半導(dǎo)體材料

簡(jiǎn)介

       自然界的物質(zhì)、材料按導(dǎo)電能力大小可分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體三大類。半導(dǎo)體的電阻率在1mΩ·cm～1GΩ·cm范圍（上限按謝嘉奎《電子線路》取值，還有取其1/10或10倍的；因角標(biāo)不可用，暫用當(dāng)前描述）。在一般情況下， 半導(dǎo)體電導(dǎo)率隨溫度的升高而增大。

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       凡具有上述兩種特征的材料都可歸入半導(dǎo)體材料的范圍。反映半導(dǎo)體內(nèi)在基本性質(zhì)的卻是各種外界因素如光、熱、磁、電等作用于半導(dǎo)體而引起的物理效應(yīng)和現(xiàn)象，這些可統(tǒng)稱為半導(dǎo)體材料的半導(dǎo)體性質(zhì)。構(gòu)成固態(tài)電子器件的基體材料絕大多數(shù)是半導(dǎo)體，正是這些半導(dǎo)體材料的各種半導(dǎo)體性質(zhì)賦予各種不同類型半導(dǎo)體器件以不同的功能和特性。半導(dǎo)體的基本化學(xué)特征在于原子間存在飽和的共價(jià)鍵。作為共價(jià)鍵特征的典型是在晶格結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)為四面體結(jié)構(gòu),所以典型的半導(dǎo)體材料具有金剛石或閃鋅礦(ZnS)的結(jié)構(gòu)。 由于地球的礦藏多半是化合物，所以最早得到利用的半導(dǎo)體材料都是化合物,例如方鉛礦(PbS)很早就用于無(wú)線電檢波，氧化亞銅(Cu2O)用作固體整流器，閃鋅礦(ZnS)是熟知的固體發(fā)光材料，碳化硅(SiC)的整流檢波作用也較早被利用。硒(Se)是最早發(fā)現(xiàn)并被利用的元素半導(dǎo)體，曾是固體整流器和光電池的重要材料。元素半導(dǎo)體鍺（Ge）放大作用的發(fā)現(xiàn)開(kāi)辟了半導(dǎo)體歷史新的一頁(yè)，從此電子設(shè)備開(kāi)始實(shí)現(xiàn)晶體管化。中國(guó)的半導(dǎo)體研究和生產(chǎn)是從1957年首次制備出高純度(99.999999%～99.9999999%) 的鍺開(kāi)始的。采用元素半導(dǎo)體硅（Si）以后，不僅使晶體管的類型和品種增加、性能提高，而且迎來(lái)了大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的時(shí)代。以砷化鎵(GaAs)為代表的Ⅲ－Ⅴ族化合物的發(fā)現(xiàn)促進(jìn)了微波器件和光電器件的迅速發(fā)展。

主要種類

       半導(dǎo)體材料可按化學(xué)組成來(lái)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(dú)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(wú)機(jī)化合物半導(dǎo)體、有機(jī)化合物半導(dǎo)體和非晶態(tài)與液態(tài)半導(dǎo)體。

元素半導(dǎo)體

       在元素周期表的ⅢA族至IVA族分布著11種具有半導(dǎo)性的元素，下表的黑框中即這11種元素半導(dǎo)體，其中C表示金剛石。C、P、Se具有絕緣體與半導(dǎo)體兩種形態(tài)；B、Si、Ge、Te具有半導(dǎo)性；Sn、As、Sb具有半導(dǎo)體與金屬兩種形態(tài)。P的熔點(diǎn)與沸點(diǎn)太低，Ⅰ的蒸汽壓太高、容易分解，所以它們的實(shí)用價(jià)值不大。As、Sb、Sn的穩(wěn)定態(tài)是金屬，半導(dǎo)體是不穩(wěn)定的形態(tài)。B、C、Te也因制備工藝上的困難和性能方面的局限性而尚未被利用。因此這11種元素半導(dǎo)體中只有Ge、Si、Se 3種元素已得到利用。Ge、Si仍是所有半導(dǎo)體材料中應(yīng)用最廣的兩種材料。

