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半导体材料介绍(第一代、第二代、第三代、第四代半导体材料分类)

半导体材料是制作半导体器件和集成电路的电子材料,是半导体工业的基础。利用半导体材料制作的各种各样的半导体器件和集成电路,促进了现代信息社会的飞速发展。

图一、绝缘体、半导体和导体的典型电导率范围

半导体材料的研究始于19世纪初期。

元素半导体是由单一种类的原子组成的那些,例如硅(Si),元素周期表 IV列中的锗(Ge)和锡(Sn),元素周期表 VI 列中的硒(Se)和碲(Te)。然而,存在许多由两个或更多个元素组成的化合物半导体。例如,砷化镓(GaAs)是二元III-V化合物,它是第三列的镓(Ga)和第五列的砷(As)的组合。三元化合物可以由三个不同列的元素形成,例如,碲化汞铟(HgIn 2 Te 4),一种II-III-VI化合物。它们也可以由两列中的元素形成,例如砷化铝镓(Al x Ga 1- x As),这是一种三元III-V化合物,其中Al和Ga都来自第三列,并且下标x相关从100%Al(x = 1)到100%Ga(x = 0)的两种元素的组成。

纯硅是集成电路应用中最重要的材料,而III-V二元和三元化合物对发光最重要。

图二、元素周期表

在1947年发明双极晶体管之前,半导体仅用作两端器件,例如整流器和光电二极管。在1950年代初期,锗是主要的半导体材料。但是,事实证明,这种材料不适用于许多应用,因为这种材料制成的设备仅在适度升高的温度下才会表现出高漏电流。自1960年代初以来,硅已成为迄今为止使用最广泛的半导体,实际上已经取代了锗作为器件制造的材料。造成这种情况的主要原因有两个:(1)硅器件的漏电流要低得多,(2)二氧化硅(SiO 2)是一种高质量的绝缘体,很容易作为基于硅的器件的一部分进行整合。因此,硅技术已经变得非常先进和普遍。

半导体材料的发展之路

图三、半导体材料发展之路及不同材料的特效比较

第一代的半导体材料:硅(Si)、锗(Ge)

在半导体材料的发展历史上,1990年代之前,作为第一代的半导体材料以硅材料为主占绝对的统治地位。目前,半导体器件和集成电路仍然主要是用硅晶体材料制造的,硅器件构成了全球销售的所有半导体产品的95%以上。硅半导体材料及其集成电路的发展导致了微型计算机的出现和整个信息产业的飞跃。

第二代半导体材料:砷化镓 (GaAs)、磷化铟 (InP)

随着以光通信为基础的信息高速公路的崛起和社会信息化的发展,以砷化镓、磷化铟为代表的第二代半导体材料崭露头角,并显示其巨大的优越性。砷化镓和磷化铟半导体激光器成为光通信系统中的关键器件,同时砷化镓高速器件也开拓了光纤及移动通信的新产业。

第三代半导体材料:氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)

图四、GaN与Si和SiC比较图

第三代半导体材料的兴起,是以氮化镓材料P型掺杂的突破为起点,以高效率蓝绿光发光二极管和蓝光半导体激光器的研制成功为标志的,它在光显示、光存储、光照明等领域将有广阔的应用前景。

以氮化镓和碳化硅为代表的第三代半导体材料,具备高击穿电场、高热导率、高电子饱和速率及抗强辐射能力等优异性能,更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率电子器件,是固态光源和电力电子、微波射频器件的“核芯”,在半导体照明、新一代移动通信、能源互联网、高速轨道交通、新能源汽车、消费类电子等领域有广阔的应用前景,有望突破传统半导体技术的瓶颈,与第一代、第二代半导体技术互补,对节能减排、产业转型升级、催生新的经济增长点将发挥重要作用。

第三代半导体材料是目前全球战略竞争新的制高点。也是我们国家的重点扶持行业。十二五”期间,863计划重点支持了“第三代半导体器件制备及评价技术”项目。

第四代半导体材料:氧化镓(Ga2O3)

图五、氧化镓(Ga2O3)结构图及原子力显微镜图像

作为新型的宽禁带半导体材料,氧化镓(Ga2O3)由于自身的优异性能,凭借其比第三代半导体材料SiC和GaN更宽的禁带,在紫外探测、高频功率器件等领域吸引了越来越多的关注和研究。氧化镓是一种宽禁带半导体,禁带宽度Eg=4.9eV,其导电性能和发光特性良好,因此,其在光电子器件方面有广阔的应用前景,被用作于Ga基半导体材料的绝缘层,以及紫外线滤光片。这些是氧化镓的传统应用领域,而其在未来的功率、特别是大功率应用场景才是更值得期待的。

