第一節(jié) 半導(dǎo)體材料定義

導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體。半導(dǎo)體材料是一類具有半導(dǎo)體性能、可用來(lái)制作半導(dǎo)體器件和集成電的電子材料，其電導(dǎo)率在10（U-3）～10（U-9）歐姆/厘米范圍內(nèi)。半導(dǎo)體材料的電學(xué)性質(zhì)對(duì)光、熱、電、磁等外界因素的變化十分敏感，在半導(dǎo)體材料中摻入少量雜質(zhì)可以控制這類材料的電導(dǎo)率。正是利用半導(dǎo)體材料的這些性質(zhì)，才制造出功能多樣的半導(dǎo)體器件。

第二節(jié) 半導(dǎo)體材料分類

半導(dǎo)體材料是半導(dǎo)體工業(yè)的基礎(chǔ)，它的發(fā)展對(duì)半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展有極大的影響。半導(dǎo)體材料按化學(xué)成分和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，大致可分為以下幾類：

1.元素半導(dǎo)體有鍺、硅、硒、硼、碲、銻等。50年代，鍺在半導(dǎo)體中占主導(dǎo)地位，但 鍺半導(dǎo)體器件的耐高溫和抗輻射性能較差，到60年代后期逐漸被硅材料取代。用硅制造的半導(dǎo)體器件，耐高溫和抗輻射性能較好，特別適宜制作大功率器件。因此，硅已成為應(yīng)用最多的一種增導(dǎo)體材料，目前的集成電路大多數(shù)是用硅材料制造的。

2.化合物半導(dǎo)體由兩種或兩種以上的元素化合而成的半導(dǎo)體材料。它的種類很多，重要的有砷化鎵、磷化錮、銻化錮、碳化硅、硫化鎘及鎵砷硅等。其中砷化鎵是制造微波器件和集成電的重要材料。碳化硅由于其抗輻射能力強(qiáng)、耐高溫和化學(xué)穩(wěn)定性好，在航天技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

3.無(wú)定形半導(dǎo)體材料 用作半導(dǎo)體的玻璃是一種非晶體無(wú)定形半導(dǎo)體材料，分為氧化物玻璃和非氧化物玻璃兩種。這類材料具有良好的開(kāi)關(guān)和記憶特性和很強(qiáng)的抗輻射能力，主要用來(lái)制造閾值開(kāi)關(guān)、記憶開(kāi)關(guān)和固體顯示器件。

4.有機(jī)增導(dǎo)體材料已知的有機(jī)半導(dǎo)體材料有幾十種，包括萘、蒽、聚丙烯腈、酞菁和一些芳香族化合物等，目前尚未得到應(yīng)用。

第三節(jié) 化合物半導(dǎo)體材料介紹

 化合物半導(dǎo)體分為二元系、三元系、多元系和有機(jī)化合物半導(dǎo)體。二元系化合物半導(dǎo)體有Ⅲ-Ⅴ族（如砷化鎵、磷化鎵、磷化銦等）、Ⅱ-Ⅵ族（如硫化鎘、硒化鎘、碲化鋅、硫化鋅等）、 Ⅳ-Ⅵ族（如硫化鉛、硒化鉛等） 、Ⅳ-Ⅳ族（如碳化硅）化合物。三元系和多元系化合物半導(dǎo)體主要為三元和多元固溶體，如鎵鋁砷固溶體、鎵鍺砷磷固溶體等。有機(jī)化合物半導(dǎo)體有萘、蒽、聚丙烯腈等，還處于 研究 階段。

 
     第四節(jié) 半導(dǎo)體材料特性和參數(shù)

半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性對(duì)某些微量雜質(zhì)極敏感。純度很高的半導(dǎo)體材料稱為本征半導(dǎo)體，常溫下其電阻率很高，是電的不良導(dǎo)體。在高純半導(dǎo)體材料中摻入適當(dāng)雜質(zhì)后，由于雜質(zhì)原子提供導(dǎo)電載流子，使材料的電阻率大為降低。這種摻雜半導(dǎo)體常稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體靠導(dǎo)帶電子導(dǎo)電的稱N型半導(dǎo)體，靠?jī)r(jià)帶空穴導(dǎo)電的稱P型半導(dǎo)體。不同類型半導(dǎo)體間接觸（構(gòu)成PN結(jié)）或半導(dǎo)體與金屬接觸時(shí)，因電子（或空穴）濃度差而產(chǎn)生擴(kuò)散，在接觸處形成位壘，因而這類接觸具有單向?qū)щ娦?。利用PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕梢灾瞥删哂胁煌δ艿陌雽?dǎo)體器件，如二極管、三極管、晶閘管等。此外，半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性對(duì)外界條件（如熱、光、電、磁等因素）的變化非常敏感，據(jù)此可以制造各種敏感組件，用于信息轉(zhuǎn)換。

