锗与硅 做半导体材料 各自的优缺点

先说说硅：作为现在最广泛应用的半导体材料，它的优点是多方面的。

1）硅的地球储量很大，所以原料成本低廉。

2）硅的提纯工艺历经60年的发展，已经达到目前人类的最高水平。

3）Si/SiO2 的界面可以通过氧化获得，非常完美。通过后退火工艺可以获得极其完美的界面。

4）关于硅的掺杂和扩散工艺，研究得十分广泛，前期经验很多。

不足：硅本身的电子和空穴迁移速度在未来很难满足更高性能半导体器件的需求。氧化硅由于介电常数较低，当器件微小化以后，将面临介电材料击穿的困境，寻找替代介电材料是当务之急。硅属于间接带隙半导体，光发射效率不高。

------------------------------------

锗：作为最早被研究的半导体材料，带给我们两个诺贝尔奖，第一个transistor和第一个IC。锗的优点是：

1）空穴迁移率最大，是硅的四倍；电子迁移率是硅的两倍。

2）禁带宽度比较小，有利于发展低电压器件。

3）施主/受主的激活温度远低于硅，有利于节省热预算。

4）小的波尔激子半径，有助于提高它的场发射特性。

5）小的禁带宽度，有助于组合介电材料，降低漏电流。

缺点也比较明显：锗属于较为活泼的材料，它和介电材料的界面容易发生氧化还原反应，生成GeO，产生较多缺陷，进而影响材料的性能；锗由于储量较少，所以直接使用锗作衬底是不合适的，因此必须通过GeOI（绝缘体上锗）技术，来发展未来器件。该技术存在一定难度，但是通过借鉴研究硅材料获得的经验，相信会在不久的将来克服。

半导体产业界著名的摩尔定律“芯片的集成度每18个月至2年提高一倍,即加工线宽缩小一半”,人们普遍认为,在这一定律描述下的时代还能延续10a.

提出该定律的摩尔本人也曾公开表示,10a之后,摩尔定律将很难继续有效,因为硅材料的加工极限一般认为是10nm线宽,受物理原理的制约,小于10nm后不太可能生产出性能稳定、集成度更高的产品.可能的替代方案是使用电子迁移率更高、尺寸更小的碳纳米管及石墨烯.二者具有相似的性质,都可以用于制作性能优良的微电子器件,以延续微电子技术的发展。

现在芯片的尺寸做的非常小，集成度非常高。需要新的材料才能满足芯片的要求。

硅

结晶型的硅是暗黑蓝色的，很脆，是典型的半导体。化学性质非常稳定。在常温下，除氟化氢以外，很难与其他物质发生反应。

硅的用途：

①高纯的单晶硅是重要的半导体材料。在单晶硅中掺入微量的第IIIA族元素，形成p型硅半导体；掺入微量的第VA族元素，形成n型和p型半导体结合在一起，就可做成太阳能电池，将辐射能转变为电能。在开发能源方面是一种很有前途的材料。

②金属陶瓷、宇宙航行的重要材料。将陶瓷和金属混合烧结，制成金属陶瓷复合材料，它耐高温，富韧性，可以切割，既继承了金属和陶瓷的各自的优点，又弥补了两者的先天缺陷。 可应用于军事武器的制造第一架航天飞机“哥伦比亚号”能抵挡住高速穿行稠密大气时磨擦产生的高温，全靠它那三万一千块硅瓦拼砌成的外壳。

③光导纤维通信，最新的现代通信手段。用纯二氧化硅拉制出高透明度的玻璃纤维，激光在玻璃纤维的通路里，无数次的全反射向前传输，代替了笨重的电缆。光纤通信容量高，一根头发丝那么细的玻璃纤维，可以同时传输256路电话，它还不受电、磁干扰，不怕窃听，具有高度的保密性。光纤通信将会使 21世纪人类的生活发生革命性巨变。

④性能优异的硅有机化合物。例如有机硅塑料是极好的防水涂布材料。在地下铁道四壁喷涂有机硅，可以一劳永逸地解决渗水问题。在古文物、雕塑的外表，涂一层薄薄的有机硅塑料，可以防止青苔滋生，抵挡风吹雨淋和风化。天安门广场上的人民英雄纪念碑，便是经过有机硅塑料处理表面的，因此永远洁白、清新。

---