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半導(dǎo)體材料（半導(dǎo)體material）是一類具有半導(dǎo)體性能（導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間，電阻率約在1mΩ·cm～1GΩ·cm范圍內(nèi)），可用來制作半導(dǎo)體器件和集成電路的電子材料。半導(dǎo)體材料具有點(diǎn)缺陷、線缺陷、原生缺陷和二次缺陷等缺陷。

1833年，英國(guó)物理學(xué)家、化學(xué)家、數(shù)學(xué)家邁克爾·法拉第（Michael Faraday）首次發(fā)現(xiàn)了半導(dǎo)體的性質(zhì)，并預(yù)言其他物質(zhì)可能具有相似性質(zhì)。19世紀(jì)20年代，半導(dǎo)體材料開始在工業(yè)中部分替代汞整流器和電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)整流器。1947年，第一個(gè)晶體管問世，開啟了電子學(xué)新時(shí)代，為半導(dǎo)體工業(yè)化生產(chǎn)和制備技術(shù)打下了基礎(chǔ)。1963年成功開發(fā)了液相外延法，并出現(xiàn)了金屬有機(jī)化學(xué)氣相外延法等。1969年，江畸玲和朱肇祥首先提出了超晶格的概念。2025年，中國(guó)在太空成功驗(yàn)證了首款國(guó)產(chǎn)碳化硅（SiC）功率器件。

半導(dǎo)體材料可按化學(xué)成分進(jìn)行劃分，將具有特殊結(jié)構(gòu)和性能的非晶態(tài)半導(dǎo)體和有機(jī)半導(dǎo)體分別歸為一類。半導(dǎo)體材料生產(chǎn)包括晶圓加工、氧化、光刻、刻蝕、薄膜沉積、互連、測(cè)試和封裝，絕大多數(shù)半導(dǎo)體器件是在單晶片或以單晶片為襯底的外延片上作出的。關(guān)鍵技術(shù)有晶體生長(zhǎng)、雜質(zhì)控制和離子注入。半導(dǎo)體材料具有雜質(zhì)敏感性、熱敏性、環(huán)境特性等主要特性。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)作為高科技發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，為科技建設(shè)和發(fā)展作出巨大貢獻(xiàn)。當(dāng)前第三代半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展仍面臨缺乏頂層設(shè)計(jì)、原始創(chuàng)新能力和人才儲(chǔ)備不足等瓶頸。

發(fā)展歷程

起源

19世紀(jì)是半導(dǎo)體材料的發(fā)現(xiàn)時(shí)期。英國(guó)物理學(xué)家邁克爾·法拉第和德國(guó)物理學(xué)家卡爾·費(fèi)迪南德·布勞恩（Karl Ferdinand Braun）分別在1833年和1874年發(fā)現(xiàn)了硫化銀和pbs的特殊導(dǎo)電性質(zhì)，英國(guó)的威洛比.史密斯(Willoughby Smith)和德國(guó)物理學(xué)家舒斯特（Walter H Schottky）也發(fā)現(xiàn)了晶體及銅氧化物的整流效應(yīng)。1893年，法國(guó)科學(xué)家貝克萊爾（Henri Becquerel）發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體和電解質(zhì)接觸形式的結(jié)在光照下會(huì)產(chǎn)生電壓，即光生伏特效應(yīng)。雖然這些特性在1880年之前已被發(fā)現(xiàn)，但直到1911年，考尼白格和維斯首次使用了“半導(dǎo)體”這個(gè)術(shù)語。

特性研究歷史

20世紀(jì)初，人們對(duì)半導(dǎo)體了解有限，但對(duì)其應(yīng)用進(jìn)行了積極研究。20世紀(jì)20年代，固體物理和量子力學(xué)的發(fā)展以及能帶論的完善深入研究了導(dǎo)體材料中的電子態(tài)和電子輸運(yùn)過程，對(duì)半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)性能、雜質(zhì)和缺陷行為有了更深入的認(rèn)識(shí)，并加強(qiáng)了對(duì)晶體完整性和純度的研究。20世紀(jì)50年代，為了改善晶體管特性和穩(wěn)定性，半導(dǎo)體材料的制備技術(shù)得到了快速發(fā)展。盡管硅在微電子技術(shù)方面取得了巨大成功，但由于受到間接帶隙的限制，硅基發(fā)光器件的研究進(jìn)展較慢。隨著半導(dǎo)體超晶格的提出和分子束外延、金屬有機(jī)氣相外延以及化學(xué)束外延等先進(jìn)外延生長(zhǎng)技術(shù)的進(jìn)步，成功制備了一系列晶態(tài)、非晶態(tài)薄層和超薄層微結(jié)構(gòu)材料。這不僅推動(dòng)了半導(dǎo)體物理和器件設(shè)計(jì)制造的發(fā)展，從過去的“雜質(zhì)工程”轉(zhuǎn)向了“能帶工程”，也為基于量子效應(yīng)的新一代器件制造和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