無(wú)機(jī)化合物半導(dǎo)體

       分二元系、三元系、四元系等。 二元系包括：①Ⅳ－Ⅳ族：SiC和Ge－Si合金都具有閃鋅礦的結(jié)構(gòu)。②Ⅲ－Ⅴ族：由周期表中Ⅲ族元素Al、Ga、In和V族元素P、As、Sb組成，典型的代表為GaAs。它們都具有閃鋅礦結(jié)構(gòu)，它們?cè)趹?yīng)用方面僅次于Ge、Si，有很大的發(fā)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，是一些重要的光電材料。ZnS、CdTe、HgTe具有閃鋅礦結(jié)構(gòu)。④Ⅰ－Ⅶ族：Ⅰ族元素Cu、Ag、Au和 Ⅶ族元素Cl、Br、I形成的化合物，其中CuBr、CuI具有閃鋅礦結(jié)構(gòu)。⑤Ⅴ－Ⅵ族：Ⅴ族元素As、Sb、Bi和Ⅵ族元素 S、Se、Te形成的化合物具有的形式，如Bi2Te3、Bi2Se3、Bi2S3、As2Te3等是重要的溫差電材料。⑥第四周期中的B族和過(guò)渡族元素Cu、 Zn、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni的氧化物，為主要的熱敏電阻材料。⑦某些稀土族元素 Sc、Y、Sm、Eu、Yb、Tm與Ⅴ族元素N、As或Ⅵ族元素S、Se、Te形成的化合物。 除這些二元系化合物外還有它們與元素或它們之間的固溶體半導(dǎo)體，例如Si－AlP、Ge－GaAs、InAs－InSb、AlSb－GaSb、InAs－InP、GaAs－GaP等。研究這些固溶體可以在改善單一材料的某些性能或開(kāi)辟新的應(yīng)用范圍方面起很大作用。

       三元系包括：族：這是由一個(gè)Ⅱ族和一個(gè)Ⅳ族原子去替代Ⅲ－Ⅴ族中兩個(gè)Ⅲ族原子所構(gòu)成的。例如ZnSiP2、ZnGeP2、ZnGeAs2、CdGeAs2、CdSnSe2等。族：這是由一個(gè)Ⅰ族和一個(gè)Ⅲ族原子去替代Ⅱ－Ⅵ族中兩個(gè)Ⅱ族原子所構(gòu)成的， 如 CuGaSe2、AgInTe2、 AgTlTe2、CuInSe2、CuAlS2等。：這是由一個(gè)Ⅰ族和一個(gè)Ⅴ族原子去替代族中兩個(gè)Ⅲ族原子所組成，如Cu3AsSe4、Ag3AsTe4、Cu3SbS4、Ag3SbSe4等。此外，還有它的結(jié)構(gòu)基本為閃鋅礦的四元系（例如Cu2FeSnS4）和更復(fù)雜的無(wú)機(jī)化合物。

有機(jī)化合物半導(dǎo)體

       已知的有機(jī)半導(dǎo)體有幾十種，熟知的有萘、蒽、聚丙烯腈、酞菁和一些芳香族化合物等，它們作為半導(dǎo)體尚未得到應(yīng)用。

非晶態(tài)與液態(tài)半導(dǎo)體

       這類半導(dǎo)體與晶態(tài)半導(dǎo)體的最大區(qū)別是不具有嚴(yán)格周期性排列的晶體結(jié)構(gòu)。 

新型材料

       其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，擁有卓越的電學(xué)特性，而且成本低廉，可被用于制造現(xiàn)代電子設(shè)備中廣泛使用的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。

       科學(xué)家們表示，最新研究有望讓人造皮膚、智能繃帶、柔性顯示屏、智能擋風(fēng)玻璃、可穿戴的電子設(shè)備和電子墻紙等變成現(xiàn)實(shí)。

       昂貴的原因主要因?yàn)殡娨暀C(jī)、電腦和手機(jī)等電子產(chǎn)品都由硅制成，制造成本很高；而碳基（塑料）有機(jī)電子產(chǎn)品不僅制造方便、成本低廉，而且輕便柔韌可彎曲，代表了“電子設(shè)備無(wú)處不在”這一未來(lái)趨勢(shì)。 

       以前的研究表明，碳結(jié)構(gòu)越大，其性能越優(yōu)異。但科學(xué)家們一直未曾研究出有效的方法來(lái)制造更大的、穩(wěn)定的、可溶解的碳結(jié)構(gòu)以進(jìn)行研究，直到此次祖切斯庫(kù)團(tuán)隊(duì)研制出這種新的用于制造晶體管的有機(jī)半導(dǎo)體材料。

       有機(jī)半導(dǎo)體是一種塑料材料，其擁有的特殊結(jié)構(gòu)讓其具有導(dǎo)電性。在現(xiàn)代電子設(shè)備中，電路使用晶體管控制不同區(qū)域之間的電流?？茖W(xué)家們對(duì)新的有機(jī)半導(dǎo)體材料進(jìn)行了研究并探索了其結(jié)構(gòu)與電學(xué)屬性之間的關(guān)系。

