半導(dǎo)體材料的歷史現(xiàn)狀及研究進(jìn)展(精)

1、半導(dǎo)體材料的研究進(jìn)展摘要:隨著全球科技的快速發(fā)展,當(dāng)今世界已經(jīng)進(jìn)入了信息時代,作為信息領(lǐng)域的命脈 ,光電子技術(shù)和微電子技術(shù)無疑成為了科技發(fā)展的焦點(diǎn)。半導(dǎo)體材料憑借著自身的性能特點(diǎn)也在迅速地擴(kuò)大著它的使用領(lǐng)域。本文重點(diǎn)對半導(dǎo)體材料的發(fā)展歷程、性能、種類和主要的半導(dǎo)體材料進(jìn)行了討論,并對半導(dǎo)體硅材料應(yīng)用概況及其發(fā)展趨勢作了概述。關(guān)鍵詞:半導(dǎo)體材料、性能、種類、應(yīng)用概況、發(fā)展趨勢一、半導(dǎo)體材料的發(fā)展歷程半導(dǎo)體材料從發(fā)現(xiàn)到發(fā)展,從使用到創(chuàng)新,擁有這一段長久的歷史。宰二十世紀(jì)初 ,就曾出現(xiàn)過點(diǎn)接觸礦石檢波器。1930年 ,氧化亞銅整流器制造成功并得到廣泛應(yīng)用 ,是半導(dǎo)體材料開始受到重視。1947年鍺點(diǎn)接

2、觸三極管制成,成為半導(dǎo)體的研究成果的重大突破。50年代末,薄膜生長激素的開發(fā)和集成電路的發(fā)明,是的微電子技術(shù)得到進(jìn)一步發(fā)展。60年代,砷化鎵材料制成半導(dǎo)體激光器,固溶體半導(dǎo)體此阿里奧在紅外線方面的研究發(fā)展,半導(dǎo)體材料的應(yīng)用得到擴(kuò)展。1969年超晶格概念的提出和超晶格量子阱的研制成功,是的半導(dǎo)體器件的設(shè)計與制造從雜志工程發(fā)展到能帶工程 ,將半導(dǎo)體材料的研究和應(yīng)用推向了一個新的領(lǐng)域。90年代以來隨著移動通信技術(shù)的飛速發(fā)展,砷化鎵和磷化煙等半導(dǎo)體材料成為焦點(diǎn),用于制作高速高頻大功率激發(fā)光電子器件等;近些年,新型半導(dǎo)體材料的研究得到突破,以氮化鎵為代表的先進(jìn)半導(dǎo)體材料開始體現(xiàn)出超強(qiáng)優(yōu)越性,被稱為 IT

3、 產(chǎn)業(yè)的新發(fā)動機(jī)。新型半導(dǎo)體材料的研究和突破,常常導(dǎo)致新的技術(shù)革命和新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展.以氮化鎵為代表的第三代半導(dǎo)體材料,是繼第一代半導(dǎo)體材料（以硅基半導(dǎo)體為代表和第二代半導(dǎo)體材料（以砷化鎵和磷化銦為代表之后,在近10年發(fā)展起來的新型寬帶半導(dǎo)體材料.作為第一代半導(dǎo)體材料,硅基半導(dǎo)體材料及其集成電路的發(fā)展導(dǎo)致了微型計算機(jī)的出現(xiàn)和整個計算機(jī)產(chǎn)業(yè)的飛躍,并廣泛應(yīng)用于信息處理、自動控制等領(lǐng)域,對人類社會的發(fā)展起了極大的促進(jìn)作用.硅基半導(dǎo)體材料雖然在微電子領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用 ,但硅材料本身間接能帶結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)限制了其在光電子領(lǐng)域的應(yīng)用.隨著以光通信為基礎(chǔ)的信息高速公路的崛起和社會信息化的發(fā)展,第二代半導(dǎo)體材料嶄

