半导体材料有哪些? 解析半导体材料的种类和应用

半导体是指一种导电性可受控制，范围可从绝缘体至导体之间的材料。无论从科技或是经济发展的角度来看，半导体的重要性都是非常巨大的。很多人一直有疑问，半导体材料有哪些? 半导体材料有哪些实际运用?今天小编精心搜集整理了相关资料，来专门解答大家关于半导体材料的疑问，下面一起来看一下吧!

一、半导体材料有哪些?

常用的半导体材料分为元素半导体和化合物半导体。元素半导体是由单一元素制成的半导体材料。主要有硅、锗、硒等，以硅、锗应用最广。化合物半导体分为二元系、三元系、多元系和有机化合物半导体。二元系化合物半导体有Ⅲ-Ⅴ族(如砷化镓、磷化镓、磷化铟等)、Ⅱ-Ⅵ族(如硫化镉、硒化镉、碲化锌、硫化锌等)、Ⅳ-Ⅵ族(如硫化铅、硒化铅等)、Ⅳ-Ⅳ族(如碳化硅)化合物。三元系和多元系化合物半导体主要为三元和多元固溶体，如镓铝砷固溶体、镓锗砷磷固溶体等。有机化合物半导体有萘、蒽、聚丙烯腈等，还处于研究阶段。

此外，还有非晶态和液态半导体材料，这类半导体与晶态半导体的最大区别是不具有严格周期性排列的晶体结构。制备不同的半导体器件对半导体材料有不同的形态要求，包括单晶的切片、磨片、抛光片、薄膜等。半导体材料的不同形态要求对应不同的加工工艺。常用的半导体材料制备工艺有提纯、单晶的制备和薄膜外延生长。

　　二、半导体材料主要种类

半导体材料可按化学组成来分，再将结构与性能比较特殊的非晶态与液态半导体单独列为一类。按照这样分类方法可将半导体材料分为元素半导体、无机化合物半导体、有机化合物半导体和非晶态与液态半导体。

1、元素半导体：在元素周期表的ⅢA族至ⅦA族分布着11种具有半导性半导体材料的元素，下表的黑框中即这11种元素半导体,其中C表示金刚石。C、P、Se具有绝缘体与半导体两种形态B、Si、Ge、Te具有半导性Sn、As、Sb具有半导体与金属两种形态。

2、无机化合物半导体：分二元系、三元系、四元系等。 二元系包括：①Ⅳ-Ⅳ族:SiC和Ge-Si合金都具有闪锌矿的结构。

　　3、有机化合物半导体：已知的有机半导体有几十种，熟知的有萘、蒽、聚丙烯腈、酞菁和一些芳香族化合物等，它们作为半导体尚未得到应用。

　　4、非晶态与液态半导体：这类半导体与晶态半导体的最大区别是不具有严格周期性排列的晶体结构。

　　三、半导体材料实际运用

制备不同的半导体器件对半导体材料有不同的形态要求，包括单晶的切片、磨片、抛光片、薄膜等。半导体材料的不同形态要求对应不同的加工工艺。常用的半导体材料制备工艺有提纯、单晶的制备和薄膜外延生长。

半导体材料所有的半导体材料都需要对原料进行提纯，要求的纯度在6个“9”以上，最高达11个“9”以上。提纯的方法分两大类，一类是不改变材料的化学组成进行提纯，称为物理提纯另一类是把元素先变成化合物进行提纯，再将提纯后的化合物还原成元素，称为化学提纯。物理提纯的方法有真空蒸发、区域精制、拉晶提纯等，使用最多的是区域精制。化学提纯的主要方法有电解、络合、萃取、精馏等，使用最多的是精馏。由于每一种方法都有一定的局限性，因此常使用几种提纯方法相结合的工艺流程以获得合格的材料。

绝大多数半导体器件是在单晶片或以单晶片为衬底的外延片上作出的。成批量的半导体单晶都是用熔体生长法制成的。直拉法应用最广，80%的硅单晶、大部分锗单晶和锑化铟单晶是用此法生产的，其中硅单晶的最大直径已达300毫米。在熔体中通入磁场的直拉法称为磁控拉晶法，用此法已生产出高均匀性硅单晶。在坩埚熔体表面加入液体覆盖剂称液封直拉法，用此法拉制砷化镓、磷化镓、磷化铟等分解压较大的单晶。悬浮区熔法的熔体不与容器接触，用此法生长高纯硅单晶。水平区熔法用以生产锗单晶。水平定向结晶法主要用于制备砷化镓单晶，而垂直定向结晶法用于制备碲化镉、砷化镓。用各种方法生产的体单晶再经过晶体定向、滚磨、作参考面、切片、磨片、倒角、抛光、腐蚀、清洗、检测、封装等全部或部分工序以提供相应的晶片。

以上就是小编今天给大家分享的半导体材料的有关信息，主要分析了半导体材料的种类和应用等问题，希望大家看后会有帮助!想要了解更多相关信息的话，大家就请继续关注土巴兔学装修吧!

