探讨电子科学技术中半导体材料发展

李萌

摘要：以半导体为材料的产品已广泛进入生活，发展半导体材料的应用对于现实生活具有十分重要的作用。随着政府将半导体产业作为政策重点发展产业，半导体国产化势在必行。

关键词：半导体；材料；芯片；发展；应用；技术

自然界中的物质，根据其导电性能的差异可划分为导电性能良好的导体（如银、铜、铁等）、几乎不能导电的绝缘体（如橡胶、陶瓷、塑料等）和半导体（如锗、硅、砷化镓等）。半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的一种物质。当今，以半导体材料为芯片的各种产品普遍进入人们的生活，如电视机，电子计算机，电子表，半导体收音机等都已经成为我们日常所不可缺少的家用电器。半导体材料为什么在今天拥有如此巨大的作用，这需要我们从了解半导体材料的概念和特性开始。

一、半导体材料分类及发展简史

半导体材料（semiconductormaterial）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，半导体的电学性质回因光照引起变化，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。

1.半导体材料分类。

半导体材料从用途及发展时间来划分，可分为第一代、第二代和第三代。第一代为硅材料，第二代为化合物半导体，代表者砷化镓，第三代为碳化硅及氮化镓。

半导体材料也可按化学组成来分，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。还包括固溶体半导体，超晶格半导体等，不同的分类方法有着不同的划分不同的半导体材料拥有着独自的特点，在他们使用的领域都起着重要的作用。

2.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。

（1）中国第一代半导体材料的发展。

第一阶段：国家军工航天需要。翻阅我国的半导体材料发展史，可以追溯到上个世纪的六、七十年代，那个时候为了制造火箭，为了制造卫星（笔者的导师正是那个年代参与了这些），在科研院所和大学展开了对第一代半导体材料的研究。这里赘述下我们的前辈是如何研制出我国第一代探测级的硅材料的过程。

过去要做出探测级的硅材料，想要去简单山寨国外的西门子法是几乎不可能的。原因有二：其一，技术封锁，知识传播途径靠的图书文字及缩微胶卷，那个年代特有的称谓：情报所（现在我们叫数据库）；其二，西门子也都还在改良阶段。西门子法需要有完善的有机硅工业做基础，包括电解工业，氯化氢合成工艺、氯硅烷流化床合成等等，工艺链太长，需要攻克的基础工业和设备等太多，所以我们选择了硅镁合金法，一步反应制备硅烷，直接CVD（chemical vapor deposition 化学气相沉积法）制备多晶硅，再由多晶硅拉制单晶做成二极管和其他器件供航天工业使用。再后来，国内起八十年代也是像本世纪的近十年一樣，各地大上多晶硅项目，最后在美日德的联合倾销围剿下只剩下峨半和洛阳中硅了。完全出于国家战略需要而保留。

第二阶段：可再生新能源光伏产业需要。从2005年开始，石油暴涨，世界能源紧张及气候变化等等因素，导致2006年中国的首富是江苏无锡的施正荣。此时，无论是国企还是民营老板，在利益和国家导向的驱动下，全国各地大上多晶硅。此时，国内的千吨级多晶硅工厂为零，于是动用国家力量，从俄罗斯引进了第一条年产1500的多晶硅生产线。而民企也是八仙过海，最著名的莫过于从峨半挖人，四川省政府直接机场抓人，堪比美国大片，当年的这些江湖往事让笔者深感精彩，恰逢时代，享受到了国家引进项目技术的红利，趁机学习西门子法的工艺技术。经过十年的发展，我们国家的第一代半导体多晶硅产业就像钢铁一样，产能从被帝国主义战国七雄统治的局面，一跃成为世界老大。但同样不幸的是，我们的产品质量只能用于光伏，高端的应用还得进口。

第三阶段：半导体产业发展需要。经过第二阶段的十年发展，可以说西门子法改良在中国得到了淋漓尽致的发挥。2018年建设一个西门子法多晶硅工厂，建设成本只要2008年的10%！

技术改良要点主要体现在：1、实现全循环，深度冷氢化工艺的开发成功；2、CDI工艺从进口到全面国产化；3、整个流程的简化及能量优化；4、分解炉的能耗降低。

针对国内产业的现状，结合五十年的小试和中试经验，以及当初建设硅材料国家重点实验室的经验，提出全新的低成本、高纯度、原创性适合新时代中国的硅材料发展工艺路线。

（2）中国第二代和第三代半导体材料的发展。

目前，据可查资料显示，国内还无第二代砷化镓的产业化生产线，第三代氮化镓主要有北京大学、中科院蘇州纳米所和山东大学国家重点实验室，而前两者技术路线来源于日本，目前国内还无原创性工艺路线出现产业化。

二、半导体材料的应用

1.元素半导体材料。

硅在当前的应用相当广泛，他不仅是半导体集成电路，半导体器件和硅太阳能电池的基础材料，而且用半导体制作的电子器件和产品已经大范围的进入到人们的生活，人们的家用电器中所用到的电子器件80%以上与案件都离不开硅材料。锗是稀有元素，地壳中的含量较少，由于锗的特有性质，使得它的应用主要集中与制作各种二极管，三极管等。而以锗制作的其他钱江如探测器，也具有着许多的优点，广泛的应用于多个领域。

2.有机半导体材料。

有机半导体材料具有热激活电导率，如萘蒽，聚丙烯和聚二乙烯苯以及碱金属和蒽的络合物，有机半导体材料可分为有机物，聚合物和给体受体络合物三类。有机半导体芯片等产品的生产能力差，但是拥有加工处理方便，结实耐用，成本低廉，耐磨耐用等特性。

3.非晶半导体材料。

非晶半导体按键合力的性质分为共价键非晶半导体和离子键非晶半导体两类，可用液相快冷方法和真空蒸汽或溅射的方法制备。在工业上，非晶半导体材料主要用于制备像传感器，太阳能电池薄膜晶体管等非晶体半导体器件。

4.化合物半导体材料。

化合物半导体材料种类繁多，按元素在周期表族来分类，分为三五族，二六族，四四族等。

三、结束语

总之，半导体材料的发展迅速，应用广泛，随着时间的推移和技术的发展，半导体材料的应用将更加重要和关键，半导体技术和半导体材料的发展也将走向更高端的市场。

参考文献：

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