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1、半导体材料简介电科08-1半导体概述n自然界的物质、材料按导电能力大小可分为导体、半导体 、和绝缘体三大类。半导体的电导率在1010欧厘米之 间。在一般情况下，半导体电导率随温度的升高而增大， 这与金属 导体恰好相反。n凡具有上述两种特征的材料都可归入半导体材料的范围。 反映半导体内在基本性质的却是各种外界因素如光、热、 磁、电等作用于半导体而引起的物理效应和现象，这些可 统称为半导体材料的半导体性质。 n构成固态电子器件的基体材料绝大多数是半导体，正是这 些半导体材料的各种半导体性质赋予各种不同类型半导体 器件以不同的功能和特性。 主要种类n半导体材料可按化学组成来分，再将结构 与性能比较特
2、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、无机化合物半导 体、有机化合物半导体和非晶态与液态半 导体。 宽带隙半导体材料 n氮化镓、碳化硅和氧化锌等都是宽带隙半导体材料，因为它的禁带宽 度都在3个电子伏以上，在室温下不可能将价带电子激发到导带。器 件的工作温度可以很高，比如说碳化硅可以工 作到600摄氏度；金刚 石如果做成半导体，温度可以更高，器件可用在石油钻探头上收集相 关需要的信息。它们还在航空航天等恶劣环境中有重要应用。广播电 台、电视台，唯一的大功率发射管还是电子管，没有被半导体器件代 替。这种电子管的寿命只有两三千小时，体积大，且非常耗电；
3、如果 用碳化硅的高功率发射器件，体积至少可以减少几十到上百倍，寿命 也会大大增加，所以高温宽带隙半导体材料是非常重要的新型半导体 材料。现在的问题是这种材料非常难生长，硅上长硅，砷化镓上长 GaAS，它可以长得很好。但是这种材料大多都没有块体材料，只得 用其它材料做衬底去长。比如说氮化镓在蓝宝石衬底上生长，蓝宝石 跟氮化镓的热膨胀系数和晶格常数相差很大，长出来的外延层的缺陷 很多，这是最大的问题和难关。另外这种材料的加工、刻蚀也都比较 困难。目前科学家正在着手解决这个问题。如果这个问题一旦解决， 就可以提供一个非常广阔的发现新材料的空间。 低维半导体材料（1）n实际上这里说的低维半导体材料就是
4、纳米材料，从本质上看，发展纳 米科学技术的重要目的之一，就是人们能在原子、分子或者纳米的尺 度水平上来控制和制造功能强大 性能优越的纳米电子、光电子器件和 电路，纳米生物传感器件等，以造福人类。可以预料，纳米科学技术 的发展和应用不仅将彻底改变人们的生产和生活方式，也必将改变社 会政治格局和战争的对抗形式。这也是为什么人们对发展纳米半导体 技术非常重视的原因。 电子在块体材料里，在三个维度的方向上都可 以自由运动。但当材料的特征尺寸在一个维度上比电子的平均自由程 相比更小的时候，电子在这个方向上的运动会受到限制，电子的能量 不再是连续的，而是量子化的，我们称这种材料为超晶格、量子阱材 料。量子
5、线材料就是电子只能沿着量子线方向自由运动，另外两个方 向上受到限制；量子点材料是指在材料三个维度上的尺寸都要比电子 的平均自由程小，电子在三个方向上都不能自由运动，能量在三个方 向上都是量子化的。 低维半导体材料（2）由于上述的原因，电子的态密度函数也发生了变化，块体材料是抛物线，电 子在这上面可以自由运动；如量子点材料，它的态密度函数就像是单个的分 子、原子那样，完全是孤立的 函数分布，基于这个特点，可制造功能强大的 量子器件。 大规模集成电路的存储器是靠大量电子的充放电实现的。大 量电子的流动需要消耗很多能量导致芯片发热，从而限制了集成度，如果采 用单个电子或几个电子做成的存储器，不但集成
6、度可以提高，而且功耗问题 也可以解决。目前的激光器效率不高，因为激光器的波长随着温度变 化，一 般来说随着温度增高波长要红移，所以现在光纤通信用的激光器都要控制温 度。如果能用量子点激光器代替现有的量子阱激光器，这些问题就可迎刃而 解了。 基于GaAs和InP基的超晶格、量子阱材料已经发展得很成熟，广泛地应用于光 通信、移动通讯、微波通讯的领域。量子级联激光器是一个单极器件，是近 十多年才发展起来的一种新型中、远红外光源，在自由空间通信、红外对抗 和遥控化学传感等方面有着重要应用前景。它对MBE制备工艺要求很高，整 个器件结构几百到上千层，每层的厚度都要控制在零点几个纳米的精度，中 国在此领域
