半导体材料的分类及应用
半导体材料的分类及应用
能源、材料与信息被认为是当今正在兴起的新技术革命的三大支柱。材料方面, 电子材料的进展尤其引人注目。以大规模和超大规模集成电路为核心的电脑的问世极推动了现代科学技术各个方面的发展,一个又一个划时代意义的半导体生产新工艺、新材料和新仪器不断涌现, 并迅速变成生产力和生产工具, 极推动了集成电路工业的高速发展。半导体数字集成电路、模拟集成电路、存储器、专用集成电路和微处理器, 无论是在集成度和稳定可靠性的提高方面, 还是在生产成本不断降低方面都上了一个又一个新台阶,有力地促进了人类在生物工程、航空航天、工业、农业、商业、科技、教育、卫生等领域的全面发展, 也大方便和丰富了人们的日常生活。半导体集成电路的发展水平, 是衡量一个国家的经济实力和科技进步的主要标志之一, 然而半导体材料又是集成电路发展的一个重要基石。“半体体材料”作为电子材料的代表, 在生产实践的客观需求刺激下, 科技工作者已经发现了数以千计的具有半导体特性的材料, 并正在卓有成效在研究、开发和利用各种具有特殊性能的材料。
1 元素半导体
周期表中有12 种具有半导体性质的元素( 见下表) 。但其中S、P、As、Sb 和I 不稳定, 易发挥; 灰Sn 在室温下转变为白Sn, 已金属; B、C 的熔点太高, 不易制成单晶; T e 十分稀缺。这样只剩下Se、Ge 和Si 可供实用。半导体技术的早期( 50 年代以前) 。
表1 具有半导体性质的元素
周期ⅢA ⅣA ⅤA ⅥA ⅦA
B C
S i P S
Ge As S e
S n Sb Te I
Se 曾广泛地用作光电池和整流器, 晶体管发明后,Ge 迅速地兴起, 但很快又被性能更好的Si 所取代。现在Se 在非晶半导体器件领域还保留一席之地, Ge 在若干种分立元件( 低压、低频、中功率晶体管以及光电探测器等) 中还被应用, 而Si 则一直是半导体工作的主导材料, 这种情况预计到下个世纪初也不会改变。Si 能成为主角的原因是: 含量极其丰富( 占地壳的27%) , 提纯与结晶方便; 禁带宽度1. 12eV, 比Ge 的0. 66eV 大, 因而Si 器件工作温度高; 更重要的是SiO2 膜的纯化和掩蔽作用, 纯化作用使器件的稳定性与可靠性大为提高,掩蔽作用使器件的制和实现了平面工艺, 从而实现了大规模自动化的工业生产和集成化, 使半导体分立器件和集成电路以其低廉的价格和卓越的性能迅速取代了电子管, 微电子学取代了真空电子学, 微电子工程成为当代产业中的一支生力军。据报导, 1995 年世界半导体器件销售额为1464 亿美元, 硅片销费量约为30. 0 亿平方英寸, 1996 年市场规模为1851 亿美元, 增长了26. 4%, 消费硅片则达33. 46 亿平方英寸。
硅材料分为多晶硅, 单晶硅和非晶硅。单晶硅分为直拉单晶硅( CZ) 、区熔单晶硅( FZ) 和外延单晶硅片( EPI) 。其中, CZ 单晶
硅的特点是直径大、机械强度高、电阻率低、氧含量较高, 主要用于制造集成电路、晶体管、低电压小功率二极管、传感器和太阳能电池; FZ 单晶硅的特点是电阻率高、补偿度小、少数载流子寿命长、NT D 单晶硅电阻率均匀性好, 主要用于电力电子器件( SR、SCR、GTO 等) 高反压晶体管和射线探测器; 外延单晶硅片的特点是薄膜单晶、气相生产表面, 主要用于各种类型晶体管, 近年来为克服集成电路的软失效( So ft er ro r ) 和锁存效应( Catch up) , 用于高速CM OS 电路; 浇铸多晶硅和淀积或溅射非晶硅, 主要用于低成本太阳能电池。为提高计算机的贮存容量的速度以及不断地降低成本, 要求其贮存器芯片尽量减少每个元件的面积并提高集成度, 需要大面积无缺陷的硅单晶片作保证。目前16 兆的动态随机贮存器( DRAM ) 及0.
