浅谈半导体材料的应用.docx
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浅谈半导体材料的应用
浅谈半导体材料的应用
浅谈半导体材料的应用
摘要：
半导体材料是近年来新兴的一种材料，它作为一种新型材料，越来越受到人们的青睐。
在人们生活中，受到了相当广泛的应用。
另外，半导体材料也是军事国防科学中必不可少的材料之一。
作为一种新型材料，半导体材料有着很重要的地位。
关键词：
半导体；生活；材料；电工学；
0引言
20世纪中叶，单晶硅和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研制成功，导致了电子工业革命；70年代光纤通讯技术迅速发展并逐步形成高新技术产业，是人类进入信息时代；超晶格概念的提出及其半导体超晶格，量子阱材料的诞生，改变了光电器件的发展，纳米技术的发展与运用使得半导体进入纳米时代。
然而半导体材料的价值仍在于它的光学，电学及其他各种特性，自硅出现在很长时间内，硅仍将是大规模集成电路的主要材料，如在军事领域中应用的抗辐射硅单体（NTD）,高效太阳能电池用硅单体，红外CCD器件用硅单体的等。
随着半导体技术的发展和半导体材料的研究，微电子技术朝着高密度，高可靠性方向发展，各种各样新的半导体材料出现，而GaAs和InP基材料等还是化合物半导体及器件的主要支柱材料。
与此同时以硅材料为核心的当代微电子技术趋向于纳米级。
1半导体材料的概念与特性
当今，以半导体材料为芯片的各种产品已广泛进入人们的生活生产中，电视机，电子计算机，电子表等等，半导体材料为什么会拥有如此巨大的应用，我们需要从半导体材料的概念和特性开始了解。
半导体材料是导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。
半导体材料是一类具有半导体性能、可用来制作半导体器件和集成电的电子材料，其电导率在10（U-3）～10（U-9）欧姆/厘米范围内。
在某些情况下，半导体具有导电的性质。
首先，一般的半导体材料的电导率随温度的升高迅速增大，各种热敏电阻的开发就是利用了这个特性；其次，杂质掺入对半导体的性质起着决定性的作用，他们可使半导体的特性多样化，使得PN结形成，进而制作各种二极管和三极管；再次，半导体的电学性质会因光照引起变化，光敏电阻随之诞生；一些半导体具有较强的温差效应，可以利用它制作半导体制冷剂等；化合物半导体还具有超高速，低功耗，多功能，抗辐射等特性，在智能化，光纤通信等领域具有广泛运用；半导体基片可以实现原器件集中制作在一个芯片上，于是产生了各种规模的集成电路，正是由于半导体材料的各种各样的特性使得半导体材料拥有多种多样的用途，在科技发展和人们的生活中起到十分重要的作用。
2半导体的分类与制备
2．1半导体的分类
半导体材料是导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。
半导体材料是一类具有半导体性能、可用来制作半导体器件和集成电的电子材料，电阻率约在1mΩ·cm～1GΩ·cm范围内。
半导体材料可按化学组成来分，再将结构与性能比较特殊的非晶态与液态半导体单独列为
一类。
按照这样分类方法可将半导体材料分为元素半导体、化合物半导体、有机半导体、固溶体半导体和非晶态与液态半导体。
元素半导体大约有十几种，处于ⅢA族—ⅦA族的金属元素与非金属元素交界处，如Ge，Si，Se，Te等；化合物半导体分为二元化合物半导体和多元化合物半导体；有机半导体分为有机分子晶体、有机分子络合物、和高分子聚合物，一般指具有半导体性质的碳-碳双键有机化合物，电导率为10-10~102Ω·cm。
固溶体半导体是由两个或多个晶格结构类似的元素化合物相融合而成，有二元系和三元系之分，如ⅣA-ⅣA组成的Ge-Si固溶体，ⅤA-ⅤA组成的Bi-Sb固溶体。
原子排列短程有序、长程无序的半导体成为非晶态半导体，主要有非晶硅、非晶锗等。
2．2半导体的制备
不同的半导体器件对半导体材料有不同的形态要求，包括单晶的切片、磨片、抛光片、薄膜等。
