淺談半導體材料的應用
篇一：論文-淺談半導體材料的應用
淺談半導體材料的應用
摘要：半導體材料是近年來新興的一種材料，它作為一種新型材料，越來越受到人們的青睞。在人們生活中，受到了相當廣泛的應用。另外，半導體材料也是軍事國防科學中必不可少的材料之一。作為一種新型材料，半導體材料有著很重要的地位。
關鍵詞：半導體；生活；材料；電工學；
0 引言
20世紀中葉，單晶硅和半導體晶體管的發明及其硅集成電路的研制成功，導致了電子工業革命；70年代光纖通訊技術迅速發展并逐步形成高新技術產業，是人類進入信息時代；超晶格概念的提出及其半導體超晶格，量子阱材料的誕生，改變了光電器件的發展，納米技術的發展與運用使得半導體進入納米時代。然而半導體材料的價值仍在于它的光學，電學及其他各種特性，自硅出現在很長時間內，硅仍將是大規模集成電路的主要材料，如在軍事領域中應用的抗輻射硅單體（NTD）,高效太陽能電池用硅單體，紅外CCD器件用硅單體的等。隨著半導體技術的發展和半導體材料的研究，微電子技術朝著高密度，高可靠性方向發展，各種各樣新的半導體材料出現，而 GaAs和InP基材料等還是化合物半導體及器件的主要支柱材料。與此同時以硅材料為核心的當代微電子技術趨向于納米級。
1 半導體材料的概念與特性
當今，以半導體材料為芯片的各種產品已廣泛進入人們的生活生產中，電視機，電子計算機，電子表等等，半導體材料為什么會擁有如此巨大的應用，我們需要從半導體材料的概念和特性開始了解。
半導體材料是導電能力介于導體與絕緣體之間的物質。半導體材料是一類具有半導體性能、可用來制作半導體器件和集成電的電子材料，其電導率在10（U-3）～10（U-9）歐姆/厘米范圍內。在某些情況下，半導體具有導電的性質。首先，一般的半導體材料的電導率隨溫度的升高迅速增大，各種熱敏電阻的開發就是利用了這個特性；其次，雜質摻入對半導體的性質起著決定性的作用，他們可使半導體的特性多樣化，使得PN結形成，進而制作各種二極管和三極管；再次，半導體的電學性質會因光照引起變化，光敏電阻隨之誕生；一些半導體具有較強的溫差效應，可以利用它制作半導體制冷劑等；化合物半導體還具有超高速，低功耗，多功能，抗輻射等特性，在智能化，光纖通信等領域具有廣泛運用；半導體基片可以實現原器件集中制作在一個芯片上，于是產生了各種規模的集成電路，正是由于半導體材料的各種各樣的特性使得半導體材料擁有多種多樣的用途，在科技發展和人們的生活中起到十分重要的作用。
2 半導體的分類與制備
2．1 半導體的分類
半導體材料是導電能力介于導體與絕緣體之間的物質。半導體材料是一類具有半導體性能、可用來制作半導體器件和集成電的電子材料，電阻率約在1mΩ·cm～1GΩ·cm范圍內。半導體材料可按化學組成來分，再將結構與性能比較特殊的非晶態與液態半導體單獨列為
一類。按照這樣分類方法可將半導體材料分為元素半導體、化合物半導體、有機半導體、固溶體半導體和非晶態與液態半導體。元素半導體大約有十幾種，處于ⅢA族—ⅦA族的金屬元素與非金屬元素交界處，如Ge，Si，Se，Te等；化合物半導體分為二元化合物半導體和多元化合物半導體；有機半導體分為有機分子晶體、有機分子絡合物、和高分子聚合物，一般指具有半導體性質的碳-碳雙鍵有機化合物，電導率為10-10~102Ω·cm。固溶體半導體是由兩個或多個晶格結構類似的元素化合物相融合而成，有二元系和三元系之分，如ⅣA-ⅣA組成的Ge-Si固溶體，ⅤA-ⅤA組成的Bi-Sb固溶體。原子排列短程有序、長程無序的半導體成為非晶態半導體，主要有非晶硅、非晶鍺等。
2．2半導體的制備
不同的半導體器件對半導體材料有不同的形態要求，包括單晶的切片、磨片、拋光片、薄膜等。半導體材料的不同形態要求對應不同的加工工藝。常用的半導體材料制備工藝有提純、單晶的制備和薄膜外延生長。
所有的半導體材料都需要對原料進行提純，要求的純度在6個“9”以上，最高達11個“9”以上。提純的方法分兩大類，一類是不改變材料的化學組成進行提純，稱為物理提純；另一類是把元素先變成化合物進行提純，再將提純后的化合物還原成元素，稱為化學提純。物理提純的方法有真空蒸發、區域精制、拉晶提純等，使用最多的是區域精制。化學提純的主要方法有電解、絡合、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合的工藝流程以獲得合格的材料。
