半导体设备和材料硅片深度分析
目录
1．硅片是市场规模最大的一类半导体材料 (2)
2．硅片行业规模主要受价格影响，全球供给高度集中 (9)
2.1需求短期受疫情影响，中长期应用领域正在拓展 (9)
2.2通信、汽车电子的发展是拉动需求的主要力量 (12)
2.3行业呈现高集中度、长周期的特征 (15)
3．国产替代空间巨大，产能规划宏大 (19)
3.1国内半导体产业的发展将全面带动上游材料的需求 (19)
3.2进口替代与产业安全视角下，半导体硅片迎来发展期 (21)
3.3国内大硅片产能规划宏大 (22)
4．业务建议及风险分析 (25)
4.1业务建议 (25)
4.2风险分析 (25)
1．硅片是市场规模最大的一类半导体材料
半导体设备和材料的市场规模都在百亿美元级别，但支撑着10 倍于自身规模的半导体制造，而半导体制造又是发展电子信息通讯等各个产业的关键。2019 年全球半导体销售额4121 亿美元，其中集成电路（IC）产业销售额占比超过80%，是半导体产业的核心。半导体设备和材料广泛应用于IC、LED、MEMS、分立器件等领域，其中IC 领域应用占比和难度最大。
IC 产业技术工艺复杂，尤其随着先进制程的发展，工艺精细度要求越来越高，这使得几十年发展下来，形成了高度专业化的分工，不仅有IC 设计、晶圆制造和封装测试三大核心环节，这三大环节也有进一步分工，并延伸出了相应的产业链。例如IC 设计的上游有专业的IP 和EDA 公司，晶圆制造和封测也需要配套的各类设备和材料供应商。半导体硅片就是典型的制造材料。
作为百亿美元级别的行业，半导体材料的市场规模不算很大，但其内部材料种类繁多，单一产品市场规模小、技术要求高、子行业之间差异较大。全球范围来看，不存在纯粹只提供半导体材料的龙头公司，规模较大的材料企业除半导体材料外，主营业务往往还涉及其他化学品领域。不同细分行业的龙头企业之间竞争关系也比较弱，例如硅晶圆和光刻胶的代表企业信越化学和杜邦公司，半导体材料都只是他们
业务的一部分。在主要制造材料中（即硅片、光刻胶及配套化学品、电子气体、光掩模、抛光材料、湿法化学品与溅射靶材），硅片的市场份额约36%，是规模最大的一类半导体材料。
第一代半导体材料包括硅（Si）、锗（Ge）；第二代半导体材料包括砷化镓（GaAs）锑化铟（InSb）；GaAsAl、GaAsP 等化合物半导体；第三代半导体材料包括碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）为代表的宽禁带材料。在材料领域第一、第二和第三代的分类并不代表“后一代优于前一代”，第三代半导体正在高速发展中，第一、二代材料也仍在产业中大规模应用。目前90%以上的IC 产品和太阳能产品是由硅基材料制作。作为衬底材料，硅片主要应用于太阳能与半导体两大领域，在半导体行业中硅片也被称为硅晶圆，应用于这两大领域的硅片的主要差异有：1、外观差异，硅晶圆为圆片，一般以直径区分规格，具体从50.8mm 到450mm 不等，通常被称为6 寸片、8 寸片(200mm)、12 寸片(300mm)、18 寸片(450mm)。
太阳能硅片为了便于定型和安装，外观为方片或准方片，一般以边长区分规格，具体有M2（156.75mm）、G1（158.75mm）、M6（166mm）、M10（182mm）G12（210mm）等。2、原料差异，生产半导体硅片需要用到电子级多晶硅，电子级多晶硅料的纯度至少要求9 个9，部分工艺甚至要求12 个9 及以上。太阳能级多晶硅纯度6-9 个9 即可。此外电子级硅料对杂质控制有苛刻要求，例如三氯氢硅除硼就是国内电子级多晶硅材料生产的技术瓶颈之一。3、衡量半导体硅片的参数更多，硅晶圆不仅在平整度、光滑度、洁净度方面比光伏硅片要求更高，还由于半导体产品的多样性，客户会根据产品特点对硅晶圆的参数提出偏定制化的要求。制作方面硅晶圆需要经过抛光、反复清洗等环节，部分特殊工艺的硅晶圆制造过程还需要外延等进一步加工。半导体硅片的制造过程大致为：超纯多晶硅熔化后，掺入硼（P）、磷（B）等元素改变导电能力，放入籽晶经过单晶生长制成单晶硅锭，单晶硅锭经过切片、研磨、蚀刻、抛光、外延（如有）、键合（如有）、清洗等工艺步骤，制造成为半导体硅片。芯片制造的过程是通过在硅片上反复循环光刻、刻蚀、离子注入、薄膜沉积等前道工艺，改变材料的导电性和构建电晶体结构，最终形成半导体器件，因此硅片的各项参数和品质对芯片质量和良率会产生直接影响。
半导体硅片一般按照尺寸、工艺和使用场景分类。半导体硅片的尺寸（以直径计算）主要有：50mm（2 英寸）、75mm（3英寸）、100mm （4 英寸）、150mm（6 英寸）、200mm（8 英寸）与300mm（12 英寸）等规格。尺寸方面，大尺寸是硅片制造技术进步的方向。半导体硅片的直径越大，在单片硅片上可制造的芯片数量就越多，分摊的单位成本下降。此外在圆形的硅片上制造矩形的芯片会使硅片边缘一些区域无法被利用，而大直径硅片可以有效减少边缘区域，进而提高可使用率，在同样的工艺条件下，12 寸片的可使用率（衡量单位晶圆可生产的芯片数量的指标）是8 寸片的2.5 倍左右。
目前8 寸片与12 寸片是市场主流产品。2018 年全球硅片出货量中8 寸和12 寸片占比分别为26%、64%，晶圆制造产线的制程和尺寸这两个参数一旦确定下来一般无法更改，8 寸和12 寸晶圆针对的主力产品不同，但部分需求也有交叉。12 寸作为最主流的晶圆尺寸，主要用于制造CPU、逻辑IC、存储器、高性能FPGA 与ASIC 等高性能芯片。8 英寸则应用于特色技术或差异化技术，产品主要是模拟芯片、电源产品、摄影/指纹识别等传感器、MCU 等。
18 寸片（450mm）是大尺寸方向下一阶段的目标。早在2011 年全球五大半导体厂商台积电、IBM、英特尔、三星和Global Foundries 就共同成立了450mm 联盟（G450C），表态要推进450mm 的应用，全球范围内还有EEMI450，Metro450 等推动18 寸晶圆的计划。但由于18 寸晶圆的设备研发难度大，产线投资额极高，设备和制造厂商推动力度并不充足。目前从下游客户的情况来看，12 寸片也基本可以满足制造工艺的需求，其主力尺寸的地位仍将延续。按工艺分类，半导体硅片除了基础的抛光片（Polish Wafer）之外，还有退火片（Annealed Wafer）、外延片（Epitaxial Wafer）、SOI 片（Silicon-On-Insulator Wafer）等特色工艺产品。目前主流厂商可以批量供应的包括12寸/8 寸抛光片、退火片、外延片，少部分企业可以供应SOI 片。
按场景分类，硅片可以分为正片和测试片/挡控片，其中只有正片是直接用于晶圆制造，测试片作为过渡性产品主要用来测试机台、监控良率等。挡控片的出现主要是因为晶圆制造企业对精度和良率要求越来越高，因此越是先进制程的产线越需要挡控片的应用。65nm 制程每投10 片正片，需要加6 片挡控片，而28nm 及以下制程，每10 片正片需要加15-20 片挡控片。尽管挡控片耗费量很大，但价格远低于正片，晶圆厂还可以回收利用挡控片，作为过渡产品的挡控片市场规模实际有限。但对于新进入的硅片供应商，一般会先为客户提供挡控片做测试样片，其后才能逐步导入正片产品。
