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1、3.1.1 半导体材料的发展半导体材料的发展按功能和应用分按功能和应用分微电子半导体微电子半导体光电半导体光电半导体热电半导体热电半导体微波半导体微波半导体气敏半导体气敏半导体（ZnO,SnO2） 微波半导体材料宽带隙半导体微波器件 近年来,以SiC、GaN和半导体金刚石为代表的宽带隙半导体微波器件的研究开发引入注目。这类器件适宜在高频、高温(500)、强辐射环境下工作,具有优异的微波功率性能,其中以SiC的器件技术最为成熟。按组成分：按组成分：无机半导体：元素、化合物无机半导体：元素、化合物（Si,Ge,GaAs, InP，GaN,SiC 等）等）有机半导体（酞菁类及多环、有机半导体（酞菁类
2、及多环、稠环化合物，聚乙炔）稠环化合物，聚乙炔）按结构分按结构分:晶体：晶体：单晶单晶体、体、多晶多晶体体（规则外形，各向异性（规则外形，各向异性/各向同各向同性，有固定的熔点）性，有固定的熔点）非晶非晶、无定形、无定形（无规则外形，各向同性，（无规则外形，各向同性，只有玻璃化温度）只有玻璃化温度）讨讨 论论1、单晶硅（s-Si）、多晶硅（p-Si）与非晶硅（a-Si）在结构与性能上的差异 Single Crystal Silicon; Polycrystalline Silicon and Amorphous Silicon2、应用举例The most important and funda
3、mental electronic materials and devices（电子材料与器件）; photoelectronic devices（光电器件）; Solar Cells（太阳能电池）; Photovoltaic Cells (光伏电池)Integrated Circuit (IC，集成电路), etc. 3.1.1.1 无机半导体晶体材料无机半导体晶体材料无机半导体晶体材料无机半导体晶体材料元素半导体元素半导体化合物半导体化合物半导体固溶体半导体固溶体半导体(Si1-xGex；GaP1-xAs)GeSe(硒)SiCBTe（碲）PSbAs元素半导体SISn熔点太高、熔点太高、不易
4、制成不易制成单晶单晶不稳定、不稳定、易挥发易挥发低温某低温某种固相种固相稀稀少少(1)元素半导体晶体元素半导体晶体化合物化合物半导体半导体-族族-族族金金属氧化物属氧化物-族族-族族-族族InP、GaP、GaAs、InSb、InAsCdS、CdTe、CdSe、ZnSSiCGeS、SnTe、GeSe、PbS、PbTeAsSe3、AsTe3、AsS3、SbS3CuO2、ZnO、SnO2(2)化合物半导体及固溶体半导体化合物半导体及固溶体半导体 过过渡渡金金属属氧氧化化物物半半导导体体：有有ZnO、SnO2、V2O5、Cr2O3、Mn2O3、FeO、CoO、NiO等。等。尖尖晶晶石石型型化化合合物物
5、（磁磁性性半半导导体体）：主主要要有有CdCr2S4、CdCr2Se4、HgCr2S4等。等。稀稀土土氧氧、硫硫、硒硒、碲碲化化合合物物：有有EuO、EuS、EuSe、EuTe 等。等。(铕铕) (1)非晶非晶Si、非晶、非晶Ge以及非晶以及非晶Te、Se元素元素半半 导体导体 (2)化合物有化合物有GeTe、As2Te3、Se4Te、 Se2As3、As2SeTe非晶半导体非晶半导体3.1.1.2 非晶态半导体非晶态半导体有机半导体有机半导体 酞菁类及一些多环、稠环化合物，酞菁类及一些多环、稠环化合物，聚乙炔和环化脱聚丙烯腈等导电高分聚乙炔和环化脱聚丙烯腈等导电高分子，他们都具有大子，他们都
6、具有大键结构。键结构。 3.1.1.3 有机半导有机半导体体高分子聚合物高分子聚合物有机分子晶体有机分子晶体有机分子络合物有机分子络合物3.1.2 半导体材料的地位半导体材料的地位国民经济国民经济国家安全国家安全科学技术科学技术半导体微电子和光电子材料半导体微电子和光电子材料通信、高速计算、大容量信息处理、空间防御、电子对抗、武器装备的微型化（微电子机械系统MEMS）、智能化 半导体的发展半导体的发展萌萌芽芽期期成长期成长期成熟期成熟期衰退期1874年年 F.Braun金属半导体接触金属半导体接触氧化铜、硒氧化铜、硒整流器、曝光计整流器、曝光计1879年年Hall效应效应K.Beadeker半
