什么时候用上碳基芯片？

从下面的时间节点你会发现，可能下一代的芯片就会使用碳基！

2019年5月26日，北京元芯碳基集成电路研究院宣布，解决了长期困扰碳基半导体材料制备的瓶颈！

2019年，中科院研究所的殷华湘团队公布：他们已经成功研发出相等于人类DNA的宽度的3nm晶体管。

2020年5月，北京元芯碳基集成电路研究院宣布，中国科学院院士北京大学教授彭练矛和张志勇教授带领的团队，解决了碳基半导体材料制备的瓶颈，如材料的纯度、密度与面积问题。

这意味着接下来制造芯片不一定要采用硅了，而可以使用碳来制造了，也就是碳基芯片了。

所谓的碳基半导体，它的成本更低、功耗更小、效率更高。它是一种有别于现在芯片的硅材料，因此突破这种材料的限制，对于我们的芯片未来确实非常有帮助。

未来它将使用在多种设备上，比如说手机芯片，计算机芯片等等方面，甚至碳基技术芯片可能让我们的手机更流畅，电池更耐用。

碳基芯片，资料已经介绍了，效率比硅基芯片高，性能比硅基芯片好。如果是这样子，根据科学发展的规律，在不久的将来就能由碳基芯片替代硅基芯片。新技术的出现，不可能一下子就能赶上旧技术的水平，但是新技术会逐步完善并超过旧技术的。先前就有很多的例子：先说火车刚制造出来第一次开动的时候，据说还没有骑着马跑的快呢！骑着马和火车比赛的人们，都嘲笑火车的笨重和慢。再说显示器吧，开始是电子管显示器一家独霸天下，后来又出现了液晶显示器，当时有不少人认为液晶显示器成不了气候，不可能压过和替代电子管显示器，现在怎样啦！有目共睹吧！我们要有研究新事物、接受新事物的科学心态，不断 探索 、勇于创新，我相信，只要是碳基芯片的性能比硅基芯片的性能好，就会超过和替代硅基芯片！只是时间长短而已。

估计5年以后，也许10年或更长时间也难讲

碳基芯片的进度

碳基芯片其实已经研发了20多年了，1991年就发布了碳晶体管。但如果利用碳晶体管，科学界这20多年以来，就一直在研发这个问题。

从制备、提纯开始，一直到排列碳纳米管的方法，这一研究就是20多年呢，直到今年北大团队的研究成果，可以不再停留在实验室里了，让碳基芯片有了开始谈论规模产业化了的基础了。

但事实上从可开始生产到真正成为产业，这中间还会有10年甚至20年更长时间，毕竟产业链会涉及到材料、技术工艺，再到工种设备等等，这些上、下游都得跟上啊。

另外还可以给大家一个参考，按照北大团队的说法，他们的下一个目标，是在2-3年内完成90纳米碳基CMOS工艺开发。

大家看清楚了，2-3年内完全成90nm工艺的开发，而这90nm的碳基芯片，按照理论数据，相当于28nm的硅基芯片性能。

而28nm的硅基芯片，中芯国际在2015年就实现了量产，相当于一切顺利，碳基芯片其实至少也是落后10多年的。

所以真的碳基芯片要使用到具体的生产中来，没有个5年10年，是不太可能的，所以短时间内就不要期待了。

碳基芯片的前沿 科技 估计已经可以做出来了。只是性能和造价的问题，估计586的水平的碳基推上市场意义并不大。目前的碳基基本还是在沿用硅基的路子。我认为这在一定程度上局限了碳基芯片领域的发展。

我认为，硅基技术目前已经到了一定的瓶颈期。由于光的波粒二象性，为了让光呈现粒子态，就必须有观察者的存在。这也就是说，硅基芯片的加工基础光刻技术再向前发展也许需要量子学科实用化的突破。

而碳基技术，完全有可能走向另外一个 科技 树。通过生物技术实现功能逻辑单元的构建。虽然是有点科幻，但是哪像科学不是由科幻开始的呢？众所周知，病毒进入细胞之后就会，通过细胞核的物质进行自我复制。大自然中数量最庞大的病毒就是噬菌体，每种噬菌体通常只感染一种真核或原核生物。如果病毒的一系列基因片段可以作为某种计算结构的计算核心功能单元。多重片段组合起来行程一个活体的共生群落。原始构建稳定之后，一种生物性的计算细胞单元就可能改变人类。一个细胞就是一颗超高运算能力的CPU，而且会自我复制，一个生命周期到了，另外一个就分裂合成完毕了。

也许有人会把现在我发表的这个看成疯子。但我要说谁又能预测为了 科技 真正发展的脉络呢!如果生物碳基芯片问世，如今的人类也许就被融合了生物碳基芯片的新人类所取代。这一切谁又说得准呢？

