半导体材料的发展简史

1、半导体材料的发展简史半导体的发现实际上可以追溯到很久以前，1833年，英国巴拉迪最先发现硫化银的电 阻随着温度的变化情况不同于一般金属，一般情况下，金属的电阻随温度升高而增加，但巴 拉迪发现硫化银材料的电阻是随着温度的上升而降低。这是半导体现象的首次发现。不久， 1839年法国的贝克莱尔发现半导体和电解质接触形成的结，在光照下会产生一个电压，这 就是后来人们熟知的光生伏特效应，这是被发现的半导体的第二个特征。1873年，英国的 史密斯发现硒晶体材料在光照下电导增加的光电导效应，这是半导体又一个特有的性质。半 导体的这四个效应，(jianxia霍尔效应的余绩 四个伴生效应的发现)虽在1880年以

2、前 就先后被发现了，但半导体这个名词大概到1911年才被考尼白格和维斯首次使用。而总结 出半导体的这四个特性一直到1947年12月才由贝尔实验室完成。在1874年，德国的布劳 恩观察到某些硫化物的电导与所加电场的方向有关，即它的导电有方向性，在它两端加一个 正向电压，它是导通的；如果把电压极性反过来，它就不导电，这就是半导体的整流效应， 也是半导体所特有的第三种特性。同年，舒斯特又发现了铜与氧化铜的整流效应。半导体材料是半导体工业的基础，它的发展对半导体工业的发展具有极大的影响。如果 按化学成分及内部结构，半导体材料大致可以分为以下几类：一是元素半导体材料，包括锗 (Ge)、硅(Si)、硒(S

3、e)、硼(B)等。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，到20世纪60年代后期逐渐被硅材料取代。用硅制造 的半导体器件，耐高温和抗辐射性能较好，特别适宜制作大功率器件。因此，硅已成为应用 最多的一种半导体材料，目前的集成电路大多数是用硅材料制造的。二是化合物半导体，它 是由两种或两种以上的元素化合而成的半导体材料。它的种类很多，重要的有砷化镓(GaAs)、 磷化铟(InP)、锑化铟(InSb)、氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)、硫化镉(CdS)等。其中砷化镓是除 硅之外研究最深入、应用最广泛的半导体材料。由于砷化镓是一种直接带隙的半导体材料，

4、 并且具有禁带宽度宽、电子迁移率高的优点，因而砷化镓材料不仅可直接研制光电子器件， 如发光二极管、可见光激光器、近红外激光器、量子阱大功率激光器、红外探测器和高效太 阳能电池等，而且在微电子方面，以半绝缘砷化镓(Si-GaAs)为基体，用直接离子注入自对 准平面工艺研制的砷化镓高速数字电路、微波单片电路、光电集成电路、低噪声及大功率场 效应晶体管，具有速度快、频率高、低功耗和抗辐射等特点。碳化硅由于其抗辐射能力强、 耐高温和化学稳定性好，在航天技术领域有着广泛的应用。氮化镓材料是近十年才成为研究 热点，它是一种宽禁带半导体材料(Eg=3.4eV),具有纤锌矿结构的氮化镓属于直接跃迁型 半导体，

5、是制作绿光、蓝光、紫光乃至紫外发光二极管、探测器和激光器的材料。氮化镓可 以与氮化铟（Eg=1.9eV）、氮化铝（Eg=6.2eV）形成合金InGaN、AlGaN,这样可以调制 禁带宽度，进而调节发光管、激光管等的波长。三是非晶半导体。上面介绍的都是具有确定 晶格结构的半导体材料，在这些材料中原子排列具有对称性和周期性。然而，一些不具有长 程有序的无定形固体（非晶体）也具有明显的半导体特征。非晶半导体的种类繁多，大体上 也可按晶态物质的归类方法来分类。从目前研究的深度来看，颇有实用价值的非晶半导体材 料首推氢化非晶硅（aSiH）及其合金材料（aSiC:H、aSiN:H）,可以用于低成本太阳 能

6、电池和静电光敏感材料。非晶Se （aSe）、硫系玻璃及氧化物玻璃等非晶半导体在传感 器、开关电路及信息存储方面也有广泛的应用前景。四是有机半导体，例如芳香族有机化合 物就具有典型的半导体特征。有机半导体的电导特性研究可能对生物体内的基本物理过程研 究起着重大推动作用，是半导体研究的一个热门领域，其中有机发光二极管（OLED）的研 究尤其受到人们的重视。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，一般用硅基半导体来代替元素半导体的名 称。 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（GaAs）、磷化铟（In

7、P） 和氮化镓（GaN）等为代表，包括许多其它III-V族化合物半导体。其中之一，砷化镓或GaAso 其中以砷化镓技术较成熟，应用也较广。化合物半导体不同於硅半导体的性质主要有二：一是化合物半导体的电子迁移率较硅 半导体快许多，因此适用于高频传输；二是化合物半导体具有直接带隙，这是和硅半导体所 不同的，因此化合物半导体可适用发光领域。固溶体半导体：具有半导体性质的固溶体， 又称混晶或混合晶体。大多数固溶体半导体为代位结构、如Ge-Si固溶体。溶质原子和溶剂 原子具有相同的原子价类型的固溶体半导体，如Ga1-xAlxAs, 0 x1其中Ga和Al的原子 数之和等于As的原子数。其独特的优点是，其

8、性质随各个组元在固溶体中所占百分比而变 化。非晶半导体（amorphous semiconductor）具有半导体特性的非晶体组成的材料，如a-硅、 a-锗、a-砷化镓、a-硫化砷、a-硒等非晶材料。这类材料，原子排列短程有序，长程无序。 又称无定形半导体。部分称作玻璃半导体。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。超晶格牛导体（Sernleonduetor）多年来发展起来的人工改性新 材料。superlattiee近20是将两种（或两种以上）组分不同、或导电类型不同的极薄（几埃到 几百 埃）半导体单晶薄膜交替地外延生长在一起而形成的周期结构材料。简史超晶格的概

9、念是美国IBM公司的江崎玲敖 奈(L.Esaki)和朱兆样于1969年提出的。他们认为，在原晶 体晶格的周期势场上加上超晶格的周期势场，原晶体的能带结构会受到扰动。由于超晶格 的周期d通常 比原晶体的晶格常数a大得多，于是在动量空间中对应的布里渊区就会小得 多，原来边界为二/a的布里渊区会分裂成边界为万/d的许多微小布里渊区，而原晶体抛物线 型的导带和价带则会分裂为许多由子禁带分隔开的子能带。最早的实用“半导体”是电晶体(Transistor) /二极体(Diode)。一、在无线电 收音机(Radio)及电视机(Television)中，作为“讯号放大器/整流器”用。二、近来发 展太阳能(So

10、larPower)，也用在光电池(SolarCell)中。三、半导体可以用来测量 温度，测温范围可以达到生产、生活、医疗卫生、科研教学等应用的70%的领域，有较高的 准确度和稳定性，分辨率可达0.1C，甚至达到0.01C也不是不可能，线性度0.2%，测温 范围-100+300C，是性价比极高的一种测温元件。半导体已广泛地用于家电、通讯、工业制造、航空、航天等领域。从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