第7章半导体材料的应用1半导体材料的应用总的说来可分为两大类，一类是制作半导体器件；一类是作光学窗口、透半导体材料的应用总的说来可分为两大类，一类是制作半导体器件；一类是作光学窗口、透镜等。镜等。 7.1 半导体器件的分类半导体器件的分类半导体器件可分为两大类，一类称为分立器件（半导体器件可分为两大类，一类称为分立器件（discrete part），另一类为集成电路），另一类为集成电路（integrated circiut，简称，简称IC）。）。分立器件可分为：分立器件可分为：（1）晶体二极管；）晶体二极管；（2）晶体三极管；）晶体三极管；（3）发光二极管；）发光二极管；（4）激光管；）激光管；（5）电力电子器件；）电力电子器件；（6）电子转移器件；）电子转移器件；（7）能量转换器件；）能量转换器件；（8）敏感元件。）敏感元件。集成电路可分为：集成电路可分为：（1）Si 集成电路；集成电路；（2）GaAs集成电路；集成电路；（3）混合集成电路。）混合集成电路。其中其中Si集成电路按其结构又可分为：集成电路按其结构又可分为：（1）双极型电路；）双极型电路；（2） 金属金属-氧化物氧化物-半导体（半导体（MOS）型电路；）型电路；（3）双极）双极MOS（BiMOS）电路等。）电路等。 第7章半导体材料的应用各种器件所用的材料及主要原理见表7.1。下面就一些有代表性的器件作一简要的介绍。2表7.1 主要半导体器件所用材料及其工作原理*由于本书内容的限制，未对这些效应与原理加以说明。3PN（a）V扩dNdP（b） 图3.6 pn结原理示意图7.2 晶体二极管二极管是具有一个pn结，或具有与pn结相类似的肖特基势垒的器件。其原理已在第四章中介绍过。u当这两块半导体结合成一个整体时，如图3.6(b), p 型半导体中有大量的空穴，而n型半导体中有大量的电子，他们向相对方向扩散，但这种扩散并非无休止的，因为这种扩 散打破了边界附近的电中性，空穴进入n型区与电子复合，而失去电子的离子便形成正电势；在p型区则因同样的道理而形成负电势，这样便在边界附近形成了电位差，称为内建势场（电场），或称扩散电势。u这个势场根据同性相斥、异性相吸的原理，会防止空穴与电子的进一步扩散，而达到平衡，这个平衡的电势用V扩表示，这就构成pn结。4 图3.6 pn结原理示意图V扩（c）V外V扩（d）V外n当加上外加电场V外时：u如果正极接到p 型区，负极接到n型区，见图3.6中(c)，因为半导体材料具有一定的电导率，因此电压降的主要部分却落在了阻挡层上，这时外加电场与内建电场相反，于是降低了内建电场，减少了阻挡层的厚度，使电流顺利通过。u而当电场方向相反时，内建电场与外加电场相叠加，见图3.6中(d)，增加了阻挡层的厚度，使电流不能通过。这就是结的整流作用。n当电压方向使pn结导通时，称为正向偏置，n当电压方向使阻挡层加厚时，称为反向偏置。5二极管主要应用于整流与检波。二极管主要应用于整流与检波。n交流电压加在pn结上时，如使正电压接于p型区，负电压接于n型区时电流就通过，而当电压方向相反时电流就被阻挡，其伏安特性如图7.1。图7.1 pn结二极管的伏安特性反向饱和电流Vb-击穿电压I击穿电流正向电流V从 图中可以看出当电压为正向偏置时，所获电流为正向电流，可达几千安培，而电压为反向偏置时，通过的电流为几毫安培，或小于1 毫安。6n反向电流是由于少数载流子产生的，即反向电流是由于少数载流子产生的，即在在p区有少量的电子，因为在区有少量的电子，因为在p区主要是空区主要是空穴，而少量的电子是呈平衡状态的，同样穴，而少量的电子是呈平衡状态的，同样在在n区也有少数载流子区也有少数载流子-空穴。