實(shí)際運(yùn)用

制備不同的半導(dǎo)體器件對(duì)半導(dǎo)體材料有不同的形態(tài)要求，包括單晶的切片、磨片、拋光片、薄膜等。半導(dǎo)體材料的不同形態(tài)要求對(duì)應(yīng)不同的加工工藝。常用的半導(dǎo)體材料制備工藝有提純、單晶的制備和薄膜外延生長(zhǎng)。

       所有的半導(dǎo)體材料都需要對(duì)原料進(jìn)行提純，要求的純度在6個(gè)“9”以上，最高達(dá)11個(gè)“9”以上。提純的方法分兩大類，一類是不改變材料的化學(xué)組成進(jìn)行提純，稱為物理提純；另一類是把元素先變成化合物進(jìn)行提純，再將提純后的化合物還原成元素，稱為化學(xué)提純。物理提純的方法有真空蒸發(fā)、區(qū)域精制、拉晶提純等，使用最多的是區(qū)域精制?；瘜W(xué)提純的主要方法有電解、絡(luò)合、萃取、精餾等，使用最多的是精餾。由于每一種方法都有一定的局限性，因此常使用幾種提純方法相結(jié)合的工藝流程以獲得合格的材料。

       絕大多數(shù)半導(dǎo)體器件是在單晶片或以單晶片為襯底的外延片上作出的。成批量的半導(dǎo)體單晶都是用熔體生長(zhǎng)法制成的。直拉法應(yīng)用最廣，80％的硅單晶、大部分鍺單晶和銻化銦單晶是用此法生產(chǎn)的，其中硅單晶的最大直徑已達(dá)300毫米。在熔體中通入磁場(chǎng)的直拉法稱為磁控拉晶法，用此法已生產(chǎn)出高均勻性硅單晶。在坩堝熔體表面加入液體覆蓋劑稱液封直拉法，用此法拉制砷化鎵、磷化鎵、磷化銦等分解壓較大的單晶。懸浮區(qū)熔法的熔體不與容器接觸，用此法生長(zhǎng)高純硅單晶。水平區(qū)熔法用以生產(chǎn)鍺單晶。水平定向結(jié)晶法主要用于制備砷化鎵單晶，而垂直定向結(jié)晶法用于制備碲化鎘、砷化鎵。用各種方法生產(chǎn)的體單晶再經(jīng)過(guò)晶體定向、滾磨、作參考面、切片、磨片、倒角、拋光、腐蝕、清洗、檢測(cè)、封裝等全部或部分工序以提供相應(yīng)的晶片。

       在單晶襯底上生長(zhǎng)單晶薄膜稱為外延。外延的方法有氣相、液相、固相、分子束外延等。工業(yè)生產(chǎn)使用的主要是化學(xué)氣相外延，其次是液相外延。金屬有機(jī)化合物氣相外延和分子束外延則用于制備量子阱及超晶格等微結(jié)構(gòu)。非晶、微晶、多晶薄膜多在玻璃、陶瓷、金屬等襯底上用不同類型的化學(xué)氣相沉積、磁控濺射等方法制成。

相關(guān)材料

單晶制備

       為了消除多晶材料中各小晶體之間的晶粒間界對(duì)半導(dǎo)體材料特性參量的巨大影響，半導(dǎo)體器件的基體材料一般采用單晶體。單晶制備一般可分大體積單晶（即體單晶）制備和薄膜單晶的制備。體單晶的產(chǎn)量高，利用率高，比較經(jīng)濟(jì)。但很多的器件結(jié)構(gòu)要求厚度為微米量級(jí)的薄層單晶。由于制備薄層單晶所需的溫度較低，往往可以得到質(zhì)量較好的單晶。具體的制備方法有：①?gòu)娜?/p>