2．硅片行业规模主要受价格影响，全球供给高度集中
2.1需求短期受疫情影响，中长期应用领域正在拓展
硅片的市场需求与半导体行业景气高度相关，而半导体行业的景气度又与全球GDP 增速息息相关。由于制程的演进，硅片出货面积的增速并不完全匹配半导体市场的增速。先进制程的发展发会使得芯
片的特征尺寸不断减小，进而缩小芯片面积，降低对硅片的需求量。所以从量的角度来看，摩尔定律的持续推进，会使得硅片销售面积增速低于芯片出货量增速，但二者的景气趋势高度一致。2019 年全球半导体销售额4122 亿美元同比下降12.0%，根据世界半导体贸易统计协会(WSTS)最新公布的预测，2020 年半导体销售额同比增长3.3%至4259.66 亿美元。由于终端需求平淡，预计全球硅片出货面积也难有增长。
由于出货面积的表现相对平稳，硅片行业的市场规模受价格影响很大。2016-2018 年，全球半导体硅片的市场规模从72 亿美元增长到了114 亿美元，增幅58%，同期硅片出货面积由10738 百万平方英寸增长到12732 百万平方英寸，增幅19%。可见由供需关系导致的ASP 的上涨对硅片市场规模的扩大起到了显著拉动作用。
2020 年硅片价格难以上涨。今年在全球疫情影响下，全年半导体的需求并不明朗。硅片价格方面，一方面主流企业的大量长期合约锁价，对现货价格有锚定作用；同时行业整体还呈现略微供过于求的局面；并且根据SUMCO 的跟踪，今年一季度晶圆厂的硅片库存基本达到了2014 年以来的最高水平，因此即使下半年终端需求恢复，晶圆厂也有比较充足的库存应对，短期供需情况改善对硅片价格的支撑作用也较弱。展望未来两年，由于半导体产品的应用领域还在持续拓宽，在行业景气度较高，硅晶圆扩产相对有限的情况下（不考虑中国大陆产能），硅晶圆价格有上涨的可能。2021 年日系主流厂家会与主要客户签订下一期长单协议，对中期价格有一定的指引作用。
2.2通信、汽车电子的发展是拉动需求的主要力量
未来几年，对半导体产品及硅片需求会形成有效拉动的主要趋势包括5G通讯技术、消费电子产品和汽车电子化的发展。大趋势来看，5G 通信技术将带动数据流量爆发式增长，而今年年初以来，受疫情影响远程办公、授课等网上业务的常态化发展也会带来数据流量快速增长，从而全面拉动数据存储的需求。存储芯片是12 寸硅片主要的应用方向。根据2018 年的数据，12 英寸硅片的下游应用中，DRAM、2D NAND、3D NAND 为代表的存储芯片占比已超过50%。在数据流量和存储需求快速增长的背景下，不论是NAND Flash，还是DRAM，终端设备的增长都将传导至上游拉动存储芯片的需求，进而提升对硅片的需求。
消费电子方面，除新机的拉动外，5G 手机单机硅片使用面积也明显增加，5G 手机渗透率提升将有效带动12 寸片的需求。12 寸片主要应用在手机中的CIS、逻辑芯片、NAND 和DRAM，手机从4G 升级到5G 伴随各项性能的提升，芯片用量也将增长，根据SUMCO 数据，5G 手机单机硅片使用面积是4G 的1.7 倍。随着5G 手机销量的提升，等效为12 寸片，2023 年手机对硅片的需求将提升至53.3 万片/月。
8 寸片的下游应用主要是模拟芯片、分立器件、MEMS 和部分逻辑芯片。随着大量12 寸先进晶圆产能投产，8 寸存储芯片的产能陆续切换向了12 寸。这使得8 寸晶圆厂的需求中，模拟芯片、分立器件和逻辑芯片（主要为MCU、指纹识别芯片、CMOS 等）、MEMS 的占比已超过50%。8 寸产线特种工艺成熟，设备和设计等环节有成本优势，进行多元化、小批量的生产能更快实现盈利，因此8 寸产线仍将长期是制造非存储产品的中坚力量。
终端应用场景来看，汽车电子和自动驾驶的发展是拉动8 寸及以下尺寸硅片的重要驱动力。电动汽车渗透率提升、传统车辆电子化功能升级扩展以及自动驾驶技术日趋成熟，使得汽车电子成为了未来几年半导体应用重要的增长领域，2020 年全球汽车电子市场规模约2500 亿美元，预计到2030 年规模将增长至4500 亿美元以上，并且产业链也会进一步向亚洲集中。对应到硅片环节，汽车电子芯片主要采用8 寸及以下抛光片和SOI 硅片，车规级芯片的发展会对8 寸及以下尺寸的硅晶圆形成有效拉动。
2.3行业呈现高集中度、长周期的特征
全球半导体硅片市场份额高度集中。日本信越（Shinetus）、日本胜高（SUMCO）、德国世创（Siltronic）、环球晶圆（中国台湾）、韩国SK 五大厂商全球市占率超过90%，其中前两家日本企业信越和SUMCO 占比就超过一半。12 寸大硅片的主要参与者也是上述企业，但由于工艺难度大，集中度更高，前五家厂商囊括了95%的市场份额。
行业此前经历了长达8 年的低谷期。2006-2007 年基于对半导体市场尤其是DRAM 需求的乐观预期，各大硅片厂均开启了扩产计划，2006 年全球12寸硅片产能159 万片/月，到2009 年产能迅速提升至420 万片/月。但是2008年金融危机爆发后电子产业受到重创，此外Vista 销量严重不及预期对DRAM和12 寸片的需求造成了巨大冲击，多重因素叠加之下，硅片行业供需失衡明显，产品价格、开工率全面下滑，甚至一线企业SUMCO 都在2010 年关停了2 座工厂。此后2010-2014 年全球硅片产能没有增长，2015-2017 年也仅有小幅扩产。直至2017 年硅片价格时隔8 年再度上涨，行业景气度开始回升。回顾来看，上一轮的大幅扩产叠加需求不振，导致了硅片行业从2008-2016 年经历了漫长且严重的产能过剩，SUMCO 作为一线企业甚至出现了负毛利率的情况。
近年来海外硅片企业展开了新一轮扩产，但扩产规模有限。截止2020Q1全球12 寸片月产能约600 万片，全球8 寸片月产能约500 万片。根据SUMCO 的预测，到2022 年，全球12 寸片的产能大约能提升至700 万片/月（但SUMCO 的预测没有包含中国大陆的硅片扩产计划），增长幅度约120万片/月，可见经历了此前的低谷期，主流厂商尽管开启了新一轮扩产，但扩产计划相对谨慎。
3．国产替代空间巨大，产能规划宏大
3.1国内半导体产业的发展将全面带动上游材料的需求
目前国内有大量在建和规划中的芯片制造产能。根据芯思想统计，截止2019 年底我国12 英寸晶圆制造厂装机产能约90 万片，较2018 年增长50%；8 英寸晶圆制造厂装机产能约100 万片，较2018 年增长10%；6 英寸晶圆制造厂装机产能约230 万片，6 英寸以下尺寸也还有不少产能。目前国内在建与规划中的芯片厂投资额已经超过万亿规模，对硅片的需求也将从2017 年的276 万片增长至2020 年460 万片（折合8 寸）。从结构来看，预计今年中国大陆12 寸硅片的需求约105 万片/月，8 寸片接近100 万片/月，往后几年，8寸和12 寸片将是主要的增长方向。