5 m 工艺已实现大批量生产, 64 兆位的DRAM 正在开发, 预计2000 年将生产出IG 的DRAM。与此相应, 硅材料制备技术已达到十分完美的程度。5 英寸和
6 英寸的硅单晶片已占硅片生产总量的70%以上, 1994 年以后世界各国都在大力扩大8 英寸片的生产能力, 12 英寸的单晶硅也已问世。另方面, 高压大功率器件的发展, 区熔硅单晶生产水平也有很大提高, 4 英寸和5 英寸区熔硅单晶已可工业化生产, 6 英寸的也已研制成功, 并投入生产。
2 化合物半导体及其固溶体
人们在探索元素半导体以外的半导体材料的努力中, 很自然地把目标转向化合物材料。50 年代就开始了对化合物半导体的研究, 1952 年WelkeV 首先把Ⅲ—Ⅴ化合物半导体作为新的重要半导体族,
现在已经发现了许多种具在半导体性质的化合物, 包括Ⅰ族与Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ族; Ⅱ族与Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ族; Ⅲ族与Ⅴ、Ⅵ族; Ⅳ族与Ⅳ、Ⅵ族; Ⅴ族与Ⅵ族; Ⅵ族与Ⅵ族的许多化合物。但这当中有实用价值或工艺上目前达到实用阶段的并不多, 主要集中在Ⅲ—Ⅴ及Ⅱ—Ⅵ族化合物及其多元固溶体上。早期( 上世纪末至二战前) 曾广泛使用的天然矿石检波器( 方铅矿、黄铁矿、闪锌矿) 及Cu2O 整流器是人们最早使用的化合物半导体, 如今只有史料价值了。
2. 1 Ⅲ—Ⅴ族化合物及其固溶体半导体
Ⅲ—Ⅴ族合化物指周期表中Ⅲ—A( B、Al、Ga、I n)与VA( N、P、As、Sb) 族元素构成的16 种化合物, 但B系及N 系化合物由于制备困难、能源过宽以及自补偿效应等原因, 只BN 及AIN 有一些研究报导。Al 系化合物一般不稳定、易潮解, 只在三元系固溶体中作为一个组元而被使用。因此, 研究得较多的是Ga、I n 与As、P和Sb 的化合物, 尤其是GaAs 和InP。GaAs 的能隙为1. 43eV, 因而有比Si 更高的使用温度( 可达400℃) , 其载流子电子的迁移率是Si 的6倍, 是制作高速器件的理想材料, 此外其抗辐射能力也比Si 强。因此在高速集成电路的领域已向硅提出了强有力的挑战。目前构成砷化镓基超高速集成电路( GaAsVHSIC) 的主要器件是GaAs MESFET ( 金属半导体场效应晶体管) 、HEMT ( 高电子迁移率晶体管) 和HBT( 异质结双极晶体管) 。GaAs M ESFET 是1974 年研制成功的, 在GaAs VHSIC 中用得最多, 也是最基本的有源器件。HEM T 和HBT 分别在1980 年和1984 年问世, 它们都是采用MBE( 分子束外延) 或MOCVD( 金属有
机化学汽相淀积) 技术制得的。GaAs VHSIC 的发展借鉴了Si- IC 的经验, 例如CAD 技术、全离子注入平面结构、干法刻蚀、难熔金属栅或替代式栅自对准工艺等。砷化镓集成电路的制作水平已达 100mm 的圆片和0. 4 m 线宽, 数字电路35 万门的产品已投入市场。在固体微波器件领域, 微波频率的低端( 4GHz 以下) Si双极晶体管是功率器件的主流, 在4GHz 以上, 微波固态功率源则是以GaAs MESFET 器件为主流产品, 并且借用MBE、MOCVD 等高质量超薄层生长技术以及亚微米微细加工技术, HEM T 及HBT 等微波和毫米波新器件得到很大发展, 基保GaAs、InP 及AlGaAs 等Ⅲ- Ⅴ族材料的优越性能得到了充分利用。而InP 在许多方面呈现出比GaAs 更好的特性, 它的主要特性是:速度高、耐辐射, 可进行光化学蚀刻, 频率高, 导热性好, 击穿场强高。现业已证实, InP 制造的晶体管与用其它任何材料制造的器件相比其速度快50%。InP 是制造高频器件、结型场效应晶体管、抗核辐射器件以及光电集成电路最有希望的基础材料。由于电子战、雷达、通信和智能武器能军用要求, 以及移动通信、卫星通信和汽车通信等商用要求, 高频、高速、低噪、宽带大功率的小型可靠的半导体器件和电路成为发达国家竞相发展的重点, 微波毫米波单片集成电路(MIM IC) 从80 年代以来得到迅速的发展, 现在MIMIC 电路已将微波电路本身的集成、微波与数字电路的集成以及微电子与光电子的集成结合在一起( 宏单元电路) , M IMIC 工艺已进入了3 英寸0. 1 m 的水平。
半导体光电子器件包括半导体发光器件、光探测器件和光电子集
成电路三大部分, 在这个领域, 化合物半导体特别是Ⅲ- Ⅴ族材料起着十分重要的作用。此外, 化合物半导体之间还能形成固溶体, 又称混晶。按组成元素的数目构成三元或四元固溶体。组成多元固溶体的优点在于: 随着每种组元在固溶体中所占百分比的改变, 固溶体的许多性质会连续地改变, 从而满足器件设计的需要。由于社会的迅速信息化, 军事上对通信联络及武器装备高精度、高灵敏、小型化要求的刺激, 基于大面积超薄层外延生长( 超晶格量子陷结构) 技术、微细加工技术的高性能光电子器件正迅速发展, 例如高速化宽带宽光源和光电二极管、二维阵列表面光电子器件、光集成器件、大面阵高分辨率图象传感器和热成像器件等, 这些领域主要是化合物在大显身手。下面是Si、GaAs 和I nP 三种主要半导体材料的性质比较表2 SiGaAs 和I nP 基本物理性质比较
