半导体材料发展

半导体的重要性不可言喻，甚至被誉为世界上第 4 大重要发明。美国《大西洋月刊》曾找来科学家、历史学家、技术专家为人类史上的重大发明排名，半导体名列第 4，排在前面的分别是印刷机、电力、盘尼西林。

而提到半导体，就不得不提到半导体的基础——材料。

在二十世纪的近代科学，特别是量子力学发展知道金属材料拥有良好的导电与导热特性，而陶瓷材料则否，性质出来之前，人们对于四周物体的认识仍然属于较为巨观的瞭解，那时已经介于这两者之间的，就是半导体材料。

英国科学家法拉第(MIChael Faraday，1791~1867)，在电磁学方面拥有许多贡献，但较不为人所知的，则是他在1833年发现的其中一种半导体材料：硫化银，因为它的电阻随着温度上升而降低，当时只觉得这件事有些奇特，并没有激起太大的火花。

然而，今天我们已经知道，随着温度的提升，晶格震动越厉害，使得电阻增加，但对半导体而言，温度上升使自由载子的浓度增加，反而有助于导电。

这是半导体现象的首次发现。

不久， 1839年法国的贝克莱尔发现半导体和电解质接触形成的结，在光照下会产生一个电压，这就是后来人们熟知的光生伏特效应，这是被发现的半导体的第二个特征。

在1874年，德国的布劳恩(Ferdinand Braun，1850~1918)观察到某些硫化物的电导与所加电场的方向有关，即它的导电有方向性，在它两端加一个正向电压，它是导通的；如果把电压极性反过来，它就不导电，这就是半导体的整流效应，也是半导体所特有的第三种特性。同年，舒斯特又发现了铜与氧化铜的整流效应。

1873年，英国的史密斯发现硒晶体材料在光照下电导增加的光电导效应，这是半导体又一个特有的性质。

半导体的这四个效应，虽在1880年以前就先后被发现了，但半导体这个名词大概到1911年才被考尼白格和维斯首次使用。而总结出半导体的这四个特性一直到1947年12月才由贝尔实验室完成。

直到1906年，美国电机发明家匹卡(G. W. PICkard，1877~1956)，才发明了第一个固态电子元件：无线电波侦测器(cat’s whisker)，它使用金属与硅或硫化铅相接触所产生的整流功能，来侦测无线电波。

在整流理论方面，德国的萧特基(Walter Schottky，1886~1976)在1939年，于「德国物理学报」发表了一篇有关整流理论的重要论文，做了许多推论，他认为金属与半导体间有能障(potential barrier)的存在，其主要贡献就在于精确计算出这个能障的形状与宽度。

至于现在为大家所接受的整流理论，则是1942年，由索末菲(Arnold Sommerfeld， 1868~1951)的学生贝特所发展出来，他提出的就是热电子发射理论(thermionic emission)，这些具有较高能量的电子，可越过能障到达另一边，其理论也与实验结果较为符合。

在半导体领域中，与整流理论同等重要的，就是能带理论。布洛赫(Felix BLOCh，1905~1983)在这方面做出了重要的贡献，其定理是将电子波函数加上了週期性的项，首开能带理论的先河。另一方面，德国人佩尔斯于1929年，则指出一个几乎完全填满的能带，其电特性可以用一些带正电的电荷来解释，这就是电洞概念的滥觞；他后来提出的微扰理论，解释了能隙(Energy gap)存在。

20世纪初期，尽管人们对半导体认识比较少，但是对半导体材料的应用研究还是比较活跃的。

20世纪20年代，固体物理和量子力学的发展以及能带论的不断完善，使半导体材料中的电子态和电子输运过程的研究更加深入，对半导体材料中的结构性能、杂质和缺陷行为有了更深刻的认识，提高半导体晶体材料的完整性和纯度的研究。

20世纪50年代，为了改善晶体管特性，提高其稳定性，半导体材料的制备技术得到了迅速发展。尽管硅在微电子技术应用方面取得了巨大成功，但是硅材料由于受间接带隙的制约，在硅基发光器件的研究方面进展缓慢。

随着半导体超晶体格概念的提出，以及分子束外延。金属有机气相外延和化学束外延等先进外延生长技术的进步，成功的生长出一系列的晶态、非晶态薄层、超薄层微结构材料，这不仅推动了半导体物理和半导体器件设计与制造从过去的所谓“杂质工程”发展到“能带工程”为基于量子效应的新一代器件制造与应用打下了基础。

第一代半导体是“元素半导体”，典型如硅基和锗基半导体。其中以硅基半导体技术较成熟，应用也较广，一般用硅基半导体来代替元素半导体的名称。甚至于，目前，全球95%以上的半导体芯片和器件是用硅片作为基础功能材料而生产出来的。

以硅材料为代表的第一代半导体材料，它取代了笨重的电子管，导致了以集成电路为核心的微电子工业的发展和整个IT 产业的飞跃，广泛应用于信息处理和自动控制等领域。

但是在20世纪50年代，却锗在半导体中占主导地位，主要应用于低压、低频、中功率晶体管以及光电探测器中，但是锗基半导体器件的耐高温和抗辐射性能较差，到60年代后期逐渐被硅基器件取代。用硅材料制造的半导体器件，耐高温和抗辐射性能较好。

1960年出现了0.75寸（约20mm）的单晶硅片。

1965年以分立器件为主的晶体管，开始使用少量的1.25英寸小硅片。之后经过2寸、3寸的发展，1975年4寸单晶硅片开始在全球市场上普及，接下来是5寸、6寸、8寸，2001年开始投入使用12寸硅片，预计在2020年，18寸（450mm）的硅片开始投入使用。

据了解，硅片占整个半导体材料市场的32%左右，行业市场空间约76亿美元。国内半导体硅片市场规模为130亿人民币左右，占国内半导体制造材料总规模比重达42.5%。

而这一领域主要由日本厂商垄断，我国6英寸硅片国产化率为50%，8英寸硅片国产化率为10%，12英寸硅片完全依赖于进口。

目前市场上在使用的硅片有 200mm（8 英寸）、300mm（12 英寸）硅片。由于晶圆面积越大，在同一晶圆上可生产的集成电路IC越多，成本越低，硅片的发展趋势也是大尺寸化。12英寸硅片主要用于生产90nm-28nm及以下特征尺寸（16nm和14nm）的存储器、数字电路芯片及混合信号电路芯片，是当前晶圆厂扩产的主流。

由于面临资金和技术的双重压力，晶圆厂向450mm（18英寸）产线转移的速度放缓，根据国际预测，到2020年左右，450mm的硅片开发技术才有可能实现初步量产。

20世纪90年代以来，随着移动通信的飞速发展、以光纤通信为基础的信息高速公路和互联网的兴起，以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)为代表的第二代半导体材料开始崭露头脚。

第二代半导体材料是化合物半导体。化合物半导体是以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）和氮化镓(GaN)等为代表，包括许多其它III-V族化合物半导体。这些化合物中，商业半导体器件中用得最多的是砷化镓（GaAs）和磷砷化镓（GaAsP），磷化铟（InP），砷铝化镓（GaAlAs）和磷镓化铟（InGaP）。其中以砷化镓技术较成熟，应用也较广。