半導(dǎo)體材料發(fā)展

3.1.1半導(dǎo)體材料的發(fā)展按功能和應(yīng)用分微電子半導(dǎo)體光電半導(dǎo)體熱電半導(dǎo)體微波半導(dǎo)體氣敏半導(dǎo)體（ZnO,SnO2）∶∶微波半導(dǎo)體材料寬帶隙半導(dǎo)體微波器件近年來,以SiC、GaN和半導(dǎo)體金剛石為代表的寬帶隙半導(dǎo)體微波器件的研究開發(fā)引入注目。這類器件適宜在高頻、高溫(>500℃)、強(qiáng)輻射環(huán)境下工作,具有優(yōu)異的微波功率性能,其中以SiC的器件技術(shù)最為成熟。

按組成分：無機(jī)半導(dǎo)體：元素、化合物（Si,Ge,GaAs,InP，GaN,SiC

等）有機(jī)半導(dǎo)體（酞菁類及多環(huán)、稠環(huán)化合物，聚乙炔）按結(jié)構(gòu)分:晶體：單晶體、多晶體（規(guī)則外形，各向異性/各向同性，有固定的熔點(diǎn)）非晶、無定形（無規(guī)則外形，各向同性，只有玻璃化溫度）討論1、單晶硅（s-Si）、多晶硅（p-Si）與非晶硅（a-Si）在結(jié)構(gòu)與性能上的差異

SingleCrystalSilicon;PolycrystallineSiliconandAmorphousSilicon2、應(yīng)用舉例Themostimportantandfundamentalelectronicmaterialsanddevices（電子材料與器件）;photoelectronicdevices（光電器件）;SolarCells（太陽能電池）;PhotovoltaicCells(光伏電池)IntegratedCircuit(IC，集成電路),etc.

3.1.1.1無機(jī)半導(dǎo)體晶體材料無機(jī)半導(dǎo)體晶體材料元素半導(dǎo)體化合物半導(dǎo)體固溶體半導(dǎo)體(Si1-xGex；GaP1-xAs)GeSe(硒)SiCBTe（碲）PSbAs元素半導(dǎo)體SISn熔點(diǎn)太高、不易制成單晶不穩(wěn)定、易揮發(fā)低溫某種固相稀少(1)元素半導(dǎo)體晶體化合物半導(dǎo)體Ⅲ-Ⅴ族Ⅱ-Ⅵ族金屬氧化物Ⅳ-Ⅵ族Ⅴ-Ⅵ族Ⅳ-Ⅳ族InP、GaP、GaAs、InSb、InAsCdS、CdTe、CdSe、ZnSSiCGeS、SnTe、GeSe、PbS、PbTeAsSe3、AsTe3、AsS3、SbS3CuO2、ZnO、SnO2(2)化合物半導(dǎo)體及固溶體半導(dǎo)體

★過渡金屬氧化物半導(dǎo)體：有ZnO、SnO2、V2O5、Cr2O3、Mn2O3、FeO、CoO、NiO等?！锛饩突衔铮ù判园雽?dǎo)體）：主要有CdCr2S4、CdCr2Se4、HgCr2S4等?！锵⊥裂酢⒘?、硒、碲化合物：有EuO、EuS、EuSe、EuTe

等。(銪)

(1)非晶Si、非晶Ge以及非晶Te、Se元素半導(dǎo)體

(2)化合物有GeTe、As2Te3、Se4Te、

Se2As3、As2SeTe非晶半導(dǎo)體3.1.1.2非晶態(tài)半導(dǎo)體有機(jī)半導(dǎo)體

酞菁類及一些多環(huán)、稠環(huán)化合物，聚乙炔和環(huán)化脫聚丙烯腈等導(dǎo)電高分子，他們都具有大π鍵結(jié)構(gòu)。

3.1.1.3有機(jī)半導(dǎo)體高分子聚合物有機(jī)分子晶體有機(jī)分子絡(luò)合物3.1.2半導(dǎo)體材料的地位國民經(jīng)濟(jì)國家安全科學(xué)技術(shù)半導(dǎo)體微電子和光電子材料通信、高速計算、大容量信息處理、空間防御、電子對抗、武器裝備的微型化（微電子機(jī)械系統(tǒng)MEMS）、智能化3.1.3