7、导半导体中有两种不同体中有两种不同类型的电荷类型的电荷 1948年年 Shockley ，Bardeen, Brattain锗晶体管锗晶体管 (transistor)点接触式的点接触式的硅硅检波器检波器1940187019301950萌萌芽芽期期硅硅晶体晶体管管第一个点接触式的第一个点接触式的晶体管晶体管 (transistor)成为现代电子成为现代电子工业的基础工业的基础Ge 晶体管晶体管获获1956年诺贝尔物理奖年诺贝尔物理奖1955年德国西门子年德国西门子氢还原三氯硅烷法氢还原三氯硅烷法制得高纯硅制得高纯硅1950年年直拉法（直拉法（CZ）较大的锗单晶较大的锗单晶1952年年直拉法直拉法
8、第一根硅单晶第一根硅单晶1957年年 第一颗砷化镓第一颗砷化镓镓单晶诞生镓单晶诞生19601950进进入入成成长长期期1952年年H.Welker发现发现-族化族化合物合物 1958年无年无位错硅单位错硅单晶晶1963年年 用液相外延法（用液相外延法（LPE）生长）生长长砷化镓外延层，长砷化镓外延层，半导体激光器半导体激光器1963年砷化镓年砷化镓微波振荡效应微波振荡效应19701960硅外延硅外延技技Epitaxy1965年发明氧年发明氧化硼液封直拉法化硼液封直拉法(LECZ)砷化镓单砷化镓单晶晶分子束外延分子束外延MBE(Molecular Beam Epitaxy)金属有机化学汽相沉积金
9、属有机化学汽相沉积MOCVD(Meta-Organic Chemical Vapor Deposition)半导体超晶格、量子阱材料半导体超晶格、量子阱材料（Super-lattice, Quantum Wells)杂质工程杂质工程(Doping Engineering)能带工程能带工程(Gap Engineering)电学特性和光学特性可裁剪电学特性和光学特性可裁剪(Tailored)几种主要半导体的发展现状与趋势几种主要半导体的发展现状与趋势 硅硅增大直拉硅（增大直拉硅（CZ-Si）单晶的直径）单晶的直径(400 mm)仍是今后仍是今后CZ-Si发展的总趋势。发展的总趋势。注：注：Czoc
10、hralski Si单晶8英寸英寸（200mm）已实现大规模工业生产12英寸英寸（300mm）2005年全球16个工厂18英寸英寸(450mm)2007年投入生产27英寸英寸(675mm)研制正在积极筹划 GaAs和和 InP单晶单晶世界世界GaAs单晶的总年产量已超过单晶的总年产量已超过200吨。吨。（日本（日本1999年的年的GaAs单晶的生产量为单晶的生产量为94吨，吨， InP为为27吨）。吨）。以以低低位位错错密密度度生生长长的的23英英寸寸的的导导电电GaAs衬衬底材料为主。底材料为主。 研研制制直直径径3英英寸寸以以上上大大直直径径的的InP 单单晶晶的的关关键键技技术术尚尚未未
11、完完全全突突破破，价价格居高不下。格居高不下。 InP比比GaAs 具有更优越的高频性能，具有更优越的高频性能， 发展的速度更快；发展的速度更快；但不幸的是但不幸的是讨论：讨论：Si与与III-V族化合物半导体的族化合物半导体的区别区别带隙宽(Larger Forbidden Gap, Eg)，适于高温器件应用；载流子迁移率高（Higher Carrier Mobility，e/ h ）;适于高频高速应用；直接跃迁型(Direct Transition)，光电转换效率高。半导体超晶格、量子阱半导体超晶格、量子阱(Semiconductor Superlattice, Quantum Wells
12、) III-V族超晶格、量子阱材料族超晶格、量子阱材料 GaAlAs/GaAs，GaInAs/GaAs， AlGaInP/GaAs； GaInAs/InP，AlInAs/InP， InGaAsP/InP等等GaAs、InP基晶格匹配和基晶格匹配和应变补偿材料体系已发展得相当成熟。应变补偿材料体系已发展得相当成熟。已成功地用来制造超高速、超高频微电子器已成功地用来制造超高速、超高频微电子器件和单片集成电路。件和单片集成电路。延伸阅读半导体超晶格材料 超晶格材料是两种不同组元以几个纳米到几十个纳米的薄层交超晶格材料是两种不同组元以几个纳米到几十个纳米的薄层交替生长并保持严格周期性的多层膜，事实上就
13、是特定形式的层状精细复合替生长并保持严格周期性的多层膜，事实上就是特定形式的层状精细复合材料材料。科学界对许多种材料间组成的超晶格进行过大量的实验研究，表明的确存在两种组元单独存在时所没有的性质，其中半导体超晶格研究目前最为系统和深入，可望成为新一代的微电子、光电子材料。 最初的半导体超晶格是由砷化镓和镓铝砷两种半导体薄膜交替生长而成的。当前半导体超晶格材料的种类已扩展到铟砷镓锑、铟铝砷铟镓砷、碲镉碲汞、锑铁锑锡碲等多种。组成材料的种类也由化合物半导体扩展到锗、硅等元素半导体，特别的是近年来发展起来的硅锗硅应变超晶格，由于它可与当前硅的平面工艺相容和集成，格外受到重视，甚至被誉为新一代硅材料。
