探討電子科學(xué)技術(shù)中半導(dǎo)體材料發(fā)展

李萌

摘要：以半導(dǎo)體為材料的產(chǎn)品已廣泛進入生活，發(fā)展半導(dǎo)體材料的應(yīng)用對于現(xiàn)實生活具有十分重要的作用。隨著政府將半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)作為政策重點發(fā)展產(chǎn)業(yè)，半導(dǎo)體國產(chǎn)化勢在必行。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體；材料；芯片；發(fā)展；應(yīng)用；技術(shù)

自然界中的物質(zhì)，根據(jù)其導(dǎo)電性能的差異可劃分為導(dǎo)電性能良好的導(dǎo)體（如銀、銅、鐵等）、幾乎不能導(dǎo)電的絕緣體（如橡膠、陶瓷、塑料等）和半導(dǎo)體（如鍺、硅、砷化鎵等）。半導(dǎo)體是導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的一種物質(zhì)。當今，以半導(dǎo)體材料為芯片的各種產(chǎn)品普遍進入人們的生活，如電視機，電子計算機，電子表，半導(dǎo)體收音機等都已經(jīng)成為我們?nèi)粘Ｋ豢扇鄙俚募矣秒娖鳌０雽?dǎo)體材料為什么在今天擁有如此巨大的作用，這需要我們從了解半導(dǎo)體材料的概念和特性開始。

一、半導(dǎo)體材料分類及發(fā)展簡史

半導(dǎo)體材料（semiconductormaterial）是導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)。半導(dǎo)體材料是一類具有半導(dǎo)體性能、可用來制作半導(dǎo)體器件和集成電的電子材料，其電導(dǎo)率在10（U-3）～10（U-9）歐姆/ 厘米范圍內(nèi)。在某些情況下，半導(dǎo)體具有導(dǎo)電的性質(zhì)。首先，一般的半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率隨溫度的升高迅速增大，各種熱敏電阻的開發(fā)就是利用了這個特性；其次，雜質(zhì)摻入對半導(dǎo)體的性質(zhì)起著決定性的作用，他們可使半導(dǎo)體的特性多樣化，使得PN結(jié)形成，進而制作各種二極管和三極管；再次，半導(dǎo)體的電學(xué)性質(zhì)回因光照引起變化，光敏電阻隨之誕生；一些半導(dǎo)體具有較強的溫差效應(yīng)，可以利用它制作半導(dǎo)體制冷劑等；化合物半導(dǎo)體還具有超高速，低功耗，多功能，抗輻射等特性，在智能化，光纖通信等領(lǐng)域具有廣泛運用；半導(dǎo)體基片可以實現(xiàn)原器件集中制作在一個芯片上，于是產(chǎn)生了各種規(guī)模的集成電路，正是由于半導(dǎo)體材料的各種各樣的特性使得半導(dǎo)體材料擁有多種多樣的用途，在科技發(fā)展和人們的生活中起到十分重要的作用。

1.半導(dǎo)體材料分類。

半導(dǎo)體材料從用途及發(fā)展時間來劃分，可分為第一代、第二代和第三代。第一代為硅材料，第二代為化合物半導(dǎo)體，代表者砷化鎵，第三代為碳化硅及氮化鎵。

半導(dǎo)體材料也可按化學(xué)組成來分，再將結(jié)構(gòu)與性能比較特殊的非晶態(tài)與液態(tài)半導(dǎo)體單獨列為一類。按照這樣分類方法可將半導(dǎo)體材料分為元素半導(dǎo)體、無機化合物半導(dǎo)體、有機化合物半導(dǎo)體和非晶態(tài)與液態(tài)半導(dǎo)體。還包括固溶體半導(dǎo)體，超晶格半導(dǎo)體等，不同的分類方法有著不同的劃分不同的半導(dǎo)體材料擁有著獨自的特點，在他們使用的領(lǐng)域都起著重要的作用。