半導(dǎo)體的發(fā)展萌芽期成長期成熟期衰退期1874年F.Braun金屬－半導(dǎo)體接觸氧化銅、硒整流器、曝光計1879年Hall效應(yīng)K.Beadeker半導(dǎo)體中有兩種不同類型的電荷1948年

Shockley，Bardeen,Brattain鍺晶體管

(transistor)點(diǎn)接觸式的硅檢波器1940187019301950萌芽期硅晶體管第一個點(diǎn)接觸式的晶體管

(transistor)成為現(xiàn)代電子工業(yè)的基礎(chǔ)Ge

晶體管獲1956年諾貝爾物理獎1955年德國西門子氫還原三氯硅烷法制得高純硅1950年G.K.Teel直拉法（CZ）較大的鍺單晶1952年G.K.Teel直拉法第一根硅單晶1957年

第一顆砷化鎵鎵單晶誕生19601950進(jìn)入成長期1952年H.Welker發(fā)現(xiàn)Ⅲ-Ⅴ族化合物1958年W.C.Dash無位錯硅單晶1963年用液相外延法（LPE）生長長砷化鎵外延層，半導(dǎo)體激光器1963年砷化鎵微波振蕩效應(yīng)19701960硅外延技Epitaxy

1965年J.B.Mullin發(fā)明氧化硼液封直拉法(LECZ)砷化鎵單晶分子束外延MBE(MolecularBeamEpitaxy)金屬有機(jī)化學(xué)汽相沉積MOCVD(Meta-OrganicChemicalVaporDeposition)半導(dǎo)體超晶格、量子阱材料（Super-lattice,QuantumWells)雜質(zhì)工程(DopingEngineering)能帶工程(GapEngineering)電學(xué)特性和光學(xué)特性可裁剪(Tailored)幾種主要半導(dǎo)體的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢●硅增大直拉硅（CZ-Si）單晶的直徑(≥400mm)仍是今后CZ-Si發(fā)展的總趨勢。注：Czochralski

Si單晶8英寸（200mm）已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)12英寸（300mm）2005年全球16個工廠18英寸(450mm)2007年投入生產(chǎn)27英寸(675mm)研制正在積極籌劃●GaAs和InP單晶●世界GaAs單晶的總年產(chǎn)量已超過200噸。（日本1999年的GaAs單晶的生產(chǎn)量為94噸，

InP為27噸）。以低位錯密度生長的2～3英寸的導(dǎo)電GaAs襯底材料為主。●研制直徑3英寸以上大直徑的InP

單晶的關(guān)鍵技術(shù)尚未完全突破，價格居高不下。

InP比GaAs●具有更優(yōu)越的高頻性能，●發(fā)展的速度更快；但不幸的是討論：Si與III-V族化合物半導(dǎo)體的

區(qū)別帶隙寬(LargerForbiddenGap,Eg)，適于高溫器件應(yīng)用；載流子遷移率高（HigherCarrierMobility，μe/μh

）;適于高頻高速應(yīng)用；直接躍遷型(DirectTransition)，光電轉(zhuǎn)換效率高?！癜雽?dǎo)體超晶格、量子阱(SemiconductorSuperlattice,QuantumWells)

III-V族超晶格、量子阱材料

GaAlAs/GaAs，GaInAs/GaAs，AlGaInP/GaAs；GaInAs/InP，AlInAs/InP，InGaAsP/InP等GaAs、InP基晶格匹配和應(yīng)變補(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。延伸閱讀半導(dǎo)體超晶格材料

超晶格材料是兩種不同組元以幾個納米到幾十個納米的薄層交替生長并保持嚴(yán)格周期性的多層膜，事實(shí)上就是特定形式的層狀精細(xì)復(fù)合材料?？茖W(xué)界對許多種材料間組成的超晶格進(jìn)行過大量的實(shí)驗研究，表明的確存在兩種組元單獨(dú)存在時所沒有的性質(zhì)，其中半導(dǎo)體超晶格研究目前最為系統(tǒng)和深入，可望成為新一代的微電子、光電子材料。

最初的半導(dǎo)體超晶格是由砷化鎵和鎵鋁砷兩種半導(dǎo)體薄膜交替生長而成的。當(dāng)前半導(dǎo)體超晶格材料的種類已擴(kuò)展到銦砷／鎵銻、銦鋁砷／銦鎵砷、碲鎘／碲汞、銻鐵／銻錫碲等多種。組成材料的種類也由化合物半導(dǎo)體擴(kuò)展到鍺、硅等元素半導(dǎo)體，特別的是近年來發(fā)展起來的硅／鍺硅應(yīng)變超晶格，由于它可與當(dāng)前硅的平面工藝相容和集成，格外受到重視，甚至被譽(yù)為新一代硅材料。目前已利用這種材料試制了調(diào)制摻雜場效應(yīng)晶體管（MDFET）。在集成光電子學(xué)中，為了在硅芯片上制造鍺檢波管，可以用這種超晶格材料來作為過渡，使能隙逐漸縮小到鍺的能隙。