4、露頭角 ,砷化鎵和磷化銦半導(dǎo)體激光器成為光通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵元器件.同時,砷化鎵高速器件也開拓了移動通信的新產(chǎn)業(yè)。第三代半導(dǎo)體材料的興起,是以氮化鎵材料P-型摻雜的突破為起點(diǎn),以高效率藍(lán)綠光發(fā)光二極管和藍(lán)光半導(dǎo)體激光器的研制成功為標(biāo)志的.它將在光顯示、光存儲、光照明等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景.二、半導(dǎo)體材料的性能半導(dǎo)體材料是室溫下導(dǎo)電性介于導(dǎo)電材料和絕緣材料之間的一類功能材料?？侩娮雍涂昭▋煞N載流子實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電,室溫時電阻率一般在10-5107歐 米之間。通常電阻率隨溫度升高而增大;若摻入活性雜質(zhì)或用光、射線輻照,可使其電阻率有幾個數(shù)量級的變化。1906年制成了碳化硅檢波器。1947年發(fā)明晶體管以后,半

5、導(dǎo)體材料作為一個獨(dú)立的材料領(lǐng)域得到了很大的發(fā)展 ,并成為電子工業(yè)和高技術(shù)領(lǐng)域中不可缺少的材料。特性和參數(shù)半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性對某些微量雜質(zhì)極敏感。純度很高的半導(dǎo)體材料稱為本征半導(dǎo)體,常溫下其電阻率很高,是電的不良導(dǎo)體。在高純半導(dǎo)體材料中摻入適當(dāng)雜質(zhì)后,由于雜質(zhì)原子提供導(dǎo)電載流子,使材料的電阻率大為降低。這種摻雜半導(dǎo)體常稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體靠導(dǎo)帶電子導(dǎo)電的稱N 型半導(dǎo)體,靠價帶空穴導(dǎo)電的稱P 型半導(dǎo)體。不同類型半導(dǎo)體間接觸（構(gòu)成PN 結(jié)或半導(dǎo)體與金屬接觸時,因電子（或空穴濃度差而產(chǎn)生擴(kuò)散,在接觸處形成位壘,因而這類接觸具有單向?qū)щ娦?。利用PN 結(jié)的單向?qū)щ娦?可以制成具有不同功能的半導(dǎo)體器件

6、,如二極管、三極管、晶閘管等。此外,半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性對外界條件（如熱、光、電、磁等因素的變化非常敏感 ,據(jù)此可以制造各種敏感元件,用于信息轉(zhuǎn)換。半導(dǎo)體材料的特性參數(shù)有禁帶寬度、電阻率、載流子遷移率、非平衡載流子壽命和位錯密度。禁帶寬度由半導(dǎo)體的電子態(tài)、原子組態(tài)決定,反映組成這種材料的原子中價電子從束縛狀態(tài)激發(fā)到自由狀態(tài)所需的能量。電阻率、載流子遷移率反映材料的導(dǎo)電能力。非平衡載流子壽命反映半導(dǎo)體材料在外界作用（如光或電場下內(nèi)部載流子由非平衡狀態(tài)向平衡狀態(tài)過渡的弛豫特性。位錯是晶體中最常見的一類缺陷。位錯密度用來衡量半導(dǎo)體單晶材料晶格完整性的程度,對于非晶態(tài)半導(dǎo)體材料,則沒有這一參數(shù)。半導(dǎo)體材

7、料的特性參數(shù)不僅能反映半導(dǎo)體材料與其他非半導(dǎo)體材料之間的差別,更重要的是能反映各種半導(dǎo)體材料之間甚至同一種材料在不同情況下,其特性的量值差別。三、半導(dǎo)體材料的種類半導(dǎo)體材料按化學(xué)成分和內(nèi)部結(jié)構(gòu),大致可分為以下幾類。1、元素半導(dǎo)體有鍺、硅、硒、硼、碲、銻等。50 年代 ,鍺在半導(dǎo)體中占主導(dǎo)地位,但鍺半導(dǎo)體器件的耐高溫和抗輻射性能較差,到 60 年代后期逐漸被硅材料取代。用硅制造的半導(dǎo)體器件,耐高溫和抗輻射性能較好,特別適宜制作大功率器件。因此,硅已成為應(yīng)用最多的一種增導(dǎo)體材料,目前的集成電路大多數(shù)是用硅材料制造的。2、化合物半導(dǎo)體由兩種或兩種以上的元素化合而成的半導(dǎo)體材料。它的種類很多,重要的有

