半導體研究文獻綜述

1、半導體研究文獻綜述第 11 頁 共 12 頁半導體研究文獻綜述學 院：材料科學與工程學院專 業(yè)：材料化學班 級：材料122姓 名：劉田防學 號：2012141009 半導體材料的研究綜述文獻綜述摘要：半導體材料的價值在于它的光學、電學特性可充分應用與器件。隨著社會的進步和現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，半導體材料越來越多的與現(xiàn)代高科技相結合，其產品更好的服務于人類改變著人類的生活及生產。文章從半導體材料基本概念的界定、半導體材料產業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀、半導體材料未來發(fā)展趨勢等方面對我國近十年針對此問題的研究進行了綜述，希望能引起全社會的關注和重視。關鍵詞：半導體材料，研究，綜述一、該領域的研究意義物質存在的形式多

2、種多樣，固體、液體、氣體、等離子體等等。我們通常把導電性差的材料，如煤、人工晶體、琥珀、陶瓷等稱為絕緣體。而把導電性比較好的金屬如金、銀、銅、鐵、錫、鋁等稱為導體?？梢院唵蔚陌呀橛趯w和絕緣體之間的材料稱為半導體。與導體和絕緣體相比，半導體材料的發(fā)現(xiàn)是最晚的，直到20世紀30年代，當材料的提純技術改進以后，半導體的存在才真正被學術界認可。本征半導體：不含雜質且無晶格缺陷的半導體稱為本征半導體。在極低溫度下，半導體的價帶是滿帶（見能帶理論），受到熱激發(fā)后，價帶中的部分電子會越過禁帶進入能量較高的空帶，空帶中存在電子后成為導帶，價帶中缺少一個電子后形成一個帶正電的空位，稱為空穴。導帶中的電子和價帶

3、中的空穴合稱電子- 空穴對，空穴導電并不是電子運動，但是它的運動可以將其等效為載流子?？昭▽щ姇r等電量的電子會沿其反方向運動。它們在外電場作用下產生定向運動而形成宏觀電流，分別稱為電子導電和空穴導電。這種由于電子-空穴對的產生而形成的混合型導電稱為本征導電。導帶中的電子會落入空穴，電子-空穴對消失，稱為復合。復合時釋放出的能量變成電磁輻射（發(fā)光）或晶格的熱振動能量（發(fā)熱）。在一定溫度下，電子- 空穴對的產生和復合同時存在并達到動態(tài)平衡，此時半導體具有一定的載流子密度，從而具有一定的電阻率。溫度升高時，將產生更多的電子- 空穴對，載流子密度增加，電阻率減小。無晶格缺陷的純凈半導體的電阻率較大，實

4、際應用不多。 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”。徹底改變人們的生活方式。在此筆者主要針對半導體材料產業(yè)的發(fā)展、半導體材料的未來發(fā)展趨勢等進行綜述，希望引起社會的關注，并提出了切實可行的建議。二、該領域的研究背景和發(fā)展脈絡半導體材料很多，按化學成分可分為元素半導體和化合物半

5、導體兩大類。鍺和硅是最常用的元素半導體；化合物半導體包括第和第族化合物（砷化鎵、磷化鎵等）、第和第族化合物（ 硫化鎘、硫化鋅等）、氧化物（錳、鉻、鐵、銅的氧化物）,以及由-族化合物和-族化合物組成的固溶體（鎵鋁砷、鎵砷磷等）。除上述晶態(tài)半導體外，還有非晶態(tài)的玻璃半導體、有機半導體等。半導體的分類，按照其制造技術可以分為：集成電路器件，分立器件、光電半導體、邏輯IC、模擬IC、儲存器等大類，一般來說這些還會被分成小類。此外還有以應用領域、設計方法等進行分類，雖然不常用，但還是按照IC、LSI、VLSI（超大LSI）及其規(guī)模進行分類的方法。此外，還有按照其所處理的信號，可以分成模擬、數(shù)字、模擬數(shù)字

6、混成及功能進行分類的方法。1833年，英國科學家電子學之父法拉第最先發(fā)現(xiàn)硫化銀的電阻隨著溫度的變化情況不同于一般金屬，一般情況下，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降低。這是半導體現(xiàn)象的首次發(fā)現(xiàn)。不久，1839年法國的貝克萊爾發(fā)現(xiàn)半導體和電解質接觸形成的結，在光照下會產生一個電壓，這就是后來人們熟知的光生伏特效應，這是被發(fā)現(xiàn)的半導體的第二個特征。1873年，英國的史密斯發(fā)現(xiàn)硒晶體材料在光照下電導增加的光電導效應，這是半導體又一個特有的性質。半導體的這四個效應，(jianxia霍爾效應的余績四個伴生效應的發(fā)現(xiàn))雖在1880年以前就先后被發(fā)現(xiàn)了，但半導體這個

