半导体材料的历史现状及研究进展(精)

半导体材料的历史现状及研究进展(精)

半导体材料的研究进展

摘要:随着全球科技的快速发展,当今世界已经进入了信息时代,作为信息领域的命脉,光电子技术和微电子技术无疑成为了科技发展的焦点。半导体材料凭借着自身的性能特点也在迅速地扩大着它的使用领域。本文重点对半导体材料的发展历程、性能、种类和主要的半导体材料进行了讨论,并对半导体硅材料应用概况及其发展趋势作了概述。

关键词:半导体材料、性能、种类、应用概况、发展趋势

一、半导体材料的发展历程

半导体材料从发现到发展,从使用到创新,拥有这一段长久的历史。宰二十世纪初,就曾出现过点接触矿石检波器。1930年,氧化亚铜整流器制造成功并得到广泛应用,是半导体材料开始受到重视。1947年锗点接触三极管制成,成为半导体的研究成果的重大突破。50年代末,薄膜生长激素的开发和集成电路的发明,是的微电子技术得到进一步发展。60年代,砷化镓材料制成半导体激光器,固溶体半导体此阿里奥在红外线方面的研究发展,半导体材料的应用得到扩展。1969年超晶格概念的提出和超晶格量子阱的研制成功,是的半导体器件的设计与制造从杂志工程发展到能带工程,将半导体材料的研究和应用推向了一个新的领域。90年代以来随着移动通信技术的飞速发展,砷化镓和磷化烟等半导体材料成为焦点,用于制作高速高频大功率激发光电子器件等;近些年,新型半导体材料的研究得到突破,以氮化镓为代表的先进半导体材料开始体现出超强优越性,被称为IT产业的新发动机。

新型半导体材料的研究和突破,常常导致新的技术革命和新兴产业的发展.以氮化镓为代表的第三代半导体材料,是继第一代半导体材料(以硅基半导体为代表和第二代半导体材料(以砷化镓和磷化铟为代表之后,在近10年发展起来的新型宽带半导体材料.作为第一代半导体材料,硅基半导体材料及其集成电路的发展导致了微型计算机的出现和整个计算机产业的飞跃,并广泛应用于信息处理、自动控制等领域,对人类社会的发展起了极大的促进作用.硅基半导体材料虽然在微电子领域得到广泛应用,但硅材料本身间接能带结构的特点限制了其在光电子领域的应用.随着以光

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通信为基础的信息高速公路的崛起和社会信息化的发展,第二代半导体材料崭露头角,砷化镓和磷化铟半导体激光器成为光通信系统中的关键元器件.同时,砷化镓高速器件也开拓了移动通信的新产业。

第三代半导体材料的兴起,是以氮化镓材料P-型掺杂的突破为起点,以高效率蓝绿光发光二极管和蓝光半导体激光器的研制成功为标志的.它将在光显示、光存储、光照明等领域有广阔的应用前景.

二、半导体材料的性能

半导体材料是室温下导电性介于导电材料和绝缘材料之间的一类功能材料。靠电子和空穴两种载流子实现导电,室温时电阻率一般在10-5~107欧·米之间。通常电阻率随温度升高而增大;若掺入活性杂质或用光、射线辐照,可使其电阻率有几个数量级的变化。1906年制成了碳化硅检波器。

1947年发明晶体管以后,半导体材料作为一个独立的材料领域得到了很大的发展,并成为电子工业和高技术领域中不可缺少的材料。特性和参数半导体材料

的导电性对某些微量杂质极敏感。纯度很高的半导体材料称为本征半导体,常温下其电阻率很高,是电的不良导体。在高纯半导体材料中掺入适当杂质后,由于杂质原子提供导电载流子,使材料的电阻率大为降低。这种掺杂半导体常称为杂质半导体。杂质半导体靠导带电子导电的称N型半导体,靠价带空穴导电的称P 型半导体。