       體中拉制單晶：用與熔體相同材料的小單晶體作為籽晶，當(dāng)籽晶

       與熔體接觸并向上提拉時(shí)，熔體依靠表面張力也被拉出液面，同時(shí)結(jié)晶出與籽晶具有相同晶體取向的單晶體。②區(qū)域熔煉法制備單晶：用一籽晶與半導(dǎo)體錠條在頭部熔接，隨著熔區(qū)的移動(dòng)則結(jié)晶部分即成單晶。③從溶液中再結(jié)晶。④從汽相中生長(zhǎng)單晶。前兩種方法用來(lái)生長(zhǎng)體單晶，用提拉法已經(jīng)能制備直徑為200毫米，長(zhǎng)度為1～2米的鍺、硅單晶體。后兩種方法主要用來(lái)生長(zhǎng)薄層單晶。這種薄層單晶的生長(zhǎng)一般稱外延生長(zhǎng)，薄層材料就生長(zhǎng)在另一單晶材料上。這另一單晶材料稱為襯底，一方面作為薄層材料的附著體，另一方面即為單晶生長(zhǎng)所需的籽晶。襯底與外延層可以是同一種材料（同質(zhì)外延），也可以是不同材料（異質(zhì)外延）。采用從溶液中再結(jié)晶原理的外延生長(zhǎng)方法稱液相外延；采用從汽相中生長(zhǎng)單晶原理的稱汽相外延。液相外延就是將所需的外延層材料（作為溶質(zhì)，例如GaAs），溶于某一溶劑（例如液態(tài)鎵）成飽和溶液，然后將襯底浸入此溶液，逐漸降低其溫度，溶質(zhì)從過(guò)飽和溶液中不斷析出，在襯底表面結(jié)晶出單晶薄層。汽相外延生長(zhǎng)可以用包含所需材料為組分的某些化合物氣體或蒸汽通過(guò)分解或還原等化學(xué)反應(yīng)淀積于襯底上，也可以用所需材料為源材料，然后通過(guò)真空蒸發(fā)、濺射等物理過(guò)程使源材料變?yōu)闅鈶B(tài)，再在襯底上凝聚。分子束外延是一種經(jīng)過(guò)改進(jìn)的真空蒸發(fā)工藝。利用這種方法可以精確控制射向襯底的蒸氣速率，能獲得厚度只有幾個(gè)原子厚的超薄單晶，并可得到不同材料不同厚度的互相交疊的多層外延材料。非晶態(tài)半導(dǎo)體雖然沒(méi)有單晶制備的問(wèn)題，但制備工藝與上述方法相似，一般常用的方法是從汽相中生長(zhǎng)薄膜非晶材料。

寬帶隙半導(dǎo)體材料

       氮化鎵、碳化硅和氧化鋅等都是寬帶隙半導(dǎo)體材料，因?yàn)樗?span id="ymimmcg" class="hrefStyle">禁帶寬度都在3個(gè)電子伏以上，在室溫下不可能將價(jià)帶電子激發(fā)到導(dǎo)帶。器件的工作溫度可以很高，比如說(shuō)碳化硅可以工

       作到600攝氏度；金剛石如果做成半導(dǎo)體，溫度可以更高，器件可用在石油鉆探頭上收集相關(guān)需要的信息。它們還在航空、航天等惡劣環(huán)境中有重要應(yīng)用。廣播電臺(tái)、電視臺(tái)，唯一的大功率發(fā)射管還是電子管，沒(méi)有被半導(dǎo)體器件代替。這種電子管的壽命只有兩三千小時(shí)，體積大，且非常耗電；如果用碳化硅的高功率發(fā)射器件，體積至少可以減少幾十到上百倍，壽命也會(huì)大大增加，所以高溫寬帶隙半導(dǎo)體材料是非常重要的新型半導(dǎo)體材料。

       這種材料非常難生長(zhǎng)，硅上長(zhǎng)硅，砷化鎵上長(zhǎng)GaAs，它可以長(zhǎng)得很好。但是這種材料大多都沒(méi)有塊體材料，只得用其它材料做襯底去長(zhǎng)。比如說(shuō)氮化鎵在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)，藍(lán)寶石跟氮化鎵的熱膨脹系數(shù)和晶格常數(shù)相差很大，長(zhǎng)出來(lái)的外延層的缺陷很多，這是最大的問(wèn)題和難關(guān)。另外這種材料的加工、刻蝕也都比較困難。科學(xué)家正在著手解決這個(gè)問(wèn)題，如果這個(gè)問(wèn)題一旦解決，就可以提供一個(gè)非常廣闊的發(fā)現(xiàn)新材料的空間。

