蚀和聚焦离子束注入隔离制备纳米量子线和量子点，即常说的所谓自上而下的制备技术。

2.2.4应变自组装纳米量子点线结构生长技术

应变自组装纳米量子点线结构材料的制备是利用SK生长模式，它主要用于描述具有较大晶格失调而界面能较小的一支结构材料生长行为。

3．半导体材料的发展历程与应用

3.1半导体材料的一些研究前沿

近年来，基于低维半导体结构材料（即半导体量子结构材料）的量子力学效应（如量子尺寸效应，量子隧穿，量子干涉，库伦阻塞和非线性光学效应等）的纳米电子学，光电子学，量子计算和量子通信以及光计算，生物计算等。低维半导体包括二维晶格，量子阱材料，一维量子线和零维量子点材料。

3.2半导体材料的简略发展历程

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。

3.3几种半导体材料的应用

3.3.1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，而且用半导体制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。

3.3.2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。

3.3.3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，太阳能电池薄膜晶体管等非晶体半导体器件。

3.3.4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。

参考文献：

[1]周立军半导体材料的发展及现状半导体情报第38卷第1期 2001年2月