半导体材料分类比较（半导体基础之半导体材料）

什么是半导体

半导体（ Semiconductor），指常温下导电性能介于导体（Conductor）与绝缘体（Insulator）之间的材料。其导电性可受控制，范围可从绝缘体至导体之间的材料，可作为信息处理的元件材料。常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等，而硅更是各种半导体材料中，在商业应用上最常见且最具有影响力的一种。从科技或是经济发展的角度来看，半导体非常重要，很多电子产品，如计算机、手机、智能终端，汽车等的核心控制单元都是利用半导体的电导率变化来处理信息。

绝缘体：电导率较低，约介于20－18S/cm～10－8S/cm, 如熔融石英及玻璃。

导 体： 电导率较高，介于104S/cm～106S/cm，如铝、银等金属。

半导体：电导率则介于绝缘体及导体之间。

最常见的半导体材料，就是地表含量最多的硅(Si)，硅原子本身具有四个价电子，分别位在sp3的四个轨域中，由于每个轨域需拥有2个电子，以形成八隅体的稳定状态，正好在纯硅中，每个硅原子都与四个硅原子相邻，并且与这四个外围硅原子共享轨域，形成硅原子间的共价结构，如图所示，此种共价结果相当稳定，不存在自由电子，也因此纯硅的导电性极差。

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硅原子结构

但是，如果我们在纯硅中掺入少许的砷(As)或磷(P)，每个砷或磷原子会取代某个硅原子，仍与四个硅原子相邻，需要四个电子以形成四个共价键，由于砷或磷原子的最外层有五个电子，却只与硅共享四个电子，因而多出了一个可自由活动的电子，也就是自由电子，这种架构就是所谓的n型半导体，

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掺砷或磷,多出自由电子

如下图所示。如果我们在纯硅中掺入少许的硼(B)，就反而少了一个电子，而形成一个电洞，这样就形成p型半导体，此时若在硅晶两端加电压，就能使电子产生自由移动而显著地增加其导电性。

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掺硼,形成电子空穴

分类：

半导体材料很多，按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。

锗（Ge）和硅（Si）是最常用的元素半导体；元素半导体材料是指由单体元素构成的半导体材料，包括锗、硅、硒、硼、碲、锑等。上世纪50年代，锗占主导地位，由于锗的开采成本高、储量低和性能不如硅，锗半导体器件的耐高温和抗辐射性能较差，到60年代后期逐渐被硅材料取代，目前主要以硅基和化合物材料共生共存的半导体材料格局。

化合物半导体材料主要是由两种或两种以上元素构成的，主要有砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）、碳化硅（SIC）等。此类化合物半导体材料的优点有高电子迁移率、高频率、宽幅频宽、高线性度、高功率、材料多元性以及抗辐射等。

砷化镓（GaAs）：主要运用于通讯领域，受益于通信射频中的功率放大器（PA），GaAs微波射频器件（射频芯片、基带芯片）越来越广泛应用于移动手机、无线局域网络、光纤通讯、卫星通讯、卫星定位、GPS 汽车导航等领域，市场占有率最高；

氮化镓（GaN）：大功率、高频性能更加出色，主要运用于军事、汽车、新能源等领域；

碳化硅（SiC）：则主要运用于汽车及工业电力电子领域，在大功率转换应用中优势明显。

随着现代科学与技术的发展，硅材料在半导体制作上逐渐趋向物理极限，已经无法满足一些超高规格电子产品对高功率，高频率和高压等苛刻条件。因此，可以通过以硅材料为衬底，化合物材料在硅材料外延生长制成单晶片，也能满足射频芯片、功率器件对高频、高压、高功率的需求，在一定程度上缓解了硅材料性质的劣势。

但是要满足90%以上基础需求，硅基半导体有着更大的应用领域。硅基半导体主要运用于逻辑器件、存储器、分立器件（功率二极管、三极管、晶闸管）等。主要用于AI、手机、IOT、5G通信领域。

