半導體研究文獻綜述

1、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(yīng)用與器件。隨著社會的進步和現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，半導體材料越來越多的與現(xiàn)代高科技相結(jié)合，其產(chǎn)品更好的服務(wù)于人類改變著人類的生活及生產(chǎn)。文章從半導體材料基本概念的界定、半導體材料產(chǎn)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(guān)注和重視。關(guān)鍵詞：半導體材料，研究，綜述一、該領(lǐng)域的研究意義物質(zhì)存在的形式多種多樣，固體、液體、氣體、等離子體等等。我們

2、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(shù)改進以后，半導體的存在才真正被學術(shù)界認可。本征半導體：不含雜質(zhì)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中的空穴合稱電子- 空穴對，空穴導電并不是電

3、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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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，實際應(yīng)用不多。 20世紀中葉，單晶硅和半導體晶

4、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(shù)迅速發(fā)展并逐步形成了高新技術(shù)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的設(shè)計思想，使半導體器件的設(shè)計與制造從“雜質(zhì)工程”發(fā)展到“能帶工程”。徹底改變?nèi)藗兊纳罘绞?。在此筆者主要針對半導體材料產(chǎn)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(guān)注，并提出了切實可行的建議。二、該領(lǐng)域的研究背景和發(fā)展脈絡(luò)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導體兩大類。鍺和硅是最常用的元素半導體；化合

5、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(shù)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(yīng)用領(lǐng)域、設(shè)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)字混成及功能進行分類的方法。1833年，英國科

6、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(zhì)接觸形成的結(jié)，在光照下會產(chǎn)生一個電壓，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(yīng)，這是半導體又一個特有的性質(zhì)。半導體的這四個效應(yīng)，(jianxia霍爾效應(yīng)的余績四個伴生效應(yīng)的發(fā)現(xiàn))雖在1880年以前就先后被發(fā)現(xiàn)了，但半導體這個名詞大概到1911年才被考尼白格和維斯首次使

7、用。而總結(jié)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(guān)，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(yīng)，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(yīng)。陳良惠指出自然界的物質(zhì)、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。凡具有上述兩種特征的材料都可歸入半導體材料的范圍。半導體材

8、料（semiconductormaterial）是導電能力介于導體與絕緣體之間的物質(zhì)。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(nèi)。隨著社會的進步以及科學技術(shù)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(zhì)：半導體中的雜質(zhì)對電阻率的影響非常大。半導體中摻入微量雜質(zhì)時，雜質(zhì)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(chǎn)生附加的雜質(zhì)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(zhì)原子時，雜質(zhì)原子作為晶格的一分子，其五個價電子中有四個與周圍的鍺（或硅）原子形成

9、共價結(jié)合，多余的一個電子被束縛于雜質(zhì)原子附近，產(chǎn)生類氫能級。雜質(zhì)能級位于禁帶上方靠近導帶底附近。雜質(zhì)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(zhì)稱為施主，相應(yīng)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(zhì)原子時，雜質(zhì)原子與周圍四個鍺（或硅）原子形成共價結(jié)合時尚缺少一個電子，因而存在一個空位，與此空位相應(yīng)的能量狀態(tài)就是雜質(zhì)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(zhì)能級上填補這個空位，使雜質(zhì)原子成為負離子。價帶中由于缺少一個電子而形成一個空穴載流子。這種能提供空穴的雜質(zhì)稱

10、為受主雜質(zhì)。存在受主雜質(zhì)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(chǎn)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(zhì)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(zhì)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(chǎn)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(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體材料的摻雜物（do

11、pant）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(chǎn)生共價鍵，進而被束縛。而沒有和被摻雜材料原子產(chǎn)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(zhì)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(chǎn)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(zhì)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晶格中。因此這種因為摻雜而獲得多余電子提供傳

12、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(zhì)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，如果五價元素如磷（phosphorus）摻雜至硅半

13、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(zhì)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(zhì)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(jié)構(gòu)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(zhì)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產(chǎn)生一個新的能階，而受主原子則是在靠近價帶的

14、地方產(chǎn)生新的能階。假設(shè)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(jié)構(gòu)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配合接面處的能帶差異。上述的效應(yīng)可以用能帶圖

15、（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(zhì)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(chǎn)上的需求，半導體的電性必須是可預(yù)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(jié)構(gòu)的品質(zhì)都必須嚴格要求。常見的品質(zhì)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影響元件性能的主因。目前用來成長高純度單晶半

16、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(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，溶質(zhì)將會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。 王占國指出中國半導體產(chǎn)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(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴大和市場的繁榮并不表明國內(nèi)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(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移，我們判斷半導體行業(yè)在國內(nèi)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，中國半導體產(chǎn)業(yè)離不開國家政策的支持。市場需求巨大。計

17、算機、通訊、消費類電子產(chǎn)品的需求帶動半導體的需求。國際產(chǎn)能轉(zhuǎn)移，芯片制造的封裝測試的產(chǎn)能轉(zhuǎn)移比較明顯，國際大工廠紛紛在國內(nèi)設(shè)立工廠，或者把生產(chǎn)線交給國內(nèi)公司制造。王占國說我國半導體產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，產(chǎn)業(yè)逐步完善。半導體產(chǎn)業(yè)經(jīng)過長期發(fā)展，已經(jīng)建立起基本的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。近幾年的加速發(fā)展縮短了與國外先進技術(shù)的差距。美國是半導體技術(shù)的發(fā)源地，但20世紀80年代美國作為半導體的主要生產(chǎn)在全球的地位大幅度下降。為了應(yīng)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(shù)是半導體行業(yè)的立足之本，這個行業(yè)的技術(shù)更新速度迅速。國內(nèi)外半導體公司的展面臨強大的壓力，生存環(huán)境堪憂。一些學者在分析、總結(jié)的基礎(chǔ)上提出了一

18、些建議。中國應(yīng)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(chǎn)業(yè)。凌玲說在短期內(nèi)，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(shù)和產(chǎn)品，通過技術(shù)改造、資本積累和市場開拓的互動實現(xiàn)半導體產(chǎn)業(yè)水平的滾動發(fā)展。王彥指出中國半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與突破，人才是關(guān)鍵因素。目前我國半導體產(chǎn)業(yè)最缺乏的就是人才，既包括技術(shù)人員，也包括半導體企業(yè)有經(jīng)驗的中高階層主管。半導體產(chǎn)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(nèi)容  InSb 是一種具有閃鋅礦結(jié)構(gòu)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(yīng)用于光電原件、磁阻元件及晶體管結(jié)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