半導體材料的性能分析及其應用

謝皆雷

摘要：半導體材料其實出現在人們日常生活的各個角落，無處不在，比如人們生活中必備的電視機，個人電腦，微波爐，電磁爐等其中都會有半導體的存在并且半導體在這些機器中都扮演著重要的角色。個中原因，是半導體具有特殊的性質決定的，在這個電氣時代，半導體具有導電性的同時卻是屬于導體和絕緣體之間的一種材料，導電能力具有方向性。

本文主要闡述半導體的具體含義及其分類，根據不同類型的半導體，對其發展前景進行簡單的設想和展望，希望為我國的半導體行業發展盡一份綿薄之力。

關鍵詞：半導體材料;性能分析;應用

前言：

半導體有著十分重要的作用，被譽為是世界上第四大的重要發明，四大發明中主要包含了印刷機、電力、盤尼西林和半導體。然而半導體的基礎就是材料，在21世紀的現在，量子力學發展指導金屬性能的導電、導熱性，而陶瓷材料與之相反，人們對四周物體的認識依舊有巨觀的瞭解，半導體材料就介于這兩者之間。

1半導體材料的特點分析

半導體材料化學特點是原子間所存在的飽和工價鍵，共價建的特點是晶格結構表現出四面體的結構，典型的半導體材料有著金剛石、閃鋅礦的結構。因為地球上礦藏多半都是化合物，在最早得到利用的半導體材料都是化合物，比如說：方鉛礦在很早的時候主要是應用在無線電檢波，氧化亞銅主要用以作為固體整流器，閃鋅礦是比較常見的固體發光原材料，碳化硅整流檢波的作用利用也是比較早的。硒最早發現并且被利用的元素半導體，是固體整流器、光電池的材料。元素半導體鍺放大作用發現刷新了半導體發展歷程，在這個時候的電子設備逐漸實施晶體管化。我國的半導體研究、生產主要是在1957年的時候，首次制備出高純度的鍺，在采用元素半導體硅之后，不僅增加晶體管類型、品種增加、提升性能，還迎來大規模、超大規模的集成電路時代以砷化鎵為代表的Ⅲ-Ⅴ族化合物的發現，促進微波器件、光電器件快速的發展。

2半導體材料的主要種類分析

半導體材料可以按照化學組成進行劃分，把結構、性能比較特殊的非晶態、液態半導體單獨列為一類，依據分類的方法將半導體的材料劃分成元素半導體、無機化合物半導體、有機化合物半導體、非晶態和液體半導體。

3半導體材料的性能及其應用分析

3.1單晶制備

為實現消除多晶材料中的各種小晶體之間的晶粒間界對半導體材料的特性參量影響，半導體器件基本材料還包含單晶制備、薄膜單晶制備。體單晶產量相對較高，利用效率高，經濟合理。很多器件結構都要求厚度以微米量級的薄層單晶，由于制備薄層的單晶對于溫度要求較低，通常能夠得到質量好的單晶，主要制備方法如下：

從熔體中拉制單晶，將其用以和熔體相同材料的小單晶體作為籽晶和熔體接觸，并且和熔體接觸，并且向上提拉的過程中，熔體依據表面張力被拉出液面，結晶出籽晶有著相同的晶體取向單晶體。第二，區域熔煉方法制備單晶。采用一籽晶和半導體的錠條在頭部進行熔接，在熔區移動下，結晶部分就稱為是單晶。第三，從溶液中再結晶。第四，從汽相中生長單晶。

3.2寬帶隙半導體的材料

氮化鎵、氧化鋅、碳化硅等都是寬帶隙半導體的材料，由于其禁帶寬度在三個電子伏以上，在室溫下不能將其價帶電子激發至導帶，器件工作的溫度較高，比如說：碳化硅能夠工作到600℃。金剛石若是作為半導體，那么溫度則是更高，器件主要用于石油探頭上收集的信息，主要應用在航天、航空等環境惡劣的情況下。廣播電臺和電視臺的唯一大功率發射管是電子管，沒有被半導體的器件而替代，其電子管壽命通常只有2500小時左右，體積相對較大，耗電量高，若是采用碳化硅的高功率發射器件，體積能夠減少幾十倍，甚至是上百倍，并且還會延長使用的壽命，高溫寬帶隙半導體材料是比較重要的新型半導體的材料。