如果只是硅基芯片发展路线的延续，碳基芯片的量产估计也就在5年之内。但如果换一个 科技 树，短则50年，长则上百年。

谁要用这个电子写科幻作品，可以联合署名吗？

1947年贝尔实验室演示了基于锗的半导体晶体管，开启了信息时代的新篇章。紧随其后的硅晶体管在1954年问世，很快就成为了集成电路技术的主流。历经60多年，“摩尔定律”已经被硅基芯片跑得奄奄一息。很多人开始提出疑问芯片是否应该在材料学上来一次“换道”，才能根本性地解决当下整个芯片产业的现状。

在硅基芯片不断试图在单位面积内容纳下更多的晶体管来提高芯片的性能的时候，人们一直也没有停下 探索 新材料的步伐，碳的优越特性成为了最佳选择，更为重要的是碳基芯片制造不需要经历硅基芯片抛光、光刻、蚀刻、离子注入等等一系列复杂工艺。

什么是碳基芯片？

我们都知道芯片中的晶体管就是半导体，我们不妨来看看它的结构。栅极和沟道区域之间有一层高K节电材质（绝缘层），通过施加在栅极的电压在沟道区域产生电场，从而切断电流的流动，控制沟道的导通和关断。栅极和沟道区域有一层绝缘层，最早这层绝缘层是用二氧化硅来构成，随着晶体管尺寸的缩小，绝缘层就变得越来越薄了，这样就可以通过更小的电压来控制电流，从而降低能耗。但绝缘层太薄，随之而来的就是量子隧穿效应，电子能够轻易透过它，所以后面就使用了具有较高介电常数的材料（比如二氧化铪）来作为绝缘层。

碳基芯片是利用单个碳纳米管或者碳纳米管阵列作为沟道材料，它允许电子从源极流到漏极。源极和漏极也不再掺杂硅，而是改用特殊的金属，利用金属与碳纳米管之间的结电压来制作晶体管。比如N型碳晶体管使用活性金属钪或钇来作为漏极，P型碳晶体管使用惰性金属钯作为源极。

硅晶体管为了克服固有缺陷所以不得不朝着三维立体结构不断演化来克服量子隧穿效应，而碳基晶体管一开始就是三维模型，每一个碳纳米管的直径为1nm，它比硅基晶体管更容易实现更小尺寸，而2nm或已经达到了硅晶体管的极限了。另外碳纳米管不管是电子的传导速度还是热传递性能都是硅的成百上千倍，但功耗却是硅晶体管的十分之一。

碳基芯片离商用还很远

基于碳的N型半导体、P型半导体已经有了，碳纳米管场效应晶体管也有了。在《自然》、《科学》杂志上也曾出现了多篇碳晶体管的论文。IBM为首的众多科研团队一直在研究碳纳米管技术，2017年北大的科研团队最早实现5nm级碳晶体管元器件。为了推动碳纳米管电路的可行性MIT研究团队甚至发布了全球首个超过14000个碳纳米晶体管的通用计算芯片。

实际上碳基芯片上世纪就已经提出来了，并且被预言未来最终会取代硅基芯片，但直到现在还没有实现。碳基芯片性能确实超越了同规格的硅基芯片，但制作工艺还远远不如硅基芯片成熟。大家都是摸着石头过河的架势，我国属于比较超前的位置，一旦有所突破，将来可能不是弯道超车，而是直道超越。我国甚至将碳基材料纳入国家原材料工业“十四五”规划，近几年更是涌现了很多碳基芯片相关企业。

碳基芯片商用很远，但碳基芯片的未来确实很值得期待。

以上个人浅见，欢迎批评指正。

感觉很难，我理解最大的问题是效果能比硅好多少，以及成本能降低多少，还有工艺的可行性。

碳和硅都是半导体材料，芯片也都是基于晶体管制成的，理论上单壁碳管的迁移率比硅高，但在大规模制造时，很难说，碳管和硅还不一样，不太能用传统提拉法制造大的超纯单晶硅然后切割成硅片，然后一个个构造出晶体管。因为单晶硅的非常高的均匀性，所以每个器件性质都一样。但碳管很可能是自下而上方法，先做成很多碳管，再组装成器件。这组装一定程度上限制了碳管的性能均匀性，而这对超大规模集成电路影响很大。没有办法做到超大规模均匀，基本上不可能商用。即便做出芯片，性质也比单独碳管的要低很多，这能不能比现有的硅芯片更好就很难说了。

成本上，碳管提纯难度应该很大，尤其是要做的五个九以上，而且还要考虑属性，层数，手性，以及每根碳管的长度均匀性，复杂的提纯技术绝对会让成本大范围提高，虽然目前做碳管研究不计成本，可是要商用成本肯定是第一要素。

