半導(dǎo)體材料的性能分析及其應(yīng)用

謝皆雷

摘要：半導(dǎo)體材料其實(shí)出現(xiàn)在人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)角落，無處不在，比如人們生活中必備的電視機(jī)，個(gè)人電腦，微波爐，電磁爐等其中都會(huì)有半導(dǎo)體的存在并且半導(dǎo)體在這些機(jī)器中都扮演著重要的角色。個(gè)中原因，是半導(dǎo)體具有特殊的性質(zhì)決定的，在這個(gè)電氣時(shí)代，半導(dǎo)體具有導(dǎo)電性的同時(shí)卻是屬于導(dǎo)體和絕緣體之間的一種材料，導(dǎo)電能力具有方向性。

本文主要闡述半導(dǎo)體的具體含義及其分類，根據(jù)不同類型的半導(dǎo)體，對(duì)其發(fā)展前景進(jìn)行簡(jiǎn)單的設(shè)想和展望，希望為我國的半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展盡一份綿薄之力。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體材料;性能分析;應(yīng)用

前言：

半導(dǎo)體有著十分重要的作用，被譽(yù)為是世界上第四大的重要發(fā)明，四大發(fā)明中主要包含了印刷機(jī)、電力、盤尼西林和半導(dǎo)體。然而半導(dǎo)體的基礎(chǔ)就是材料，在21世紀(jì)的現(xiàn)在，量子力學(xué)發(fā)展指導(dǎo)金屬性能的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性，而陶瓷材料與之相反，人們對(duì)四周物體的認(rèn)識(shí)依舊有巨觀的瞭解，半導(dǎo)體材料就介于這兩者之間。

1半導(dǎo)體材料的特點(diǎn)分析

半導(dǎo)體材料化學(xué)特點(diǎn)是原子間所存在的飽和工價(jià)鍵，共價(jià)建的特點(diǎn)是晶格結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出四面體的結(jié)構(gòu)，典型的半導(dǎo)體材料有著金剛石、閃鋅礦的結(jié)構(gòu)。因?yàn)榈厍蛏系V藏多半都是化合物，在最早得到利用的半導(dǎo)體材料都是化合物，比如說：方鉛礦在很早的時(shí)候主要是應(yīng)用在無線電檢波，氧化亞銅主要用以作為固體整流器，閃鋅礦是比較常見的固體發(fā)光原材料，碳化硅整流檢波的作用利用也是比較早的。硒最早發(fā)現(xiàn)并且被利用的元素半導(dǎo)體，是固體整流器、光電池的材料。元素半導(dǎo)體鍺放大作用發(fā)現(xiàn)刷新了半導(dǎo)體發(fā)展歷程，在這個(gè)時(shí)候的電子設(shè)備逐漸實(shí)施晶體管化。我國的半導(dǎo)體研究、生產(chǎn)主要是在1957年的時(shí)候，首次制備出高純度的鍺，在采用元素半導(dǎo)體硅之后，不僅增加晶體管類型、品種增加、提升性能，還迎來大規(guī)模、超大規(guī)模的集成電路時(shí)代以砷化鎵為代表的Ⅲ-Ⅴ族化合物的發(fā)現(xiàn)，促進(jìn)微波器件、光電器件快速的發(fā)展。

2半導(dǎo)體材料的主要種類分析

半導(dǎo)體材料可以按照化學(xué)組成進(jìn)行劃分，把結(jié)構(gòu)、性能比較特殊的非晶態(tài)、液態(tài)半導(dǎo)體單獨(dú)列為一類，依據(jù)分類的方法將半導(dǎo)體的材料劃分成元素半導(dǎo)體、無機(jī)化合物半導(dǎo)體、有機(jī)化合物半導(dǎo)體、非晶態(tài)和液體半導(dǎo)體。

