半導(dǎo)體材料的淺釋

李 翔，曹燦華，翟 堃，喬榮學(xué)

重慶郵電大學(xué)光電工程學(xué)院，重慶 400065

1 半導(dǎo)體材料在科學(xué)技術(shù)中的地位

1）從歷史發(fā)展角度來看，電子技術(shù)是科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化的基礎(chǔ)之一。科學(xué)技術(shù)從傳統(tǒng)的手動機械模式逐漸變化到現(xiàn)在的技術(shù)的電子自動化。事實上，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的一個顯著特征是電子技術(shù)化，電子技術(shù)滲透到國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域。電子工業(yè)的興起，引起了國民經(jīng)濟各部門廣泛而深刻的技術(shù)革新和技術(shù)革命。然而，電子技術(shù)中起主要作用的是電子設(shè)備和儀表的心臟——用半導(dǎo)體材料品片所制成的元件。現(xiàn)代電子工業(yè)的顯著特征是半導(dǎo)體化。半導(dǎo)體材料是電子工業(yè)的基礎(chǔ)，它是電子工業(yè)最重要的原材料。由此可見，半導(dǎo)體材料在科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化小起著何等重大的作用，處于何等重要的地位。

2）從現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的角度來看，從本世紀(jì)中期開始，硅材料的發(fā)現(xiàn)和以及五十年代初期的以硅為基礎(chǔ)的集成電路的發(fā)展，導(dǎo)致了電子工業(yè)大革命。今天，因特網(wǎng)、計算機用戶，這與現(xiàn)代微電子技術(shù)的發(fā)展是密不可分的，也就是以硅為半導(dǎo)體材料技術(shù)的發(fā)展，徹底地改變了世界的政治、經(jīng)濟的格局，也改變了整個世界軍事對抗的形式，同時也深刻影響著人們的生活方式。另外，從近幾十年微電子技術(shù)的發(fā)展來看，半導(dǎo)體材料的發(fā)展對高速計算、大容量信息通信、存儲、處理、電子對抗、武裝設(shè)備的微型化和國民經(jīng)濟的發(fā)展都有非常重要的意義。

2 半導(dǎo)體材料的發(fā)展與分類

2.1 半導(dǎo)體材料的發(fā)展簡史

世界各國研制半導(dǎo)體材料的歷史并不長，僅有三四十年的歷史。我國也僅有30年歷史。18世紀(jì)人們普遍認為，具有負的溫度系數(shù)，電阻率大約，通常具有很高的熱電勢同時具有整流效應(yīng)和光敏特性的材料成為半導(dǎo)體材料。國際上于1941年開始用多晶硅材料制成檢波器，可認為是半導(dǎo)體材料應(yīng)用的開始。此后，1948年～1950年成功地制成了世界第一個具有放大性能的鍺晶體三極管（點接觸三極管）。硅半導(dǎo)體材料的發(fā)展方面，1952年用直拉法成功地拉出世界上第一根硅單晶。60年代初，出現(xiàn)了硅單晶薄層外延技術(shù)，特別是硅平面工藝和平面晶體管的出現(xiàn)促使硅材料在單晶制備方面進一步改進和提高。與鍺、硅材料發(fā)展并行，化合物半導(dǎo)體材料的研制也早在50年代初就開始了。1952年人們發(fā)現(xiàn)量III-V族化合物是一種與鍺性質(zhì)類似的半導(dǎo)體材料。90年代以來隨著移動通信技術(shù)的飛速發(fā)展，砷化鎵和磷化銦等半導(dǎo)體材料得成為焦點，用于制作高速、高頻、大功率及發(fā)光電子器件等；近些年，新型半導(dǎo)體材料的研究得到突破，以氮化鎵為代表的先進半導(dǎo)體材料開始體現(xiàn)出其超強優(yōu)越性，被稱為IT產(chǎn)業(yè)新的發(fā)動機。