Si GaAs InP
晶格常数 A 5. 491 5. 653 5. 869
密度kg/ cm3 2. 33×103 5. 32×103 4. 787×103
熔点℃ 1412 1237 1062
禁带宽度eV 1. 119 1. 38 1. 27
晶体结构金刚石型闪锌矿型闪锌矿型
晶系立方立方立方
热导率W/ cm. K 0. 21 0. 07 0. 10
显微硬度kg/ cm2 950 700±50 435±20
熔点时的蒸汽压105Pa 6×10- 6 Pas2+ Pas 4= 0. 98 PGa=
半导体材料课程教学大纲
半导体材料课程教学大纲 一、课程说明 （一）课程名称：半导体材料 所属专业：微电子科学与工程 课程性质：专业限选 学分： 3 （二）课程简介：本课程重点介绍第一代和第二代半导体材料硅、锗、砷化镓等的制备基本原理、制备工艺和材料特性，介绍第三代半导体材料氮化镓、碳化硅及其他半导体材料的性质及制备方法。 目标与任务：使学生掌握主要半导体材料的性质以及制备方法，了解半导体材料最新发展情况、为将来从事半导体材料科学、半导体器件制备等打下基础。 （三）先修课程要求：《固体物理学》、《半导体物理学》、《热力学统计物理》； 本课程中介绍半导体材料性质方面需要《固体物理学》、《半导体物理学》中晶体结构、能带理论等章节作为基础。同时介绍材料生长方面知识时需要《热力学统计物理》中关于自由能等方面的知识。 （四）教材：杨树人《半导体材料》 主要参考书：褚君浩、张玉龙《半导体材料技术》 陆大成《金属有机化合物气相外延基础及应用》 二、课程内容与安排 第一章半导体材料概述 第一节半导体材料发展历程 第二节半导体材料分类 第三节半导体材料制备方法综述 第二章硅和锗的制备 第一节硅和锗的物理化学性质 第二节高纯硅的制备 第三节锗的富集与提纯
第三章区熔提纯 第一节分凝现象与分凝系数 第二节区熔原理 第三节锗的区熔提纯 第四章晶体生长 第一节晶体生长理论基础 第二节熔体的晶体生长 第三节硅、锗单晶生长 第五章硅、锗晶体中的杂质和缺陷 第一节硅、锗晶体中杂质的性质 第二节硅、锗晶体的掺杂 第三节硅、锗单晶的位错 第四节硅单晶中的微缺陷 第六章硅外延生长 第一节硅的气相外延生长 第二节硅外延生长的缺陷及电阻率控制 第三节硅的异质外延 第七章化合物半导体的外延生长 第一节气相外延生长（VPE） 第二节金属有机物化学气相外延生长（MOCVD） 第三节分子束外延生长（MBE） 第四节其他外延生长技术 第八章化合物半导体材料（一）：第二代半导体材料 第一节 GaAs、InP等III-V族化合物半导体材料的特性第二节 GaAs单晶的制备及应用 第三节 GaAs单晶中杂质控制及掺杂 第四节 InP、GaP等的制备及应用 第九章化合物半导体材料（二）：第三代半导体材料 第一节氮化物半导体材料特性及应用 第二节氮化物半导体材料的外延生长 第三节碳化硅材料的特性及应用 第十章其他半导体材料
半导体材料的分类及应用
半导体材料的分类及应用
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半导体材料的分类及应用 能源、材料与信息被认为是当今正在兴起的新技术革命的三大支柱。材料方面, 电子材料的进展尤其引人注目。以大规模和超大规模集成电路为核心的电脑的问世极大地推动了现代科学技术各个方面的发展,一个又一个划时代意义的半导体生产新工艺、新材料和新仪器不断涌现, 并迅速变成生产力和生产工具，极大地推动了集成电路工业的高速发展。半导体数字集成电路、模拟集成电路、存储器、专用集成电路和微处理器，无论是在集成度和稳定可靠性的提高方面, 还是在生产成本不断降低方面都上了一个又一个新台阶,有力地促进了人类在生物工程、航空航天、工业、农业、商业、科技、教育、卫生等领域的全面发展, 也大大地方便和丰富了人们的日常生活。半导体集成电路的发展水平, 是衡量一个国家的经济实力和科技进步的主要标志之一, 然而半导体材料又是集成电路发展的一个重要基石。“半体体材料”作为电子材料的代表，在生产实践的客观需求刺激下, 科技工作者已经发现了数以千计的具有半导体特性的材料, 并正在卓有成效在研究、开发和利用各种具有特殊性能的材料。 1 元素半导体 周期表中有12 种具有半导体性质的元素( 见下表) 。但其中S、P、As、Sb 和I 不稳定，易发挥; 灰Sｎ在室温下转变为白Sn, 已金属；Ｂ、Ｃ的熔点太高, 不易制成单晶; T e 十分稀缺。这样只剩下Sｅ、Ge 和Ｓi 可供实用。半导体技术的早期( ５0 年代以前) 。
半导体材料的分类及应用
