半导体材料

半导体材料（半导体）是一类具有半导体性能（导电能力介于导体与绝缘体之间，电阻率约在1mΩ·cm～1GΩ·cm范围内），可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。半导体材料具有点缺陷、线缺陷、原生缺陷和二次缺陷等缺陷。

1833年，英国物理学家、化学家、数学家迈克尔·法拉第（Michael Faraday）首次发现了半导体的性质，并预言其他物质可能具有相似性质。19世纪20年代，半导体材料开始在工业中部分替代汞整流器和电动机- 发电机整流器。1947年，第一个晶体管问世，开启了电子学新时代，为半导体工业化生产和制备技术打下了基础。1963年成功开发了液相外延法，并出现了金属有机化学气相外延法等。1969年，江畸玲和朱肇祥首先提出了超晶格的概念。 2025年，中国在太空成功验证了首款国产碳化硅（SiC）功率器件。

半导体材料可按化学成分进行划分为元素半导体和化合成物半导体/复合半导体，将具有特殊结构和性能的非晶态半导体与液态半导体单独列为一类。半导体材料生产包括晶圆加工、氧化、光刻、刻蚀、薄膜沉积、互连、测试和封装，绝大多数半导体器件是在单晶片或以单晶片为衬底的外延片上作出的。成批量的半导体单晶都是用熔体生长法制成的。关键技术有晶体生长、杂质控制和离子注入。半导体材料具有杂质敏感性、热敏性、环境特性等主要特性。半导体产业作为高科技发展的支柱产业，为科技建设和发展作出巨大贡献。当前第三代半导体技术发展仍面临缺乏顶层设计、原始创新能力和人才储备不足等瓶颈。

发展历程

起源

19世纪是半导体材料的发现时期。英国物理学家迈克尔·法拉第和德国物理学家卡尔·费迪南德·布劳恩（Karl Ferdinand Braun）分别在1833年和1874年发现了硫化银和 pbs 的特殊导电性质，英国的威洛比.史密斯(Willoughby Smith)和德国物理学家舒斯特（Walter H Schottky）也发现了晶体及铜氧化物的整流效应。1893年，法国科学家贝克莱尔（Henri Becquerel）发现半导体和电解质接触形式的结在光照下会产生电压，即光生伏特效应。虽然这些特性在1880年之前已被发现，但直到1911年，考尼白格和维斯首次使用了“半导体”这个术语。

特性研究历史

20世纪初，人们对半导体了解有限，但对其应用进行了积极研究。20世纪20年代，固体物理和量子力学的发展以及能带论的完善深入研究了导体材料中的电子态和电子输运过程，对半导体材料的结构性能、杂质和缺陷行为有了更深入的认识，并加强了对晶体完整性和纯度的研究。20世纪50年代，为了改善晶体管特性和稳定性，半导体材料的制备技术得到了快速发展。尽管硅在微电子技术方面取得了巨大成功，但由于受到间接带隙的限制，硅基发光器件的研究进展较慢。随着半导体超晶格的提出和分子束外延、金属有机气相外延以及化学束外延等先进外延生长技术的进步，成功制备了一系列晶态、非晶态薄层和超薄层微结构材料。这不仅推动了半导体物理和器件设计制造的发展，从过去的“杂质工程”转向了“能带工程”，也为基于量子效应的新一代器件制造和应用奠定了基础。

20世纪50年代后期，科学家们开始加强对砷化镓等化合物半导体材料的研究。当时，化合物半导体的制备元素已经能够提纯到很高的纯度。为了解决化合物半导体在熔点下的分解压力问题，他们采用了水平布里奇曼法和液封直拉法等方法进行单晶生长。随着微波器件和光电子器件的发展，化合物半导体晶体材料朝着高纯度、高完整性和大直径的方向发展，并增加了应用的种类。外延技术的出现解决了化合物半导体制备中的一系列难题，包括提高纯度、降低缺陷、改善化学配比以及制作固溶体或异质结等问题。