低維半導(dǎo)體材料

       實(shí)際上這里說(shuō)的低維半導(dǎo)體材料就是納米材料，之所以不愿意使用這個(gè)詞，發(fā)展納米科學(xué)技術(shù)的重要目的之一，就是人們能在原子、分子或者納米的尺度水平上來(lái)控制和制造功能強(qiáng)大、性能優(yōu)越的納米電子、光電子器件和電路，納米生物傳感器件等，以造福人類?？梢灶A(yù)料，納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用不僅將徹底改變?nèi)藗兊纳a(chǎn)和生活方式，也必將改變社會(huì)政治格局和戰(zhàn)爭(zhēng)的對(duì)抗形式。這也是為什么人們對(duì)發(fā)展納米半導(dǎo)體技術(shù)非常重視的原因。

       電子在塊體材料里，在三個(gè)維度的方向上都可以自由運(yùn)動(dòng)。

       但當(dāng)材料的特征尺寸在一個(gè)維度上比電子的平均自由程相比更小的時(shí)候，電子在這個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)會(huì)受到限制，電子的能量不再是連續(xù)的，而是量子化的，我們稱這種材料為超晶格、量子阱材料。量子線材料就是電子只能沿著量子線方向自由運(yùn)動(dòng)，另外兩個(gè)方向上受到限制；量子點(diǎn)材料是指在材料三個(gè)維度上的尺寸都要比電子的平均自由程小，電子在三個(gè)方向上都不能自由運(yùn)動(dòng)，能量在三個(gè)方向上都是量子化的。

       由于上述的原因，電子的態(tài)密度函數(shù)也發(fā)生了變化，塊體材料是拋物線，電子在這上面可以自由運(yùn)動(dòng)；如果是量子點(diǎn)材料，它的態(tài)密度函數(shù)就像是單個(gè)的分子、原子那樣，完全是孤立的 函數(shù)分布，基于這個(gè)特點(diǎn)，可制造功能強(qiáng)大的量子器件。

       大規(guī)模集成電路的存儲(chǔ)器是靠大量電子的充放電實(shí)現(xiàn)的。大量電子的流動(dòng)需要消耗很多能量導(dǎo)致芯片發(fā)熱，從而限制了集成度，如果采用單個(gè)電子或幾個(gè)電子做成的存儲(chǔ)器，不但集成度可以提高，而且功耗問(wèn)題也可以解決。激光器效率不高，因?yàn)榧す馄鞯牟ㄩL(zhǎng)隨著溫度變化，一般來(lái)說(shuō)隨著溫度增高波長(zhǎng)要紅移，所以光纖通信用的激光器都要控制溫度。如果能用量子點(diǎn)激光器代替現(xiàn)有的量子阱激光器，這些問(wèn)題就可迎刃而解了。

       基于GaAs和InP基的超晶格、量子阱材料已經(jīng)發(fā)展得很成熟，廣泛地應(yīng)用于光通信、移動(dòng)通訊、微波通訊的領(lǐng)域。量子級(jí)聯(lián)激光器是一個(gè)單極器件，是近十多年才發(fā)展起來(lái)的一種新型中、遠(yuǎn)紅外光源，在自由空間 通信 、紅外對(duì)抗和遙控化學(xué)傳感等方面有著重要應(yīng)用前景。它對(duì)MBE制備工藝要求很高，整個(gè)器件結(jié)構(gòu)幾百到上千層，每層的厚度都要控制在零點(diǎn)幾個(gè)納米的精度，中國(guó)在此領(lǐng)域做出了國(guó)際先

       進(jìn)水平的成果；又如多有源區(qū)帶間量子隧穿輸運(yùn)和光耦合量子阱激光器，它具有量子效率高、功率大和光束質(zhì)量好的特點(diǎn)，中國(guó)已有很好的研究基礎(chǔ)；在量子點(diǎn)（線）材料和量子點(diǎn)激光器等研究方面也取得了令國(guó)際同行矚目的成績(jī)。

材料中的雜質(zhì)和缺陷

       雜質(zhì)控制的方法大多數(shù)是在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中同時(shí)摻入一定類型一定數(shù)量的雜質(zhì)原子。這些雜質(zhì)原子最終在晶體中的分布，除了決定于生長(zhǎng)方法本身以外，還決定于生長(zhǎng)條件的選擇。例如用提拉法生長(zhǎng)時(shí)雜質(zhì)分布除了受雜質(zhì)分凝規(guī)律的影響外，還受到熔體中不規(guī)則對(duì)流的影響而產(chǎn)生雜質(zhì)分布的起伏。此外，無(wú)論采用哪種晶體生長(zhǎng)方法，生長(zhǎng)過(guò)程中容器、加熱器、環(huán)境氣氛甚至襯底等都會(huì)引入雜質(zhì)，這種情況稱自摻雜。晶體缺陷控制也是通過(guò)控制晶體生長(zhǎng)條件（例如晶體周圍熱場(chǎng)對(duì)稱性、溫度起伏、環(huán)境壓力、生長(zhǎng)速率等）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。隨著器件尺寸的日益縮小，對(duì)晶體中雜質(zhì)分布的微區(qū)不均勻和尺寸為原子數(shù)量級(jí)的微小缺陷也要有所限制。因此如何精心設(shè)計(jì)，嚴(yán)格控制生長(zhǎng)條件以滿足對(duì)半導(dǎo)體材料中雜質(zhì)、缺陷的各種要求是半導(dǎo)體材料工藝中的一個(gè)中心問(wèn)題。