半导体材料的分类及应用 能源、材料与信息被认为是当今正在兴起的新技术革命的三大支柱。材料方面, 电子材料的进展尤其引人注目。以大规模和超大规模集成电路为核心的电脑的问世极大地推动了现代科学技术各个方面的发展,一个又一个划时代意义的半导体生产新工艺、新材料和新仪器不断涌现, 并迅速变成生产力和生产工具, 极大地推动了集成电路工业的高速发展。半导体数字集成电路、模拟集成电路、存储器、专用集成电路和微处理器, 无论是在集成度和稳定可靠性的提高方面, 还是在生产成本不断降低方面都上了一个又一个新台阶,有力地促进了人类在生物工程、航空航天、工业、农业、商业、科技、教育、卫生等领域的全面发展, 也大大地方便和丰富了人们的日常生活。半导体集成电路的发展水平, 是衡量一个国家的经济实力和科技进步的主要标志之一, 然而半导体材料又是集成电路发展的一个重要基石。“半体体材料”作为电子材料的代表, 在生产实践的客观需求刺激下, 科技工作者已经发现了数以千计的具有半导体特性的材料, 并正在卓有成效在研究、开发和利用各种具有特殊性能的材料。 1 元素半导体 周期表中有12 种具有半导体性质的元素( 见下表) 。但其中S、P、As、Sb 和I 不稳定, 易发挥; 灰Sn 在室温下转变为白Sn, 已金属; B、C 的熔点太高, 不易制成单晶; T e 十分稀缺。这样只剩下Se、Ge 和Si 可供实用。半导体技术的早期( 50 年代以前) 。 表1 具有半导体性质的元素
周期ⅢA ⅣA ⅤA ⅥA ⅦA B C S i P S Ge As S e S n Sb Te I Se 曾广泛地用作光电池和整流器, 晶体管发明后,Ge 迅速地兴起, 但很快又被性能更好的Si 所取代。现在Se 在非晶半导体器件领域还保留一席之地, Ge 在若干种分立元件( 低压、低频、中功率晶体管以及光电探测器等) 中还被应用, 而Si 则一直是半导体工作的主导材料, 这种情况预计到下个世纪初也不会改变。Si 能成为主角的原因是: 含量极其丰富( 占地壳的27%) , 提纯与结晶方便; 禁带宽度1. 12eV, 比Ge 的0. 66eV 大, 因而Si 器件工作温度高; 更重要的是SiO2 膜的纯化和掩蔽作用, 纯化作用使器件的稳定性与可靠性大为提高,掩蔽作用使器件的制和实现了平面工艺, 从而实现了大规模自动化的工业生产和集成化, 使半导体分立器件和集成电路以其低廉的价格和卓越的性能迅速取代了电子管, 微电子学取代了真空电子学, 微电子工程成为当代产业中的一支生力军。据报导, 1995 年世界半导体器件销售额为1464 亿美元, 硅片销费量约为30. 0 亿平方英寸, 1996 年市场规模为1851 亿美元, 增长了26. 4%, 消费硅片则达33. 46 亿平方英寸。 硅材料分为多晶硅, 单晶硅和非晶硅。单晶硅分为直拉单晶硅( CZ) 、区熔单晶硅( FZ) 和外延单晶硅片( EPI) 。其中, CZ 单晶
(完整版)半导体材料及特性
地球的矿藏多半是化合物，所以最早得到利用的半导体材料都是化合物,例如方铅矿(PbS)很早就用于无线电检波，氧化亚铜(Cu2O)用作固体整流器，闪锌矿(ZnS)是熟知的固体发光材料，碳化硅(SiC)的整流检波作用也较早被利用。硒(Se)是最早发现并被利用的元素半导体，曾是固体整流器和光电池的重要材料。元素半导体锗（Ge）放大作用的发现开辟了半导体历史新的一页，从此电子设备开始实现晶体管化。中国的半导体研究和生产是从1957年首次制备出高纯度(99.999999％～99.9999999％) 的锗开始的。采用元素半导体硅（Si）以后，不仅使晶体管的类型和品种增加、性能提高，而且迎来了大规模和超大规模集成电路的时代。以砷化镓(GaAs)为代表的Ⅲ－Ⅴ族化合物的发现促进了微波器件和光电器件的迅速发展。 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、无机化合物半导体、有机化合物半导体和非晶态与液态半导体。 元素半导体：在元素周期表的ⅢA族至ⅦA族分布着11种具有半导性的元素，下表的黑框中即这11种元素半导体,其中C表示金刚石。C、P、Se具有绝缘体与半导体两种形态;B、Si、Ge、Te具有半导性；Sn、As、Sb具有半导体与金属两种形态。P的熔点与沸点太低,Ⅰ的蒸汽压太高、容易分解，所以它们的实用价值不大。As、Sb、Sn的稳定态是金属，半导体是不稳定的形态。B、C、Te也因制备工艺上的困难和性能方面的局限性而尚未被利用。因此这11种元素半导体中只有Ge、Si、Se 3种元素已得到利用。Ge、Si仍是所有半导体材料中应用最广的两种材料。 无机化合物半导体： 四元系等。二元系包括：①Ⅳ-Ⅳ族:SiC 和Ge-Si合金都具有闪锌矿的结构。②Ⅲ -Ⅴ族:由周期表中Ⅲ族元素Al、Ga、In 和V族元素P、As、Sb组成，典型的代表 为GaAs。它们都具有闪锌矿结构,它们在 应用方面仅次于Ge、Si,有很大的发展前 途。③Ⅱ-Ⅵ族:Ⅱ族元素Zn、Cd、Hg和 Ⅵ族元素S、Se、Te形成的化合物，是一 些重要的光电材料。ZnS、CdTe、HgTe具 有闪锌矿结构。④Ⅰ－Ⅶ族：Ⅰ族元素C u、Ag、Au和Ⅶ族元素Cl、Br、I形成的 化合物，其中CuBr、CuI具有闪锌矿结构。 半导体材料 ⑤Ⅴ-Ⅵ族：Ⅴ族元素As、Sb、Bi和Ⅵ族
半导体分类
