1、半導(dǎo)體材料的應(yīng)用樂平中學(xué) 陶文東物質(zhì)存在的形式多種多樣，固體、液體、氣體、等離子體等等。我們通常把導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性差或不好的材料，如右圖中所示的金剛石、人工晶體、琥珀、陶瓷等等，稱為絕緣體。而把導(dǎo)電、導(dǎo)熱都比較好的金屬如金、銀、銅、鐵、錫、鋁等稱為導(dǎo)體?？梢院唵蔚陌呀橛趯?dǎo)體和絕緣體之間的材料稱為半導(dǎo)體。與金屬和絕緣體相比，半導(dǎo)體材料的發(fā)現(xiàn)是最晚的，直到20世紀(jì)30年代，當(dāng)材料的提純技術(shù)改進(jìn)以后，半導(dǎo)體的存在才真正被學(xué)術(shù)界認(rèn)可。 半導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)實(shí)際上可以追溯到很久以前，1833年，英國巴拉迪最先發(fā)現(xiàn)硫化銀的電阻隨著溫度的變化情況不同于一般金屬，一般情況下，金屬的電阻隨溫度升高而增加，但巴拉迪發(fā)現(xiàn)硫化

2、銀材料的電阻是隨著溫度的上升而降低。這是半導(dǎo)體現(xiàn)象的首次發(fā)現(xiàn)。不久，1839年法國的貝克萊爾發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體和電解質(zhì)接觸形成的結(jié)，在光照下會產(chǎn)生一個(gè)電壓，這就是后來人們熟知的光生伏特效應(yīng)，這是被發(fā)現(xiàn)的半導(dǎo)體的第二個(gè)特征。在1874年，德國的布勞恩觀察到某些硫化物的電導(dǎo)與所加電場的方向有關(guān)，即它的導(dǎo)電有方向性，在它兩端加一個(gè)正向電壓，它是導(dǎo)通的；如果把電壓極性反過來，它就不導(dǎo)電，這就是半導(dǎo)體的整流效應(yīng)，也是半導(dǎo)體所特有的第三種特性。同年，舒斯特又發(fā)現(xiàn)了銅與氧化銅的整流效應(yīng)。1873年，英國的史密斯發(fā)現(xiàn)硒晶體材料在光照下電導(dǎo)增加的光電導(dǎo)效應(yīng)，這是半導(dǎo)體又一個(gè)特有的性質(zhì)。半導(dǎo)體的這四個(gè)效應(yīng)，雖在1880年

3、以前就先后被發(fā)現(xiàn)了，但半導(dǎo)體這個(gè)名詞大概到1911年才被考尼白格和維斯首次使用。而總結(jié)出半導(dǎo)體的這四個(gè)特性一直到1947年12月才由貝爾實(shí)驗(yàn)室完成。很多人會疑問，為什么半導(dǎo)體被認(rèn)可需要這么多年呢？主要原因是當(dāng)時(shí)的材料不純。沒有好的材料，很多與材料相關(guān)的問題就難以說清楚。 1.半導(dǎo)體材料的早期應(yīng)用 半導(dǎo)體的第一個(gè)應(yīng)用就是利用它的整流效應(yīng)作為檢波器，就是點(diǎn)接觸二極管（也俗稱貓胡子檢波器，即將一個(gè)金屬探針接觸在一塊半導(dǎo)體上以檢測電磁波）。除了檢波器之外，在早期，半導(dǎo)體還用來做整流器、光伏 HYPERLINK /cat_1240012.html t _blank 電池、紅外探測器等，半導(dǎo)體的四個(gè)效應(yīng)都

4、用到了。 從1907年到1927年，美國的物理學(xué)家研制成功晶體整流器、硒整流器和氧化亞銅整流器。1931年，蘭治和伯格曼研制成功硒光伏 HYPERLINK /cat_1240012.html t _blank 電池。1932年，德國先后研制成功硫化鉛、硒化鉛和碲化鉛等半導(dǎo)體紅外探測器，在二戰(zhàn)中用于偵探飛機(jī)和船艦。二戰(zhàn)時(shí)盟軍在半導(dǎo)體方面的研究也取得了很大成效，英國就利用紅外探測器多次偵探到了德國的飛機(jī)。 2.晶體管的發(fā)明 晶體管的發(fā)明實(shí)際上是在1947年的12月23日的半年之前，當(dāng)時(shí)貝爾實(shí)驗(yàn)室的研究人員已經(jīng)看出了晶體管的商業(yè)價(jià)值，為寫專利，保密了半年，到1947年12月23日，巴丁和布爾吞才正式