这些载流空穴。这些载流子落入到阻挡层则被吸引到对方，形成电子落入到阻挡层则被吸引到对方，形成电流，这种电流强度与所加的电压无关，因流，这种电流强度与所加的电压无关，因此在被击穿前是一个常数。此在被击穿前是一个常数。n在正常掺杂浓度下，击穿是由于在正常掺杂浓度下，击穿是由于pn结的结的反向偏置电压高到一定的程度时，少数载反向偏置电压高到一定的程度时，少数载流子具有很大的能量，以致发生碰撞电离流子具有很大的能量，以致发生碰撞电离现象，顿时产生大量的载流子使电流猛增，现象，顿时产生大量的载流子使电流猛增，失去整流的效应。失去整流的效应。n对用作整流器的二极管而言，耐反向电对用作整流器的二极管而言，耐反向电压是个重要的指标，材料的电阻率愈高，压是个重要的指标，材料的电阻率愈高，耐压愈高。单个硅的二极管的耐压可达几耐压愈高。单个硅的二极管的耐压可达几千伏。千伏。 图3.6 pn结原理示意图V扩（c）V外V扩（d）V外7u二极管可用于整流、检波、混频、稳压、参量放大等。所用的材料为硅、锗、硒、砷化镓等。二极管可用于整流、检波、混频、稳压、参量放大等。所用的材料为硅、锗、硒、砷化镓等。u有的器件在有的器件在pn结中间加一个高阻层，称结中间加一个高阻层，称i层，这就是层，这就是pin二极管。例如微波用的碰撞雪崩渡越时二极管。例如微波用的碰撞雪崩渡越时间二极管（间二极管（IMPATT）就是这种结构。）就是这种结构。u利用肖特基势垒的二极管称肖特基二极管。利用肖特基势垒的二极管称肖特基二极管。u利用异质结构成的二极管称为异质结二极管。利用异质结构成的二极管称为异质结二极管。u耿氏器件也有两个端子，但没有耿氏器件也有两个端子，但没有pn结也称为耿氏二极管，它是利用电子的导电的转移而产生微结也称为耿氏二极管，它是利用电子的导电的转移而产生微波振荡，又称转移电子器件。作这种器件的材料有砷化镓与磷化铟。波振荡，又称转移电子器件。作这种器件的材料有砷化镓与磷化铟。8太阳光是由不同频率的电磁波所组成的。电磁波的能量可用hn 来表示，其中h为普朗克常数，n为电磁波的频率。当太阳光照到当太阳光照到带带pn结的半导体表面时，其中结的半导体表面时，其中hn nEg，即，即能量大于其禁带宽度的光就可以激发价带能量大于其禁带宽度的光就可以激发价带中的电子，使之形成电子中的电子，使之形成电子-空穴对空穴对 。这些电这些电子与空穴受结内建电场的作用，子与空穴受结内建电场的作用，p区与区与n区区的少数载子可穿过的少数载子可穿过pn结向对方流动，也就结向对方流动，也就是说，是说，p区中的电子流入区中的电子流入n区区 ，而，而p区中的区中的空穴则受内建电场的排斥则留空穴则受内建电场的排斥则留p区，区，n 区的区的少数载流子空穴也同样流向少数载流子空穴也同样流向p区。区。这样pn结就起了分割载流子的作用而形成电势。这种效应称为光生伏打效应。将p区与n区用导线联结，就可形成电流，这就是太阳电池发电的原理，见图7.2。 7.3 太阳电池 其基本结构亦为pn结，通常只有一个pn结。它的工作原理见图7.2。P型硅型硅N型硅型硅+ 图7.2 太阳电池的发电原理图Pn结P型半导体n型半导体入射光电子空穴9太阳能电池的分类太阳能电池的分类:按运用分：有空间电池和地面电池按材料分：有硅太阳电池和化合物太阳电池。按工艺分：有常规制造工艺（热扩散）、外延结（液相外延和气相外延）和化学气相沉积。