浅谈半导体材料的应用
摘要：半导体材料是近年来新兴的一种材料，它作为一种新型材料，越来越受到人们的青睐。在人们生活中，受到了相当广泛的应用。另外，半导体材料也是军事国防科学中必不可少的材料之一。作为一种新型材料，半导体材料有着很重要的地位。
关键词：半导体；生活；材料；电工学；
0 引言
20世纪中叶，单晶硅和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研制成功，导致了电子工业革命；70年代光纤通讯技术迅速发展并逐步形成高新技术产业，是人类进入信息时代；超晶格概念的提出及其半导体超晶格，量子阱材料的诞生，改变了光电器件的发展，纳米技术的发展与运用使得半导体进入纳米时代。然而半导体材料的价值仍在于它的光学，电学及其他各种特性，自硅出现在很长时间内，硅仍将是大规模集成电路的主要材料，如在军事领域中应用的抗辐射硅单体（NTD）,高效太阳能电池用硅单体，红外CCD器件用硅单体的等。 随着半导体技术的发展和半导体材料的研究，微电子技术朝着高密度，高可靠性方向发展，各种各样新的半导体材料出现，而 GaAs和InP基材料等还是化合物半导体及器件的主要支柱材料。与此同时以硅材料为核心的当代微电子技术趋向于纳米级。
1 半导体材料的概念与特性
当今，以半导体材料为芯片的各种产品已广泛进入人们的生活生产中，电视机，电子计算机，电子表等等，半导体材料为什么会拥有如此巨大的应用，我们需要从半导体材料的概念和特性开始了解。
半导体材料是导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。半导体材料是一类具有半导体性能、可用来制作半导体器件和集成电的电子材料，其电导率在10（U-3）～10（U-9）欧姆/厘米范围内。在某些情况下，半导体具有导电的性质。首先，一般的半导体材料的电导率随温度的升高迅速增大，各种热敏电阻的开发就是利用了这个特性；其次，杂质掺入对半导体的性质起着决定性的作用，他们可使半导体的特性多样化，使得PN结形成，进而制作各种二极管和三极管；再次，半导体的电学性质会因光照引起变化，光敏电阻随之诞生；一些半导体具有较强的温差效应，可以利用它制作半导体制冷剂等；化合物半导体还具有超高速，低功耗，多功能，抗辐射等特性，在智能化，光纤通信等领域具有广泛运用；半导体基片可以实现原器件集中制作在一个芯片上，于是产生了各种规模的集成电路，正是由于半导体材料的各种各样的特性使得半导体材料拥有多种多样的用途，在科技发展和人们的生活中起到十分重要的作用。
2 半导体的分类与制备
2．1 半导体的分类
半导体材料是导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。半导体材料是一类具有半导体性能、可用来制作半导体器件和集成电的电子材料，电阻率约在1mΩ·cm～1GΩ·cm范围内。 半导体材料可按化学组成来分，再将结构与性能比较特殊的非晶态与液态半导体单独列为
一类。按照这样分类方法可将半导体材料分为元素半导体、化合物半导体、有机半导体、固溶体半导体和非晶态与液态半导体。元素半导体大约有十几种，处于ⅢA族—ⅦA族的金属元素与非金属元素交界处，如Ge，Si，Se，Te等；化合物半导体分为二元化合物半导体和多元化合物半导体；有机半导体分为有机分子晶体、有机分子络合物、和高分子聚合物，一般指具有半导体性质的碳-碳双键有机化合物，电导率为10-10~102Ω·cm。固溶体半导体是由两个或多个晶格结构类似的元素化合物相融合而成，有二元系和三元系之分，如ⅣA-ⅣA组成的Ge-Si固溶体，ⅤA-ⅤA组成的Bi-Sb固溶体。原子排列短程有序、长程无序的半导体成为非晶态半导体，主要有非晶硅、非晶锗等。
2．2半导体的制备
不同的半导体器件对半导体材料有不同的形态要求，包括单晶的切片、磨片、抛光片、薄膜等。半导体材料的不同形态要求对应不同的加工工艺。常用的半导体材料制备工艺有提纯、单晶的制备和薄膜外延生长。