5、公布了他們的發(fā)明，這也成為晶體管的正式發(fā)明日。他們用了一個(gè)非常簡單的裝置，就是在一塊鍺晶體上，用兩個(gè)非常細(xì)的金屬針尖扎在鍺的表面，在一個(gè)針上加正電壓，在另外一個(gè)探針上加一個(gè)負(fù)電壓，我們現(xiàn)在分別稱為發(fā)射極和集電極，N型鍺就變成了一個(gè)基極，這樣就形成了一個(gè)有放大作用的PNP晶體管。 巴丁和布爾吞當(dāng)時(shí)在肖克萊領(lǐng)導(dǎo)的研究小組工作，雖然肖克萊時(shí)任組長，但是在發(fā)明專利上沒有他的名字，他心里很不愉快。為此，在很短的時(shí)間內(nèi)，即在晶體管發(fā)明不久之后的1948年1月23日，他提出了一個(gè)不是點(diǎn)接觸而是面接觸式晶體管結(jié)構(gòu)。后來證明這種結(jié)構(gòu)才真正有價(jià)值。 巴丁和布爾吞在保密了將近半年后才公布了他們的發(fā)明，發(fā)明公布以后，

6、當(dāng)時(shí)的反應(yīng)并不如期望的熱烈。紐約時(shí)報(bào)將這個(gè)消息放在了第46版收音機(jī)談話的最后，只有短短的幾句話；當(dāng)時(shí)的學(xué)術(shù)雜志對此也不是非常熱衷。由于當(dāng)時(shí)的反應(yīng)并不是他們想象的那樣強(qiáng)烈，所以在1952年的4月份，為了推廣他們的這個(gè)發(fā)明，又再次舉辦了公眾聽證會，就是想把他們的研究成果公布于企業(yè)界。當(dāng)時(shí)他們邀請了美國眾多做真空管的公司，每一個(gè)公司只需交納25000美元就可以參加這個(gè)聽證會，而且給予的許諾是如果將來要是采用了他的技術(shù)，聽這個(gè)報(bào)告會的25000美元入場費(fèi)可以從中扣除。當(dāng)時(shí)大概有幾十家公司參加了聽證會，然而大多數(shù)的人都是做真空管的，他們對半導(dǎo)體晶體管的意義不以為然，不是非常感興趣。試想如果晶體管的發(fā)明得

7、到了成功應(yīng)用，那么真空管就會慢慢的消失了。所以從這個(gè)角度看，他們的熱情不高也是可以理解的。但是科學(xué)界對這個(gè)發(fā)明還是給予了很高的評價(jià)，1956年，巴丁、布爾吞和肖克萊三人被授予諾貝爾物理學(xué)獎。 但今日來看，晶體管的發(fā)明不僅引起了電子工業(yè)的革命，而是徹底的改變了我們?nèi)祟惖纳a(chǎn)、生活方式。我們今天日常所用的電器幾乎沒有一樣不用晶體管，如通信、電腦、電視、航天、航空等等。 半導(dǎo)體材料 今天，半導(dǎo)體已廣泛地用于家電、通訊、工業(yè)制造、航空、航天等領(lǐng)域。1994年，電子工業(yè)的世界市場份額為6910億美元，1998年增加到9358億美元。而其中由于美國經(jīng)濟(jì)的衰退，導(dǎo)致了半導(dǎo)體市場的下滑，即由1995年的150

8、0多億美元，下降到1998年的1300多億美元。經(jīng)過幾年的徘徊，目前半導(dǎo)體市場已有所回升。 硅單晶及其外延 現(xiàn)在電子元器件90以上都是由硅材料制備的，全世界與硅相關(guān)的電子工業(yè)產(chǎn)值接近一萬億美元。直拉法是目前主要用于生產(chǎn)硅單晶的方法。上世紀(jì)50到60年代，拉出的硅單晶直徑只有兩英寸，現(xiàn)在8英寸，12英寸、長達(dá)1米多的硅單晶都已實(shí)現(xiàn)了規(guī)模生產(chǎn)。18英寸，就是直徑為45厘米硅單晶業(yè)已研制成功。下圖是一個(gè)12英寸直拉硅單晶照片，有1米多長?。ň幷咦ⅲ簣D略） 目前，單晶硅的世界年產(chǎn)量已超過一萬噸。硅集成電路主要用的是8英寸硅，但12英寸硅的用量逐年增加，預(yù)計(jì)到2012年18英寸的硅可能用于集成電路制造，

