浅谈半导体
浅谈半导体材料
一、简介
所谓半导体,即导电性、导热性介于导体和绝缘体之间的材料。随着科学界对其进行深入研究,结果发现这种材料与外界因素诸如光、热、磁、电等作用会产生特殊的物理效应和现象,科学界把该特性定义为半导体材料的半导体性质。
目前半导体材料作为现代信息和新能源技术的基础受到人们的广泛关注,它的发展和应用带给了人们福音,尤其是在通信、高速计算、大容量信息处理、可再生清洁能源、空间防御、电子对抗以及武器装备的微型化、智能化等对国民经济和国家安全至关重要的领域出现了巨大的进步,受到了人们的欢迎和重视。
二、半导体材料中的硅和锗
按照构成半导体物质的元素来分类,半导体可分为元素半导体(由一种元素构成)、化合物半导体(由多种元素构成)。其中,元素半导体有Si和Ge等第IV主族元素半导体,化合物半导体中常用的有砷化镓、磷化铟、氮化镓、碳化硅等半导体。
20世纪50年代,锗在半导体工业中占主导地位,但锗半导体器件的耐高温和抗辐射性能较差,资源含量也比较低,到20世纪60年代后期部分工业领域中逐渐被硅取代,目前在半导体、航空航天测控、核物理探测、光纤通讯、红外光学、太阳能电池、化学催化剂、生物医学等领域仍有广泛而重要的应用。
由于硅自身拥有许多其他材料不可比及的优点,硅最终成为了半导体家族的主角。目前全球制造的所有半导体95%以上、集成电路的99%是用硅晶体材料制造的,以硅为基础的半导体工业,创造了一个全新的信息时代。如果说19世纪是铁的时代,那么现在就是硅的时代。
原因有三点:
- 硅是构成地球上矿物界的主要元素,地壳中的含量仅次于氧;另外硅的氧化物及硅酸盐构成了地壳中大部分的岩石、沙子和土壤,约占地壳总量的90%以上,是取之不尽的元素。
- 硅的提纯和结晶方便,容易拉制大直径的单晶硅棒,获得大尺寸的硅晶圆片,从而降低半导体器件和集成电路的制造成本。
- 硅氧化所形成的二氧化硅(SiO2)性能稳定,它在半导体器件和集成电路的制造过程中能够作为优良的绝缘膜使用,从而可以获得电学性能优良、可靠性高的器件。
从宏观上解释为何硅和锗可用来制作半导体材料,这将需要提及其自身的元素性质和原子结构:
- 锗和硅,分别位于元素周期表(长式)中第4,3周期第ⅣA族的元素,原子序数为32和14,处于金属和非金属交界处,具有半导体的性质。
- 将硅和锗材料提纯后形成纯净的具有晶体结构的半导体即为本征半导体,在特定情况下会出现本征激发现象,从而决定了该材料因外界因素变化而实现导电性随之而变,体现半导体的特性。
三、半导体材料中的掺杂现象
所有的掺杂基本都围绕一个目的:提高半导体器件的电学性能, 包括加强自身的导电能力以及让半导体具有人们所需要的性能。例如纯净的硅几乎不导电,因为几乎所有的电子都被束缚在硅原子周围,无法*地通过晶体。而进行掺杂后的硅则可以加强自身的导电能力,由于掺入相应的三价或是五价元素可以在本征激发外产生其他的载流子,掺杂后的半导体分为“N型半导体”和“P型半导体”,并且“N型半导体”带负电,“P型半导体”带正电。
四、半导体材料的发展
半导体材料经历几代的发展:第一代半导体是“元素半导体”,典型如硅基和锗基半导体。其中以硅基半导体技术较成熟,应用也较广。第二代半导体材料是化合物半导体。化合物半导体是以砷化镓、磷化铟(和氮化镓等为代表,包括许多其它III-V族化合物半导体。其中以砷化镓技术较成熟,应用也较广。
目前以碳化硅(SiC) 、氮化镓( GaN)、氧化锌(ZnO)、金刚石为代表的宽禁带半导体材料称为第三代半导体材料。和第一代、第二代半导体材料相比,第三代半导体材料具有宽的禁带宽度,高的击穿电场、高的热导率、高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力,因而更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件,通常又被称为宽禁带半导体材料(禁带宽度大于2.2ev),也称为高温半导体材料。
从目前第三代半导体材料和器件的研究来看,较为成熟的是碳化硅和氮化镓半导体材料,其中碳化硅技术最为成熟,而氧化锌、金刚石和氮化铝等宽禁带半导体材料的研究尚属起步阶段,相信随着研究的不断深入,其应用前景将十分广阔。
由于社会和科技发展,数字电子技术在我们生活中越来越广泛,而半导体材料的应用和发展给国家经济和国家安全至关重要的领域带来了巨大好处,引起新的飞跃。特别是在高温微电子材料中红外激光材料的发展,探索低维结构材料的量子效应及其在未来纳米电子学和纳米光学方面的应用,以及基于单光子光源的量子通信技术,基于固态量子比特的量子计算和复合结构材料与器件的发展应用,这些已成为目前材料科学中最活跃的极有可能出现新的技术革命的领域,若能实现将能彻底改变人类的生产生活方式。