最后一直觉得工艺上很难实现，碳管太脆弱了，尤其是单壁管，任何的等离子加工，镀膜，刻饰都会对碳管造成破坏，这需要开发非常多的极其温和的加工技术，而这目前很难，尤其在小尺寸下，几个nm范围内。

一个新的技术出来，不是说他研究出来了就能用的，实验室产品和工业生产之间还还距离十万八千里。还有最重要的生态建立，这需要时间和金钱的堆积与投入，没有成熟的生态，那就是噱头

8月24日，银龙股份（603969）强势涨停，报4.21元。值得注意的是，该股成交量达到1.73亿，远超近期成交额。

工信部称，将以重大关键技术突破和创新应用需求为主攻方向，进一步强化产业政策引导，将碳基材料纳入“十四五”原材料工业相关发展规划，并将碳化硅复合材料、碳基复合材料等纳入“十四五”产业 科技 创新相关发展规划，以全面突破关键核心技术，攻克“卡脖子”品种，提高碳基新材料等产品质量，推进产业基础高级化、产业链现代化。

而银龙股份持有天津聚合碳基研究院51%股权，标的企业专注于碳基类产品研发，目前正与相关单位合作推进时速300-350公里高铁粉末合金制动系统的合作和时速400公里以上的碳基高铁刹车等项目，相关项目尚在推进中。

碳基材料将纳入十四五产业规划

近日，工信部表示将把碳化硅复合材料、碳基复合材料等纳入“十四五”产业 科技 创新相关发展规划。

碳化硅是第三代半导体材料之一，其介电击穿强度大约是硅的10倍，主要用于生产功率半导体器件，适用于高温、高压、高功率的场景。而碳基复合材料包括碳纳米管、碳纤维、石墨烯等，具有较多优异的力学、电学和化学性能，未来主要应用于国防 科技 、卫星导航、气象监测、人工智能、医疗器械等领域。

当前，我国正处于加快产业升级转型期，同时面临着美国强势的 科技 封锁。在以半导体为代表的传统高端产业方面，我国起步较晚，与国际先进水平差距较大，想要奋起直追世界领先水平，在国外竭力打压下，面临阻碍较大。

而碳化硅、碳基复合材料是当今世界 科技 界的新兴领域，尚处于行业起步阶段，国内外发展差距较小，有望成为我国 科技 产业弯道超车的重要赛道，因此受到国家高度重视。

其实，近年来国家高度重视颠覆性技术发展，十四五规划草案及国家多次会议、文件提及碳化硅等产业。

碳基材料核心分支

碳基材料主要可以分为碳化硅和石墨烯，碳化硅是第三代半导体材料之一，国内外厂商差距有限，国内厂商有望借助国家政策推动实现弯道超车。

在第一、第二代半导体材料领域，我国起步较晚，与国外差距较大。而在碳化硅等第三代半导体材料领域，国内厂商起步与国外厂商差距较小，且渗透率较低，国产替代空间巨大，在“十四五”等国家政策的密集推动下，国内厂商有望实现技术弯道超车。

今年3月两会期间，全国政协委员提出，第三代半导体是国家2030规划和“十四五”国家研发计划确定的重要发展方向，是我国半导体产业弯道超车的机会，要重点扶持、协同攻关第三代半导体产业，可以在国内重点扶植3-5家世界级龙头企业，加大整个产业链条的合作力度。

石墨烯被誉为“新材料之王”，具有优秀的力学特性和超强导电性导热性等特性，下游覆盖散热材料、新能源电池、柔性显示和复合材料等热门领域，并在未来有望完成对传统电容、锂电池材料的全面替代，行业正处于技术突破需求爆发的前夜。

全球石墨烯市场规模稳步增长，2020年末全球石墨烯市场规模为95亿美元，未来5年有望保持40%的复合增速。其中，中国市场规模约占30%，并有逐年提高的趋势，未来将成为全球最大的石墨烯消费国家。

目前，国内外石墨烯市场正处于起步阶段，产品尚未成熟，但市场增速快。石墨烯产业链上游的原料为石墨，中国是全球最大的石墨生产国；产业链中游主要为石墨烯的制备，其中氧化还原法常用来制备石墨烯粉体，化学气相沉积法常用来制备大尺寸的石墨烯薄膜。

下游需求方面，国内新能源领域占据四分之三的需求，包括新能源超级电容与锂电池导电剂，随着新能源 汽车 加速渗透，行业将迎来高增速。2020年，全球石墨烯导电剂市场规模20亿美元，年复合增长率约64%，石墨烯超级电容市场2021年底预计达到0.84亿美元，到2030年有望达到6.1亿美元，年复合增速超过20%。