20世紀(jì)50年代后期，科學(xué)家們開始加強(qiáng)對(duì)砷化鎵等化合物半導(dǎo)體材料的研究。當(dāng)時(shí)，化合物半導(dǎo)體的制備元素已經(jīng)能夠提純到很高的純度。為了解決化合物半導(dǎo)體在熔點(diǎn)下的分解壓力問題，他們采用了水平布里奇曼法和液封直拉法等方法進(jìn)行單晶生長(zhǎng)。隨著微波器件和光電子器件的發(fā)展，化合物半導(dǎo)體晶體材料朝著高純度、高完整性和大直徑的方向發(fā)展，并增加了應(yīng)用的種類。外延技術(shù)的出現(xiàn)解決了化合物半導(dǎo)體制備中的一系列難題，包括提高純度、降低缺陷、改善化學(xué)配比以及制作固溶體或異質(zhì)結(jié)等問題。

生產(chǎn)制備

1958年，美國(guó)德州儀器（TI）的工程師杰克·基爾比（Jack Kilby）將5個(gè)元件（1個(gè)晶體管、1個(gè)電容和3 個(gè)電阻）制作在一個(gè) 1.2cm 長(zhǎng)的晶片上，實(shí)現(xiàn)了人類歷史上的第一塊集成電路。此后，集成電路，尤其是數(shù)字集成電路進(jìn)入了一個(gè)快速發(fā)展的時(shí)期。從20世紀(jì)80年代開始，隨著納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們能夠制造具有全新功能的材料與器件，如碳納米管和量子點(diǎn)。這些新材料引領(lǐng)了人類進(jìn)入“奇妙”的量子時(shí)代并將徹底改變?nèi)祟惤?jīng)濟(jì)生活方式。在20世紀(jì)90年代以后，第二代半導(dǎo)體材料如化（GaAs）磷化（InP）得到了廣泛應(yīng)用于通信、導(dǎo)航等領(lǐng)域，但這些材料資源稀缺，價(jià)格昂貴且有毒性，使用受到限制。

進(jìn)入21世紀(jì)以后，隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展，GaAs （砷化）、InP（磷化鋼）等半導(dǎo)體材料成為新的市場(chǎng)需求，這也是第二代半導(dǎo)體材料，被稱為“化合物半導(dǎo)體”。第二次世界大戰(zhàn)時(shí)，為了應(yīng)對(duì)空襲，英美聯(lián)合研發(fā)雷達(dá)。雷達(dá)需要高頻率，但電子管設(shè)備存在缺點(diǎn)，于是研究者考慮使用晶體檢波器。最初嘗試用硅，后來改進(jìn)了制備方法。在1947年，第一個(gè)晶體管問世，開啟了電子學(xué)新時(shí)代。鍺檢波器的發(fā)展也取得成功。這一進(jìn)展來源于雷達(dá)技術(shù)，為晶體管的發(fā)明鋪平了道路。通過兩項(xiàng)重要技術(shù)突破，制備了高純度的半導(dǎo)體材料，這為半導(dǎo)體工業(yè)化生產(chǎn)和制備技術(shù)打下了基礎(chǔ)。

微觀尺度上剪裁半導(dǎo)體

化學(xué)氣相外延法至今仍舊是生產(chǎn)硅外延片的主要方法。一些微波二極管激光管、發(fā)光管、探測(cè)器等都是在外延片上做成的。除采用化學(xué)氣相外延法外，1963年又成功開發(fā)了液相外延法，隨后又出現(xiàn)了金屬有機(jī)化學(xué)氣相外延法等。1969年在美國(guó)工作的江畸玲于奈和朱肇祥首先提出了超晶格的概念，因?yàn)槌Ц癫牧嫌性蛹?jí)的精度，用當(dāng)時(shí)的晶體生長(zhǎng)與外延技術(shù)是生長(zhǎng)不出這種超晶格材料的。為此，人們研究出分子束外延法，并用此方法于1972年生長(zhǎng)出超晶格材料，從此半導(dǎo)體的性能可在微觀尺度上剪裁。非晶及納米晶半導(dǎo)體材料得到應(yīng)用。