絕大多數半導體器件是在單晶片或以單晶片為襯底的外延片上做出的。成批量的半導體單晶都是用熔體生長法制成的。直拉法應用最廣，80%的硅單晶、大部分鍺單晶和銻化銦單晶是用此法生產的，其中硅單晶的最大直徑已達300毫米。在熔體中通入磁場的直拉法稱為磁控拉晶法，用此法已生產出高均勻性硅單晶。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。懸浮區熔法的熔體不與容器接觸，用此法生長高純硅單晶。水平區熔法用以生產鍺單晶。水平定向結晶法主要用于制備砷化鎵單晶，而垂直定向結晶法用于制備碲化鎘、砷化鎵。用各種方法生產的體單晶再經過晶體定向、滾磨、作參考面、切片、磨片、倒角、拋光、腐蝕、清洗、檢測、封裝等全部或部分工序以提供相應的晶片。在單晶襯底上生長單晶薄膜稱為外延。外延的方法有氣相、液相、固相、分子束外延等。工業生產使用的主要是化學氣相外延，其次是液相外延。金屬有機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構。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氣相沉積、磁控濺射等方法制成。 3 半導體材料的應用
3.1元素半導體材料
硅在當前的應用相當廣泛，他不僅是半導體集成電路，半導體器件和硅太陽能電池的基礎材料，而且用半導體制作的電子器件和產品已經大范圍的進入到人們的生活，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，使得它的應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器，也具有許多的優點，廣泛的應用于多個領域。
有機半導體材料具有熱激活電導率，如萘蒽，聚丙烯和聚二乙烯苯以及堿金屬和蒽的絡合物，有機半導體材料可分為有機物，聚合物和給體受體絡合物三類。有機半導體芯片等產品的生產能力差，但是擁有加工處理方便，結實耐用，成本低廉，耐磨耐用等特性。
3.3非晶半導體材料
非晶半導體按鍵合力的性質分為共價鍵非晶半導體和離子鍵非晶半導體兩類，可用液相快冷方法和真空蒸汽或濺射的方法制備。在工業上，非晶半導體材料主要用于制備像傳感器，太陽能電池薄膜晶體管等非晶體半導體器件。
3.3.4化合物半導體材料
化合物半導體材料種類繁多，按元素在周期表族來分類，分為三五族，二六族，四四族等。如今化合物半導體材料已經在太陽能電池，光電器件，超高速器件，微波等領域占據重要位置，且不同種類具有不同的應用。
總之，半導體材料的發展迅速，應用廣泛，隨著時間的推移和技術的發展，半導體材料的應用將更加重要和關鍵，半導體技術和半導體材料的發展也將走向更高端的市場。 4 半導體材料的發展趨勢
電子信息材料的總體發展趨勢是向著大尺寸、高均勻性、高完整性、以及薄膜化、多功能化和集成化方向發展。當前的研究熱點和技術前沿包括柔性晶體管、光子晶體、SiC、GaN、ZnSe等寬禁帶半導體材料為代表的第三代半導體材料、有機顯示材料以及各種納米電子材料等。
隨著電子學向光電子學、光子學邁進，微電子材料在未來5～10年仍是最基本的信息材料。電子、光電子功能單晶將向著大尺寸、高均勻性、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發展。半導體微電子材料由單片集成向系統集成發展。
微電子技術發展的主要途徑是通過不斷縮小器件的特征尺寸，增加芯片面積以提高集成度和信息處理速度，由單片集成向系統集成發展。
1、Si、GaAs、InP等半導體單晶材料向著大尺寸、高均質、晶格高完整性方向發展。椎8英寸硅芯片是目前國際的主流產品，椎12英寸芯片已開始上市，GaA