半导体材料课程教学大纲 一、课程说明 （一）课程名称：半导体材料 所属专业：微电子科学与工程 课程性质：专业限选 学分： 3 （二）课程简介：本课程重点介绍第一代和第二代半导体材料硅、锗、砷化镓等的制备基本原理、制备工艺和材料特性，介绍第三代半导体材料氮化镓、碳化硅及其他半导体材料的性质及制备方法。 目标与任务：使学生掌握主要半导体材料的性质以及制备方法，了解半导体材料最新发展情况、为将来从事半导体材料科学、半导体器件制备等打下基础。 （三）先修课程要求：《固体物理学》、《半导体物理学》、《热力学统计物理》； 本课程中介绍半导体材料性质方面需要《固体物理学》、《半导体物理学》中晶体结构、能带理论等章节作为基础。同时介绍材料生长方面知识时需要《热力学统计物理》中关于自由能等方面的知识。 （四）教材：杨树人《半导体材料》 主要参考书：褚君浩、张玉龙《半导体材料技术》 陆大成《金属有机化合物气相外延基础及应用》 二、课程内容与安排 第一章半导体材料概述 第一节半导体材料发展历程 第二节半导体材料分类 第三节半导体材料制备方法综述 第二章硅和锗的制备 第一节硅和锗的物理化学性质 第二节高纯硅的制备 第三节锗的富集与提纯
第三章区熔提纯 第一节分凝现象与分凝系数 第二节区熔原理 第三节锗的区熔提纯 第四章晶体生长 第一节晶体生长理论基础 第二节熔体的晶体生长 第三节硅、锗单晶生长 第五章硅、锗晶体中的杂质和缺陷 第一节硅、锗晶体中杂质的性质 第二节硅、锗晶体的掺杂 第三节硅、锗单晶的位错 第四节硅单晶中的微缺陷 第六章硅外延生长 第一节硅的气相外延生长 第二节硅外延生长的缺陷及电阻率控制 第三节硅的异质外延 第七章化合物半导体的外延生长 第一节气相外延生长（VPE） 第二节金属有机物化学气相外延生长（MOCVD） 第三节分子束外延生长（MBE） 第四节其他外延生长技术 第八章化合物半导体材料（一）：第二代半导体材料 第一节 GaAs、InP等III-V族化合物半导体材料的特性第二节 GaAs单晶的制备及应用 第三节 GaAs单晶中杂质控制及掺杂 第四节 InP、GaP等的制备及应用 第九章化合物半导体材料（二）：第三代半导体材料 第一节氮化物半导体材料特性及应用 第二节氮化物半导体材料的外延生长 第三节碳化硅材料的特性及应用 第十章其他半导体材料
半导体材料与器件发展趋势总结 材料是人类社会发展的物质基础与先导。每一种重大新材料的发现和应用都把人类支配自然的能力提高到一个全新的高度。材料已成为人类发晨的里程碑。本世纪中期单晶硅材料和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研究成功，导致了电子工业大革命。使微电子技术和计算机技术得到飞速发展。从20世纪70年代的初期，石英光纤材料和光学纤维的研制成功，以及GaAs等Ⅲ-Ⅴ族化合物的材料的研制成功与半导体激光器的发明，使光纤通信成为可能，目前光纤已四通八达。我们知道，每一束光纤，可以传输成千上万甚至上百万路电话，这与激光器的发明以及石英光纤材料、光纤技术的发展是密不可分的。超晶格概念的提出MBE、MOCVD先进生长技术发展和完善以及超品格量子阱材料包括一维量子线、零维量子点材料的研制成功。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过去的杂质工程发展到能带工程。出现了以“电学特性和光学特性的剪裁”为特征的新范畴，使人类跨入到以量子效应为基础和低维结构为特征的固态量子器件和电路的新时代，并极有可能触发新的技术革命。半导体微电子和光电子材料已成为21世纪信息社会的二大支柱高技术产业的基础材料。它的发展对高速计算、大容量信息通信、存储、处理、电子对抗、武器装备的微型化与智能化和国民经济的发展以及国家的安全等都具有非常重要的意义。 一、几种重要的半导体材料的发展现状与趋势 1.硅单晶材料 硅单晶材料是现代半导体器件、集成电路和微电子工业的基础。目前微电子的器件和电路，其中有90％到95％都是用硅材料来制作的。那么随着硅单晶材料的进一步发展，还存在着一些问题亟待解决。硅单晶材料是从石英的坩埚里面拉出来的，它用石墨作为加热器。所以，来自石英里的二氧化硅中氧以及加热器的碳的污染，使硅材料里面包含着大量的过饱和氧和碳杂质。过饱和氧的污染，随着硅单晶直径的增大，长度的加长，它的分布也变得不均匀；这就是说材料的均匀性就会遇到问题。杂质和缺陷分布的不均匀，会使硅材料在进一步提高电路集成度应用的时候遇到困难。特别是过饱和的氧，在器件和电路的制作过程中，它要发生沉淀，沉淀时的体积要增大，会导致缺陷产生，这将直接影响器件和电路的性能。因此，为了克服这个困难，满足超大规模集成电路的集成度的进一步提高，人们不得不采用硅外延片，就是说在硅的衬底上外延生长的硅薄膜。这样，可以有效地避免氧和碳等杂质的污染，同时也会提高材料的纯度以及掺杂的均匀性。利用外延方法，还可以获得界面非常陡、过渡区非常窄的结，这样对功率器件的研制和集成电路集成度进一步提高都是非常有好处的。这种材料现在的研究现状是6英寸的硅外延片已用于工业的生产，8英寸的硅外延片，也正在从实验室走向工业生产；更大直径的外延设备也正在研制过程中。 除此之外，还有一些大功率器件，一些抗辐照的器件和电路等，也需要高纯区熔硅单晶。区熔硅单晶与直拉硅单晶拉制条件是不一样的，它在生长时，不与石英容器接触，材料的纯度可以很高；利用这种材料，采用中子掺杂的办法，制成N或P型材料，用于大功率器件及电路的研制，特别是在空间用的抗辐照器件和电路方面，它有着很好的应用前景。当然还有以硅材料为基础的SOI材料，也就是半导体/氧化物/绝缘体之意，这种材料在空间得到了广泛的应用。总之，从提高集成电路的成品率，降低成本来看的话，增大硅单晶的直径，仍然是一个大趋势；因为，只有材料的直径增大，电路的成本才会下降。我们知道硅技术有个摩尔定律，每隔18个月它的集成度就翻一番，它的价格就掉一半，价格下降是同硅的直径的增大密切相关的。在一个大圆片上跟一个小圆片上，工艺加工条件相同，但出的芯片数量则不同；所以说，增大硅的直径，仍然是硅单晶材料发展的一个大趋势。那我们从提高硅的
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在纯硅中掺入少许的硼（最外层有三个电子），就反而少了一个电子，而形成一个电洞（hole），这样就形成P型半导体少了一个带负电荷的电子，可视为多了一个正电荷）。 目录 [隐藏] ?1概观 ?2半导体的能带结构 o 2.1能量-动量色散 ?3载子的产生与复合 ?4半导体的掺杂 o 4.1掺杂物 o 4.2载子浓度 o 4.3掺杂对半导体能带结构的影响 ?5半导体材料的制造 ?6应用 ?7延伸阅读 o7.1材料 o7.2物理学 o7.3工业 ?8参考资料 ?9相关条目 ?10外部链接 o10.1半导体行业网站