但是這種材料是很難生長的，硅上長硅，砷化鎵上長GaAs，它可以長得很好。但是這種材料絕大部分都沒有塊體的材料，通常用于其它材料作為襯底去長。比如說：氮化鎵在藍寶石襯底上進行生長，藍寶石與氮化鎵的熱膨脹系數、晶格常數相差較大，長出來的外延層缺陷較多，這是最大的問題。除此之外，這種材料還有著加工和刻蝕難度較大的特點，我們還需加強對其問題的解決，以促使新材料空間的擴大。

3.3低維半導體的材料

低維半導體的材料主要是納米材料，發展納米科學技術的重要目的是人們在原子、分子、納米尺度上，對功能強大和性能優越的納米電子、電路、光電子器件進行嚴格的控制，盡可能的造福人類。預計在日后，納米技術的應用和發展將對人們生活生產方式進行改變，并且改變社會政治格局和戰爭的對坑形式，這就是人們對納米半導體技術發展的主要因素。

4半導體材料的應用探討

4.1早期應用

半導體首要應用是利用它的整流效應作為檢波器，點接觸二極管。除去檢測器，在早期的過程中，半導體還應用在整流器、紅外探測器、光伏電池，半導體四個效應基本上都應用到。

在1907年至1927年，美國物理學家成功的研制出晶體整流器、硒整流器、氧化亞銅整流器，在1931年的時候，蘭治和伯格曼研制成功硒光伏電池。1932年，德國先后研制成功硫化鉛、硒化鉛和碲化鉛等半導體紅外探測器，在二戰中用于偵探飛機和船艦。二戰時盟軍在半導體方面的研究也取得了很大成效，英國就利用紅外探測器多次偵探到了德國的飛機。

4.2應用現狀分析

就半導體的設備市場，半導體的材料在市場上長期位于配角位置，在芯片出貨量的不斷增長下，此類市場也持續的增長，并且逐漸擺脫了浮華設備市場的陰影按照銷售收入進行計算，日本保持最大的半導體材料市場地位。臺灣、韓國等國家紛紛崛起成為重要的市場，材料市場崛起充分體現出器件制造行業在這些地區發展。晶圓制造材料的市場與封裝材料市場可以獲取一定的增長，未來增長將會更加的緩和，保證其增長勢頭。

日本在半導體的材料市場依舊占領了領先的地位，消耗量則是為總市場的22%，在2004年的時候，臺灣地區超出北美地區成為第二大半導體的材料市場，北美地區落后韓國排名第五。一些新晶圓廠在這些地區投資建設。但是每個地區都有著比北美更加堅實地封裝基礎。

芯片的制造材料占據了半導體材料市場的百分之六十，絕大部分都是硅晶圓。硅晶圓、光掩膜綜合占據了晶圓制造材料的百分之六十二。半導體材料的市場產生重大變化在于封裝材料市場發展，封裝材料市場占據了半導體材料市場的33%，在2008年的時候，該份額預計可以增加到百分之四十三。其變化主要是因為球柵陣列、芯片級封裝、倒裝芯片封裝也是越來越多的使用碾壓基底、先進聚合材料。在產品便攜性、功能性對封裝提出更高要求，雨季這些材料在日后幾年降火強勁增長，在金價大幅度上漲使引線鍵合部分在2007年獲取36%的增長。和晶圓制造材料比較相似，半導體的封裝材料在這三年增長速度也逐漸變得緩慢，除去金價因素以外，并且碾壓襯底不計入統計中，實際增長率為百分之二左右。

結束語：

總而言之，隨著納米科學技術不斷發展，半導體材料現已在我國社會各行業得到廣泛的應用，實現從原子、分子、納米尺度水平上的控制，對新型的電路和器件進行制造和操縱，徹底的改變了人們生活生產的方式，推動人類的不斷發展。

參考文獻：

[1]閔俊杰.半導體材料的性能分析及其應用[J].科技傳播，2019，11（04）：199-200.

[2]鄭敏燕，侯雅慧，張國偉，賈瑤，郭妮.有機半導體材料分子結構及性能研究進展[J].咸陽師范學院學報，2018，33（06）：70-73.

[3]陳爍.硒化物半導體材料的制備及其光電器件應用研究[D].浙江大學，2018.