14、目前已利用这种材料试制了调制掺杂场效应晶体管（MDFET）。在集成光电子学中，为了在硅芯片上制造锗检波管，可以用这种超晶格材料来作为过渡，使能隙逐渐缩小到锗的能隙。 半导体超晶格结构不仅给材料物理带来了新面貌，而且促进了新一代半导体器件的产生，除可制备高电子迁移率晶体管、调制掺杂的场效应管、高效激光器、红外探测器外，还能制备先进的雪崩型光电探测器和实空间的电子转移器件，并正在设计微分负阻效应器件、隧道热电子效应器件等，它们将被广泛地应用于雷达、电子对抗、空间技术等领域。 延伸阅读：量子阱延伸阅读：量子阱 量子阱是指由2种不同的半导体材料相间排列形成的、具有明显量子限制效应的电子或空穴的势阱。量
15、子肼的最基本特征是，由于量子阱宽度(只有当阱宽尺度足够小时才能形成量子阱)的限制，导致载流子波函数在一维方向上的局域化。在由2种不同半导体材料薄层交替生长形成的多层结构中，如果势垒层足够厚，以致相邻势阱之间载流子波函数之间耦合很小，则多层结构将形成许多分离的量子阱，称为多量子阱。如果势垒层很薄，相邻阱之间的耦合很强，原来在各量子阱中分立的能级将扩展成能带(微带)，能带的宽度和位置与势阱的深度、宽度及势垒的厚度有关，这样的多层结构称为超晶格。具有超晶格特点的结构有时称为耦合的多量子阱。量子肼中的电子态、声子态和其他元激发过程以及它们之间的相互作用，与三维体状材料中的情况有很大差别。在具有二维自由
16、度的量子阱中，电子和空穴的态密度与能量的关系为台阶形状。而不是象三维体材料那样的抛物线形状。 量子阱的制备通常是通过将一种材料夹在两种材料（通常是宽禁带材料）之间而形成的。比如两层砷化铝之间夹着砷化镓。一般这种材料可以通过MBE（分子束外延）或者CVD（化学气相沉积）的方法来制备。 目前硅基材料研究的主流：目前硅基材料研究的主流：GeSi/Si应应变变层层超超晶晶格格材材料料 新新一一代移动通信。代移动通信。硅基应变异质结构材料硅基应变异质结构材料Si/GeSi MOSFET 的最高截止频率已达的最高截止频率已达200GHz，噪音在，噪音在10GHz下为下为0.9dB，其，其性能可与性能可与G
17、aAs器件相媲美。器件相媲美。应变超晶格一维量子线、零维量子点一维量子线、零维量子点基于基于 低维新型半导体材料低维新型半导体材料 人工构造（通过能带工程实施）人工构造（通过能带工程实施） 新一代量子器件的基础新一代量子器件的基础非线性光学效应非线性光学效应量子尺寸效应量子尺寸效应量子干涉效应量子干涉效应量子隧穿效应量子隧穿效应1994年，俄德联合小组首先研制成功年，俄德联合小组首先研制成功 InAs/GaAs量子点材料，量子点材料，1996年，量子点激光器室温连续输出功率达年，量子点激光器室温连续输出功率达 1W，阈值电流密度为，阈值电流密度为290A/cm2，1998年，年，量子点激光器室
18、温连续输出功率量子点激光器室温连续输出功率达达 1.5W。2000年初，中科院半导体所研制成功室温年初，中科院半导体所研制成功室温 双面双面CW输出输出3.62W、工作波、工作波 长为长为960nm左右的量子点激左右的量子点激 光器，为目前国际报道的最好光器，为目前国际报道的最好 结果之一。结果之一。1994年，日本年，日本NTT 研制成功沟道长度为研制成功沟道长度为 30nm 纳米单电子晶体管纳米单电子晶体管,并在并在 150K观察到栅控源观察到栅控源-漏电流振荡。漏电流振荡。1998年，年，Yauo等人采用等人采用0.25mm工艺技术工艺技术 实现了实现了128Mb的单电子存储器原的单电子
19、存储器原 型样机的制造，这是单电子器件型样机的制造，这是单电子器件 在高密度存储电路的应用方面迈在高密度存储电路的应用方面迈 出的关键一步。出的关键一步。1997年，美国又报道了可在室温工作的单年，美国又报道了可在室温工作的单 电子开关器件。电子开关器件。宽带隙半导体材料宽带隙半导体材料金刚石金刚石碳化硅碳化硅III族氮化物、立方氮化硼族氮化物、立方氮化硼II-VI族硫、锡、碲化物、氧化物及固溶体等族硫、锡、碲化物、氧化物及固溶体等 高频大功率、耐高温、抗辐射半导体微电子高频大功率、耐高温、抗辐射半导体微电子 器件和电路的理想材料器件和电路的理想材料 通信、汽车、航空、航天、石油开采及国防通信、汽车、航空、航天、石油开采及国防特别特别SiC、GaN 和金刚石薄膜等材料的特点和金刚石薄膜等材料的特点 高热导率高热导率 高电子饱和漂移速度高电子饱和漂移速度 大临界击穿电压大临界击穿电压公司公司6-、4-单晶尺寸随年度的变化单晶尺寸随年度的变化