半導(dǎo)體超晶格結(jié)構(gòu)不僅給材料物理帶來了新面貌，而且促進(jìn)了新一代半導(dǎo)體器件的產(chǎn)生，除可制備高電子遷移率晶體管、調(diào)制摻雜的場效應(yīng)管、高效激光器、紅外探測器外，還能制備先進(jìn)的雪崩型光電探測器和實(shí)空間的電子轉(zhuǎn)移器件，并正在設(shè)計微分負(fù)阻效應(yīng)器件、隧道熱電子效應(yīng)器件等，它們將被廣泛地應(yīng)用于雷達(dá)、電子對抗、空間技術(shù)等領(lǐng)域。

延伸閱讀：量子阱

量子阱是指由2種不同的半導(dǎo)體材料相間排列形成的、具有明顯量子限制效應(yīng)的電子或空穴的勢阱。量子肼的最基本特征是，由于量子阱寬度(只有當(dāng)阱寬尺度足夠小時才能形成量子阱)的限制，導(dǎo)致載流子波函數(shù)在一維方向上的局域化。在由2種不同半導(dǎo)體材料薄層交替生長形成的多層結(jié)構(gòu)中，如果勢壘層足夠厚，以致相鄰勢阱之間載流子波函數(shù)之間耦合很小，則多層結(jié)構(gòu)將形成許多分離的量子阱，稱為多量子阱。如果勢壘層很薄，相鄰阱之間的耦合很強(qiáng)，原來在各量子阱中分立的能級將擴(kuò)展成能帶(微帶)，能帶的寬度和位置與勢阱的深度、寬度及勢壘的厚度有關(guān)，這樣的多層結(jié)構(gòu)稱為超晶格。具有超晶格特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)有時稱為耦合的多量子阱。量子肼中的電子態(tài)、聲子態(tài)和其他元激發(fā)過程以及它們之間的相互作用，與三維體狀材料中的情況有很大差別。在具有二維自由度的量子阱中，電子和空穴的態(tài)密度與能量的關(guān)系為臺階形狀。而不是象三維體材料那樣的拋物線形狀。

量子阱的制備通常是通過將一種材料夾在兩種材料（通常是寬禁帶材料）之間而形成的。比如兩層砷化鋁之間夾著砷化鎵。一般這種材料可以通過MBE（分子束外延）或者CVD（化學(xué)氣相沉積）的方法來制備。

目前硅基材料研究的主流：GeSi/Si應(yīng)變層超晶格材料新一代移動通信。硅基應(yīng)變異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料Si/GeSiMOSFET的最高截止頻率已達(dá)200GHz，噪音在10GHz下為0.9dB，其性能可與GaAs器件相媲美。應(yīng)變超晶格●一維量子線、零維量子點(diǎn)基于●低維新型半導(dǎo)體材料●人工構(gòu)造（通過能帶工程實(shí)施）●新一代量子器件的基礎(chǔ)非線性光學(xué)效應(yīng)量子尺寸效應(yīng)量子干涉效應(yīng)量子隧穿效應(yīng)1994年，俄德聯(lián)合小組首先研制成功

InAs/GaAs量子點(diǎn)材料，1996年，量子點(diǎn)激光器室溫連續(xù)輸出功率達(dá)

1W，閾值電流密度為290A/cm2，1998年，量子點(diǎn)激光器室溫連續(xù)輸出功率達(dá)

1.5W。2000年初，中科院半導(dǎo)體所研制成功室溫雙面CW輸出3.62W、工作波長為960nm左右的量子點(diǎn)激光器，為目前國際報道的最好結(jié)果之一。1994年，日本NTT研制成功溝道長度為

30nm納米單電子晶體管,并在

150K觀察到柵控源-漏電流振蕩。1998年，Yauo等人采用0.25mm工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)了128Mb的單電子存儲器原型樣機(jī)的制造，這是單電子器件在高密度存儲電路的應(yīng)用方面邁