關于半導體材料的探討

1、學科前沿講座論文 化工學院 過控08-2班 桂大強半導體材料的研究桂大強（中國礦業(yè)大學 化工學院 過控08-2班 06082908）【內(nèi)容摘要】半導體材料經(jīng)過不長的時間已經(jīng)發(fā)展成為與我們生活息息相關的產(chǎn)業(yè)，隨處可見，可見其重要性，普普及性。本文簡要的去解讀半導體材料的性質、用途、具體的半導體材料組成，以及其研究的現(xiàn)狀和意義、研究熱點難點和前景等。【關鍵字】 半導體材料 研究 應用一、淺談半導體材料自然界的物質、材料按導電能力大小可分為導體、半導體、和絕緣體三大類。半導體的電導率在1010歐厘米之間。在一般情況下，半導體電導率隨溫度的升高而增大，這與金屬導體恰好相反。 凡具有上述兩種特征的材料都

2、可歸入半導體材料的范圍。反映半導體內(nèi)在基本性質的卻是各種外界因素如光、熱、磁、電等作用于半導體而引起的物理效應和現(xiàn)象，這些可統(tǒng)稱為半導體材料的半導體性質。構成固態(tài)電子器件的基體材料絕大多數(shù)是半導體，正是這些半導體材料的各種半導體性質賦予各種不同類型半導體器件以不同的功能和特性。半導體的基本化學特征在于原子間存在飽和的共價鍵。作為共價鍵特征的典型是在晶格結構上表現(xiàn)為四面體結構,所以典型的半導體材料具有金剛石或閃鋅礦(ZnS)的結構。 由于地球的礦藏多半是化合物，所以最早得到利用的半導體材料都是化合物,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

3、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體，曾是固體整流器和光電池的重要材料。元素半導體鍺（Ge）放大作用的發(fā)現(xiàn)開辟了半導體歷史新的一頁，從此電子設備開始實現(xiàn)晶體管化。二、半導體材料的研究現(xiàn)狀和意義相對于半導體設備市場，半導體材料市場長期處于配角的位置，但隨著芯片出貨量增長，材料市場將保持持續(xù)增長，并開始擺脫浮華的設備市場所帶來的陰影。按銷售收入計算，日本保持最大半導體材料市場的地位。然而臺灣、ROW、韓國也開始崛起成為重要的市場，材料市場的崛起體現(xiàn)了器件制造業(yè)在這些地區(qū)的發(fā)展。晶圓制造材料市場和封裝材料市場雙雙獲得增長，未來增長將

4、趨于緩和，但增長勢頭仍將保持。 美國半導體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(SIA)預測，2008年半導體市場收入將接近2670億美元，連續(xù)第五年實現(xiàn)增長。無獨有偶，半導體材料市場也在相同時間內(nèi)連續(xù)改寫銷售收入和出貨量的記錄。晶圓制造材料和封裝材料均獲得了增長，預計今年這兩部分市場收入分別為268億美元和199億美元。 日本繼續(xù)保持在半導體材料市場中的領先地位，消耗量占總市場的22%。2004年臺灣地區(qū)超過了北美地區(qū)成為第二大半導體材料市場。北美地區(qū)落后于ROW(RestofWorld)和韓國排名第五。ROW包括新加坡、馬來西亞、泰國等東南亞國家和地區(qū)。許多新的晶圓廠在這些地區(qū)投資建設，而且每個地區(qū)都具有比北美更堅實

5、的封裝基礎。 芯片制造材料占半導體材料市場的60%，其中大部分來自硅晶圓。硅晶圓和光掩膜總和占晶圓制造材料的62%。2007年所有晶圓制造材料，除了濕化學試劑、光掩模和濺射靶，都獲得了強勁增長，使晶圓制造材料市場總體增長16%。2008年晶圓制造材料市場增長相對平緩，增幅為7%。預計2009年和2010年，增幅分別為9%和6%。 半導體材料市場發(fā)生的最重大的變化之一是封裝材料市場的崛起。1998年封裝材料市場占半導體材料市場的33%，而2008年該份額預計可增至43%。這種變化是由于球柵陣列、芯片級封裝和倒裝芯片封裝中越來越多地使用碾壓基底和先進聚合材料。隨著產(chǎn)品便攜性和功能性對封裝提出了更高

6、的要求，預計這些材料將在未來幾年內(nèi)獲得更為強勁的增長。此外，金價大幅上漲使引線鍵合部分在2007年獲得36%的增長。 與晶圓制造材料相似，半導體封裝材料在未來三年增速也將放緩，2009年和2010年增幅均為5%，分別達到209億美元和220億美元。除去金價因素，且碾壓襯底不計入統(tǒng)計，實際增長率為2%至3%。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；20世紀70年代初石英光導纖維材料和GaAs激光器的發(fā)明，促進了光纖通信技術迅速發(fā)展并逐步形成了高新技術產(chǎn)業(yè)，使人類進入了信息時代。超晶格概念的提出及其半導體超晶格、量子阱材料的研制成功，徹底改變了光電器件

7、的設計思想，使半導體器件的設計與制造從“雜質工程”發(fā)展到“能帶工程”。納米科學技術的發(fā)展和應用，將使人類能從原子、分子或納米尺度水平上控制、操縱和制造功能強大的新型器件與電路，深刻地影響著世界的政治、經(jīng)濟格局和軍事對抗的形式，徹底改變?nèi)藗兊纳罘绞?。三、半導體材料研究的熱點難點問題近年來,低維有機半導體材料的研究被人們廣泛的關注,特別是在發(fā)現(xiàn)了聚對苯乙炔(PPV)的電致發(fā)光現(xiàn)象以后。低維有機半導體材料中一些新的物理性質使人們不論在理論上還是在試驗上都面臨新的挑戰(zhàn)。隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展,使得制造出在有機半導體材料光電子器件已經(jīng)成為可能,由于有機半導體材料具有廣泛的應用前途,使之成為低維材料物理

