半导体 | 半导体材料及特性
半导体材料是介于金属和介质材料之间的一类材料，它拥有特定的电性能和物理性能，这些性能使得半导体器件电路具有独特的性能，其一个特性就是可以通过掺杂工艺增加特定的元素来改变和控制其电性能。半导体材料在芯片制程的重要性不言而喻，这篇文章介绍一下半导体材料的发展、分类、性质等。
一、半导体材料的发展
第一代半导体材料：“元素半导体”。20世纪50年代以来,以硅(Si)、锗(Ge)为代表的第一代半导体材料的出现,取代了笨重的电子管,促使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。人们最常用的CPU、GPU等产品,都离不开第一代半导体材料的功劳。可以说是第一代半导体材料奠定了微电子产业的基础。
硅在光伏领域应用产业链
第二代半导体材料：以GaAs为代表的二元、三元以及四元化合物半导体材料禁带宽度在1.5eV左右的GaAs系列半导体材料。在20世纪60年代，由于硅材料的带隙较窄、电子迁移率和击穿电场较低等原因,硅材料在光电子领域和高频高功率器件方面的应用受到诸多限制。因此,以砷化镓(GaAs)为代表的第二代半导体材料开始崭露头角,使半导体材料的应用进入光电子领域,尤其是在红外激光器和高亮度的红光二极管方面，应用于毫米波器件、卫星通讯、移动通讯和GPS导航等领域，与此同时，4G通信设备因为市场需求增量暴涨，也意味着第二代半导体材料为信息产业打下了坚实基础。
半导体材料主要性能参数比较
第三代半导体材料：以SiC、GaN为代表，其特征是禁带宽度在3.0eV左右的“宽禁带”，又称为“宽禁带半导体材料”。在20世纪80年代，人们希望半导体元器件具备耐高压、耐高温、大功率、抗辐射、导电性能更强、工作速度更快、工作损耗更低特性。于是，以碳化硅、氮化镓等为代表，其具备高击穿电场、高热导率、高电子饱和速率及抗辐射能力等优异性能的第三代半导体出现，适用于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件，可大幅提升能源转换效率，降低系统成本。在国防、航空航天、新能源汽车、光伏储能等领域有着广泛的应用前景。
半导体主要材料及应用
在材料领域的第一代，第二代，第三代并不具有“后一代优于前一代”的说法。硅（Si）和化合物半导体是两种互补的材料，化合物的某些性能优点弥补了Si晶体的缺点，而Si晶体的生产工艺又明显的有不可取代的优势，且两者在应用领域都有一定的局限性，因此在半导体的应用上常常采用兼容手段将这二者兼容，取各自的优点，从而生产出符合更高要求的产品，如高可靠、高速度的国防军事产品。因此第一、二代是一种长期共同的状态。
第三代则有望全面取代：第三代宽禁带半导体材料，可以被广泛应用在各个领域，消费电子、照明、新能源汽车、导弹、卫星等，且具备众多的优良性能，可突破第一、二代半导体材料的发展瓶颈，故被市场看好的同时，随着技术的发展有望全面取代第一、二代半导体材料。
二、半导体材料的分类
根据应用领域分类:微电子材料、光电子材料、光伏材料等；
根据材料的晶体结构分类:单晶半导体材料、多晶半导体材料、非晶半导体材料；
根据材料形状分类:块体半导体材料、薄膜半导体材料；
根据材料的组分构成分类:无机半导体、有机半导体、有机/无机复合半导体。
无机半导体分为：元素半导体和化合物半导体
元素半导体：B,C, Si, Ge, Se, Sn,P, As 等十二种，但除了Si、Ge、Se之外，都没有实用价值，主要是熔点太高，难以制备单晶，杂质太多，难以提纯
化合物半导体：Ⅲ -V, Ⅱ-VI, Ⅳ-Ⅳ,Ⅳ-Ⅵ:GaAs, Cds, SiC, PbS；金属氧化物: Cu2O；过渡金属氧化物: Cr2O3；磁性半导体:CdCr2S4；稀土化合物:EuO等等
三、半导体电学特性和结构特性1）电学特性电阻率特点:10-6-108Ω.cm；杂质、温度、光、电对其影响
导电性特点:
金属材料:只有一种导电类型:电子。数量多，电流大，迁移率大。
半导体材料:电子(负电)导电，n型半导体空穴(正电)导电，p型半导体
光电性特点:
电致发光：在p-n结上加电压，发出激光
光生伏特效应：p-n结被光照，产生电子和空穴，产生电流---太阳能电池
2）结构特性
半导体材料的高纯特性
半导体材料的主要电学特性是电阻率(电导率)，它取决于载流子浓度和载流子迁移率；
为了保证利用电活性掺杂剂准确控制载流子浓度，半导体材料本身必须高纯，没有(或尽量少)杂质；
在制备半导体材料时，需要高纯的原材料，杂质越少越好；
半导体材料的晶格完整性
半导体材料要少缺陷；
器件失效；
硅材料中的缺陷；
四、物态及等离子体
常见的物质状态主要有以下三种：
固态：物质分子间的距离较小，排列有序，具有固定的形状和体积。有较高的密度和硬度，分子运动相对缓慢。
液态：分子间距离较大，相对无序，但能保持一定的体积。具有流动性，能够适应容器的形状。
气态：分子间距离很大，无序且无固定形状和体积。可以迅速扩散，容易压缩。
此外，还有一些特殊的物质状态，如：等离子态(由带电粒子组成的气体状物质，存在于高温或强电场等环境中)、超固态（具有超高密度的物质状态）、玻色-爱因斯坦凝聚态（玻色子在低温下凝聚形成的一种特殊状态）等等。
其中，等离子体是由部分电子被剥夺后的原子及原子团被电离后产生的正负带电粒子组成的混合物。在等离子体中，正负电荷粒子自由运动，且具有良好的导电性和导热性，在工艺气体上施加高能射频场可以诱发等离子体。它可用于半导体技术中促使气体混合物化学反应。等离子体在许多领域都有重要应用，例如：
工业制造：材料处理、薄膜沉积等；
照明：例如荧光灯和等离子体显示器；
太空探索：火箭推进器中的等离子体引擎；
科学研究：核聚变等；
环保领域：废气处理等。
五、半导体材料中的酸、碱和溶剂
半导体工艺中需要大量化学液体来刻蚀、清洗、冲洗晶圆和其他器件。化学家们把这些化学品分为三大类：
酸
碱
溶剂
其中酸碱的强度和反应用pH来衡量，如下图：
溶剂是不带电的，pH为中性。水就是溶剂，实际上它溶解其他物质的能力最强。在晶圆工艺中，还比较常用酒精和丙酮，大部分溶剂是易挥发、易燃的，要在通风良好的地方使用，按照规程存储，这是非常重要的。
总之，半导体材料具有特殊导电性能，它的导电性介于导体和绝缘体之间，这使其在电子技术领域具有重要地位。半导体材料广泛应用于集成电路、晶体管、激光技术、光电子器件等方面，是现代电子工业的基础。其性能可通过掺杂等方式进行调控，从而实现各种电子器件的设计和制造，为信息处理、通信、计算机技术等领域的发展提供了关键支撑。