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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划半导体材料对科技发展的影响几种半导体材料的现状与发展趋势摘要：本文重点对半导体硅材料，gaas和inp单晶材料，半导体超晶格、量子阱材料，一维量子线、零维量子点半导体微结构材料等目前达到的水平和器件应用概况及其发展趋势作了概述。关键词：半导体材料量子线量子点材料上世纪中叶，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；上世纪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。纳米科学技术
2、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，必将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。一、硅材料从提高硅集成电路成品率，降低成本看，增大直拉硅单晶的直径和减小微缺陷的密度仍是今后cz-si发展的总趋势。目前直径为8英寸的si单晶已实现大规模工业生产，基于直径为12英寸硅片的集成电路技术正处在由实验室向工业生产转变中。目前300mm，m工艺的硅ulsi生产线已经投入生产，300mm，m工艺生产线也将在XX年完成评估。18英寸重达414公斤的硅单晶和18英寸的硅园片已在实验室研制成功，直径27英寸硅单晶研制也正在
3、积极筹划中。从进一步提高硅ics的速度和集成度看，研制适合于硅深亚微米乃至纳米工艺所需的大直径硅外延片会成为硅材料发展的主流。另外，soi材料，包括智能剥离和simox材料等也发展很快。目前，直径8英寸的硅外延片和soi材料已研制成功，更大尺寸的片材也在开发中。理论分析指出30nm左右将是硅mos集成电路线宽的“极限”尺寸。这不仅是指量子尺寸效应对现有器件特性影响所带来的物理限制和光刻技术的限制问题，更重要的是将受硅、sio2自身性质的限制。尽管人们正在积极寻找高k介电绝缘材料，低k介电互连材料，用cu代替al引线以及采用系统集成芯片技术等来提高ulsi的集成度、运算速度和功能，但硅将最终难以
4、满足人类不断的对更大信息量需求。为此，人们除寻求基于全新原理的量子计算和dna生物计算等之外，还把目光放在以gaas、inp为基的化合物半导体材料，特别是二维超晶格、量子阱，一维量子线与零维量子点材料和可与硅平面工艺兼容gesi合金材料等，这也是目前半导体材料研发的重点。二、gaas和inp单晶材料gaas和inp与硅不同，它们都是直接带隙材料，具有电子饱和漂移速度高，耐高温，抗辐照等特点；在超高速、超高频、低功耗、低噪音器件和电路，特别在光电子器件和光电集成方面占有独特的优势。目前，世界gaas单晶的总年产量已超过200吨，其中以低位错密度的垂直梯度凝固法和水平方法生长的2-3英寸的导电ga
5、as衬底材料为主；近年来，为满足高速移动通信的迫切需求，大直径的si-gaas发展很快。美国莫托罗拉公司正在筹建6英寸的si-gaas集成电路生产线。inp具有比gaas更优越的高频性能，发展的速度更快，但研制直径3英寸以上大直径的inp单晶的关键技术尚未完全突破，价格居高不下。一，半导体材料概述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路的电子材料，其电导率在1010欧姆/厘米范围内。正是利用半导体材料的这些性质，才制造出功能多样的半导体器件。半导体材料是半导体工业的基础，它的发展对半导体技术的发展有极大的影响。半导体材料的分类半导体材料按化学成分和内部结构，大致可分为以下