按PN结结构分：有同质结、异质结、平面结、垂直结和多结电池。按光学特性分：聚光电池、背反射电池、紫光电池和绒面电池。按照光伏电池材料的组成和结构，可以将其分成如下几类：按照光伏电池材料的组成和结构，可以将其分成如下几类：（1）单晶硅太阳能电池（2）多晶硅太阳能电池（3）非晶硅太阳能电池（4）多元化合物太阳能电池（5）聚光太阳能电池下面将按材料组成和结构予以较详细的分类。下面将按材料组成和结构予以较详细的分类。10按材料组成和结构分类：按材料组成和结构分类：染料敏化太阳能电池 目前最主要目前最主要光伏材料光伏材料硅材质HIT异质材料夹层（异质结）晶体硅多晶硅块单硅晶块非晶硅薄膜微晶硅薄膜镉碲（II-VI族化合物）薄膜太阳能电池III-V族化合物多元化合物(铜铟镓二硒、GaAlAs/GaAs、InP、CdS/Cu2S、CuInSe2 ）等太阳能电池化合物半导体11 目前，单晶硅太阳能电池变换效率最高，已达以上，但价格也最贵。非晶态硅太阳电池变换效率最低，但价格最便宜，今后最有希望用于一般发电的将是这种电池。一旦它的大面积组件光电变换效率达到，每瓦发电设备价格降到美元时，便足以同现在的发电方式竞争。 当然，特殊用途和实验室中用的太阳电池效率要高得多。如美国波音公司开发的由砷化镓半导体同锑化镓半导体重叠而成的太阳能电池，光电变换效率可达，快赶上了燃煤发电的效率，但是由于它太贵，目前只能限于在卫星上使用。12不同不同太阳能电池的市占率太阳能电池的市占率 2005 年世界光伏市场中，各种太阳电年世界光伏市场中，各种太阳电池占据的比重池占据的比重2 当今的光伏技术中，硅太阳能电池技术当今的光伏技术中，硅太阳能电池技术是主要技术。图是主要技术。图 1 1 给出了给出了 2005 2005 年，世界年，世界光伏市场中，硅太阳能电池占据的比重为光伏市场中，硅太阳能电池占据的比重为 87%287%2。硅是地壳中含量第二的元素，所以，。硅是地壳中含量第二的元素，所以，生产硅太阳电池的原材料非常容易获得。而生产硅太阳电池的原材料非常容易获得。而且硅太阳电池的性能稳定，使用寿命长。由且硅太阳电池的性能稳定，使用寿命长。由于硅太阳电池技术是建立在半导体工业技术于硅太阳电池技术是建立在半导体工业技术之上，所以，这个技术被普遍地接受和理解。之上，所以，这个技术被普遍地接受和理解。 目前，尽管硅太阳电池在光伏领域中占目前，尽管硅太阳电池在光伏领域中占据主要地位，但是在能源供应中并不是主要据主要地位，但是在能源供应中并不是主要的供应来源。无论是国内还是国外，它还仅的供应来源。无论是国内还是国外，它还仅仅是一种辅助供应能源的方式。与水电，火仅是一种辅助供应能源的方式。与水电，火电和核电相比，硅太阳能电池的电力价格是电和核电相比，硅太阳能电池的电力价格是比较高的，所以，它的成本回收周期需要很比较高的，所以，它的成本回收周期需要很长时间长时间22。居高不下的成本是限制硅太阳。居高不下的成本是限制硅太阳电池成为主要供能方式的关键因素。电池成为主要供能方式的关键因素。13n首先我们先看 E-B间的pn结，根据3.2节所述，它处于正向偏置，即pn结的导通方向，有大量的空穴由发射极E进入n区，我们再看看另一个pn结，根据其电源的接法属于反向偏置，即n区的电子受电场的作用不能进入p区，但空穴可自由地进入p区。于是从E处到达n区的空穴就在电场的作用下进入p区而到达C极，即收集极。从而在反向偏置的pn结中产生了电流，这就是晶体管工作的基础。