半导体材料的不同形态要求对应不同的加工工艺。
常用的半导体材料制备工艺有提纯、单晶的制备和薄膜外延生长。
所有的半导体材料都需要对原料进行提纯，要求的纯度在6个“9”以上，最高达11个“9”以上。
提纯的方法分两大类，一类是不改变材料的化学组成进行提纯，称为物理提纯；另一类是把元素先变成化合物进行提纯，再将提纯后的化合物还原成元素，称为化学提纯。
物理提纯的方法有真空蒸发、区域精制、拉晶提纯等，使用最多的是区域精制。
化学提纯的主要方法有电解、络合、萃取、精馏等，使用最多的是精馏。
由于每一种方法都有一定的局限性，因此常使用几种提纯方法相结合的工艺流程以获得合格的材料。
绝大多数半导体器件是在单晶片或以单晶片为衬底的外延片上做出的。
成批量的半导体单晶都是用熔体生长法制成的。
直拉法应用最广，80%的.硅单晶、大部分锗单晶和锑化铟单晶是用此法生产的，其中硅单晶的最大直径已达300毫米。
在熔体中通入磁场的直拉法称为磁控拉晶法，用此法已生产出高均匀性硅单晶。
在坩埚熔体表面加入液体覆盖剂称液封直拉法，用此法拉制砷化镓、磷化镓、磷化铟等分解压较大的单晶。
悬浮区熔法的熔体不与容器接触，用此法生长高纯硅单晶。
水平区熔法用以生产锗单晶。
水平定向结晶法主要用于制备砷化镓单晶，而垂直定向结晶法用于制备碲化镉、砷化镓。
用各种方法生产的体单晶再经过晶体定向、滚磨、作参考面、切片、磨片、倒角、抛光、腐蚀、清洗、检测、封装等全部或部分工序以提供相应的晶片。
在单晶衬底上生长单晶薄膜称为外延。
外延的方法有气相、液相、固相、分子束外延等。
工业生产使用的主要是化学气相外延，其次是液相外延。
金属有机化合物气相外延和分子束外延则用于制备量子阱及超晶格等微结构。
非晶、微晶、多晶薄膜多在玻璃、陶瓷、金属等衬底上用不同类型的化学气相沉积、磁控溅射等方法制成。
3半导体材料的应用
3.1元素半导体材料
硅在当前的应用相当广泛，他不仅是半导体集成电路，半导体器件和硅太阳能电池的基础材料，而且用半导体制作的电子器件和产品已经大范围的进入到人们的生活，人们的家用电器中所用到的电子器件80%以上与案件都离不开硅材料。
锗是稀有元素，地壳中的含量较少，由于锗的特有性质，使得它的应用主要集中与制作各种二极管，三极管等。
而以锗制作的其他钱江如探测器，也具有许多的优点，广泛的应用于多个领域。
有机半导体材料具有热激活电导率，如萘蒽，聚丙烯和聚二乙烯苯以及碱金属和蒽的络合物，有机半导体材料可分为有机物，聚合物和给体受体络合物三类。
有机半导体芯片等产品的生产能力差，但是拥有加工处理方便，结实耐用，成本低廉，耐磨耐用等特性。
3.3非晶半导体材料
非晶半导体按键合力的性质分为共价键非晶半导体和离子键非晶半导体两类，可用液相快冷方法和真空蒸汽或溅射的方法制备。
在工业上，非晶半导体材料主要用于制备像传感器，太阳能电池薄膜晶体管等非晶体半导体器件。
3.3.4化合物半导体材料
化合物半导体材料种类繁多，按元素在周期表族来分类，分为三五族，二六族，四四族等。
如今化合物半导体材料已经在太阳能电池，光电器件，超高速器件，微波等领域占据重要位置，且不同种类具有不同的应用。
总之，半导体材料的发展迅速，应用广泛，随着时间的推移和技术的发展，半导体材料的应用将更加重要和关键，半导体技术和半导体材料的发展也将走向更高端的市场。
4半导体材料的发展趋势
电子信息材料的总体发展趋势是向着大尺寸、高均匀性、高完整性、以及薄膜化、多功能化和集成化方向发展。
当前的研究热点和技术前沿包括柔性晶体管、光子晶体、SiC、GaN、ZnSe等宽禁带半导体材料为代表的第三代半导体材料、有机显示材料以及各种纳米电子材料等。
随着电子学向光电子学、光子学迈进，微电子材料在未来5～10年仍是最基本的信息材料。
电子、光电子功能单晶将向着大尺寸、高均匀性、晶格高完整性以及元器件向薄膜化、多功能化、片式化、超高集成度和低能耗方向发展。
半导体微电子材料由单片集成向系统集成发展。
微电子技术发展的主要途径是通过不断缩小器件的特征尺寸，增加芯片面积以提高集成度和信息处理速度，由单片集成向系统集成发展。