非晶硅薄膜制備工藝出現(xiàn)

1975年英國(guó)人斯皮爾在硅烷氣體中進(jìn)行輝光放電，所得非晶硅薄膜可進(jìn)行摻雜，現(xiàn)在這種方法已成為生產(chǎn)非晶硅薄膜的主要工藝。用上述輝光放電化學(xué)氣相沉積法以及微波激勵(lì)化學(xué)氣相沉積、磁控濺射等方法，可獲得納米級(jí)的微晶半導(dǎo)體材料。這種非晶及納米晶半導(dǎo)體材料已初步顯示出它們的應(yīng)用前景。2012年，唐爽和崔瑟豪斯夫人（Mildred Dresselhaus）在麻省理工學(xué)院提出準(zhǔn)保羅·狄拉克材料、半狄拉克材料等新型半導(dǎo)體材料（唐-崔瑟豪斯理論）。這些新型半導(dǎo)體材料中的電子和空穴可以具有不同的相對(duì)論效應(yīng)，或可引領(lǐng)下一代計(jì)算機(jī)芯片、能源裝置的研發(fā)。

主要種類

以下是應(yīng)用廣泛的幾種半導(dǎo)體材料：

分類

半導(dǎo)體材料可按化學(xué)成分進(jìn)行劃分為元素半導(dǎo)體和化合成物半導(dǎo)體/復(fù)合半導(dǎo)體，將具有特殊結(jié)構(gòu)和性能的非晶態(tài)半導(dǎo)體和有機(jī)半導(dǎo)體分別歸為一類。也可按照載流電子的導(dǎo)電形式和晶體結(jié)構(gòu)來進(jìn)行分類

按化學(xué)成分分

元素半導(dǎo)體：元素半導(dǎo)體是指單一元素構(gòu)成的半導(dǎo)體，其中對(duì)硅、硒的研究比較早，它是由相同元素組成的具有半導(dǎo)體特性的固體材料，容易受到微量雜質(zhì)和外界條件的影響而發(fā)生變化。目前，只有硅、鍺性能好，運(yùn)用得比較硒在電子照明和光電領(lǐng)域中應(yīng)用。硅在半導(dǎo)體工業(yè)中運(yùn)用得多，這主要因?yàn)槟軌蛟谄骷谱魃闲纬裳谀ぃ軌蛱岣?a href="/hebeideji/6235735417658565093.html">半導(dǎo)體器件的穩(wěn)定性，利于自動(dòng)化工業(yè)生產(chǎn)。元素半導(dǎo)體主要有 B、Si Ge、Se、Te、Ga、As、Sb 等。元素半導(dǎo)體具有高純度要求、溫度依賴性和光電特性等特點(diǎn)。生產(chǎn)制備方法包括單晶生長(zhǎng)法、氣相沉積法和分子束外延法。元素半導(dǎo)體被廣泛應(yīng)用于電子器件、光電器件、太陽能電池和熱電材料等領(lǐng)域，推動(dòng)著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展。

化合成物半導(dǎo)體/復(fù)合半導(dǎo)體：化合物半導(dǎo)體分為二元系、三元系、多元系和有機(jī)化合物半導(dǎo)體。二元系化合物半導(dǎo)體有Ⅲ-Ⅴ族（如砷化鎵、磷化鎵、碳化硅等）。無機(jī)化合物合成物主要是通過單一元素構(gòu)成半導(dǎo)體材料當(dāng)然也有多種元素構(gòu)成的半導(dǎo)體材料，主要的半導(dǎo)體材料有 IA族與VA、ⅥA、ⅦA族，IIB族與IVA、VA、VA、WA族，IA族與VA、VA族，IVA族與IVA、VIA族，VA族與VA 族，VA 族與VB族的化合物，但受到元素的特性和制作方式的影響，不是所有的化合物都能夠符合半導(dǎo)體材料的要求。這些半導(dǎo)體主要運(yùn)用到高速器件中，例如InP制造的晶體管的速度比其他材料都高主要運(yùn)用到光電集成電路和抗核輻射器件中。電導(dǎo)率高的材料主要用于 LED等方面。化合成物半導(dǎo)體材料具有較小的帶隙、熱激發(fā)載流子、可控的載流子濃度、光電效應(yīng)和良好的熱穩(wěn)定性等特性。