n通过专门的设计，特别是把中间的基区作得很薄，使从发射极注入的载流子在基极内被复合得很少，大部分进入到收集极，使其电流接近于发射极电流，而且随发射极的电流变化而变化，这虽对电流未起放大作用，但由于B-C 间处于反向偏置、反向电阻很高，于是产生电压放大和功率放大的作用。其放大倍数可达1000以上。 7.4 晶体三极管是用半导体材料制成的具有三个端子的器件，简称晶体管。它是重要的分立器件、也是构成集成电路的主要元件。晶体三极管的种类很多，基本可分为两大类：结型晶体管和场效应晶体管。7.4.1 结型晶体管它有两个pn结，于是就有两种结构，即npn或pnp。现以pnp为例来说明基本工作原理（见图7.3）。 图7.3 晶体三极管工作原理图输出信号ECBnpp14n一种电压控制的器件，其原理如图7.4 所示。例如是在一块n型半导体薄片的上下两边，各作一个重掺p型层以p+示之。所形成的电极称为栅极（G)，p+与n型材料之间形成pn结。对这两个栅极施加反向偏置，根据前面所述的结pn原理，此时的pn结的空间电荷区要扩张，见图内虚线所示，这样在这个电荷区之间便形成一个沟道。于是就可以调节从源（S ）到漏（D）之间的电阻，直至完全关断。7.4.2 场效应晶体管n因为这种类型的晶体管只靠多数载流子导电，与少数载流子的寿命无关，少数载流子寿命短的材料也可制作这类器件。n用作此种晶体管的材料有硅、砷化镓等。n与其类似的还有肖特基势垒栅场效应晶体管和绝缘栅场效应晶体管。n所有的场效应管，只有一种载流子（电子或空穴）参加导电故称为单极型晶体管。n而上述的结型晶体管有两种载流子，即空穴与电子同时参加导电，故称双极型晶体管。图7.4 场效应晶体管工作原理示意图P+P+GDSnnG15 图7.5 发光二极管发光原理示意图（外加正向偏压时） 7.5 发光二极管n是利用pn结进行发光的器件，当向其pn结通入正向电流时，可发出红外光或可见光。我们在前面已经说过，半导体材料的导带与价带间存在着禁带。导带中的电子数与价带中的空穴数取决于材料的禁带宽度、温度与杂质，当这些条件被确定并达到平衡后，其载流子浓度即为常数，这种载流子称为平衡载流子。n要想实现发光必需要有某种激发过程以不断提供过剩的载流子，也称非平衡载流子，通过这些非平衡载流子的复合以实现发光。n所谓复合，就是被激活的电子又回到价带与空穴复合并释放出能量。要想使这个过程能不断地发生，可以通过pn结，如图7.5所示。16n当在结上加上正向电压时，大量的空穴进入p区，大量的电子流入n 区，这就可形 成不断复合、不断提供载流子的过程。n如果禁带是直接跃迁型的（即直接禁带），那么这复合所释放的能量就可以变成光，光的波长l 为：l l =hc/Eg (7-1)其中h为普朗克常数； c为光速；Eg为禁带宽度。因h与c均为常数 ，如Eg的单位为电子伏(eV）时，l l=1240/Eg (nm) (7-2)n如果材料的禁带是间接型的，电子与空穴直接复合的几率很小，是通过声子进行复合，而声子把能量传给晶格，造成材料发热，这就形成了非辐射复合。n所以多采用直接禁带材料作发光二极管，对某些间接禁带材料只有采取专门的措施，才能用于发光。17n可见光的波长为390760nm，根据(7-2)式计算，应选择禁带宽度在1.643.18eV之间的半导体。n硅、锗的禁带宽度小，且为间接禁带，不能作发光二极管材料。nGaAs是直接禁带，其禁带宽度为1.43eV，是良好的红外发光管材料，该器件已批量生产。n在可见光区域内使用的半导体材料有GaP、GaN、SiC及各种固溶体。