生产制备

1958年，美国德州仪器（TI）的工程师杰克·基尔比（Jack Kilby）将5个元件（1个晶体管、1个电容和3 个电阻）制作在一个 1.2cm 长的晶片上，实现了人类历史上的第一块集成电路。此后，集成电路，尤其是数字集成电路进入了一个快速发展的时期。从20世纪80年代开始，随着纳米科学技术的发展，人们能够制造具有全新功能的材料与器件，如碳纳米管和量子点。这些新材料引领了人类进入“奇妙”的量子时代并将彻底改变人类生活方式。在20世纪90年代以后，第二代半导体材料如化（GaAs）磷化（InP）得到了广泛应用于通信、导航等领域，但这些材料资源稀缺，价格昂贵且有毒性，使用受到限制。

进入21世纪以后，随着通信技术的飞速发展，GaAs （砷化）、InP（磷化钢）等半导体材料成为新的市场需求，这也是第二代半导体材料，被称为“化合物半导体”。第二次世界大战时，为了应对空袭，英美联合研发雷达。雷达需要高频率，但电子管设备存在缺点，于是研究者考虑使用晶体检波器。最初尝试用硅，后来改进了制备方法。在1947年，第一个晶体管问世，开启了电子学新时代。锗检波器的发展也取得成功。这一进展来源于雷达技术，为晶体管的发明铺平了道路。通过两项重要技术突破，制备了高纯度的半导体材料，这为半导体工业化生产和制备技术打下了基础。

微观尺度上剪裁半导体

化学气相外延法至今仍旧是生产硅外延片的主要方法。一些微波二极管激光管、发光管、探测器等都是在外延片上做成的。除采用化学气相外延法外，1963年又成功开发了液相外延法，随后又出现了金属有机化学气相外延法等。1969年在美国工作的江畸玲于奈和朱肇祥首先提出了超晶格的概念，因为超晶格材料有原子级的精度，用当时的晶体生长与外延技术是生长不出这种超晶格材料的。为此，人们研究出分子束外延法，并用此方法于1972年生长出超晶格材料，从此半导体的性能可在微观尺度上剪裁。非晶及纳米晶半导体材料得到应用。

非晶硅薄膜制备工艺出现

1975年英国人斯皮尔在硅烷气体中进行辉光放电，所得非晶硅薄膜可进行掺杂，现在这种方法已成为生产非晶硅薄膜的主要工艺。用上述辉光放电化学气相沉积法以及微波激励化学气相沉积、磁控溅射等方法，可获得纳米级的微晶半导体材料。这种非晶及纳米晶半导体材料已初步显示出它们的应用前景。 2012年，唐爽和崔瑟豪斯夫人（Mildred Dresselhaus）在麻省理工学院提出准保罗·狄拉克材料、半狄拉克材料等新型半导体材料（唐-崔瑟豪斯理论）。这些新型半导体材料中的电子和空穴可以具有不同的相对论效应，或可引领下一代计算机芯片、能源装置的研发。

主要种类

以下是应用广泛的几种半导体材料：

分类

半导体材料可按化学成分进行划分为元素半导体和化合成物半导体/复合半导体，将具有特殊结构和性能的非晶态半导体和有机半导体分别归为一类。也可按照载流电子的导电形式和晶体结构来进行分类

按化学成分分

元素半导体：元素半导体是指单一元素构成的半导体，其中对硅、硒的研究比较早，它是由相同元素组成的具有半导体特性的固体材料，容易受到微量杂质和外界条件的影响而发生变化。目前，只有硅、锗性能好，运用得比较硒在电子照明和光电领域中应用。硅在半导体工业中运用得多，这主要因为能够在器件制作上形成掩膜，能够提高半导体器件的稳定性，利于自动化工业生产。元素半导体主要有 B、Si Ge、Se、Te、Ga、As、Sb 等。元素半导体具有高纯度要求、温度依赖性和光电特性等特点。生产制备方法包括单晶生长法、气相沉积法和分子束外延法。元素半导体被广泛应用于电子器件、光电器件、太阳能电池和热电材料等领域，推动着现代科技的不断发展。

