之前了我們聊了那麼多，其中都離不開"半導體"這個中心，半導體器件作為電子工業的基礎，它的發展是怎麼樣的呢？今天我們就來聊聊：
1 半導體材料
半導體材料這個想必大家都不陌生，現在我們使用的最常見的便是硅(Si)，但是寬禁帶半導體(WBG)又是當下較為熱門的半導體材料。
最早用於製造半導體器件的材料是鍺(Ge)，1947年，巴丁(Bardeen)、布萊登(Brattain)和肖克萊(Shockley)就是使用鍺製造出了第一隻晶體管。到了20世紀60年代初，硅以其諸多優勢取代了鍺，成為了主導的半導體材料：
①硅的取材較為廣泛，硅作為沙子的主要組成成分，在自然界的含量十分可觀，也就是較為廉價；
②硅很容易氧化從而形成二氧化硅(SiO2)絕緣層，對器件製造的選擇性擴散工藝來說具有極好的阻擋性；
③硅的禁帶寬度比鍺大，意味著能夠允許更高的工作溫度範圍。(WBG較之硅，其禁帶更寬)；
除了硅之外，還有一種半導體材料是砷化鎵(GaAs)，雖然其電子遷移率比硅更高，但是在製造工藝上卻有侷限性：熱處理的穩定性較差，氧化特性不好，同時價格也較高；從而決定了它的使用侷限性，GaAs主要被用在高速電路中。
----化合物半導體
砷化鎵(GaAs)：這種半導體對於微波器件來說很適用，因為它的開關頻率高，禁帶寬度有1.4eV，並具有很高的電子遷移率，是Si的5倍左右。在功率器件的領域中，高的電子遷移率使它適用於做高壓肖特基二極管。
碳化硅(SiC)：目前比較熱門的化合物半導體材料，針對它的研究從未使它經常被稱為功率器件的理想材料。SiC由於其禁帶寬度範圍大，從2.3eV和3.3eV，這取決於結晶形成的變化，導致它的最高結溫和臨界電場強度比Si高得多。SiC的特性使其變得很優越，但是由於金屬接觸的性質和封裝的限制，使其不能充分被利用，但是高臨界電場確實有利於應用的擴展。目前，大部分半導體廠家都相繼有SiC的產品出來，相對於Si來說，SiC擁有較高的結溫，高的開關頻率以及低的開關損耗等優勢，但由於製造技術等其他因素的限制，目前SiC還處於很年輕的狀態。
氮化鎵(GaN)：其禁帶寬度有3.4eV，具體的應用可以去百度詳細瞭解下(說實話，我也不是太瞭解，後期會去關注，歡迎大家交流)。
未來可能用於功率器件的熱門材料——碳的金剛石結晶體，其禁帶寬度有5.5eV。其實已經有了肖特基二極管樣品，但是估計還需要一個很長的時間才有可能走進我們的視野。
二、半導體器件
利用半導體材料的特性製造出的半導體器件，在我們的生活和工作中隨處可見，應用之廣、品種繁多，推動著電力電子的發展。全世界已經研究半導體器件超過140年了，大約有60多種主要的器件，以及100多種衍生的器件。下面我們就來聊聊大概的一個發展歷程：
最早研究半導體器件的是布勞恩(Braun)，他在1874年發現了金屬和金屬硫化物的接觸電阻值是依賴於外加電壓的大小和方向的。1907年，勞恩德(Round)發現了電致發光現象，當其在一塊金剛砂晶體上德兩點之間加上10V的電壓時，觀察到 了晶體能夠發出黃光。
1947年，巴丁和布萊登發明了點接觸晶體管。緊接著1949年，肖克萊發表了他那篇關於p-n結和雙極型晶體管的經典文章。下圖是世界上第一隻晶體管：
照片由Bell實驗室提供
在三角形石英晶體管底部的兩個點接觸是由相隔50um的金箔線壓在半導體表面而成的，所用的半導體材料是鍺。當一個接觸點正偏，另一個接觸點反偏時，可以觀察到輸入信號被放大的晶體管行為。雙極型晶體管是一個關鍵的半導體器件，開創了現代電子時代的新紀元。
1952年，埃伯斯(Ebers)提出了晶閘管的基本模型。
1954年，Chapin等人發明了採樣硅p-n結的太陽能電池。