9、27英寸的硅晶體研制也正在籌劃中。 硅的直徑為什么不是按8英寸、10英寸、12英寸、14英寸發(fā)展，而是從8到12英寸，由12到18英寸，18到27英寸發(fā)展呢？硅集成電路的發(fā)展遵循摩爾定律，所謂摩爾定律就是每18個(gè)月集成電路的集成度增加一倍，而它的價(jià)格也要降低一半。所以目前在大城市里，差不多每家每戶，甚至每個(gè)人都有一個(gè)PC機(jī)，因?yàn)闄C(jī)器性能好，價(jià)格又低。正是由于硅單晶的直徑增大帶來的好處，生產(chǎn)線用12英寸的硅片要比用8英寸硅片生產(chǎn)的芯片成本低得多。 隨著硅的直徑增大，雜質(zhì)氧等雜質(zhì)在硅錠和硅片中的分布也變得不均勻，這將嚴(yán)重的影響集成電路的成品率，特別是高集成度電路。為避免氧的沉淀帶來的問題，可采用外

10、延的辦法解決。何為外延？即用硅單晶片為襯底，然后在其上通過氣相反應(yīng)方法再生長一層硅，如2個(gè)微米，1個(gè)微米，或0.5個(gè)微米厚等。這一層外延硅中的氧含量就可以控制到1016/cm3以下，器件和電路就做在外延硅上，而不是原來的硅單晶上，這樣就可解決由氧導(dǎo)致的問題。盡管成本將有所提高，但集成電路的集成度和運(yùn)算速度都得到了顯著提高，這是目前硅技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。 硅材料的發(fā)展趨勢，從提高集成電路的成品率、降低成本看，增大硅單晶的直徑是發(fā)展的大趨勢，向12英寸，18英寸方向發(fā)展；另一方面，從提高硅集成電路的速度和它的集成度看，發(fā)展適用于深亞微米乃至納米電路的硅外延技術(shù)，制備高質(zhì)量硅外延材料是關(guān)鍵。如前

11、文所述，硅單晶中氧的沉淀將產(chǎn)生微缺陷，目前集成電路的線條寬度已達(dá)到0.1微米以下，如果缺陷的直徑大小為1個(gè)微米或者是0.5個(gè)微米，一個(gè)電路片上有一個(gè)缺陷就會導(dǎo)致整個(gè)片子失效，這對集成電路的成品率將帶來嚴(yán)重影響。 目前全世界硅單晶的產(chǎn)量大約是一萬噸，我國每年大約是1000噸。制備硅單晶的原材料是多晶硅，而我國多晶硅的年產(chǎn)量不足100噸，僅占全世界的千分之幾。從目前我國硅材料的發(fā)展勢頭來看，估計(jì)到2010年，我國的微電子的技術(shù)會有一個(gè)大發(fā)展，大概可能達(dá)到世界百分之二十左右的水平。從集成電路的線寬來看，我國目前集成電路工藝技術(shù)水平在0.350.25微米，而國際上目前的生產(chǎn)技術(shù)已達(dá)到0.13-0.09

12、微米，在實(shí)驗(yàn)室70納米的技術(shù)也已經(jīng)通過考核。去年，在北京建成投產(chǎn)的（中芯國際）集成電路技術(shù)已進(jìn)入0.13微米，并即將升級到0.09微米，因而我國的微電子集成電路技術(shù)同國外的差距也縮短到12代了。 硅微電子技術(shù) 硅微電子技術(shù)是不是可以按照摩爾定律永遠(yuǎn)發(fā)展下去呢？目前硅的集成電路大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)達(dá)到0.130.09微米，進(jìn)一步將到0.07微米，也就是70個(gè)納米甚至更小。根據(jù)預(yù)測，到2022年，硅集成電路技術(shù)的線寬可能達(dá)到10個(gè)納米，這個(gè)尺度被認(rèn)為是硅集成電路的“物理極限”。就是說，尺寸再減小，就會遇到有很多難以克服的問題。當(dāng)然這里說的10納米，并不是一個(gè)最終的結(jié)論。隨著技術(shù)的發(fā)展，特別是納米加工