3半導(dǎo)體材料的性能及其應(yīng)用分析

3.1單晶制備

為實(shí)現(xiàn)消除多晶材料中的各種小晶體之間的晶粒間界對(duì)半導(dǎo)體材料的特性參量影響，半導(dǎo)體器件基本材料還包含單晶制備、薄膜單晶制備。體單晶產(chǎn)量相對(duì)較高，利用效率高，經(jīng)濟(jì)合理。很多器件結(jié)構(gòu)都要求厚度以微米量級(jí)的薄層單晶，由于制備薄層的單晶對(duì)于溫度要求較低，通常能夠得到質(zhì)量好的單晶，主要制備方法如下：

從熔體中拉制單晶，將其用以和熔體相同材料的小單晶體作為籽晶和熔體接觸，并且和熔體接觸，并且向上提拉的過程中，熔體依據(jù)表面張力被拉出液面，結(jié)晶出籽晶有著相同的晶體取向單晶體。第二，區(qū)域熔煉方法制備單晶。采用一籽晶和半導(dǎo)體的錠條在頭部進(jìn)行熔接，在熔區(qū)移動(dòng)下，結(jié)晶部分就稱為是單晶。第三，從溶液中再結(jié)晶。第四，從汽相中生長(zhǎng)單晶。

3.2寬帶隙半導(dǎo)體的材料

氮化鎵、氧化鋅、碳化硅等都是寬帶隙半導(dǎo)體的材料，由于其禁帶寬度在三個(gè)電子伏以上，在室溫下不能將其價(jià)帶電子激發(fā)至導(dǎo)帶，器件工作的溫度較高，比如說：碳化硅能夠工作到600℃。金剛石若是作為半導(dǎo)體，那么溫度則是更高，器件主要用于石油探頭上收集的信息，主要應(yīng)用在航天、航空等環(huán)境惡劣的情況下。廣播電臺(tái)和電視臺(tái)的唯一大功率發(fā)射管是電子管，沒有被半導(dǎo)體的器件而替代，其電子管壽命通常只有2500小時(shí)左右，體積相對(duì)較大，耗電量高，若是采用碳化硅的高功率發(fā)射器件，體積能夠減少幾十倍，甚至是上百倍，并且還會(huì)延長(zhǎng)使用的壽命，高溫寬帶隙半導(dǎo)體材料是比較重要的新型半導(dǎo)體的材料。

但是這種材料是很難生長(zhǎng)的，硅上長(zhǎng)硅，砷化鎵上長(zhǎng)GaAs，它可以長(zhǎng)得很好。但是這種材料絕大部分都沒有塊體的材料，通常用于其它材料作為襯底去長(zhǎng)。比如說：氮化鎵在藍(lán)寶石襯底上進(jìn)行生長(zhǎng)，藍(lán)寶石與氮化鎵的熱膨脹系數(shù)、晶格常數(shù)相差較大，長(zhǎng)出來的外延層缺陷較多，這是最大的問題。除此之外，這種材料還有著加工和刻蝕難度較大的特點(diǎn)，我們還需加強(qiáng)對(duì)其問題的解決，以促使新材料空間的擴(kuò)大。

3.3低維半導(dǎo)體的材料

低維半導(dǎo)體的材料主要是納米材料，發(fā)展納米科學(xué)技術(shù)的重要目的是人們?cè)谠?、分子、納米尺度上，對(duì)功能強(qiáng)大和性能優(yōu)越的納米電子、電路、光電子器件進(jìn)行嚴(yán)格的控制，盡可能的造福人類。預(yù)計(jì)在日后，納米技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展將對(duì)人們生活生產(chǎn)方式進(jìn)行改變，并且改變社會(huì)政治格局和戰(zhàn)爭(zhēng)的對(duì)坑形式，這就是人們對(duì)納米半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的主要因素。

4半導(dǎo)體材料的應(yīng)用探討

4.1早期應(yīng)用

半導(dǎo)體首要應(yīng)用是利用它的整流效應(yīng)作為檢波器，點(diǎn)接觸二極管。除去檢測(cè)器，在早期的過程中，半導(dǎo)體還應(yīng)用在整流器、紅外探測(cè)器、光伏電池，半導(dǎo)體四個(gè)效應(yīng)基本上都應(yīng)用到。

