Les matériaux semi-conducteurs sont nominalement de petits isolants à bande interdite. La propriété déterminante d’un matériau semi-conducteur est qu’il peut être dopé avec des impuretés qui modifient ses propriétés électroniques de manière contrôlable.

En raison de leur application dans l’industrie informatique et photovoltaïque, dans des dispositifs tels que les transistors, les lasers et les cellules solaires, la recherche de nouveaux matériaux semi-conducteurs et l’amélioration des matériaux existants constituent un important domaine d’étude en science des matériaux.

Les matériaux semi-conducteurs les plus couramment utilisés sont des solides inorganiques cristallins. Ces matériaux sont classés en fonction des groupes de tableaux périodiques de leurs atomes constitutifs.

Différents matériaux semi-conducteurs diffèrent dans leurs propriétés. Ainsi, par rapport au silicium, les semi-conducteurs composés présentent à la fois des avantages et des inconvénients. Par exemple, l’arséniure de gallium (GaAs) a une mobilité électronique six fois supérieure à celle du silicium, ce qui permet un fonctionnement plus rapide; une bande interdite plus large, qui permet de faire fonctionner des appareils à des températures plus élevées et de réduire le bruit thermique des appareils à faible puissance à température ambiante; sa bande interdite directe lui confère des propriétés optoélectroniques plus favorables que la bande interdite indirecte du silicium; il peut être allié à des compositions ternaires et quaternaires, avec une largeur de bande interdite réglable, permettant une émission de lumière à des longueurs d’onde choisies, et permettant par exemple d’adapter les longueurs d’onde aux plus faibles pertes de fibres optiques. Le GaAs peut également être cultivé sous une forme semi-isolante, qui convient comme substrat isolant correspondant aux réseaux GaAs. À l’inverse, le silicium est robuste, bon marché et facile à traiter, alors que le GaAs est fragile et coûteux, et que les couches isolantes ne peuvent pas être créées simplement en faisant croître une couche d’oxyde; Le GaAs n’est donc utilisé que là où le silicium n’est pas suffisant.

En alliant des composés multiples, certains matériaux semi-conducteurs sont accordables, par exemple, dans une bande interdite ou une constante de réseau. Le résultat est une composition ternaire, quaternaire ou même quinaire. Les compositions ternaires permettent d’ajuster la bande interdite dans la gamme des composés binaires impliqués; toutefois, en cas de combinaison de matériaux à bande interdite directe et indirecte, il existe un rapport où la bande interdite indirecte prévaut, limitant la plage utilisable pour l’optoélectronique; Par exemple, les LED AlGaAs sont limitées à 660 nm. Les constantes de réseau des composés ont également tendance à être différentes, et le désaccord de réseau par rapport au substrat, en fonction du rapport de mélange, provoque des défauts dans des quantités dépendant de la grandeur de mésappariement; ceci influence le rapport des recombinaisons radiatives / non radiatives réalisables et détermine l’efficacité lumineuse du dispositif. Les compositions quaternaires et supérieures permettent d’ajuster simultanément la bande interdite et la constante de réseau, ce qui permet d’augmenter l’efficacité énergétique à une plus grande gamme de longueurs d’onde. Par exemple, AlGaInP est utilisé pour les LED. Les matériaux transparents à la longueur d’onde de lumière générée sont avantageux, car cela permet une extraction plus efficace des photons de la masse du matériau. Autrement dit, dans ces matériaux transparents, la production de lumière ne se limite pas à la surface. L’indice de réfraction dépend également de la composition et influence l’efficacité d’extraction des photons du matériau.