1957年，Kroemer建議使用異質結雙極型晶體管來提高晶體管的性能。
1958年，江崎(Esaki)在一個重摻雜的p-n結中觀察到了負阻特性，從而有了隧道二極管的發明。隧道二極管以及相關的隧道現象對歐姆接觸和薄層間的載流子穿透理論具有很大的貢獻。
對於先進的集成電路而言，MOSFET是其中最重要的半導體器件。它首先是由Kahng和Atalla在1960年報道的。
1962年，霍爾(Hall)等人第一次在半導體中成功獲得了受激輻射。
1963年，Kroemer、Alferov和Kazarinov提出了異質結構激光。奠定了現代激光二極管的基礎，使得激光器可以在室溫下持續工作。激光二極管是應用較為廣泛的關鍵器件，應用在數字視頻、光纖通信、激光影印和大氣汙染監測等方面。
隨後的幾年裡，三種重要的微波器件相繼問世。
第一種是由Gunn於1963年發明的轉移電子晶體管(TED，也稱Gunn二極管)。TED被廣泛使用於毫米波波段的領域中，如檢測系統、遠程控制和微波測試儀器等。
第二種器件是碰撞電離雪崩渡越時間二極管(IMPATT)，是由Johnston等人於1965年發明的，它能夠在毫米波波段下產生較大連續波功率的器件，被應用於雷達系統和警報系統上。
第三種器件是MESFET--金屬半導體場效應晶體管，它是Mead於1966發明的，它是單片微波集成電路(MMIC)的關鍵器件。
1967年，Kahng和施敏發明了一種非常重要半導體存儲器件。它是一種非揮發性半導體存儲器(NVSM)，能夠在掉電後依然保持所儲存的信息。雖然和傳統的MOSFET非常相似，但是最大的區別在於它增加了一種"浮置柵"，能夠半永久性地儲存電荷。1994年，Yano等人第一次發明了可在室溫下工作地單電子存儲器。
1970年，波義耳(Boyle)和史密斯(Smith)發明了電荷耦合器件(CCD)，被廣泛用於數字相機和光學傳感器中。
1974年，張立綱等人第一次研究了共振隧穿二極管(RTD)，它是大多數量子效應器件的基礎。量子器件能夠大量減小器件數目而完成給定的電路功能，因此它具有極高密度、超高速和更強的功能性。
1980年，Mimura等人發明了MODFET--調製摻雜場效應晶體管。
再往後的發展，就是在已有的基礎上不斷地改進和優化，不斷地完善相應的特性。半導體器件的技術在不斷的發展，那伴隨著其相應的工藝是怎麼發展的呢？
三、半導體工藝
很多重要的半導體技術起源於幾個世紀以前就發明出來的工藝。比如，早在2000多年前，居於非洲西部海岸的Lake Victoria的人們就開始利用熔爐進行金屬結晶體的生長，這種加工工藝是用來在預先加熱的人工通風的熔爐中生產碳素鋼的。另外一個例子就是1798年就已經發明的平板印刷術，這種工藝最初是使用石片將模板上的圖案轉印過來。
1918年，Czochralsk發明了一種液態--固態單晶體生長技術——Czochralski晶體生長法(直拉法)，這種方法至今依然使用在大多數硅片生產的工藝中。另一種晶體生長技術是在1925年由Bridgman發明的，成為Bridgman晶體生長技術，它被應用於砷化鎵以及其他一些化合物半導體的晶體生長過程中。
雜質原子在半導體中的擴散是一種重要的半導體器件加工工藝。1855年，Fick提出了基本擴散理論。1952年，Pfann在他的一項專利中公開了他利用擴散技術改變硅的導電類型的思想。1957年，Andrus將古老的平板印刷工藝應用到了現代半導體器件的製造中，他使用具有感光特性、抗刻蝕的聚合物(光刻膠)將版圖轉印過來。平板印刷技術是半導體工業中的一項較為關鍵的技術，半導體能夠持續快速地成長很大原因歸功於此。
