半導(dǎo)體材料簡介

半導(dǎo)體材料簡介半邙榮初5801310012環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院制藥工程101班制藥工程摘要：本文對半導(dǎo)體科學(xué)與技術(shù)有一個概括性的介紹。內(nèi)容涉及半導(dǎo)體的定義其基本特性的描述以及種類，重點介紹了硅材料，寬帶隙半導(dǎo)材料，低維半導(dǎo)體材料體。關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體概念種類硅材料硅材料低維半導(dǎo)體材料一、 半導(dǎo)體的概念：電阻率介于金屬和絕緣體之間并有負的電阻溫度系數(shù)的物質(zhì)。半導(dǎo)體自室溫時電阻率約在10-5?107歐?米之間，在一般情況下，半導(dǎo)體電導(dǎo)率隨溫度的升高而增大，這與金屬導(dǎo)體恰好相反。凡具有上述兩種特征的材料都可歸入半導(dǎo)體材料的范圍。反映半導(dǎo)體內(nèi)在基本性質(zhì)的卻是各種外界因素如光、熱、磁、電等作用于半導(dǎo)體而引起的物理效應(yīng)和現(xiàn)象，這些可統(tǒng)稱為半導(dǎo)體材料的半導(dǎo)體性質(zhì)。電阻率特性、導(dǎo)電特性、光電特性、負的電阻率溫度特性和整流特性是半導(dǎo)體的五大特性。二、 半導(dǎo)體材料的種類：半導(dǎo)體材料可按化學(xué)組成來分，再將結(jié)構(gòu)與性能比較特殊的非晶態(tài)與液態(tài)半導(dǎo)體單獨列為一類。按照這樣分類方法可將半導(dǎo)體材料分為元素半導(dǎo)體、無機化合物半導(dǎo)體、有機化合物半導(dǎo)體和非晶態(tài)與液態(tài)半導(dǎo)體。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(dǎo)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。三、重要半導(dǎo)體材料1、硅材料：硅是元素半導(dǎo)體。電活性雜質(zhì)磷和硼在合格半導(dǎo)體和多晶硅中應(yīng)分別低于0.4ppb和0.1ppb。拉制單晶時要摻入一定量的電活性雜質(zhì)，以獲得所要求的導(dǎo)電類型和電阻率。重金屬銅、金、鐵等和非金屬碳都是極有害的雜質(zhì)，它們的存在會使PN結(jié)性能變壞。硅中碳含量較高，低于1ppm者可認為是低碳單品。碳含量超過3ppm時其有害作用已較顯著。硅中氧含量甚高。氧的存在有益也有害。直拉硅單晶氧含量在 5?40ppm范圍內(nèi)；區(qū)熔硅單晶氧含量可低于1ppm。硅具有優(yōu)良的半導(dǎo)體電學(xué)性質(zhì)。禁帶寬度適中，為1.12電子伏。載流子遷移率較高，電子遷移率為1350厘米2/伏?秒，空穴遷移率為480厘米2/伏?秒。本征電阻率在室溫(300K)下高達2.3X105歐?厘米，摻雜后電阻率可控制在104?10-4歐?厘米的寬廣范圍內(nèi)，能滿足制造各種器件的需要。硅單品的非平衡少數(shù)載流子壽命較長 ，在幾十微秒至1毫秒之間。熱導(dǎo)率較大?；瘜W(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，又易于形成穩(wěn)定的熱氧化膜。在平面型硅器件制造中可以用氧化膜實現(xiàn)PN結(jié)表面鈍化和保護，還可以形成金屬-氧化物-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，制造MOS場效應(yīng)品體管和集成電路。上述性質(zhì)使PN結(jié)具有良好特性，使硅器件具有耐高壓、反向漏電流小、效率高、使用壽命長、可靠性好、熱傳導(dǎo)好，并能在200高溫下運行等優(yōu)點。單晶硅在太陽能電池中的應(yīng)用，高純的單晶硅是重要的半導(dǎo)體材料。在光伏技術(shù)和微小型半導(dǎo)體逆變器技術(shù)飛速發(fā)展的今天，利用硅單品所生產(chǎn)的太陽能電池可以直接把太陽能轉(zhuǎn)化為光能，實現(xiàn)了邁向綠色能源革命的開始。