n固溶体在发光二极管中得到大量应用的原因是可以利用其组成的变化来调整其禁带宽度，表7.2列出了发光二极管所用的主要半导体材料及其结构。n磷化镓的禁带宽度为2.26eV，但它的禁带是间接型的。为了提高GaP的发光效率，在其中掺入N或Zn-O对，这些杂质在其中可形成等电子陷阱，通过这种陷阱所形成束缚激子的复合亦可发光。这方面的机理已超出本书范围，所以只在这里提一下。nGaP是发光二极管使用最多的晶体材料。18表7.2 发光二极管的主要材料结构与发光性能19u长期困扰发光二极管发展的一个难题是它发光的颜色不全：只有红色、橙色、黄色、黄绿长期困扰发光二极管发展的一个难题是它发光的颜色不全：只有红色、橙色、黄色、黄绿色，没有纯绿色及蓝色的产品。根据三基色的原理，缺少这两种颜色就不能形成全色显示。色，没有纯绿色及蓝色的产品。根据三基色的原理，缺少这两种颜色就不能形成全色显示。u 最近这一难题在氮化镓材最近这一难题在氮化镓材 料上获得了突破。料上获得了突破。nGaN的的 禁带宽度为禁带宽度为3.39eV ，以，以 此为基础，可制出短波长的此为基础，可制出短波长的 发光二极管，但长期由于无法发光二极管，但长期由于无法进行进行p型掺杂而未能型掺杂而未能 实现。实现。n于于1989年发现了对掺年发现了对掺Mg的的GaN进行专门的处理，可获得低阻进行专门的处理，可获得低阻p型材料。型材料。n最近利用最近利用GaInN固溶体已制成纯绿色和纯蓝色发光管。并有相当高的发光效率。固溶体已制成纯绿色和纯蓝色发光管。并有相当高的发光效率。n在这里，材料工艺起了重要的作用，除了上述的突破外，大批量的外延生长并保证其性能有在这里，材料工艺起了重要的作用，除了上述的突破外，大批量的外延生长并保证其性能有高度的均匀性、一致性，以及单异质结、双异质结、量子阱的生长技术等对制作发光管都是高度的均匀性、一致性，以及单异质结、双异质结、量子阱的生长技术等对制作发光管都是很重要的。很重要的。20n人类的视觉对不同颜色的光也就是不同人类的视觉对不同颜色的光也就是不同波长的光的感受能力不同，称为视感度又波长的光的感受能力不同，称为视感度又称流明效率。图称流明效率。图7.6示出主要发光二极管示出主要发光二极管的发光波长与视感度的相互关系。的发光波长与视感度的相互关系。n发光二极管是重要的显示器件。是目前发光二极管是重要的显示器件。是目前生产规模最大的化合物半导体器件。生产规模最大的化合物半导体器件。图7.6 发光二极管与视感度的关系视感度（lm/W)波长（mm）GaAsP黄GaP绿GaAsP橙GaAsP深橙GaAsP红GaAlP红GaP红SiC蓝红橙黄绿蓝紫40050060070040010070021n半导体材料可用来制作激光发射器件，它的激发方式有两种，一种是电注入激光二极管，它是靠电能直接一种是电注入激光二极管，它是靠电能直接激发发射出激光，激发发射出激光，另一种则靠光泵进行另一种则靠光泵进行激发。激发。n注入注入式激光二极管式激光二极管的结构见图7.7所示。当向pn结施加正向偏置时，根据上述发光二极管的原理可产生pn结发光，这种发光属于上述的自发发射。n如果继续提高电压与电流有可能产生受激发射，而产生激光。n对注入式激光二极管而言，产生这种受激发射的条件是：半导体材料应具有直接禁带，产生粒子数反转，具有光谐振腔。图7.7 激光二极管结构示意图7.6 激光二极管n只有在直接禁带的半导体材料中，电子与空穴直接复合几率才能很高。n激光是高密度的单色光，没有很高的复合几率是无法实现的。n所谓粒子的反转，对半导体而言，就是导带中能级上电子的占有率大于价带中相对应能级的占有率。