8、砷化鎵、磷化錮、銻化錮、碳化硅、硫化鎘及鎵砷硅等。其中砷化鎵是制造微波器件和集成電的重要材料。碳化硅由于其抗輻射能力強(qiáng)、耐高溫和化學(xué)穩(wěn)定性好,在航天技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。3、無定形半導(dǎo)體材料用作半導(dǎo)體的玻璃是一種非晶體無定形半導(dǎo)體材料,分為氧化物玻璃和非氧化物玻璃兩種。這類材料具有良好的開關(guān)和記憶特性和很強(qiáng)的抗輻射能力,主要用來制造閾值開關(guān)、記憶開關(guān)和固體顯示器件。4、有機(jī)半導(dǎo)體材料,包括萘、蒽、聚丙烯腈、酞菁和一些芳香族化合物等,目前尚未得到應(yīng)用。四、主要的半導(dǎo)體材料1、半導(dǎo)體硅材料從目前電子工業(yè)的發(fā)展來看,盡管有各種新型的半導(dǎo)體材料不斷出現(xiàn),半導(dǎo)體硅材料以豐富的資源、優(yōu)質(zhì)的特性、日臻完善

9、的工藝以及廣泛的用途等綜合優(yōu)勢而成為了當(dāng)代電子工業(yè)中應(yīng)用最多的半導(dǎo)體材料。硅是集成電路產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ),半導(dǎo)體材料中98%是硅。半導(dǎo)體器件的95%以上是用硅材料制作的,90%以上的大規(guī)模集成電路 (LSI、超大規(guī)模集成電路(VLSI、甚大規(guī)模集成電路(ULSI 都是制作在高純優(yōu)質(zhì)的硅拋光片和外延片上的。硅片被稱作集成電路的核心材料,硅材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和集成電路的發(fā)展緊密相關(guān)。半導(dǎo)體硅材料分為多晶硅、單晶硅、硅外延片以及非晶硅、澆注多晶硅、淀積和濺射非晶硅等。現(xiàn)行多晶硅生產(chǎn)工藝主要有改良西門子法和硅烷熱分解法。主要產(chǎn)品有棒狀和粒狀兩種,主要是用作制備單晶硅以及太陽能電池等。生長單晶硅的工藝可分為區(qū)熔(F

10、Z和直拉 (CZ兩種。其中,直拉硅單晶(CZ-Si 廣泛應(yīng)用于集成電路和中小功率器件。區(qū)域熔單晶(FZ-Si 目前主要用于大功率半導(dǎo)體器件,比如整流二極管,硅可控整流器,大功率晶體管等。2、 gaas和 inp 單晶材料 TOC o 1-5 h z gaas和 inp 是直接帶隙材料,具有電子飽和漂移速度高,耐高溫,抗輻照等特點(diǎn);在超高速、超高頻、低功耗、低噪音器件和電路,特別在光電子器件和光電集成方面占有獨(dú)特的優(yōu)勢。gaas和 inp 單晶的發(fā)展趨勢是:增大晶體直徑,目前 4英寸的si-gaas已用于生產(chǎn),預(yù)計本世紀(jì)初的頭幾年直徑為6 英寸的si-gaas也將投入工業(yè)應(yīng)用;提高材料的電學(xué)和光

