半導(dǎo)體材料的全方位解讀，你真的了解嗎？

說到半導(dǎo)體，你真的了解半導(dǎo)體材料嗎?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)。它的導(dǎo)電能力會(huì)隨溫度、光照及摻入雜質(zhì)的不同而顯著變化，特別是摻雜可以改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力和導(dǎo)電類型，這是其廣泛應(yīng)用于制造各種電子元器件和集成電路的基本依據(jù)。

半導(dǎo)體材料的特點(diǎn)

半導(dǎo)體材料是一類具有半導(dǎo)體性能，用來制作半導(dǎo)體器件的電子材料。常用的重要半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理是通過電子和空穴這兩種載流子來實(shí)現(xiàn)的，因此相應(yīng)的有N型和P型之分。半導(dǎo)體材料通常具有一定的禁帶寬度，其電特性易受外界條件(如光照、溫度等)的影響。不同導(dǎo)電類型的材料是通過摻入特定雜質(zhì)來制備的。雜質(zhì)(特別是重金屬快擴(kuò)散雜質(zhì)和深能級(jí)雜質(zhì))對(duì)材料性能的影響尤大。因此，半導(dǎo)體材料應(yīng)具有很高的純度，這就不僅要求用來生產(chǎn)半導(dǎo)體材料的原材料應(yīng)具有相當(dāng)高的純度，而且還要求超凈的生產(chǎn)環(huán)境，以期將生產(chǎn)過程的雜質(zhì)污染減至最小。半導(dǎo)體材料大部分都是晶體，半導(dǎo)體器件對(duì)于材料的晶體完整性有較高的要求。此外，對(duì)于材料的各種電學(xué)參數(shù)的均勻性也有嚴(yán)格的要求。

半導(dǎo)體材料的應(yīng)用

半導(dǎo)體材料的早期應(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)中用于偵測(cè)飛機(jī)和艦船。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，英國就利用紅外探測(cè)器多次偵測(cè)到了德國的飛機(jī)。

今天，半導(dǎo)體已廣泛地用于家電、通訊、工業(yè)制造、航空、航天等領(lǐng)域。1994年，電子工業(yè)的世界市場(chǎng)份額為6910億美元，1998年增加到9358億美元。而其中由于美國經(jīng)濟(jì)的衰退，導(dǎo)致了半導(dǎo)體市場(chǎng)的下滑，即由1995年的1500多億美元，下降到1998年的1300多億美元。經(jīng)過幾年的徘徊，目前半導(dǎo)體市場(chǎng)已有所回升。

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)。

半導(dǎo)體材料所有的半導(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。化學(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。

1、元素半導(dǎo)體材料

硅在當(dāng)前的應(yīng)用相當(dāng)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(jìn)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(cè)器，也具有著許多的優(yōu)點(diǎn)，廣泛的應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。

2、有機(jī)半導(dǎo)體材料

有機(jī)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(jī)半導(dǎo)體材料可分為有機(jī)物，聚合物和給體受體絡(luò)合物三類。有機(jī)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(shí)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(jià)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?yàn)R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，太陽能鋰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。如今化合物半導(dǎo)體材料已經(jīng)在太陽能電池，光電器件，超高速器件，微波等領(lǐng)域占據(jù)重要位置，且不同種類具有不同的應(yīng)用?？傊雽?dǎo)體材料的發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛，隨著時(shí)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(chǎng)。

第二代半導(dǎo)體材料的發(fā)展方向

當(dāng)前化合物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展主要體現(xiàn)在以下五個(gè)方面。

1.消費(fèi)類光電子。光存貯、數(shù)字電視與全球家用電子產(chǎn)品裝備無線控制和數(shù)據(jù)連接的比例越來越高，音視頻裝置日益無線化。再加上筆記本電腦的普及，這類產(chǎn)品的市場(chǎng)為化合物半導(dǎo)體產(chǎn)品的應(yīng)用帶來了龐大的新市場(chǎng)。