Types de matériaux semi-conducteurs
Semi-conducteurs élémentaires du groupe IV, (C, Si, Ge, Sn)
Semi-conducteurs composés du groupe IV
Semi-conducteurs élémentaires du groupe VI, (S, Se, Te)
Semi-conducteurs III-V: En cristallisant avec un haut degré de stoechiométrie, la plupart peuvent être obtenus à la fois de type n et de type p. Beaucoup ont des mobilités élevées et des écarts d’énergie directs, ce qui les rend utiles pour l’optoélectronique.
Semi-conducteurs II-VI: généralement de type p, sauf ZnTe et ZnO de type n
Semiconducteurs I – VII
Semi-conducteurs IV-VI
Semi-conducteurs V-VI
Semiconducteurs II-V
Semiconducteurs I-III-VI2
Les oxydes
Semi-conducteurs en couches
Semiconducteurs magnétiques
Semi-conducteurs organiques
Complexes de transfert de charge
Autres

Semi-conducteurs composés
Un semi-conducteur composé est un composé semi-conducteur composé d’éléments chimiques d’au moins deux espèces différentes. Ces semi-conducteurs se composent généralement de groupes de tableaux périodiques 13–15 (anciens groupes III – V), par exemple d’éléments du groupe Boron (ancien groupe III, bore, aluminium, gallium, indium) et du groupe 15 (ancien groupe V, azote). , phosphore, arsenic, antimoine, bismuth). La gamme de formules possibles est assez large car ces éléments peuvent former des éléments binaires (deux éléments, par exemple, arséniure de gallium (III) (GaAs)), ternaire (trois éléments, par exemple arséniure de gallium indium (InGaAs)) alliages de phosphure d’indium et de gallium (AlInGaP).

Fabrication
L’épitaxie en phase vapeur organométallique (MOVPE) est la technologie de dépôt la plus répandue pour la formation de couches minces semi-conductrices composites pour les dispositifs [citation requise]. Il utilise des métaux inorganiques ultra-purs et / ou des hydrures comme sources de précurseurs dans un gaz ambiant tel que l’hydrogène.

Les autres techniques de choix incluent:

Épitaxie par jets moléculaires (MBE)
Epitaxie en phase vapeur à l’hydrure (HVPE)
Épitaxie en phase liquide (LPE)
Epitaxie par jets moléculaires métal-organique (MOMBE)
Dépôt de couche atomique (ALD)