特性信息

特性參數(shù)       

       半導(dǎo)體材料雖然種類繁多但有一些固有的特性，稱為半導(dǎo)體材料的特性參數(shù)。這些特性參數(shù)不僅能反映半導(dǎo)體材料與其他非半導(dǎo)體材料之間的差別，而且更重要的是能反映各種半導(dǎo)體材料之間甚至同一種材料在不同情況下特性上的量的差別。常用的半導(dǎo)體材料的特性參數(shù)有：禁帶寬度、電阻率、載流子遷移率（載流子即半導(dǎo)體中參加導(dǎo)電的電子和空穴）、非平衡載流子壽命、位錯(cuò)密度。禁帶寬度由半導(dǎo)體的電子態(tài)、原子組態(tài)決定，反映組成這種材料的原子中價(jià)電子從束縛狀態(tài)激發(fā)到自由狀態(tài)所需的能量。電阻率、載流子遷移率反映材料的導(dǎo)電能力。非平衡載流子壽命反映半導(dǎo)體材料在外界作用（如光或電場(chǎng)）下內(nèi)部的載流子由非平衡狀態(tài)向平衡狀態(tài)過(guò)渡的弛豫特性。位錯(cuò)是晶體中最常見(jiàn)的一類晶體缺陷。位錯(cuò)密度可以用來(lái)衡量半導(dǎo)體單晶材料晶格完整性的程度。當(dāng)然，對(duì)于非晶態(tài)半導(dǎo)體是沒(méi)有這一反映晶格完整性的特性參數(shù)的。

特性要求

       半導(dǎo)體材料的特性參數(shù)對(duì)于材料應(yīng)用甚為重要。因?yàn)椴煌奶匦詻Q定不同的用途。

       晶體管對(duì)材料特性的要求 ：根據(jù)晶體管的工作原理，要求材料有較大的非平衡載流子壽命和載流子遷移率。用載流子遷移率大的材料制成的晶體管可以工作于更高的頻率（有較好的頻率響應(yīng)）。晶體缺陷會(huì)影響晶體管的特性甚至使其失效。晶體管的工作溫度高溫限決定于禁帶寬度的大小。禁帶寬度越大，晶體管正常工作的高溫限也越高。

       光電器件對(duì)材料特性的要求：利用半導(dǎo)體的光電導(dǎo)（光照后增加的電導(dǎo)）性能的輻射探測(cè)器所適用的輻射頻率范圍與材料的禁帶寬度有關(guān)。材料的非平衡載流子壽命越大，則探測(cè)器的靈敏度越高，而從光作用于探測(cè)器到產(chǎn)生響應(yīng)所需的時(shí)間（即探測(cè)器的弛豫時(shí)間）也越長(zhǎng)。因此，高的靈敏度和短的弛豫時(shí)間二者難于兼顧。對(duì)于太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō)，為了得到高的轉(zhuǎn)換效率，要求材料有大的非平衡載流子壽命和適中的禁帶寬度（禁帶寬度于1．1至1．6電子伏之間最合適）。晶體缺陷會(huì)使半導(dǎo)體發(fā)光二極管、半導(dǎo)體激光二極管的發(fā)光效率大為降低。

       溫差電器件對(duì)材料特性的要求：為提高溫差電器件的轉(zhuǎn)換效率首先要使器件兩端的溫差大。當(dāng)?shù)蜏靥幍臏囟龋ㄒ话銥榄h(huán)境溫度）固定時(shí)，溫差決定于高溫處的溫度，即溫差電器件的工作溫度。為了適應(yīng)足夠高的工作溫度就要求材料的禁帶寬度不能太小，其次材料要有大的溫差電動(dòng)勢(shì)率、小的電阻率和小的熱導(dǎo)率。