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化合物半导体探测器是六十年代快速发展的新型核辐射探测器件之一。室温化合物半导体探测器是区别于P-N结型探测器、锂漂移型探测器、高纯锗核探测器等的一种特殊类型半导体核探测器。

室温核辐射探测的化合物半导体材料应当具备以下的特征：

(1)组成材料的元素应具有较高的原子序数，以此确保该材料对γ射线较高的阻止本领，以保证其具有较高的探测效率；

(2)材料应具有较大的禁带宽度，一般大于1.5eV，以保证探测器工作在室温时有较低的漏电流和较高的电阻率；

(3)材料应具有良好的工艺性能，较容易制得高纯度、低晶格缺陷的单晶体。此外材料应具有优良的机械性能和化学稳定性，以便于进行机械加工，容易制成欧姆接触或势垒接触；

(4)材料应具有优异的物理性能，可以耐较高的反向偏压(反向偏压能达到几百伏)，反向漏电流尽可能小，载流子的迁移率-寿命积要大，以确保探测器具有较小的热噪声和良好的能量分辨率。

室温核辐射半导体探测器是以大尺寸的高质量的化合物半导体晶体材料(碘化汞、锑化铝、碲化镉、碲锌镉、碘化铅、砷化镓、硒化镉等)的研制为主体，涉及到材料制备、器件设计和器件制备等关键技术。1967年，Prince和Polishuk第一次列出了碲化镉、磷化镓和硒化镉三种可以制作室温核探测材料的材料。20世纪70年代初美国开始对碘化汞展开了研究，碘化汞晶体具有较高的禁带宽度和电阻率，但是其化学稳定性较差，且常温下容易挥发潮解，制成的探测器必须进行严格的密封处理。与此同时，1977年，Armantrout等人通过对比几种最有前途的室温半导体核探测材料，最有希望的是锑化铝材料，但是该材料的单晶极难生长且极易潮解。Eberhardt等人利用液相外延生长技术得到了高完整性能砷化镓单晶，最先成功制造出有较好能量分辨率的伽马射线探测器，但是由于其原子序数较低，对于高能射线的阻止本领和探测效率都较低，发展受到了限制。但是碲化镉探测器的优点在于有较大的原子序数，对伽马射线有较高的阻止本领，探测效率较高，但有较大的热激发产生的漏电流，能量分辨率

低且有极化效应。由于碲化镉晶体的上述缺点，人们在碲化镉晶体中掺入锌，使其带宽增加，而发展成了一种新的材料。碲锌镉材料用于常温半导体探测器最早可追溯到1967年，但直到20世纪90年代初，生产工艺的提高才得以大大改善了碲锌镉晶体的特性，研究得到了实质性进展。随着锌含量的不同，禁带宽度由近红外至绿光波段连续变化，且无极化现象。但是碲锌镉存在两个主要缺点：能量分辨率不高；由于生长工艺的复杂性，高质量大尺寸的碲锌镉很难获得。

用于制作核辐射探测器的材料还有碲化锌、硫化铯、碘化铟、硒化稼等化合物半导体材料，人们对这些材料及其探测器还没有进行深入的研究。

现今，国内四川大学、清华大学、上海大学、兰州大学、重庆大学、西北工业大学、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所、中国原子能科学研究院核技术应用研究所、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所以及燕山大学(与美国伊利诺伊大学合作)等单位开始在国家自然科学基金或其他课题资助下进行了一系列化合物半导体单晶(如碘化铅、碘化汞、碲锌镉、氮化镓、碘化铟等)的生长、性能和核探测器应用的研究工作。

在过去的2021年中，半导体产业当中又发生了很多故事——在全球产业链升级的情况下，作为未来 科技 发展核心的半导体产业并没有摆脱国际贸易局势的影响，为了抢占新时代的先机，半导体企业之间的竞争越发激烈；受疫情影响，远程办公类相关的半导体产品需求量大增，数据中心市场开始加速发展；“碳达峰”、“碳中和”目标的提出，带火了新能源领域，新能源 汽车 前景被看好，拉动了新能源 汽车 半导体产业的发展；缺芯、缺产能的情况笼罩了2021年全年，一封封涨价函从年初一路飘到了年尾；国内优质的半导体企业纷纷登陆科创板；在这种大背景下，国内半导体产业的发展引起了全 社会 的重视。

在国内半导体产业繁荣的同时，本土半导体企业也迎来了丰收。从国内市场来看， 根据芯谋研究的统计显示，中国2021年设计业总营收预计为476亿美元，同比增长7.5%。