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Diamantstruktur Diamantstruktur Zinkblendestruktur (Elementarzelle)
（Pauli exclusion principle），同一个量子态内不能有两个电子，已经被填满的能带无法导电，因为该能带内的所有量子态都已经被电子占据，所以半导体材料的传导带不会被电子占满，让电子可以在其中的量子态间移动。 费米-狄拉克分布。 在价带内的电子获得能量后便可跃升到传导带，而这便会在价带内留下一个空缺，也就是所谓的“电洞”（electron holes）。传导带中的电子和价带中的电洞都对电流传递有贡献，电洞本身不会移动，但是其它电子可以移动到这个电洞上面，等效于电洞本身往反方向移动。相对于带负电的电子，电洞的电性为正电。 由化学键结的观点来看，获得足够能量、进入传导带的电子也等于有足够能量可以打破电子与固体原子间的共价键（covalent bonds），而变成自由电子，进而对电流传导做出贡献。 半导体和导体之间有个显著的不同是半导体的电流传导同时来自电流与电洞的贡献，而导体的费米能阶（Fermi level）则已经在传导带内，因此电子不需要很大的能量即可找到空缺的量子态供其跳跃、造成电流传导。 固体材料内的电子能量分布遵循费米-狄拉克分布（Fermi-Dirac Distribution）。在绝对零度时，材料内电子的最高能量即为费米能阶，当温度高于绝对零度时，费米能阶为所有能阶中，被电子占据机率等于0.5的能阶。半导体材料内电子能量分布为温度的函数也使其导电特性受到温度很大的影响，当温度很低时，可以跳到传导带的电子较少，因此导电性也会变得较差。 [编辑]能量-动量色散 上述关于能带结构的内容为了简化，因此跳过了一个重要的现象，称为“能量的色散”（dispersion of energy）。同一个能带内之所以会有不同能量的量子态，原因是能带的电
半导体材料的发展现状与趋势
半导体材料与器件发展趋势总结 材料是人类社会发展的物质基础与先导。每一种重大新材料的发现和应用都把人类支配自然的能力提高到一个全新的高度。材料已成为人类发晨的里程碑。本世纪中期单晶硅材料和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研究成功，导致了电子工业大革命。使微电子技术和计算机技术得到飞速发展。从20世纪70年代的初期，石英光纤材料和光学纤维的研制成功，以及GaAs 等Ⅲ-Ⅴ族化合物的材料的研制成功与半导体激光器的发明，使光纤通信成为可能，目前光纤已四通八达。我们知道，每一束光纤，可以传输成千上万甚至上百万路电话，这与激光器的发明以及石英光纤材料、光纤技术的发展是密不可分的。超晶格概念的提出MBE、MOCVD先进生长技术发展和完善以及超品格量子阱材料包括一维量子线、零维量子点材料的研制成功。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过去的杂质工程发展到能带工程。出现了以“电学特性和光学特性的剪裁”为特征的新范畴，使人类跨入到以量子效应为基础和低维结构
的制作过程中，它要发生沉淀，沉淀时的体积要增大，会导致缺陷产生，这将直接影响器件和电路的性能。因此，为了克服这个困难，满足超大规模集成电路的集成度的进一步提高，人们不得不采用硅外延片，就是说在硅的衬底上外延生长的硅薄膜。这样，可以有效地避免氧和碳等杂质的污染，同时也会提高材料的纯度以及掺杂的均匀性。利用外延方法，还可以获得界面非常陡、过渡区非常窄的结，这样对功率器件的研制和集成电路集成度进一步提高都是非常有好处的。这种材料现在的研究现状是6英寸的硅外延片已用于工业的生产，8英寸的硅外延片，也正在从实验室走向工业生产；更大直径的外延设备也正在研制过程中。 除此之外，还有一些大功率器件，一些抗辐照的器件和电路等，也需要高纯区熔硅单晶。区熔硅单晶与直拉硅单晶拉制条件是不一样的，它在生长时，不与石英容器接触，材料的纯度可以很高；利用这种材料，采用中子掺杂的办法，制成N或P型材料，用于大功率器件及电路的研制，特别是在空间用的抗辐照器件和电路方面，
半导体材料 应用物理1001 20102444 周辉 半导体材料的电阻率界于金属与绝缘材料之间的材料。这种材料在某个温度 范围内随温度升高而增加电荷载流子的浓度，电阻率下降。由化合物构成的半导 体材料，通常是指无机化合物半导体材料。比起元素半导体材料来它的品种更多， 应用面更广。 半导体材料结构特征主要表现在化学键上。因为化合物至少由两个元素构 成，由于它们彼此间的原子结构不同，价电子必然向其中一种元素靠近，而远离 另一种元素，这样在共价键中就有了离子性。这种离子性会影响到材料的熔点、 带隙宽度、迁移率、晶体结构等。 化合物半导体的组成规律一般服从元素周期表排列的法则。对已知的化合物 半导体材料，其组成元素在同一族内垂直变换，其结果是随着元素的金属性增大 而其带隙变小，直到成为导体。反之，随着非金属性增加而其带隙变大，直至成 为绝缘体。 类别按其构成元素的数目可分为二元、三元、四元化合物半导体材料。它 们本身还可按组成元素在元素周期表中的位置分为各族化合物，如Ⅲ—V族，I —Ⅲ—Ⅵ族等。下面介绍二元化合物，其中主要的类别为Ⅲ—v族化合物半导体 材料，Ⅱ—Ⅵ族化合物半导体材料，Ⅳ—Ⅳ族化合物半导体材料。 Ⅳ—Ⅵ族化合物半导体材料。已发现具有半导体性质的有格式，GeSe，GeTe， SnO ，SnS，SnSe，SnTe，Pb0，PbS，PbSe，PbTe，其中PbO，PbS，PbSe，PbTe 2 已获重要用途。
V—Ⅵ族化合物半导体材料。已发现具有半导体性质的有Bi 2O 3 ，Bi 2 S 3 ，Bi 2 Se 3 ， Bi 2Te 3 ，Sb 2 O 3 ，Sb 2 S 3 ，Sb 2 Te 3 、As 2 O 3 ，As 2 S 3 ，其中Bi 2 Te 3 ，Bi 2 Se 3 等已获实际应用。 I—Ⅵ族化合物具有半导体性质的有Cu 2 O，Cu 2 S，Ag 2 S，Ag 2 Se，Ag 2 Te等，其 中Cu 20，Cu 2 S已获应用。 三元化合物种类较多，如I—Ⅲ—Ⅵ、I—v—Ⅵ、Ⅱ—Ⅲ—Ⅵ、Ⅱ—Ⅳ—V 族等。多数具有闪锌矿、纤锌矿或黄铜矿型晶体结构，黄铜矿型结构的三元化合 物多数具有直接禁带。比较重要的三元化合物半导体有CuInSe 2，AgGaSe 2 ， CuGaSe 2，ZnSiP 2 ，CdSiP 2 ，ZnGeP 2 ，CdGaS 4 ，CdlnS 4 ，ZnlnS 4 和磁性半导体。后者 的结构为AB 2X 4 (A—Mn，Co，Fe，Ni；B—Ga，In；X—S，Se)。 四元化合物研究甚少，已知有Cu 2FeSnS 4 ，Cu 2 FeSnSe 4 ，Cu 2 FeGeS 4 等。 应用化合物及其固溶体的品种繁多，性能各异，给应用扩大了选择。