半导体文章

分类: 资源共享 问题描述: 我要写一篇课程结课文章，题目是“非晶态半导体的电学性质”，谁能提供点资料啊？！ 解析: 以非晶态半导体材料为主体制成的固态电子器件。非晶态半导体虽然在整体上分子排列无序，但是仍具有单晶体的微观结构，因此具有许多特殊的性质。1975年，英国.斯皮尔在辉光放电分解硅烷法制备的非晶硅薄膜中掺杂成功，使非晶硅薄膜的电阻率变化10个数量级，促进非晶态半导体器件的开发和应用。同单晶材料相比，非晶态半导体材料制备工艺简单，对衬底结构无特殊要求，易于大面积生长，掺杂后电阻率变化大，可以制成多种器件。非晶硅太阳能电池吸收系数大，转换效率高，面积大，已应用到计算器、电子表等商品中。非晶硅薄膜场效应管阵列可用作大面积液晶平面显示屏的寻址开关。利用某些硫系非晶态半导体材料的结构转变来记录和存储光电信息的器件已应用于计算机或控制系统中。利用非晶态薄膜的电荷存储和光电导特性可制成用于静态图像光电转换的静电复印机感光体和用于动态图像光电转换的电视摄像管的靶面。 具有半导体性质的非晶态材料。非晶态半导体是半导体的一个重要部分。50年代.科洛米耶茨等人开始了对硫系玻璃的研究，当时很少有人注意，直到1968年.奥弗申斯基关于用硫系薄膜制作开关器件的专利发表以后，才引起人们对非晶态半导体的兴趣。1975年.斯皮尔等人在硅烷辉光放电分解制备的非晶硅中实现了掺杂效应，使控制电导和制造PN结成为可能，从而为非晶硅材料的应用开辟了广阔的前景。在理论方面，.安德森和莫脱，.建立了非晶态半导体的电子理论，并因而荣获1977年的诺贝尔物理学奖。目前无论在理论方面，还是在应用方面，非晶态半导体的研究正在很快地发展着。 分类 目前主要的非晶态半导体有两大类。 硫系玻璃。含硫族元素的非晶态半导体。例如As-Se、As-S，通常的制备方法是熔体冷却或汽相沉积。 四面体键非晶态半导体。如非晶Si、Ge、GaAs等，此类材料的非晶态不能用熔体冷却的办法来获得，只能用薄膜淀积的办法(如蒸发、溅射、辉光放电或化学汽相淀积等)，只要衬底温度足够低，淀积的薄膜就是非晶态结构。四面体键非晶态半导体材料的性质，与制备的工艺方法和工艺条件密切相关。图1 不同方法制备非晶硅的光吸收系数 给出了不同制备工艺的非晶硅光吸收系数谱，其中a、b制备工艺是硅烷辉光放电分解，衬底温度分别为500K和300K，c制备工艺是溅射，d制备工艺为蒸发。非晶硅的导电性质和光电导性质也与制备工艺密切相关。其实，硅烷辉光放电法制备的非晶硅中，含有大量H，有时又称为非晶的硅氢合金；不同工艺条件，氢含量不同，直接影响到材料的性质。与此相反，硫系玻璃的性质与制备方法关系不大。图2 汽相淀积溅射薄膜和熔体急冷成块体AsSeTe的光吸收系数谱 给出了一个典型的实例，用熔体冷却和溅射的办法制备的AsSeTe样品，它们的光吸收系数谱具有相同的曲线。 非晶态半导体的电子结构 非晶态与晶态半导体具有类似的基本能带结构，也有导带、价带和禁带(见固体的能带)。材料的基本能带结构主要取决于原子附近的状况，可以用化学键模型作定性的解释。以四面体键的非晶Ge、Si为例，Ge、Si中四个价电子经sp杂化，近邻原子的价电子之间形成共价键，其成键态对应于价带；反键态对应于导带。无论是Ge、Si的晶态还是非晶态，基本结合方式是相同的，只是在非晶态中键角和键长有一定程度的畸变，因而它们的基本能带结构是相类似的。然而，非晶态半导体中的电子态与晶态比较也有着本质的区别。晶态半导体的结构是周期有序的，或者说具有平移对称性，电子波函数是布洛赫函数，波矢是与平移对称性相联系的量子数，非晶态半导体不存在有周期性， 不再是好的量子数。晶态半导体中电子的运动是比较自由的，电子运动的平均自由程远大于原子间距；非晶态半导体中结构缺陷的畸变使得电子的平均自由程大大减小，当平均自由程接近原子间距的数量级时，在晶态半导体中建立起来的电子漂移运动的概念就变得没有意义了。非晶态半导体能带边态密度的变化不像晶态那样陡，而是拖有不同程度的带尾(如图3 非晶态半导体的态密度与能量的关系 所示)。非晶态半导体能带中的电子态分为两类：一类称为扩展态，另一类为局域态。