22n我们知道，在没有电场的作用下，导带中各能级的电子占有率要比价带中能级的电子占有率低几个数量级。n当激光二极管的正向电流大于 一定数值时，大量的电子与空穴被注入，就可能产生这种“反转”，n当受到能量为Eg = hn 的光量子作用时（这种光量子也可能来自自发发射）就产生受激发射。n谐振腔是由厚度为几十微米的pn结和与结面垂直的两组平面构成谐振腔（见图7.7）。上面所说的当电流增大到一定临界值时就产生激光发射，这个临界电流值称为阈值电流，这时，光功率与电流的关系发生突变，如图7.8。图7.8 激光二极管的电流与光输出的关系图7.7 激光二极管结构示意图 23n上述这种简单的激光二极管由于它的阈值电流较大，在室温下，还未达到阈值电流时，二极管就因电流过大而形成 的温升所烧毁，因此只能在液氮下工作。n进一步的改进是采用异质结；开始是单异 质结，然后是双异质结。双异质结是把一种具有直接禁带的薄层材料生长在两个禁带宽度比它大的材料之间（直接或间接禁带均可），图7.9示出了 n-GaAlAs/p-GaAs/p-GaAlAs的结构及原理。n这种异质结可以在电学与光学上起双重作用，一方面由于外部材料的禁带比较宽，可以把载流子限制在结区内，使其更有利于发光，同时由于两种材料的折射率不同，使光限制在有源区内。采用这种方法，获得了激光二极管的室温连续发射。图7.9 双异质结激光二极管工作原理示意图24再进一步的发展则是采用量子阱结构。如果我们把双异质结构中间薄层的厚度进一步减薄至10nm左右，即达到电子的德布子罗意波长的范围内，就形成了量子阱结构，电子在垂直于异质结方向运动时就被量子化。采用这种结构就进一步地降低阈值电流，也可改善光的单色性，并可对光的波长进行一些调节。为了增加有源区的厚度，可作成多量子阱结构。许多直接禁带半导体材料都可以用来制作激光二极管的有源层，根据所需的波长不同，常选用固溶体材料，图列出了一些固溶体的发光波长。常用的衬底材料有GaAs、InP、GaSb等。半导体激光二极管具有结构简单、可直接用电进行激发、便于调制、体积小等优点。在光通讯、测距、制导、光存储、激光 打印 、条码扫描、 CD唱盘等方面得到广泛的应用。随着信息技术的发展，将会有更美好的前景。 图7.10 一些固溶体材料的激光波长波长（mm）25集成电路的种类很多，其中单片式电路可分为MOS 型电路与双极型电路两大类。MOS是金属-氧化物-半导体（metal-oxide-semiconductor）的简称，由它们构成的场效应晶体管（见7.4.2）与电阻、电容等元件所组成。 图7.11 MOS电路单元结构示意图7.7 金属-氧化物-半导体（MOS）型集成电路图7.11 示出了MOS电路结构的示意图，这里显示出的只是一个晶体管，将它们联结可组成各种电路。26金属-氧化物-半导体（MOS）型集成电路可分为PMOS、NMOS、CMOS等。靠N型型沟道工作的称NMOS；相反，如靠P型沟道工作的，称PMOS，如图7.11（a），如果一个NMOS与一个PMOS组合成一个单元则称为CMOS，见图7.11（c），C是complementary，即互补（补充）的意思，所以CMOS可译成互补型金属-氧化物-半导体。MOS型电路具有工艺简单、容易制作高集成度电路、功耗低等优点，因此它的产量大，现在的超大规模、特大规模集成电路都是MOS型。27是把多个4.7.1节所述的结型晶体管与电阻电容等元件作在一个硅片上。它的单元结构示意图见图7.12。由图可见，在p型衬底上先用扩散等方法作成重掺的n型埋层，然后再进行外延获得n型外延层。