13、技術(shù)的發(fā)展，也可能把這個(gè)“極限”尺寸進(jìn)一步減??；但總有一天，當(dāng)代的硅微電子技術(shù)會走到盡頭。 隨著集成電路線寬的進(jìn)一步減小，硅微電子技術(shù)必然要遇到許多難以克服的問題，如CMOS器件溝道摻雜原子的統(tǒng)計(jì)分布漲落問題。比如說長度為100個(gè)納米的源和漏電極之間，摻雜原子也只有100個(gè)左右，如何保證這100個(gè)原子在成千上萬個(gè)器件里的分布保持一致，顯然是不可能的，至少也是非常困難的。也就說雜質(zhì)原子分布的漲落，將導(dǎo)致器件性能不一，性質(zhì)的不一致，就難保證電路的正常工作。又如MOS器件的柵極下面的絕緣層就是二氧化硅，它的厚度隨著器件尺寸的變小而變小，當(dāng)溝道長度達(dá)到0.1個(gè)微米時(shí)，SiO2的厚度大概也在一個(gè)納米左右

14、。盡管上面加的柵電壓很低，如一個(gè)納米上加0.5伏或者是一伏電壓，但是加在其上的電場強(qiáng)度就要達(dá)到每厘米5-10兆伏以上，超過了材料的擊穿電壓。當(dāng)這個(gè)厚度非常薄的時(shí)候，即使不發(fā)生擊穿，電子隧穿的幾率也很高，將導(dǎo)致器件無法正常工作。 隨著集成電路集成度的提高，芯片的功耗也急劇增加，使其難以承受；現(xiàn)在電腦CPU的功耗已經(jīng)很高，如果說將來把它變成“納米結(jié)構(gòu)”，即不采用新原理，只是按摩爾定律走下去，進(jìn)一步提高集成度，那么加在它上面的功耗就有可能把硅熔化掉！另外一個(gè)問題是光刻技術(shù)，目前大約可以做到0.1微米，雖然還有些正在發(fā)展的光刻技術(shù)，如X光、超紫外光刻技術(shù)等，但要滿足納米加工技術(shù)的需求，還相差很遠(yuǎn)。再者

15、，就是電路器件之間的互連問題，對每一個(gè)芯片來說，每一個(gè)平方厘米上有上千萬、上億只管子，管子與管子之間的聯(lián)線的長度要占到器件面積的6070，現(xiàn)在的連線就多達(dá)8層到10多層，盡管兩個(gè)管子之間的距離可以做得很小，但是從這個(gè)管子到另外一個(gè)管子，電子走的路徑不是直線，而要通過很長的連線。我們知道線寬越窄，截面越小，電阻越大，加上分布電容，電子通過引線所需的時(shí)間就很長，這就使CPU的速度變慢。另外納米加工的制作成本也很高，由于這些原因，硅基微電子技術(shù)最終將沒有辦法滿足人類對信息量不斷增長的需求。 人們要想突破上述的“物理極限”，就要探索新原理、開發(fā)新技術(shù)，如量子計(jì)算、光計(jì)算機(jī)等，它們的工作原理是與現(xiàn)在的完

16、全不同，尚處于初始的探索階段。在目前這個(gè)過渡期間，人們把希望放在發(fā)展新型半導(dǎo)體材料和開發(fā)新技術(shù)上，比如說GaAs、InP和GaN基材料體系，采用這些材料，可以提高器件和電路的速度以及解決由于集成度的提高帶來的功耗增加出現(xiàn)的問題。 GaAs和InP單晶材料 化合物半導(dǎo)體材料，以砷化鎵（GaAs）為例，有以下幾個(gè)特點(diǎn)，一是發(fā)光效率比較高，二是電子遷移率高，同時(shí)可在較高溫度和在其它惡劣的環(huán)境下工作，特別適合于制作超高速、超高頻、低噪音的電路，它的另一個(gè)優(yōu)勢是可以實(shí)現(xiàn)光電集成，即把微電子和光電子結(jié)合起來，光電集成可大大的提高電路的功能和運(yùn)算的速度。 寬帶隙半導(dǎo)體材料 氮化鎵、碳化硅和氧化鋅等都是寬帶隙