不同类型半导体间接触(构成PN结或半导体与金属接触时,因电子(或空穴浓度差而产生扩散,在接触处形成位垒,因而这类接触具有单向导电性。利用PN结的单向导电性,可以制成具有不同功能的半导体器件,如二极管、三极管、晶闸管等。

此外,半导体材料的导电性对外界条件(如热、光、电、磁等因素的变化非常敏感,据此可以制造各种敏感元件,用于信息转换。半导体材料的特性参数有禁带宽度、电阻率、载流子迁移率、非平衡载流子寿命和位错密度。禁带宽度由半导体的电子态、原子组态决定,反映组成这种材料的原子中价电子从束缚状态激发到自由

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状态所需的能量。电阻率、载流子迁移率反映材料的导电能力。非平衡载流子寿命反映半导体材料在外界作用(如光或电场下内部载流子由非平衡状态向平衡状态过渡的弛豫特性。位错是晶体中最常见的一类缺陷。位错密度用来衡量半导体单晶材料晶格完整性的程度,对于非晶态半导体材料,则没有这一参数。半导体材料的特性参数不仅能反映半导体材料与其他非半导体材料之间的差别,更重要的是能反映各种半导体材料之间甚至同一种材料在不同情况下,其特性的量值差别。

三、半导体材料的种类

半导体材料按化学成分和内部结构,大致可分为以下几类。

1、元素半导体

有锗、硅、硒、硼、碲、锑等。50 年代,锗在半导体中占主导地位,但锗半导体器件的耐高温和抗辐射性能较差,到 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增导体材料,目前的集成电路大多数是用硅材料制造的。

2、化合物半导体

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、磷化锢、锑化锢、碳化硅、硫化镉及镓砷硅等。其中砷化镓是制造微波器件和集成电的重要材料。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。

3、无定形半导体材料

用作半导体的玻璃是一种非晶体无定形半导体材料,分为氧化物玻璃和非氧化物玻璃两种。这类材料具有良好的开关和记忆特性和很强的抗辐射能力,主要用来制造阈值开关、记忆开关和固体显示器件。

4、有机半导体材料

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已知的有机半导体材料有几十种,包括萘、蒽、聚丙烯腈、酞菁和一些芳香族化合物等,目前尚未得到应用。

四、主要的半导体材料

1、半导体硅材料

从目前电子工业的发展来看,尽管有各种新型的半导体材料不断出现,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。硅是集成电路产业的基础,半导体材料中98%是硅。半导体器件的95%以上是用硅材料制作的,90%以上的大规模集成电路(LSI、超大规模集成电路(VLSI、甚大规模集成电路(ULSI都是制作在高纯优质的硅抛光片和外延片上的。硅片被称作集成电路的核心材料,硅材料产业的发展和集成电路的发展紧密相关。

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。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。其中,直拉硅单晶(CZ-Si广泛应用于集成电路和中小功率器件。区域熔单晶(FZ-Si目前主要用于大功率半导体器件,比如整流二极管,硅可控整流器,大功率晶体管等。

2、gaas和inp单晶材料

gaas和inp是直接带隙材料,具有电子饱和漂移速度高,耐高温,抗辐照等特点;在超高速、超高频、低功耗、低噪音器件和电路,特别在光电子器件和光电集成方面占有独特的优势。

gaas和inp单晶的发展趋势是:增大晶体直径,目前4英寸的si-gaas已用于生产,预计本世纪初的头几年直径为6英寸的si-gaas也将投入工业应用;

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提高材料的电学和光学微区均匀性;降低单晶的缺陷密度,特别是位错;gaas 和inp单晶的vgf生长技术发展很快,很有可能成为主流技术。

3、宽带隙半导体材料

宽带隙半导体材主要指的是金刚石,iii族氮化物,碳化硅,立方氮化硼以及氧化物(zno等及固溶体等,特别是sic、gan和金刚石薄膜等材料,因具有高热导率、高电子饱和漂移速度和大临界击穿电压等特点,成为研制高频大功率、耐高温、抗辐照半导体微电子器件和电路的理想材料;在通信、汽车、航空、航天、石油开采以及国防等方面有着广泛的应用前景。另外,iii族氮化物也是很好的光电子材料,在蓝、绿光发光二极管(led和紫、蓝、绿光激光器(ld以及紫外探测器等应用方面也显示了