Tableau des matériaux semi-conducteurs

Groupe	Elem.	Matériel	Formule	Band gap (eV)	Type de lacune	La description
IV	1	diamant	C	5,47	indirect	Excellente conductivité thermique. Propriétés mécaniques et optiques supérieures. Facteur de qualité des résonateurs nanomécaniques extrêmement élevé.
IV	1	Silicium	Si	1.12	indirect	Utilisé dans les cellules solaires classiques en silicium cristallin (c-Si), et sous sa forme amorphe en tant que silicium amorphe (a-Si) dans les cellules solaires à couches minces. Les matériaux semi-conducteurs les plus courants dans le photovoltaïque; domine le marché mondial du PV; facile à fabriquer bonnes propriétés électriques et mécaniques. Forme de l’oxyde thermique de haute qualité à des fins d’isolation. Matériau le plus couramment utilisé dans la fabrication de circuits intégrés.
IV	1	Germanium	Ge	0,67	indirect	Utilisé dans les premières diodes de détection radar et les premiers transistors;nécessite moins de pureté que le silicium. Un substrat pour cellules photovoltaïques multi-fonctions à haut rendement. Réseau très constant constant à l’arséniure de gallium. Cristaux de haute pureté utilisés pour la spectroscopie gamma. Peut produire des moustaches qui nuisent à la fiabilité de certains appareils.
IV	1	Etain gris,α -Sn	Sn	0.00, 0,08	indirect	Allotrope basse température (réseau cubique diamant).
IV	2	Carbure de silicium, 3C-SiC	SiC	2.3	indirect	utilisé pour les premières LED jaunes
IV	2	Carbure de silicium, 4H-SiC	SiC	3.3	indirect
IV	2	Carbure de silicium, 6H-SiC	SiC	3.0	indirect	utilisé pour les premières LED bleues
VI	1	Soufre, α -S	S8	2.6
VI	1	Sélénium gris	Se	1,74	indirect	Utilisé dans les redresseurs au sélénium.
VI	1	Sélénium rouge	Se	2,05	indirect
VI	1	Tellure	Te	0,33
III-V	2	Nitrure de bore, cubique	BN	6,36	indirect	potentiellement utile pour les LED ultraviolettes
III-V	2	Nitrure de bore, hexagonal	BN	5,96	quasi-direct	potentiellement utile pour les LED ultraviolettes
III-V	2	Nanotube de nitrure de bore	BN	~ 5,5
III-V	2	Phosphure de bore	BP	2	indirect
III-V	2	Arséniure de bore	BAs	1,14	direct	Résistant aux dommages causés par les rayonnements, applications possibles dans les bétavolta.
III-V	2	Arséniure de bore	B12As2	3.47	indirect	Résistant aux dommages causés par les rayonnements, applications possibles dans les bétavolta.
III-V	2	Nitrure d’aluminium	AlN	6.28	direct	Piézoélectrique. Non utilisé seul en tant que semi-conducteur; AlN-close GaAlN éventuellement utilisable pour les LED ultraviolettes. Une émission inefficace à 210 nm a été obtenue sur AlN.
III-V	2	Phosphure d’aluminium	Alp	2,45	indirect
III-V	2	Arséniure d’aluminium	Hélas	2.16	indirect
III-V	2	Antimonure d’aluminium	AlSb	1,6 / 2,2	indirect / direct
III-V	2	Nitrure de gallium	GaN	3.44	direct	problème à être dopé au type p, dopage p avec Mg et recuit permis les premières LED bleues à haut rendement et lasers bleus. Très sensible à l’ESD.Insensible aux rayonnements ionisants, adapté aux panneaux solaires d’engins spatiaux. Les transistors GaN peuvent fonctionner à des tensions et des températures plus élevées que les GaAs, utilisés dans les amplificateurs de puissance hyperfréquences. Lorsque dopé avec par exemple du manganèse, devient un semi-conducteur magnétique.
III-V	2	Phosphure de gallium	Écart	2.26	indirect	Utilisé dans les premières luminosités rouges / oranges / vertes de faible à moyenne luminosité. Utilisé seul ou avec GaAsP. Transparent pour la lumière jaune et rouge, utilisé comme substrat pour les LED rouges / jaunes GaAsP.Dopé avec S ou Te pour le type n, avec Zn pour le type p. Le GaP pur émet du vert, le GaP dopé à l’azote émet du jaune-vert, le GaP dopé au ZnO émet du rouge.
