半导体材料的应用与发展史

半导体材料作为现代信息和新能源技术的基础受到人们的广泛关注吗。它的发展和应用带给人们福音，尤其是在通信、高速计算、大容量信息处理、可再生清洁能源、空间防御、电子对抗以及武器装备的微型化、智能化等等这些对国民经济和国家安全至关重要的领域出现了巨大的进步，受到了人们的欢迎和重视。

一、半导体的概念

物质存在的形式是多种多样的，有固体、液体、气体、离子体等。人们通常把导电性和导热性差的材料，如陶瓷、金刚石、人工晶体、琥珀和玻璃等成为绝缘体。而导电性、导热性都比较好的材料，如金、银、铜、铁、锡、铝等金属，称为导体。可以简单地把介于两者之间的，即介于到体育绝缘体之间的材料称为半导体，与金属和绝缘体相比，半导体材料的发现是最晚的。直到20世纪30年代，当材料的提纯技术改进以后，半导体的存在才真正被学术界认可。

二、半导体的发展

半导体材料的发现可以追溯到19世纪。1833年英国法拉第最先发现了硫化银材料的电阻随着温度的上升而降低，与金属的电阻随着温度的上升而增加的现象相反，从而发现了这种半导体特有的导电现象，不久以后，1893年，法国的贝克莱尔发现半导体和电解质接触形式的结在光照下会产生一个电压，这就是后来人们熟知的光生伏特效应。1873年，英国的史密斯发现了硒晶体材料的光电导现象。1874年德国的布劳恩观察到硫化铅与金属接触时的电导与外加的电场方向有关;如果把电压极性反过来，它就不导通了，这就是半导体的整流效应。同年，出生在德国的英国物理学家舒斯特有发现了铜与氧化铜的整流效应。上述半导体的这四个效应，虽然在1880年以前就先后被发现了。但是半导体这个名词大约到1911年才被考尼白格和维斯首次使用。

20世纪初期，尽管人们对半导体认识比较少，但是对半导体材料的应用研究还是比较活跃的。20世纪20年代，固体物理和量子力学的发展以及能带论的不断完善，使半导体材料中的电子态和电子输运过程的研究更加深入，对半导体材料中的结构性能、杂质和缺陷行为有了更深刻的认识，提高半导体晶体材料的完整性和纯度的研究。20世纪50年代，为了改善晶体管特性，提高其稳定性，半导体材料的制备技术得到了迅速发展。尽管硅在微电子技术应用方面取得了巨大成功，但是硅材料由于受间接带隙的制约，在硅基发光器件的研究方面进展缓慢。随着半导体超晶体格概念的提出，以及分子束外延。金属有机气相外延和化学束外延等先进外延生长技术的进步，成功的生长出一系列的晶态、非晶态薄层、超薄层微结构材料，这不仅推动了半导体物理和半导体器件设计与制造从过去的所谓“杂质工程”发展到“能带工程”为基于量子效应的新一代器件制造与应用打下了基础。

20世纪80年代开始，随着扫描隧道显微术和原子力显微镜技术的发现与应用，纳米科学技术得到了迅速发展，使人们在原子、分子和纳米尺度的水平上操控。制造具有全新功能的材料与器件，于是以碳60、碳纳米管为代表的纳米材料以及半导体量子点、量子线材料及其半导体量子器件的研究称为材料科学研究领域的热点，在国际上掀起了纳米科技的研究高潮，可以预料，基于量子力学原理的新一代半导体微结构材料、器件、电路和系统将引领人类进入到“奇妙”的量子时代，并将彻底改变人类经济生活方式。

随着信息载体从电子向光电子和光子转换步伐的加快，半导体材料也经历了有三维体材料到薄层、两位超薄层微结构材料，并正向集材料、器件、电路为一体的功能系统集成芯片材料，以为量子线和零维量子点材料(纳米结构材料)方向发展;从材料体系来看出，硅和硅基材料作为当代微电子技术的基础在21世纪中叶之前不会改变外，化合物半导体微结构材料以其优异的光电性质在高速、低功耗、低噪声器件和电路，特别是光电子器件、光电集成和光子集成等方面发挥越来越重要的作用，有机半导体发光材料因其低廉的成本和良好的柔性，以全色高亮度发光材料研究的更重要发展方向，预计会在新一代平板显示材料中占有一席之地。