在光电子方面，所有的发光二极管、激光二极管都是用化合物半导体制成的，已获工业应用的有GaAs，GaP，GaAlAs，GaAsP，InGaAsP等。用作光敏元件、光探测器、光调制器的有InAsP，CdS，CdSe，CdTe，GaAs等。一些宽禁带半导体(SiC，ZnSe等)、三元化合物具有光电子应用的潜力。GaAs是制作超高速集成电路的最主要的材料。微波器件的制作是使用GaAs，InP，GaAlAs等；红外器件则用GaAs，GaAlAs，CdTe，HgCdTe，PbSnTe等。太阳电池是使用CdS，CdTe，CulnSe2，GaAs，GaAlAs等。最早的实用“半导体”是「电晶体/ 二极体」。 一、在无线电收音机及电视机中，作为“讯号放大器用。 二、近来发展「太阳能」，也用在「光电池」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0.1℃，甚至达到0.01℃也不是不可能，线性度0.2%，测温范围-100~+300℃，是性价比极高的一种测温元件。 其中在半导体材料中硅材料应用最广,所以一般都用硅材料来集成电路,因为硅是元素半导体。电活性杂质磷和硼在合格半导体和多晶硅中应分别低于
有机半导体材料 1 有机半导体材料的分子特征 有机半导体材料与传统半导体材料的区别不言自明，即有机半导体材料都是由有机分子组成的。有机半导体材料的分子中必须含有 键结构。如图1所示，在碳-碳双键结构中，两个碳原子的pz 轨道组成一对 轨道（ 和 ），其成键轨道（ ）与反键轨道（ ）的能级差远小于两个 轨道之间的能级差。按照前线轨道理论， 轨道是最高填充轨道（HOMO）， 是最低未填充轨道（LUMO）。在有机半导体的研究中，这两个轨道可以与无机半导体材料中的价带和导带类比。当HOMO 能级上的电子被激发到LUMO 能级上时，就会形成一对束缚在一起的空穴-电子对。有机半导体材料的电学和电子学性能正是由这些激发态的空穴和电子决定的。
在有机半导体材料分子里， 键结构会扩展到相邻的许多个原子上。根据分子结构单元的重复性，有机半导体材料可分为小分子型和高分子型两大类。 小分子型有机半导体材料的分子中没有呈链状交替存在的结构片断，通常只由一个比较大的 共轭体系构成。常见的小分子型有机半导体材料有并五苯、三苯基胺、富勒烯、酞菁、苝衍生物和花菁等（如图2)，常见的高分子型有机半导体材料则主要包括聚乙炔型、聚芳环型和共聚物型几大类，其中聚芳环型又包括聚苯、聚噻吩、聚苯胺、聚吡咯等类型（如图3)。 事实上，由于有机分子的无限可修饰性，有机半导体材料的结构类型可以说是无穷无尽的。 图2: 几种常见的小分子有机半导体材料：（1）并五苯型，（2）三苯基胺类，（3）富勒烯，（4）酞菁，（5）苝衍生物和（6）花菁类。
图3: 几种常见的高分子有机半导体材料：（1）聚乙炔型，（2）聚芳环型，（3）共聚物型。 2 有机半导体材料中的载流子 我们知道无机半导体材料中的载流子只有电子和空穴两种，自由的电子和空穴分别在材料的导带和价带中传输。相形之下，有机半导体材料中的载流子构成则要复杂得多。 首先，由于能稳定存在的有机半导体材料的能隙（即LUMO 与HOMO 的能级差）通常较大，且电子亲和势较低，大多数有机半导体材料是p 型的，也就是说多数材料只能传导正电荷。无机半导体材料中的正电荷（即空穴）是高度离域、可以自由移动的，而有机半导体材料中的正电荷所代表的则是有机分子失去一个电子（通常是HOMO 能级上的电子）后呈现的氧化状态。因此，在有机半导体材料中引入一个正电荷，必然导致有机分子构型的改变。
有机光伏材料综述 能源是人类社会发展的驱动力，是人类文明存在的基础。目前我们所能利用的能源主要是煤、石油和天然气等传统石化资源。自从18世纪工业革命以来，人类对能源的需求不断增长，由此导致的能源安全问题日益凸显。太阳直径为1.39*106km，质量为1.99*1030kg，距离地球1.5*108km。组成太阳的质量大多是些普通的气体，其中氢约占71.3%、氦约占27%，其它元素占2%。太阳从中心向外可分为核反应区、核辐射区和对流去区、太阳大气。我们平常看到的太阳表面，是太阳大气的最底层，温度约是6000k。太阳每分钟发出的总能量为2.27*1025kJ，尽管只有22亿分之一的能量辐射到地球上，但太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤燃烧所产生的能量。 1太阳能电池 1.1太阳能的利用 太阳能的利用包括很多种技术手段，例如太阳能热水器、光解水制氢气、太阳能热发电以及光伏发电。前二者的应用水平较低，要想大规模地提供能源，主要得靠后两种技术。 太阳能热发电目前主要有三种实现方式，即塔式、槽式和碟式。这三种技术的基本原理都是通过将太阳光聚焦，加热水或者其他工质（例如热熔盐和空气），通过热循环驱动发电机组来发电。 太阳能热发电技术以较为成熟的机械工艺为基础，在规模足够大之后可望实现经济运行。但是这样的热电站也兼具传统热电站的缺点，即建设成本高，机械损耗大，维护成本高，而且只能在专用地上建设，无法与已有城乡建筑物进行集成。在太阳能热发电领域，我国起步较晚，技术积累较少，目前尚不具备对外的竞争优势。 1.2光伏技术 “光伏”这个词译自“Photovoltaic”，即“光”和“伏特”的组合。这个词最早是用来描述一些材料在光照下形成电压的现象，后来人们认识到光电压的形成是由于材料中的电子被入射的光子激发而形成了电势差，从而形成对外的电流电压输出。采用光伏原理发电的设备，我们称之为“太阳能电池”。 最早的光伏效应是Edmund Bequerel 在1839 年发现的，一百多年后（1954年），随着硅半导体工业的发展，第一个能用于实际发电的太阳能电池才在贝尔实验室问世。这个太阳能电池以硅半导体的p-n 结为基础，光电转化效率为6%。 半导体p- n 结的结构及原理如图1所示。当p 型和n 型的半导体相互接触时，由于浓度差的存在，p 型半导体中的空穴会向n 型半导体扩散，n 型半导体中的电子也会向p 型半导体扩散，造成接触面双侧的电荷不平衡，从而形成由n 型区指向p 型区的空间电场。反映在能级图上，即p 型区和n 型区的费米能级一致化后，两个区域间形成了一个能级差，这个能级差即是内建电场（Ebi）。p 型区和n 型区之间的过渡区域，称为p-n 结的结区。在结区内，内建电场会驱使电荷进行定向传输。
常用的半导体材料有哪些？ 晶圆 初入半导体行业为了尽快入门，我们必须对这个行业的主要物料做一个详细的了解，因为制造业的结构框架是人机料法环测。物料是非常关键的一部分，特别是对于半导体这类被人家卡脖子的行业更要牢记于心，尽快摆脱西方的围堵，但是基础材料这块需要长时间的积累，短期我们很难扭转当下这种憋屈的局面。 在半导体产业中，材料和设备是基石，是推动集成电路技术创新的引擎。半导体材料在产业链中处于上游环节，和半导体设备一样，也是芯片制造的支撑性行业，所有的制造和封测工艺都会用到不同的半导体材料。 半导体材料一般均具有技术门槛高、客户认证周期长、供应链上下游联系紧密、行业集中度高、技术门槛高和产品更新换代快的特点，目前高端产品市场份额多为海外企业垄断，国产化率较低，寡头垄断格局一定程度制约