III-V	2	Arséniure de gallium	GaAs	1,43	direct	deuxième utilisation la plus courante après le silicium, couramment utilisé comme substrat pour d’autres semi-conducteurs III-V, par exemple InGaAs et GaInNAs. Fragile. La mobilité des trous inférieurs est inférieure à celle des transistors CMOS de type P, impossible. Haute densité d’impuretés, difficile à fabriquer de petites structures. Utilisé pour les LED proches IR, l’électronique rapide et les cellules solaires à haut rendement. Une constante de réseau très similaire à celle du germanium peut être développée sur des substrats en germanium.
III-V	2	Antimoniure de gallium	GaSb	0.726	direct	Utilisé pour les détecteurs infrarouges et les LED et thermophotovoltaïque.Dopé avec Te, p avec Zn.
III-V	2	Nitrure d’indium	Auberge	0.7	direct	Utilisation possible dans les cellules solaires, mais le dopage de type p est difficile. Utilisé fréquemment comme alliages.
III-V	2	Phosphure d’indium	InP	1,35	direct	Généralement utilisé comme substrat pour InGaAs épitaxial. Vitesse d’électrons supérieure, utilisée dans les applications haute puissance et haute fréquence.Utilisé en optoélectronique.
III-V	2	Arséniure d’indium	InAs	0,36	direct	Utilisé pour les détecteurs infrarouges de 1 à 3,8 µm, refroidis ou non refroidis.Mobilité élevée des électrons. Les points InAs dans la matrice InGaAs peuvent servir de points quantiques. Les points quantiques peuvent être formés à partir d’une monocouche d’InAs sur InP ou GaAs. Emetteur photo-dember puissant, utilisé comme source de rayonnement terahertz.
III-V	2	Antimoniure d’indium	InSb	0,17	direct	Utilisés dans les détecteurs infrarouges et les capteurs d’imagerie thermique, le rendement quantique élevé, la faible stabilité, nécessitent un refroidissement, utilisé dans les systèmes d’imagerie thermique à longue portée militaires.Structure AlInSb-InSb-AlInSb utilisée comme puits quantique. Très grande mobilité électronique, vitesse électronique et longueur balistique. Les transistors peuvent fonctionner en dessous de 0,5 V et au-dessus de 200 GHz. Les fréquences térahertz peuvent être réalisables.
II-VI	2	Séléniure de cadmium	CdSe	1,74	direct	Nanoparticules utilisées comme points quantiques. Intrinsèque de type N, difficile à doper de type P, mais pouvant être de type p dopé à l’azote. Utilisation possible en optoélectronique. Testé pour les cellules solaires à haut rendement.
II-VI	2	Sulfure de cadmium	CdS	2.42	direct	Utilisé dans les photorésistances et les cellules solaires; CdS / Cu 2 S était la première cellule solaire efficace. Utilisé dans les cellules solaires avec CdTe.Commun comme points quantiques. Les cristaux peuvent agir comme des lasers à l’état solide. Électroluminescent. Lorsqu’il est dopé, il peut servir de phosphore.
II-VI	2	Tellurure de cadmium	CdTe	1,49	direct	Utilisé dans les cellules solaires avec CdS. Utilisé dans les cellules solaires à couches minces et autres systèmes photovoltaïques au tellurure de cadmium;moins efficace que le silicium cristallin mais moins cher. Effet électro-optique élevé, utilisé dans les modulateurs électro-optiques. Fluorescent à 790 nm.Nanoparticules utilisables comme points quantiques.
II-VI, oxyde	2	Oxyde de zinc	ZnO	3.37	direct	Photocatalytique. La bande interdite est réglable de 3 à 4 eV en alliant de l’oxyde de magnésium et de l’oxyde de cadmium. Le dopage de type p, de type intrinsèque, est difficile. Le dopage lourd à l’aluminium, à l’indium ou au gallium donne des revêtements conducteurs transparents; ZnO: Al est utilisé comme revêtement de fenêtre transparent dans les zones infrarouges visibles et réfléchissantes et comme film conducteur dans les écrans LCD et les panneaux solaires en remplacement de l’oxyde d’indium et d’étain. Résistant aux dégâts des rayonnements. Utilisation possible dans les LED et les diodes laser.Utilisation possible dans les lasers aléatoires.
II-VI	2	Séléniure de zinc	ZnSe	2.7	direct	Utilisé pour les lasers bleus et les LED. Dopage facile à n, le dopage de type p est difficile mais peut être réalisé avec, par exemple, de l’azote. Matériau optique commun en optique infrarouge.
