半导体材料的浅释

李 翔，曹灿华，翟 堃，乔荣学

重庆邮电大学光电工程学院，重庆 400065

1 半导体材料在科学技术中的地位

1）从历史发展角度来看，电子技术是科学技术现代化的基础之一。科学技术从传统的手动机械模式逐渐变化到现在的技术的电子自动化。事实上，现代科学技术的一个显著特征是电子技术化，电子技术渗透到国民经济各个领域。电子工业的兴起，引起了国民经济各部门广泛而深刻的技术革新和技术革命。然而，电子技术中起主要作用的是电子设备和仪表的心脏——用半导体材料品片所制成的元件。现代电子工业的显著特征是半导体化。半导体材料是电子工业的基础，它是电子工业最重要的原材料。由此可见，半导体材料在科学技术现代化小起着何等重大的作用，处于何等重要的地位。

2）从现代科学技术发展的角度来看，从本世纪中期开始，硅材料的发现和以及五十年代初期的以硅为基础的集成电路的发展，导致了电子工业大革命。今天，因特网、计算机用户，这与现代微电子技术的发展是密不可分的，也就是以硅为半导体材料技术的发展，彻底地改变了世界的政治、经济的格局，也改变了整个世界军事对抗的形式，同时也深刻影响着人们的生活方式。另外，从近几十年微电子技术的发展来看，半导体材料的发展对高速计算、大容量信息通信、存储、处理、电子对抗、武装设备的微型化和国民经济的发展都有非常重要的意义。

2 半导体材料的发展与分类

2.1 半导体材料的发展简史

世界各国研制半导体材料的历史并不长，仅有三四十年的历史。我国也仅有30年历史。18世纪人们普遍认为，具有负的温度系数，电阻率大约，通常具有很高的热电势同时具有整流效应和光敏特性的材料成为半导体材料。国际上于1941年开始用多晶硅材料制成检波器，可认为是半导体材料应用的开始。此后，1948年～1950年成功地制成了世界第一个具有放大性能的锗晶体三极管（点接触三极管）。硅半导体材料的发展方面，1952年用直拉法成功地拉出世界上第一根硅单晶。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促使硅材料在单晶制备方面进一步改进和提高。与锗、硅材料发展并行，化合物半导体材料的研制也早在50年代初就开始了。1952年人们发现量III-V族化合物是一种与锗性质类似的半导体材料。90年代以来随着移动通信技术的飞速发展，砷化镓和磷化铟等半导体材料得成为焦点，用于制作高速、高频、大功率及发光电子器件等；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其超强优越性，被称为IT产业新的发动机。

2.2 半导体材料的分类

2.2.1 元素半导体

在周期表中，金属和非金属之间有12个元素具有半导体的性质 ，它们是 B、C、Si、Ge、灰Sn、P、灰 As、黑Sb、S、Se、Te、I。它们的大多数都不是稳定的，例如，S、P、灰As都易挥发，灰Sn在低温下才稳定。硼熔点高，制备单晶困难，而且载流子迁移率很低，对它研究不多。炭的同素异形体金刚石具有很好的半导体性质，系层状结构难以获得单晶。硅具有优良的半导体性质，是现代最重要的半导体材料，另外，锗也是重要的半导体材料之一等等。

2.2.2 “化合物”半导体

由于硅的电子移动速度使得硅 电路传输速度慢并且难以改善。因此化合物半导体材料由此产生，以 GaAs、GaN、SiC为代表的的化合物半导体是目前应用最广泛，发展最快。化合物半导体集成电路的主要特征是超高速、低功耗、多功能、抗辐射。以GaAs为例，通过比较可得，化合物半导体材料具有：1）很高的电子迁移率和电子漂移速度，因此，可以做到更高的工作频率和更快的工作速度；2）肖特基势垒特性优越，容易实现良好的栅控特性的ME结构；3）禁带宽度大，可以在 Si器件难以工作的高温领域工 。现在化合物 半导体材料已广泛应用。

2.2.3 “固溶”半导体

由两个或两个以上的元素构成的具有足够的含量的固体溶液，如果具有半导体性质，就称为固溶半导体，简称固溶体或混晶。因为不可能作出绝对纯的物质，材料经提纯后总要残留一定数两的杂质，而且半导体材料还要有意地掺入一定的物质。固溶体是靠其价键按一定的化学配比构成的。固溶体在其固溶度范围内，其组成元素的含量可连续变化，其半导体性质也随之变化，固溶体增加了材料的多样性，为应用提供了更多的选择。

3 半导体材料的发展展望

1）硅材料作为微电子技术的主导地位，到21世纪中叶都不会改变。人们可以利用多种形式，如减小器件尺寸从而提高集成度和功耗，利用系统集成或微电子混合电路等继续发展下去。

2）由于金刚石有着比氮化镓更大禁带宽度，可以耐更高的温度，它的抗腐蚀性能好，可工作在非常恶劣的环境中，但是这种材料存在主要的一个问题是单晶薄膜生长非常困难，至今没人制备出来。因此另外，金刚石单晶薄膜也是半导体材料中不多的一个极有应用前景的材料。

3）还有一种材料就是基于低维半导体材料的量子器件的研究。据分析，量子材料的密度函数与普通材料世界然不同的，随着材料的尺寸减小，维数降低，量子尺寸效应、量子干涉效应、量子遂穿等效应变得越来越明显，这就构成了量子器件的基础。这完全不同于基于PN结里面电子、空穴的扩散和漂移的器件，它是一种崭新的材料，有更大的发展前景。

[1]刘凤伟.稀有金属知识半导体材料[M].北京：国防工业出版社，1981.

[2]郝斌，孟凯.浅谈化合物半导体材料[J].电脑知识与技术，2010(5).

[3]刘恩科，朱秉升，罗晋生.半导体物理学[M].北京：电子工业出版社，2010.

[4]半导体技术天地.http://www.2ic.cn/html/bbs.html.