2.半導(dǎo)體材料的發(fā)展歷程。

半導(dǎo)體材料從發(fā)現(xiàn)到發(fā)展，從使用到創(chuàng)新，擁有這一段長久的歷史。宰二十世紀初，就曾出現(xiàn)過點接觸礦石檢波器。1930年，氧化亞銅整流器制造成功并得到廣泛應(yīng)用，是半導(dǎo)體材料開始受到重視。1947年鍺點接觸三極管制成，成為半導(dǎo)體的研究成果的重大突破。50年代末，薄膜生長激素的開發(fā)和集成電路的發(fā)明，是的微電子技術(shù)得到進一步發(fā)展。60年代，砷化鎵材料制成半導(dǎo)體激光器，固溶體半導(dǎo)體此阿里奧在紅外線方面的研究發(fā)展，半導(dǎo)體材料的應(yīng)用得到擴展。1969年超晶格概念的提出和超晶格量子阱的研制成功，是的半導(dǎo)體器件的設(shè)計與制造從雜志工程發(fā)展到能帶工程，將半導(dǎo)體材料的研究和應(yīng)用推向了一個新的領(lǐng)域。90年代以來隨著移動通信技術(shù)的飛速發(fā)展，砷化鎵和磷化煙等半導(dǎo)體材料成為焦點，用于制作高速高頻大功率激發(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)出超強優(yōu)越性，被稱為IT產(chǎn)業(yè)的新發(fā)動機。

（1）中國第一代半導(dǎo)體材料的發(fā)展。

第一階段：國家軍工航天需要。翻閱我國的半導(dǎo)體材料發(fā)展史，可以追溯到上個世紀的六、七十年代，那個時候為了制造火箭，為了制造衛(wèi)星（筆者的導(dǎo)師正是那個年代參與了這些），在科研院所和大學(xué)展開了對第一代半導(dǎo)體材料的研究。這里贅述下我們的前輩是如何研制出我國第一代探測級的硅材料的過程。

過去要做出探測級的硅材料，想要去簡單山寨國外的西門子法是幾乎不可能的。原因有二：其一，技術(shù)封鎖，知識傳播途徑靠的圖書文字及縮微膠卷，那個年代特有的稱謂：情報所（現(xiàn)在我們叫數(shù)據(jù)庫）；其二，西門子也都還在改良階段。西門子法需要有完善的有機硅工業(yè)做基礎(chǔ)，包括電解工業(yè)，氯化氫合成工藝、氯硅烷流化床合成等等，工藝鏈太長，需要攻克的基礎(chǔ)工業(yè)和設(shè)備等太多，所以我們選擇了硅鎂合金法，一步反應(yīng)制備硅烷，直接CVD（chemical vapor deposition 化學(xué)氣相沉積法）制備多晶硅，再由多晶硅拉制單晶做成二極管和其他器件供航天工業(yè)使用。再后來，國內(nèi)起八十年代也是像本世紀的近十年一樣，各地大上多晶硅項目，最后在美日德的聯(lián)合傾銷圍剿下只剩下峨半和洛陽中硅了。完全出于國家戰(zhàn)略需要而保留。

第二階段：可再生新能源光伏產(chǎn)業(yè)需要。從2005年開始，石油暴漲，世界能源緊張及氣候變化等等因素，導(dǎo)致2006年中國的首富是江蘇無錫的施正榮。此時，無論是國企還是民營老板，在利益和國家導(dǎo)向的驅(qū)動下，全國各地大上多晶硅。此時，國內(nèi)的千噸級多晶硅工廠為零，于是動用國家力量，從俄羅斯引進了第一條年產(chǎn)1500的多晶硅生產(chǎn)線。而民企也是八仙過海，最著名的莫過于從峨半挖人，四川省政府直接機場抓人，堪比美國大片，當年的這些江湖往事讓筆者深感精彩，恰逢時代，享受到了國家引進項目技術(shù)的紅利，趁機學(xué)習(xí)西門子法的工藝技術(shù)。經(jīng)過十年的發(fā)展，我們國家的第一代半導(dǎo)體多晶硅產(chǎn)業(yè)就像鋼鐵一樣，產(chǎn)能從被帝國主義戰(zhàn)國七雄統(tǒng)治的局面，一躍成為世界老大。但同樣不幸的是，我們的產(chǎn)品質(zhì)量只能用于光伏，高端的應(yīng)用還得進口。

第三階段：半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要。經(jīng)過第二階段的十年發(fā)展，可以說西門子法改良在中國得到了淋漓盡致的發(fā)揮。2018年建設(shè)一個西門子法多晶硅工廠，建設(shè)成本只要2008年的10%！

