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半导体材料的发展简史

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(Se)、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，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，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（α－SiH）及其合金材料（α－SiC:H、α－SiN:H），可以用

于低成本太阳能电池和静电光敏感材料。非晶Se（α－Se）、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。

半导体材料有重要的战略地位，上世纪中叶，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，导致了革命；上世纪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。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，必将深刻地着世

界的、格局和军事对抗的形式，彻底改变人们的生活方式。

常用的半导体材料分为元素半导体和化合物半导体。元素半导体是由单一元

素制成的半导体材料。主要有硅、锗、硒等，以硅、锗应用最广。化合物半导体

分为二元系、三元系、多元系和有机化合物半导体。二元系化合物半导体有Ⅲ-

Ⅴ族（如砷化镓、磷化镓、磷化铟等）、Ⅱ-Ⅵ族（如硫化镉、硒化镉、碲化锌、

硫化锌等）、Ⅳ-Ⅵ族（如硫化铅、硒化铅等）、Ⅳ-Ⅳ族（如碳化硅）化合物。

三元系和多元系化合物半导体主要为三元和多元固溶体，如镓铝砷固溶体、镓锗

砷磷固溶体等。有机化合物半导体有萘、蒽、聚丙烯腈等，还处于研究阶段。此

外，还有非晶态和液态半导体材料，这类半导体与晶态半导体的最大区别是不具

有严格周期性排列的晶体结构。

而硅材料则是最重要的半导体材料之一，从提高硅集成电路成品率，降低成

本看，增大直拉硅（CZ