材料工藝

       半導(dǎo)體材料特性參數(shù)的大小與存在于材料中的雜質(zhì)原子和晶體缺陷有很大關(guān)系。例如電阻率因雜質(zhì)原子的類型和數(shù)量的不同而可能作大范圍的變化，而載流子遷移率和非平衡載流子壽命

       一般隨雜質(zhì)原子和晶體缺陷的增加而減小。另一方面，半導(dǎo)體材料的各種半導(dǎo)體性質(zhì)又離不開(kāi)各種雜質(zhì)原子的作用。而對(duì)于晶體缺陷，除了在一般情況下要盡可能減少和消除外，有的情況下也希望控制在一定的水平，甚至當(dāng)已經(jīng)存在缺陷時(shí)可以經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)奶幚矶右岳谩榱艘_(dá)到對(duì)半導(dǎo)體材料的雜質(zhì)原子和晶體缺陷這種既要限制又要利用的目的，需要發(fā)展一套制備合乎要求的半導(dǎo)體材料的方法，即所謂半導(dǎo)體材料工藝。這些工藝大致可概括為提純、單晶制備和雜質(zhì)與缺陷控制。

       半導(dǎo)體材料的提純“主要是除去材料中的雜質(zhì)。提純方法可分化學(xué)法和物理法?；瘜W(xué)提純是把材料制成某種中間化合物以便系統(tǒng)地除去某些雜質(zhì)，最后再把材料（元素）從某種容易分解的化合物中分離出來(lái)。物理提純常用的是區(qū)域熔煉技術(shù)，即將半導(dǎo)體材料鑄成錠條，從錠條的一端開(kāi)始形成一定長(zhǎng)度的熔化區(qū)域。利用雜質(zhì)在凝固過(guò)程中的分凝現(xiàn)象，當(dāng)此熔區(qū)從一端至另一端重復(fù)移動(dòng)多次后，雜質(zhì)富集于錠條的兩端。去掉兩端的材料，剩下的即為具有較高純度的材料（見(jiàn)區(qū)熔法晶體生長(zhǎng)）。此外還有真空蒸發(fā)、真空蒸餾等物理方法。鍺、硅是能夠得到的純度最高的半導(dǎo)體材料，其主要雜質(zhì)原子所占比例可以小于百億分之一。

應(yīng)用發(fā)展

早期應(yīng)用

       半導(dǎo)體的第一個(gè)應(yīng)用就是利用它的整流效應(yīng)作為檢波器，就是點(diǎn)接觸二極管（也俗稱貓胡子檢波器，即將一個(gè)金屬探針接觸在一塊半導(dǎo)體上以檢測(cè)電磁波）。除了檢波器之外，在早期，半導(dǎo)體還用來(lái)做整流器、光伏電池、紅外探測(cè)器等，半導(dǎo)體的四個(gè)效應(yīng)都用到了。

       從1907年到1927年，美國(guó)的物理學(xué)家研制成功晶體整流器、硒整流器和氧化亞銅整流器。1931年，蘭治和伯格曼研制成功硒光伏電池。1932年，德國(guó)先后研制成功硫化鉛、硒化鉛和碲化鉛等半導(dǎo)體紅外探測(cè)器，在二戰(zhàn)中用于偵探飛機(jī)和船艦。二戰(zhàn)時(shí)盟軍在半導(dǎo)體方面的研究也取得了很大成效，英國(guó)就利用紅外探測(cè)器多次偵探到了德國(guó)的飛機(jī)。

發(fā)展現(xiàn)狀

       相對(duì)于半導(dǎo)體設(shè)備市場(chǎng)，半導(dǎo)體材料市場(chǎng)長(zhǎng)期處于配角的位置，但隨著芯片出貨量增長(zhǎng)，材料市場(chǎng)將保持持續(xù)增長(zhǎng)，并開(kāi)始擺脫浮華的設(shè)備市場(chǎng)所帶來(lái)的陰影。按銷售收入計(jì)算，日本保持最大半導(dǎo)體材料市場(chǎng)的地位。然而臺(tái)灣、ROW、韓國(guó)也開(kāi)始崛起成為重要的市場(chǎng)，材料市場(chǎng)的崛起體現(xiàn)了器件制造業(yè)在這些地區(qū)的發(fā)展。晶圓制造材料市場(chǎng)和封裝材料市場(chǎng)雙雙獲得增長(zhǎng)，未來(lái)增長(zhǎng)將趨于緩和，但增長(zhǎng)勢(shì)頭仍將保持。

