关于半导体材料的探讨.doc

学科前沿讲座论文 化工学院 过控08-2班 桂大强半导体材料的研究桂大强（中国矿业大学 化工学院 过控08-2班 06082908）【内容摘要】半导体材料经过不长的时间已经发展成为与我们生活息息相关的产业，随处可见，可见其重要性，普普及性。本文简要的去解读半导体材料的性质、用途、具体的半导体材料组成，以及其研究的现状和意义、研究热点难点和前景等。【关键字】 半导体材料 研究 应用一、浅谈半导体材料自然界的物质、材料按导电能力大小可分为导体、半导体、和绝缘体三大类。半导体的电导率在1010欧厘米之间。在一般情况下，半导体电导率随温度的升高而增大，这与金属导体恰好相反。 凡具有上述两种特征的材料都可归入半导体材料的范围。反映半导体内在基本性质的却是各种外界因素如光、热、磁、电等作用于半导体而引起的物理效应和现象，这些可统称为半导体材料的半导体性质。构成固态电子器件的基体材料绝大多数是半导体，正是这些半导体材料的各种半导体性质赋予各种不同类型半导体器件以不同的功能和特性。半导体的基本化学特征在于原子间存在饱和的共价键。作为共价键特征的典型是在晶格结构上表现为四面体结构,所以典型的半导体材料具有金刚石或闪锌矿(ZnS)的结构。 由于地球的矿藏多半是化合物，所以最早得到利用的半导体材料都是化合物,例如方铅矿(PbS)很早就用于无线电检波，氧化亚铜(Cu2O)用作固体整流器，闪锌矿(ZnS)是熟知的固体发光材料，碳化硅(SiC)的整流检波作用也较早被利用。硒(Se)是最早发现并被利用的元素半导体，曾是固体整流器和光电池的重要材料。元素半导体锗（Ge）放大作用的发现开辟了半导体历史新的一页，从此电子设备开始实现晶体管化。二、半导体材料的研究现状和意义相对于半导体设备市场，半导体材料市场长期处于配角的位置，但随着芯片出货量增长，材料市场将保持持续增长，并开始摆脱浮华的设备市场所带来的阴影。按销售收入计算，日本保持最大半导体材料市场的地位。然而台湾、ROW、韩国也开始崛起成为重要的市场，材料市场的崛起体现了器件制造业在这些地区的发展。晶圆制造材料市场和封装材料市场双双获得增长，未来增长将趋于缓和，但增长势头仍将保持。 美国半导体产业协会(SIA)预测，2008年半导体市场收入将接近2670亿美元，连续第五年实现增长。无独有偶，半导体材料市场也在相同时间内连续改写销售收入和出货量的记录。晶圆制造材料和封装材料均获得了增长，预计今年这两部分市场收入分别为268亿美元和199亿美元。 日本继续保持在半导体材料市场中的领先地位，消耗量占总市场的22%。2004年台湾地区超过了北美地区成为第二大半导体材料市场。北美地区落后于ROW(RestofWorld)和韩国排名第五。ROW包括新加坡、马来西亚、泰国等东南亚国家和地区。许多新的晶圆厂在这些地区投资建设，而且每个地区都具有比北美更坚实的封装基础。 芯片制造材料占半导体材料市场的60%，其中大部分来自硅晶圆。硅晶圆和光掩膜总和占晶圆制造材料的62%。2007年所有晶圆制造材料，除了湿化学试剂、光掩模和溅射靶，都获得了强劲增长，使晶圆制造材料市场总体增长16%。2008年晶圆制造材料市场增长相对平缓，增幅为7%。预计2009年和2010年，增幅分别为9%和6%。 半导体材料市场发生的最重大的变化之一是封装材料市场的崛起。1998年封装材料市场占半导体材料市场的33%，而2008年该份额预计可增至43%。这种变化是由于球栅阵列、芯片级封装和倒装芯片封装中越来越多地使用碾压基底和先进聚合材料。随着产品便携性和功能性对封装提出了更高的要求，预计这些材料将在未来几年内获得更为强劲的增长。此外，金价大幅上涨使引线键合部分在2007年获得36%的增长。 与晶圆制造材料相似，半导体封装材料在未来三年增速也将放缓，2009年和2010年增幅均为5%，分别达到209亿美元和220亿美元。除去金价因素，且碾压衬底不计入统计，实际增长率为2%至3%。20世纪中叶，单晶硅和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研制成功，导致了电子工业革命；20世纪70年代初石英光导纤维材料和GaAs激光器的发明，促进了光纤通信技术迅速发展并逐步形成了高新技术产业，使人类进入了信息时代。超晶格概念的提出及其半导体超晶格、量子阱材料的研制成功，彻底改变了光电器件的设计思想，使半导体器件的设计与制造从“杂质工程”发展到“能带工程”。纳米科学技术的发展和应用，将使人类能从原子、分子或纳米尺度水平上控制、操纵和制造功能强大的新型器件与电路，深刻地影响着世界的政治、经济格局和军事对抗的形式，彻底改变人们的生活方式。