化合物半導(dǎo)體材料的制備技術(shù)比較復(fù)雜和困難，因?yàn)榻M元的揮發(fā)性導(dǎo)致熔體的化學(xué)劑量比難以維持。制備單晶材料通常采用水平珀西·布里奇曼法液封直拉法、高壓液封直拉法、垂直梯度凝固法。而薄膜和超薄層微結(jié)構(gòu)材料則可以通過液相外延、氣相外延、分子束外延、金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積法來制備。化合物半導(dǎo)體材料在各種電路、電子器件、超高速微電子器件和微波器件中都有廣泛應(yīng)用。

按特殊結(jié)構(gòu)分

非晶態(tài)半導(dǎo)體：非晶態(tài)半導(dǎo)體，也稱為無定形或玻璃半導(dǎo)體，是一種具有半導(dǎo)電性的材料。它的結(jié)構(gòu)既有短程有序又有長(zhǎng)程無序，類似于其他非晶材料。非晶態(tài)半導(dǎo)體通過改變?cè)酉鄬?duì)位置，打破周期性排列，形成無定形結(jié)構(gòu)。與晶態(tài)相比，非晶態(tài)半導(dǎo)體的主要區(qū)別在于原子排列沒有長(zhǎng)程規(guī)律性。由于非晶態(tài)半導(dǎo)體的性能調(diào)控較為困難，隨著技術(shù)的進(jìn)步，它開始被廣泛應(yīng)用。非晶態(tài)半導(dǎo)體具有共價(jià)無規(guī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，典型的例子包括非晶硅、硫系非晶態(tài)半導(dǎo)體和玻璃態(tài)氧化物半導(dǎo)體。非晶態(tài)半導(dǎo)體的鍵長(zhǎng)和鍵角發(fā)生畸變，形成無規(guī)的共價(jià)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能帶邊能態(tài)密度變化不陡，而是有不同程度的帶尾。非晶態(tài)半導(dǎo)體中存在局域態(tài)和擴(kuò)展態(tài)，擴(kuò)展態(tài)中的電子可以在整個(gè)固體中自由運(yùn)動(dòng)，因此非晶態(tài)半導(dǎo)體在性質(zhì)上與晶態(tài)半導(dǎo)體有所不同。非晶態(tài)半導(dǎo)體在太陽能電池、傳感器、薄膜晶體管、攝像元件和光存儲(chǔ)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。非晶態(tài)半導(dǎo)體主要有非晶Si、非晶 Ge、非晶Te 、非晶 Se等元素半導(dǎo)體及GeTe、As2Te3、Se2As3等非晶化合物半導(dǎo)體。

按特殊性能分

有機(jī)合成物半導(dǎo)體：有機(jī)半導(dǎo)體材料具有熱激活電導(dǎo)率，如，聚丙烯和聚二乙烯苯以及堿金屬和蒽的配位化合物，有機(jī)半導(dǎo)體材料可分為有機(jī)化合物，聚合物和給體受體絡(luò)合物三類。有機(jī)半導(dǎo)體芯片等產(chǎn)品的生產(chǎn)能力差，但是擁有加工處理方便，結(jié)實(shí)耐用，成本低廉，耐磨耐用等特性。有機(jī)半導(dǎo)體材料分子中含有碳鍵的化合物，把有機(jī)化合物中的碳鍵垂直，疊加的方式能夠形成導(dǎo)帶，通過的添加，能夠讓其進(jìn)入能帶，這樣可以產(chǎn)生電導(dǎo)率，從而形成有機(jī)化合物半導(dǎo)體。這一半導(dǎo)體和以往的半導(dǎo)體相比，具有成本低、溶解性好、材料輕、加工容易的特點(diǎn)，可以通過控制分子的方式來控制導(dǎo)電性能，應(yīng)用的范圍比較廣，主要用于有機(jī)薄膜、有機(jī)照明等方面。

按載流電子的導(dǎo)電形式分

n型半導(dǎo)體：在四價(jià)元素（硅或鍺）的晶體中摻入五價(jià)元素（磷或砷等）時(shí)由于摻入的五價(jià)元素原子數(shù)比四價(jià)元素的原子數(shù)少很多，因此整個(gè)晶體結(jié)構(gòu)基本上不變，只是某些位置上的四價(jià)元素原子被五價(jià)元素原子取代。而五價(jià)元素原子參加共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)只需 4 個(gè)價(jià)電子，那么多余的第5個(gè)價(jià)電子很容易掙脫原子核束縛而成為自由電子，五價(jià)元素原子則成為正離子。

p型半導(dǎo)體：在四價(jià)元素（硅或鍺）的晶體中摻人三價(jià)元素（硼或等）時(shí)，由于摻人的三價(jià)元素原子數(shù)比四價(jià)元素的原子數(shù)少很多，因此整個(gè)晶體結(jié)構(gòu)基本上不變，只是某些位置上的四價(jià)元素原子被三價(jià)元素原子取代。而三價(jià)元素原子參加共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)只有 3 個(gè)價(jià)電子，那么缺少的一個(gè)空位就成為空穴。

