日益丰富的半导体材料

日益丰富的半导体材料

    　　半导体材料应用广泛，是信息技术和产品发展的＂粮食＂，对信息产业的发展速度起着举足轻重的作用。经过几十年的探索，半导体材料已从单元素发展到两元或多元化合物，从常用的几个品种发展性能各异的几十个品种，而且半导体材料研发方面的深度和广度也在不断加强，新材料、新技术正在不断涌现，未来的发展空间极大。
    
    

    
    　　 半导体材料是指电阻率介于典型的金属和典型的绝缘体之间，（10-2到107欧姆·厘米之间。），导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。
    
    　　在电子器件中，常用的半导体材料有：元素半导体，如硅（Si）、锗（Ge）等；化合物半导体，如砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）等；以及掺杂或制成其它化合物半导体材料，如硼（B）、磷（P）和锑（Sb）等。
    
    　　第一代半导体晶体是锗(Ce)单晶和硅单晶 (Si)。目前锗单晶正逐渐被向大直径、高纯度、高均匀度方向发展的硅单晶所取代，由它们制成的各种二极管、三极管、场效应管、可控硅及大功率管等器件，在无线电子工业上有着极其广泛的用途。锗硅材料的发展使得集成电路从只包括十几个单元电路飞速发展到含有成千上万个元件的超大规模集成电路，从而极大地促进了电子产品的微小型化，同时又降低了成本。
    
    　　第二代半导体晶体——Ⅲ一V族化合物，如砷化镓(CaAs)、磷化铟（InP）、磷化镓 (GaP)等单晶。近来，为了满足对更高性能的需求，已发展到三元或多元化合物等半导体晶体。
    
    　　砷化镓（GaAs）是目前最重要、最成熟的化合物半导体材料，广泛应用于光电子和微电子领域。目前世界砷化镓单晶的总年产量已超过200吨，3－4英寸SI-GaAs已投入大量生产. 2001年北京有色金属研究总院成功拉制出国内第一根直径4英寸VCZ半绝缘砷化镓单晶，使我国成为继日本、德国之后第三个掌握此项技术的国家，这标志着我国砷化镓晶体生长技术进入世界领先行列。
    
    　　磷化铟（InP）单晶材料是光纤通信及光集成电路（长波长）光电器件、其它新型器件不可替代的关键基础材料，在微波、毫米波器件中具有比GaAs更高的频率和更大的功率，而且有更好的抗核幅射性以及更低的噪声系数，是GaAs之后的又一代高技术功能电子材料，其在民用、军用微波、毫米波、光电器件等高技术领域中得到广泛应用，是应用前景广泛的化合物半导体材料。
    
    　　值得一提的是氮化镓(GaN)晶体。由于它具有很宽的禁带宽度(室温下为3．4eV)，因而是蓝绿光发光二级管(LED)、激光二极管(LD)及高功率集成电路的理想材料，该晶体的质量若得到进一步的提高，它将在发光器件、光通讯系统、CD机、全色打印、高分辨率激光打印、大屏幕全色显示系统、超薄电视等方面得到广泛的应用。
    
    
    
    　　多年来，半导体新材料始终向着提高技术含量和降低生产成本的方向发展，传统的半导体材料要么工艺十分复杂、制造成本非常昂贵，要么在应用性能方面存在不足，为了解决这一问题，科学家们千方百计另辟蹊径，不断研发出新的半导体材料。
    
    　　塑料：科学家们利用成本低廉的塑料来取代用于制造集成电路芯片的硅晶体，并已有多家IT业巨头宣布成立塑料芯片的专门研究机构，例如IBM、三菱、日立、朗讯、施乐、飞利浦公司等，已经研制出集成了几百只电子元器件的塑料芯片样品，探索出能够批量生产的集成度较低的塑料芯片，各公司雄心勃勃地计划投入巨资研究开发出集成度越来越高的塑料芯片，使塑料芯片将成为未来极具发展潜力的新一代芯片。另外，塑料因具有良好的流动性、密封性、耐湿性等特性在传统上是重要的半导体芯片封装材料。
    
    　　高纯度铁：高纯度金属是把所有的杂质减少到最低限度的金属，是今后研究开发高性能半导体元件等所不可缺少的材料。日本科学家使用负离子交换法成功提炼出纯度为99.9999％的铁，由于铁本身无毒，资源丰富，价格低廉，并且铁硅化物能够用来制造红外线领域的发光元件，因此科学家们正在把高纯度的铁作为一种光学半导体材料加以研究开发。
    
    　　钻石：日本电信电话公司物性科学基础研究所在用甲烷生成钻石的结晶过程中，通过改变温度等方法成功地制成了纯度比过去高20%的钻石结晶，开发出了耐放射线和高温等特殊环境的钻石半导体。这种钻石半导体的特点是比硅半导体输出功率大，效率高，而且稳定性好。但由于目前成本还比较高，只考虑把它应用到航天器及核发电设施方面。
    
    　　微磁性半导体：日本阿尔巴克公司在世界上首先合成了微磁性半导体。这种材料能够制造多种半导体元器件。磁性半导体是既具有现有半导体的光、电性质，又具有磁性的半导体。这种半导体材料可望应用于制造节能存储器、高感度磁传感器、高集成度存储器及光集成电路等方面。
    
    
    
    　　纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。纳米粒子一般是指尺寸在1～100nm间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，当人们将宏观物体细分成超微颗粒（纳米级）后，它将显示出许多奇异的特性，即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质将会发生显著的变化。
    
    　　纳米材料一般为纳米半导体材料，如纳米SiO2、TiO2、ZnO等。
    
    　　纳米材料最重要的特性是光学特性，半导体纳米材料发出各种颜色的光，可以做成超小型的激光光源。它还可以吸收太阳光中的光能，把它们直接变成电能；纳米磁性材料可用于建造微波暗室，防雷达虚象、天线旁瓣以及抑制方舱及仪器、线缆的信号泄漏和干扰信号等；纳米微晶软磁材料其应用领域将遍及软磁材料应用的各方面，如功率变压器、脉冲变压器、高频高压器、可饱和电抗器、互感器、磁屏蔽、磁头、磁开关、传感器等， 美国物理学家艾伦·马克迪尔米德教授他领导的研究小组已经研制出纳米电子线路，可以把计算机做得非常小，纳米电子线路不仅在电子工业与计算机工业领域，而且在环境保护、医学卫生、能源利用、太空探索等领域都有着巨大的市场潜力，前景非常广阔。
    
    　　随着现代微电子技术的飞速发展，各种光电子器件的微型化，对材料的纳米化要求愈加强烈，纳米材料学必将成为最活跃的学科之一。