了国内企业快速发展。华为事件的发生发展告诉我们半导体材料国产替代已经非常紧迫了。 半导体材料细分行业多，芯片制造工序中各单项工艺均配套相应材料。按应用环节划分，半导体材料主要可分为制造材料和封装材料。在晶圆制造材料中，硅片及硅基材料占比最高，约占31%，其次依次为光掩模板14%，电子气体14%，光刻胶及其配套试剂12%，CMP抛光材料7%，靶材3%，以及其他材料占13%。 在半导体封装材料中，封装基板占比最高，占40%。其次依次为引线框架15%、键合丝15%、包封材料13%、陶瓷基板11%、芯片粘合材料4%、以及其他封装材料2%。封装材料中的基板的作用是保护芯片、物理支撑、连接芯片与电路板、散热。陶瓷封装体用于绝缘打包。包封树脂粘接封装载体、同时起到绝缘、保护作用。芯片粘贴材料用于粘结芯片与电路板。封装方面相对难度要低一点，所以我们国家的半导体企业主要集中在封测这一后工艺领域。 半导体材料中前端材料市场增速远高于后端材料，前端材料的增长归功于各种前端技术的积极使用，如极紫外(EUV)曝光，原子层沉积(ALD)和等离子体化学气相沉积(PECVD)等。
有机高分子半导体材料的导电与工作原理 及与硅基材料的比较 摘要： 本文从原理角度出发，对有机高分子半导体材料的导电模型与原理，有机高分子半导体材料器件的简要工作原理进行阐述，并将该材料的性能与硅基半导体材料相比较，最后对有机高分子半导体材料的发展提出自己的看法。 关键词：有机高分子半导体原理器件性能比较 1.背景： 随着无机半导体材料的发展、成熟与产业化，有机半导体材料以其种类多样性与巨大的应用潜力逐渐受到广泛关注。在有机电子领域的几项杰出成就，如1986年和1987年由Eastman Kodak 的Tang[4,5]等提出的有机光生伏打电池（OPVC）和有机发光二极管(OLED)，为有机半导体的实际应用打下了基础。1986年有机场效应晶体管（OFET）也随之出现。与此同时，关于有机半导体的结构模型与导电原理的研究也成为了进一步解决其不足与优化其性能的基本出发点。高分子链紧束缚模型（SSH）的建立，高分子二聚现象的发现，1979年Su,Schrieffer与Heegerd对于孤子、极化子、双极化子等载流子概念的提出，激子在有机材料中的重新定位，跃迁机制对于迁移率的解释等，使人们对其基本规律有了一定程度的认识,并在积极地发展与完善。 2.有机高分子导体材料的分子结构与基本特征 有机高分子半导体，如聚乙炔，普遍存在共轭大π键结构，由成键π轨道与反键π*轨道构成。两者可分别相当于能带理论中的导带与价带，两个轨道之间的能级差称为带隙。许多高分子半导体的带隙处于1.5~3.0eV之间，处于可见光范围，十分合适作为太阳能电池。然而从整体来看，诸多较长的分子链通过范德华力相互纠缠在一起形成无序结构，一条分子链自身也有许多扭转变形，产生的结点破坏了共轭作用，由此关联的导电机制也更加复杂。 SSH模型认为，有机高分子固体可简化为具有一维特性的高分子弱耦合而成，并且电子在某一个碳原子附近时，将较紧地被该碳原子束缚而其他碳原子对其影响较小，及“紧束缚近似”，通过一系列计算描述晶格原子(碳原子)的移动和与电子的相互作用。之后又出现了修饰完善的TLM模型与PPP模型。一维体系Peierls不稳定性借助于SSH模型并通过计算说明，等距离排列的碳原子是不稳定的，碳原子将发生微小位移从而二聚化，使得有机高分子如聚乙炔分子中出现一定程度的单双键交替现象，这使得原来连续的能带分裂成导
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。中国的半导体研究和生产是从1957年首次制备出高纯度(99.999999％～99.9999999％) 的锗开始的。采用元素半导体硅（Si）以后，不仅使晶体管的类型和品种增加、性能提高，而且迎来了大规模和超大规模集成电路的时代。以砷化镓(GaAs)为代表的Ⅲ－Ⅴ族化合物的发现促进了微波器件和光电器件的迅速发展。 半导体材料可按化学组成来分，再将结构与性能比较特殊的非晶态与液态半导体单独列为一类。按照这样分类方法可将半导体材料分为元素半导体、无机化合物半导体、有机化合物半导体和非晶态与液态半导体。 元素半导体：在元素周期表的ⅢA族至ⅦA族分布着11种具有半导性的元素，下表的黑框中即这11种元素半导体,其中C表示金刚石。C、P、Se具有绝缘体与半导体两种形态;B、Si、Ge、Te具有半导性；Sn、As、Sb具有半导体与金属两种形态。P的熔点与沸点太低,Ⅰ的蒸汽压太高、容易分解，所以它们的实用价值不大。As、Sb、Sn的稳定态是金属，半导体是不稳定的形态。B、C、Te也因制备工艺上的困难和性能方面的局限性而尚未被利用。因此这11种元素半导体中只有Ge、Si、Se 3种元素已得到利用。Ge、Si仍是所有半导体材料中应用最广的两种材料。 无机化合物半导体： 四元系等。二元系包括：①Ⅳ-Ⅳ族:SiC 和Ge-Si合金都具有闪锌矿的结构。②Ⅲ -Ⅴ族:由周期表中Ⅲ族元素Al、Ga、In 和V族元素P、As、Sb组成，典型的代表 为GaAs。它们都具有闪锌矿结构,它们在 应用方面仅次于Ge、Si,有很大的发展前 途。③Ⅱ-Ⅵ族:Ⅱ族元素Zn、Cd、Hg和 Ⅵ族元素S、Se、Te形成的化合物，是一 些重要的光电材料。ZnS、CdTe、HgTe具 有闪锌矿结构。④Ⅰ－Ⅶ族：Ⅰ族元素C u、Ag、Au和Ⅶ族元素Cl、Br、I形成的 化合物，其中CuBr、CuI具有闪锌矿结构。 半导体材料 ⑤Ⅴ-Ⅵ族：Ⅴ族元素As、Sb、Bi和Ⅵ族
姓名：高东阳 学号：1511090121 学院：化工与材料学院专业：化学工程与工艺班级：B0901 指导教师：张芳 日期： 2011 年12月 7日
半导体材料的研究综述 高东阳辽东学院B0901 118003 摘要：半导体材料的价值在于它的光学、电学特性可充分应用与器件。随着社会的进步和现代科学技术的发展，半导体材料越来越多的与现代高科技相结合，其产品更好的服务于人类，改变着人类的生活及生产。文章从半导体材料基本概念的界定、半导体材料产业的发展现状、半导体材料未来发展趋势等方面对我国近十年针对此问题的研究进行了综述，希望能引起全社会的关注和重视。 关键词：半导体材料，研究，综述 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”。彻底改变人们的生活方式。在此笔者主要针对半导体材料产业的发展、半导体材料的未来发展趋势等进行综述，希望引起社会的关注，并提出了切实可行的建议。 一、关于半导体材料基础材料概念界定的研究 陈良惠指出自然界的物质、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10-3～ 109欧·厘米范围。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。[1] 半导体材料（semiconductormaterial）是导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。半导体材料是一类具有半导体性能、可用来制作半导体器件和集成电的电子材料，其电导率在10（U-3）～10（U-9）欧姆/厘米范围内。[2]随着社会的进步以及科学技术的发展，对于半导体材料的界定会越来越精确。 二、关于半导体材料产业的发展现状及解决对策的分析 王占国指出中国半导体产业市场需求强劲，市场规模的增速远高于全球平均水平。不过，产业规模的扩大和市场的繁荣并不表明国内企业分得的份额更大。相反，中国的半导体市场正日益成为外资公司的乐土。[3]