三、半导体材料研究的热点难点问题近年来,低维有机半导体材料的研究被人们广泛的关注,特别是在发现了聚对苯乙炔(PPV)的电致发光现象以后。低维有机半导体材料中一些新的物理性质使人们不论在理论上还是在试验上都面临新的挑战。随着现代科学技术的发展,使得制造出在有机半导体材料光电子器件已经成为可能,由于有机半导体材料具有广泛的应用前途,使之成为低维材料物理中研究的热点之一。碳化硅SiC、氮化镓GaN和金刚石是典型的宽禁带半导体材料。基于碳化硅材料的功率器件经过了长时间研究，已经具有较高的成熟度和可靠性。2004年，Cree公司成功研发微管密度低于10cm-2的高质量3英寸4H-SiC材料，并投放市场。2007年，该公司又推出了4英寸零微管密度的4H-SiC材料，可用于制作大尺寸的高功率器件。目前Cree公司、II-VI公司、Dow Corning公司和Nippon Steel已经批量生产4英寸碳化硅晶圆。2010年业界发布了6英寸的碳化硅晶圆。150mm的晶圆毫无疑问会降低碳化硅器件制造成本，并且为4H-SiC功率器件的发展提供坚实基础。实现低导通电阻的方法是提高材料的临界击穿电场，也就是选择宽禁带的半导体材料。根据更符合实际应用，以及综合考虑功率器件的导通损耗、开关损耗和芯片面积等因素的估算，碳化硅、氮化镓和金刚石功率器件大大降低了损耗和器件面积，新型宽禁带半导体材料将引发功率器件的巨大进步。同时，以碳化硅、氮化镓和金刚石为代表的宽禁带半导体材料具有较大的电子饱和速度，可以应用于射频器件领域。碳化硅和金刚石具有较高的热导率，适用于对需要耗散较大功率并且半导体芯片热阻是系统热阻一个重要组成部分的大功率应用领域。如今的半导体照明也雨后春笋般的涌现出来，但是也是遇到了许多的难点。例如单个LED功率低。为了获得大功率，需要多个并联使用，例如汽车尾灯。单个大功率LED价格很贵。LED另外一个致命缺点，显色指数低！在LED照射下显示的颜色没有白炽灯真实，这要从光谱分布上来分析，属于技术问题。有光斑，由于白光LED本身制造工艺上缺陷加上与反射杯或透镜的配合误差，容易造成“黄圈”问题。四、半导体材料的研究前景半导体器件早己进入微米尺寸阶段, 目前正在进入量予尺寸阶段。微观缺陷、杂质的不均匀分布和沉淀物以及杂质和缺陷的络合物是改善半导体器件的主要障碍之一。半导体器件对半导体材料提出了很高的要求。由于半导体材料在当代信息革命卜的重要地位, 而且半导体材料工业是高产值的工业。由于在空间能够获得质量更加优良的半导体材料, 而且可能成为未来的空间产业的一部分,半导体材料在空间材料科学中占了很大比重。从材料研究的对象来讲, 人们普遍把注意力转向。砷化稼是目前用途最广泛, 而且是研究得较成熟的化合物半导体材料。它是微波器件、高速器件、光电器件及其它的集成电路的基础材料。在电子和光电子器件方面也很有前途。这两种材料我们都进行了空间晶体的生长半导体设备市场现在仍呈现两大热点：一是太阳能电池设备。由于欧洲太阳能电池需求拉动作用，使国内太阳能电池产业呈爆炸性增长，极大地促进了以生产太阳能电池片为主的半导体设备的增长，使其成为今年半导体设备的主要组成部分。第二依然是IC设备。集成电路的市场空前广阔，为IC设备创造了巨大的市场机遇。2009 年中国半导体市场为682亿美元，较08年略微增长0.29%。相对于全球半导体市场的萎缩，中国市场的下滑要小的多。预计中国半导体市场2010年将增长17.45%,达到801亿美元。2014年将达到1504亿美元。五、结束语如今的科技进步的速度有时真的让我们瞠目结舌，应接不暇。纵观半导体材料的发展历程，它远没有很深的历史，离我们很近而又发展很快，如今的半导体遍布我们周围，手机、电脑、手表等等。但是它的用途还远没有完全开发出来，此类的研究也在紧锣密鼓的展开。人类没有停滞在以往的成就而固步自封，曾经的硅产业迎来了“硅谷”，但如今人类又已经找到了可以提到硅的材料，石墨烯和辉钼应运而生，不断地更替。然而，我们可以做的就是好好学习已有的材料，深刻解析材料的优点缺点，从来才能与时俱进，不断地去创新和发展。参考文献：【1】 葛生燕 刘辉 半导体材料的探析与运用 科技向导 2010年第5期（上）【2】 宣向春,王微扬. 半导体制冷器“无限级联”温差电对工作参数的理论分析. 制冷学报,2008 , (2) :3438【3】 葛晓宇 半导体的应用与发展研究 大众商务 2009年6月【4】 王占国 半导体材料的新进展 半导体技术 第27卷第3期2009年8月【5】 温凯 邵斌