按半导体工艺分类,集成电路可以分为 A、双极型电路、MOS电路和接口电路 B、双极型电路、MOS电路和双极型－MOS电路 C、小规模、大规模和超大规模集成电路 D、模拟集成电路、数字集成电路 化合物半导体分类概述 化合物半导体主要包括III-V族，II-VI族、IV-IV族及I-III-VI族等，但就研究现况及未来远景而言，仍以III-V族、II-VI族及IV-IV族为主流，概述如下。 1. III-V族 （1） 砷化物系列材料︰包括AlGaA s、应变InGaAs材料，已是最成熟的化合物半导体，也是在光纤通讯、无线通讯及信息产业上不可或缺的关键材料。近年来，研究重点除了与量产技术相关的课题外，最受注意的方向就是与纳米科技相关的InGaAs、InAs量子点、量子线低维度结构及其临场实时检测技术、Metamorphic 外延技术、含氮的InGaAsSbN材料、以及含Mn，Co，Ni及Cr等元素的磁性材料。 这些新材料搭配纳米结构会是未来发展量子器件的基础。 （2） 磷化物系列材料︰包括可见光范围的AlGaInP/GaAs及光纤通讯应用的InGaAsP/InP以及InAlGaAs/InP系列材料。含磷系列的材料，在MOCVD外延技术上已相当成熟，但在分子束外延（MBE）技术方面，直到最近几年由于固态磷源技术的进步，且有良好的均匀性及安全性的优点，而成为许多人青睐的选项的一。AlGaInP材料主要应用于LED及激光，而InGaP/GaAs则是重要的HBT材料，InP系列除了光纤通讯的应用的外，也是高速器件及MMIC的重要材料，特别是InP HBT将在100 GHz以上的电路扮演极重要的角色。当然，其纳米结构也是研 究重点的一。 （3） 氮化物系列材料︰包括BN，AlN，GaN及InN等，是当今最热门的研究重点，相关材料的波长涵盖范围包括紫外光、紫光、蓝光、绿光、红光，甚至红外光，而器件则包括高亮度LED、半导体激光、光侦测器，以及高功率电子器件，如HEMT 等。由于它的应用广泛，各种不同的外延技术都值得发展。目前氮化物系列材料最大的课题是没有适当的晶格匹配衬底。因此，衬底材料的单晶成长技术，及以HVPE成长厚层GaN作为衬底的相关技术，均是值得探讨的课题。除了六方晶系氮化物系列材料的外，低度含氮的立方化合物半导体材料也是一个重要的研究主题，在GaAs衬底上成长InGaAsN以制作1.3 μm，1.55 μm激光及光放大器即是一例。这类型材料的外延成长、材料缺陷研究、物理研究与器件应用，目前虽已有良好的进展，但其中牵涉的物理仍未十分清楚，有待深入研究。 （4） 锑化物系列材料︰锑化物系列的材料过去主要是在中红外线波长范围（2-5μm）的应用，包括下一世代的光纤通讯、中红外线光源、侦测器及热光伏特(TPV)能
半导体材料有哪些
半导体材料有哪些 半导体材料（semiconductor material）是一类具有半导体性能（导电能力介于导体与绝缘体之间，电阻率约在1mΩ·cm～1GΩ·cm范围内）、可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。 自然界的物质、材料按导电能力大小可分为导体、半导体和绝缘体三大类。半导体的电阻率在1mΩ·cm～1GΩ·cm范围（上限按谢嘉奎《电子线路》取值，还有取其1/10或10倍的；因角标不可用，暂用当前描述）。在一般情况下，半导体电导率随温度的升高而升高，这与金属导体恰好相反。 凡具有上述两种特征的材料都可归入半导体材料的范围。反映半导体半导体材料内在基本性质的却是各种外界因素如光、热、磁、电等作用于半导体而引起的物理效应和现象，这些可统称为半导体材料的半导体性质。构成固态电子器件的基体材料绝大多数是半导体，正是这些半导体材料的各种半导体性质赋予各种不同类型半导体器件以不同的功能和特性。 什么是半导体材料_常见半导体材料有哪些 半导体的基本化学特征在于原子间存在饱和的共价键。作为共价键特征的典型是在晶格结构上表现为四面体结构，所以典型的半导体材料具有金刚石或闪锌矿（ZnS）的结构。由于地球的矿藏多半是化合物，所以最早得到利用的半导体材料都是化合物，例如方铅矿（PbS）很早就用于无线电检波，氧化亚铜（Cu2O）用作固体整流器，闪锌矿（ZnS）是熟知的固体发光材料，碳化硅（SiC）的整流检波作用也较早被利用。 硒（Se）是最早发现并被利用的元素半导体，曾是固体整流器和光电池的重要材料。元素半导体锗（Ge）放大作用的发现开辟了半导体历史新的一页，从此电子设备开始实现晶体管化。中国的半导体研究和生产是从1957年首次制备出高纯度（99.999999%～ 99.9999999%）的锗开始的。采用元素半导体硅（Si）以后，不仅使晶体管的类型和品种
论文-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
半导体材料的应用
半导体材料的应用 学院：物理学院 学号：2013012856 姓名：艾尼瓦尔江·吐尔逊导师: 李兴华