       美國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)（SIA）預(yù)測(cè)，2008年半導(dǎo)體市場(chǎng)收入將接近2670億美元，連續(xù)第五年實(shí)現(xiàn)增長(zhǎng)。無(wú)獨(dú)有偶，半導(dǎo)體材料市場(chǎng)也在相同時(shí)間內(nèi)連續(xù)改寫銷售收入和出貨量的記錄。晶圓制造材料和封裝材料均獲得了增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)今年這兩部分市場(chǎng)收入分別為268億美元和199億美元。

       日本繼續(xù)保持在半導(dǎo)體材料市場(chǎng)中的領(lǐng)先地位，消耗量占總市場(chǎng)的22％。2004年臺(tái)灣地區(qū)超過(guò)了北美地區(qū)成為第二大半導(dǎo)體材料市場(chǎng)。北美地區(qū)落后于ROW（RestofWorld）和韓國(guó)排名第五。ROW包括新加坡、馬來(lái)西亞、泰國(guó)等東南亞國(guó)家和地區(qū)。許多新的晶圓廠在這些地區(qū)投資建設(shè)，而且每個(gè)地區(qū)都具有比北美更堅(jiān)實(shí)的封裝基礎(chǔ)。

       芯片制造材料占半導(dǎo)體材料市場(chǎng)的60％，其中大部分來(lái)自硅晶圓。硅晶圓和光掩膜總和占晶圓制造材料的62％。2007年所有晶圓制造材料，除了濕化學(xué)試劑、光掩模和濺射靶，都獲得了強(qiáng)勁增長(zhǎng)，使晶圓制造材料市場(chǎng)總體增長(zhǎng)16％。2008年晶圓制造材料市場(chǎng)增長(zhǎng)相對(duì)平緩，增幅為7％。預(yù)計(jì)2009年和2010年，增幅分別為9％和6％。

       半導(dǎo)體材料市場(chǎng)發(fā)生的最重大的變化之一是封裝材料市場(chǎng)的崛起。1998年封裝材料市場(chǎng)占半導(dǎo)體材料市場(chǎng)的33％，而2008年該份額預(yù)計(jì)可增至43％。這種變化是由于球柵陣列、芯片級(jí)封裝和倒裝芯片封裝中越來(lái)越多地使用碾壓基底和先進(jìn)聚合材料。隨著產(chǎn)品便攜性和功能性對(duì)封裝提出了更高的要求，預(yù)計(jì)這些材料將在未來(lái)幾年內(nèi)獲得更為強(qiáng)勁的增長(zhǎng)。此外，金價(jià)大幅上漲使引線鍵合部分在2007年獲得36％的增長(zhǎng)。

       與晶圓制造材料相似，半導(dǎo)體封裝材料在未來(lái)三年增速也將放緩，2009年和2010年增幅均為5％，分別達(dá)到209億美元和220億美元。除去金價(jià)因素，且碾壓襯底不計(jì)入統(tǒng)計(jì)，實(shí)際增長(zhǎng)率為2％至3％。

       中國(guó)科學(xué)家研發(fā)新型半導(dǎo)體材料

       2024年4月，新華社記者從華東理工大學(xué)了解到，該校清潔能源材料與器件團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了一種鈣鈦礦單晶晶片通用生長(zhǎng)技術(shù)，將晶體生長(zhǎng)周期由7天縮短至1.5天，實(shí)現(xiàn)了30余種金屬鹵化物鈣鈦礦半導(dǎo)體的低溫、快速、可控制備，為新一代高性能光電子器件提供了豐富材料庫(kù)。

戰(zhàn)略地位

       20世紀(jì)中葉，單晶硅和半導(dǎo)體晶體管的發(fā)明及其硅集成電路的研制成功，導(dǎo)致了電子工業(yè)革命；20世紀(jì)70年代初石英光導(dǎo)纖維材料和GaAs激光器的發(fā)明，促進(jìn)了光纖通信技術(shù)迅速發(fā)展并逐步形成了高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，使人類進(jìn)入了信息時(shí)代。超晶格概念的提出及其半導(dǎo)體超晶格、量子阱材料的研制成功，徹底改變了光電器件的設(shè)計(jì)思想，使半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)與制造從“雜質(zhì)工程”發(fā)展到“能帶工程”。納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，將使人類能從原子、分子或納米尺度水平上控制、操縱和制造功能強(qiáng)大的新型器件與電路，深刻地影響著世界的政治、經(jīng)濟(jì)格局和軍事對(duì)抗的形式，徹底改變?nèi)藗兊纳罘绞健?/p>