11、學(xué)微區(qū)均勻性;降低單晶的缺陷密度,特別是位錯;gaas 和inp 單晶的 vgf生長技術(shù)發(fā)展很快,很有可能成為主流技術(shù)。3、寬帶隙半導(dǎo)體材料寬帶隙半導(dǎo)體材主要指的是金剛石,iii 族氮化物,碳化硅 ,立方氮化硼以及氧化物(zno等及固溶體等,特別是sic、 gan和金剛石薄膜等材料,因具有高熱導(dǎo)率、高電子飽和漂移速度和大臨界擊穿電壓等特點(diǎn),成為研制高頻大功率、耐高溫、抗輻照半導(dǎo)體微電子器件和電路的理想材料;在通信、汽車、航空、航天、石油開采以及國防等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。另外,iii 族氮化物也是很好的光電子材料,在藍(lán)、綠光發(fā)光二極管(led和紫、藍(lán)、綠光激光器(ld 以及紫外探測器等應(yīng)用方

12、面也顯示了廣泛的應(yīng)用前景。寬帶隙半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料往往也是典型的大失配異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料,所謂大失配異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料是指晶格常數(shù)、熱膨脹系數(shù)或晶體的對稱性等物理參數(shù)有較大差異的材料體系,如gan/藍(lán)寶石(sapphire,sic/si和gan/si等。大晶格失配引發(fā)界面處大量位錯和缺陷的產(chǎn)生,極大地影響著微結(jié)構(gòu)材料的光電性能及其器件應(yīng)用。如何避免和消除這一負(fù)面影響,是目前材料制備中的一個迫切要解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。這個問題的解泱,必將大大地拓寬材料的可選擇余地,開辟新的應(yīng)用領(lǐng)域。4、低維半導(dǎo)體材料實(shí)際上這里說的低維半導(dǎo)體材料就是納米材料,之所以不愿意使用,主要是不想與現(xiàn)在熱炒的所謂的納米襯衣、納米啤酒瓶、

13、納米洗衣機(jī)等混為一談、從本質(zhì)上看發(fā)展納米科學(xué)技術(shù)的重要目的之一,就是人們能在原子、分子或者納米的尺度水平上來控制和制造功能強(qiáng)大、性能優(yōu)越的納米電子、光電子器件和電路,納米生物傳感器件等,以造福人類。可以預(yù)料,納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用不僅將徹底改變?nèi)藗兊纳a(chǎn)和生活方式,也必將改變社會政治格局和戰(zhàn)爭的對抗形式。這也是為什么人們對發(fā)展納米半導(dǎo)體技術(shù)非常重視的原因。電子在塊體材料里,在三個維度的方向上都可以自由運(yùn)動。但當(dāng)材料的特征尺寸在一個維度上比電子的平均自由程相比更小的時候,電子在這個方向上的運(yùn)動會受到限制,電子的能量不再是連續(xù)的,而是量子化的,我們稱這種材料為超晶格、量子阱材料。量子線材料就是電

14、子只能沿著量子線方向自由運(yùn)動,另外兩個方向上受到限制 ;量子點(diǎn)材料是指在材料三個維度上的尺寸都要比電子的平均自由程小,電子在三個方向上都不能自由運(yùn)動,能量在三個方向上都是量子化的。基于 GaAs和 InP基的超晶格、量子阱材料已經(jīng)發(fā)展得很成熟,廣泛地應(yīng)用于光通信、移動通訊、微波通訊的領(lǐng)域。量子級聯(lián)激光器是一個單極器件,是近十多年才發(fā)展起來的一種新型中、遠(yuǎn)紅外光源,在自由空間通信、紅外對抗和遙控化學(xué)傳感等方面有著重要應(yīng)用前景。它對MBE 制備工藝要求很高,整個器件結(jié)構(gòu)幾百到上千層 ,每層的厚度都要控制在零點(diǎn)幾個納米的精度,中國在此領(lǐng)域做出了國際先進(jìn)水平的成果;又如多有源區(qū)帶間量子隧穿輸運(yùn)和光耦合