半导体材料的应用 1. 介绍 半导体材料是是一类具有半导体性能（导电能力介于导体与绝缘体之间，电阻率约在1mΩ·cm～1GΩ·cm范围内）、可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。反映半导体内在基本性质的却是各种外界因素如光、热、磁、电等作用于半导体而引起的物理效应和现象，这些可统称为半导体材料的半导体性质。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、无机化合物半导体、有机化合物半导体和非晶态与液态半导体。 新型有机半导体材料，其结构稳定，拥有卓越的电学特性，而且成本低廉，可被用于制造现代电子设备中广泛使用的场效应晶体管。有机半导体是一种塑料材料，其拥有的特殊结构让其具有导电性。 2.半导体材料的地位 上世纪中叶，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，导致了革命；上世纪70年代初石英光导纤维材料和GaAs激光器的发明，促进了光纤通信技术迅速发展并逐步形成了高新技术产业，使人类进入了信息。超晶格概念的提出及其半导体超晶格、量子阱材料的研制成功，彻底改变了光电器件的设计思想，使半导体器件的设计与制造从“杂质工程”发展到“能带工程”。纳米技术的发展和应用，将使人类能从原子、分子或纳米尺度水平上控制、操纵和制造功能强大的新型器件与电路，必将深刻影响世界的、格局和军事对抗的形式，彻底改变人们的生活方式。 3.发展历程 第一代半导体是“元素半导体”，典型如硅基和锗基半导体。其中以硅基半导体技术较成熟，应用也较广，一般用硅基半导体来代替元素半导体的名称。硅基半导体器件的频率只能做到10GHz。 第二代半导体材料是化合物半导体。化合物半导体是以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）和氮化镓(GaN)等为代表，其中以砷化镓技术较成熟，应用也较广。化合物半导体不同於硅半导体的性质主要有二: 一是化合物半导体的电子迁移率较硅半导体快许多，因此适用于高频传输，在无线电通讯如手机、基地台、无线区域网络、卫星通讯、卫星定位等皆有应用；二是化合物半导体具有直接带隙，这是和硅半导体所不同的，因此化合物半导体可适用发光领域。目前化合物半导体器件工作频率已经达到100GHz。 当前化合物半导体产业的发展主要体现在半导体照明技术、汽车光电子市场、新一代光纤通信技术、军用光电子等。 4.半导体材料的产业现状 1.多晶硅 多晶硅是制备单晶硅和太阳能电池的原料，主要生产方法为改良西门子法。全球多晶硅市场供大于求，随着半导体市场的恢复和太阳能用多晶硅的增长，多晶硅供需将逐步平衡。我国多晶硅严重短缺。我国多晶硅工业起步于50年代，60年代实现工业化生产。由于技术水平低、生产规模太小、环境污染严重、生产成本高，目前只剩下峨嵋半导体材料厂和洛阳单晶硅厂2个厂家生产多晶硅。2001年生产量为80t[7]，仅占世界产量的0.4%，与当今信息产业的高速发展和多晶硅的市场需求急剧增加极不协调。我国这种多晶硅供不应求的局面还将持续下去。
半导体材料简介
半导体材料简介半 邝荣初5801310012 环境与化学工程学院制药工程101班制药工程 摘要：本文对半导体科学与技术有一个概括性的介绍。内容涉及半导体的定义 其基本特性的描述以及种类，重点介绍了硅材料，宽带隙半导材料，低维半导体材料体。 关键词：半导体概念种类硅材料硅材料低维半导体材料 一、半导体的概念：电阻率介于金属和绝缘体之间并有负的电阻温度系数 的物质。半导体自室温时电阻率约在10-5～107欧·米之间，在一般情况下，半导体电导率随温度的升高而增大，这与金属导体恰好相反。凡具有上述两种特征的材料都可归入半导体材料的范围。反映半导体内在基本性质的却是各种外界因素如光、热、磁、电等作用于半导体而引起的物理效应和现象，这些可统称为半导体材料的半导体性质。电阻率特性、导电特性、光电特性、负的电阻率温度特性和整流特性是半导体的五大特性。 二、半导体材料的种类：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、无机化合物半导体、有机化合物半导体和非晶态与液态半导体。按照其制造技术可以分为：集成电路器件，分立器件、光电半导体、逻辑IC、模拟IC、储存器等大类，一般来说这些还会被分成小类。此外还有以应用领域、设计方法等进行分类，虽然不常用，但还是按照IC、LSI、VLSI（超大LSI）及其规模进行分类的方法。此外，还有按照其所处理的信号，可以分成模拟、数字、模拟数字混成及功能进行分类的方法。 三、重要半导体材料 1、硅材料：硅是元素半导体。电活性杂质磷和硼在合格半导体和多晶 硅中应分别低于0.4ppb和0.1ppb。拉制单晶时要掺入一定量的电活性杂质，以获得所要求的导电类型和电阻率。重金属铜、金、铁等和非金属碳都是极有害的杂质，它们的存在会使PN结性能变坏。硅中碳含量较高，低于1ppm 者可认为是低碳单晶。碳含量超过3ppm时其有害作用已较显著。硅中氧含量甚高。氧的存在有益也有害。直拉硅单晶氧含量在5～40ppm范围内；区熔硅单晶氧含量可低于1ppm。硅具有优良的半导体电学性质。禁带宽度适中，为1.12电子伏。载流子迁移率较高，电子迁移率为1350厘米2/伏·秒，空穴迁移率为480厘米2/伏·秒。本征电阻率在室温(300K)下高达2.3×105欧·厘米,掺杂后电阻率可控制在104～10-4 欧·厘米的宽广范围内，能满足制造各种器件的需要。硅单晶的非平衡少数载流子寿命较长,在几十微秒至1毫秒之间。热导率较大。化学性质稳定，又易于形成稳定的热氧化膜。在平面型硅器件制造中可以用氧化膜实现PN结表面钝化和保护，还可以形成金属-氧化物-半导体结构,制造MOS场效应晶体管和集成电路。上述性质使PN结具有良好特性，使硅器件具有耐高压、反向漏电流小、效率高、使
