半导体材料的应用

半导体材料的应用

学院：物理学院

学号：2013012856

姓名：艾尼瓦尔江·吐尔逊导师: 李兴华

半导体材料的应用

1. 介绍

半导体材料是是一类具有半导体性能（导电能力介于导体与绝缘体之间，电阻率约在1mΩ·cm～1GΩ·cm范围内）、可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。反映半导体内在基本性质的却是各种外界因素如光、热、磁、电等作用于半导体而引起的物理效应和现象，这些可统称为半导体材料的半导体性质。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。

新型有机半导体材料，其结构稳定，拥有卓越的电学特性，而且成本低廉，可被用于制造现代电子设备中广泛使用的场效应晶体管。有机半导体是一种塑料材料，其拥有的特殊结构让其具有导电性。

2.半导体材料的地位

上世纪中叶，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，导致了革命；上世纪70年代初石英光导纤维材料和GaAs激光器的发明，促进了光纤通信技术迅速发展并逐步形成了高新技术产业，使人类进入了信息。超晶格概念的提出及其半导体超晶格、量子阱材料的研制成功，彻底改变了光电器件的设计思想，使半导体器件的设计与制造从“杂质工程”发展到“能带工程”。纳米技术的发展和应用，将使人类能从原子、分子或纳米尺度水平上控制、操纵和制造功能强大的新型器件与电路，必将深刻影响世界的、格局和军事对抗的形式，彻底改变人们的生活方式。

3.发展历程

第一代半导体是“元素半导体”，典型如硅基和锗基半导体。其中以硅基半导体技术较成熟，应用也较广，一般用硅基半导体来代替元素半导体的名称。硅基半导体器件的频率只能做到10GHz。

第二代半导体材料是化合物半导体。化合物半导体是以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）和氮化镓(GaN)等为代表，其中以砷化镓技术较成熟，应用也较广。化合物半导体不同於硅半导体的性质主要有二: 一是化合物半导体的电子迁移率较硅半导体快许多，因此适用于高频传输，在无线电通讯如手机、基地台、无线区域网络、卫星通讯、卫星定位等皆有应用；二是化合物半导体具有直接带隙，这是和硅半导体所不同的，因此化合物半导体可适用发光领域。目前化合物半导体器件工作频率已经达到100GHz。

当前化合物半导体产业的发展主要体现在半导体照明技术、汽车光电子市场、新一代光纤通信技术、军用光电子等。

4.半导体材料的产业现状

1.多晶硅

多晶硅是制备单晶硅和太阳能电池的原料，主要生产方法为改良西门子法。全球多晶硅市场供大于求，随着半导体市场的恢复和太阳能用多晶硅的增长，多晶硅供需将逐步平衡。我国多晶硅严重短缺。我国多晶硅工业起步于50年代，60年代实现工业化生产。由于技术水平低、生产规模太小、环境污染严重、生产成本高，目前只剩下峨嵋半导体材料厂和洛阳单晶硅厂2个厂家生产多晶硅。2001年生产量为80t[7]，仅占世界产量的0.4%，与当今信息产业的高速发展和多晶硅的市场需求急剧增加极不协调。我国这种多晶硅供不应求的局面还将持续下去。

2.单晶硅

生产单晶硅的工艺主要采用直拉法(CZ)、磁场直拉法(MCZ)、区熔法(FZ)以及双坩锅拉晶法。硅晶片属于资金密集型和技术密集型行业，在国际市场上产业相对成熟，市场进入平稳发展期。集成电路高集成度、微型化和低成本的要求对半导体单晶材料的电阻率均匀性、金属杂质含量、微缺陷、晶片平整度、表面洁净度等提出了更加苛刻的要求，晶片大尺寸和高质量成为必然趋势。

我国单晶硅技术及产业与国外差距很大，国内供给明显不足，基本依赖进口，我国硅晶片的技术差距和结构不合理可见一斑。在现有形势和优势面前发展我国的硅单晶和IC技术面临着巨大的机遇和挑战。

3.砷化镓材料

用于大量生产砷化镓晶体的方法是传统的LEC法(液封直拉法)和HB法(水平舟生产法)。移动电话用电子器件和光电器件市场快速增长的要求，使全球砷化镓晶片市场以30%的年增长率迅速形成数十亿美元的大市场，预计未来20年砷化镓市场都具有高增长性。

虽然我国是砷和镓的资源大国，但仅能生产品位较低的砷、镓材料(6N以下纯度)，主要用于生产光电子器件。集成电路用砷化镓材料的砷和镓原料要求达7N，基本靠进口解决。我国应重视具有独立知识产权的技术和产品开发，发展我国的砷化镓产业。

4.氮化镓材料

GaN半导体材料的商业应用研究始于1970年，其在高频和高温条件下能够激发蓝光的特性一开始就吸引了半导体开发人员的极大兴趣。但GaN的生长技术和器件制造工艺直到近几年才取得了商业应用的实质进步和突破。由于GaN半导体器件在光电子器件和光子器件领域广阔的应用前景，其广泛应用预示着光电信息乃至光子信息时代的来临。

因GaN材料尚处于产业初期，我国与世界先进水平差距相对较小。中科院半导体所自主开发的GaN激光器2英寸外延片生产设备，打破了国外关键设备部件的封锁。我国应对大尺寸GaN生长技术、器件及设备继续研究，争取在GaN等第三代半导体产业中占据一定市场份额和地位。

5.半导体材料的应用

随着电子学向光电子学、光子学迈进，微电子材料在未来5～10年仍是最基本的信息材料。电子、光电子功能单晶将向着大尺寸、高均匀性、晶格高完整性以及元器件向薄膜化、多功能化、片式化、超高集成度和低能耗方向发展。半导体微电子材料由单片集成向系统集成发展。

微电子技术发展的主要途径是通过不断缩小器件的特征尺寸，增加芯片面积以提高集成度和信息处理速度，由单片集成向系统集成发展。

半导体材料在微波器件上用于场效应管、体效应晶体管、硅雪崩二极管、电调变容二极管等。在电生耦合器上用于GaAs声电耦合，利用压电声波和漂移载流子之间的相互作用，当漂移载流子的饱和速度大于声学波时，就可以通过压电效应使声学波放大。在传感器上利用某种变换功能，将被测物理量变换为可测定量的器件。

6. 结语

本世纪以来，以数字化通信、数字化交换、数字化处理技术为主的数字化生活正在向我们招手，一步步地向我们走来——清晨，MP3音箱播放出悦耳的晨曲，催我们按时起床；上班途中，打开随身携带的笔记本电脑，进行新一天的工作安排；上班以后，通过互联网召开网络会议、开展远程教学和实时办公；在下班之前，我们远程启动家里的空调和湿度调节器，保证家中室温适宜；下班途中，打开手机，悠然自在观看精彩的影视节目；进家门前，我们