s芯片椎4英寸已進入大批量生產階段，并且正在向椎6英寸生產線過渡；對單晶電阻率的均勻性、雜質含量、微缺陷、位錯密度、芯片平整度、表面潔凈度等都提出了更加苛刻的要求。
2、在以Si、GaAs為代表的第一代、第二代半導體材料繼續發展的同時，加速發展第三代半導體材料——寬禁帶半導體材料SiC、GaN、ZnSe、金剛石材料和用SiGe/Si、SOI等新型硅基材料大幅度提高原有硅集成電路的性能是未來半導體材料的重要發展方向。
3、繼經典半導體的同質結、異質結之后，基于量子阱、量子線、量子點的器件設計、制造和集成技術在未來5～15年間，將在信息材料和元器件制造中占據主導地位，分子束外延 MBE 和金屬有機化合物化學汽相外延 MOCVD 技術將得到進一步發展和更加廣泛的應用。
4、高純化學試劑和特種電子氣體的純度要求將分別達到lppb～0.1ppb和6N級以上，0.5μm以上的雜質顆粒必須控制在5個/毫升以下，金屬雜質含量控制在ppt級，并將開發替代有毒氣體的新品種電子氣體。
參考文獻：
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[7]彭杰 淺析幾種半導體材料的應用與發展 硅谷 2008年第10期 2008年 [9]梁俊吾 中國半導體的創新發展之路 中國工程院化工、冶金與材料工程學部第五屆學術會議會議論文 2005年
篇二：半導體硅材料的現狀
一、半導體硅材料的現狀
在當今全球超過2000億美元的半導體市場中，95％以上的半導體器件和99％以上的集成電路(LSI)都是用高純優質的硅拋光片和外延片制作的。在未來30-50年內，它仍將是LSI工業最基本和最重要的功能材料。半導體硅材料以豐富的資源、 優質的特性、日臻完善的工藝以及廣泛的用途等綜合優勢而成為了當代電子工業中應用最多的半導體材料，它還是目前可獲得的純度最高的材料之一，其實驗室純度可達12 個“9”的本征級，工業化大生產也能達到7～11個“9”的高純度。 由于它的優良性能，使其在射線探測器、整流器、集成電路(IC)、硅光電池、傳感器等各類電子元件中占有極為重要的地位。同時， 由于它具有識別、存儲、放大、開關和處理電訊號及能量轉換的功能， 而使“半導體硅”實際上成了“微電子”和“現代化電子”的代名詞。
半導體硅材料分為多晶硅、單晶硅、硅外延片以及非晶硅、澆注多晶硅、淀積和濺射非晶硅等。自從60年代被廣泛應用于各類電子元器件以來，其用量平均大約以每年12-16％的速度增長。目前全世界每年消耗約18,000-25,000噸半導體級多晶硅，消耗6000-7000噸單晶硅。1999年，全世界硅片產量45億平方英寸，2000 年其產量更高。目前全世界硅片銷售金額約60-80億美元。
現行多晶硅生產工藝主要有改良西門子法和硅烷熱分解法。主要產品有棒狀和粒狀兩種，主要用途是用作制備單晶硅以及太陽能電池等。生長單晶硅的工藝可分為區熔(FZ)和直拉(CZ)兩種生長工藝。區熔單晶硅(FZ-Si) 主要用于制作電力電子器件(SR、SCR、GTO等)、射線探測器、高壓大功率晶體管等；直拉單晶硅(CZ- Si) 主要用于制作LSI、晶體管、傳感器及硅光電池等。硅外延片(EPl)是在單晶襯底片上，沿單晶的結晶方向生長一層導電類型、電阻率、厚度和晶格結構都符合特定器件要求的新單晶層。硅外延片主要用于制作CMOS電路，各類晶體管以及絕緣柵，雙極晶體管(IGBT)等。非晶硅、澆注多晶硅、淀積和濺射非晶硅主要用作各種硅光電池等。
二、現代微電子工業對半導體硅材料的新要求
隨著微電子工業飛速發展，除了本身對加工技術和加工設備的要求之外，同時對硅材料也提出了更新更高的要求。
1、對硅片表面附著粒子及微量雜質的要求
隨著集成電路的集成度不斷提高，其加工線寬也逐步縮小，因此，對硅片的加工、清洗、包裝、儲運等工作提出了更高的新要求。對于兆位級器件，0.10μm 的微粒都可能造成器件失效。亞微米級器件要求0.1μm的微粒降到 10個／片以下，同時要求各種金屬雜質如Fe、Cu、Cr、Ni、A1、Na等， 都要求控制在目前分析技術的檢測極限以下(約為1×1010原子／cm2)。
2、對硅片表面平整度、應力和機械強度的要求