航空航天以及国防建设的要求推动了宽带隙、高温微电子材料中袁洪无爱激光材料的发展，探索低维结构材料的量子效应及其在未来纳米电子学和纳米光学方面的应用，特别是基于单光子光源的量子通信技术，基于固态量子比特的量子计算和无机/有机/生命体复合结构材料与器件的发展应用，已成为目前材料科学最活跃的极有可能出发新的技术革命，从而彻底改变人类的生产生活方式。如何避免和消除大失配一直结构材料体系在界面处存在大量的位错和缺陷，是目前材料制备中迫切需要解决的关键科学问题之一，它的解决将为材料科学工作者提供一个广阔的创新空间。半导体材料是现代信息技术的基础。随着信息技术的不断发展，半导体材料和器件也将随之发展，永无止境。

石墨烯和碳納米管的问世引起了全世界的研究所热潮，作为新一代新材料受到了人们关注特别是由于其具有良好的导电性和高速的电子迁移特性，被看好在微电子技术和光电子技术领域有重大应用价值。石墨烯是一种二维碳原子晶体。石墨烯的厚度很薄，但是它的结构非常稳定，这一发现在科学界引起了巨大的轰动。石墨烯是六边形的，它的π电子是共轭的，但不像石墨一样共轭的。 它不仅是已知材料中最薄的一种，还非常牢固坚硬;作为单质，它在室温下传递电子的速度比已知导体都快。石墨烯在原子尺度上结构非常特殊，必须用相对论量子物理学才能描绘。 石墨烯结构非常稳定，迄今为止，研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况。石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定。 这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中电子受到的干扰也非常小。

碳纳米管是在用电弧法制备C60时发现的。随后，确认了碳纳米管的结构，发现了碳纳米管的许多奇特的性质，使得碳纳米管成为新的一维纳米材料的研究热点。碳纳米管是由类似石墨结构的六边形网格卷绕而成的、中空的“微管”,分为单层管和多层管。多层管由若干个层间距约为0.34纳米的同轴圆柱面套构而成。碳纳米管的径向尺寸较小，管的外径一般在几纳米到几十纳米;管的内径更小，有的只有1纳米左右。而碳纳米管的长度一般在微米量级，相对其直径而言是比较长的。因此，碳纳米管被认为是一种典型的一维纳米材料。对碳纳米管的性能，特别是电学性能和力学性能的研究，已有许多理论计算结果。但是由于多层碳纳米管结构的复杂性，大多数理论计算都是以单层碳纳米管为研究对象来

进行的。虽然大量的理论计算表明,碳纳米管具有电学、力学、光学等方面的许多奇特性质，但从实验上验证这些特性却十分困难。这主要是因为碳纳米管的尺寸太小，难以用常规实验手段对其进行测试。尽管困难重重，实验研究仍然取得了许多很有价值的成果。碳纳米管的性质与其结构密切相关。就其导电性而言，碳纳米管可以是金属性的，也可以是半导体性的，甚至在同一根碳纳米管上的不同部位，由于结构的变化，也可以呈现出不同的导电性。此外，电子在碳纳米管的径向运动受到限制，表现出典型的量子限域效应;而电子在轴向的运动不受任何限制。因此，可以认为碳纳米管是一维量子导线。作为典型的一维量子输运材料，金属性的碳纳米管在低温下表现出典型的库仑阻塞效应。当外电子注入碳纳米管这一微小的电容器如果电容足够小，只要注入1个电子就会产生足够高的反向电压使电路阻断。当被注入的电子穿过碳纳米管后，反向阻断电压随之消失，又可以继续注入电子了。 由于社会和科技发展，数字电子技术在我们生活中越来越广泛。而半导体材料的应用和发展给国家经济和国家安全至关重要的领域带来了巨大好处，引起新的飞跃。特别是在高温微电子材料中红外激光材料的发展，探索低维结构材料的量子效应及其在未来纳米电子学和纳米光学方面的应用，特别是基于单光子光源的量子通信技术，基于固态量子比特的量子计算和复合结构材料与器件的发展应用，已成为目前材料科学最活跃的极有可能出发新的技术革命，从而彻底改变人类的生产生活方式。