因此外延是制作双极型电路的手段。从发射极（E）到基极（B）之间是np组成pn结，然后基极与收集极（C）之间是靠基极的p区与外延层形成的pn结，而C区的的n层则起导电作用。而两边两个p区是利用它 与外延层所形成pn结起到晶体管与晶体管或其他元件间的隔离作用。双极型电路的速度快，工作频率高。缺点是功耗大，集成度相对比较低 ，用量没有MOS大。图7.12 双极型电路单元结构示意图 B-基极；E- 发射极；C-收集极。 7.8 双极型集成电路28半导体材料已显示出它的许多独特的性能，得到了广泛的应用，并在此基础上建立了庞大的产业，引起了社会的巨大变革。那么它的发展是否已达到了顶峰？我们认为，它的潜力还很大，基于以下一些原因，在可望的将来，它仍将高速发展，它在人类社会中的地位将变得更为重要。（1）微电子学、光电子学都将以很高的速度继续发展。其中集成电路的集成度以每3年增大4倍的速度继续发展，其市场平均增长率为15%左右。信息高速公路，即国家的以及全球的信息基础设施是人类历史上空前的巨大工程。这为研究开发半导体，扩大半导体材料市场开辟了广阔的天地。估计在不远的将来，信息产业将成为全球的第一大产业。这个产业除本身的价值外，还会对其他产业起增值的作用。（2）半导体在军事技术上的应用日益重要。有人称海湾战争是半导体芯片战胜钢铁的战争。在这次战争以后，许多国家都投入很大的力量，进行军事电子学及其所需的半导体材料的研究。这对半导体技术进步起重要的推动作用。（3）新技术的发展将有赖于半导体技术。生产过程的自动化已使许多生产过程由机器人、机械手来完成，这不但大幅度地提高劳动生产率，而且改变着生产的面貌，这个趋势将带动半导体的发展。另外，能源与人类生活关系密切，太阳电池发电是无污染的可再生能源的一种，同时半导体电力电子器件又可显著地节约能源。 第8章展望29（4）半导体的新材料、新结构、新现象为今后发展开拓了新的方向。以量子阱、超晶格为代表的“能带工程”才刚刚起步。一些新的器件如单电子晶体管等都会对半导体材料提出新的要求。多孔硅的发光等新现象还会不断的出现。所有这些方面都会推动半导体材料向新的阶段发展。据此，我们认为半导体材料的主要发展趋势如下所述。（1）硅的优势地位在可预见的将来不会发生显著的变化。因为集成电路所用的硅材料占其市场的80%以上，而集成电路仍在高速度向前发展。而且在一些领域，如电力电子器件，尚无其他材料可取代硅。硅外延片所占的比例将会明显地增大，SOI材料和SiGe/Si材料将会得到较大的发展。（2）化合物半导体材料在品种上、品质上将会得到进一步的发展，发展的重点将是GaAs、InP、GaN 等III-V族化合物以及ZnSe、CdTe、HgCdTe等II-VI族化合物。（3）大直径单晶制备技术及超精度晶片加工工艺将得到进一步的发展。硅单晶的直径已达300mm，正在研究开发直径400mm的硅单晶及硅片。而化合物半导体单晶的直径也将增大。目前存在的增大直径的问题将会得到解决。晶片的几何精度、表面质量、表面洁净度都将得到改善。（4）在低维结构材料方面，将会有更多的材料与结构，其应用也将扩大，特别是在光电子学方面。因此量子阱、超晶格的制备技术，尤其是其批量生产技术将会有所突破。（5）随着材料制备技术的发展，相应的检测技术也将得到发展，如精度达原子级的分析技术、表面与结构的检测技术、在线检测技术等都会得到相应的发展。（6）新的材料、新的现象、新的制备工艺将会不断地出现。总之，半导体材料的发展将把人类带向更美好的未来30