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狭义半导体材料一般指电阻率为10-5~Ω·cm,介于金属和绝缘体之间的材料,是制作晶体管、集成电路、电力电子器件、光电子器件的重要基础材料。按此定义,半导体材料的范围也是十分广泛的。首先,半导体材料可分为无机半导体材料和有机半导体材料2大类[2]。
有机半导体材料:指具有半导体特性的有机化合物,如DAST晶体。
无机半导体材料:指由无机物构成的半导体材料,种类繁多,划分方法也有多种。
①按组分划分:可分为元素半导体材料和化合物半导体材料。化合物半导体材料又可划分为二元、三元等多元化合物半导体材料。二元化合物半导体材料又可分为Ⅱ-Ⅵ族、Ⅲ-Ⅴ族、Ⅳ-Ⅳ族、Ⅴ-Ⅵ族等化合物半导体材料[2]。
元素半导体材料:锗、硅、硒、金刚石等。
二元化合物半导体材料:Ⅱ-Ⅵ族:硫化锌、硒化隔、硫化镉等;Ⅲ-Ⅴ族,砷化镓、磷化铟、磷化镓、氮化镓、锑化铟、氮化铝等;Ⅳ-Ⅳ族,碳化硅、锗化硅等;Ⅲ-Ⅵ族,氧化镓等;Ⅴ-Ⅵ族,碲化铋等。三元化合物半导体材料:磷锗锌、砷锗隔、磷砷镓等。四元化合物半导体半导体材料:AlGaInP、InGaAsP等。五元化合物材料:AlGaInAsN等。
②按结晶状态划分:可分为晶体、非晶、固溶体等半导体材料。
③按禁带宽度划分:可分为窄禁带、宽禁带、超宽禁带等半导体材料。
④按光电子器件应用划分:可分为光电探测材料、发光材料、光电转换材料及太赫兹材料等。
光电探测材料又可分为红外探测、可见光探测及紫外探测。
红外探测:短波(1~3μm)为InSb、InAs;中波(3~5μm)为PbTe、PbSe;长波(8~12μm)为HgCdTe。可见光探测:Si等。
紫外探测:CdS、ZnO、Ga2O3、AlGaN、AlN等。发光材料(可发出红黄、蓝绿、激光等)。
⑤按微电子器件性能划分:可分为第一代、第二代、第三代、第四代等半导体材料,这种划分方法是目前使用频率最高的。
第一代半导体材料(元素半导体材料):锗、硅为代表。第二代半导体材料:(Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料)砷化镓、磷化铟为代表。第三代半导体材料(宽禁带半导体材料):碳化硅、氮化镓为代表。第四代半导体材料:(超宽禁带半导体材料)氮化铝、氧化镓、金刚石为代表。
还有二维半导体材料:石墨烯、MoS2、WS2等。
从表3可知,四代材料的优值具有数量级的差距,这也是微电子器件用半导体材料代系划分的主要依据,但它们有各自不同的应用领域,不完全是替代关系。其中一代的硅、锗材料,二代的砷化镓材料属于成熟材料,已广泛应用,尤其是硅材料在可预见的未来是不可替代的;二代的磷化铟材料,三代的碳化硅、氮化镓材料处于成长期,应用前景广阔;四代材料及二维材料处于培育期,具有重要应用价值。
表3微电子器件用半导体材料的优值比较[3]
结论
综上所述,半导体材料的范畴可划分为广义半导体材料和狭义半导体材料2类。广义半导体材料受市场环境的影响,其在集成电路芯片制造中的费用占比每年会有微小变动;按材料组分、结晶状态、禁带宽度、光电子器件应用及微电子器件应用等列举了狭义半导体材料的五种划分方法,并指出狭义半导体材料以代系划分仅限于微电子器件用,且它们有各自不同的应用领域,不完全是替代关系。建议使用半导体材料这个名词时,应在语境中表达清晰,明确表述是广义还是狭义。
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