化合成物半导体/复合半导体：化合物半导体分为二元系、三元系、多元系和有机化合物半导体。二元系化合物半导体有Ⅲ-Ⅴ族（如砷化镓、磷化镓、碳化硅等）。无机化合物合成物主要是通过单一元素构成半导体材料当然也有多种元素构成的半导体材料，主要的半导体材料有 IA族与VA、ⅥA、ⅦA族，IIB族与IVA、VA、VA、WA族，IA族与VA、VA族，IVA族与IVA、VIA族，VA族与VA 族，VA 族与VB族的化合物，但受到元素的特性和制作方式的影响，不是所有的化合物都能够符合半导体材料的要求。这些半导体主要运用到高速器件中，例如InP制造的晶体管的速度比其他材料都高主要运用到光电集成电路和抗核辐射器件中。电导率高的材料主要用于 LED等方面。化合成物半导体材料具有较小的带隙、热激发载流子、可控的载流子浓度、光电效应和良好的热稳定性等特性。

化合物半导体材料的制备技术比较复杂和困难，因为组元的挥发性导致熔体的化学剂量比难以维持。制备单晶材料通常采用水平珀西·布里奇曼法液封直拉法、高压液封直拉法、垂直梯度凝固法。而薄膜和超薄层微结构材料则可以通过液相外延、气相外延、分子束外延、金属有机化合物化学气相沉积法来制备。化合物半导体材料在各种电路、电子器件、超高速微电子器件和微波器件中都有广泛应用。

按特殊结构分

非晶态半导体：非晶态半导体，也称为无定形或玻璃半导体，是一种具有半导电性的材料。它的结构既有短程有序又有长程无序，类似于其他非晶材料。非晶态半导体通过改变原子相对位置，打破周期性排列，形成无定形结构。与晶态相比，非晶态半导体的主要区别在于原子排列没有长程规律性，且没有反映晶格完整性的特性参数。由于非晶态半导体的性能调控较为困难，随着技术的进步，它开始被广泛应用。非晶态半导体具有共价无规网络结构，典型的例子包括非晶硅、硫系非晶态半导体和玻璃态氧化物半导体。非晶态半导体的键长和键角发生畸变，形成无规的共价网络结构，能带边能态密度变化不陡，而是有不同程度的带尾。非晶态半导体中存在局域态和扩展态，扩展态中的电子可以在整个固体中自由运动，因此非晶态半导体在性质上与晶态半导体有所不同。非晶态半导体在太阳能电池、传感器、薄膜晶体管、摄像元件和光存储等领域有广泛的应用。非晶态半导体主要有非晶Si、非晶 Ge、非晶Te 、非晶 Se等元素半导体及GeTe、As 2 Te 3 、Se 2 As 3 等非晶化合物半导体。

按特殊性能分

有机合成物半导体：有机半导体材料具有热激活电导率，如，聚丙烯和聚二乙烯苯以及碱金属和蒽的配位化合物，有机半导体材料可分为有机化合物，聚合物和给体受体络合物三类。有机半导体芯片等产品的生产能力差，但是拥有加工处理方便，结实耐用，成本低廉，耐磨耐用等特性。有机半导体材料分子中含有碳键的化合物，把有机化合物中的碳键垂直，叠加的方式能够形成导带，通过的添加，能够让其进入能带，这样可以产生电导率，从而形成有机化合物半导体。这一半导体和以往的半导体相比，具有成本低、溶解性好、材料轻、加工容易的特点，可以通过控制分子的方式来控制导电性能，应用的范围比较广，主要用于有机薄膜、有机照明等方面。

按载流电子的导电形式分

n型半导体：在四价元素（硅或锗）的晶体中掺入五价元素（磷或砷等）时由于掺入的五价元素原子数比四价元素的原子数少很多，因此整个晶体结构基本上不变，只是某些位置上的四价元素原子被五价元素原子取代。而五价元素原子参加共价键结构只需 4 个价电子，那么多余的第5个价电子很容易挣脱原子核束缚而成为自由电子，五价元素原子则成为正离子。

p型半导体：在四价元素（硅或锗）的晶体中掺人三价元素（硼或等）时，由于掺人的三价元素原子数比四价元素的原子数少很多，因此整个晶体结构基本上不变，只是某些位置上的四价元素原子被三价元素原子取代。而三价元素原子参加共价键结构只有 3 个价电子，那么缺少的一个空位就成为空穴。