按晶體結(jié)構(gòu)分

金剛石結(jié)構(gòu)：金剛石結(jié)構(gòu)是由同種原子組成的共價(jià)鍵結(jié)合的立方晶系復(fù)格子晶體結(jié)構(gòu)，其晶體結(jié)構(gòu)中每個(gè)原子有四個(gè)最近鄰的同種原子，彼此之間以共價(jià)鍵結(jié)合。元素半導(dǎo)體硅，鍺，a-Sn都是該類型的結(jié)構(gòu)。

閃鋅礦型結(jié)構(gòu)：閃鋅礦結(jié)構(gòu)是由兩種不同元素的原子分別組成面心晶格套構(gòu)而成，具有四面體結(jié)構(gòu)，立方對(duì)稱。閃鋅礦結(jié)構(gòu)中的離子鍵成分使電子不完全公有，電子有轉(zhuǎn)移，即“極化現(xiàn)象”。這與兩種原子的電負(fù)性之差有關(guān)，X越大，離子鍵成分越大，極化越大。

纖鋅礦型結(jié)構(gòu)：纖鋅礦結(jié)構(gòu)在<111>方向上下兩層不同原子是重疊的。纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)更適合于電負(fù)性差大的兩類原子組成的晶體如Ⅲ-V化合物 BN、GaN、InN、Ⅲ-Ⅵ族化合物 ZnO、ZnS、cds、HgS等。

黃銅礦型半導(dǎo)體：具有黃銅礦型（CuFeS2）的材料有半導(dǎo)體性質(zhì)，其主要化學(xué)成份按元周期表可以為II-IV-V2和I-Ⅲ-VI2兩種，BeSiN2，ZnGaN2，MgSiP2等。

生產(chǎn)工藝

半導(dǎo)體材料生產(chǎn)涉及通用核心流程包括晶圓加工、氧化、光刻、刻蝕、薄膜沉積、互連、測(cè)試和封裝等環(huán)節(jié)。而關(guān)鍵的制備技術(shù)則包括晶體生長(zhǎng)技術(shù)、離子注入技術(shù)、提純、雜質(zhì)控制、單晶制備。

通用核心流程

晶圓是將硅（Si）或砷化鎵（GaAs）制成的單晶柱體切割形成的圓薄片。要提取高純度的硅材料需要用到硅砂，一種二氧化硅含量高達(dá) 95% 的特殊材料，也是制作晶圓的主要原材料。晶圓加工就是制作獲取上述晶圓的過程。

氧化過程的作用是在晶圓表面形成保護(hù)膜。它可以保護(hù)晶圓不受化學(xué)雜質(zhì)影響、避免漏電流進(jìn)入電路、預(yù)防離子植入過程中的擴(kuò)散以及防止晶圓在刻蝕時(shí)滑脫。

光刻是通過光線將電路圖案“印刷”到晶圓上，可以將其理解為在晶圓表面繪制半導(dǎo)體制造所需的平面圖。電路圖案的精細(xì)度越高，成品芯片的集成度就越高，必須通過先進(jìn)的光刻技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)。光刻可分為涂覆光刻膠、曝光和顯影三個(gè)工序。

在晶圓上完成電路圖的光刻后，就要用刻蝕工藝來去除任何多余的氧化膜且只留下半導(dǎo)體電路圖。要做到這一點(diǎn)需要利用液體、氣體或等離子體來去除選定的多余部分。刻蝕的方法主要分為兩種，取決于所使用的物質(zhì)：使用特定的化學(xué)溶液進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)來去除氧化膜的濕法刻蝕，以及使用氣體或等離子體的干法刻蝕。

為了創(chuàng)建芯片內(nèi)部的微型器件，需要不斷地沉積一層層的薄膜并通過刻蝕去除掉其中多余的部分，另外還要添加一些材料將不同的器件分離開來。每個(gè)晶體管或存儲(chǔ)單元就是通過上述過程一步步構(gòu)建起來的。將包含所需分子或原子單元的薄膜放到晶圓上的過程就是“沉積”。

半導(dǎo)體的導(dǎo)電性處于導(dǎo)體與非導(dǎo)體（即絕緣體）之間，通過基于晶圓的光刻、刻蝕和沉積工藝可以構(gòu)建出晶體管等元件，但還需要將它們連接起來才能實(shí)現(xiàn)電力與信號(hào)的發(fā)送與接收。