1、Si、GaAs、InP等半导体单晶材料向着大尺寸、高均质、晶格高完整性方向发展。
椎8英寸硅芯片是目前国际的主流产品，椎12英寸芯片已开始上市，GaA
s芯片椎4英寸已进入大批量生产阶段，并且正在向椎6英寸生产线过渡；对单晶电阻率的均匀性、杂质含量、微缺陷、位错密度、芯片平整度、表面洁净度等都提出了更加苛刻的要求。
2、在以Si、GaAs为代表的第一代、第二代半导体材料继续发展的同时，加速发展第三代半导体材料——宽禁带半导体材料SiC、GaN、ZnSe、金刚石材料和用SiGe/Si、SOI等新型硅基材料大幅度提高原有硅集成电路的性能是未来半导体材料的重要发展方向。
3、继经典半导体的同质结、异质结之后，基于量子阱、量子线、量子点的器件设计、制造和集成技术在未来5～15年间，将在信息材料和元器件制造中占据主导地位，分子束外延MBE和金属有机化合物化学汽相外延MOCVD技术将得到进一步发展和更加广泛的应用。
4、高纯化学试剂和特种电子气体的纯度要求将分别达到lppb～0.1ppb和6N级以上，0.5μm以上的杂质颗粒必须控制在5个/毫升以下，金属杂质含量控制在ppt级，并将开发替代有毒气体的新品种电子气体。
[1]周立军半导体材料的发展及现状半导体情报第38卷第1期xx年2月
[2]葛生燕刘辉半导体材料的探析与运用科技向导xx年第5期（上）
[3]靳晓宇半导体材料的应用与发展研究大众商务xx年6月（总第102期）
[4]王占国半导体材料研究的新进展半导体技术第27卷第3期xx年3月
[5]王占国纳米半导体材料的制备技术微纳电子技术xx年第1期xx年2月
[6]郝斌温凯浅谈化合物半导体材料电脑知识与技术第6卷第5期xx年2月
[7]彭杰浅析几种半导体材料的应用与发展硅谷xx年第10期xx年[9]梁俊吾中国半导体的创新发展之路中国工程院化工、冶金与材料工程学部第五届学术会议会议论文xx年
一、半导体硅材料的现状
在当今全球超过2000亿美元的半导体市场中，95％以上的半导体器件和99％以上的集成电路（LSI）都是用高纯优质的硅抛光片和外延片制作的。
在未来30-50年内，它仍将是LSI工业最基本和最重要的功能材料。
半导体硅材料以丰富的资源、优质的特性、日臻完善的工艺以及广泛的用途等综合优势而成为了当代电子工业中应用最多的半导体材料，它还是目前可获得的纯度最高的材料之一，其实验室纯度可达12个“9”的本征级，工业化大生产也能达到7～11个“9”的高纯度。
由于它的优良性能，使其在射线探测器、整流器、集成电路（IC）、硅光电池、传感器等各类电子元件中占有极为重要的地位。
同时，由于它具有识别、存储、放大、开关和处理电讯号及能量转换的功能，而使“半导体硅”实际上成了“微电子”和“现代化电子”的代名词。
半导体硅材料分为多晶硅、单晶硅、硅外延片以及非晶硅、浇注多晶硅、淀积和溅射非晶硅等。
自从60年代被广泛应用于各类电子元器件以来，其用量平均大约以每年12-16％的速度增长。
目前全世界每年消耗约18,000-25,000吨半导体级多晶硅，消耗6000-7000吨单晶硅。
1999年，全世界硅片产量45亿平方英寸，2000年其产量更高。
目前全世界硅片销售金额约60-80亿美元。
现行多晶硅生产工艺主要有改良西门子法和硅烷热分解法。
主要产品有棒状和粒状两种，主要用途是用作制备单晶硅以及太阳能电池等。
生长单晶硅的工艺可分为区熔（FZ）和直拉（CZ）两种生长工艺。
区熔单晶硅（FZ-Si）主要用于制作电力电子器件（SR、SCR、GTO等）、射线探测器、高压大功率晶体管等；直拉单晶硅（CZ-Si）主要用于制作LSI、晶体管、传感器及硅光电池等。
硅外延片（EPl）是在单晶衬底片上，沿单晶的结晶方向生长一层导电类型、电阻率、厚度和晶格结构都符合特定器件要求的新单晶层。
硅外延片主要用于制作CMOS电路，各类晶体管以及绝缘栅，双极晶体管（IGBT）等。
非晶硅、浇注多晶硅、淀积和溅射非晶硅主要用作各种硅光电池等。
二、现代微电子工业对半导体硅材料的新要求