2.2 半導(dǎo)體材料的分類

2.2.1 元素半導(dǎo)體

在周期表中，金屬和非金屬之間有12個元素具有半導(dǎo)體的性質(zhì) ，它們是 B、C、Si、Ge、灰Sn、P、灰 As、黑Sb、S、Se、Te、I。它們的大多數(shù)都不是穩(wěn)定的，例如，S、P、灰As都易揮發(fā)，灰Sn在低溫下才穩(wěn)定。硼熔點高，制備單晶困難，而且載流子遷移率很低，對它研究不多。炭的同素異形體金剛石具有很好的半導(dǎo)體性質(zhì)，系層狀結(jié)構(gòu)難以獲得單晶。硅具有優(yōu)良的半導(dǎo)體性質(zhì)，是現(xiàn)代最重要的半導(dǎo)體材料，另外，鍺也是重要的半導(dǎo)體材料之一等等。

2.2.2 “化合物”半導(dǎo)體

由于硅的電子移動速度使得硅 電路傳輸速度慢并且難以改善。因此化合物半導(dǎo)體材料由此產(chǎn)生，以 GaAs、GaN、SiC為代表的的化合物半導(dǎo)體是目前應(yīng)用最廣泛，發(fā)展最快。化合物半導(dǎo)體集成電路的主要特征是超高速、低功耗、多功能、抗輻射。以GaAs為例，通過比較可得，化合物半導(dǎo)體材料具有：1）很高的電子遷移率和電子漂移速度，因此，可以做到更高的工作頻率和更快的工作速度；2）肖特基勢壘特性優(yōu)越，容易實現(xiàn)良好的柵控特性的ME結(jié)構(gòu)；3）禁帶寬度大，可以在 Si器件難以工作的高溫領(lǐng)域工 。現(xiàn)在化合物 半導(dǎo)體材料已廣泛應(yīng)用。

2.2.3 “固溶”半導(dǎo)體

由兩個或兩個以上的元素構(gòu)成的具有足夠的含量的固體溶液，如果具有半導(dǎo)體性質(zhì)，就稱為固溶半導(dǎo)體，簡稱固溶體或混晶。因為不可能作出絕對純的物質(zhì)，材料經(jīng)提純后總要殘留一定數(shù)兩的雜質(zhì)，而且半導(dǎo)體材料還要有意地摻入一定的物質(zhì)。固溶體是靠其價鍵按一定的化學(xué)配比構(gòu)成的。固溶體在其固溶度范圍內(nèi)，其組成元素的含量可連續(xù)變化，其半導(dǎo)體性質(zhì)也隨之變化，固溶體增加了材料的多樣性，為應(yīng)用提供了更多的選擇。

3 半導(dǎo)體材料的發(fā)展展望

1）硅材料作為微電子技術(shù)的主導(dǎo)地位，到21世紀(jì)中葉都不會改變。人們可以利用多種形式，如減小器件尺寸從而提高集成度和功耗，利用系統(tǒng)集成或微電子混合電路等繼續(xù)發(fā)展下去。

2）由于金剛石有著比氮化鎵更大禁帶寬度，可以耐更高的溫度，它的抗腐蝕性能好，可工作在非常惡劣的環(huán)境中，但是這種材料存在主要的一個問題是單晶薄膜生長非常困難，至今沒人制備出來。因此另外，金剛石單晶薄膜也是半導(dǎo)體材料中不多的一個極有應(yīng)用前景的材料。

3）還有一種材料就是基于低維半導(dǎo)體材料的量子器件的研究。據(jù)分析，量子材料的密度函數(shù)與普通材料世界然不同的，隨著材料的尺寸減小，維數(shù)降低，量子尺寸效應(yīng)、量子干涉效應(yīng)、量子遂穿等效應(yīng)變得越來越明顯，這就構(gòu)成了量子器件的基礎(chǔ)。這完全不同于基于PN結(jié)里面電子、空穴的擴散和漂移的器件，它是一種嶄新的材料，有更大的發(fā)展前景。

[1]劉鳳偉.稀有金屬知識半導(dǎo)體材料[M].北京：國防工業(yè)出版社，1981.

[2]郝斌，孟凱.淺談化合物半導(dǎo)體材料[J].電腦知識與技術(shù)，2010(5).

[3]劉恩科，朱秉升，羅晉生.半導(dǎo)體物理學(xué)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[4]半導(dǎo)體技術(shù)天地.http://www.2ic.cn/html/bbs.html.