半导体材料的种类丰富多彩,除了上述典型材料,还有有机半导体、陶瓷半导体等材料,它们具有其独特的性质和应用。

半导体材料的电子特性

这里描述的半导体材料是单晶 ; 即,原子以三维周期性的方式排列。该图的部分A 显示了包含可忽略不计的杂质的本征(纯)硅晶体的简化二维表示。晶体中的每个硅原子都被四个最近的邻居包围。每个原子有四个在其外轨道的电子,并与它的四个邻居共享这些电子。每个共享的电子对都构成一个共价键。电子与两个原子核之间的吸引力将两个原子保持在一起。对于孤立的原子(例如,在气体而非晶体中),电子只能具有离散的能级。但是,当大量原子聚集在一起形成晶体时,原子之间的相互作用会导致离散的能级散布到能带。当没有热振动时(即在低温下),绝缘体或半导体晶体中的电子将完全充满多个能带,而其余能带则为空。最高的填充带称为价带。下一个能带是导带,它与价带之间被一个能隙隔开(晶体绝缘体中的间隙比半导体中的间隙大得多)。该能隙也称为带隙,是指定晶体中电子无法拥有的能量的区域。大多数重要的半导体的带隙在0.25至2.5 电子伏特的范围内(eV)。例如,硅的带隙为1.12eV,砷化镓的带隙为1.42eV。相反,良好的晶体绝缘体金刚石的带隙为5.5 eV。

图六、半导体的三键图片

在低温下,半导体中的电子被束缚在晶体中各自的能带中。因此,它们不可用于导电。在更高的温度下,热振动可能会破坏某些共价键,从而产生可参与电流传导的自由电子。一旦电子脱离共价键,该键就会有一个电子空位。该空位可以被相邻的电子填充,这导致空位位置从一个晶体位点转移到另一个晶体位点。这种空位可以被认为是一个虚构的粒子,被称为“ 空穴 ”,它带有正电荷并沿与电子相反的方向移动。当电场施加到半导体上的自由电子(现在位于导带中)和空穴(在价带中留在后面)都移动通过晶体,从而产生电流。材料的电导率取决于每单位体积的自由电子和空穴(电荷载流子)的数量,以及这些载流子在电场的影响下移动的速率。在本征半导体中,存在相等数量的自由电子和空穴。但是,电子和空穴具有不同的迁移率。也就是说,它们在电场中以不同的速度运动。例如,对于室温下的本征硅,电子迁移率为1,500平方厘米/伏秒(cm 2/ V·s),即电子在1伏特/厘米的电场下将以1,500厘米/秒的速度运动—而空穴迁移率是500 cm 2 / V·s。特定半导体中的电子和空穴迁移率通常随温度升高而降低。

图七、电子空穴在晶格中的运动

在室温下,本征半导体的导电性非常差。为了产生更高的传导性,可以故意引入杂质(通常达到百万分之几的主原子浓度)。这就是所谓的掺杂,尽管增加了一些迁移率,但仍可增加电导率的过程。例如,如果一个硅原子被具有五个外层电子,如砷(的原子置换看到的的部分B 图),电子的4形成与四个相邻的硅原子共价键。第五电子变成被提供给导带的导电电子。硅变成n-型半导体由于添加了电子。砷原子是供体。类似地,该图的C部分显示,如果一个具有三个外部电子的原子(例如硼)被硅原子取代,则一个额外的电子会被接受以在硼原子周围形成四个共价键,并且带正电的空穴为在价带中创建。这产生了p型半导体,其中硼构成受体。

如果在杂质类型的急剧变化,从受体(p型),以供体(Ñ型)一个内发生单晶结构,p - ñ形成结(见份乙所述的和C 图)。在p侧,空穴构成了主要的载流子,因此被称为多数载流子。p侧还将存在一些热产生的电子。这些被称为少数族裔。在n一边,电子是多数载流子,而空穴是少数载流子。在结附近是没有自由电荷载流子的区域。该区域称为耗尽层,表现为绝缘体。

图八、(A)典型硅pn结的电流-电压特性(B)正向偏置 (C)反向偏置条件(D)pn结的符号

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