半导体材料发展

3.1.1半导体材料的发展按功能和应用分微电子半导体光电半导体热电半导体微波半导体气敏半导体（ZnO,SnO2）∶∶微波半导体材料宽带隙半导体微波器件近年来,以SiC、GaN和半导体金刚石为代表的宽带隙半导体微波器件的研究开发引入注目。这类器件适宜在高频、高温(>500℃)、强辐射环境下工作,具有优异的微波功率性能,其中以SiC的器件技术最为成熟。

按组成分：无机半导体：元素、化合物（Si,Ge,GaAs,InP，GaN,SiC

等）有机半导体（酞菁类及多环、稠环化合物，聚乙炔）按结构分:晶体：单晶体、多晶体（规则外形，各向异性/各向同性，有固定的熔点）非晶、无定形（无规则外形，各向同性，只有玻璃化温度）讨论1、单晶硅（s-Si）、多晶硅（p-Si）与非晶硅（a-Si）在结构与性能上的差异

SingleCrystalSilicon;PolycrystallineSiliconandAmorphousSilicon2、应用举例Themostimportantandfundamentalelectronicmaterialsanddevices（电子材料与器件）;photoelectronicdevices（光电器件）;SolarCells（太阳能电池）;PhotovoltaicCells(光伏电池)IntegratedCircuit(IC，集成电路),etc.

3.1.1.1无机半导体晶体材料无机半导体晶体材料元素半导体化合物半导体固溶体半导体(Si1-xGex；GaP1-xAs)GeSe(硒)SiCBTe（碲）PSbAs元素半导体SISn熔点太高、不易制成单晶不稳定、易挥发低温某种固相稀少(1)元素半导体晶体化合物半导体Ⅲ-Ⅴ族Ⅱ-Ⅵ族金属氧化物Ⅳ-Ⅵ族Ⅴ-Ⅵ族Ⅳ-Ⅳ族InP、GaP、GaAs、InSb、InAsCdS、CdTe、CdSe、ZnSSiCGeS、SnTe、GeSe、PbS、PbTeAsSe3、AsTe3、AsS3、SbS3CuO2、ZnO、SnO2(2)化合物半导体及固溶体半导体

★过渡金属氧化物半导体：有ZnO、SnO2、V2O5、Cr2O3、Mn2O3、FeO、CoO、NiO等。★尖晶石型化合物（磁性半导体）：主要有CdCr2S4、CdCr2Se4、HgCr2S4等。★稀土氧、硫、硒、碲化合物：有EuO、EuS、EuSe、EuTe

等。(铕)

(1)非晶Si、非晶Ge以及非晶Te、Se元素半导体

(2)化合物有GeTe、As2Te3、Se4Te、

Se2As3、As2SeTe非晶半导体3.1.1.2非晶态半导体有机半导体

酞菁类及一些多环、稠环化合物，聚乙炔和环化脱聚丙烯腈等导电高分子，他们都具有大π键结构。

3.1.1.3有机半导体高分子聚合物有机分子晶体有机分子络合物3.1.2半导体材料的地位国民经济国家安全科学技术半导体微电子和光电子材料通信、高速计算、大容量信息处理、空间防御、电子对抗、武器装备的微型化（微电子机械系统MEMS）、智能化3.1.3

半导体的发展萌芽期成长期成熟期衰退期1874年F.Braun金属－半导体接触氧化铜、硒整流器、曝光计1879年Hall效应K.Beadeker半导体中有两种不同类型的电荷1948年

Shockley，Bardeen,Brattain锗晶体管

(transistor)点接触式的硅检波器1940187019301950萌芽期硅晶体管第一个点接触式的晶体管

(transistor)成为现代电子工业的基础Ge

晶体管获1956年诺贝尔物理奖1955年德国西门子氢还原三氯硅烷法制得高纯硅1950年G.K.Teel直拉法（CZ）较大的锗单晶1952年G.K.Teel直拉法第一根硅单晶1957年

第一颗砷化镓镓单晶诞生19601950进入成长期1952年H.Welker发现Ⅲ-Ⅴ族化合物1958年W.C.Dash无位错硅单晶1963年用液相外延法（LPE）生长长砷化镓外延层，半导体激光器1963年砷化镓微波振荡效应19701960硅外延技Epitaxy

1965年J.B.Mullin发明氧化硼液封直拉法(LECZ)砷化镓单晶分子束外延MBE(MolecularBeamEpitaxy)金属有机化学汽相沉积MOCVD(Meta-OrganicChemicalVaporDeposition)半导体超晶格、量子阱材料（Super-lattice,QuantumWells)杂质工程(DopingEngineering)能带工程(GapEngineering)电学特性和光学特性可裁剪(Tailored)几种主要半导体的发展现状与趋势●硅增大直拉硅（CZ-Si）单晶的直径(≥400mm)仍是今后CZ-Si发展的总趋势。注：Czochralski

Si单晶8英寸（200mm）已实现大规模工业生产12英寸（300mm）2005年全球16个工厂18英寸(450mm)2007年投入生产27英寸(675mm)研制正在积极筹划●GaAs和InP单晶●世界GaAs单晶的总年产量已超过200吨。（日本1999年的GaAs单晶的生产量为94吨，