硅是地殼上最豐富的元素半導(dǎo)體，性質(zhì)優(yōu)越而工藝技術(shù)比較成熟，已成為固態(tài)電子器件大規(guī)模集成電路的需要，高完整性高均勻度（尤其是氧的分布）的硅單品制備技術(shù)正在發(fā)展。雖然在超速集成電路方面神化鎵材料表現(xiàn)出巨大的優(yōu)越性，但尚不可能全面取代硅的地位。硅材料在各種晶體三極管、尤其是功率器件制造方面仍是最主要的材料。無定形硅可能成為同單晶硅并列的重要硅材料。無定形硅和多晶硅太陽電池的成功將使硅材料的消耗量急劇增加。2、 硅材料：氮化鎵、碳化硅和氧化鋅等都是寬帶隙半導(dǎo)體材料，因為它的禁帶寬度都在3個電子伏以上，在室溫下不可能將價帶電子激發(fā)到導(dǎo)帶。器件的工作溫度可以很高，比如說碳化硅可以工作到600攝氏度；金剛石如果做成半導(dǎo)體，溫度可以更高，器件可用在石油鉆探頭上收集相關(guān)需要的信息。它們還在航空、航天等惡劣環(huán)境中有重要應(yīng)用。廣播電臺、電視臺，唯一的大功率發(fā)射管還是電子管，沒有被半導(dǎo)體器件代替。這種電子管的壽命只有兩三千小時，體積大，且非常耗電；如果用碳化硅的高功率發(fā)射器件，體積至少可以減少幾十到上百倍，壽命也會大大增加，所以高溫寬帶隙半導(dǎo)體材料是非常重要的新型半導(dǎo)體材料。現(xiàn)在的問題是這種材料非常難生長，硅上長硅，神化鎵上長GaAs，它可以長得很好。但是這種材料大多都沒有塊體材料，只得用其它材料做襯底去長。比如說氮化鎵在藍寶石襯底上生長，藍寶石跟氮化鎵的熱膨脹系數(shù)和晶格常數(shù)相差很大，長出來的外延層的缺陷很多，這是最大的問題和難關(guān)。另外這種材料的加工、刻蝕也都比較困難。目前科學(xué)家正在著手解決這個問題。如果這個問題一旦解決，就可以提供一個非常廣闊的發(fā)現(xiàn)新材料的空間。3、 低維半導(dǎo)體材料：實際上這里說的低維半導(dǎo)體材料就是納米材料，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。電子在塊體裁料里，在三個維度的方向上都可以自由運動。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品格、量子阱材料。量子線材料就是電子只能沿著量子線方向自由運動，另外兩個方向上受到限制；量子點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動，能量在三個方向上都是量子化的。電子的態(tài)密度函數(shù)也發(fā)生了變化，塊體材料是拋物線，電子在這上面可以自由運動；如果是量子點材料，它的態(tài)密度函數(shù)就像是單個的分子、原子那樣，完全是孤立的函數(shù)分布，基于這個特點，可制造功能強大的量子器件。大規(guī)模集成電路的存儲器是靠大量電子的充放電實現(xiàn)的。大量電子的流動需要消耗很多能量導(dǎo)致芯片發(fā)熱，從而限制了集成度，如果采用單個電子或幾個電子做成的存儲器，不但集成度可以提高，而且功耗問題也可以解決。目前的激光器效率不高，因為激光器的波長隨著溫度變化，一般來說隨著溫度增高波長要紅移，所以現(xiàn)在光纖通信用的激光器都要控制溫度。如果能用量子點激光器代替現(xiàn)有的量子阱激光器，這些問題就可迎刃而解了。結(jié)論：上世紀中葉，單晶硅和半導(dǎo)體品體管的發(fā)明及其硅集成電路的研制成功，導(dǎo)致電子工業(yè)革命；上世紀70年代初石英光導(dǎo)纖維材料和GaA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(dǎo)體超品格、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(dǎo)體器件的設(shè)計與制造從“雜質(zhì)工程”發(fā)展到“能帶工程”。納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)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，必將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?。參考文獻1"semiconduc