半導(dǎo)體材料的特性參數(shù)有禁帶寬度、電阻率、載流子遷移率、非平衡載流子壽命和位錯(cuò)密度。禁帶寬度由半導(dǎo)體的電子態(tài)、原子組態(tài)決定，反映組成這種材料的原子中價(jià)電子從束縛狀態(tài)激發(fā)到自由狀態(tài)所需的能量。電阻率、載流子遷移率反映材料的導(dǎo)電能力。非平衡載流子壽命反映半導(dǎo)體材料在外界作用（如光或電場(chǎng)）下內(nèi)部載流子由非平衡狀態(tài)向平衡狀態(tài)過(guò)渡的弛豫特性。位錯(cuò)是晶體中最常見(jiàn)的一類缺陷。位錯(cuò)密度用來(lái)衡量半導(dǎo)體單晶材料晶格完整性的程度，對(duì)于非晶態(tài)半導(dǎo)體材料，則沒(méi)有這一參數(shù)。半導(dǎo)體材料的特性參數(shù)不僅能反映半導(dǎo)體材料與其它非半導(dǎo)體材料之間的差別 ，更重要的是能反映各種半導(dǎo)體材料之間甚至同一種材料在不同情況下，其特性的量值差別。

 
    第五節(jié) 半導(dǎo)體材料制備

不同的半導(dǎo)體器件對(duì)半導(dǎo)體材料有不同的形態(tài)要求，包括單晶的切片、磨片、拋光片、薄膜等。半導(dǎo)體材料的不同形態(tài)要求對(duì)應(yīng)不同的加工工藝。常用的半導(dǎo)體材料制備工藝有提純、單晶的制備和薄膜外延生長(zhǎng)。

所有的半導(dǎo)體材料都需要對(duì)原料進(jìn)行提純，要求的純度在6個(gè)“9”以上 ，最高達(dá)11個(gè)“9”以上。提純的方法分兩大類，一類是不改變材料的化學(xué)組成進(jìn)行提純，稱為物理提純；另一類是把元素先變成化合物進(jìn)行提純，再將提純后的化合物還原成元素，稱為化學(xué)提純。物理提純的方法有真空蒸發(fā)、區(qū)域精制、拉晶提純等，使用最多的是區(qū)域精制。化學(xué)提純的主要方法有電解、絡(luò)合、萃取、精餾等，使用最多的是精餾。由于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(jié)合的工藝流程以獲得合格的材料。

絕大多數(shù)半導(dǎo)體器件是在單芯片或以單芯片為襯底的外延片上作出的。成批量的半導(dǎo)體單晶都是用熔體生長(zhǎng)法制成的。直拉法應(yīng)用最廣，80%的硅單晶、大部分鍺單晶和銻化銦單晶是用此法生產(chǎn)的，其中硅單晶的最大直徑已達(dá)300 毫米。在熔體中通入磁場(chǎng)的直拉法稱為磁控拉晶法，用此法已生產(chǎn)出高均勻性硅單晶。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(qū)熔法的熔體不與容器接觸，用此法生長(zhǎng)高純硅單晶。水平區(qū)熔法用以生產(chǎn)鍺單晶。水平定向結(jié)晶法主要用于制備砷化鎵單晶，而垂直定向結(jié)晶法用于制備碲化鎘、砷化鎵。用各種方法生產(chǎn)的體單晶再經(jīng)過(guò)晶體定向、滾磨、作參考面、切片、磨片、倒角、拋光、腐蝕、清洗、檢測(cè)、封裝等全部或部分工序以提供相應(yīng)的芯片。