測(cè)試的主要目標(biāo)是檢驗(yàn)半導(dǎo)體芯片的質(zhì)量是否達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)，從而消除不良產(chǎn)品、并提高芯片的可靠性。另外，經(jīng)測(cè)試有缺陷的產(chǎn)品不會(huì)進(jìn)入封裝步驟，有助于節(jié)省成本和時(shí)間。電子管芯分選（EDS）就是一種針對(duì)晶圓的測(cè)試方法。

剛切割下來的芯片很脆弱且不能交換電信號(hào)，需要單獨(dú)進(jìn)行處理。這一處理過程就是封裝，包括在半導(dǎo)體芯片外部形成保護(hù)殼和讓它們能夠與外部交換電信號(hào)。整個(gè)封裝制程分為五步，即晶圓鋸切、單個(gè)晶片附著、互連、成型和封裝測(cè)試。

關(guān)鍵技術(shù)

晶體生長(zhǎng)技術(shù)

包括化學(xué)氣相沉積（CVD）、分子束外延（MBE）、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）等方法，用于在單晶襯底上生長(zhǎng)出高純度的半導(dǎo)體晶體。

離子注入技術(shù)

通過將離子注入到半導(dǎo)體晶體中，改變其電學(xué)性質(zhì)。離子注入可以用于形成P型或N型半導(dǎo)體，以及調(diào)節(jié)局部的電學(xué)特性。

提純

半導(dǎo)體材料的提純方法分為化學(xué)提純和物理提純兩類，提純純度要求在6個(gè)"9"以上，最高可達(dá)11個(gè)"9"以上。化學(xué)提純包括熱解法、萃取法、化合物精餾法、配位化合物法和化學(xué)吸附法，而物理提純則包括真空蒸發(fā)法、區(qū)熔法和直拉單品法。每種方法都有其提純?cè)恚⒎沁m用于所有物質(zhì)和雜質(zhì)。因此，半導(dǎo)體材料通常采用多種方法組合工藝流程，以達(dá)到高純度要求。例如，對(duì)于鍺，區(qū)熔法雖可提高純度，但需要高純度原料，并且去除雜質(zhì)效果不佳。因此，先進(jìn)行萃取或精餾凈化，再進(jìn)行區(qū)熔提純，才能達(dá)到高純度要求。

雜質(zhì)控制

在雜質(zhì)控制方面，離子色譜、電感耦合等離子體質(zhì)譜、液質(zhì)聯(lián)用儀和氣質(zhì)聯(lián)用儀為半導(dǎo)體制造提供無機(jī)化合物和有機(jī)雜質(zhì)控制的業(yè)界高水平分析技術(shù)，除了常規(guī)痕量無機(jī)陰離子、陽離子和金屬離子的檢測(cè)方案外，在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的多種原因不明成分進(jìn)行定性、定量的高解析度質(zhì)量分析。

單晶制備

目前常用的單晶制備方法包括：

特性

半導(dǎo)體材料具有多種主要特性，其中包括雜質(zhì)敏感性、熱敏性、光敏性、環(huán)境特性、電場(chǎng)和磁場(chǎng)效應(yīng)。此外，還有其他特性，如載流子濃度和遷移率、禁帶寬度、少數(shù)非平衡載流子的壽命以及摻雜等特性。這些特性對(duì)于半導(dǎo)體材料的性能和應(yīng)用具有重要影響。

主要性能指標(biāo)

其他性能指標(biāo)

缺陷類型

半導(dǎo)體材料中缺陷種類多，行為也相當(dāng)復(fù)雜。一般來講半導(dǎo)體中的缺陷是指結(jié)構(gòu)缺陷或物理缺陷。從空間尺度上劃分，缺陷一般可分為點(diǎn)、線、面、體四類；在工程上缺陷又分為原生缺陷和二次缺陷。

應(yīng)用

半導(dǎo)體材料廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，包括照明、電力電子器件、新能源領(lǐng)域、移動(dòng)通信領(lǐng)域和軍事領(lǐng)域等。LED、太陽能電池、晶閘管和集成電路等半導(dǎo)體器件在這些領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用，推動(dòng)了技術(shù)進(jìn)步和應(yīng)用創(chuàng)新。