15、量子阱激光器,它具有量子效率高、功率大和光束質(zhì)量好的特點(diǎn),中國已有很好的研究基礎(chǔ);在量子點(diǎn)(線材料和量子點(diǎn)激光器等研究方面也取得了令國際同行矚目的成就。5、半導(dǎo)體超晶格、量子阱材料半導(dǎo)體超薄層微結(jié)構(gòu)材料是基于先進(jìn)生長技術(shù)(MBE,MOCVD 的新一代人工構(gòu)造材料。它以全新的概念改變著光電子和微電子器件的設(shè)計思想,出現(xiàn)了 “電學(xué)和光學(xué)特性可剪裁”為特征的新范疇,是新一代固態(tài)量子器件的基礎(chǔ)材料 -V 族超晶格、量子阱材料GaAIAs/GaAs,GaInAs/GaAs,AIGaInP/GaAs;GalnAs/InP,AlInAs/InP,InGaAsP/InP 等 GaAs、 InP基晶格匹配和應(yīng)變

16、補(bǔ)償材料體系已發(fā)展得相當(dāng)成熟,已成功地用來制造超高速,超高頻微電子器件和單片集成電路。五、半導(dǎo)體材料的發(fā)展趨勢電子信息材料的總體發(fā)展趨勢是向著大尺寸、高均勻性、高完整性、以及薄膜化、多功能化和集成化方向發(fā)展。當(dāng)前的研究熱點(diǎn)和技術(shù)前沿包括柔性晶體管、光子晶體、SiC、 GaN、 ZnSe等寬禁帶半導(dǎo)體材料為代表的第三代半導(dǎo)體材料、有機(jī)顯示材料以及各種納米電子材料等。隨著電子學(xué)向光電子學(xué)、光子學(xué)邁進(jìn),微電子材料在未來510年仍是最基本的信息材料。電子、光電子功能單晶將向著大尺寸、高均勻性、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發(fā)展。半導(dǎo)體微電子材料由單片集成向系統(tǒng)

17、集成發(fā)展。微電子技術(shù)發(fā)展的主要途徑是通過不斷縮小器件的特征尺寸,增加芯片面積以提高集成度和信息處理速度,由單片集成向系統(tǒng)集成發(fā)展。1、 Si、 GaAs、 InP等半導(dǎo)體單晶材料向著大尺寸、高均質(zhì)、晶格高完整性方向發(fā)展。椎8 英吋硅芯片是目前國際的主流產(chǎn)品,椎 12英吋芯片已開始上市,GaAs芯片椎 4英吋已進(jìn)入大批量生產(chǎn)階段,并且正在向椎6英吋生產(chǎn)線過渡;對單晶電阻率的均勻性、雜質(zhì)含量、微缺陷、位錯密度、芯片平整度、表面潔凈度等都提出了更加苛刻的要求。2、在以Si、 GaAs 為代表的第一代、第二代半導(dǎo)體材料繼續(xù)發(fā)展的同時,加速發(fā)展第三代半導(dǎo)體材料 寬禁帶半導(dǎo)體材料SiC、 GaN、 ZnS

18、e、金剛石材料和用SiGe/Si、 SOI 等新型硅基材料大幅度提高原有硅集成電路的性能是未來半導(dǎo)體材料的重要發(fā)展方向。3、繼經(jīng)典半導(dǎo)體的同質(zhì)結(jié)、異質(zhì)結(jié)之后,基于量子阱、量子線、量子點(diǎn)的器件設(shè)計制造和集成技術(shù)在未來515年間,將在信息材料和元器件制造中占據(jù)主導(dǎo)地位分子束外延MBE 和金屬有機(jī)化合物化學(xué)汽相外延MOCVD 技術(shù)將得到進(jìn)一步發(fā)展和更加廣泛的應(yīng)用。4、高純化學(xué)試劑和特種電子氣體的純度要求將分別達(dá)到lppb0.1ppb和 6N 級以上 ,0.5 m 以上的雜質(zhì)顆粒必須控制在5個 /毫升以下,金屬雜質(zhì)含量控制在ppt級 ,并將開發(fā)替代有毒氣體的新品種電子氣體。20世紀(jì)中葉,單晶硅和半導(dǎo)體晶體管的發(fā)明及其硅集成電路的研制成功,導(dǎo)致了電子工業(yè)革命;20世紀(jì) 70年代初石英光導(dǎo)纖維材料和GaAs激光器的發(fā)明,促進(jìn)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(jìn)入了信息時代。超