8、中研究的熱點之一。碳化硅SiC、氮化鎵GaN和金剛石是典型的寬禁帶半導體材料?；谔蓟璨牧系墓β势骷?jīng)過了長時間研究，已經(jīng)具有較高的成熟度和可靠性。2004年，Cree公司成功研發(fā)微管密度低于10cm-2的高質量3英寸4H-SiC材料，并投放市場。2007年，該公司又推出了4英寸零微管密度的4H-SiC材料，可用于制作大尺寸的高功率器件。目前Cree公司、II-VI公司、Dow Corning公司和Nippon Steel已經(jīng)批量生產(chǎn)4英寸碳化硅晶圓。2010年業(yè)界發(fā)布了6英寸的碳化硅晶圓。150mm的晶圓毫無疑問會降低碳化硅器件制造成本，并且為4H-SiC功率器件的發(fā)展提供堅實基礎。實現(xiàn)低

9、導通電阻的方法是提高材料的臨界擊穿電場，也就是選擇寬禁帶的半導體材料。根據(jù)更符合實際應用，以及綜合考慮功率器件的導通損耗、開關損耗和芯片面積等因素的估算，碳化硅、氮化鎵和金剛石功率器件大大降低了損耗和器件面積，新型寬禁帶半導體材料將引發(fā)功率器件的巨大進步。同時，以碳化硅、氮化鎵和金剛石為代表的寬禁帶半導體材料具有較大的電子飽和速度，可以應用于射頻器件領域。碳化硅和金剛石具有較高的熱導率，適用于對需要耗散較大功率并且半導體芯片熱阻是系統(tǒng)熱阻一個重要組成部分的大功率應用領域。如今的半導體照明也雨后春筍般的涌現(xiàn)出來，但是也是遇到了許多的難點。例如單個LED功率低。為了獲得大功率，需要多個并聯(lián)使用，例

10、如汽車尾燈。單個大功率LED價格很貴。LED另外一個致命缺點，顯色指數(shù)低！在LED照射下顯示的顏色沒有白熾燈真實，這要從光譜分布上來分析，屬于技術問題。有光斑，由于白光LED本身制造工藝上缺陷加上與反射杯或透鏡的配合誤差，容易造成“黃圈”問題。四、半導體材料的研究前景半導體器件早己進入微米尺寸階段, 目前正在進入量予尺寸階段。微觀缺陷、雜質的不均勻分布和沉淀物以及雜質和缺陷的絡合物是改善半導體器件的主要障礙之一。半導體器件對半導體材料提出了很高的要求。由于半導體材料在當代信息革命卜的重要地位, 而且半導體材料工業(yè)是高產(chǎn)值的工業(yè)。由于在空間能夠獲得質量更加優(yōu)良的半導體材料, 而且可能成為未來的空

11、間產(chǎn)業(yè)的一部分,半導體材料在空間材料科學中占了很大比重。從材料研究的對象來講, 人們普遍把注意力轉向。砷化稼是目前用途最廣泛, 而且是研究得較成熟的化合物半導體材料。它是微波器件、高速器件、光電器件及其它的集成電路的基礎材料。在電子和光電子器件方面也很有前途。這兩種材料我們都進行了空間晶體的生長半導體設備市場現(xiàn)在仍呈現(xiàn)兩大熱點：一是太陽能電池設備。由于歐洲太陽能電池需求拉動作用，使國內(nèi)太陽能電池產(chǎn)業(yè)呈爆炸性增長，極大地促進了以生產(chǎn)太陽能電池片為主的半導體設備的增長，使其成為今年半導體設備的主要組成部分。第二依然是IC設備。集成電路的市場空前廣闊，為IC設備創(chuàng)造了巨大的市場機遇。2009 年中國

12、半導體市場為682億美元，較08年略微增長0.29%。相對于全球半導體市場的萎縮，中國市場的下滑要小的多。預計中國半導體市場2010年將增長17.45%,達到801億美元。2014年將達到1504億美元。五、結束語如今的科技進步的速度有時真的讓我們瞠目結舌，應接不暇。縱觀半導體材料的發(fā)展歷程，它遠沒有很深的歷史，離我們很近而又發(fā)展很快，如今的半導體遍布我們周圍，手機、電腦、手表等等。但是它的用途還遠沒有完全開發(fā)出來，此類的研究也在緊鑼密鼓的展開。人類沒有停滯在以往的成就而固步自封，曾經(jīng)的硅產(chǎn)業(yè)迎來了“硅谷”，但如今人類又已經(jīng)找到了可以提到硅的材料，石墨烯和輝鉬應運而生，不斷地更替。然而，我們可以做的就是好好學習已有的材料，深刻解析材料的優(yōu)點缺點，從來才能與時俱進，不斷地去創(chuàng)新和發(fā)展。參考文獻：【1】 葛生燕 劉輝 半導體材料的探析與運用 科技向導 2010年第5期（上）【2】 宣向春,王微揚. 半導體制冷器“無限級聯(lián)”溫差電對工作參數(shù)的理論分析. 制冷學報,2008 , (2) :3438【3】 葛曉宇 半導體的應用與發(fā)展研究 大眾商務 2009年6月【4】 王占國 半導體材料的新進展 半導體技術 第27卷第3期2009年8月【5】 溫凱 邵斌