所有的半导体材料都需要对原料进行提纯，要求的纯度在6个“9”以上，最高达11个“9”以上。提纯的方法分两大类，一类是不改变材料的化学组成进行提纯，称为物理提纯；另一类是把元素先变成化合物进行提纯，再将提纯后的化合物还原成元素，称为化学提纯。物理提纯的方法有真空蒸发、区域精制、拉晶提纯等，使用最多的是区域精制。化学提纯的主要方法有电解、络合、萃取、精馏等，使用最多的是精馏。由于每一种方法都有一定的局限性，因此常使用几种提纯方法相结合的工艺流程以获得合格的材料。
绝大多数半导体器件是在单晶片或以单晶片为衬底的外延片上做出的。成批量的半导体单晶都是用熔体生长法制成的。直拉法应用最广，80%的硅单晶、大部分锗单晶和锑化铟单晶是用此法生产的，其中硅单晶的最大直径已达300毫米。在熔体中通入磁场的直拉法称为磁控拉晶法，用此法已生产出高均匀性硅单晶。在坩埚熔体表面加入液体覆盖剂称液封直拉法，用此法拉制砷化镓、磷化镓、磷化铟等分解压较大的单晶。悬浮区熔法的熔体不与容器接触，用此法生长高纯硅单晶。水平区熔法用以生产锗单晶。水平定向结晶法主要用于制备砷化镓单晶，而垂直定向结晶法用于制备碲化镉、砷化镓。用各种方法生产的体单晶再经过晶体定向、滚磨、作参考面、切片、磨片、倒角、抛光、腐蚀、清洗、检测、封装等全部或部分工序以提供相应的晶片。在单晶衬底上生长单晶薄膜称为外延。外延的方法有气相、液相、固相、分子束外延等。工业生产使用的主要是化学气相外延，其次是液相外延。金属有机化合物气相外延和分子束外延则用于制备量子阱及超晶格等微结构。非晶、微晶、多晶薄膜多在玻璃、陶瓷、金属等衬底上用不同类型的化学气相沉积、磁控溅射等方法制成。 3 半导体材料的应用
3.1元素半导体材料
硅在当前的应用相当广泛，他不仅是半导体集成电路，半导体器件和硅太阳能电池的基础材料，而且用半导体制作的电子器件和产品已经大范围的进入到人们的生活，人们的家用电器中所用到的电子器件80%以上与案件都离不开硅材料。锗是稀有元素，地壳中的含量较少，由于锗的特有性质，使得它的应用主要集中与制作各种二极管，三极管等。而以锗制作的其他钱江如探测器，也具有许多的优点，广泛的应用于多个领域。
有机半导体材料具有热激活电导率，如萘蒽，聚丙烯和聚二乙烯苯以及碱金属和蒽的络合物，有机半导体材料可分为有机物，聚合物和给体受体络合物三类。有机半导体芯片等产品的生产能力差，但是拥有加工处理方便，结实耐用，成本低廉，耐磨耐用等特性。
3.3非晶半导体材料
非晶半导体按键合力的性质分为共价键非晶半导体和离子键非晶半导体两类，可用液相快冷方法和真空蒸汽或溅射的方法制备。在工业上，非晶半导体材料主要用于制备像传感器，太阳能电池薄膜晶体管等非晶体半导体器件。
3.3.4化合物半导体材料
化合物半导体材料种类繁多，按元素在周期表族来分类，分为三五族，二六族，四四族等。如今化合物半导体材料已经在太阳能电池，光电器件，超高速器件，微波等领域占据重要位置，且不同种类具有不同的应用。
总之，半导体材料的发展迅速，应用广泛，随着时间的推移和技术的发展，半导体材料的应用将更加重要和关键，半导体技术和半导体材料的发展也将走向更高端的市场。 4 半导体材料的发展趋势
电子信息材料的总体发展趋势是向着大尺寸、高均匀性、高完整性、以及薄膜化、多功能化和集成化方向发展。当前的研究热点和技术前沿包括柔性晶体管、光子晶体、SiC、GaN、ZnSe等宽禁带半导体材料为代表的第三代半导体材料、有机显示材料以及各种纳米电子材料等。
随着电子学向光电子学、光子学迈进，微电子材料在未来5～10年仍是最基本的信息材料。电子、光电子功能单晶将向着大尺寸、高均匀性、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发展。半导体微电子材料由单片集成向系统集成发展。
微电子技术发展的主要途径是通过不断缩小器件的特征尺寸，增加芯片面积以提高集成度和信息处理速度，由单片集成向系统集成发展。