1957年，Frosch和Derrick提出了氧化物掩膜的方法，他們發現氧化層能夠有效地阻止絕大部分雜質原子地擴散穿透。同年，Sheftal等人發明了基於化學氣相澱積的外延生長技術，外延用以描述在半導體材料晶體表面上生長出一層與該半導體材料晶格結構相同薄層的技術。
1958年，Shockley提出了用離子注入技術來對半導體進行摻雜的方法，這種技術可以精確地控制摻雜原子地數目。從此，擴散和離子注入技術成為半導體摻雜地兩種主要方法。擴散可以用於高溫下形成深結的工藝，而離子注入是低溫工藝，可以在半導體中形成稱為淺結的摻雜區域。
1959年，Kilby製造出一個集成電路的雛形，它包含一個雙極型晶體管、三個電阻和一個電容。所有元器件都在鍺材料上製造，並由金屬線連接形成一個混合電路。同年，Noyce提出了在單一的半導體襯底上製造所有的半導體器件，並且半導體之間使用鍍鋁導線連接而製造單片型集成電路的思想。下圖是世界上第一個單片型集成電路：
1960年，Hoerni提出了平面工藝。在這項技術中，整個半導體表面先形成一層氧化層，再借助平板印刷技術，通過刻蝕去除部分氧化層，從而在氧化層上形成窗口。雜質原子通過窗口向裸露的半導體表面進行擴散，在氧化層窗口下形成p-n結。
隨著集成電路複雜程度的進一步提高，半導體技術從NMOS技術轉移到CMOS技術，也就是利用NMOS和PMOS相結合形成的邏輯單元。CMOS的概念由Wanlass和Sah於1963年提出。CMOS的優點是，CMOS邏輯單元只在邏輯狀態轉換時才會產生較大的電流，而在穩定狀態時只有極小的漏電流流過，功耗非常小。
1967年，Dennard發明了一項由兩個器件組成的電路，即動態隨機存取存儲器(DRAM)電路。每個存儲單元包含一個MOSFET和一個存儲電荷的電容，其中MOSFET作為電容充、放電的開關。
為了進一步改善半導體器件的性能，Kerwin等人於1969年提出了多晶硅自對準柵極工藝。這個工藝提高了器件可靠性的同時還降低了寄生電容。同年，Manasevit和Simpson發明了金屬有機物化學氣相澱積技術(MOCVD)，對化合物半導體而言，這是一項非常重要的外延生長技術。
隨著器件尺寸的減小，為了提高版圖轉印的可靠度，幹法刻蝕技術取代了溼法化學腐蝕技術。1971年，Irving等人提出了利用CF/O2的混合氣體來刻蝕硅晶片。同年，Cho提出了另一項重要技術，即分子束外延技術，這項技術可以近乎完美地在原子尺度下控制外延層在垂直方向地組成和摻雜濃度分佈。該技術導致了許多光器件和量子器件的發明。
自20世紀80年代初以來，為滿足器件尺寸日益縮小的要求，許多新的半導體技術應運而生。其中有三種關鍵技術，分別是溝槽隔離、化學機械拋光和銅互連線。溝槽隔離技術是1982年由Rung等人提出的，用於隔離CMOS器件，目前這種方法幾乎已經取代了所有其他的隔離技術。1989年，Davari等人提出了化學機械拋光的方法，以實現各層介電層的全面平坦化，是用於多層金屬鍍膜的關鍵技術。在亞微米器件中，有一種很有名的失效機構是電遷移，是指電流流過導線時，引起導線金屬離子發生遷移的現象。儘管鋁在上個世紀60年代初就被用作互連導線，但它在大電流下卻有著比較嚴重的電遷移現象。1993年，Paraszczak等人提出了當最小特徵尺寸接近100nm時，使用銅互連線代替鋁互連線的思想。
半導體材料以及加工工藝的發展，帶來了電子工業的飛速發展。今天的我們雖然有著前人的鋪墊，但是我們仍需要不斷地鑽研，國產半導體行業的未來雖然很遠，但不能漸行漸遠。
原文題目：半導體材料&工藝
作者：功率半導體那些事兒 Disciple
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