7、名詞大概到1911年才被考尼白格和維斯首次使用。而總結出半導體的這四個特性 一直到1947年12月才由貝爾實驗室完成。在1874年，德國的布勞恩觀察到某些硫化物的電導與所加電場的方向有關，即它的導電有方向性，在它兩端加一個正向電壓，它是導通的；如果把電壓極性反過來，它就不導電，這就是半導體的整流效應，也是半導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。陳良惠指出自然界的物質、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10-310-9歐·厘米范圍。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

8、特征的材料都可歸入半導體材料的范圍。半導體材料（semiconductormaterial）是導電能力介于導體與絕緣體之間的物質。半導體材料是一類具有半導體性能、可用來制作半導體器件和集成電的電子材料，其電導率在10（U-3）10（U-9）歐姆/厘米范圍內。隨著社會的進步以及科學技術的發(fā)展，對于半導體材料的界定會越來越精確。三、目前研究存在的主要問題及研究展望1、雜質：半導體中的雜質對電阻率的影響非常大。半導體中摻入微量雜質時，雜質原子附近的周期勢場受到干擾并形成附加的束縛狀態(tài)，在禁帶中產生附加的雜質能級。例如四價元素鍺或硅晶體中摻入五價元素磷、砷、銻等雜質原子時，雜質原子作為晶格的一分子，其

9、五個價電子中有四個與周圍的鍺（或硅）原子形成共價結合，多余的一個電子被束縛于雜質原子附近，產生類氫能級。雜質能級位于禁帶上方靠近導帶底附近。雜質能級上的電子很易激發(fā)到導帶成為電子載流子。這種能提供電子載流子的雜質稱為施主，相應能級稱為施主能級。施主能級上的電子躍遷到導帶所需能量比從價帶激發(fā)到導帶所需能量小得多。在鍺或硅晶體中摻入微量三價元素硼、鋁、鎵等雜質原子時，雜質原子與周圍四個鍺（或硅）原子形成共價結合時尚缺少一個電子，因而存在一個空位，與此空位相應的能量狀態(tài)就是雜質能級，通常位于禁帶下方靠近價帶處。價帶中的電子很易激發(fā)到雜質能級上填補這個空位，使雜質原子成為負離子。價帶中由于缺少一個電子

10、而形成一個空穴載流子。這種能提供空穴的雜質稱為受主雜質。存在受主雜質時，在價帶中形成一個空穴載流子所需能量比本征半導體情形要小得多。半導體摻雜后其電阻率大大下降。加熱或光照產生的熱激發(fā)或光激發(fā)都會使自由載流子數(shù)增加而導致電阻率減小，半導體熱敏電阻和光敏電阻就是根據(jù)此原理制成的。對摻入施主雜質的半導體，導電載流子主要是導帶中的電子，屬電子型導電，稱N型半導體。摻入受主雜質的半導體屬空穴型導電，稱P型半導體。半導體在任何溫度下都能產生電子-空穴對，故N型半導體中可存在少量導電空穴，P型半導體中可存在少量導電電子，它們均稱為少數(shù)載流子。在半導體器件的各種效應中，少數(shù)載流子常扮演重要角色。2、摻雜物：

11、哪種材料適合作為某種半導體材料的摻雜物（dopant）需視兩者的原子特性而定。一般而言，摻雜物依照其帶給被摻雜材料的電荷正負被區(qū)分為施主（donor）與受主（acceptor）。施主原子帶來的價電子（valence electrons）大多會與被摻雜的材料原子產生共價鍵，進而被束縛。而沒有和被摻雜材料原子產生共價鍵的電子則會被施主原子微弱地束縛住，這個電子又稱為施主電子。和本質半導體的價電子比起來，施主電子躍遷至傳導帶所需的能量較低，比較容易在半導體材料的晶格中移動，產生電流。雖然施主電子獲得能量會躍遷至傳導帶，但并不會和本質半導體一樣留下一個電洞，施主原子在失去了電子后只會固定在半導體材料的

12、晶格中。因此這種因為摻雜而獲得多余電子提供傳導的半導體稱為n型半導體（n-type semiconductor），n代表帶負電荷的電子。和施主相對的，受主原子進入半導體晶格后，因為其價電子數(shù)目比半導體原子的價電子數(shù)量少，等效上會帶來一個的空位，這個多出的空位即可視為電洞。受主摻雜后的半導體稱為p型半導體（p-type semiconductor），p代表帶正電荷的電洞。以一個硅的本質半導體來說明摻雜的影響。硅有四個價電子，常用于硅的摻雜物有三價與五價的元素。當只有三個價電子的三價元素如硼（boron）摻雜至硅半導體中時，硼扮演的即是受主的角色，摻雜了硼的硅半導體就是p型半導體。反過來說，如果五

13、價元素如磷（phosphorus）摻雜至硅半導體時，磷扮演施主的角色，摻雜磷的硅半導體成為n型半導體。一個半導體材料有可能先后摻雜施主與受主，而如何決定此外質半導體為n型或p型必須視摻雜后的半導體中，受主帶來的電洞濃度較高或是施主帶來的電子濃度較高，亦即何者為此外質半導體的“多數(shù)載子”（majority carrier）。和多數(shù)載子相對的是少數(shù)載子（minority carrier）。對于半導體元件的操作原理分析而言，少數(shù)載子在半導體中的行為有著非常重要的地位。摻雜對結構的影響：摻雜之后的半導體能帶會有所改變。依照摻雜物的不同，本質半導體的能隙之間會出現(xiàn)不同的能階。施主原子會在靠近傳導帶的地方

