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半导体体材料料是指指电阻阻率在在10-3~108Ωcm,介介于金金属和和绝缘缘体之之间的的材料料。半半导体体材料料是制制作晶晶体管管、集集成电电路、、电力力电子子器件件、光光电子子器件件的重重要基基础材材料,,支撑撑着通通信、、计算算机、、信息息家电电与网网络技技术等等电子子信息息产业业的发发展。。
电子信信息产产业规规模最最大的的是美美国。。近几几年来来,中中国电电子信信息产产品以以举世世瞩目目的速速度发发展,,,折折合2200~~2300亿美美元,,产业业规模模已超超过日日本位位居世世界第第二((同期期日本本信息息产业业销售售收入入只有有1900亿美美元)),成成为中中国第第一大大支柱柱产业业。半半导体体材料料及应应用已已成为为衡量量一个个国家家经济济发展展、科科技进进步和和国防防实力力的重重要标标志。。
在半导导体产产业的的发展展中,,
硅、锗锗称为为第一一代半半导体体材料料;
将***化化镓、、磷化化锢、、磷化化镓、、***化化锢、、***化化铝及及其合合金等等称为为第二二代半半导体体材料料;
将宽禁禁带(Eg>)的的氮化化镓、、碳化化硅、、硒化化锌和和金刚刚石等等称为为第三三代半半导体体材料料。
上述材材料是是目前前主要要应用用的半半导体体材料料,三三代半半导体体材料料代表表品种种分别别为硅硅、******化镓镓和氮氮化镓镓。
材料的的物理理性质质是产产品应应用的的基础础,表表1列列出了了主要要半导导体材材料的的物理理性质质及应应用情情况。。表中中禁带带宽度度决定定发射射光的的波长长,禁禁带宽宽度越越大发发射光光波长长越短短(蓝蓝光发发射);禁禁带宽宽度越越小发发射光光波长长越长长。其其它参参数数数值越越高,,半导导体性性能越越好。。电子子迁移移速率率决定定半导导体低低压条条件下下的高高频工工作性性能,,饱和和速率率决定定半导导体高高压条条件下下的高高频工工作性性能。。
表1主主要要半导导体材材料的的比较较
材料
Si
GaAs
GaN
物
理
性
质
禁带宽度(ev)
饱和速率(×10-7cm/s)
热导(W/c·K)
击穿电压(M/cm)
电子迁移速率(cm2/V·s)
1350
8500
900
应
用
情
况
光学应用
无
红外
蓝光/紫外
高频性能
差
好
好
高温性能
中
差
好
发展阶段
成熟
发展中
初期
相对制造成本
低
高
高
硅材料料具有有储量量丰富富、价价格低低廉、、热性性能与与机械械性能能优良良、易易于生生长大大尺寸寸高纯纯度晶晶体等等优点点,处处在成成熟的的发展展阶段段。目目前,,硅材材料仍仍是电电子信信息产产业最最主要要的基基础材材料,,95%以以上的的半导导体器器件和和99%以以上的的集成成电路路(IC)是用用硅材材料制制作的的。在在21世纪纪,它它的主主导和和核心心地位位仍不不会动动摇。。但是是硅材材料的的物理理性质质限制制了其其在光光电子子和高高频高高功率率器件件上的的应用用。
***化镓镓材料料的电电子迁迁移率率是硅硅的6倍多多,其其器件件具有有硅器器件所所不具具有的的高频频、高高速和和光电电性能能,并并可在在同一一芯片片同时时处理理光电电信号号,被被公认认是新新一代代的通通信用用材料料。随随着高高速信信息产产业的的蓬勃勃发展展,******化镓镓成为为继硅硅之后后发展展最快快、应应用最最广、、产量量最大大的半半导体体材料料。同同时,,其在在军事事电子子系统统中的的应用用日益益广泛泛,并并占据据不可可取代代的重重要地地位。。
从表1看出出,选选择宽宽带隙隙半导导体材材料的的主要要理由由是显显而易易见的的。氮氮化镓镓的热热导率率明显显高于于常规规半导导体。。这一一属性性在高高功率率放大大器和和激光光器中中是很很起作作用的的。带带隙大大小本本身是是热生生率的的主要要贡献献者。。在任任意给给定的的温度度下,,宽带带隙材材料的的热生生率比比常规规半导导体的的小10~~14个数数量级级。这这一特特性在在电荷荷耦合合器件件、新新型非非易失失性高高速存存储器器中起起很大大的作作用,,并能能实质质性地地减小小光探探测器器的暗暗电流流。
宽带隙隙半导导体材材料的的高介介电强强度最最适合合用于于高功功率放放大器器、开开关和和二极极管。。宽带带隙材材料的的相对对介电电常数数比常常规材材料的的要小小,由由于对对寄生生参数数影响响小,,这对对毫米米波放放大器器而言言是有有利用用价值值的。。电荷荷载流流子输输运特特性是是许多多器件件尤其其是工工作频频率为为微波波、毫毫米波波放大大器的的一个个重要要特性性。