东兴证券表示，碳基材料的意义不仅在于其本身的优异性能，其更是会对产业带来全方位的带动，第三代半导体器件主要的应用领域如新能源车、光伏和高铁等，未来的主战场都集中在中国，国内企业也与部分车企和家电企业等进行了配套和产业合作，国产器件逐渐导入终端产品供应链，为国内企业带来更多试用、改进的机会。我们认为碳化硅有望引领中国半导体进入黄金时代。

半导体材料（semiconductor material）是一类具有半导体性能（导电能力介于导体与绝缘体之间，电阻率约在1mΩ·cm～1GΩ·cm范围内）、可用来制作半导体器件和积体电路的电子材料。

基本介绍中文名 ：半导体材料 外文名 ：semiconductor material 分类 ：电子材料 导电能力 ：介于导体与绝缘体之间 电阻率 ：1mΩ·cm～1GΩ·cm 作用 ：可用来制作半导体器件和积体电路 特性 ：半导体电导率随温度的升高而升高 简介,主要种类,新型材料,实际运用,相关材料,特性信息,特性参数,特性要求,材料工艺,套用发展,早期套用,发展现状,战略地位, 简介 自然界的物质、材料按导电能力大小可分为导体、半导体和绝缘体三大类。半导体的电阻率在1mΩ·cm～1GΩ·cm范围（上限按谢嘉奎《电子线路》取值，还有取其1/10或10倍的；因角标不可用，暂用当前描述）。在一般情况下，半导体电导率随温度的升高而升高，这与金属导体恰好相反。 凡具有上述两种特征的材料都可归入半导体材料的范围。反映半导体内在基本性质的却是各种外界因素如光、热、磁、电等作用于半导体而引起的物理效应和现象，这些可统称为半导体材料的半导体性质。构成固态电子器件的基体材料绝大多数是半导体，正是这些半导体材料的各种半导体性质赋予各种不同类型半导体器件以不同的功能和特性。半导体的基本化学特征在于原子间存在饱和的共价键。作为共价键特征的典型是在晶格结构上表现为四面体结构,所以典型的半导体材料具有金刚石或闪锌矿(ZnS)的结构。 由于地球的矿藏多半是化合物，所以最早得到利用的半导体材料都是化合物,例如方铅矿(PbS)很早就用于无线电检波，氧化亚铜(Cu2O)用作固体整流器，闪锌矿(ZnS)是熟知的固体发光材料，碳化矽(SiC)的整流检波作用也较早被利用。硒(Se)是最早发现并被利用的元素半导体，曾是固体整流器和光电池的重要材料。元素半导体锗（Ge）放大作用的发现开辟了半导体历史新的一页，从此电子设备开始实现电晶体化。中国的半导体研究和生产是从1957年首次制备出高纯度(99.999999%～99.9999999%) 的锗开始的。采用元素半导体矽（Si）以后，不仅使电晶体的类型和品种增加、性能提高，而且迎来了大规模和超大规模积体电路的时代。以砷化镓(GaAs)为代表的Ⅲ－Ⅴ族化合物的发现促进了微波器件和光电器件的迅速发展。 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。 元素半导体 　在元素周期表的ⅢA族至IVA族分布著11种具有半导性 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。P的熔点与沸点太低,Ⅰ的蒸汽压太高、容易分解，所以它们的实用价值不大。As、Sb、Sn的稳定态是金属，半导体是不稳定的形态。B、C、Te也因制备工艺上的困难和性能方面的局限性而尚未被利用。因此这11种元素半导体中只有Ge、Si、Se 3种元素已得到利用。Ge、Si仍是所有半导体材料中套用最广的两种材料。 半导体材料 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。②Ⅲ-Ⅴ族:由周期表中Ⅲ族元素Al、Ga、In和V族元素P、As、Sb组成，典型的代表为GaAs。它们都具有闪锌矿结构,它们在套用方面仅次于Ge、Si,有很大的发展前途。③Ⅱ-Ⅵ族:Ⅱ族元素Zn、Cd、Hg和Ⅵ族元素S、Se、Te形成的化合物，是一些重要的光电材料。ZnS、CdTe、HgTe具有闪锌矿结构。④Ⅰ－Ⅶ族：Ⅰ族元素Cu、Ag、Au和 Ⅶ族元素Cl、Br、I形成的化合物，其中CuBr、CuI具有闪锌矿结构。⑤Ⅴ-Ⅵ族：Ⅴ族元素As、Sb、Bi和Ⅵ族元素 S、Se、Te形成的化合物具有的形式,如Bi2Te3、Bi2Se3、Bi2S3、As2Te3等是重要的温差电材料。