在單晶襯底上生長(zhǎng)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(yè)生產(chǎn)使用的主要是化學(xué)氣相外延，其次是液相外延。金屬有機(jī)化合物氣相外延和分子束外延則用于制備量子阱及超晶格等微結(jié)構(gòu)。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(xué)氣相沉積、磁控濺射等方法制成。

第六節(jié) 半導(dǎo)體材料技術(shù)動(dòng)向及挑戰(zhàn)

半導(dǎo)體制造技術(shù)能否持續(xù)突破，材料一直扮演著重要的角色，從最早的鍺（Ge），到隨后普遍應(yīng)用的硅（Si），近年來(lái)又衍生出更多新材料。

銅導(dǎo)線材料

在半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展初期的20世紀(jì)50年代，主要是以鍺元素為材料，不過(guò)鍺元素的耐高溫性不足、抗輻射能力差，以致在20世紀(jì)60年代后逐漸被硅元素取代。硅在抗熱、抗輻射等方面的表現(xiàn)都優(yōu)于鍺，適合用來(lái)制做大功率的集成電路。近年來(lái)，隨著制造技術(shù)不斷縮小到0.25gm以下，集成電路在線路上的電阻電容延遲（RC-Delay）效應(yīng)已經(jīng)增大到使線路信號(hào)難以更快速傳遞，即晶體管導(dǎo)通、關(guān)閉的速率難以更快，并且增加線路問(wèn)的串音噪聲干擾，這些問(wèn)題在頻率接近1GHz時(shí)就會(huì)產(chǎn)生。

為了克服這一阻障，必須更換半導(dǎo)體信號(hào)線路的材料，從過(guò)往的鋁（A1）替換成銅（Cu），換材料之后線路的電阻值降低，鋁的阻值為2.8微歐姆每厘米（2.8gOhm/cm），銅則是1.7gOhm/cm，這樣寄生RC問(wèn)題獲得緩解，芯片的頻率速率可進(jìn)一步推升。同時(shí)，銅線路也有更好的抗“電子遷移”能力，使芯片可以更持久地運(yùn)作。除了換材料，制造過(guò)程方面也必須搭配改變，過(guò)去鋁線是采用濺鍍方式制做，換成銅導(dǎo)線則使用電鍍方式制做，如此在過(guò)程成本上也更為節(jié)省。此外，由于銅的反應(yīng)較為活潑，因此更容易滲到硅基材中，也容易污染無(wú)塵室，這使得制造過(guò)程中需要更謹(jǐn)慎地控制。

硅絕緣材料

芯片電路不斷精密后，除了有前面提到的延遲問(wèn)題外，另一個(gè)問(wèn)題是漏電。漏電問(wèn)題愈來(lái)愈嚴(yán)重的結(jié)果是使芯片的功耗攀升。舉例而言，過(guò)去Intel的Pentium 4處理器其總體功耗的1/4皆為漏電，只有3/4的用電是真正投入運(yùn)算工作。很明顯，過(guò)去的硅基板絕緣層（SOS）已難以抑制漏電，需要更換新的絕緣材料來(lái)強(qiáng)化，業(yè)界提出了硅覆絕緣（SOI）技術(shù)（上覆硅技術(shù)），以二氧化硅（si02）為絕緣材料減緩漏電率的成長(zhǎng)。

善用S01技術(shù)的結(jié)果，可以降低芯片50%左右的功耗。如今不僅便攜電子產(chǎn)品講究省電，就連機(jī)房用的高速運(yùn)算也講究省電，電力成為數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)中，僅次于薪酬的第二大開(kāi)銷，因此在芯片日益強(qiáng)調(diào)省電特性下，SOl技術(shù)的重要性也持續(xù)增高。比較特別的是，業(yè)界也有人對(duì)S01技術(shù)持不同看法，雖然硅絕緣抑制了漏電，但連帶也阻礙了熱消散。因?yàn)槎趸璧臒醾鲗?dǎo)率低于50W/mk，而硅則是120W/mk，既然熱消散不易，也就連帶限制了芯片頻率的提升，因?yàn)楦哳l率的運(yùn)作會(huì)加速熱的產(chǎn)生。再者，絕緣的氧化物具有離子化傾向，受輻射所影響容易誘發(fā)出額外的電流，使芯片內(nèi)噪聲增加。