在1907年至1927年，美國物理學(xué)家成功的研制出晶體整流器、硒整流器、氧化亞銅整流器，在1931年的時(shí)候，蘭治和伯格曼研制成功硒光伏電池。1932年，德國先后研制成功硫化鉛、硒化鉛和碲化鉛等半導(dǎo)體紅外探測(cè)器，在二戰(zhàn)中用于偵探飛機(jī)和船艦。二戰(zhàn)時(shí)盟軍在半導(dǎo)體方面的研究也取得了很大成效，英國就利用紅外探測(cè)器多次偵探到了德國的飛機(jī)。

4.2應(yīng)用現(xiàn)狀分析

就半導(dǎo)體的設(shè)備市場(chǎng)，半導(dǎo)體的材料在市場(chǎng)上長(zhǎng)期位于配角位置，在芯片出貨量的不斷增長(zhǎng)下，此類市場(chǎng)也持續(xù)的增長(zhǎng)，并且逐漸擺脫了浮華設(shè)備市場(chǎng)的陰影按照銷售收入進(jìn)行計(jì)算，日本保持最大的半導(dǎo)體材料市場(chǎng)地位。臺(tái)灣、韓國等國家紛紛崛起成為重要的市場(chǎng)，材料市場(chǎng)崛起充分體現(xiàn)出器件制造行業(yè)在這些地區(qū)發(fā)展。晶圓制造材料的市場(chǎng)與封裝材料市場(chǎng)可以獲取一定的增長(zhǎng)，未來增長(zhǎng)將會(huì)更加的緩和，保證其增長(zhǎng)勢(shì)頭。

日本在半導(dǎo)體的材料市場(chǎng)依舊占領(lǐng)了領(lǐng)先的地位，消耗量則是為總市場(chǎng)的22%，在2004年的時(shí)候，臺(tái)灣地區(qū)超出北美地區(qū)成為第二大半導(dǎo)體的材料市場(chǎng)，北美地區(qū)落后韓國排名第五。一些新晶圓廠在這些地區(qū)投資建設(shè)。但是每個(gè)地區(qū)都有著比北美更加堅(jiān)實(shí)地封裝基礎(chǔ)。

芯片的制造材料占據(jù)了半導(dǎo)體材料市場(chǎng)的百分之六十，絕大部分都是硅晶圓。硅晶圓、光掩膜綜合占據(jù)了晶圓制造材料的百分之六十二。半導(dǎo)體材料的市場(chǎng)產(chǎn)生重大變化在于封裝材料市場(chǎng)發(fā)展，封裝材料市場(chǎng)占據(jù)了半導(dǎo)體材料市場(chǎng)的33%，在2008年的時(shí)候，該份額預(yù)計(jì)可以增加到百分之四十三。其變化主要是因?yàn)榍驏抨嚵?、芯片?jí)封裝、倒裝芯片封裝也是越來越多的使用碾壓基底、先進(jìn)聚合材料。在產(chǎn)品便攜性、功能性對(duì)封裝提出更高要求，雨季這些材料在日后幾年降火強(qiáng)勁增長(zhǎng)，在金價(jià)大幅度上漲使引線鍵合部分在2007年獲取36%的增長(zhǎng)。和晶圓制造材料比較相似，半導(dǎo)體的封裝材料在這三年增長(zhǎng)速度也逐漸變得緩慢，除去金價(jià)因素以外，并且碾壓襯底不計(jì)入統(tǒng)計(jì)中，實(shí)際增長(zhǎng)率為百分之二左右。

結(jié)束語：

總而言之，隨著納米科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，半導(dǎo)體材料現(xiàn)已在我國社會(huì)各行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)從原子、分子、納米尺度水平上的控制，對(duì)新型的電路和器件進(jìn)行制造和操縱，徹底的改變了人們生活生產(chǎn)的方式，推動(dòng)人類的不斷發(fā)展。

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