按晶体结构分

金刚石结构：金刚石结构是由同种原子组成的共价键结合的立方晶系复格子晶体结构，其晶体结构中每个原子有四个最近邻的同种原子，彼此之间以共价键结合。元素半导体硅，锗，a-Sn都是该类型的结构。

闪锌矿型结构：闪锌矿结构是由两种不同元素的原子分别组成面心晶格套构而成，具有四面体结构，立方对称。闪锌矿结构中的离子键成分使电子不完全公有，电子有转移，即“极化现象”。这与两种原子的电负性之差有关，X越大，离子键成分越大，极化越大。

纤锌矿型结构：纤锌矿结构在<111>方向上下两层不同原子是重叠的。纤锌矿晶体结构更适合于电负性差大的两类原子组成的晶体如Ⅲ-V化合物 BN、GaN、InN、Ⅲ-Ⅵ族化合物 ZnO、ZnS、 cds 、HgS等。

黄铜矿型半导体：具有黄铜矿型（CuFeS 2 ）的材料有半导体性质，其主要化学成份按元素周期表可以为II-IV-V 2和 I-Ⅲ-VI 2 两种，BeSiN 2 ，ZnGaN 2 ，MgSiP 2 等。

生产工艺

半导体材料生产涉及通用核心流程包括晶圆加工、氧化、光刻、刻蚀、薄膜沉积、互连、测试和封装等环节。而关键的制备技术则包括晶体生长技术、离子注入技术、提纯、杂质控制、单晶制备。

通用核心流程

晶圆是将硅（Si）或砷化镓（GaAs）制成的单晶柱体切割形成的圆薄片。要提取高纯度的硅材料需要用到硅砂，一种二氧化硅含量高达 95% 的特殊材料，也是制作晶圆的主要原材料。晶圆加工就是制作获取上述晶圆的过程。

氧化过程的作用是在晶圆表面形成保护膜。它可以保护晶圆不受化学杂质影响、避免漏电流进入电路、预防离子植入过程中的扩散以及防止晶圆在刻蚀时滑脱。

光刻是通过光线将电路图案“印刷”到晶圆上，可以将其理解为在晶圆表面绘制半导体制造所需的平面图。电路图案的精细度越高，成品芯片的集成度就越高，必须通过先进的光刻技术才能实现。光刻可分为涂覆光刻胶、曝光和显影三个工序。

在晶圆上完成电路图的光刻后，就要用刻蚀工艺来去除任何多余的氧化膜且只留下半导体电路图。要做到这一点需要利用液体、气体或等离子体来去除选定的多余部分。刻蚀的方法主要分为两种，取决于所使用的物质：使用特定的化学溶液进行化学反应来去除氧化膜的湿法刻蚀，以及使用气体或等离子体的干法刻蚀。

为了创建芯片内部的微型器件，需要不断地沉积一层层的薄膜并通过刻蚀去除掉其中多余的部分，另外还要添加一些材料将不同的器件分离开来。每个晶体管或存储单元就是通过上述过程一步步构建起来的。将包含所需分子或原子单元的薄膜放到晶圆上的过程就是“沉积”。

半导体的导电性处于导体与非导体（即绝缘体）之间，通过基于晶圆的光刻、刻蚀和沉积工艺可以构建出晶体管等元件，但还需要将它们连接起来才能实现电力与信号的发送与接收。

测试的主要目标是检验半导体芯片的质量是否达到一定标准，从而消除不良产品、并提高芯片的可靠性。另外，经测试有缺陷的产品不会进入封装步骤，有助于节省成本和时间。电子管芯分选（ EDS ）就是一种针对晶圆的测试方法。

刚切割下来的芯片很脆弱且不能交换电信号，需要单独进行处理。这一处理过程就是封装，包括在半导体芯片外部形成保护壳和让它们能够与外部交换电信号。整个封装制程分为五步，即晶圆锯切、单个晶片附着、互连、成型和封装测试。