硅片表面的局部平整度(SFQD)一般要求為設計線寬的2／3，以64M 存儲器的加工線寬0.35μm為例，則要求硅片局部平整度在22mm2范圍內為0.23μm，256M 電路的SFQD為0.17μm。同時，器件工藝還要求原始硅片的應力不能過分集中， 機械強度要高，使器件的穩定性和可靠性得到保證，但現在這方面硅材料尚未取得突破性進展，仍是以后研究的一個課題。
3、對硅片表面和內部結晶特性及氧含量的要求
對VLSI和ULSI來說，距硅片表面10μm左右厚度區域為器件活性區， 要求該區域性質均勻且無缺陷。64M和256M電路要求硅片的氧化誘生層錯(OSF)≤20／cm2 。為達到此要求， 目前比較成熟的工藝是采用硅片吸除技術，分為內吸除和背面損傷吸除(也叫外吸除)。現在器件廠家都根據器件工藝的需要，對硅片提出了某種含氧量要求。硅材料生產廠應根據用戶要求進行控氧生長硅單晶。
4、對硅片大直徑化的要求
出于提高生產率、降低成本的目的，器件廠家隨著生產規模的擴大，也逐步要求增大硅片直徑，使同等規模芯片的收得率明顯提高，給器件廠家來極為顯著的經濟效益。目前國際市場上硅片的流直徑是200mm，1999 年全球硅片用量的分布情況是： 200mm占47％； 150mm占32％； 125mm占15％；100mm占6％。2000年直徑200mm硅片的用量進一提高，同時也提出了向300mm和400mm逐步發展要求。2001年和2002年開始逐步加大300mm硅片使用量。到2014年，直徑將達到450mm。微電子業對硅片的要求詳見表1所示。
三、近年來國際硅材料的發展狀況
1、多晶硅概況
近年，多晶硅材料廠家的生產規模大多在千級經濟規模以上，并實行綜合利用，以提高生產益，同時減少了對環境的污染。多采用改良西門法生產半導體級多晶硅，這樣，可使單位電耗由去每公斤300Kw／h
篇三：半導體硅材料
半導體硅材料和光電子材料的發展現狀及趨勢
隨著微電子工業的飛速發展, 作為半導體工業基礎材料的硅材料工業也將隨之發展，而光電子科技的飛速發展也使半導體光電子材料的研究加快步伐，所以研究半導體硅材料和光電子材料的發展現狀及未來發展趨勢勢在必行。現代微電子工業除了對加工技術和加工設備的要求之外,對硅材料也提出了更新更高的要求。
在當今全球超過2000億美元的半導體市場中,95%以上的半導體器件和99%以上的集成電路都是用高純優質的硅拋光片和外延片制作的。在未來30-50年內,它仍將是集成電路工業最基本和最重要的功能材料。半導體硅材料以豐富的資源、優質的特性、日臻完善的工藝以及廣泛的用途等而成為了當代電子工業中應用最多的半導體材料。
隨著國際信息產業的迅猛發展, 電子工業和半導體工業也得到了巨大發展,并且直到20世紀末都保持穩定的15%的年增長率迅速發展,作為半導體工業基礎材料的硅材料工業也將隨之發展，所以研究半導體硅材料的發展現狀及未來發展趨勢勢在必行。
一、半導體硅材料的.發展現狀
由于半導體的優良性能，使其在射線探測器、整流器、集成
電路、硅光電池、傳感器等各類電子元件中占有極為重要的地位。同時,由于它具有識別、存儲、放大、開關和處理電信號及能量轉換的功能,而使“半導體硅”實際上成了“微電子”和“現代化電子”的代名詞。
二、現代微電子工業的發展對半導體硅材料的新要求 隨著微電子工業飛速發展, 除了本身對加工技術和加工設備的要求之外, 同時對硅材料也提出了更新更高的要求。
1. 對硅片表面附著粒子及微量雜質的要求
隨著集成電路的集成度不斷提高,其加工線寬也逐步縮小,因此, 對硅片的加工、清洗、包裝、儲運等工作提出了更高的新要求。對于兆位級器件, 0.10μm的微粒都可能造成器件失效。亞微米級器件要求0.1μm的微粒降到10個/片以下同時要求各種金屬雜質如Fe、Cu、Cr、Ni、A1、Na 等, 都要控制在目前分析技術的檢測極限以下。
2. 對硅片表面平整度、應力和機械強度的要求
硅片表面的局部平整度(SFQD)一般要求為設計線寬的2/3,以64M存儲器的加工線寬0.35μm為例,則要求硅片局部平整度在22mm2范圍內為0.23μm, 256M電路的SFQD為0.17μm。同時,器件工藝還要求原始硅片的應力不能過分集中,機械強度要高,使器件的穩定性和可靠性得到保證,但現在這方面硅材料尚未取得突破性進展,仍是以后研究的一個課