6、几类。1、化合物半导体由两种或两种以上的元素化合而成的半导体材料。它的种类很多，重要的有砷化镓、磷化铟、锑化铟、碳化硅、硫化镉及镓砷硅等。其中砷化镓是制造微波器件和集成电的重要材料。碳化硅由于其抗辐射能力强、耐高温和化学稳定性好，在航天技术领域有着广泛的应用。2、无定形半导体材料用作半导体的玻璃是一种非晶体无定形半导体材料，分为氧化物玻璃和非氧化物玻璃两种。这类材料具有良好的开关和记忆特性和很强的抗辐射能力，主要用来制造阈值开关、记忆开关和固体显示器件。3、元素半导体有锗、硅、硒、硼、碲、锑等。50年代，锗在半导体中占主导地位，但锗半导体器件的耐高温和抗辐射性能较差，到60年代后期逐渐被硅材料
7、取代。用硅制造的半导体器件，耐高温和抗辐射性能较好，特别适宜制作大功率器件。因此，硅已成为应用最多的一种半导体材料，目前的集成电路大多数是用硅材料制造的。4、有机增导体材料已知的有机半导体材料有几十种，包括萘、蒽、聚丙烯腈、酞菁和一些芳香族化合物等，目前尚未得到应用。半导体材料的特性参数对于材料应用甚为重要。因为不同的特性决定不同的用途。半导体材料特性半导体材料的导电性对某些微量杂质极敏感。纯度很高的半导体材料称为本征半导体，常温下其电阻率很高，是电的不良导体。在高纯半导体材料中掺入适当杂质后，由于杂质原子提供导电载流子，使材料的电阻率大为降低。这种掺杂半导体常称为杂质半导体。杂质半导体靠导带
8、电子导电的称N型半导体，靠价带空穴导电的称P型半导体。不同类型半导体间接触或半导体与金属接触时，因电子浓度差而产生扩散，在接触处形成位垒，因而这类接触具有单向导电性。利用PN结的单向导电性，可以制成具有不同功能的半导体器件，如二极管、三极管、晶闸管等。此外，半导体材料的导电性对外界条件的变化非常敏感，据此可以制造各种敏感元件，用于信息转换。半导体材料的特性参数有禁带宽度、电阻率、载流子迁移率、非平衡载流子寿命和位错密度。禁带宽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。二、硅及其重要的化合物制备方法
9、及原理硅硅是一种化学元素，它的化学符号是Si，旧称矽。原子序数14，相对原子质量，有无定形硅和晶体硅两种同素异形体，属于元素周期表上第三周期，IVA族的类金属元素。硅也是极为常见的一种元素，然而它极少以单质的形式在自然界出现，而是以复杂的硅酸盐或二氧化硅的形式，广泛存在于岩石、砂砾、尘土之中。硅在宇宙中的储量排在第八位。在地壳中，它是第二丰富的元素，构成地壳总质量的%，仅次于第一位的氧。高纯硅的制备一般首先由硅石制得工业硅，再制成高纯的多晶硅，最后拉制成半导体材料硅单晶。工业上是用硅石和焦炭以一定比例混合，在电炉中加热至16001800而制得纯度为95%99%的粗硅，其反应如下：SiO2+2C
10、=Si+2CO粗硅中一般含有铁、铝、碳、硼、磷、铜等杂质，这些杂质多以硅化构成硅酸盐的形式存在，为了进一步提高工业粗硅的纯度，可采用酸浸洗法，使杂质大部分溶解。其生产工艺过程是：将粗硅粉碎后，依次用盐酸、王水、混合酸处理，最后用蒸馏水洗至中性，烘干后可得含量为%的工业粗硅。高纯多晶硅的制备方法很多，据不完全统计有十几种，但所有的方法都是从工业硅开始，首先制取既易提纯又易分解的含硅的中间化合物如SiCl4、SiHCl3、SiH4等，再使这些中间化合物提纯、分解或还原成高纯度的多晶硅。目前我国制备高纯硅多晶硅主要采用三氯氢硅氢还原法、硅烷热解法和四氯化硅氢还原法。一般说来，由于三氯氢硅还原法具有一