題目:organic semiconductor materials 指導教授:郭豔光老師 班級:物四乙
學生:陳衍榮 學號:8522072 有機半導體材料 前言 早在1960年代初期，Pope等人在Anthracene之有機芳香族化合物晶體上入數百伏之跨壓下，發現存在電流流通與發光的現象，而啟開後人研究有機發光之大門。在後續的二十餘年間，因其元件特性距離實用仍有相當大的距離，因此仍專注在其相關的發光機制與電荷傳導等基礎研究。及至80年代末期，美國科達公司實驗室利用真空蒸鍍有機薄膜的技術和異質接面(heterojunction)多層有機膜(multilayer)之元件特性。諸如操作電壓＜10V，量子效率＞1﹪，與元件穩定性
等均已有大幅之改善，因而激增有機電激發光元件之實用性，也引發全球OEL之研究熱潮。另一方面則是在聚合物散料上的發展也令人囑目。Patridge在80年代初期便發表PVK材料(poly vinylcarbazole)亦具有機光導體之性質。此一發現，使得有機化合物在發光體上之應用更趨於廣泛。然而在1990年有機發光材料又有更進一步地發展。英國劍橋大學卡文迪實驗室(Calvendish Lab)發表第一個利用聚苯基乙烯(PPV, Poly p-phenylenevinylene)之共軛聚合物(conjugate polymer)製成的OEL元件。由於此類共軛聚合物具有類似半導體的特性與簡易的製程，從而激起對OEL元件的研究熱。而各種的研究材料，諸如摻雜發光的染料小分子或大分子之OEL元件，甚至在塑膠基板上可彎曲之OEL元件等均是被研究的主題。可見OEL之研究廣度與深度，而應用範圍也隨之更加寬廣。由於大部分OEL元件都具有類似二極體的特性，因此OEL又稱有有機發光二極體(OLED)，而目前其最潛力之應用即在平面顯示器之發揮。以下圖一摘述OEL發展的簡史。
半导体材料有哪些 半导体材料（semiconductor material）是一类具有半导体性能（导电能力介于导体与绝缘体之间，电阻率约在1mΩ·cm～1GΩ·cm范围内）、可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。 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。半导体的电阻率在1mΩ·cm～1GΩ·cm范围（上限按谢嘉奎《电子线路》取值，还有取其1/10或10倍的；因角标不可用，暂用当前描述）。在一般情况下，半导体电导率随温度的升高而升高，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。反映半导体半导体材料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。 什么是半导体材料_常见半导体材料有哪些 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。中国的半导体研究和生产是从1957年首次制备出高纯度（99.999999%～ 99.9999999%）的锗开始的。采用元素半导体硅（Si）以后，不仅使晶体管的类型和品种
ZnO半导体材料及器件 【摘要】在过去的十多年时间里里,ZnO作为半导体具有独特的性质而倍受瞩目和广泛研究。例如，ZnO具有较高的电子迁移率，是直接带隙半导体，具有较宽的禁带宽度和较大的激子束缚能。在光电器件的应用上，ZnO已经被认为是一种很有潜力的材料，而制造高质量的p型ZnO是实现其应用的关键。由本征缺陷或者氢杂质引起的较强的自补偿效应使得通过掺杂来制得p型ZnO半导体非常困难。尽管如此，通过研究者们的努力，在制备高质量的p型ZnO半导体和基于ZnO的器件上已经取得了很大的进步。 【关键词】p型ZnO；ZnO器件 1997年D. M. Bagnall等人在室温下得到了ZnO薄膜的光泵浦受激发射[1]。美国Science杂志以“Will UV Lasers Beat the Blues?”为题对该结果作了报道.由此，掀起了对ZnO的研究热潮。D. M. Bagnal等利用等离子体增强分子束外延在蓝宝石的（0001）衬底上生长的ZnO 薄膜，在室温下、阈值激励强度为240kW cm-2的条件下发出了激光（见下图）。 一、ZnO的性质 （1）ZnO作为一种新型的直接宽带隙光电半导体材料，其晶体结构与GaN一致，晶格常数与GaN的非常接近，在电子和光电子器件应用方面具有很多吸引人的特征与优点。 （2）ZnO的直接带隙很宽（Eg~3.37 eV 在300 K下），与GaN的相当（Eg~3.4 eV 在300 K下）。而GaN已经广泛应用于制作绿光、蓝光以及白光发光器件。 （3）室温下ZnO的激子束缚能高达60meV，是GaN(约24meV)的2倍，也比室温热离
化能(25meV)高许多，激子复合可以在室温下稳定存在，也可以实现室温或更高温度下高效的激子受激发射，且激射阂值比较低。如此高的激子束缚能能够提高发光效率。 （3）通过掺杂Cd或者Mg,ZnO的禁带宽度（Eg~3.37 eV）可以有效地在3~4.5eV之间调整. （4）ZnO薄膜可以大面积、均匀地生长在多种衬底上，这样就具有更加广泛的应用范围，而GaN薄膜只能生长在一些如SiC、蓝宝石、Si等特定的衬底上。而且，ZnO可以生长在同质衬底上，而GaN不行。 （5）ZnO可以在相对较低的温度下生长，所使用的衬底多种多样，既可以生长在单晶衬底(如ZnO、蓝宝石A12O3、Si等)上，也可以生长在非晶衬底(如玻璃、塑料等)上。高质量的ZnO薄膜的生长温度大约为500℃，远低于GaN（>1000℃） （6）ZnO还具有更加简单的晶体生长工艺，因此基于ZnO器件的成本也将更加低廉。 （7）ZnO单晶中电子的室温霍尔迁移率在所有的氧化物半导体材料中是最高的，约为200 cm2V-1s-1，略小于GaN的电子迁移率，但其饱和速率却比GaN的高。 （8）除了体单晶和薄膜之外，ZnO的纳米结构异常丰富，纳米结构的高比表面积使之非常适合应用于传感与探测领域。 （8）ZnO具有良好的抗辐射性能，因而可以在太空或核应用等恶劣的环境下工作。此外，ZnO还具有热稳定性高、生物兼容性好、带隙宽度调节的合金体系(ZnMgO和ZnCdO)完备、体单晶易得、刻蚀工艺简单等优点，而且原料丰富、价格低廉、无毒无污染，是一种绿色环保型材料。基于以上特性，ZnO被认为是新一代的光电半导体材料，具有广阔的应用前景，在全球范围内掀起了研究热潮。 下表是ZnO和GaN性质的对比： 二、p型ZnO生长技术 ZnO材料由于存在大量的本征缺陷以及杂质的自补偿效应,使得原生的ZnO材料表现为n型导电,实现可重复稳定高效低阻的p型ZnO薄膜具有较大的挑战性。为了实现ZnO在光电器件上的应用，研究人员已经用了多种生长方法去获得低电阻率的p型ZnO材料，比如
