关于半导体

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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W.G.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B.T.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S.R.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W.E.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，P.W.安德森和莫脱，N.F.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S.R.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。

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。

半导体行业技术高、进步快，一代产品需要一代工艺，而一代工艺需要一代设备。IC制造设备主要分为光刻机、刻蚀机、薄膜设备、扩散离子注入设备、湿法设备、过程检测等六大类，其中光刻机约占总体设备销售额的18%，刻蚀机约占20%，薄膜设备约占20%。

国际半导体产业协会预计2020年半导体设备市场将增长20.7%，达到719亿美元，创历史新高。2017年中国大陆市场需求规模约占全球的15%左右，2020年预计占比将达到20%，约170亿美元。

半导体设备市场集中度高，主要由美日荷厂商垄断。总体上看，半导体设备市场CR十超60%，前五名分别为应用材料、拉姆研究、东京电子、阿斯麦和科磊半导体；局部上看，每一大类设备市场均呈现寡头竞争格局，前两名厂商占据一半以上的市场份额。

根据中国电子专用设备工业协会数据，国产替代空间巨大，国内厂商仍处于技术追赶期。但随着技术进步放缓，国内厂商与全球龙头技术差距正在逐渐缩短，未来3-5年将是半导体设备国产替代黄金战略机遇期。

投资建议：国内半导体设备市场虽大但自给率低，国产替代空间巨大；随着摩尔定律趋近极限技术进步放缓，国产厂商技术加速追赶，国产替代正当时。受益于半导体设备国产替代，国内厂商有望加速发展，推荐标的： 北方华创、至纯科技、精测电子、长川科技。

（文章来源：证券市场红周刊）

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