随着微电子工业飞速发展，除了本身对加工技术和加工设备的要求之外，同时对硅材料也提出了更新更高的要求。
1、对硅片表面附着粒子及微量杂质的要求
随着集成电路的集成度不断提高，其加工线宽也逐步缩小，因此，对硅片的加工、清洗、包装、储运等工作提出了更高的新要求。
对于兆位级器件，0.10μm的微粒都可能造成器件失效。
亚微米级器件要求0.1μm的微粒降到10个／片以下，同时要求各种金属杂质如Fe、Cu、Cr、Ni、A1、Na等，都要求控制在目前分析技术的检测极限以下（约为1×1010原子／cm2）。
2、对硅片表面平整度、应力和机械强度的要求
硅片表面的局部平整度（SFQD）一般要求为设计线宽的2／3，以64M存储器的加工线宽0.35μm为例，则要求硅片局部平整度在22mm2范围内为0.23μm，256M电路的SFQD为0.17μm。
同时，器件工艺还要求原始硅片的应力不能过分集中，机械强度要高，使器件的稳定性和可靠性得到保证，但现在这方面硅材料尚未取得突破性进展，仍是以后研究的一个课题。
3、对硅片表面和内部结晶特性及氧含量的要求
对VLSI和ULSI来说，距硅片表面10μm左右厚度区域为器件活性区，要求该区域性质均匀且无缺陷。
64M和256M电路要求硅片的氧化诱生层错（OSF）≤20／cm2。
为达到此要求，目前比较成熟的工艺是采用硅片吸除技术，分为内吸除和背面损伤吸除（也叫外吸除）。
现在器件厂家都根据器件工艺的需要，对硅片提出了某种含氧量要求。
硅材料生产厂应根据用户要求进行控氧生长硅单晶。
4、对硅片大直径化的要求
三、近年来国际硅材料的发展状况
1、多晶硅概况
近年，多晶硅材料厂家的生产规模大多在千级经济规模以上，并实行综合利用，以提高生产益，同时减少了对环境的污染。
多采用改良西门法生产半导体级多晶硅，这样，可使单位电耗由去每公斤300Kw／h
半导体硅材料和光电子材料的发展现状及趋势
随着微电子工业的飞速发展,作为半导体工业基础材料的硅材料工业也将随之发展，而光电子科技的飞速发展也使半导体光电子材料的研究加快步伐，所以研究半导体硅材料和光电子材料的发展现状及未来发展趋势势在必行。
现代微电子工业除了对加工技术和加工设备的要求之外,对硅材料也提出了更新更高的要求。
在当今全球超过2000亿美元的半导体市场中,95%以上的半导体器件和99%以上的集成电路都是用高纯优质的硅抛光片和外延片制作的。
在未来30-50年内,它仍将是集成电路工业最基本和最重要的功能材料。
半导体硅材料以丰富的资源、优质的特性、日臻完善的工艺以及广泛的用途等而成为了当代电子工业中应用最多的半导体材料。
随着国际信息产业的迅猛发展,电子工业和半导体工业也得到了巨大发展,并且直到20世纪末都保持稳定的15%的年增长率迅速发展,作为半导体工业基础材料的硅材料工业也将随之发展，所以研究半导体硅材料的发展现状及未来发展趋势势在必行。
一、半导体硅材料的发展现状
由于半导体的优良性能，使其在射线探测器、整流器、集成
电路、硅光电池、传感器等各类电子元件中占有极为重要的地位。
同时,由于它具有识别、存储、放大、开关和处理电信号及能量转换的功能,而使“半导体硅”实际上成了“微电子”和“现代化电子”的代名词。
二、现代微电子工业的发展对半导体硅材料的新要求随着微电子工业飞速发展,除了本身对加工技术和加工设备的要求之外,同时对硅材料也提出了更新更高的要求。
1.对硅片表面附着粒子及微量杂质的要求
随着集成电路的集成度不断提高,其加工线宽也逐步缩小,因此,对硅片的加工、清洗、包装、储运等工作提出了更高的新要求。
对于兆位级器件,0.10μm的微粒都可能造成器件失效。
亚微米级器件要求0.1μm的微粒降到10个/片以下同时要求各种金属杂质如Fe、Cu、Cr、Ni、A1、Na等,都要控制在目前分析技术的检测极限以下。
2.对硅片表面平整度、应力和机械强度的要求
硅片表面的局部平整度（SFQD）一般要求为设计线宽的2/3,以64M存储器的加工线宽0.35μm为例,则要求硅片局部平整度在22mm2范围内为0.23μm,256M电路的SFQD为0.17μm。