技術(shù)改良要點主要體現(xiàn)在：1、實現(xiàn)全循環(huán)，深度冷氫化工藝的開發(fā)成功；2、CDI工藝從進口到全面國產(chǎn)化；3、整個流程的簡化及能量優(yōu)化；4、分解爐的能耗降低。

針對國內(nèi)產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀，結(jié)合五十年的小試和中試經(jīng)驗，以及當初建設(shè)硅材料國家重點實驗室的經(jīng)驗，提出全新的低成本、高純度、原創(chuàng)性適合新時代中國的硅材料發(fā)展工藝路線。

（2）中國第二代和第三代半導(dǎo)體材料的發(fā)展。

目前，據(jù)可查資料顯示，國內(nèi)還無第二代砷化鎵的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)線，第三代氮化鎵主要有北京大學(xué)、中科院蘇州納米所和山東大學(xué)國家重點實驗室，而前兩者技術(shù)路線來源于日本，目前國內(nèi)還無原創(chuàng)性工藝路線出現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

二、半導(dǎo)體材料的應(yīng)用

1.元素半導(dǎo)體材料。

硅在當前的應(yīng)用相當廣泛，他不僅是半導(dǎo)體集成電路，半導(dǎo)體器件和硅太陽能電池的基礎(chǔ)材料，而且用半導(dǎo)體制作的電子器件和產(chǎn)品已經(jīng)大范圍的進入到人們的生活，人們的家用電器中所用到的電子器件80%以上與案件都離不開硅材料。鍺是稀有元素，地殼中的含量較少，由于鍺的特有性質(zhì)，使得它的應(yīng)用主要集中與制作各種二極管，三極管等。而以鍺制作的其他錢江如探測器，也具有著許多的優(yōu)點，廣泛的應(yīng)用于多個領(lǐng)域。

2.有機半導(dǎo)體材料。

有機半導(dǎo)體材料具有熱激活電導(dǎo)率，如萘蒽，聚丙烯和聚二乙烯苯以及堿金屬和蒽的絡(luò)合物，有機半導(dǎo)體材料可分為有機物，聚合物和給體受體絡(luò)合物三類。有機半導(dǎo)體芯片等產(chǎn)品的生產(chǎn)能力差，但是擁有加工處理方便，結(jié)實耐用，成本低廉，耐磨耐用等特性。

3.非晶半導(dǎo)體材料。

非晶半導(dǎo)體按鍵合力的性質(zhì)分為共價鍵非晶半導(dǎo)體和離子鍵非晶半導(dǎo)體兩類，可用液相快冷方法和真空蒸汽或濺射的方法制備。在工業(yè)上，非晶半導(dǎo)體材料主要用于制備像傳感器，太陽能電池薄膜晶體管等非晶體半導(dǎo)體器件。

4.化合物半導(dǎo)體材料。

化合物半導(dǎo)體材料種類繁多，按元素在周期表族來分類，分為三五族，二六族，四四族等。

三、結(jié)束語

總之，半導(dǎo)體材料的發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛，隨著時間的推移和技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體材料的應(yīng)用將更加重要和關(guān)鍵，半導(dǎo)體技術(shù)和半導(dǎo)體材料的發(fā)展也將走向更高端的市場。

參考文獻：

[1]淺談電子科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用[J]. 周碧瑩，劉宏. 廣東蠶業(yè). 2017（12）.

[2]主要半導(dǎo)體材料的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J]. 張紹輝，張金梅. 科技致富向?qū)? 2013（12）.

[3]電子科學(xué)技術(shù)中的半導(dǎo)體材料發(fā)展趨勢[J]. 王欣. 通訊世界. 2016（08）.

[4]第十一屆（2016年度）中國半導(dǎo)體設(shè)備創(chuàng)新產(chǎn)品獲選項目[J]. 電子工業(yè)專用設(shè)備. 2017（01）.

[5]第三代半導(dǎo)體材料應(yīng)用及制造工藝概況[J]. 柳濱，楊元元，王東輝，詹陽. 電子工業(yè)專用設(shè)備. 2016（01）.

[6]半導(dǎo)體材料的淺釋[J]. 李翔，曹燦華，翟堃，喬榮學(xué). 科技傳播. 2011（06）.