半導(dǎo)體材料是電導(dǎo)率介于絕緣體和導(dǎo)體之間的材料。它們可以是元素，例如硅 (Si) 和鍺 (Ge)，也可以是化合物，例如砷化鎵 (GaAs) 或碳化硅 (SiC)。它們對技術(shù)進(jìn)步的不可估量的影響是由于能夠通過故意將雜質(zhì)引入其晶體結(jié)構(gòu)（稱為摻雜）來操縱它們的行為。
半導(dǎo)體器件本質(zhì)上可能是分立的，例如晶體管和二極管，也可能是高度互連的，其中電子電路陣列擴(kuò)散到稱為晶片的半導(dǎo)體材料薄片的表面，以形成集成電路 (IC)。
它們是如何產(chǎn)生的？
無論這些設(shè)備的最終應(yīng)用是什么，半導(dǎo)體材料的化學(xué)純度對其有效運(yùn)行至關(guān)重要。硅是自 1950 年代以來使用最廣泛的此類材料，需要精煉至最低純度 99.9999% 才能用于太陽能電池和 99.9999999% 才能用于 IC。
這通常通過多步合成和純化過程來實(shí)現(xiàn)：天然存在的氧化物（SiO 2，如石英）的碳熱還原、轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性硅化合物（如三氯硅烷）、蒸餾、分解以重新形成元素硅純度更高，區(qū)域精煉（Barron，2021）。只有這樣，當(dāng)雜質(zhì)含量在十億分之幾的范圍內(nèi)時，硅才能被熔化、摻雜，并經(jīng)歷晶體生長過程（如 Czochralski 方法），最終獲得所需的單晶材料。
其他半導(dǎo)體原材料必須經(jīng)過類似的復(fù)雜合成和純化過程，才能用于制造半導(dǎo)體器件。
制造階段因所討論的設(shè)備而異；例如，IC 通常會進(jìn)行掩膜（使用光刻膠膜保護(hù)晶片的選擇性區(qū)域）、光刻（將晶片暴露在紫外線下以將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)移到薄膜上）、蝕刻（去除退化的薄膜以顯示預(yù)期的圖案）、離子實(shí)施（通過用離子轟擊材料來摻雜圖案）和金屬化（為單個設(shè)備創(chuàng)建金屬互連）。
循環(huán)經(jīng)濟(jì)的必要性
硅的天然豐度、半導(dǎo)體制造的規(guī)模經(jīng)濟(jì)以及與電子廢物相關(guān)的立法不充分是許多因素中的一部分，這些因素可能掩蓋了將循環(huán)經(jīng)濟(jì)方法嵌入半導(dǎo)體行業(yè)的真正需求。在全球芯片持續(xù)短缺的情況下，這種緊迫性直到最近才變得明顯。
全球電子廢物監(jiān)測顯示，在 2019 年產(chǎn)生的 5360 萬噸電子廢物中，只有 17.4% 被正式記錄為妥善收集和回收。這代表了采購二次原材料（包括半導(dǎo)體）、減少與原始原材料相關(guān)的高污染合成和凈化過程的排放以及減少垃圾填埋場的有害物質(zhì)的巨大潛力。
回收方法
回收半導(dǎo)體通常是一個復(fù)雜、昂貴且污染嚴(yán)重的過程，通常支持發(fā)展中國家的剝削和危險勞動實(shí)踐。但這種情況正在改變。已經(jīng)付出了巨大的努力來開發(fā)可用于各種半導(dǎo)體器件的可持續(xù)且有效的工藝。
太陽能板
超過 90% 的太陽能電池板基于晶體硅。提取這種半導(dǎo)體的傳統(tǒng)回收方法依賴于劇毒和腐蝕性化學(xué)品，例如氫氟酸。然而，今天，許多更環(huán)保的替代品越來越受歡迎。
Bogust 和 Smith (2020) 表明，物理回收方法（在這種情況下包括浸入液氮中，然后進(jìn)行熱解和機(jī)械篩選），能夠從碎裂的太陽能電池板中回收 88% 的晶體硅顆粒。拉赫曼等人。（2021 年）表明，使用環(huán)?；瘜W(xué)方法可以獲得類似的回收率，然后可以將其與球磨工藝相結(jié)合，以提供用于電池電極的納米硅。
普納希爾等人。（2021 年）表明，可持續(xù)和環(huán)保的回收方法還能夠提取足夠純度的硅，以便在新的半導(dǎo)體器件中重復(fù)使用。
集成電路
IC 的復(fù)雜成分意味著回收方法特別艱巨，并且已開發(fā)的方法通常涉及回收其貴金屬成分，例如金和銀。
然而，半導(dǎo)體材料一直是一些回收方法的重點(diǎn)。Zhan 等人 (2020) 開發(fā)了一種環(huán)保高效的水熱緩沖技術(shù)，用于回收 GaAs 基 IC，實(shí)現(xiàn)了 99.9% 和 95.5% 的鎵和砷回收率。鑒于假設(shè)采用基于 GaAs 的 IC 以滿足 5G 和物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)的挑戰(zhàn)性需求，這項(xiàng)工作可能會更加相關(guān)。
二極管
二極管，特別是發(fā)光二極管 (LED) 的回收利用也被證明是一種越來越流行的做法，因?yàn)樗鼈兒嘘P(guān)鍵原材料（如鎵、銦和稀土元素），并且它們可以浸出有害金屬在垃圾填埋場（如鉛和砷）。
LED 可以包含 GaAs、氮化鎵 (GaN) 或磷化鎵 (GaP) 半導(dǎo)體材料，具體取決于所需的光顏色。奧利維拉等人。（2021 年）表明，回收策略因這些材料中的哪一種而異，但突出了濕法冶金工藝（基于水介質(zhì)中的反應(yīng)提取金屬）的普遍優(yōu)勢。
晶體管
由于這些器件的封裝和尺寸，分立晶體管中包含的半導(dǎo)體目前尚未大規(guī)?；厥?。
然而，去年，杜克大學(xué)的研究人員開發(fā)了第一個完全可回收的晶體管?？纱蛴≡O(shè)備由導(dǎo)電（石墨烯）、半導(dǎo)體（碳納米管）和絕緣（納米纖維素）墨水制成?；厥仗蓟O(shè)備很簡單，需要超聲波浴和離心機(jī)。石墨烯和碳納米管的回收率都超過 95%，然后可以再次用于打印另一個設(shè)備。