处在扩展态的每个电子，为整个固体所共有，可以在固体整个尺度内找到；它在外场中运动类似于晶体中的电子；处在局域态的每个电子基本局限在某一区域，它的状态波函数只能在围绕某一点的一个不大尺度内显著不为零，它们需要靠声子的协助，进行跳跃式导电。在一个能带中，带中心部分为扩展态，带尾部分为局域态，它们之间有一分界处，如图4 非晶态半导体的扩展态、局域态和迁移率边 中的和，这个分界处称为迁移率边。1960年莫脱首先提出了迁移率边的概念。如果把迁移率看成是电子态能量的函数，莫脱认为在分界处和存在有迁移率的突变。局域态中的电子是跳跃式导电的，依靠与点阵振动交换能量，从一个局域态跳到另一个局域态，因而当温度趋向0K时，局域态电子迁移率趋于零。扩展态中电子导电类似于晶体中的电子，当趋于0K时，迁移率趋向有限值。莫脱进一步认为迁移率边对应于电子平均自由程接近于原子间距的情况，并定义这种情况下的电导率为最小金属化电导率。然而，目前围绕著迁移率边和最小金属化电导率仍有争论。 缺陷 非晶态半导体与晶态相比较，其中存在大量的缺陷。这些缺陷在禁带之中引入一系列局域能级，它们对非晶态半导体的电学和光学性质有着重要的影响。四面体键非晶态半导体和硫系玻璃，这两类非晶态半导体的缺陷有着显著的差别。 非晶硅中的缺陷主要是空位、微空洞。硅原子外层有四个价电子，正常情况应与近邻的四个硅原子形成四个共价键。存在有空位和微空洞使得有些硅原子周围四个近邻原子不足，而产生一些悬挂键，在中性悬挂键上有一个未成键的电子。悬挂键还有两种可能的带电状态：释放未成键的电子成为正电中心，这是施主态；接受第二个电子成为负电中心，这是受主态。它们对应的能级在禁带之中，分别称为施主和受主能级。因为受主态表示悬挂键上有两个电子占据的情况，两个电子间的库仑排斥作用，使得受主能级位置高于施主能级，称为正相关能。因此在一般情况下，悬挂键保持只有一个电子占据的中性状态，在实验中观察到悬挂键上未配对电子的自旋共振。1975年斯皮尔等人利用硅烷辉光放电的方法，首先实现非晶硅的掺杂效应，就是因为用这种办法制备的非晶硅中含有大量的氢，氢与悬挂键结合大大减少了缺陷态的数目。这些缺陷同时是有效的复合中心。为了提高非平衡载流子的寿命，也必须降低缺陷态密度。因此，控制非晶硅中的缺陷，成为目前材料制备中的关键问题之一。 硫系玻璃中缺陷的形式不是简单的悬挂键，而是“换价对”。最初，人们发现硫系玻璃与非晶硅不同，观察不到缺陷态上电子的自旋共振，针对这表面上的反常现象，莫脱等人根据安德森的负相关能的设想，提出了MDS模型。当缺陷态上占据两个电子时，会引起点阵的畸变，若由于畸变降低的能量超过电子间库仑排斥作用能，则表现出有负的相关能，这就意味着受主能级位于施主能级之下。用 D、D、D 分别代表缺陷上不占有、占有一个、占有两个电子的状态，负相关能意味着： 2D —→ D+D 是放热的。因而缺陷主要以D、D形式存在，不存在未配对电子，所以没有电子的自旋共振。不少人对D、D、D缺陷的结构作了分析。以非晶态硒为例，硒有六个价电子，可以形成两个共价键，通常呈链状结构，另外有两个未成键的 p电子称为孤对电子。在链的端点处相当于有一个中性悬挂键，这个悬挂键很可能发生畸变，与邻近的孤对电子成键并放出一个电子(形成D)，放出的电子与另一悬挂键结合成一对孤对电子(形成D)，如图 5 硫系玻璃的换价对 所示。因此又称这种D、D为换价对。由于库仑吸引作用，使得D、D通常是成对地紧密靠在一起，形成紧密换价对。硫系玻璃中成键方式只要有很小变化就可以形成一组紧密换价对，如图6 换价对的自增强效应 所示，它只需很小的能量，有自增强效应，因而这种缺陷的浓度通常是很高的。利用换价对模型可以解释硫属非晶态半导体的光致发光光谱、光致电子自旋共振等一系列实验现象。 应用 非晶态半导体在技术领域中的应用存在着很大的潜力，非晶硫早已广泛应用在复印技术中，由.奥夫辛斯基首创的 As-Te-Ge-Si系玻璃半导体制作的电可改写主读存储器已有商品生产，利用光脉冲使碲微晶薄膜玻璃化这种性质制作的光存储器正在研制之中。对于非晶硅的应用目前研究最多的是太阳能电池。非晶硅比晶体硅制备工艺简单，易于做成大面积，非晶硅对于太阳光的吸收效率高，器件只需大约1微米厚的薄膜材料，因此，可望做成一种廉价的太阳能电池，现已受到能源专家的重视。最近已有人试验把非晶硅场效应晶体管用于液晶显示和集成电路。