1、Si、GaAs、InP等半导体单晶材料向着大尺寸、高均质、晶格高完整性方向发展。椎8英寸硅芯片是目前国际的主流产品，椎12英寸芯片已开始上市，GaAs芯片椎4英寸已进入大批量生产阶段，并且正在向椎6英寸生产线过渡；对单晶电阻率的均匀性、杂质含量、微缺陷、位错密度、芯片平整度、表面洁净度等都提出了更加苛刻的要求。
2、在以Si、GaAs为代表的第一代、第二代半导体材料继续发展的同时，加速发展第三代半导体材料——宽禁带半导体材料SiC、GaN、ZnSe、金刚石材料和用SiGe/Si、SOI等新型硅基材料大幅度提高原有硅集成电路的性能是未来半导体材料的重要发展方向。
3、继经典半导体的同质结、异质结之后，基于量子阱、量子线、量子点的器件设计、制造和集成技术在未来5～15年间，将在信息材料和元器件制造中占据主导地位，分子束外延 MBE 和金属有机化合物化学汽相外延 MOCVD 技术将得到进一步发展和更加广泛的应用。
4、高纯化学试剂和特种电子气体的纯度要求将分别达到lppb～0.1ppb和6N级以上，0.5μm以上的杂质颗粒必须控制在5个/毫升以下，金属杂质含量控制在ppt级，并将开发替代有毒气体的新品种电子气体。
参考文献：
[1]周立军 半导体材料的发展及现状 半导体情报 第38卷第1期 2001年2月
[2]葛生燕 刘辉 半导体材料的探析与运用 科技向导 2010年第5期（上）
[3]靳晓宇 半导体材料的应用与发展研究 大众商务 2009年6月（总第102期）
[4]王占国 半导体材料研究的新进展 半导体技术 第27卷第3期 2002年3月
[5] 王占国 纳米半导体材料的制备技术 微纳电子技术 2002年第1期 2002年2月
[6]郝斌 温凯 浅谈化合物半导体材料 电脑知识与技术 第6卷第5期 2010年 2月
[7]彭杰 浅析几种半导体材料的应用与发展 硅谷 2008年第10期 2008年 [9]梁俊吾 中国半导体的创新发展之路 中国工程院化工、冶金与材料工程学部第五届学术会议会议论文 2005年
浅谈半导体材料的应用
摘要：半导体材料是近年来新兴的一种材料，它作为一种新型材料，越来越受到人们的青睐。在人们生活中，受到了相当广泛的应用。另外，半导体材料也是军事国防科学中必不可少的材料之一。作为一种新型材料，半导体材料有着很重要的地位。
关键词：半导体；生活；材料；电工学；
0 引言
20世纪中叶，单晶硅和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研制成功，导致了电子工业革命；70年代光纤通讯技术迅速发展并逐步形成高新技术产业，是人类进入信息时代；超晶格概念的提出及其半导体超晶格，量子阱材料的诞生，改变了光电器件的发展，纳米技术的发展与运用使得半导体进入纳米时代。然而半导体材料的价值仍在于它的光学，电学及其他各种特性，自硅出现在很长时间内，硅仍将是大规模集成电路的主要材料，如在军事领域中应用的抗辐射硅单体（NTD）,高效太阳能电池用硅单体，红外CCD器件用硅单体的等。 随着半导体技术的发展和半导体材料的研究，微电子技术朝着高密度，高可靠性方向发展，各种各样新的半导体材料出现，而 GaAs和InP基材料等还是化合物半导体及器件的主要支柱材料。与此同时以硅材料为核心的当代微电子技术趋向于纳米级。
1 半导体材料的概念与特性
当今，以半导体材料为芯片的各种产品已广泛进入人们的生活生产中，电视机，电子计算机，电子表等等，半导体材料为什么会拥有如此巨大的应用，我们需要从半导体材料的概念和特性开始了解。
