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半导体材料的分类与应用

能源、材料和信息被认为是当今正在出现的新技术革命的三大支

柱。在材料方面，电子材料的进步尤为显着。以大规模和超大规模集

成电路为核心的计算机的问世，极大地推动了现代科学技术各方面的

发展。具有划时代意义的新半导体生产工艺、新材料、新仪器层出不

穷，迅速成为生产力和技术。生产工具极大地促进了集成电路产业的

快速发展。半导体数字集成电路、模拟集成电路、存储器、专用集成

电路和微处理器在提高集成度和稳定可靠性、不断降低生产成本等方

面达到了一个新的水平，有效地促进了全面人类在生物工程、航空航

天、工业、农业、商业、科技、教育、卫生等领域的发展，也极大地

方便和丰富了人们的日常生活。半导体集成电路的发展水平是衡量一

个国家经济实力和科技进步的主要指标之一。然而，半导体材料是集

成电路发展的重要基石。作为电子材料的代表“半块体材料”，在生

产实践的客观需求刺激下，科技工作者已经发现了数千种具有半导体

特性的材料，并正在对各种具有半导体特性的材料进行卓有成效的研

究、开发和利用。具有特殊性能的材料。

1元素半导体

元素周期表中有12种具有半导体特性的元素（见下表）。但其

中S、P、As、Sb和I不稳定，容易上手；灰色Sn在室温下转变为白

色Sn，已经是金属；B和C的熔点太高，不能制成单晶；Te非常稀

缺。这仅留下可供实际使用的Se、Ge和Si。半导体技术的早期（1950

年代之前）。

表1具有半导体特性的元素

周期ⅢAIVAⅤAⅥAⅦA

公元前

西PS

锗砷

SnSbTeI

Se已被广泛用作光伏电池和整流器。晶体管发明后，锗迅速崛

起，但很快被性能更好的硅取代。现在Se在非晶半导体器件领域仍

然占有一席之地，Ge也用于几种分立元件（低压、低频、中功率晶

体管和光电探测器等），而Si一直是半导体工作的主导材料.预计这种

情况要到下个世纪初才会改变。Si能成为主角的原因是：含量极其

丰富（占地壳的27%），提纯结晶方便；禁带宽度为1.12eV，大于

Ge的0.66eV，因此Si器件的工作温度较高；更重要的是，SiO2薄膜

的净化和掩蔽效应大大提高了器件的稳定性和可靠性，掩蔽效应使器

件的制造和平面工艺的实现成为可能，从而实现大规模自动化工业生

产和集成，使半导体分立。器件和集成电路以其低廉的价格和优异的

性能迅速取代电子管，微电子取代真空电子，微电子工程成为当代工

业的生力军。据报道，1995年世界半导体器件销售额为1464亿美元，

硅片销售额约为30亿平方英寸。1996年市场规模为1851亿美元，

增长26.4%。33.46亿平方英寸。

硅材料分为多晶硅、单晶硅和非晶硅。单晶硅分为直拉单晶硅

（CZ）、区熔单晶硅（FZ）和外延单晶硅片（EPI）。其中，CZ单晶

硅具有直径大、机械强度高、电阻率低、含氧量高等特点，主要用于

制造集成电路、晶体管、低压小功率二极管、传感器和太阳能电池等。;

FZ单晶硅NTD单晶硅的特点是电阻率高、补偿小、少数载流子寿命

长、电阻率均匀性好，主要用于电力电子器件（SR、SCR、GTO等）、

高背压电压晶体管和射线探测器；外延单晶硅片的特点是薄膜单晶和

气相生产表面，主要用于各种类型的晶体管。用于高速CMOS电路；

铸造多晶硅和沉积或溅射非晶硅，主要用于低成本太阳能电池。为了

提高计算机存储容量的速度，不断降低成本，要求计算机的存储芯片

尽量减小各个元件的面积，提高集成度，大面积无缺陷硅单片晶圆需

要保证。目前16兆动态随机存取存储器（DRAM）和0.5m工艺已实

现量产，64兆DRAM正在研发中，IG的DRAM预计2000年量产。相

应的，硅材料制备技术已达到一个非常完美的水平。5英寸和6英寸

硅单片已占硅片总产量的70%以上。1994年以后，世界各国都大力

扩大8英寸硅片的产能，12英寸单晶硅也问世。另一方面，随着高压

大功率器件的发展，面熔硅单晶的生产水平也有了很大的提高。4

英寸和5英寸面积的熔融硅单晶可工业化生产，6英寸型也已研制成

功并投产。

2化合物半导体及其固溶体

探索元素半导体以外