同时,器件工艺还要求原始硅片的应力不能过分集中,机械强度要高,使器件的稳定性和可靠性得到保证,但现在这方面硅材料尚未取得突破性进展,仍是以后研究的一个课
题。
3.对硅片表面和内部结晶特性及氧含量的要求
对大规模集成电路来说,距硅片表面10μm左右厚度区域为器件活性区,要求该区域性质均匀且无缺陷。
64M和256M电路要求硅片的氧化诱生层错（OSF）≤20/cm2。
为达到此要求,目前比较成熟的工艺是采用硅片吸除技术,分为内吸除和背面损伤吸除。
现在器件厂家都根据器件工艺的需要,对硅片提出了某种含氧量要求。
4.对硅片大直径化的要求
为了提高生产率、降低成本,器件厂家随着生产规模的扩大,逐步要求增大硅片直径,使同等规模芯片的收得率明显提高,给器件厂家带来极为显著的经济效益。
三、半导体光电子材料
1、半导体激光材料
电子器件和光电子器件应用时半导体材料最重要的两大应用领域。
半导体材料Si，GaAs和GaN，InP等几十重要的电子材料，也是重要的光电子材料。
在1962年，GaAs激光二极管的问世，作为了半导体光电子学的开端。
激光的激射波长取决于材料的带隙，且只有具有直接带隙的材料才能产生光辐射，它使注入的电子-空穴自己发生辐射复合以得到较高的电光转化效率。
产生激光的条件有：
1、形成粒子数反转使受激辐射占优势；2、具有共振腔以实现光量子放大；3、外界输入能量至少要达到阀值，使激光管的增益至少等于损耗。
2、半导体显示材料半导体显示材料有发光二极管LED和电致发光显示。
发光二极管LED发光二极管LED它是由数层很薄的掺杂半导体材料制成。
当通过正向电流时，n区电子获得能量越过PN结的禁区与p区的空穴复合以光的形式释放出能量。
而LED广泛应用于各方面，现如今的半导体白光照明、车内照明、交通信号灯、装饰灯、大屏幕全彩色显示系统、太阳能照明系统、以及紫外、蓝外激光器、高容量蓝光DVD、激光打印和显示等。
为了实现高亮度白光LED，我们可以通过红绿蓝三种LED可以组合成为白光；也可以基于紫外光LED，通过三基色粉，组合成为白光；也可基于蓝光LED，通过黄色荧光粉激发出蓝光，组合成为白光。
电致发光电致发光又称为场致发光，与LED的低电场结型发光相比，是一种高电场作用下发光。
电致发光材料分为粉末发光材料和薄膜发光材料。
半导体粉末发光材料的发光特性主要有一线特殊杂质作为激活剂和共激活剂所决定的，ZnS粉末常用Cu作为激活剂；Al、Ga、In等作为共激活剂。
其中对于ZnS粉末，用Mn、Cu作激活剂可以发黄光，用Ag作为激活剂可以发蓝光，用Cd、Ag作为激活剂发出红绿光。
薄膜发光材料发光机理和粉末材料基
本相同，但薄膜材料可以在高频电压下工作，发光亮度也较高。
阴极射线管是将电信号转换成光学图像的电子束管，常见的由彩色电视显像管，它的光电转换时通过其中的荧光屏来实现的，所用的蓝粉和绿粉以ZnS为主。
3、太阳能电池材料太阳能电池材料分为硅电池材料和化合物半导体材料。
硅电池材料有单晶硅电池、多晶硅电池、带状硅电池和薄膜硅电池材料。
化合物半导体材料有CuInSe2电池、CdTe电池、GaAs电池和GaSb电池。
四、半导体材料的发展趋势
随着硅的直径增大,杂质氧等杂质在硅锭和硅片中的分布也变得不均匀,这将严重的影响集成电路的成品率,特别是高集成度电路。
为避免氧的沉淀带来的问题,可采用外延的办法解决。
即用硅单晶片为衬底,然后在其上通过气相反应方法再生长一层硅,如2个微米、个微米或0.5个微米厚等。
这一层外延硅中的氧含量就可以控制到1016/cm3以下,器件和电路就做在外延硅上,而不是原来的硅单晶上,这样就可解决由氧导致的问题。
尽管成本将有所提高,但集成电路的集成度和运算速度都得到了显著提高,这是目前硅技术发展的一个重要方向。
目前硅的集成电路大规模生产技术已经达到0.13-0.09微米,进一步将到0.07微米,也就是70个纳米甚至更小。
根据预测,到2022年,硅集成电路技术的线宽可能达到10个纳米,这个尺度被认为是硅集成电路的“物理。
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