11、定优点，目前比较广泛的被应用。此外，由于SiH4具有易提纯的特点，因此硅烷热分解法是制备高纯硅的很有发展潜力的方法。下面我们就分别介绍上述三种方法制备高纯硅的化学原理。三氯氢硅还原法三氯氢硅的合成第一步：由硅石制取粗硅硅石和适量的焦炭混合，并在电炉内加热至16001800可制得纯度为95%99%的粗硅。其反应式如下：SiO2+3C=SiC+2CO2SiC+SiO2=3Si+2CO总反应式：SiO2+2C=Si+2CO生成的硅由电炉底部放出，浇铸成锭。用此法生产的粗硅经酸处理后，其纯度可达到%。第二步：三氯氢硅的合成三氯氢硅是由干燥的氯化氢气体和粗硅粉在合成炉中进行合成的。其主要反应式如下：Si
12、+3HCl=SiHCl3+H2三氯氢硅的提纯由合成炉中得到的三氯氢硅往往混有硼、磷、砷、铝等杂质，并且它们是有害杂质，对单晶硅质量影响极大，必须设法除去。近年来三氯氢硅的提纯方法发展很快，但由于精馏法工艺简单、操作方便，所以，目前工业上主要用精馏法。三氯氢硅精馏是利用三氯氢硅与杂质氯化物的沸点不同而分离提纯的。一般合成的三氯氢硅中常含有三氯化硼、三氯化磷、四氯化硅、三氯化砷、三氯化铝等氯化物。其中绝大多数氯化物的沸点与三氯氢硅相差较大，因此通过精馏的方法就可以将这些杂质除去。但三氯化硼和三氯化磷的沸点与三氯氢硅相近，较难分离，故需采用高效精馏，以除去这两种杂质。精馏提纯的除硼效果有一定限度，所
13、以工业上也采用除硼效果较好的络合物法。三氯氢硅沸点低，易燃易爆，全部操作要在低温下进行，一般操作环境温度不得超过25，并且整个过程严禁接触火星，以免发生爆炸性的燃烧。三氯氢硅的氢还原提纯三氯氢硅和高纯氢混合后，通入1150还原炉内进行反应，即可得到硅，总的化学反应是：SiHCl3+H2=Si+3HCl硅烷热分解法生成的高纯多晶硅淀积在多晶硅载体上。高纯硅制备的化学原理硅烷热解法在高纯硅的制备方法中，有发展前途的是硅烷热分解法。这种方法的整个工艺流程可分为三个部分：SiH4的合成、提纯和热分解。硅烷的合成硅化镁热分解生成硅烷是目前工业上广泛采用的方法。硅化镁是将硅粉和镁粉在氢气中加热500550
14、时混合合成的，其反应式如下：2Mg+Si=Mg2Si然后使硅化镁和固体氯化铵在液氨介质中反应得到硅烷。Mg2Si+4NH4Cl=SiH4+2MgCl2+4NH3其中液氨不仅是介质，而且它还提供一个低温的环境。这样所得的硅烷比较纯，但在实际生产中尚有未反应的镁存在，所以会发生如下的副反应：Mg+2NH4Cl=MgCl2+2NH3+H2所以生成的硅烷气体中往往混有氢气。生产中所用的氯化铵一定要干燥，否则硅化镁与水作用生成的产物不是硅烷，而是氢气，其反应式如下：2Mg2Si+8NH4Cl+H2O=4MgCl2+Si2H2O3+8NH3+6H2由于硅烷在空气中易燃，浓度高时容易发生爆炸，因此，整个系统必须与氧隔绝，严禁与外界空气接触。硅烷的提纯硅烷在常温下为气态，一般来说气体提纯比液体和固体容易。因为硅烷的生成温度低，大部分金属杂货在这样低的温度下不易形成挥发性的氢化物，而即便能生成，也因其沸点较高难以随硅烷挥发出来，所以硅烷在生成过程中就已经经过一次冷化，有效地除去了那些不生成挥发性氢化物的杂质。硅烷是在液氨中进行的，在低温下乙硼烷与液氨生成难以挥发的络合物而被除去，因而生成的硅烷不合硼杂质，这是硅烷法的优点之一。但硅烷中还有氨、氢及微量磷化氢、硫化氢、砷化氢、锑化氢、甲烷、水等杂质。由于硅烷与它们的沸点相差较大，所以，可用低温液化方法除去水
