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半导体材料应用有哪些_半导体材料应用领域介绍

  自然界中的物质,根据其导电性能的差异可划分为导电性能良好的导体(如银、铜、铁等)、几乎不能导电的绝缘体(如橡胶、陶瓷、塑料等)和半导体(如锗、硅、砷化镓等)。

  半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的一种物质。它的导电能力会随温度、光照及掺入杂质的不同而显著变化,特别是掺杂可以改变半导体的导电能力和导电类型,这是其广泛应用于制造各种电子元器件和集成电路的基本依据。

  半导体材料是一类具有半导体性能,用来制作半导体器件的电子材料。常用的重要半导体的导电机理是通过电子和空穴这两种载流子来实现的,因此相应的有N型和P型之分。半导体材料通常具有一定的禁带宽度,其电特性易受外界条件(如光照、温度等)的影响。不同导电类型的材料是通过掺入特定杂质来制备的。杂质(特别是重金属快扩散杂质和深能级杂质)对材料性能的影响尤大。因此,半导体材料应具有很高的纯度,这就不仅要求用来生产半导体材料的原材料应具有相当高的纯度,而且还要求超净的生产环境,以期将生产过程的杂质污染减至最小。半导体材料大部分都是晶体,半导体器件对于材料的晶体完整性有较高的要求。此外,对于材料的各种电学参数的均匀性也有严格的要求。

  半导体材料的早期应用:半导体的第一个应用就是利用它的整流效应作为检波器,就是点接触二极管(也俗称猫胡子检波器,即将一个金属探针接触在一块半导体上以检测电磁波)。除了检波器之外,在早期,半导体还用来做整流器、光伏电池、红外探测器等,半导体的四个效应都用到了。从1907年到1927年,美国的物理学家研制成功晶体整流器、硒整流器和氧化亚铜整流器。1931年,兰治和伯格曼研制成功硒光伏电池。1932年,德国先后研制成功硫化铅、硒化铅和碲化铅等半导体红外探测器,在二战中用于侦测飞机和舰船。二战时盟军在半导体方面的研究也取得了很大成效,英国就利用红外探测器多次侦测到了德国的飞机。

  今天,半导体已广泛地用于家电、通讯、工业制造、航空、航天等领域。1994年,电子工业的世界市场份额为6910亿美元,1998年增加到9358亿美元。而其中由于美国经济的衰退,导致了半导体市场的下滑,即由1995年的1500多亿美元,下降到1998年的1300多亿美元。经过几年的徘徊,目前半导体市场已有所回升。

  制备不同的半导体器件对半导体材料有不同的形态要求,包括单晶的切片、磨片、抛光片、薄膜等。半导体材料的不同形态要求对应不同的加工工艺。常用的半导体材料制备工艺有提纯、单晶的制备和薄膜外延生长。

  半导体材料所有的半导体材料都需要对原料进行提纯,要求的纯度在6个“9”以上,最高达11个“9”以上。提纯的方法分两大类,一类是不改变材料的化学组成进行提纯,称为物理提纯;另一类是把元素先变成化合物进行提纯,再将提纯后的化合物还原成元素,称为化学提纯。物理提纯的方法有真空蒸发、区域精制、拉晶提纯等,使用最多的是区域精制。化学提纯的主要方法有电解、络合、萃取、精馏等,使用最多的是精馏。由于每一种方法都有一定的局限性,因此常使用几种提纯方法相结合的工艺流程以获得合格的材料。

  绝大多数半导体器件是在单晶片或以单晶片为衬底的外延片上作出的。成批量的半导体单晶都是用熔体生长法制成的。直拉法应用最广,80%的硅单晶、大部分锗单晶和锑化铟单晶是用此法生产的,其中硅单晶的最大直径已达300毫米。在熔体中通入磁场的直拉法称为磁控拉晶法,用此法已生产出高均匀性硅单晶。在坩埚熔体表面加入液体覆盖剂称液封直拉法,用此法拉制砷化镓、磷化镓、磷化铟等分解压较大的单晶。悬浮区熔法的熔体不与容器接触,用此法生长高纯硅单晶。水平区熔法用以生产锗单晶。

  水平定向结晶法主要用于制备砷化镓单晶,而垂直定向结晶法用于制备碲化镉、砷化镓。用各种方法生产的体单晶再经过晶体定向、滚磨、作参考面、切片、磨片、倒角、抛光、腐蚀、清洗、检测、封装等全部或部分工序以提供相应的晶片。

  在单晶衬底上生长单晶薄膜称为外延。外延的方法有气相、液相、固相、分子束外延等。工业生产使用的主要是化学气相外延,其次是液相外延。金属有机化合物气相外延和分子束外延则用于制备量子阱及超晶格等微结构。