因此，也有人提出以鉆石為絕緣層的作法，稱為SOD。鉆石的本質(zhì)為碳（C），絕緣性佳（1016Ω/cm）、熱傳導(dǎo)率高（大于1200W/mk），可有效絕緣又可有效散熱。雖然如此，SOI仍是一項(xiàng)具變革性的新材料作法，目前SOI主要是用氧植入（sIMOX）法或氫植入法，其中氫植入法以法國(guó)Soitec公司的Smart Cut技術(shù)為主。

 低介電質(zhì)材料

如前所述，銅導(dǎo)線技術(shù)在于降低RC-Delay效應(yīng)，而銅線主要的目的是降低R值，但對(duì)線路與線路問(wèn)的C值卻沒(méi)有改善。為了改善線路間的絕緣效果，人們開(kāi)始思索用新的絕緣材料來(lái)替代原有的SiO，絕緣材料，這方面的替代方案稱為低介電質(zhì)技術(shù)。所謂低介電質(zhì)，其k值（介電系數(shù)）愈低則絕緣性愈高，SiO2的k值約在3.9～4-5問(wèn)，而可行的替代材料包括氟硅玻璃（FSG）、黑鉆石、BLOK（Bartier Low k）等。以FSG而言，事實(shí)上還有不同的制成方法，以化學(xué)氣相沉積法（CVD）產(chǎn)生的，可使k值達(dá)2.6～3.1，而使用旋轉(zhuǎn)式涂布法（SOD）的則更可低至2.0。當(dāng)然，最好的低介電質(zhì)是真空，其k值為1，干燥的空氣則接近1，但因?yàn)椴皇枪虘B(tài)物而無(wú)法使用。

高介電質(zhì)、應(yīng)變硅

除上述外，為了讓芯片有更快的效能，提出了高介電質(zhì)與應(yīng)變硅等技術(shù)。高介電質(zhì)材料主要是替換原有位于閘極金屬電極與硅基板間的SiO，絕緣材，如此可使晶體管的導(dǎo)通、關(guān)閉更加快速，預(yù)計(jì)可比傳統(tǒng)SiO，作法快60%，此外閘極的漏電也能降低（將絕緣層加厚），降低漏電就能減少功耗與發(fā)熱。不過(guò)目前高介電質(zhì)技術(shù)仍有些方面不易突破。至于應(yīng)變硅方面，應(yīng)變硅技術(shù)并非替代材料，晶圓基板材料依舊是硅，但卻改變硅原子結(jié)構(gòu)的間距，使電子移動(dòng)的速度增快，進(jìn)而提升芯片的運(yùn)作效率。

太陽(yáng)能板

由于石油將在數(shù)十年后用盡，使人們?cè)黾訉?duì)太陽(yáng)能發(fā)電、太陽(yáng)電池等技術(shù)的關(guān)注度，其中太陽(yáng)能發(fā)電中的太陽(yáng)能板也是用半導(dǎo)體材料所制作。目前太陽(yáng)電池最廣泛使用的材料為硅，并可分成晶硅與非晶硅，其中晶硅還可再分成單晶硅與多晶硅，如此即有三種類型的材料：?jiǎn)尉Ч琛⒍嗑Ч?、非晶硅，三種材料的光電轉(zhuǎn)換效率也各有差異，分別為l 2%～2 4%、10%～19%、1%-13%。而真正較常運(yùn)用的是單晶與非晶，前者因轉(zhuǎn)換效率高而受青睞，后者則有成本低、制造容易等特點(diǎn)。要注意的是，非晶硅除純硅之外，也有化合性質(zhì)的作法，如碳化硅SiC、鍺化硅SiGe、氫化硅Sill、氧化硅SiO等等。除了硅為主體的太陽(yáng)能基板，也有非硅的化合物作法，一樣區(qū)分成單晶類與多晶類，單晶類的材料為砷化鎵GaAs、磷化銦InP；多晶類則有硫化鎘CdS、碲化鎘CdTe、銅鍺化銦CulnSe、二鍺銅化銦/鎵Cu（In，Ga）Se，等等。非晶硅材料或化合物材料多用在薄膜技術(shù)制成太陽(yáng)能板中。

附帶一提的還有一種初展露、尚在研發(fā)的有機(jī)（oganic）太陽(yáng)能電池、納米太陽(yáng)能電池，使用的材料為二氧化鈦TiO2，然而因?yàn)楣怆娹D(zhuǎn)換率僅1%～4%，離實(shí)用化仍有一段距離。