半导体材料整理
半导体材料 名词解释： 能带：包括允带和禁带。 允带：允许电子能量存在的能量范围。允带又分为空带、满带、导带、价带。 禁带：不允许电子存在的能量范围。 空带：不被电子占据的允带。 满带：允带中的能量状态（能级）均被电子占据。 导带：电子未占满的允带（有部分电子）。 价带：被价电子占据的允带（低温下通常被价电子占满）。 过冷度： 迁移率：称为电子迁移率，表示单位场强下电子的平均漂移速度，与外加电场无关，与其固有特性有关。 集成度：指单块芯片上所容纳的原件数目。集成度越高，容纳的原件数目越多。 半导体的五大特性： 1.负电阻温度系数； 2.光电导效应； 3.整流效应（单向导通性）； 4.光生伏特效应； 5.霍尔效应。 半导体的分类： 第一代半导体材料，元素半导体材料，以Si和Ge为代表; Si：Eg=1.12 eV 第二代半导体材料，化合物半导体材料，以GaAs，InP等材料为代表; GaAs：Eg=1.46eV 第三代半导体材料，化合物半导体材料，以GaN，SiC，ZnO等材料为代表; GaN: Eg=3.3 eV 半导体的电阻率、电导率介于导体和绝缘体之间。如何区分导体、半导体和绝缘体？ 用电阻率和电导率来区分，测电阻、电阻率。电阻率ρ：导体（10-6~10-3Ω/㎝），半导体（10-4~108Ω/㎝），绝缘体（1010~1018Ω/㎝）电导率σ：导体（103~106?/㎝），半导体（10-8~104?/㎝），绝缘体（10-18~10-10?/㎝）。 半导体导电的条件？有外加电压（载流子运动的驱动力），有自由移动的载流子（载流子运动产生电流）。满的能带中的电子才可以导电。 跃迁 直接带隙半导体→垂直跃迁（直接跃迁）：导带底和价带顶处于k空间同一点；跃迁前后没有动量变化；如GaAs，ZnO，GaN等。 间接带隙半导体→非垂直跃迁（间接跃迁）：导带底和价带顶处于k空间不同一点；如Si，Ge等。 跃迁的种类决定了发光几率，一般情况下，直接带隙半导体的发光几率远大于间接带隙半导体；制作利用电子—空穴复合（LED发光）的发光器件时，一般要用直接带隙半导体。
半导体材料
半导体材料的类型。 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、无机化合物半导体、有机化合物半导体和非晶态与液态半导体。 半导体材料的晶体结构有金刚石型，闪锌矿型，纤锌矿型以及NaCl型。而其中金刚石型的有Si，金刚石，Ge等。闪锌矿型的有GaAs, ZnO,GaN,SiC等。纤锌矿型有InN,GaN,ZnO,SiC等。NaCl型的有PbS,CdO等。 半导体材料的基本特性 半导体在受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化（热敏特性、光敏特性）。往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。半导体材料的性质主要取决于半导体的能带结构和电子的运动规律。 有机半导体的晶体结构 有机半导体材料与传统半导体材料的区别不言自明，即有机半导体材料都是由有机分子组成的。有机半导体材料的分子中必须含有 键结构。如图1所示，在碳-碳双键结构中，两个碳原子的pz 轨道组成一对 轨道（ 和 ），其成键轨道（? 与反键轨道（ ）的能级差远小于两个 轨道之间的能级差。按照前线轨道理论， 轨道是最高填充轨道（HOMO）， 是最低未填充轨道（LUMO）。在有机半导体的研究中，这两个轨道可以与无机半导体材料中的价带和导带类比。当HOMO 能级上的电子被激发到LUMO 能级上时，就会形成一对束缚在一起的空穴-电子对。有机半导体材料的电学和电子学性能正是由这些激发态的空穴和电子决定的。 在有机半导体材料分子里，?键结构会扩展到相邻的许多个原子上。根据分子结构单元的重复性，有机半导体材料可分为小分子型和高分子型两大类。 小分子型有机半导体材料的分子中没有呈链状交替存在的结构片断，通常只由一个比较大的 共轭体系构成。常见的小分子型有机半导体材料有并五苯、三苯基胺、富勒烯、酞菁、苝衍生物和花菁等（如图2)，常见的高分子型有机半导体材料则主要包括聚乙炔型、聚芳环型和共聚物型几大类，其中聚芳环型又包括聚苯、聚噻吩、聚苯胺、聚吡咯等类型。 事实上，由于有机分子的无限可修饰性，有机半导体材料的结构类型可以说是无穷无尽的。 如前所述，无机半导体中的载流子是高度离域的，在外加电压的作用下会在连续的导带或者价带中定向移动。而在有机半导体材料中，分子与分子之间仅有微弱的范德华力，载流子的离域程度通常仅限于一个分子之内。只有在有机半导
半导体材料的发展历史
