氘气如何用于半导体？

氘气（2H2；D2）通过氘-氚交换过程用于制造硅半导体和电路板中常见的微芯片。氘退火用氘代替氚原子，防止芯片电路因化学腐蚀和热载流子效应而劣化。这一过程显着延长和改善了半导体和微芯片的生命周期，同时允许它们做得更小并具有高电路密度（高密度芯片）。

什么是“热载体效应”？

热载流子效应是指由热载流子注入引起的退化或不稳定，最终会降低芯片的使用寿命。当电子获得足够的动能以克服势垒并突破界面态时，就会发生这种热载流子注入问题。发生这种情况后，它们通常会击中 Si-H 键，并在此过程中破坏它。随着半导体晶体管内部的这些键被破坏，芯片开始慢慢退化，直到不再起作用。热载流子效应开始发生在半导体上没有确切的时间点，但它本质上是随机的。

与热载流子效应相关的退化效应本质上限制了晶体管的寿命，因此必须尽可能地加以控制以最大限度地延长器件的寿命。帮助减轻某些降解效应的解决方案是通过退火过程利用氘。

什么是半导体？

用最简单的术语来说，半导体是导电率低于导体（即铜）但高于绝缘体（即玻璃）的材料。

集成电路（如半导体）中最常用的材料是硅，较少见的是镓、砷化物、碳化硅和锗。然而，常用的纯硅在电性能上不具备良好的性能，因此必须先进行“掺杂”工艺。

什么是半导体掺杂？

“掺杂”一词是指有目的地将其他元素（杂质）引入纯晶体中以调节材料电学性质的过程。根据半导体的目的和最终用途，掺杂水平和使用的化学物质会有所不同。然而，通常掺杂是用硼或磷进行的，因为与硅的四个价电子相比，它们是少一个和一个剩余价电子的元素。根据掺杂工艺的不同，硅掺杂有两种可能的结果：N 型和 P 型；每一种都赋予半导体特定的特性。

半导体简史

半导体效应最早是在 1833 年记录的，当时英国物理学家迈克尔法拉第指出硫化银的电阻随着温度的下降而下降。后来，在 1874 年，当英国物理学家 Arthur Schuster 观察到他的铜线电路中的整流过程时，下一个重大突破出现了。然而，直到 1929 年，德国物理学家沃尔特肖特基才能够在他的金属-半导体实验中证实存在“半导体效应”的理论。

1876 年，威廉·格里尔斯·亚当斯 (William Grylls Adams) 和理查德·埃文斯·戴 (Richard Evans Day) 发现，通过点亮铂和硒之间的连接点，电流的方向可以改变。通过这一发现，查尔斯·弗里茨在 1883 年创造了世界上第一个太阳能电池，当时他在不知不觉中应用了“半导体效应”。

进入 21 世纪，美国物理学家约翰·巴丁 (John Bardeen) 和沃尔特·布拉顿 (Walter Brattain) 于 1947 年开发了第一个半导体晶体管。今天的晶体管基本上是所有现代技术的主要产品。它是使几乎所有技术都能发挥作用的组件，今天生产的每台计算机内部都有数十亿。

在半导体中使用氘的好处

在半导体中使用氘而不是 Protium（氢的常见同位素）有很多好处。首先，Si-D 键的振动弛豫时间比传统的 Si-H 键短得多。这意味着该化合物更快地接近振动平衡点。其原因归因于与硅晶体深处的 Si-Si 键的量子耦合。总的来说，这导致 D 掺杂器件的寿命比 H 掺杂器件显着更长。

通过研究已经确定，氘和硅之间存在异常数量的同步。这意味着这两个元素结合得非常好、非常快且非常牢固；所有这些都有利于半导体芯片和微芯片的制造和使用

已发现氘可降低作用于半导体的热载流子效应的严重程度，同时减少应力引起的泄漏电流。热载流子效应和应力引起的泄漏电流都极大地控制着半导体的使用寿命，并且通常是导致芯片故障的主要原因。