無(wú)線射頻

無(wú)線射頻（RF）電路、集成電路、微波功率電路等所用的材料，必須從形成的基礎(chǔ)構(gòu)造來(lái)討論，這包括晶體管、異質(zhì)接面雙極晶體管（HBT）、金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管（MESFET）、以及高電子遷移率晶體管（HEMT，也稱異質(zhì)結(jié)構(gòu)場(chǎng)效晶體管HFET）。

在具體材料上，晶體管用的是硅，HBT的基板部分使用SiGe、GaAs，其上的生成層則用A1GaAs、InP、InGaP，此外寬能帶（Wide—bandgap）的材料也備受矚目，如GaN、InGaN；MESFET則是GaAs、InP、SiC（從未使用純硅）；HEMT則是以“GaAs與A1GaAs”或“A1GaN與GaN”所構(gòu)成。除了材料外，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)也有所不同，以Si為主材料若用于射頻電路中，多半采用BiCMOS的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，即是結(jié)合BJT與CMOS的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)而成，此稱為Si Bi CMOS制程技術(shù)，射頻電路采行SiGe、si Bi CMOS等作法，在高頻運(yùn)作時(shí)有較好的表現(xiàn)。

另外，與HEMT相關(guān)的還有pHEMT、mHEMT等，使用的基板主材是GaAs，緩沖層則是AHnAs，信道材料則是GaInAs。

發(fā)光二極管

過(guò)去認(rèn)為發(fā)光二極管僅做為狀態(tài)信號(hào)之用，但其實(shí)這只是可見(jiàn)光的部分，不可見(jiàn)光的紅外線LED、紫外線LED也各有用途：紅外線LED用于遙控器、保全裝置；紫外線則用于鈔票鑒識(shí)器、樹(shù)脂硬化、光催化等；最新的超短波長(zhǎng)的遠(yuǎn)紫外線LED則可望用于污染物分解、新型光儲(chǔ)存媒體讀寫(xiě)、納米科技等。更進(jìn)一步，由于藍(lán)光技術(shù)成熟后，白光也成為可行，加上亮度表現(xiàn)不斷提升，使LED的應(yīng)用范疇逐漸提升，包括液晶顯示器的背光、電子照明等開(kāi)始陸續(xù)采行LED。以下列出常見(jiàn)的LED發(fā)光材料：

A1GaAs：紅光、紅外光

A1GaP：綠光

A1GalnP：高亮度的橘光、橙光、黃光、綠光

GaAsP：紅光、橘光、黃光

 GaP：紅光、黃光、綠光

GaN：綠光、草綠光、藍(lán)光

InGaN：近紫外光，藍(lán)綠光，藍(lán)光

ZnSe：藍(lán)光

C（鉆石）：紫外光

A1N：遠(yuǎn)紫外光～近紫外光

A1GaN：遠(yuǎn)紫外光～近紫外光

 值得注意的是，近年來(lái)為了適應(yīng)LED持續(xù)提升亮度的需求，在（藍(lán)光LED）基板材料上也進(jìn)行了多番變革，包括碳化硅SiC、藍(lán)寶石（A1203）等，此外純硅的材料也相當(dāng)受關(guān)切，尤其基板不僅要與發(fā)光體搭配，還必須達(dá)到最高的透光率，以免阻礙發(fā)光體的亮度發(fā)揮。

毫無(wú)疑問(wèn)，無(wú)論是集成電路、太陽(yáng)電池、無(wú)線微波、發(fā)光二極管等各種的半導(dǎo)體運(yùn)用，都仍在制做過(guò)程與材料上進(jìn)行精進(jìn)、提升與突破，甚至經(jīng)常要在各種取向中權(quán)衡取舍，包括特性表現(xiàn)（導(dǎo)電、散熱、透光、速度、硬度、熱膨脹性）、制程難易度、材料成本等。進(jìn)一步的還要規(guī)避他人的專利而達(dá)到相同目的，以及更外圍的封裝材料與技術(shù)搭配。然而技術(shù)的突破也使市場(chǎng)及應(yīng)用更加寬廣，這也是半導(dǎo)體材料技術(shù)持續(xù)誘人與各廠商爭(zhēng)相投入的原因。

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