关键技术

晶体生长技术

包括化学气相沉积（CVD）、分子束外延（MBE）、金属有机化学气相沉积（MOCVD）等方法，用于在单晶衬底上生长出高纯度的半导体晶体。

离子注入技术

通过将离子注入到半导体晶体中，改变其电学性质。离子注入可以用于形成P型或N型半导体，以及调节局部的电学特性。

提纯

所有的半导体材料都需要对原料进行提纯，其提纯方法分为化学提纯和物理提纯两类：物理提纯是不改变材料化学组成的提纯方式；化学提纯是先将元素变成化合物进行提纯，再把提纯后的化合物还原成元素的提纯方式。提纯纯度要求在6个"9"以上，最高可达11个"9"以上。化学提纯包括热解法、萃取法、化合物精馏法、配位化合物法和化学吸附法，而物理提纯则包括真空蒸发法、区熔法和直拉单晶法。每种方法都有其提纯原理，但并非适用于所有物质和杂质。因此，半导体材料通常采用多种方法组合工艺流程，以达到高纯度要求。例如，对于锗，区熔法虽可提高纯度，但需要高纯度原料，并且去除杂质效果不佳。因此，先进行萃取或精馏净化，再进行区熔提纯，才能达到高纯度要求。

杂质控制

在杂质控制方面，离子色谱、电感耦合等离子体质谱、液质联用仪和气质联用仪为半导体制造提供无机化合物和有机杂质控制的业界高水平分析技术，除了常规痕量无机阴离子、阳离子和金属离子的检测方案外，在生产过程中产生的多种原因不明成分进行定性、定量的高解析度质量分析。

单晶制备

目前常用的单晶制备方法包括：

特性

半导体材料具有多种主要特性，其中包括杂质敏感性、热敏性、光敏性、环境特性、电场和磁场效应。此外，还有其他特性，如载流子浓度和迁移率、禁带宽度、少数非平衡载流子的寿命以及掺杂等特性。这些特性对于半导体材料的性能和应用具有重要影响。

主要性能指标

其他性能指标

缺陷类型

半导体材料中缺陷种类多，行为也相当复杂。一般来讲半导体中的缺陷是指结构缺陷或物理缺陷。从空间尺度上划分，缺陷一般可分为点、线、面、体四类；在工程上缺陷又分为原生缺陷和二次缺陷。

应用

半导体材料广泛应用于多个领域，包括照明、电力电子器件、新能源领域、移动通信领域和军事领域等。LED、太阳能电池、晶闸管和集成电路等半导体器件在这些领域中发挥着重要作用，推动了技术进步和应用创新。

半导体照明

化合物半导体的应用领域不断扩展，特别是在照明系统方面，为国民经济带来了节能效益。基于LED的半导体光源具有众多优点，如小巧、低热量、低功耗、长寿命、快速响应、环保、抗冲击、可回收、无污染、平面封装和适于轻薄产品开发等。LED已广泛应用于大屏幕显示、交通信号灯、手机背光等领域，逐渐进入城市亮化、景观照明、家居照明、LCD显示器背光等领域。考虑到照明占据电力消耗的20%，采用LED照明成为节能的关键。发达国家已经淘汰白炽灯，积极推广LED照明以应对全球温室效应。中国 LED产业起步于20世纪70年代，得到政府支持，迅速发展。通过示范工程，LED灯具得到广泛应用，实现了大规模节电。中国功率型白光LED的光效已达到国际水平，自主知识产权的硅基LED芯片产业化也蓬勃发展。

电力电子器件

工业电机系统

在传统工业控制领域，功率器件在交流电机控制、工业传动装置、机车与列车用电源以及供暖系统传动装置等方面起着关键作用。宽禁带半导体变频驱动器在工业电机系统中的应用提供了更高效和更紧凑的解决方案，使电机的转速能够实现动态调整。这使得泵、风机、压缩机和空调系统中的电机能够更高效地工作，从而节省能源。据报道，美国制造业中电机系统的能耗占比约为70%，通过采用宽禁带半导体变频驱动器，美国每年可以直接节省相当于100万户家庭年度电力消耗的电量。随着宽禁带半导体变频驱动器的更广泛应用，最终可以为690万户美国家庭提供电力节省。