半導(dǎo)體照明

化合物半導(dǎo)體的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，特別是在照明系統(tǒng)方面，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)帶來了節(jié)能效益。基于LED的半導(dǎo)體光源具有眾多優(yōu)點(diǎn)，如小巧、低熱量、低功耗、長(zhǎng)壽命、快速響應(yīng)、環(huán)保、抗沖擊、可回收、無污染、平面封裝和適于輕薄產(chǎn)品開發(fā)等。LED已廣泛應(yīng)用于大屏幕顯示、交通信號(hào)燈、手機(jī)背光等領(lǐng)域，逐漸進(jìn)入城市亮化、景觀照明、家居照明、LCD顯示器背光等領(lǐng)域。考慮到照明占據(jù)電力消耗的20%，采用LED照明成為節(jié)能的關(guān)鍵。發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)淘汰白熾燈，積極推廣LED照明以應(yīng)對(duì)全球溫室效應(yīng)。中國(guó)LED產(chǎn)業(yè)起步于20世紀(jì)70年代，得到政府支持，迅速發(fā)展。通過示范工程，LED燈具得到廣泛應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模節(jié)電。中國(guó)功率型白光LED的光效已達(dá)到國(guó)際水平，自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的硅基LED芯片產(chǎn)業(yè)化也蓬勃發(fā)展。

電力電子器件

工業(yè)電機(jī)系統(tǒng)

在傳統(tǒng)工業(yè)控制領(lǐng)域，功率器件在交流電機(jī)控制、工業(yè)傳動(dòng)裝置、機(jī)車與列車用電源以及供暖系統(tǒng)傳動(dòng)裝置等方面起著關(guān)鍵作用。寬禁帶半導(dǎo)體變頻驅(qū)動(dòng)器在工業(yè)電機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了更高效和更緊湊的解決方案，使電機(jī)的轉(zhuǎn)速能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)整。這使得泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)和空調(diào)系統(tǒng)中的電機(jī)能夠更高效地工作，從而節(jié)省能源。據(jù)報(bào)道，美國(guó)制造業(yè)中電機(jī)系統(tǒng)的能耗占比約為70%，通過采用寬禁帶半導(dǎo)體變頻驅(qū)動(dòng)器，美國(guó)每年可以直接節(jié)省相當(dāng)于100萬戶家庭年度電力消耗的電量。隨著寬禁帶半導(dǎo)體變頻驅(qū)動(dòng)器的更廣泛應(yīng)用，最終可以為690萬戶美國(guó)家庭提供電力節(jié)省。

消費(fèi)電子產(chǎn)品

消費(fèi)電子產(chǎn)品是化合物半導(dǎo)體應(yīng)用的重要領(lǐng)域。現(xiàn)如今，家庭擁有大量電器設(shè)備，它們通常需要各種不同功率器件進(jìn)行控制。同時(shí)，公共場(chǎng)所的設(shè)備，如空調(diào)、照明、裝飾、顯示、計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制等，也需要大量功率器件如圖3所示。雖然單個(gè)消費(fèi)電子產(chǎn)品（如筆記本電腦、智能手機(jī)、平板電腦、計(jì)算機(jī)和服務(wù)器）的電源轉(zhuǎn)換器功耗不高，但由于數(shù)量龐大，總體能耗仍然巨大。化合物半導(dǎo)體芯片可以降低整流器在交直流轉(zhuǎn)換過程中的能量損失，減少筆記本電源適配器的體積。通過廣泛應(yīng)用寬禁帶半導(dǎo)體，美國(guó)在這個(gè)領(lǐng)域節(jié)省的電力相當(dāng)于供給130萬戶家庭的用電量。

新能源領(lǐng)域

太陽能電池就是利用光伏效應(yīng)產(chǎn)生電力輸出的半導(dǎo)體器件。以單晶硅電池為例，太陽電池的基本結(jié)構(gòu)自上至下為玻璃蓋板及透明膠粘劑層、減反射層、正面電極、n 型材料層、p 型材料層、背電極（又稱基片電極）、襯底（又稱基底），其中核心結(jié)構(gòu)為 p-單結(jié)結(jié)構(gòu)。光照射電池時(shí)，正電極與背電極之間產(chǎn)生光生電壓，接上負(fù)載后可以對(duì)外做電功。各國(guó)政府為減少溫室氣體排放，正在大力發(fā)展可再生能源。太陽能和風(fēng)能發(fā)電需要將產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換成交流電以與電網(wǎng)連接。

