如何回收半导体

半导体材料是电导率介于绝缘体和导体之间的材料。它们可以是元素，例如硅 (Si) 和锗 (Ge)，也可以是化合物，例如砷化镓 (GaAs) 或碳化硅 (SiC)。它们对技术进步的不可估量的影响是由于能够通过故意将杂质引入其晶体结构（称为掺杂）来操纵它们的行为。

半导体器件本质上可能是分立的，例如晶体管和二极管，也可能是高度互连的，其中电子电路阵列扩散到称为晶片的半导体材料薄片的表面，以形成集成电路 (IC)。

它们是如何产生的？

无论这些设备的最终应用是什么，半导体材料的化学纯度对其有效运行至关重要。硅是自 1950 年代以来使用最广泛的此类材料，需要精炼至最低纯度 99.9999% 才能用于太阳能电池和 99.9999999% 才能用于 IC。

这通常通过多步合成和纯化过程来实现：天然存在的氧化物（SiO 2，如石英）的碳热还原、转化为挥发性硅化合物（如三氯硅烷）、蒸馏、分解以重新形成元素硅纯度更高，区域精炼（Barron，2021）。只有这样，当杂质含量在十亿分之几的范围内时，硅才能被熔化、掺杂，并经历晶体生长过程（如 Czochralski 方法），最终获得所需的单晶材料。

其他半导体原材料必须经过类似的复杂合成和纯化过程，才能用于制造半导体器件。

制造阶段因所讨论的设备而异；例如，IC 通常会进行掩膜（使用光刻胶膜保护晶片的选择性区域）、光刻（将晶片暴露在紫外线下以将设计转移到薄膜上）、蚀刻（去除退化的薄膜以显示预期的图案）、离子实施（通过用离子轰击材料来掺杂图案）和金属化（为单个设备创建金属互连）。

循环经济的必要性

硅的天然丰度、半导体制造的规模经济以及与电子废物相关的立法不充分是许多因素中的一部分，这些因素可能掩盖了将循环经济方法嵌入半导体行业的真正需求。在全球芯片持续短缺的情况下，这种紧迫性直到最近才变得明显。

全球电子废物监测显示，在 2019 年产生的 5360 万吨电子废物中，只有 17.4% 被正式记录为妥善收集和回收。这代表了采购二次原材料（包括半导体）、减少与原始原材料相关的高污染合成和净化过程的排放以及减少垃圾填埋场的有害物质的巨大潜力。

回收方法

回收半导体通常是一个复杂、昂贵且污染严重的过程，通常支持发展中国家的剥削和危险劳动实践。但这种情况正在改变。已经付出了巨大的努力来开发可用于各种半导体器件的可持续且有效的工艺。

太阳能板

超过 90% 的太阳能电池板基于晶体硅。提取这种半导体的传统回收方法依赖于剧毒和腐蚀性化学品，例如氢氟酸。然而，今天，许多更环保的替代品越来越受欢迎。

Bogust 和 Smith (2020) 表明，物理回收方法（在这种情况下包括浸入液氮中，然后进行热解和机械筛选），能够从碎裂的太阳能电池板中回收 88% 的晶体硅颗粒。拉赫曼等人。（2021 年）表明，使用环保化学方法可以获得类似的回收率，然后可以将其与球磨工艺相结合，以提供用于电池电极的纳米硅。

普纳希尔等人。（2021 年）表明，可持续和环保的回收方法还能够提取足够纯度的硅，以便在新的半导体器件中重复使用。

集成电路

IC 的复杂成分意味着回收方法特别艰巨，并且已开发的方法通常涉及回收其贵金属成分，例如金和银。

然而，半导体材料一直是一些回收方法的重点。Zhan 等人 (2020) 开发了一种环保高效的水热缓冲技术，用于回收 GaAs 基 IC，实现了 99.9% 和 95.5% 的镓和砷回收率。鉴于假设采用基于 GaAs 的 IC 以满足 5G 和物联网等新技术的挑战性需求，这项工作可能会更加相关。

二极管

二极管，特别是发光二极管 (LED) 的回收利用也被证明是一种越来越流行的做法，因为它们含有关键原材料（如镓、铟和稀土元素），并且它们可以浸出有害金属在垃圾填埋场（如铅和砷）。

LED 可以包含 GaAs、氮化镓 (GaN) 或磷化镓 (GaP) 半导体材料，具体取决于所需的光颜色。奥利维拉等人。（2021 年）表明，回收策略因这些材料中的哪一种而异，但突出了湿法冶金工艺（基于水介质中的反应提取金属）的普遍优势。

晶体管

由于这些器件的封装和尺寸，分立晶体管中包含的半导体目前尚未大规模回收。

然而，去年，杜克大学的研究人员开发了第一个完全可回收的晶体管。可打印设备由导电（石墨烯）、半导体（碳纳米管）和绝缘（纳米纤维素）墨水制成。回收碳基设备很简单，需要超声波浴和离心机。石墨烯和碳纳米管的回收率都超过 95%，然后可以再次用于打印另一个设备。