# 科技 热点评#

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那么，问题来了，这个结论从何而来呢？

接下来，我将通过三个维度来分析。

半导体是一种导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，也是芯片的原材料。

半导体这种材料，可以制成集成电路、光电器件、分立器件、传感器等具体产品。所以半导体芯片，可以看成是一个行业。

先说下国家目标，2025年要实现芯片自给率70%，而目前只有30%，空间巨大。

从这个上面的国家目标中，我们可以看出半导体，在我国的发展前景是非常好的。

那么，问题来了，投资半导体，到底赚不赚钱？

答案：非常赚钱。

从上面的例子中，我们可以看出，投资半导体非常赚钱。

虽然，上面我们讲到了，这些年投资芯片的回报率是很高的（投资需谨慎），但是，从全行业来看，半导体和芯片并不是一个特别赚钱的行业。其实，比半导体更赚钱的行业还有很多。

同时，半导体不是谁想做就能做的，不然芯片就跟白菜一样烂大街了，这里边有很多的技术难关需要攻克。

在国内，半导体行业还有很大的发展空间，因为国家在大力扶持自主研发芯片。近年来，随着材料生产、器件制备等技术的不断突破，第三代半导体的性价比优势逐渐显现并正在打开应用市场。

未来，将广泛应用于5G基站、新能源 汽车 、特高压、数据中心等场景，而我国正好也在大力支持新能源 汽车 的发展。

国内半导体行业，未来可期！

电子发烧友网报道（文/吴子鹏）对于美国半导体的“圈子文化”，电子发烧友网曾经有过专门报道，在题为《美国大搞IC圈子文化，多个联盟先后成立，中国芯要警惕这个问题》文章中，笔者着重分析了美国组建各个半导体联盟的目的，并点出了在美国这些联盟中，各成员之间的心并不齐。借用著名电影《无间道》里面的经典台词，那就是：有“内鬼”。 近日，日媒报道称，美国打算和日本两国组建一个“美日芯片同盟”，将此描述为“最安全”的技术同盟。这个联盟有两个主要目的：一是美日联手攻克先进制造工艺2nm研发和量产，摆脱全球芯片先进制造工艺对韩国和中国台湾的依赖；二是美日联盟将打造一个近乎封闭的半导体供应链，杜绝核心关键技术外泄到中国大陆。 这个新联盟的出现无疑印证了笔者此前的推论，在美国建立的所谓“美国半导体联盟SIAC”、“Chip 4联盟”和“Mitre Engenuity联盟”中，包括台积电、三星和欧洲一众IDM厂商，这些公司定然是出工不出力的。回过头来，或者是厂商自己，或者是当地政府又会继续搞自己的技术研究，因为部分政府和企业并不想完全被美国拿捏住。 但我们需要注意到的是，根据相关报道，此次的“美日芯片同盟”是由日本方面发起的，美国虽然可能是最大受益方，但这一次却是受邀方，那么这个新的联盟和新的发起方式会起到不一样的效果吗？ 在全面解读“美日芯片同盟”之前，我们说一个结论，这个联盟的出现让此前的Chip 4联盟成了一个笑话，因为这明显是一个“自己人”掉转枪头打“自己人”的行为，必然让韩国和中国台湾非常不爽。 那么从另一个方面来说，日本此举算是完全投美国所好，帮助美国完善目前处于第二梯队水平的芯片制造环节。 根据日媒的报道，日本政府之所以主动出击迎合美国政府，一个重要的原因是台积电对于芯片制造技术的管理和保密非常严格，不会在中国台湾岛以外的地方建立尖端工艺的晶圆代工厂。虽然台积电美国工厂规划的工艺是5nm，但这个工厂的进度非常缓慢，预计将会在2024年才会出第一批量产产品，从规划到量产跨越了4年多，这和台湾岛内5nm工厂小于18个月的建设速度完全不可同日而语，以台积电的速度，2025年该公司预计将开始量产2nm，因此美国5nm工厂也差不多满足了工艺至少落后两代的要求。 并且，日媒的评估更为悲观，认为台积电在美国和日本的工厂仍然将会是以10-20nm工艺为主流，这让美日领先的半导体厂商依然要对台积电在台湾岛的先进晶圆代工厂非常依赖。 