半导体材料是导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。半导体材料是一类具有半导体性能、可用来制作半导体器件和集成电的电子材料，其电导率在10（U-3）～10（U-9）欧姆/厘米范围内。在某些情况下，半导体具有导电的性质。首先，一般的半导体材料的电导率随温度的升高迅速增大，各种热敏电阻的开发就是利用了这个特性；其次，杂质掺入对半导体的性质起着决定性的作用，他们可使半导体的特性多样化，使得PN结形成，进而制作各种二极管和三极管；再次，半导体的电学性质会因光照引起变化，光敏电阻随之诞生；一些半导体具有较强的温差效应，可以利用它制作半导体制冷剂等；化合物半导体还具有超高速，低功耗，多功能，抗辐射等特性，在智能化，光纤通信等领域具有广泛运用；半导体基片可以实现原器件集中制作在一个芯片上，于是产生了各种规模的集成电路，正是由于半导体材料的各种各样的特性使得半导体材料拥有多种多样的用途，在科技发展和人们的生活中起到十分重要的作用。
2 半导体的分类与制备
2．1 半导体的分类
半导体材料是导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。半导体材料是一类具有半导体性能、可用来制作半导体器件和集成电的电子材料，电阻率约在1mΩ·cm～1GΩ·cm范围内。 半导体材料可按化学组成来分，再将结构与性能比较特殊的非晶态与液态半导体单独列为
一类。按照这样分类方法可将半导体材料分为元素半导体、化合物半导体、有机半导体、固溶体半导体和非晶态与液态半导体。元素半导体大约有十几种，处于ⅢA族—ⅦA族的金属元素与非金属元素交界处，如Ge，Si，Se，Te等；化合物半导体分为二元化合物半导体和多元化合物半导体；有机半导体分为有机分子晶体、有机分子络合物、和高分子聚合物，一般指具有半导体性质的碳-碳双键有机化合物，电导率为10-10~102Ω·cm。固溶体半导体是由两个或多个晶格结构类似的元素化合物相融合而成，有二元系和三元系之分，如ⅣA-ⅣA组成的Ge-Si固溶体，ⅤA-ⅤA组成的Bi-Sb固溶体。原子排列短程有序、长程无序的半导体成为非晶态半导体，主要有非晶硅、非晶锗等。
2．2半导体的制备
不同的半导体器件对半导体材料有不同的形态要求，包括单晶的切片、磨片、抛光片、薄膜等。半导体材料的不同形态要求对应不同的加工工艺。常用的半导体材料制备工艺有提纯、单晶的制备和薄膜外延生长。
所有的半导体材料都需要对原料进行提纯，要求的纯度在6个“9”以上，最高达11个“9”以上。提纯的方法分两大类，一类是不改变材料的化学组成进行提纯，称为物理提纯；另一类是把元素先变成化合物进行提纯，再将提纯后的化合物还原成元素，称为化学提纯。物理提纯的方法有真空蒸发、区域精制、拉晶提纯等，使用最多的是区域精制。化学提纯的主要方法有电解、络合、萃取、精馏等，使用最多的是精馏。由于每一种方法都有一定的局限性，因此常使用几种提纯方法相结合的工艺流程以获得合格的材料。
绝大多数半导体器件是在单晶片或以单晶片为衬底的外延片上做出的。成批量的半导体单晶都是用熔体生长法制成的。直拉法应用最广，80%的硅单晶、大部分锗单晶和锑化铟单晶是用此法生产的，其中硅单晶的最大直径已达300毫米。在熔体中通入磁场的直拉法称为磁控拉晶法，用此法已生产出高均匀性硅单晶。在坩埚熔体表面加入液体覆盖剂称液封直拉法，用此法拉制砷化镓、磷化镓、磷化铟等分解压较大的单晶。悬浮区熔法的熔体不与容器接触，用此法生长高纯硅单晶。水平区熔法用以生产锗单晶。水平定向结晶法主要用于制备砷化镓单晶，而垂直定向结晶法用于制备碲化镉、砷化镓。用各种方法生产的体单晶再经过晶体定向、滚磨、作参考面、切片、磨片、倒角、抛光、腐蚀、清洗、检测、封装等全部或部分工序以提供相应的晶片。在单晶衬底上生长单晶薄膜称为外延。外延的方法有气相、液相、固相、分子束外延等。工业生产使用的主要是化学气相外延，其次是液相外延。金属有机化合物气相外延和分子束外延则用于制备量子阱及超晶格等微结构。非晶、微晶、多晶薄膜多在玻璃、陶瓷、金属等衬底上用不同类型的化学气相沉积、磁控溅射等方法制成。 3 半导体材料的应用
3.1元素半导体材料
硅在当前的应用相当广泛，他不仅是半导体集成电路，半导体器件和硅太阳能电池的基础材料，而且用半导体制作的电子器件和产品已经大范围的进入到人们的生活，人们的家用电器中所用到的电子器件80%以上与案件都离不开硅材料。锗是稀有元素，地壳中的含量较少，由于锗的特有性质，使得它的应用主要集中与制作各种二极管，三极管等。而以锗制作的其他钱江如探测器，也具有许多的优点，广泛的应用于多个领域。