广泛的应用前景。

宽带隙半导体异质结构材料往往也是典型的大失配异质结构材料,所谓大失配异质结构材料是指晶格常数、热膨胀系数或晶体的对称性等物理参数有较大差异的材料体系,如gan/蓝宝石(sapphire,sic/si和gan/si等。大晶格失配引发界面处大量位错和缺陷的产生,极大地影响着微结构材料的光电性能及其器件应用。如何避免和消除这一负面影响,是目前材料制备中的一个迫切要解决的关键科学问题。这个问题的解泱,必将大大地拓宽材料的可选择余地,开辟新的应用领域。

4、低维半导体材料

实际上这里说的低维半导体材料就是纳米材料,之所以不愿意使用,主要是不想与现在热炒的所谓的纳米衬衣、纳米啤酒瓶、纳米洗衣机等混为一谈、从本质上看,发展纳米科学技术的重要目的之一,就是人们能在原子、分子或者纳米的尺度水平上来控制和制造功能强大、性能优越的纳米电子、光电子器件和电路,纳米生物传感器件等,以造福人类。可以预料,纳米科学技术的发展和应用不仅将彻底改变人们的生产和生活方式,也必将改变社会政治格局和战争的对抗形式。这也是为什么人们对发展纳米半导体技术非常重视的原因。

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电子在块体材料里,在三个维度的方向上都可以自由运动。但当材料的特征尺寸在一个维度上比电子的平均自由程相比更小的时候,电子在这个方向上的运动会受到限制,电子的能量不再是连续的,而是量子化的,我们称这种材料为超晶格、量子阱材料。量子线材料就是电子只能沿着量子线方向自由运动,另外两个方向上受到限制;量子点材料是指在材料三个维度上的尺寸都要比电子的平均自由程小,电子在三个方向上都不能自由运动,能量在三个方向上都是量子化的。

基于GaAs和InP基的超晶格、量子阱材料已经发展得很成熟,广泛地应用于光通信、移动通讯、微波通讯的领域。量子级联激光器是一个单极器件,是近十多年才发展起来的一种新型中、远红外光源,在自由空间通信、红外对抗和遥控化学传感等方面有着重要应用前景。它对MBE制备工艺要求很高,整个器件结构几百到上千层,每层的厚度都要控制在零点几个纳米的精度,中国在此领域做出了国际先进水平的成果;又如多有源区带间量子隧穿输运和光耦合量子阱激光器,它具有量子效率高、功率大和光束质量好的特点,中国已有很好的研究基础;在量子点(线材料和量子点激光器等研究方面也取得了令国际同行瞩目的成就。

5、半导体超晶格、量子阱材料

半导体超薄层微结构材料是基于先进生长技术(MBE,MOCVD的新一代人工构造材料。它以全新的概念改变着光电子和微电子器件的设计思想,出现了“电学和光学特性可剪裁”为特征的新范畴,是新一代固态量子器件的基础材料

Ⅲ-V族超晶格、量子阱材料GaAIAs/GaAs,GaInAs/GaAs,AIGaInP/

GaAs;GalnAs/InP,AlInAs/InP,InGaAsP/InP等GaAs、InP基晶格匹配和应变补偿材料体系已发展得相当成熟,已成功地用来制造超高速,超高频微电子器件和单片集成电路。

五、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

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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英吋硅芯片是目前国际的主流产品,椎12英吋芯片已开始上市,GaAs 芯片椎4英吋已进入大批量生产阶段,并且正在向椎6英吋生产线过渡;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。

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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;20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,使半导体器件的设计与制造从“杂质工程”发展到“能带工程”。纳米科学技

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,深刻地影响着世界的政治、经济格局和军事对抗的形式,彻底改变人们的生活方式。

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