2.汽車光電子市場(chǎng)。目前汽車防撞雷達(dá)已在很多高檔車上得到了實(shí)用，將來肯定會(huì)越來越普及。汽車防撞雷達(dá)一般工作在毫米波段，所以肯定離不開砷化鎵甚至磷化銦，它的中頻部分才會(huì)用到鍺硅。由于全球汽車工業(yè)十分龐大，因此這是一個(gè)必定會(huì)并發(fā)的巨大市場(chǎng)。

3.半導(dǎo)體照明技術(shù)的迅猛發(fā)展?；诎雽?dǎo)體發(fā)光二極管(LED)的半導(dǎo)體光源具有體積小、發(fā)熱量低、耗電量小、壽命長(zhǎng)、反應(yīng)速度快、環(huán)保、耐沖擊不易破、廢棄物可回收，沒有污染，可平面封裝、易開發(fā)成輕薄短小產(chǎn)品等優(yōu)點(diǎn)，具有重大的經(jīng)濟(jì)技術(shù)價(jià)值和市場(chǎng)前景。特別是基于LED的半導(dǎo)體照明產(chǎn)品具有高效節(jié)能、綠色環(huán)保優(yōu)點(diǎn)，在全球能源資源有限和保護(hù)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的雙重背景下，將在世界范圍內(nèi)引發(fā)一場(chǎng)劃時(shí)代的照明革命，成為繼白熾燈、熒光燈之后的新一代電光源，進(jìn)入到千家萬戶。目前LED已廣泛用于大屏幕顯示、交通信號(hào)燈、手機(jī)背光源等，開始應(yīng)用于城市夜景美化亮化、景觀燈、地?zé)?、手電筒、指示牌等，隨著單個(gè)LED亮度和發(fā)光效率的提高，即將進(jìn)入普通室內(nèi)照明、臺(tái)燈、筆記本電腦背光源、LCD顯示器背光源等，因而具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的商機(jī)。

4.新一代光纖通信技術(shù)。新一代的40Gbps光通信設(shè)備不久將會(huì)推向市場(chǎng)，代替25Gbps設(shè)備投入大量使用。而這些設(shè)備中將大量使用磷化銦、砷化鎵、鍺硅等化合物半導(dǎo)體集成電路。

5.移動(dòng)通信技術(shù)正在不斷朝著有利于化合物半導(dǎo)體產(chǎn)品的方向發(fā)展。目前二代半(2.5G)技術(shù)成為移動(dòng)通信技術(shù)的主流，同時(shí)正在逐漸向第三代(3G)過渡。二代半技術(shù)對(duì)功放的效率和散熱有更高的要求，這對(duì)砷化鎵器件有利。3G技術(shù)要求更高的工作頻率，更寬的帶寬和高線性，這也是對(duì)砷化鎵和鍺硅技術(shù)有利的。目前第四代(4G)的概念已明確提出來了。4G技術(shù)對(duì)手機(jī)有更高的要求。它要求手機(jī)在樓內(nèi)可接入無線局域網(wǎng)(WLAN)，即可工作到2.4GHz和5.8GHz，在室外可在二代、二代半、三代等任意制式下工作。

因此這是一種多功能、多頻段、多模式的移動(dòng)終端。從系統(tǒng)小巧來說，當(dāng)然會(huì)希望實(shí)現(xiàn)單芯片集成(SOC)，但單一的硅技術(shù)無法在那么多功能和模式上都達(dá)到性能最優(yōu)。要把各種優(yōu)化性能的功能集成在一起，只能用系統(tǒng)級(jí)封裝(SIP)，即在同一封裝中用硅、鍺硅、砷化鎵等不同工藝來優(yōu)化實(shí)現(xiàn)不同功能，這就為砷化鎵帶來了新的發(fā)展前景。以上就是半導(dǎo)體材料的解讀，希望能給大家?guī)椭?