移動(dòng)通信領(lǐng)域

當(dāng)前，移動(dòng)通信技術(shù)正從第四代（4G）逐漸過渡到第五代（5G），5G將支持眾多應(yīng)用，包括物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、智能家居和智能駕駛等。這些應(yīng)用需要性能強(qiáng)大的半導(dǎo)體芯片。5G通信要求更高的工作頻率、更寬的帶寬和高線性性能，這需要多功能、多頻段和多模式的移動(dòng)終端。單一的硅技術(shù)無法滿足所有需求，因此系統(tǒng)級(jí)封裝（SIP）成為解決方案，通過不同工藝如硅、鍺硅和砷化錦等在同一封裝中優(yōu)化不同功能，為化合物半導(dǎo)體帶來了新的發(fā)展前景。

軍事領(lǐng)域

自1987年起，美國(guó)政府與研究機(jī)構(gòu)創(chuàng)立CREE公司，專注碳化硅半導(dǎo)體研究。此后，美國(guó)國(guó)防部和能源部啟動(dòng)“寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)計(jì)劃”和“氮化物電子下一代技術(shù)計(jì)劃”以推動(dòng)SiC和GaN技術(shù)。這導(dǎo)致了全球激烈競(jìng)爭(zhēng)，歐洲和日本也展開相關(guān)研究。歐洲的“KORRIGAN”和“GREAT2”計(jì)劃面向國(guó)防、航天應(yīng)用。日本通過多個(gè)計(jì)劃推進(jìn)第三代半導(dǎo)體在通信領(lǐng)域的應(yīng)用。多年來，發(fā)達(dá)國(guó)家在寬禁帶半導(dǎo)體材料、器件和系統(tǒng)方面取得重要進(jìn)展，廣泛應(yīng)用于軍事國(guó)防領(lǐng)域。

發(fā)展趨勢(shì)

由于美國(guó)的施壓，國(guó)內(nèi)正在逐漸替代進(jìn)口半導(dǎo)體關(guān)鍵設(shè)備，這已經(jīng)成為趨勢(shì)。為確保長(zhǎng)期穩(wěn)定的設(shè)備供應(yīng)，國(guó)內(nèi)芯片制造商會(huì)更加重視國(guó)內(nèi)設(shè)備廠商，并尋求多元化的供應(yīng)渠道和新的供應(yīng)商，來減少對(duì)單一供應(yīng)商的依賴。同時(shí)，國(guó)內(nèi)也在推動(dòng)供應(yīng)鏈本土化以及培養(yǎng)國(guó)內(nèi)供應(yīng)商，以縮短供應(yīng)周期并減少對(duì)關(guān)鍵供應(yīng)商的依賴。

通過近百年的發(fā)展，第三代半導(dǎo)體材料已經(jīng)出現(xiàn)了不少成熟的技術(shù)，在新興產(chǎn)業(yè)中起著重要作用，并受到相關(guān)保護(hù)組織和消費(fèi)者的充分認(rèn)可。因此，中國(guó)的政府和企業(yè)應(yīng)該重視半導(dǎo)體材料的研發(fā)，科學(xué)地進(jìn)行產(chǎn)業(yè)布局、確定戰(zhàn)略定位，使半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)成為高科技發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，為科技建設(shè)和發(fā)展作出更大的貢獻(xiàn)。但是，當(dāng)前中國(guó)第三代半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展仍面臨一些瓶頸：缺乏頂層設(shè)計(jì)、原始創(chuàng)新能力和人才儲(chǔ)備不足。關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備緊缺，制造技術(shù)尚未完全成熟。中試平臺(tái)成本高，工程化技術(shù)水平較低。國(guó)產(chǎn)材料和器件難以進(jìn)入應(yīng)用供應(yīng)鏈，技術(shù)產(chǎn)業(yè)化能力較弱。

2024年11月15日，中國(guó)科學(xué)院微電子研究所劉新宇、湯益丹團(tuán)隊(duì)和中國(guó)科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心劉彥民團(tuán)隊(duì)共同研制的碳化硅（SiC）載荷系統(tǒng)，搭乘天舟八號(hào)貨運(yùn)飛船飛向太空。通過一個(gè)多月的在軌加電試驗(yàn)，碳化硅（SiC）載荷測(cè)試數(shù)據(jù)正常，成功進(jìn)行了高壓400V碳化硅（SiC）功率器件在軌試驗(yàn)與應(yīng)用驗(yàn)證，在電源系統(tǒng)中靜態(tài)、動(dòng)態(tài)參數(shù)均符合預(yù)期。這一成果標(biāo)志著在以“克”為計(jì)量的空間載荷需求下，碳化硅（SiC）功率器件有望牽引空間電源系統(tǒng)的升級(jí)換代。

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