半导体材料的发展历史 半导体材料是半导体工业的基础，它的发展对半导体工业的发展具有极大的影响。如果按化学成分及内部结构，半导体材料大致可以分为以下几类：一是元素半导体材料，包括锗(Ge)、硅(Si)、硒(Se)、硼(B)等。20世纪50年代，锗在半导体工业中占主导地位，但锗半导体器件的耐高温和抗辐射性能较差，到20世纪60年代后期逐渐被硅材料取代。用硅制造的半导体器件，耐高温和抗辐射性能较好，特别适宜制作大功率器件。因此，硅已成为应用最多的一种半导体材料，目前的集成电路大多数是用硅材料制造的。二是化合物半导体，它是由两种或两种以上的元素化合而成的半导体材料。它的种类很多，重要的有砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、锑化铟(InSb)、氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)、硫化镉(CdS)等。其中砷化镓是除硅之外研究最深入、应用最广泛的半导体材料。由于砷化镓是一种直接带隙的半导体材料，并且具有禁带宽度宽、电子迁移率高的优点，因而砷化镓材料不仅可直接研制光电子器件，如发光二极管、可见光激光器、近红外激光器、量子阱大功率激光器、红外探测器和高效太阳能电池等，而且在微电子方面，以半绝缘砷化镓(Si-GaAs)为基体，用直接离子注入自对准平面工艺研制的砷化镓高速数字电路、微波单片电路、光电集成电路、低噪声及大功率场效应晶体管，具有速度快、频率高、低功耗和抗辐射等特点。碳化硅由于其抗辐射能力强、耐高温和化学稳定性好，在航天技术领域有着广泛的应用。氮化镓材料是近十年才成为研究热点，它是一种宽禁带半导体材料
（Eg＝3.4eV），具有纤锌矿结构的氮化镓属于直接跃迁型半导体，是制作绿光、蓝光、紫光乃至紫外发光二极管、探测器和激光器的材料。氮化镓可以与氮化铟（Eg＝1.9eV）、氮化铝（Eg＝6.2eV）形成合金InGaN、AlGaN，这样可以调制禁带宽度，进而调节发光管、激光管等的波长。三是非晶半导体。上面介绍的都是具有确定晶格结构的半导体材料，在这些材料中原子排列具有对称性和周期性。然而，一些不具有长程有序的无定形固体（非晶体）也具有明显的半导体特征。非晶半导体的种类繁多，大体上也可按晶态物质的归类方法来分类。从目前研究的深度来看，颇有实用价值的非晶半导体材料首推氢化非晶硅（α－SiH）及其合金材料（α－SiC:H、α－SiN:H），可以用于低成本太阳能电池和静电光敏感材料。非晶Se（α－Se）、硫系玻璃及氧化物玻璃等非晶半导体在传感器、开关电路及信息存储方面也有广泛的应用前景。四是有机半导体，例如芳香族有机化合物就具有典型的半导体特征。有机半导体的电导特性研究可能对生物体内的基本物理过程研究起着重大推动作用，是半导体研究的一个热门领域，其中有机发光二极管（OLED）的研究尤其受到人们的重视。 5 o4 _" I4 n/ @5 F# l. 半导体材料的战略地位 上世纪中叶，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；上世纪70年代初石英光导纤维材料和GaAs 激光器的发明，促进了光纤通信技术迅速发展并逐步形成了高新技术产业，使人类进入了信息时代。超晶格概念的提出及其半导体超晶格、量子阱材料的研制成功，彻底改变了光电器件的设计思想，使半导体器件
半导体材料介绍
《功能材料论》论文 --半导体材料介绍 班级：09050102 学号：28 姓名：李华林
半导体材料介绍 学号：0905010228 姓名：李华林 摘要：本文主要介绍半导体材料的发展、分类、一些特性参数和制备工艺以及半导体材料在生活中的应用。半导体在我们的日常生活中应用很广泛，半导体材料的一些 结构和参数决定了它的特性。以非晶硅a-Si:H为例，它就是一种半导体材料中的 非晶态半导体，其结构和性能决定了它在制作太阳能电池方面的应用。现在人们 现在研究了有关它的一些性质，并研究和改善它的一些缺点，例如疲劳效应、载 流子的寿命短和扩速长度小等。 关键词：半导体材料；导电能力；载流子；电阻率；电子；空穴；薄膜。 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。 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、二元化合物半导体、多元化合物半导体和非晶态半导体与有机半导体。 半导体的发展与器件紧密相关。可以说电子工业的发展的半导体器件对材料的需求是促进半导体材料研究和开拓的强大动力；而材料质量的提高和新型半导体材料的出现，又优化了半导体器件的性能。 1941年用多晶硅制成检波器，是半导体材料的开始，1948-1950年用切克劳斯基法成功拉出了锗单晶，并用它制成了世界第一个具有放大性能的锗晶体三极管。1951年用四氯化硅锌还原法制出了多晶硅；第二年用直拉法成功的拉出了世界上第一根硅单晶；同年制出了硅结型晶体管，从而大大推进了半导体材料的广泛应用和半导体器件的飞速发展。 60年代初，出现了硅单晶薄层外延技术，特别是硅平面工艺和平面晶体管的出现，以及相继出现的硅集成电路，对半导体材料质量提出了更高的要求，促使硅材料在提纯、拉晶、区熔等单晶制备方法方面进一步改进和提高，