II-VI	2	Sulfure de zinc	ZnS	3,54 / 3,91	direct	Ecart de bande 3,54 eV (cubes), 3,91 (hexagonal). Peut être dopé à la fois de type n et de type p. Scintillateur / phosphore commun si dopé de manière appropriée.
II-VI	2	Tellurure de zinc	ZnTe	2,25	direct	Peut être cultivé sur AlSb, GaSb, InAs et PbSe. Utilisé dans les cellules solaires, les composants des générateurs de micro-ondes, les LED bleues et les lasers. Utilisé en électro-optique. Avec le niobate de lithium utilisé pour générer un rayonnement terahertz.
I-VII	2	Chlorure cuivreux	CuCl	3.4	direct
I-VI	2	Sulfure de cuivre	Cu2S	1.2	indirect	type p, Cu 2 S / CdS était la première cellule solaire à couche mince efficace
IV-VI	2	Séléniure de plomb	PbSe	0,27	direct	Utilisé dans les détecteurs infrarouges pour l’imagerie thermique. Nanocristaux utilisables comme points quantiques. Bon matériau thermoélectrique à haute température.
IV-VI	2	Plomb (II) sulfure	PbS	0,37		Galène minérale, premier semi-conducteur en pratique, utilisé dans les détecteurs à moustaches de chat; les détecteurs sont lents en raison de la constante diélectrique élevée du PbS. Matériel le plus ancien utilisé dans les détecteurs infrarouges. À température ambiante peut détecter SWIR, les longueurs d’onde plus longues nécessitent un refroidissement.
IV-VI	2	Tellurure de plomb	PbTe	0,32		Faible conductivité thermique, bon matériau thermoélectrique à température élevée pour les générateurs thermoélectriques.
IV-VI	2	Sulfure d’étain	SnS	1.3 / 1.0	direct Indirect	Le sulfure d’étain (SnS) est un semi-conducteur avec une bande interdite optique directe de 1,3 eV et un coefficient d’absorption supérieur à 10 4 cm −1pour les énergies photoniques supérieures à 1,3 eV. C’est un semi-conducteur de type p dont les propriétés électriques peuvent être adaptées par dopage et modification structurelle et qui est apparu depuis une décennie comme l’un des matériaux simples, non toxiques et abordables pour les cellules solaires en couches minces.
IV-VI	2	Sulfure d’étain	SnS2	2.2		SnS 2 est largement utilisé dans les applications de détection de gaz.
IV-VI	2	Tellurure d’étain	SnTe			Structure de bande complexe
IV-VI	3	Tellurure d’étain plomb	PbSnTe			Utilisé dans les détecteurs infrarouges et pour l’imagerie thermique.
IV-VI	3	Tellurure d’étain-thallium	Tl2SnTe5
IV-VI	3	Thallium germanium tellurure	Tl2GeTe5
V-VI, en couches	2	Tellurure de bismuth	Bi2Te3			Matériau thermoélectrique efficace à proximité de la température ambiante lorsqu’il est allié au sélénium ou à l’antimoine. Semi-conducteur à couches à espace étroit. Conductivité électrique élevée, faible conductivité thermique.Isolateur topologique
II-V	2	Phosphure de cadmium	Cd3P2
II-V	2	Arséniure de cadmium	Cd3As2	0,14		Semi-conducteur intrinsèque de type N. Très grande mobilité des électrons.Utilisé dans les détecteurs infrarouges, les photodétecteurs, les capteurs de pression dynamiques à couche mince et les magnétorésistances. Des mesures récentes suggèrent que 3D Cd 3 As 2 est en réalité un semi-métal de Dirac sans bande interdite dans lequel les électrons se comportent de manière relativiste comme dans le graphène.
II-V	2	Antimonure de cadmium	Cd3Sb2
II-V	2	Phosphure de zinc	Zn3P2	1,5	direct
II-V	2	Arséniure de zinc	Zn3As2
II-V	2	Antimonure de zinc	Zn3Sb2			Utilisé dans les détecteurs infrarouges et les imageurs thermiques, les transistors et les magnétorésistances.
Oxyde	2	Dioxyde de titane, anatase	TiO2	3.2	indirect	photocatalytique, type n
Oxyde	2	Dioxyde de titane, rutile	TiO2	3.02	direct	photocatalytique, type n
Oxyde	2	Dioxyde de titane, brookite	TiO2	2.96
Oxyde	2	Oxyde de cuivre (I)	Cu2O	2.17		L’un des semi-conducteurs les plus étudiés. De nombreuses applications et effets ont été démontrés. Autrefois utilisé dans les diodes de redressement, avant le silicium.