題。
3. 對硅片表面和內部結晶特性及氧含量的要求
對大規模集成電路來說, 距硅片表面10μm 左右厚度區域為器件活性區,要求該區域性質均勻且無缺陷。64M和256M電路要求硅片的氧化誘生層錯(OSF)≤20/cm2。為達到此要求,目前比較成熟的工藝是采用硅片吸除技術,分為內吸除和背面損傷吸除。現在器件廠家都根據器件工藝的需要,對硅片提出了某種含氧量要求。
4. 對硅片大直徑化的要求
為了提高生產率、降低成本,器件廠家隨著生產規模的擴大,逐步要求增大硅片直徑,使同等規模芯片的收得率明顯提高,給器件廠家帶來極為顯著的經濟效益。
三、半導體光電子材料
1、半導體激光材料
電子器件和光電子器件應用時半導體材料最重要的兩大應用領域。半導體材料Si，GaAs和GaN，InP等幾十重要的電子材料，也是重要的光電子材料。在1962年，GaAs激光二極管的問世，作為了半導體光電子學的開端。激光的激射波長取決于材料的帶隙，且只有具有直接帶隙的材料才能產生光輻射，它使注入的電子-空穴自己發生輻射復合以得到較高的電光轉化效率。
產生激光的條件有：
1、形成粒子數反轉使受激輻射占優勢；2、具有共振腔以實現光量子放大；3、外界輸入能量至少要達到閥值，使激光管的增益至少等于損耗。 2、半導體顯示材料半導體顯示材料有發光二極管LED和電致發光顯示。 發光二極管LED發光二極管LED它是由數層很薄的摻雜半導體材料制成。當通過正向電流時，n區電子獲得能量越過PN結的禁區與p區的空穴復合以光的形式釋放出能量。而LED廣泛應用于各方面，現如今的半導體白光照明、車內照明、交通信號燈、裝飾燈、大屏幕全彩色顯示系統、太陽能照明系統、以及紫外、藍外激光器、高容量藍光DVD、激光打印和顯示等。 為了實現高亮度白光LED，我們可以通過紅綠藍三種LED可以組合成為白光；也可以基于紫外光LED，通過三基色粉，組合成為白光；也可基于藍光LED，通過黃色熒光粉激發出藍光，組合成為白光。 電致發光 電致發光又稱為場致發光，與LED的低電場結型發光相比，是一種高電場作用下發光。電致發光材料分為粉末發光材料和薄膜發光材料。 半導體粉末發光材料的發光特性主要有一線特殊雜質作為激活劑和共激活劑所決定的，ZnS粉末常用Cu作為激活劑；Al、Ga、In等作為共激活劑。其中對于ZnS粉末，用Mn、Cu作激活劑可以發黃光，用Ag作為激活劑可以發藍光，用Cd、Ag作為激活劑發出紅綠光。 薄膜發光材料發光機理和粉末材料基
本相同，但薄膜材料可以在高頻電壓下工作，發光亮度也較高。 陰極射線管是將電信號轉換成光學圖像的電子束管，常見的由彩色電視顯像管，它的光電轉換時通過其中的熒光屏來實現的，所用的藍粉和綠粉以ZnS為主。 3、太陽能電池材料太陽能電池材料分為硅電池材料和化合物半導體材料。硅電池材料有單晶硅電池、多晶硅電池、帶狀硅電池和薄膜硅電池材料。化合物半導體材料有CuInSe2電池、CdTe電池、GaAs電池和GaSb電池。
四、半導體材料的發展趨勢
隨著硅的直徑增大,雜質氧等雜質在硅錠和硅片中的分布也變得不均勻,這將嚴重的影響集成電路的成品率,特別是高集成度電路。為避免氧的沉淀帶來的問題,可采用外延的辦法解決。即用硅單晶片為襯底,然后在其上通過氣相反應方法再生長一層硅,如2個微米、個微米或0.5個微米厚等。這一層外延硅中的氧含量就可以控制到1016/cm3以下,器件和電路就做在外延硅上,而不是原來的硅單晶上,這樣就可解決由氧導致的問題。盡管成本將有所提高,但集成電路的集成度和運算速度都得到了顯著提高, 這是目前硅技術發展的一個重要方向。目前硅的集成電路大規模生產技術已經達到0.13-0.09微米,進一步將到0.07微米,也就是70個納米甚至更小。根據預測,到2022年,硅集成電路技術的線寬可能達到10個納米,這個尺度被認為是硅集成電路的“物理。
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