7、做出了国际先进水平的成果；又如多有源区带间量子隧穿输运和 光耦合量子阱激光器，它具有量子效率高、功率大和光束质量好的特点，中 国已有很好的研究基础；在量子点（线）材料和量子点激光器等研究方面也 取得了令国际同行瞩目的成绩。 特性参数n 半导体材料虽然种类繁多但有一些固有的特性，称为半 导体材料的特性参数。这些特性参数不仅能反映半导体材 料与其他非半导体材料之间的差别，而且更重要的是能反 映各种 半导体材料之间甚至同一种材料在不同情况下特 性上的量的差别。常用的半导体材料的特性参数有：禁带 宽度、电阻率、载流子迁移率(载流子即半导体中参加导 电的电子和空穴)、非平衡载流子寿命、位错密度。禁带 宽
8、度由半导体的电子态、原子组态决定，反映组成这种材 料的原子中价电子从束缚状态激发到自由状态所需的能量 。电阻率、载流子迁移率反映材料的导电能力。非平衡载 流子寿命反映半导体材料在外界作用（如光或电场）下内 部的载流子由非平衡状态向平衡状态过渡的弛豫特性。位 错是晶体中最常见的一类晶体缺陷。位错密度可以用来衡 量半导体单晶材料晶格完整性的程度。当然，对于非晶态 半导体是没有这一反映晶格完整性的特性参数的。 早期应用n 半导体的第一个应用就是利用它的整流效应作 为检波器，就是点接 触二极管（也俗称猫胡子检 波器，即将一个金属探针接触在一块半导体上以 检测电磁波）。除了检波器之外，在早期，半导 体还
9、用来做整流器、光伏电池、红外探测器等， 半导体的四个效应都用到了。 从1907年到 1927年，美国的物理学家研制成功晶体整流器、 硒整流器和氧化亚铜整流器。1931年，兰治和伯 格曼研制成功硒光伏电池。1932年，德国先后研 制成功硫化铅、硒化铅和碲化铅等半导体红外探 测器，在二战中用于侦探飞机和船舰。二战时盟 军在半导体方面的研究也取得了很大成效，英国 就利用红外探测器多次侦探到了德国的飞机。 发展现状n相对于半导体设备市场，半导体材料市场长期处 于配角的位置，但随着芯片出货量增长，材料市 场将保持持续增长，并开始摆脱浮华的设备市场 所带来的阴影。按销售收入计算， 日本保持最大 半导体材料
10、市场的地位。然而台湾、ROW、韩国 也开始崛起成为重要的市场，材料市场的崛起体 现了器件制造业在这些地区的发展。晶圆制造材 料市场和封装材料市场双双获得增长，未来增长 将趋于缓和，但增长势头仍将保持。 n 美国半导体产业协会(SIA)预测，2008年半导体市场收入将接近 2670亿美元，连续第五年实现增长。无独有偶，半导体材料市场也在 相同时间内连续改写销售收入和出货量的记录。晶圆制造材料和封装 材料均获得了增长，预计今年这两部分市场收入分别为268亿美元和 199亿美元。日本继续保持在半导体材料市场中的领先地位，消耗量 占总市场的22%。2004年台湾地区超过了北美地区成为第二大半导体 材料
11、市场。北美地区落后于ROW(RestofWorld)和韩国排名第五。 ROW包括新加坡、马来西亚、泰国等东南亚国家和地区。许多新的晶 圆厂在这些地区投资建设，而且每个地区都具有比北美更坚实的封装 基础。 芯片制造材料占半导体材料市场的60%，其中大部分来自硅 晶圆。硅晶圆和光掩膜总和占晶圆制造材料的62%。2007年所有晶圆 制造材料，除了湿化学试剂、光掩模和溅射靶，都获得了强劲增长， 使晶圆制造材料市场总体增长16%。2008年晶圆制造材料市场增长相 对平缓，增幅为7%。预计2009年和2010年，增幅分别为9%和6%。 n 半导体材料市场发生的最重大的变化之一是封 装材料市场的崛起。199
12、8年封装材料市场占半导 体材料市场的33%，而2008年该份额预计可增至 43%。这种变化是由于球栅阵列、芯片级封装和 倒装芯片封装中越来越多地使用碾压基底和先进 聚合材料。随着产品便携性和功能性对封装提出 了更高的要求，预计这些材料将在未来几年内获 得更为强劲的增长。此外，金价大幅上涨使引线 键合部分在2007年获得36%的增长与晶圆制造材 料相似，半导体封装材料在未来三年增速也将放 缓，2009年和2010年增幅均为5%，分别达到209 亿美元和220亿美元。除去金价因素，且碾压衬底 不计入统计，实际增长率为2%至3%。 战略地位n 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 ；20世纪70年代初石英光导纤维材料和GaAs激光 器的发明，促进了光纤通信技术迅速发展并逐步 形成了高新技术产业，使人类进入了信息时代。 超晶格概念的提出及其半导体超晶格、量子阱材 料的研制成功，彻底改变了光电器件的设计思想 ，使半导体器件的设计与制造从“杂质工程”发展 到“能带工程”。纳米科学技术的发展和应用，将 使人类能从原子、分子或纳米尺度水平上控制、 操纵和制造功能强大的新型器件与电路，深刻地 影响着世界的政治、经济格局和军事对抗的形式 ，彻底改变人们的生活方式。 谢谢观赏n特别鸣谢 百度知道