Oxyde	2	Oxyde de cuivre (II)	CuO	1.2		Semi-conducteur de type P.
Oxyde	2	Dioxyde d’uranium	UO2	1.3		Coefficient de Seebeck élevé, résistant aux températures élevées, applications thermoélectriques et thermophotovoltaïques prometteuses. Auparavant utilisé dans les résistances URDOX, conduisant à haute température. Résistant aux dégâts des rayonnements.
Oxyde	2	Trioxyde d’uranium	UO3
Oxyde	2	Trioxyde de bismuth	Bi2O3			Conducteur ionique, applications dans les piles à combustible.
Oxyde	2	Dioxyde d’étain	SnO2	3.7		Semi-conducteur de type n déficient en oxygène. Utilisé dans les capteurs de gaz.
Oxyde	3	Titanate de baryum	BaTiO3	3		Ferroélectrique, piézoélectrique. Utilisé dans certaines caméras infrarouges non refroidies. Utilisé dans l’optique non linéaire.
Oxyde	3	Titanate de strontium	SrTiO3	3.3		Ferroélectrique, piézoélectrique. Utilisé dans les varistances. Conducteur quand dopé au niobium.
Oxyde	3	Lithium Niobate	LiNbO3	4		Ferroélectrique, piézoélectrique, montre l’effet Pockels. Larges utilisations en électro-optique et photonique.
Oxyde	3	Lanthane oxyde de cuivre	La2CuO4	2		supraconducteur dopé au baryum ou au strontium
En couches	2	Plomb (II) iodure	PbI 2
En couches	2	Disulfure de molybdène	MoS2	1,23 eV (2H)	indirect
En couches	2	Séléniure de gallium	GaSe	2,1	indirect	Photoconducteur Utilise en optique non linéaire.
En couches	2	Sulfure d’étain	SnS
En couches	2	Sulfure de bismuth	Bi2S3
Magnétique, dilué (DMS)	3	Arséniure de manganèse de gallium	GaMnAs
Magnétique, dilué (DMS)	3	Arséniure d’indium manganèse	InMnAs
Magnétique, dilué (DMS)	3	Tellurure de cadmium manganèse	CdMnTe
Magnétique, dilué (DMS)	3	Tellurure de plomb-manganèse	PbMnTe
Magnétique	4	Manganate de calcium de lanthane	La0,7Ca0,3MnO3			magnétorésistance colossale
Magnétique	2	Oxyde de fer (II)	FeO			antiferromagnétique
Magnétique	2	Nickel (II) oxyde	NiO	3.6–4.0	direct	antiferromagnétique
Magnétique	2	Oxyde d’europium (II)	EuO			ferromagnétique
Magnétique	2	Sulfure d’europium (II)	EuS			ferromagnétique
Magnétique	2	Bromure de chrome (III)	CrBr3
autre	3	Séléniure de cuivre d’indium, CIS	CuInSe2	1	direct
autre	3	Sulfure de gallium argenté	AgGaS2			propriétés optiques non linéaires
autre	3	Zinc phosphure de zinc	ZnSiP2
autre	2	Sulfure d’arsenic	As2S3			semi-conducteur à la fois cristallin et vitreux
autre	2	Sulfure d’arsenic	Comme 4S4			semi-conducteur à la fois cristallin et vitreux
autre	2	Siliciure de platine	PtSi			Utilisé dans les détecteurs infrarouges pour 1–5 µm. Utilisé en astronomie infrarouge. Haute stabilité, faible dérive, utilisé pour les mesures. Faible efficacité quantique.
autre	2	Iodure de bismuth (III)	BiI3
autre	2	Mercure (II) iodure	HgI 2			Utilisé dans certains détecteurs à rayons gamma et à rayons X et systèmes d’imagerie fonctionnant à température ambiante.
autre	2	Thallium (I) bromure	TlBr			Utilisé dans certains détecteurs à rayons gamma et à rayons X et systèmes d’imagerie fonctionnant à température ambiante. Utilisé comme capteur d’image radiographique en temps réel.
autre	2	Sulfure d’argent	Ag2S	0,9
autre	2	Disulfure de fer	2FeS	0,95		Pyrite minérale. Utilisé par la suite dans les détecteurs à moustaches, étudiés pour les cellules solaires.
autre	4	Sulfure de zinc, étain et cuivre, CZTS	Cu2ZnSnS4	1,49	direct	Cu 2 ZnSnS 4 est dérivé de CIGS, remplaçant l’Indium / Gallium par de la terre abondante en zinc / étain.
autre	4	Sulfure de zinc, d’antimoine et de cuivre, CZAS	Cu1,18Zn0,40Sb1,90S7,2	2.2	direct	Le sulfure de zinc, de zinc et d’antimoine est dérivé du sulfure de cuivre et d’antimoine (CAS), une classe de composés de la famatinite.
autre	3	Sulfure d’étain de cuivre, CTS	Cu2SnS3	0,91	direct	Cu 2 SnS 3 est un semi-conducteur de type p et peut être utilisé dans les cellules solaires à couche mince.