14、產生一個新的能階，而受主原子則是在靠近價帶的地方產生新的能階。假設摻雜硼原子進入硅，則因為硼的能階到硅的價帶之間僅有0.045電子伏特，遠小于硅本身的能隙1.12電子伏特，所以在室溫下就可以使摻雜到硅里的硼原子完全解離化（ionize）。摻雜物對于能帶結構的另一個重大影響是改變了費米能階的位置。在熱平衡的狀態(tài)下費米能階依然會保持定值，這個特性會引出很多其他有用的電特性。舉例來說，一個p-n接面（p-n junction）的能帶會彎折，起因是原本p型半導體和n型半導體的費米能階位置各不相同，但是形成p-n接面后其費米能階必須保持在同樣的高度，造成無論是p型或是n型半導體的傳導帶或價帶都會被彎曲以

15、配合接面處的能帶差異。上述的效應可以用能帶圖（band diagram）來解釋，。在能帶圖里橫軸代表位置，縱軸則是能量。圖中也有費米能階，半導體的本質費米能階（intrinsic Fermi level）通常以Ei來表示。在解釋半導體元件的行為時，能帶圖是非常有用的工具。半導體材料的制造：為了滿足量產上的需求，半導體的電性必須是可預測并且穩(wěn)定的，因此包括摻雜物的純度以及半導體晶格結構的品質都必須嚴格要求。常見的品質問題包括晶格的錯位（dislocation）、雙晶面（twins），或是堆棧錯誤（stacking fault）都會影響半導體材料的特性。對于一個半導體元件而言，材料晶格的缺陷通常是

16、影響元件性能的主因。目前用來成長高純度單晶半導體材料最常見的方法稱為裘可拉斯基制程（Czochralski process）。這種制程將一個單晶的晶種（seed）放入溶解的同材質液體中，再以旋轉的方式緩緩向上拉起。在晶種被拉起時，溶質將會沿著固體和液體的接口固化，而旋轉則可讓溶質的溫度均勻。 王占國指出中國半導體產業(yè)市場需求強勁，市場規(guī)模的增速遠高于全球平均水平。不過，產業(yè)規(guī)模的擴大和市場的繁榮并不表明國內企業(yè)分得的份額更大。相反，中國的半導體市場正日益成為外資公司的樂土。朱黎輝說基于市場需求和產業(yè)轉移，我們判斷半導體行業(yè)在國內有很大的增長潛力。之所以這樣說，主要是基于國家政策的支持，中國半導

17、體產業(yè)離不開國家政策的支持。市場需求巨大。計算機、通訊、消費類電子產品的需求帶動半導體的需求。國際產能轉移，芯片制造的封裝測試的產能轉移比較明顯，國際大工廠紛紛在國內設立工廠，或者把生產線交給國內公司制造。王占國說我國半導體產業(yè)快速發(fā)展，產業(yè)逐步完善。半導體產業(yè)經過長期發(fā)展，已經建立起基本的產業(yè)結構。近幾年的加速發(fā)展縮短了與國外先進技術的差距。美國是半導體技術的發(fā)源地，但20世紀80年代美國作為半導體的主要生產在全球的地位大幅度下降。為了應對這種狀況，美國政府以巨大的國防支出來資助半導體業(yè)的研發(fā)。技術是半導體行業(yè)的立足之本，這個行業(yè)的技術更新速度迅速。國內外半導體公司的展面臨強大的壓力，生存環(huán)

18、境堪憂。一些學者在分析、總結的基礎上提出了一些建議。中國應采取更加優(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半導體產業(yè)。凌玲說在短期內，可以借鑒走引進、消化、吸收、趕超的路子，重點發(fā)展市場需求大的半導體適用技術和產品，通過技術改造、資本積累和市場開拓的互動實現(xiàn)半導體產業(yè)水平的滾動發(fā)展。王彥指出中國半導體產業(yè)的發(fā)展與突破，人才是關鍵因素。目前我國半導體產業(yè)最缺乏的就是人才，既包括技術人員，也包括半導體企業(yè)有經驗的中高階層主管。半導體產業(yè)會在優(yōu)惠政策及便利的條件下朝著更快、更前的方向發(fā)展。四、本文研究目的及主要內容  InSb 是一種具有閃鋅礦結構的半導體材料，還材料具有較窄的禁寬度和較高的電子遷移率，被廣泛應用于光電原件、磁阻元件及晶體管結之中。光纖放大器是光纖通信發(fā)展史上的一個重要里程碑，它能夠延長通信系統(tǒng)距離、擴大用戶分配間的覆蓋范圍。而浙適波耦合半導體量子點光纖放大