按照当前的规划，“美日芯片同盟”不仅要攻克2nm的研发和制造，还会建立一个非常安全的供应链体系，在这方面，日本政府手里算是带着诱人筹码的。我们都知道日本在半导体材料和设备方面拥有不俗的实力，尤其是前者。 比如在硅片供应上，根据相关机构截止到2020年9月份的统计数据，日本信越化学在全球硅晶圆制造市场的份额高达，稳居第一，第二名同样是日本企业，日本胜高（SUMCO）的市场份额为。虽然环球晶圆在收购Siltronic AG之后超越了胜高，但并不影响日本厂商在硅晶圆制造市场过半的市占比。 而在半导体材料的光刻胶方面，日本JSR、东京应化是唯二两家能够量产所有主流类型光刻胶产品的公司，包括EUV光刻胶。 在半导体设备方面，日本拥有东京电子（TEL）、爱德万测试（Advantest）、SCREEN、KOKUSAI ELECTRIC、日立高新 科技 等众多全球领先厂商。统计数据显示，日本半导体设备厂商大约提供了全球37%的半导体设备，影响力可以说仅次于美国。 根据报道，此次“美日芯片同盟”的筹建，日本方面包括东京电子、佳能和国立先进工业科学技术研究所等企业和组织都有很大的可能参与其中。而美国方面，除了一些半导体设备厂商，IBM和英特尔预计将参与其中。 再算上美国对ASML的影响力，可以说“美日芯片同盟”要设备有设备，要材料有材料，唯独缺的就是技术，如果能够如愿攻克2nm，那么美国在全球半导体市场的影响力将进一步增强。 为什么说美国会欣然接受日本的邀约呢？一项数据表明，美国在过去几年里，对台积电的依赖越来越严重，这是美政府不想看到的，想要极力挽回这样的局面，一切可能的方法都会尝试。 这并非是空口无凭的猜测，而是有真实的数据作为支撑。先看美国自己的官方数据，根据美国半导体行业协会（SIA）的数据统计，2021年美国半导体公司的全球市场依然稳居第一，份额占比达到46%，但过去8年间，美国半导体制造占全球的份额下降了10%以上。 而我们看一下台积电的财报数据，2021年，美国是台积电最大的市场，贡献万亿新台币，同比增长24%，占营收比重为64%。其中，苹果公司作为台积电最大客户，一家就贡献了4054亿新台币，同比增长，占比总营收从25%提升至26%。 而从全球晶圆代工市场格局来看，截止到2021年Q3的统计数据显示，目前在全球晶圆代工市场，台积电依然占据着过半的市场份额，占比达到。 台积电不在岛外建尖端晶圆厂的行为，以及张忠谋多次强调台湾岛外无法复刻台积电成功的言论让美政府定然非常不爽，只要有一丝机会能够取而代之，都会去尝试。 笔者曾在《美国大搞IC圈子文化，多个联盟先后成立，中国芯要警惕这个问题》这篇文章中讲过，美国此前组建的“美国半导体联盟SIAC”、“Chip 4联盟”和“Mitre Engenuity联盟”都有bug，盟友之间有太多的芥蒂和心眼，绝非是铁板一块。 我们看，“Chip 4联盟”把之前SIAC联盟中的欧盟和英国给踢掉了。因为，美国看到了欧盟的“二心”，欧盟出台《芯片法案》的核心意图是提升欧盟自身的芯片产业实力，包括确立欧洲在更小、更快、更节能的芯片方面的研究和技术领先地位；加强欧洲在先进芯片设计、制造和封装方面的创新能力；以及建立合适的政策框架，确保欧洲在2030年前大幅提升芯片产能等等。 已经成为既定事实的台积电就够美国烦恼的了，欧盟还要来添乱，说明其心必异。 而让美国政府更加难堪的是，“Chip 4联盟”中的韩国到现在都还在洽谈中，多家韩国媒体报道称，韩国政府和企业很难接受这一提议。 “Chip 4联盟”的另一方就是中国台湾，也就是台积电的大本营。“Chip 4联盟”的出发点是确保美国半导体制造技术拥有全球领先地位，这是要割台积电的肉而肥美国本土半导体制造，台积电会鼎力支持？美政府自己估计都不信。 虽然这些联盟成员肯定都会帮着美国对中国大陆进行技术外泄的封锁，但并不能让美国达到自己半导体从设计到制造全面领先的目的。 笔者赞同很多业者的说法，就剩下美日双边的技术同盟最有可能顺利地开展下去，虽然不一定能够达成目标，但是双方构建安全供应链体系的目标较为一致，算是趣味相投，且彼此都是有利可图。