半導體材料的淺釋

李 翔，曹燦華，翟 堃，喬榮學

重慶郵電大學光電工程學院，重慶 400065

1 半導體材料在科學技術中的地位

1）從歷史發展角度來看，電子技術是科學技術現代化的基礎之一。科學技術從傳統的手動機械模式逐漸變化到現在的技術的電子自動化。事實上，現代科學技術的一個顯著特征是電子技術化，電子技術滲透到國民經濟各個領域。電子工業的興起，引起了國民經濟各部門廣泛而深刻的技術革新和技術革命。然而，電子技術中起主要作用的是電子設備和儀表的心臟——用半導體材料品片所制成的元件。現代電子工業的顯著特征是半導體化。半導體材料是電子工業的基礎，它是電子工業最重要的原材料。由此可見，半導體材料在科學技術現代化小起著何等重大的作用，處于何等重要的地位。

2）從現代科學技術發展的角度來看，從本世紀中期開始，硅材料的發現和以及五十年代初期的以硅為基礎的集成電路的發展，導致了電子工業大革命。今天，因特網、計算機用戶，這與現代微電子技術的發展是密不可分的，也就是以硅為半導體材料技術的發展，徹底地改變了世界的政治、經濟的格局，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的發展來看，半導體材料的發展對高速計算、大容量信息通信、存儲、處理、電子對抗、武裝設備的微型化和國民經濟的發展都有非常重要的意義。

2 半導體材料的發展與分類

2.1 半導體材料的發展簡史

世界各國研制半導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世紀人們普遍認為，具有負的溫度系數，電阻率大約，通常具有很高的熱電勢同時具有整流效應和光敏特性的材料成為半導體材料。國際上于1941年開始用多晶硅材料制成檢波器，可認為是半導體材料應用的開始。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）。硅半導體材料的發展方面，1952年用直拉法成功地拉出世界上第一根硅單晶。60年代初，出現了硅單晶薄層外延技術，特別是硅平面工藝和平面晶體管的出現促使硅材料在單晶制備方面進一步改進和提高。與鍺、硅材料發展并行，化合物半導體材料的研制也早在50年代初就開始了。1952年人們發現量III-V族化合物是一種與鍺性質類似的半導體材料。90年代以來隨著移動通信技術的飛速發展，砷化鎵和磷化銦等半導體材料得成為焦點，用于制作高速、高頻、大功率及發光電子器件等；近些年，新型半導體材料的研究得到突破，以氮化鎵為代表的先進半導體材料開始體現出其超強優越性，被稱為IT產業新的發動機。

2.2 半導體材料的分類

2.2.1 元素半導體

在周期表中，金屬和非金屬之間有12個元素具有半導體的性質 ，它們是 B、C、Si、Ge、灰Sn、P、灰 As、黑Sb、S、Se、Te、I。它們的大多數都不是穩定的，例如，S、P、灰As都易揮發，灰Sn在低溫下才穩定。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體性質，系層狀結構難以獲得單晶。硅具有優良的半導體性質，是現代最重要的半導體材料，另外，鍺也是重要的半導體材料之一等等。

2.2.2 “化合物”半導體

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。因此化合物半導體材料由此產生，以 GaAs、GaN、SiC為代表的的化合物半導體是目前應用最廣泛，發展最快。化合物半導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）肖特基勢壘特性優越，容易實現良好的柵控特性的ME結構；3）禁帶寬度大，可以在 Si器件難以工作的高溫領域工 。現在化合物 半導體材料已廣泛應用。

2.2.3 “固溶”半導體

由兩個或兩個以上的元素構成的具有足夠的含量的固體溶液，如果具有半導體性質，就稱為固溶半導體，簡稱固溶體或混晶。因為不可能作出絕對純的物質，材料經提純后總要殘留一定數兩的雜質，而且半導體材料還要有意地摻入一定的物質。固溶體是靠其價鍵按一定的化學配比構成的。固溶體在其固溶度范圍內，其組成元素的含量可連續變化，其半導體性質也隨之變化，固溶體增加了材料的多樣性，為應用提供了更多的選擇。

3 半導體材料的發展展望

1）硅材料作為微電子技術的主導地位，到21世紀中葉都不會改變。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，利用系統集成或微電子混合電路等繼續發展下去。

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體材料中不多的一個極有應用前景的材料。

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

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

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

[3]劉恩科，朱秉升，羅晉生.半導體物理學[M].北京：電子工業出版社，2010.

[4]半導體技術天地.http://www.2ic.cn/html/bbs.html.