InN半导体材料及器件研究进展 摘要：InN是性能优良的三五族化合物半导体材料，在光电子领域有着非常重要的应用价值，因此一直是国际国内研究的焦点。这里，就InN材料的制备方法、P型掺杂、电学特性、光学特性、高温退火特性、器件的研究应用以及研究的最新进展进行了综述。 关键词：InN 制备特性应用太赫兹辐射进展 1.引言：三族氮化物半导体材料GaN、AlN、InN是性能优越的半导体材料。在光电子器 件方面已有重要的应用，在光电集成、超高速微电子器件及集成电路上也有十分广阔的前景。但是因为InN具有低得离解温度，要求低温生长，而作为氮源的NH3的分解温度较高，这是InN生长的一对矛盾。其次，对已氮化銦材料生长又缺少与之匹配的衬底材料，使得高质量氮化銦材料生长特别困难，有没有什么进展。后来的理论研究表明，InN 具有极高的漂移速度和电子渡越速度以及最小的有效电子质量。同时电子迁移率也比较高。因此，InN材料是理想的高速、高频晶体管材料。最近研究表明：InN的禁带宽度也许是0.7eV左右，而不是先前普遍接受的1.9eV，所以通过调节合金组分可以获得从 0.6eV（InN）到6.2eV（AlN）的连续可调直接带隙，这样利用单一体系的材料就可以制 备覆盖从近红外到深紫外光谱范围的光电器件。因此，InN有望成为长波长半导体光电器件、全彩显示、高效率太阳能电池的优良半导体材料。理论研究表明，1nN材料在Ⅲ族氮化物半导体材料中具有最高的迁移率（室温下最大的迁移率是14000 平方厘米/V s）、峰值速率、电子漂移速率和尖峰速度（4.3×107cm/s）以及具有最小的有效电子质量m*=0.05m0。这些特性使得InN在高频率，高速率晶体管的应用上有着非常独特的优势。然而，由于InN的制备和检测都比较困难，对其研究和应用还很不完善。尽管如此，随着材料生长技术的不断发展进步以及材料生长工艺的提高，现在已经可以在不同衬底材料上外延生长得到质量较好的InN薄膜单晶材料，同时，由于测量技术的进一步提高，使得InN材料的研究和应用迈进了很大一步。一些相关的应用研究和器件也已有很多报道：如用作异质结场效应管，气体/液体传感器，异质结太阳能电池的透明传导窗口材料，InN/Si p-n结；InN薄膜已经被尝试着作为Li离子薄膜电池的阳极；还有InN热电器件以及太赫兹发射器件；InN的欧姆接触也已经被证实，InN/GaN的肖特基接触也已经实现；对于P型掺杂方面，也取得了显著成果；此外，InN具有很高的折射率(>3)，还可以应用到光子晶体的设计中。 鉴于InN材料有如此重要的应用价值以及最近来自国际和国内的诸多报道，本文对InN 材料的最新研究进展，包括电学、光学性质及其应用方面做些归纳和总结。 2.InN材料的最新研究进展 2.1InN材料的制备
关于半导体材料硅和砷化镓的钎焊 半导体材料种类繁多，但除硅与砷化镓外，工业上利用钎焊技术进行链接的并不多。再者，半导体材料的特性与所含杂质的成分和数量有关。两种材料之间必须保证是欧姆接触。为了保证材料的性质不变，在钎焊过程中，钎焊温度必须低于母材的最高工作温度。钎焊方法分两种：一种为普通软钎焊，即用钎料片放置于半导体材料和管壳或引线之间进行钎焊；另一种为共晶钎焊，即在半导体材料上覆盖多层金属膜，升温过程中金属膜之间互相扩散成共晶成分，当温度达到共晶熔化温度时，金属膜融化使半导体材料与管壳等连到一起。半导体材料的钎焊一般都在保护气氛中进行。钎焊温度通常不超过450℃。 半导体材料是电阻率介于导体（主要是金属）和非导体（电介质）之间的一类物质。它们的点阻力介于10-4~109Ω·cm之间。 半导体材料的应用特性极大地依赖于其中所含的微量杂质。若半导体材料中的杂质含量从10-9变到10-2，则它的电导率会变化数百万倍。半导体材料的另一个特征是，它传导电流时不仅依靠电荷——电子，而且依靠在数量上与电子相等的正电荷——空穴。电子导电性称为n型导电性，空穴导电性称为p型导电性。 具有半导体性质的材料种类繁多，按化学成分可分成六类。 1.元素半导体材料。元素半导体材料有硼（B）、碳（C）、硅（Si）、锗（Ge）、锡（Sn）、磷（P）、砷（As）、锑（Sb）、硫（S）、硒（Se）、碲（Te）和碘（I）等十二种元素。硅、锗、硒是常用元素半导体材料。 硒是最早使用的元素半导体材料，主要用于制造硒整流器，硒光电池和静电复印半导体。 锗是一种稀有元素，是工业上最先实用化的半导体材料，由于在地壳中含量极少，大约为百万分之二，而且极为分散，因此料源十分贫乏。锗的禁带宽度（0.67eV）比硅的宽度（1.08eV）小，因而锗器件的最高工作温度（≈100℃）较硅器件（≈250℃）低；锗的电阻率范围较硅小三个数量级；用于制造器件的品种少，不宜制作高反向耐压的大功率器件。因此在半导体器件的应用上大部分已被硅代替。 硅是一种性能优越、资源丰富、工艺成熟和应用广泛的元素半导体材料。从20世纪60年代开始称为主要半导体材料。主要用于制造集成电路、晶体管、二极管、整流元件、光电池、粒子探测器等。 2.二元化合物半导体材料。这类材料包括Ⅲ-Ⅴ族、Ⅱ-Ⅵ族、Ⅳ-Ⅳ族、Ⅴ-Ⅳ族、Ⅴ-Ⅴ族、Ⅴ-Ⅵ族等化合物 Ⅲ-Ⅴ族化合物有氮化镓（GaN）、磷化镓（GaP）、砷化镓（GaAs）、锑化铟（InSb）等； Ⅱ-Ⅵ族化合物有硫化镉（CdS）、硫化锌（ZnS）等；Ⅳ-Ⅳ族化合物有碳化硅（SiC）等； Ⅴ-Ⅳ族化合物如硒化铋（Bi2Se3）、Ⅴ-Ⅴ族化合物如锑化铋（BiSb）、Ⅴ-Ⅵ族化合物如碲化锑等。 在二元化合物半导体中，研究最多应用最广的是砷化镓。它的禁带宽度比锗、硅都大，所以最高工作温度可达450℃；并且它的电子迁移率高，是高温、高频、抗辐射、低噪音器件的良好材料。砷化镓的能带具有双能谷结构，适合于制作体效应器件。砷化镓也是制作高效率激光器和红外线光源的良好材料，砷化镓还广泛用于制作其他微波器件，用砷化镓还可以制得高速集成电路。 3.固溶体半导体材料。此种材料是指两种或两种以上的元素或化合物溶合而成的材料。目前应用较多的是Ⅲ-Ⅴ族化合物或Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体。前者有镓砷磷（CaAs、1-xPx）、镓铝砷（Ca、1-xAl x As）和铟镓磷（In、1-xGaxP）等；后者有碲镉汞（Hg、1-xCd x Te）