InP为27吨）。以低位错密度生长的2～3英寸的导电GaAs衬底材料为主。●研制直径3英寸以上大直径的InP

单晶的关键技术尚未完全突破，价格居高不下。

InP比GaAs●具有更优越的高频性能，●发展的速度更快；但不幸的是讨论：Si与III-V族化合物半导体的

区别带隙宽(LargerForbiddenGap,Eg)，适于高温器件应用；载流子迁移率高（HigherCarrierMobility，μe/μh

）;适于高频高速应用；直接跃迁型(DirectTransition)，光电转换效率高。●半导体超晶格、量子阱(SemiconductorSuperlattice,QuantumWells)

III-V族超晶格、量子阱材料

GaAlAs/GaAs，GaInAs/GaAs，AlGaInP/GaAs；GaInAs/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。延伸阅读半导体超晶格材料

超晶格材料是两种不同组元以几个纳米到几十个纳米的薄层交替生长并保持严格周期性的多层膜，事实上就是特定形式的层状精细复合材料。科学界对许多种材料间组成的超晶格进行过大量的实验研究，表明的确存在两种组元单独存在时所没有的性质，其中半导体超晶格研究目前最为系统和深入，可望成为新一代的微电子、光电子材料。

最初的半导体超晶格是由砷化镓和镓铝砷两种半导体薄膜交替生长而成的。当前半导体超晶格材料的种类已扩展到铟砷／镓锑、铟铝砷／铟镓砷、碲镉／碲汞、锑铁／锑锡碲等多种。组成材料的种类也由化合物半导体扩展到锗、硅等元素半导体，特别的是近年来发展起来的硅／锗硅应变超晶格，由于它可与当前硅的平面工艺相容和集成，格外受到重视，甚至被誉为新一代硅材料。目前已利用这种材料试制了调制掺杂场效应晶体管（MDFET）。在集成光电子学中，为了在硅芯片上制造锗检波管，可以用这种超晶格材料来作为过渡，使能隙逐渐缩小到锗的能隙。

半导体超晶格结构不仅给材料物理带来了新面貌，而且促进了新一代半导体器件的产生，除可制备高电子迁移率晶体管、调制掺杂的场效应管、高效激光器、红外探测器外，还能制备先进的雪崩型光电探测器和实空间的电子转移器件，并正在设计微分负阻效应器件、隧道热电子效应器件等，它们将被广泛地应用于雷达、电子对抗、空间技术等领域。

延伸阅读：量子阱

量子阱是指由2种不同的半导体材料相间排列形成的、具有明显量子限制效应的电子或空穴的势阱。量子肼的最基本特征是，由于量子阱宽度(只有当阱宽尺度足够小时才能形成量子阱)的限制，导致载流子波函数在一维方向上的局域化。在由2种不同半导体材料薄层交替生长形成的多层结构中，如果势垒层足够厚，以致相邻势阱之间载流子波函数之间耦合很小，则多层结构将形成许多分离的量子阱，称为多量子阱。如果势垒层很薄，相邻阱之间的耦合很强，原来在各量子阱中分立的能级将扩展成能带(微带)，能带的宽度和位置与势阱的深度、宽度及势垒的厚度有关，这样的多层结构称为超晶格。具有超晶格特点的结构有时称为耦合的多量子阱。量子肼中的电子态、声子态和其他元激发过程以及它们之间的相互作用，与三维体状材料中的情况有很大差别。在具有二维自由度的量子阱中，电子和空穴的态密度与能量的关系为台阶形状。而不是象三维体材料那样的抛物线形状。

量子阱的制备通常是通过将一种材料夹在两种材料（通常是宽禁带材料）之间而形成的。比如两层砷化铝之间夹着砷化镓。一般这种材料可以通过MBE（分子束外延）或者CVD（化学气相沉积）的方法来制备。

目前硅基材料研究的主流：GeSi/Si应变层超晶格材料新一代移动通信。硅基应变异质结构材料Si/GeSiMOSFET的最高截止频率已达200GHz，噪音在10GHz下为0.9dB，其性能可与GaAs器件相媲美。应变超晶格●一维量子线、零维量子点基于●低维新型半导体材料●人工构造（通过能带工程实施）●新一代量子器件的基础非线性光学效应量子尺寸效应量子干涉效应量子隧穿效应1994年，俄德联合小组首先研制成功

InAs/GaAs量子点材料，1996年，量子点激光器室温连续输出功率达

1W，阈值电流密度为290A/cm2，1998年，量子点激光器室温连续输出功率达

1.5W。2000年初，中科院半导体所研制成功室温双面CW输出3.62W、工作波长为960nm左右的量子点激光器，为目前国际报道的最好结果之一。1994年，日本NTT研制成功沟道长度为

30nm纳米单电子晶体管,并在

150K观察到栅控源-漏电流振荡。1998年，Yauo等人采用0.25mm工艺技术实现了128Mb的单电子存储器原型样机的制造，这是单电子器件在高密度存储电路的应用方面迈