⑥第四周期中的B族和过渡族元素Cu、 Zn、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni的氧化物,为主要的热敏电阻材料。⑦某些稀土族元素 Sc、Y、Sm、Eu、Yb、Tm与Ⅴ族元素N、As或Ⅵ族元素S、Se、Te形成的化合物。 除这些二元系化合物外还有它们与元素或它们之间的固溶体半导体，例如Si-AlP、Ge-GaAs、InAs-InSb、AlSb-GaSb、InAs-InP、GaAs-GaP等。研究这些固溶体可以在改善单一材料的某些性能或开辟新的套用范围方面起很大作用。 半导体材料 三元系包括：族:这是由一个Ⅱ族和一个Ⅳ族原子去替代Ⅲ－Ⅴ族中两个Ⅲ族原子所构成的。例如ZnSiP2、ZnGeP2、ZnGeAs2、CdGeAs2、CdSnSe2等。族：这是由一个Ⅰ族和一个Ⅲ族原子去替代Ⅱ-Ⅵ族中两个Ⅱ族原子所构成的, 如 CuGaSe2、AgInTe2、 AgTlTe2、CuInSe2、CuAlS2等。：这是由一个Ⅰ族和一个Ⅴ族原子去替代族中两个Ⅲ族原子所组成,如Cu3AsSe4、Ag3AsTe4、Cu3SbS4、Ag3SbSe4等。此外，还有它的结构基本为闪锌矿的四元系（例如Cu2FeSnS4）和更复杂的无机化合物。 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套用。 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。 新型材料 其结构稳定，拥有卓越的电学特性，而且成本低廉，可被用于制造现代电子设备中广泛使用的场效应电晶体。 科学家们表示，最新研究有望让人造皮肤、智慧型绷带、柔性显示屏、智慧型挡风玻璃、可穿戴的电子设备和电子墙纸等变成现实。 昂贵的原因主要因为电视机、电脑和手机等电子产品都由矽制成，制造成本很高而碳基(塑胶)有机电子产品不仅制造方便、成本低廉，而且轻便柔韧可弯曲，代表了“电子设备无处不在”这一未来趋势。 以前的研究表明，碳结构越大，其性能越优异。但科学家们一直未曾研究出有效的方法来制造更大的、稳定的、可溶解的碳结构以进行研究，直到此次祖切斯库团队研制出这种新的用于制造电晶体的有机半导体材料。 有机半导体是一种塑胶材料，其拥有的特殊结构让其具有导电性。在现代电子设备中，电路使用电晶体控制不同区域之间的电流。科学家们对新的有机半导体材料进行了研究并探索了其结构与电学属性之间的关系。 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。 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。 半导体材料 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。直拉法套用最广，80%的矽单晶、大部分锗单晶和锑化铟单晶是用此法生产的，其中矽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矽单晶。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，用此法生长高纯矽单晶。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。 在单晶衬底上生长单晶薄膜称为外延。外延的方法有气相、液相、固相、分子束外延等。工业生产使用的主要是化学气相外延，其次是液相外延。金属有机化合物气相外延和分子束外延则用于制备量子阱及超晶格等微结构。非晶、微晶、多晶薄膜多在玻璃、陶瓷、金属等衬底上用不同类型的化学气相沉积、磁控溅射等方法制成。 相关材料 单晶制备 为了消除多晶材料中各小晶体之间的晶粒间界对半导体材料特性参量的巨大影响，半导体器件的基体材料一般采用单晶体。单晶制备一般可分大体积单晶(即体单晶)制备和薄膜单晶的制备。体单晶的产量高，利用率高，比较经济。但很多的器件结构要求厚度为微米量级的薄层单晶。由于制备薄层单晶所需的温度较低，往往可以得到质量较好的单晶。具体的制备方法有：①从熔 体中拉制单晶：用与熔体相同材料的小单晶体作为籽晶，当籽晶与熔体接触并向上提拉时，熔体依靠表面张力也被拉出液面，同时结晶出与籽晶具有相同晶体取向的单晶体。②区域熔炼法制备单晶：用一籽晶与半导体锭条在头部熔接，随着熔区的移动则结晶部分即成单晶。