半导体产品的类别应该怎么去区分呢？

按照国际通行的半导体产品标准方式进行分类，半导体可以分为四类：集成电路，分立器件，传感器和光电子器件，这四类可以统称为半导体元件

半导体的分类，按照其制造技术可以分为：集成电路器件，分立器件、光电半导体、逻辑IC、模拟IC、储存器等大类，一般来说这些还会被分成小类。

以应用领域、设计方法等进行分类，虽然不常用，但还是按照IC、LSI、VLSI（超大LSI）及其规模进行分类的方法。

按照其所处理的信号，可以分成模拟、数字、模拟数字混成及功能进行分类的方法。

二、为什么硅材料会被用在芯片材料呢？

理论上来说，所有半导体都可以作为芯片材料，但是硅材料为什么最适合做芯片，主要原因有下：

（1）按地球元素含量排行，依次为：氧＞硅＞铝＞铁＞钙＞钠＞钾……可以看到硅排在了第二位，含量巨大，硅元素（石英砂）在地壳中占到27.7%，降低半导体的材料成本，这也让芯片有了几乎取之不尽用之不竭的原材料；

（2）硅元素化学性质和物质性质都十分稳定，最早的晶体管其实是使用半导体材料锗来制作的，但是因为温度超过75℃时，导电率会出现较大变化，做成PN结后锗的反向漏电流比硅大，因此选取硅元素作为芯片材料更加合适；

（3）硅材料本身无毒无害，对环境无害，算是清洁能源。其实提纯对环境污染也挺严重的，这也是其被选于用作芯片的制造材料的重要原因之一。

（4）天然绝缘体，可通过加热形成二氧化硅绝缘层，防止半导体漏电现象，因此在晶圆制造时减去表面沉积多层绝缘体步骤，降低晶圆制造生产成本。

（5）制作工艺成熟，以硅材料制作的半导体硅片技术发展，从1970年的2英寸硅片进步至2020年的18英寸硅片。经过长时间的发展，与其他半导体材料相比较，硅材料的应用技术更加成熟且更具有规模效益，在这样的条件下，硅材料显得“物美价廉”，这样的特质给予了硅材料不可替代的行业地位。

二、晶圆制造原理：（参考书籍：《半导体故事》[英] 约翰·奥顿 著，姬扬 译）

第一步：粗炼Si，用焦炭和石英砂在高温电弧炉中反应，得到纯度不高的Si。

方程式：SiO2 C→Si CO2

第二步：用HCl精炼Si，利用CuCl作为催化剂，把Si转化为SiHCl3（纯度7个9），再通入H2通过化学气相沉积法把SiHCl3转化回Si（纯度9个9）。

方程式：Si HCl→SiHCl3 H2；SiHCl3 H2→Si HCl

这里的Si是多晶硅，多晶硅存在晶格失配和位错，会导致原子未排列在正确的位置上，在晶界存在电荷，这就会产生能带弯曲。那么，自由电子和空穴在传输过程中就会被散射，大大降低了自由载流子的迁移率。这也是这一步中得到的Si不能投入使用的原因之一。

第三步：Si提纯是提拉法（如图），把熔化Si的放在石墨坩埚里面，使用感应法加热（热电偶），之后又放在石英容器里，通过纯氢气体作为清洁氛围。再把作为种子的籽晶放在垂直棒的前端，再放入熔化的Si里面。因为籽晶表面会吸附熔化物，在垂直棒不断缓慢旋转和提拉的过程中（大约是每个小时提拉10cm），可以长出直径比籽晶大得多的体材料晶体。这就是俗称的提拉法。提拉法的巧妙之处之一是，通过轴的旋转控制了温度和几何构性的不均匀性带来的影响，使得Si不仅有极高的纯度，还有良好的单晶性。

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提拉法示意图

第四步：切割单晶硅圆柱能得到片状单晶硅晶圆。像集成电路需要的高纯Si就是Si晶圆，从而构成了制造芯片的地基。

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