  非晶、微晶、多晶薄膜多在玻璃、陶瓷、金属等衬底上用不同类型的化学气相沉积、磁控溅射等方法制成。

  硅在当前的应用相当广泛,他不仅是半导体集成电路,半导体器件和硅太阳能电池的基础材料,而且用半导体制作的电子器件和产品已经大范围的进入到人们的生活,人们的家用电器中所用到的电子器件80%以上与案件都离不开硅材料。锗是稀有元素,地壳中的含量较少,由于锗的特有性质,使得它的应用主要集中与制作各种二极管,三极管等。而以锗制作的其他钱江如探测器,也具有着许多的优点,广泛的应用于多个领域。

  有机半导体材料具有热激活电导率,如萘蒽,聚丙烯和聚二乙烯苯以及碱金属和蒽的络合物,有机半导体材料可分为有机物,聚合物和给体受体络合物三类。有机半导体芯片等产品的生产能力差,但是拥有加工处理方便,结实耐用,成本低廉,耐磨耐用等特性。

  非晶半导体按键合力的性质分为共价键非晶半导体和离子键非晶半导体两类,可用液相快冷方法和真空蒸汽或溅射的方法制备。在工业上,非晶半导体材料主要用于制备像传感器,太阳能锂电池薄膜晶体管等非晶体半导体器件。

  化合物半导体材料种类繁多,按元素在周期表族来分类,分为三五族,二六族,四四族等。如今化合物半导体材料已经在太阳能电池,光电器件,超高速器件,微波等领域占据重要位置,且不同种类具有不同的应用。总之,半导体材料的发展迅速,应用广泛,随着时间的推移和技术的发展,半导体材料的应用将更加重要和关键,半导体技术和半导体材料的发展也将走向更高端的市场。

  1.消费类光电子。光存贮、数字电视与全球家用电子产品装备无线控制和数据连接的比例越来越高,音视频装置日益无线化。再加上笔记本电脑的普及,这类产品的市场为化合物半导体产品的应用带来了庞大的新市场。

  2.汽车光电子市场。目前汽车防撞雷达已在很多高档车上得到了实用,将来肯定会越来越普及。汽车防撞雷达一般工作在毫米波段,所以肯定离不开砷化镓甚至磷化铟,它的中频部分才会用到锗硅。由于全球汽车工业十分庞大,因此这是一个必定会并发的巨大市场。

  3.半导体照明技术的迅猛发展。基于半导体发光二极管(LED)的半导体光源具有体积小、发热量低、耗电量小、寿命长、反应速度快、环保、耐冲击不易破、废弃物可回收,没有污染,可平面封装、易开发成轻薄短小产品等优点,具有重大的经济技术价值和市场前景。特别是基于LED的半导体照明产品具有高效节能、绿色环保优点,在全球能源资源有限和保护环境可持续发展的双重背景下,将在世界范围内引发一场划时代的照明革命,成为继白炽灯、荧光灯之后的新一代电光源,进入到千家万户。目前LED已广泛用于大屏幕显示、交通信号灯、手机背光源等,开始应用于城市夜景美化亮化、景观灯、地灯、手电筒、指示牌等,随着单个LED亮度和发光效率的提高,即将进入普通室内照明、台灯、笔记本电脑背光源、LCD显示器背光源等,因而具有广阔的应用前景和巨大的商机。

  4.新一代光纤通信技术。新一代的40Gbps光通信设备不久将会推向市场,代替25Gbps设备投入大量使用。而这些设备中将大量使用磷化铟、砷化镓、锗硅等化合物半导体集成电路。

  5.移动通信技术正在不断朝着有利于化合物半导体产品的方向发展。目前二代半(2.5G)技术成为移动通信技术的主流,同时正在逐渐向第三代(3G)过渡。二代半技术对功放的效率和散热有更高的要求,这对砷化镓器件有利。3G技术要求更高的工作频率,更宽的带宽和高线性,这也是对砷化镓和锗硅技术有利的。目前第四代(4G)的概念已明确提出来了。4G技术对手机有更高的要求。它要求手机在楼内可接入无线局域网(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。

  因此这是一种多功能、多频段、多模式的移动终端。从系统小巧来说,当然会希望实现单芯片集成(SOC),但单一的硅技术无法在那么多功能和模式上都达到性能最优。要把各种优化性能的功能集成在一起,只能用系统级封装(SIP),即在同一封装中用硅、锗硅、砷化镓等不同工艺来优化实现不同功能,这就为砷化镓带来了新的发展前景。

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