③从溶液中再结晶。④从汽相中生长单晶。前两种方法用来生长体单晶，用提拉法已经能制备直径为200毫米,长度为1～2米的锗、矽单晶体。后两种方法主要用来生长薄层单晶。这种薄层单晶的生长一般称外延生长，薄层材料就生长在另一单晶材料上。这另一单晶材料称为衬底，一方面作为薄层材料的附着体，另一方面即为单晶生长所需的籽晶。衬底与外延层可以是同一种材料(同质外延)，也可以是不同材料（异质外延）。采用从溶液中再结晶原理的外延生长方法称液相外延；采用从汽相中生长单晶原理的称汽相外延。液相外延就是将所需的外延层材料(作为溶质，例如GaAs)，溶于某一溶剂（例如液态镓）成饱和溶液，然后将衬底浸入此溶液，逐渐降低其温度，溶质从过饱和溶液中不断析出，在衬底表面结晶出单晶薄层。汽相外延生长可以用包含所需材料为组分的某些化合物气体或蒸汽通过分解或还原等化学反应淀积于衬底上，也可以用所需材料为源材料，然后通过真空蒸发、溅射等物理过程使源材料变为气态，再在衬底上凝聚。分子束外延是一种经过改进的真空蒸发工艺。利用这种方法可以精确控制射向衬底的蒸气速率，能获得厚度只有几个原子厚的超薄单晶，并可得到不同材料不同厚度的互相交叠的多层外延材料。非晶态半导体虽然没有单晶制备的问题，但制备工艺与上述方法相似，一般常用的方法是从汽相中生长薄膜非晶材料。 半导体材料 宽频隙半导体材料 氮化镓、碳化矽和氧化锌等都是宽频隙半导体材料，因为它的禁频宽度都在3个电子伏以上，在室温下不可能将价带电子激发到导带。器件的工作温度可以很高，比如说碳化矽可以工作到600摄氏度；金刚石如果做成半导体，温度可以更高，器件可用在石油钻探头上收集相关需要的信息。它们还在航空、航天等恶劣环境中有重要套用。广播电台、电视台，唯一的大功率发射管还是电子管，没有被半导体器件代替。这种电子管的寿命只有两三千小时，体积大，且非常耗电；如果用碳化矽的高功率发射器件，体积至少可以减少几十到上百倍，寿命也会大大增加，所以高温宽频隙半导体材料是非常重要的新型半导体材料。 半导体材料 这种材料非常难生长，矽上长矽，砷化镓上长GaAs，它可以长得很好。但是这种材料大多都没有块体材料，只得用其它材料做衬底去长。比如说氮化镓在蓝宝石衬底上生长，蓝宝石跟氮化镓的热膨胀系数和晶格常数相差很大，长出来的外延层的缺陷很多，这是最大的问题和难关。另外这种材料的加工、刻蚀也都比较困难。科学家正在着手解决这个问题，如果这个问题一旦解决，就可以提供一个非常广阔的发现新材料的空间。 低维半导体材料 实际上这里说的低维半导体材料就是纳米材料，之所以不愿意使用这个词，发展纳米科学技术的重要目的之一，就是人们能在原子、分子或者纳米的尺度水平上来控制和制造功能强大、性能优越的纳米电子、光电子器件和电路，纳米生物感测器件等，以造福人类。可以预料，纳米科学技术的发展和套用不仅将彻底改变人们的生产和生活方式，也必将改变社会政治格局和战争的对抗形式。这也是为什么人们对发展纳米半导体技术非常重视的原因。 电子在块体材料里，在三个维度的方向上都可以自由运动。但当材料的特征尺寸在一个维度上比电子的平均自由程相比更小的时候，电子在这个方向上的运动会受到限制，电子的能量不再是连续的，而是量子化的，我们称这种材料为超晶格、量子阱材料。量子线材料就是电子只能沿着量子线方向自由运动，另外两个方向上受到限制；量子点材料是指在材料三个维度上的尺寸都要比电子的平均自由程小，电子在三个方向上都不能自由运动，能量在三个方向上都是量子化的。 半导体材料 由于上述的原因，电子的态密度函式也发生了变化，块体材料是抛物线，电子在这上面可以自由运动；如果是量子点材料，它的态密度函式就像是单个的分子、原子那样，完全是孤立的 函式分布，基于这个特点，可制造功能强大的量子器件。 大规模积体电路的存储器是靠大量电子的充放电实现的。大量电子的流动需要消耗很多能量导致晶片发热，从而限制了集成度，如果采用单个电子或几个电子做成的存储器，不但集成度可以提高，而且功耗问题也可以解决。雷射器效率不高，因为雷射器的波长随着温度变化，一般来说随着温度增高波长要红移，所以光纤通信用的雷射器都要控制温度。如果能用量子点雷射器代替现有的量子阱雷射器，这些问题就可迎刃而解了。 半导体材料 基于GaAs和InP基的超晶格、量子阱材料已经发展得很成熟，广泛地套用于光通信、移动通讯、微波通讯的领域。