17、半導(dǎo)體材料，因?yàn)樗慕麕挾榷荚?個(gè)電子伏以上，在室溫下不可能將價(jià)帶電子激發(fā)到導(dǎo)帶。器件的工作溫度可以很高，比如說碳化硅可以工作到600攝氏度；金剛石如果做成半導(dǎo)體，溫度可以更高，器件可用在石油鉆探頭上收集相關(guān)需要的信息。它們還在航空、航天等惡劣環(huán)境中有重要應(yīng)用?，F(xiàn)在的廣播電臺、電視臺，唯一的大功率發(fā)射管還是電子管，沒有被半導(dǎo)體器件代替。這種電子管的壽命只有兩三千小時(shí)，體積大，且非常耗電；如果用碳化硅的高功率發(fā)射器件，體積至少可以減少幾十到上百倍，壽命也會大大增加，所以高溫寬帶隙半導(dǎo)體材料是非常重要的新型半導(dǎo)體材料。 現(xiàn)在的問題是這種材料非常難生長，硅上長硅，砷化鎵上長GaAs，它可以長得很好

18、。但是這種材料大多都沒有塊體材料，只得用其它材料做襯底去長。比如說氮化鎵在藍(lán)寶石襯底上生長，藍(lán)寶石跟氮化鎵的熱膨脹系數(shù)和晶格常數(shù)相差很大，長出來的外延層的缺陷很多，這是最大的問題和難關(guān)。另外這種材料的加工、刻蝕也都比較困難。目前科學(xué)家正在著手解決這個(gè)問題。如果這個(gè)問題一旦解決，就可以為我們提供一個(gè)非常廣闊的發(fā)現(xiàn)新材料的空間。 低維半導(dǎo)體材料 實(shí)際上這里說的低維半導(dǎo)體材料就是納米材料，之所以不愿意使用這個(gè)詞，主要是不想與現(xiàn)在熱炒的所謂的納米襯衣、納米啤酒瓶、納米洗衣機(jī)等混為一談！從本質(zhì)上看，發(fā)展納米科學(xué)技術(shù)的重要目的之一，就是人們能在原子、分子或者納米的尺度水平上來控制和制造功能強(qiáng)大、性能優(yōu)越的

19、納米電子、光電子器件和電路，納米生物傳感器件等，以造福人類?？梢灶A(yù)料，納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用不僅將徹底改變?nèi)藗兊纳a(chǎn)和生活方式，也必將改變社會政治格局和戰(zhàn)爭的對抗形式。這也是為什么人們對發(fā)展納米半導(dǎo)體技術(shù)非常重視的原因。 電子在塊體材料里，在三個(gè)維度的方向上都可以自由運(yùn)動。但當(dāng)材料的特征尺寸在一個(gè)維度上比電子的平均自由程相比更小的時(shí)候，電子在這個(gè)方向上的運(yùn)動會受到限制，電子的能量不再是連續(xù)的，而是量子化的，我們稱這種材料為超晶格、量子阱材料。量子線材料就是電子只能沿著量子線方向自由運(yùn)動，另外兩個(gè)方向上受到限制；量子點(diǎn)材料是指在材料三個(gè)維度上的尺寸都要比電子的平均自由程小，電子在三個(gè)方向上都不

20、能自由運(yùn)動，能量在三個(gè)方向上都是量子化的。 由于上述的原因，電子的態(tài)密度函數(shù)也發(fā)生了變化，塊體材料是拋物線，電子在這上面可以自由運(yùn)動；如果是量子點(diǎn)材料，它的態(tài)密度函數(shù)就像是單個(gè)的分子、原子那樣，完全是孤立的 函數(shù)分布，基于這個(gè)特點(diǎn)，可制造功能強(qiáng)大的量子器件。 現(xiàn)在的大規(guī)模集成電路的存儲器是靠大量電子的充放電實(shí)現(xiàn)的。大量電子的流動需要消耗很多能量導(dǎo)致芯片發(fā)熱，從而限制了集成度，如果采用單個(gè)電子或幾個(gè)電子做成的存儲器，不但集成度可以提高，而且功耗問題也可以解決。目前的激光器效率不高，因?yàn)榧す馄鞯牟ㄩL隨著溫度變化，一般來說隨著溫度增高波長要紅移，所以現(xiàn)在光纖通信用的激光器都要控制溫度。如果能用量子點(diǎn)激光器