消费电子产品

消费电子产品是化合物半导体应用的重要领域。现如今，家庭拥有大量电器设备，它们通常需要各种不同功率器件进行控制。同时，公共场所的设备，如空调、照明、装饰、显示、计算机和自动控制等，也需要大量功率器件如图3所示。虽然单个消费电子产品（如笔记本电脑、智能手机、平板电脑、计算机和服务器）的电源转换器功耗不高，但由于数量庞大，总体能耗仍然巨大。化合物半导体芯片可以降低整流器在交直流转换过程中的能量损失，减少笔记本电源适配器的体积。通过广泛应用宽禁带半导体，美国在这个领域节省的电力相当于供给130 万户家庭的用电量。

新能源领域

太阳能电池就是利用光伏效应产生电力输出的半导体器件。以单晶硅电池为例，太阳电池的基本结构自上至下为玻璃盖板及透明胶粘剂层、减反射层、正面电极、n 型材料层、p 型材料层、背电极（又称基片电极）、衬底（又称基底），其中核心结构为 p-单结结构。光照射电池时，正电极与背电极之间产生光生电压，接上负载后可以对外做电功。各国政府为减少温室气体排放，正在大力发展可再生能源。太阳能和风能发电需要将产生的直流电转换成交流电以与电网连接。

移动通信领域

当前，移动通信技术正从第四代（4G）逐渐过渡到第五代（5G），5G将支持众多应用，包括物联网、人工智能、大数据、云计算、智能家居和智能驾驶等。这些应用需要性能强大的半导体芯片。5G通信要求更高的工作频率、更宽的带宽和高线性性能，这需要多功能、多频段和多模式的移动终端。单一的硅技术无法满足所有需求，因此系统级封装（SIP）成为解决方案，通过不同工艺如硅、锗硅和砷化锦等在同一封装中优化不同功能，为化合物半导体带来了新的发展前景。

军事领域

自1987年起，美国政府与研究机构创立 CREE 公司，专注碳化硅半导体研究。此后，美国国防部和能源部启动“宽禁带半导体技术计划”和“ 氮化物电子下一代技术计划”以推动SiC和GaN技术。这导致了全球激烈竞争，欧洲和日本也展开相关研究。欧洲的“KORRIGAN”和“GREAT2”计划面向国防、航天应用。日本通过多个计划推进第三代半导体在通信领域的应用。多年来，发达国家在宽禁带半导体材料、器件和系统方面取得重要进展，广泛应用于军事国防领域。

发展趋势

由于美国的施压，国内正在逐渐替代进口半导体关键设备，这已经成为趋势。为确保长期稳定的设备供应，国内芯片制造商会更加重视国内设备厂商，并寻求多元化的供应渠道和新的供应商，来减少对单一供应商的依赖。同时，国内也在推动供应链本土化以及培养国内供应商，以缩短供应周期并减少对关键供应商的依赖。

通过近百年的发展，第三代半导体材料已经出现了不少成熟的技术，在新兴产业中起着重要作用，并受到相关保护组织和消费者的充分认可。因此，中国的政府和企业应该重视半导体材料的研发，科学地进行产业布局、确定战略定位，使半导体产业成为高科技发展的支柱产业，为科技建设和发展作出更大的贡献。但是，当前中国第三代半导体技术发展仍面临一些瓶颈：缺乏顶层设计、原始创新能力和人才储备不足。关键生产设备紧缺，制造技术尚未完全成熟。中试平台成本高，工程化技术水平较低。国产材料和器件难以进入应用供应链，技术产业化能力较弱。

2024年11月15日，中国科学院微电子研究所刘新宇、汤益丹团队和中国科学院空间应用工程与技术中心刘彦民团队共同研制的碳化硅（SiC）载荷系统，搭乘天舟八号货运飞船飞向太空。通过一个多月的在轨加电试验，碳化硅（SiC）载荷测试数据正常，成功进行了高压400V碳化硅（SiC）功率器件在轨试验与应用验证，在电源系统中静态、动态参数均符合预期。这一成果标志着在以“克”为计量的空间载荷需求下，碳化硅（SiC）功率器件有望牵引空间电源系统的升级换代。