量子级联雷射器是一个单极器件，是近十多年才发展起来的一种新型中、远红外光源，在自由空间通信、红外对抗和遥控化学感测等方面有着重要套用前景。它对MBE制备工艺要求很高，整个器件结构几百到上千层，每层的厚度都要控制在零点几个纳米的精度，中国在此领域做出了国际先进水平的成果；又如多有源区带间量子隧穿输运和光耦合量子阱雷射器，它具有量子效率高、功率大和光束质量好的特点，中国已有很好的研究基础；在量子点（线）材料和量子点雷射器等研究方面也取得了令国际同行瞩目的成绩。 半导体材料 材料中的杂质和缺陷 杂质控制的方法大多数是在晶体生长过程中同时掺入一定类型一定数量的杂质原子。这些杂质原子最终在晶体中的分布，除了决定于生长方法本身以外，还决定于生长条件的选择。例如用提拉法生长时杂质分布除了受杂质分凝规律的影响外，还受到熔体中不规则对流的影响而产生杂质分布的起伏。此外,无论采用哪种晶体生长方法,生长过程中容器、加热器、环境气氛甚至衬底等都会引入杂质，这种情况称自掺杂。晶体缺陷控制也是通过控制晶体生长条件（例如晶体周围热场对称性、温度起伏、环境压力、生长速率等）来实现的。随着器件尺寸的日益缩小，对晶体中杂质分布的微区不均匀和尺寸为原子数量级的微小缺陷也要有所限制。因此如何精心设计，严格控制生长条件以满足对半导体材料中杂质、缺陷的各种要求是半导体材料工艺中的一个中心问题。 特性信息 特性参数 半导体材料虽然种类繁多但有一些固有的特性，称为半导体材料的特性参数。这些特性参数不仅能反映半导体材料与其他非半导体材料之间的差别，而且更重要的是能反映各种半导体材料之间甚至同一种材料在不同情况下特性上的量的差别。常用的半导体材料的特性参数有：禁频宽度、电阻率、载流子迁移率(载流子即半导体中参加导电的电子和空穴)、非平衡载流子寿命、位错密度。禁频宽度由半导体的电子态、原子组态决定，反映组成这种材料的原子中价电子从束缚状态激发到自由状态所需的能量。电阻率、载流子迁移率反映材料的导电能力。非平衡载流子寿命反映半导体材料在外界作用（如光或电场）下内部的载流子由非平衡状态向平衡状态过渡的弛豫特性。位错是晶体中最常见的一类晶体缺陷。位错密度可以用来衡量半导体单晶材料晶格完整性的程度。当然，对于非晶态半导体是没有这一反映晶格完整性的特性参数的。 半导体材料 特性要求 半导体材料的特性参数对于材料套用甚为重要。因为不同的特性决定不同的用途。 半导体材料 电晶体对材料特性的要求 ：根据电晶体的工作原理，要求材料有较大的非平衡载流子寿命和载流子迁移率。用载流子迁移率大的材料制成的电晶体可以工作于更高的频率（有较好的频率回响）。晶体缺陷会影响电晶体的特性甚至使其失效。电晶体的工作温度高温限决定于禁频宽度的大小。禁频宽度越大，电晶体正常工作的高温限也越高。 光电器件对材料特性的要求：利用半导体的光电导（光照后增加的电导）性能的辐射探测器所适用的辐射频率范围与材料的禁频宽度有关。材料的非平衡载流子寿命越大，则探测器的灵敏度越高，而从光作用于探测器到产生回响所需的时间(即探测器的弛豫时间)也越长。因此，高的灵敏度和短的弛豫时间二者难于兼顾。对于太阳能电池来说，为了得到高的转换效率，要求材料有大的非平衡载流子寿命和适中的禁频宽度(禁频宽度于1.1至1.6电子伏之间最合适)。晶体缺陷会使半导体发光二极体、半导体雷射二极体的发光效率大为降低。 温差电器件对材料特性的要求：为提高温差电器件的转换效率首先要使器件两端的温差大。当低温处的温度（一般为环境温度）固定时，温差决定于高温处的温度，即温差电器件的工作温度。为了适应足够高的工作温度就要求材料的禁频宽度不能太小，其次材料要有大的温差电动势率、小的电阻率和小的热导率。 材料工艺 半导体材料特性参数的大小与存在于材料中的杂质原子和晶体缺陷有很大关系。例如电阻率因杂质原子的类型和数量的不同而可能作大范围的变化，而载流子迁移率和非平衡载流子寿命 一般随杂质原子和晶体缺陷的增加而减小。另一方面，半导体材料的各种半导体性质又离不开各种杂质原子的作用。而对于晶体缺陷，除了在一般情况下要尽可能减少和消除外，有的情况下也希望控制在一定的水平，甚至当已经存在缺陷时可以经过适当的处理而加以利用。为了要达到对半导体材料的杂质原子和晶体缺陷这种既要限制又要利用的目的，需要发展一套制备合乎要求的半导体材料的方法，即所谓半导体材料工艺。这些工艺大致可概括为提纯、单晶制备和杂质与缺陷控制。 