半導體材料應用有哪些_半導體材料應用領域介紹

自然界中的物質，根據其導電性能的差異可劃分為導電性能良好的導體（如銀、銅、鐵等）、幾乎不能導電的絕緣體（如橡膠、陶瓷、塑料等）和半導體（如鍺、矽、砷化鎵等）。

半導體是導電能力介於導體和絕緣體之間的一種物質。它的導電能力會隨溫度、光照及摻入雜質的不同而顯著變化，特別是摻雜可以改變半導體的導電能力和導電類型，這是其廣泛應用於製造各種電子元器件和集成電路的基本依據。

半導體材料的特點

半導體材料是一類具有半導體性能，用來製作半導體器件的電子材料。常用的重要半導體的導電機理是通過電子和空穴這兩種載流子來實現的，因此相應的有N型和P型之分。半導體材料通常具有一定的禁帶寬度，其電特性易受外界條件（如光照、溫度等）的影響。不同導電類型的材料是通過摻入特定雜質來製備的。雜質（特別是重金屬快擴散雜質和深能級雜質）對材料性能的影響尤大。因此，半導體材料應具有很高的純度，這就不僅要求用來生產半導體材料的原材料應具有相當高的純度，而且還要求超淨的生產環境，以期將生產過程的雜質汙染減至最小。半導體材料大部分都是晶體，半導體器件對於材料的晶體完整性有較高的要求。此外，對於材料的各種電學參數的均勻性也有嚴格的要求。

半導體材料的應用

半導體材料的早期應用：半導體的第一個應用就是利用它的整流效應作為檢波器，就是點接觸二極體（也俗稱貓鬍子檢波器，即將一個金屬探針接觸在一塊半導體上以檢測電磁波）。除了檢波器之外，在早期，半導體還用來做整流器、光伏電池、紅外探測器等，半導體的四個效應都用到了。從1907年到1927年，美國的物理學家研製成功晶體整流器、硒整流器和氧化亞銅整流器。1931年，蘭治和伯格曼研製成功硒光伏電池。1932年，德國先後研製成功硫化鉛、硒化鉛和碲化鉛等半導體紅外探測器，在二戰中用於偵測飛機和艦船。二戰時盟軍在半導體方面的研究也取得了很大成效，英國就利用紅外探測器多次偵測到了德國的飛機。

今天，半導體已廣泛地用於家電、通訊、工業製造、航空、航天等領域。1994年，電子工業的世界市場份額為6910億美元，1998年增加到9358億美元。而其中由於美國經濟的衰退，導致了半導體市場的下滑，即由1995年的1500多億美元，下降到1998年的1300多億美元。經過幾年的徘徊，目前半導體市場已有所回升。

製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。常用的半導體材料製備工藝有提純、單晶的製備和薄膜外延生長。

半導體材料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，再將提純後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、區域精製、拉晶提純等，使用最多的是區域精製。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。由於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作出的。成批量的半導體單晶都是用熔體生長法製成的。直拉法應用最廣，80%的矽單晶、大部分鍺單晶和銻化銦單晶是用此法生產的，其中矽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矽單晶。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，用此法生長高純矽單晶。水平區熔法用以生產鍺單晶。

水平定向結晶法主要用於製備砷化鎵單晶，而垂直定向結晶法用於製備碲化鎘、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於製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、磁控濺射等方法製成。

1、元素半導體材料

矽在當前的應用相當廣泛，他不僅是半導體集成電路，半導體器件和矽太陽能電池的基礎材料，而且用半導體製作的電子器件和產品已經大範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矽材料。鍺是稀有元素，地殼中的含量較少，由於鍺的特有性質，使得它的應用主要集中與製作各種二極體，三極體等。而以鍺製作的其他錢江如探測器，也具有著許多的優點，廣泛的應用於多個領域。

2、有機半導體材料

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鹼金屬和蒽的絡合物，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。有機半導體晶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、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製備。在工業上，非晶半導體材料主要用於製備像傳感器，太陽能鋰電池薄膜電晶體等非晶體半導體器件。

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，微波等領域佔據重要位置，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。

第二代半導體材料的發展方向

當前化合物半導體產業發展主要體現在以下五個方面。

1.消費類光電子。光存貯、數位電視與全球家用電子產品裝備無線控制和數據連接的比例越來越高，音視頻裝置日益無線化。再加上筆記本電腦的普及，這類產品的市場為化合物半導體產品的應用帶來了龐大的新市場。

2.汽車光電子市場。目前汽車防撞雷達已在很多高檔車上得到了實用，將來肯定會越來越普及。汽車防撞雷達一般工作在毫米波段，所以肯定離不開砷化鎵甚至磷化銦，它的中頻部分才會用到鍺矽。由於全球汽車工業十分龐大，因此這是一個必定會並發的巨大市場。

3.半導體照明技術的迅猛發展。基於半導體發光二極體（LED）的半導體光源具有體積小、發熱量低、耗電量小、壽命長、反應速度快、環保、耐衝擊不易破、廢棄物可回收，沒有汙染，可平面封裝、易開發成輕薄短小產品等優點，具有重大的經濟技術價值和市場前景。特別是基於LED的半導體照明產品具有高效節能、綠色環保優點，在全球能源資源有限和保護環境可持續發展的雙重背景下，將在世界範圍內引發一場劃時代的照明革命，成為繼白熾燈、螢光燈之後的新一代電光源，進入到千家萬戶。目前LED已廣泛用於大屏幕顯示、交通信號燈、手機背光源等，開始應用於城市夜景美化亮化、景觀燈、地燈、手電筒、指示牌等，隨著單個LED亮度和發光效率的提高，即將進入普通室內照明、檯燈、筆記本電腦背光源、LCD顯示器背光源等，因而具有廣闊的應用前景和巨大的商機。

4.新一代光纖通信技術。新一代的40Gbps光通信設備不久將會推向市場，代替25Gbps設備投入大量使用。而這些設備中將大量使用磷化銦、砷化鎵、鍺矽等化合物半導體集成電路。

5.移動通信技術正在不斷朝著有利於化合物半導體產品的方向發展。目前二代半（2.5G）技術成為移動通信技術的主流，同時正在逐漸向第三代（3G）過渡。二代半技術對功放的效率和散熱有更高的要求，這對砷化鎵器件有利。3G技術要求更高的工作頻率，更寬的帶寬和高線性，這也是對砷化鎵和鍺矽技術有利的。目前第四代（4G）的概念已明確提出來了。4G技術對手機有更高的要求。它要求手機在樓內可接入無線區域網（WLAN），即可工作到2.4GHz和5.8GHz，在室外可在二代、二代半、三代等任意制式下工作。

因此這是一種多功能、多頻段、多模式的移動終端。從系統小巧來說，當然會希望實現單晶片集成（SOC），但單一的矽技術無法在那麼多功能和模式上都達到性能最優。要把各種優化性能的功能集成在一起，只能用系統級封裝（SIP），即在同一封裝中用矽、鍺矽、砷化鎵等不同工藝來優化實現不同功能，這就為砷化鎵帶來了新的發展前景。

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