有机半导体材料具有热激活电导率，如萘蒽，聚丙烯和聚二乙烯苯以及碱金属和蒽的络合物，有机半导体材料可分为有机物，聚合物和给体受体络合物三类。有机半导体芯片等产品的生产能力差，但是拥有加工处理方便，结实耐用，成本低廉，耐磨耐用等特性。
3.3非晶半导体材料
非晶半导体按键合力的性质分为共价键非晶半导体和离子键非晶半导体两类，可用液相快冷方法和真空蒸汽或溅射的方法制备。在工业上，非晶半导体材料主要用于制备像传感器，太阳能电池薄膜晶体管等非晶体半导体器件。
3.3.4化合物半导体材料
化合物半导体材料种类繁多，按元素在周期表族来分类，分为三五族，二六族，四四族等。如今化合物半导体材料已经在太阳能电池，光电器件，超高速器件，微波等领域占据重要位置，且不同种类具有不同的应用。
总之，半导体材料的发展迅速，应用广泛，随着时间的推移和技术的发展，半导体材料的应用将更加重要和关键，半导体技术和半导体材料的发展也将走向更高端的市场。 4 半导体材料的发展趋势
电子信息材料的总体发展趋势是向着大尺寸、高均匀性、高完整性、以及薄膜化、多功能化和集成化方向发展。当前的研究热点和技术前沿包括柔性晶体管、光子晶体、SiC、GaN、ZnSe等宽禁带半导体材料为代表的第三代半导体材料、有机显示材料以及各种纳米电子材料等。
随着电子学向光电子学、光子学迈进，微电子材料在未来5～10年仍是最基本的信息材料。电子、光电子功能单晶将向着大尺寸、高均匀性、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发展。半导体微电子材料由单片集成向系统集成发展。
微电子技术发展的主要途径是通过不断缩小器件的特征尺寸，增加芯片面积以提高集成度和信息处理速度，由单片集成向系统集成发展。
1、Si、GaAs、InP等半导体单晶材料向着大尺寸、高均质、晶格高完整性方向发展。椎8英寸硅芯片是目前国际的主流产品，椎12英寸芯片已开始上市，GaAs芯片椎4英寸已进入大批量生产阶段，并且正在向椎6英寸生产线过渡；对单晶电阻率的均匀性、杂质含量、微缺陷、位错密度、芯片平整度、表面洁净度等都提出了更加苛刻的要求。
2、在以Si、GaAs为代表的第一代、第二代半导体材料继续发展的同时，加速发展第三代半导体材料——宽禁带半导体材料SiC、GaN、ZnSe、金刚石材料和用SiGe/Si、SOI等新型硅基材料大幅度提高原有硅集成电路的性能是未来半导体材料的重要发展方向。
3、继经典半导体的同质结、异质结之后，基于量子阱、量子线、量子点的器件设计、制造和集成技术在未来5～15年间，将在信息材料和元器件制造中占据主导地位，分子束外延 MBE 和金属有机化合物化学汽相外延 MOCVD 技术将得到进一步发展和更加广泛的应用。
4、高纯化学试剂和特种电子气体的纯度要求将分别达到lppb～0.1ppb和6N级以上，0.5μm以上的杂质颗粒必须控制在5个/毫升以下，金属杂质含量控制在ppt级，并将开发替代有毒气体的新品种电子气体。
参考文献：
[1]周立军 半导体材料的发展及现状 半导体情报 第38卷第1期 2001年2月
[2]葛生燕 刘辉 半导体材料的探析与运用 科技向导 2010年第5期（上）
[3]靳晓宇 半导体材料的应用与发展研究 大众商务 2009年6月（总第102期）
[4]王占国 半导体材料研究的新进展 半导体技术 第27卷第3期 2002年3月
[5] 王占国 纳米半导体材料的制备技术 微纳电子技术 2002年第1期 2002年2月
[6]郝斌 温凯 浅谈化合物半导体材料 电脑知识与技术 第6卷第5期 2010年 2月
[7]彭杰 浅析几种半导体材料的应用与发展 硅谷 2008年第10期 2008年 [9]梁俊吾 中国半导体的创新发展之路 中国工程院化工、冶金与材料工程学部第五届学术会议会议论文 2005年