半导体材料 半导体材料的提纯“主要是除去材料中的杂质。提纯方法可分化学法和物理法。化学提纯是把材料制成某种中间化合物以便系统地除去某些杂质，最后再把材料（元素）从某种容易分解的化合物中分离出来。物理提纯常用的是区域熔炼技术，即将半导体材料铸成锭条，从锭条的一端开始形成一定长度的熔化区域。利用杂质在凝固过程中的分凝现象，当此熔区从一端至另一端重复移动多次后，杂质富集于锭条的两端。去掉两端的材料，剩下的即为具有较高纯度的材料（见区熔法晶体生长）。此外还有真空蒸发、真空蒸馏等物理方法。锗、矽是能够得到的纯度最高的半导体材料，其主要杂质原子所占比例可以小于百亿分之一。 套用发展 早期套用 半导体的第一个套用就是利用它的整流效应作为检波器，就是点接触二极体（也俗称猫胡子检波器，即将一个金属探针接触在一块半导体上以检测电磁波）。除了检波器之外，在早期，半导体还用来做整流器、光伏电池、红外探测器等，半导体的四个效应都用到了。 半导体材料 从1907年到1927年，美国的物理学家研制成功晶体整流器、硒整流器和氧化亚铜整流器。1931年，兰治和伯格曼研制成功硒光伏电池。1932年，德国先后研制成功硫化铅、硒化铅和碲化铅等半导体红外探测器，在二战中用于侦探飞机和船舰。二战时盟军在半导体方面的研究也取得了很大成效，英国就利用红外探测器多次侦探到了德国的飞机。 发展现状 相对于半导体设备市场，半导体材料市场长期处于配角的位置，但随着晶片出货量增长，材料市场将保持持续增长，并开始摆脱浮华的设备市场所带来的阴影。按销售收入计算， 日本保持最大半导体材料市场的地位。然而台湾、ROW、韩国也开始崛起成为重要的市场，材料市场的崛起体现了器件制造业在这些地区的发展。晶圆制造材料市场和封装材料市场双双获得增长，未来增长将趋于缓和，但增长势头仍将保持。 半导体材料 美国半导体产业协会(SIA)预测，2008年半导体市场收入将接近2670亿美元，连续第五年实现增长。无独有偶，半导体材料市场也在相同时间内连续改写销售收入和出货量的记录。晶圆制造材料和封装材料均获得了增长，预计今年这两部分市场收入分别为268亿美元和199亿美元。 日本继续保持在半导体材料市场中的领先地位，消耗量占总市场的22%。2004年台湾地区超过了北美地区成为第二大半导体材料市场。北美地区落后于ROW(RestofWorld)和韩国排名第五。ROW包括新加坡、马来西亚、泰国等东南亚国家和地区。许多新的晶圆厂在这些地区投资建设，而且每个地区都具有比北美更坚实的封装基础。 晶片制造材料占半导体材料市场的60%，其中大部分来自矽晶圆。矽晶圆和光掩膜总和占晶圆制造材料的62%。2007年所有晶圆制造材料，除了湿化学试剂、光掩模和溅射靶，都获得了强劲增长，使晶圆制造材料市场总体增长16%。2008年晶圆制造材料市场增长相对平缓，增幅为7%。预计2009年和2010年，增幅分别为9%和6%。 半导体材料市场发生的最重大的变化之一是封装材料市场的崛起。1998年封装材料市场占半导体材料市场的33%，而2008年该份额预计可增至43%。这种变化是由于球栅阵列、晶片级封装和倒装晶片封装中越来越多地使用碾压基底和先进聚合材料。随着产品便携性和功能性对封装提出了更高的要求，预计这些材料将在未来几年内获得更为强劲的增长。此外，金价大幅上涨使引线键合部分在2007年获得36%的增长。 与晶圆制造材料相似，半导体封装材料在未来三年增速也将放缓，2009年和2010年增幅均为5%，分别达到209亿美元和220亿美元。除去金价因素，且碾压衬底不计入统计，实际增长率为2%至3%。 战略地位 20世纪中叶，单晶矽和半导体电晶体的发明及其矽积体电路的研制成功，导致了电子工业革命；20世纪70年代初石英光导纤维材料和GaAs雷射器的发明，促进了光纤通信技术迅速发展并逐步形成了高新技术产业，使人类进入了资讯时代。超晶格概念的提出及其半导体超晶格、量子阱材料的研制成功，彻底改变了光电器件的设计思想，使半导体器件的设计与制造从“杂质工程”发展到“能带工程”。纳米科学技术的发展和套用，将使人类能从原子、分子或纳米尺度水平上控制、 *** 纵和制造功能强大的新型器件与电路，深刻地影响着世界的政治、经济格局和军事对抗的形式，彻底改变人们的生活方式。

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