进入到新的一年后，政策、疫情等外部情况都进入到平稳、可预测的中期阶段，对于国内半导体产业来说， 2022年半导体产业的增长点和关注点在哪里？ 芯谋研究是一家多年来专注于国内半导体产业发展研究的专业咨询机构，拥有二十余位高级分析师深耕于从产业整体发展以及半导体产业链中的各个环节，涉及市场端、需求端、供应端，已在行业当中形成了很大的影响力。 芯谋研究的分析师们又是怎样看待2022年国内半导体产业的发展？

在本篇文章当中，来自 芯谋研究的分析师们将聚焦于2022年国内半导体产业整体发展情况、国内各地方半导体产业发展情况、国内半导体产业链各环节的发展情况进行分析，希望能够为国内半导体产业的 健康 发展提供帮助。

芯谋首席分析师顾文军：2022年国内芯片制造领域的六大关注焦点

芯谋研究首席分析师顾文军认为，从整体上看，今年国内半导体产业发展还会保持向上的趋势。就目前产业最关心的芯片制造领域上看，8吋芯片产能紧张的局势在2022年仍旧会持续，但12吋部分工艺节点的产能将会逐渐好转，在市场需求的推动下，国内芯片制造产业将会保持10%以上的双位数增长。在这种大趋势之下，以下六点产业变化更值得产业关注：

第一，需要高度关注美国对中国半导体产业的新动作。 中美两国围绕着半导体产业的较量一直在持续。产业需要着重注意的是，在2022年美国中期选举的过程中，美国政客会为了塑造强硬的形象，而将矛头再次指向中国，并向中国的相关企业再次举起制裁的大棒。这其中需要关注两类企业，一类是对于中芯国际这类已经被制裁的企业，美国对于他们的制裁政策是否会继续收紧；另一类是在半导体产业当中声势渐起的国内龙头企业，包括存储领域的企业是否会收到美国“黑名单”警告。

第二，需要高度关注日本在半导体材料、设备方面对中国的限制。 需要警惕的是，在中美围绕着半导体产业进行竞争的过程当中，美国可能会施压及联合他的盟友日本，针对日本的优势领域——半导体材料和设备方面对中国半导体产业发展进行限制，产业要重视这种苗头的出现，未雨绸缪做好相应的准备。

第三，需要关注芯片制造领域的合资企业。 近些年来，芯片制造领域出现了一些以合资模式成立的企业，包括与美国、日本、韩国、中国台湾的境外资本或企业共同创立的合资公司。尤其要关注的是这种类型的合资公司是否会成功上市，如果他们能够实现了这一目标，会为半导体领域的合资公司提供了一个样本，继而将会引得更多的境外公司瞄准上市的机会在大陆投资，与国内地方政府合作成立合资公司。久而久之，则会形成境外做高端、境内做低端的局面，对中国半导体制造企业造成两面夹击的态势。

第四，要关注新主体的发展新动态。 在2021年被爆出了一些烂尾项目引起了产业的重视，由此导致了一些政策的收紧。在这种情况下，新主体开始扩张并受到了产业的注意。新主体的出现，加剧了“抢人才”现象的丛生，为了将挖人才落到产业发展实处，国内已针对“抢人才”热潮做出了相应的指导。因此，在2022年当中，需要关注的是，国内政策对眼下“野蛮生长”的半导体产业做出的进一步指导，在“无序”中建立有序发展。同时，产业也要关注在这个过程当中，是否会催生出更多的新主体。如果由此催生的新主体数量在不断攀升，是否会有新政策的出台。

第五，需要关注国内芯片制造领域的民营企业发展。 2021年国内对芯片制造领域的政策出现了一些收紧，但是由于市场需求不减，使得资本对芯片制造领域的投资热情不灭，尤其是伴随着芯片制造步入由8吋转12吋的阶段，使得与该领域发展相关的民营企业受到了产业的资本关注。故而，在2022年当中，包括浙江富芯、广州增芯、合肥耐威、卓胜微、荣芯半导体在内的国内民营芯片制造企业的发展更需产业的关注。

第六，需要关注国内代工企业在车规级工艺上的突破。 2021年芯片产能紧缺的情况在 汽车 芯片领域爆发，在这个过程中，国内也有不少企业投入到了车规级芯片制造的研究当中，值得重视的是，2022年国内代工企业在车规级芯片工艺上的突破。

芯谋研究总经理景昕：国内各地方半导体产业发展路径逐渐清晰

芯谋研究总经理景昕表示，在多年的 探索 下，包括北京、上海、广东等地区成为了国内半导体产业发展的主要高地，其中，北京已逐渐确立了海淀、大兴亦庄、顺义三大半导体产业空间布局；上海正在加速形成“一体两翼”的半导体产业链发展格局；广东正在努力打造成为半导体产业创新高地和我国半导体产业第三极。从 历史 发展上看，这些省市发展半导体产业继承了环黄渤海、长三角、珠三角的传统优势，而在被列为十四五重大产业布局的规划后，这些地方也在半导体产业方面有了更大的发展空间。

2021年是“十四五”规划的开局之年，2022年则进入到了重要实施和快车道领域内的一年。就半导体领域来说，未来一年，龙头型企业将在扩产的潮流下继续向规模化方向发展，着力推进半导体产业的平台化建设；中小型企业则会向专精特新方向发展，增加对产业链的附加值，对产业链发展形成重要支撑。

芯谋研究作为国内中国半导体产业的一份子，以“为芯谋天下”为使命，为全国多地半导体产业的发展提供了支撑，为地方提供了产业规划、招商规划、项目尽调、产业活动等服务。

芯谋研究总监王笑龙：警惕国内半导体产业发展潜在的变数

芯谋研究总监王笑龙认为，在2022年当中，需要关注国内半导体产业上市公司的变化，尤其是科创板上市企业对国内半导体产业潜在的影响。2019年7月正式开市的科创板为国内半导体产业点燃了一把火。至今为止，科创板即将走过三年，手握这些企业股权的核心高管们也迎来了三年股权解禁时刻。随着这个时间节点的到来，核心高管们对这些可变现股权的处理是产业需要关注的。这些解禁资金的流向，或许会成为新一轮国内半导体发展的基础——核心高管们可能会拿着这笔变现的资金进行创业，由此会促进国内半导体产业的新发展高潮。

除此之外，就国内半导体产业大环境而言也存在着一些变数，芯片缺货情况已经得到了一定程度上的缓解，但个别产品以及囤货的市场行为还会使得缺货的现象延续一段时间。

经台积电测算，理论上代工厂对 汽车 芯片的供给量可以满足市场需求，但个别从业人员的囤货炒货行为扰乱了市场的秩序。究其背后的原因是 汽车 芯片使用周期长，尤其在行业景气时，在利益的驱使下，以代理模式为主的 汽车 芯片代理公司中就会出现一些以“利益至上”为信条的员工，这些员工的囤货行为为本就缺货的 汽车 芯片市场增加了风险。而更大的危机是，在Tire 1厂商拿不到货的情况下，车厂减产计划使得芯片需求量降低，在达到某个供需临界点时，这些员工一旦开始抛售 汽车 芯片，就很有可能会冲击芯片原厂的生意。

芯谋研究总监宋长庚：国内芯片设计企业可能出现分化

芯谋研究总监宋长庚表示，2021年中国半导体设计产业取得了非凡的成绩，许多公司业绩翻倍增长，行业总体增长超过50%。这其中既有国产替代大背景下需求的增长推动，也有产能紧张导致的全产业链涨价的因素。2022年，国内芯片设计企业可能出现分化：随着产能紧张的部分缓解，已经取得客户认可的企业和产品乘胜追击，稳固供应链，扩大市场份额；尚未抓住机遇的企业在供应链保障、客户开发等方面则可能面临更大困难。

就芯片设计企业的增长市场来看，存储器、功率器件、MCU等产品将会继续保持高速增长，新能源 汽车 领域主机企业加强与芯片企业的直接合作，会为国产芯片带来新的机会。

芯谋研究总监李国强：2022年功率IC市场保持基本稳定

芯谋研究总监李国强认为，全球半导体产业去库存和市场竞争等多因素影响下，同时市场需求没有明显增长，因此2022年功率IC市场保持基本稳定，不会再出现2021年的高速增幅。

芯谋研究副总监谢瑞峰：国内先进封装和传统封装市场出现两极化发展

芯谋研究副总监谢瑞峰认为，就国内半导体封测产业来看，该产业整体规模将继续上扬，主要是半导体整体景气度较高，国内设计业高速发展带来的增量需求巨大。但2022年半导体封测增速会小于2021年，2022年随着芯片整体供需逐步走向平衡，封测产能供需也将走向平衡，2021年的增速里包含涨价的成分，2022年再涨价的概率较小。

在先进封装领域，先进封装仍然火热，大量资本投入到先进封装中，主要是射频、CIS、存储器等方面封测需求快速增长，整体市场仍然向好。但传统封装可能转向供过于求，传统封装产能形成周期较短，当前已经出现一定程度的产能松动，明年有可能供需形势反转。

另一方面，封测设备材料企业实力持续增强。国产封装基板产业规模及竞争力进一步加强，随着国内诸多项目的量产，叠加本轮缺货中封测大厂对国产材料的支持，国内半导体封测产业的整体生态实力将持续提升。

芯谋研究将在《2022年国内半导体产业展望（下）》中，对国内半导体产业链各个环节的发展进行更细致的探究，包括对国内半导体设备和材料、化合物半导体产业、EDA产业等细分领域发展进行分析展望，敬请关注。

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