半导体材料的发展现状及趋势
从表1看出,选择宽带隙半导体材料的主要理由 是显而易见的。氮化镓的热导率明显高于常规 半导体。这一属性在高功率放大器和激光器中 是很起作用的。带隙大小本身是热生率的主要 贡献者。在任意给定的温度下,宽带隙材料的 热生率比常规半导体的小10~14个数量级。这 一特性在电荷耦合器件、新型非易失性高速存 储器中起很大的作用,并能实质性地减小光探 测器的暗电流。
将宽禁带(Eg>2.3eV)的氮化镓、碳化硅、硒化 锌和金刚石等称为第三代半导体材料。
上述材料是目前主要应用的半导体材料,三代 半导体材料代表品种分别为硅、砷化镓和氮化 镓。
材料的物理性质是产品应用的基础,表1 列出了主要半导体材料的物理性质及应用
情况。表中禁带宽度决定发射光的波长, 禁带宽度越大发射光波长越短(蓝光发射); 禁带宽度越小发射光波长越长。其它参数
≤4.9
≤4.2
≤3.6
≤3.0
局部平整度/nm
100
70
60
35
中心氧含量/×1017cm-3 ±9.0/15. ±9.0/15. ±9.0/15. ±9.0/15.
5
5
5
5
Fe浓度/1010cm-3
<1
<1
<1
<1
复合寿命/μs
≥325
≥350
≥350
≥400
(1)多晶硅
多晶硅是制备单晶硅和太阳能电池的原料。 半导体级多晶硅的生产技术现多采用改良西门 子法,这种方法的主要技术是:
宽带隙半导体材料的高介电强度最适合用 于高功率放大器、开关和二极管。宽带隙 材料的相对介电常数比常规材料的要小, 由于对寄生参数影响小,这对毫米波放大 器而言是有利用价值的。电荷载流子输运 特性是许多器件尤其是工作频率为微波、 毫米波放大器的一个重要特性。
宽带隙半导体材料的电子迁移率一般没有 多数通用半导体的高,其空穴迁移率一般 较高,金刚石则很高。宽带隙材料的高电 场电子速度(饱和速度)一般较常规半导体 高得多,这就使得宽带隙材料成为毫米波 放大器的首选者。
硅
经过多年的发展和竞争,国际硅材料行业 出现了垄断性企业,日本、德国和美国的 六大硅片公司的销量占硅片总销量的90% 以上,其中信越、瓦克、SUMCO和 MEMC四家的销售额占世界硅片销售额的 70%以上,决定着国际硅材料的价格和高 端技术产品市场,其中以日本的硅材料产 业最大,占据了国际硅材料行业的半壁江 山。
霍尔元件 激光调制器 高速集成电路 太阳能电池
激光器件 发光二极管 紫外探测器
集成电路
主要用途 通讯、雷达、广播、电视、自动控制 各种计算机、通讯、广播、自动控制、电子钟表、仪表
整流 整流、直流输配电、电气机车、设备自控、高频振荡器
原子能分析、光量子检测 太阳能发电
雷达、微波通讯、电视、移动通讯 光纤通讯
产业规模已超过日本位居世界第二(同期 日本信息产业销售收入只有1900亿美
元),成为中国第一大支柱产业。半导体
材料及应用已成为衡量一个国家经济发展、 科技进步和国防实力的重要标志。
在半导体产业的发展中,
硅、锗称为第一代半导体材料;
将砷化镓、磷化锢、磷化镓、砷化锢、砷化铝 及其合金等称为第二代半导体材料;
半导体材料的发展现状及趋势
半导体材料是指电阻率在10-3~108Ωcm, 介于金属和绝缘体之间的材料。半导体材 料是制作晶体管、集成电路、电力电子器 件、光电子器件的重要基础材料,支撑着 通信、计算机、信息家电与网络技术等电 子信息产业的发展。
电子信息产业规模最大的是美国。近几年 来,中国电子信息产品以举世瞩目的速度 发展,2003年中国电子信息产业销售收 入1.88万亿元,折合2200~2300亿美元,
硅
半导体硅材料自从60年代被广泛应用于各类电 子元器件以来,其用量平均大约以每年12~ 16%的速度增长。目前全世界每年消耗约 18000~25000吨半导体级多晶硅,消耗 6000~7000吨单晶硅,硅片销售金额约60~80 亿美元。可以说在未来30~50年内,硅材料仍 将是LSI工业最基础和最重要的功能材料。电子 工业的发展历史表明,没有半导体硅材料的发 展,就不可能有集成电路、电子工业和信息技 术的发展。
数值越高,半导体性能越好。电子迁移速
率决定半导体低压条件下的高频工作性能,
饱和速率决定半导体高压条件下的高频工 作性能。
表1 主要半导体材料的比较
材料
物
禁带宽度(ev)
理 性
饱和速率(×10-7cm/s)
质
热导(W/c·K)
击穿电压(M/cm)
电子迁移速率(cm2/V·s)
Si 1.1 1.0
1.3 0.3 1350
硅
半导体硅材料分为多晶硅、单晶硅、硅外延片 以及非晶硅、浇注多晶硅、淀积和溅射非晶硅 等。现行多晶硅生产工艺主要有改良西门子法 和硅烷热分解法。主要产品有棒状和粒状两种, 主要是用作制备单晶硅以及太阳能电池等。生 长单晶硅的工艺可分为区熔(FZ)和直拉(CZ)两 种。其中,直拉硅单晶(CZ-Si)广泛应用于集成 电路和中小功率器件。区域熔单晶(FZ-Si)目前 主要用于大功率半导体器件,比如整流二极管, 硅可控整流器,大功率晶体管等。单晶硅和多 晶硅应用最广。
硅
硅是集成电路产业的基础,半导体材料中 98%是硅。半导体器件的95%以上是用硅 材料制作的,90%以上的大规模集成电路 (LSI)、超大规模集成电路(VLSI)、甚大规 模集成电路(ULSI)都是制作在高纯优质的 硅抛光片和外延片上的。硅片被称作集成 电路的核心材料,硅材料产业的发展和集 成电路的发展紧密相关。
GaAs 1.4 2.1
0.6 0.4 8500
应
光学应用
用 情
高频性能
况
高温性能
发展阶段
相对制造成本
无 差 中 成熟 低
红外 好 差
发展中 高
GaN 3.4 2.7
2.0 5.0 900
蓝光/紫外 好 好
初期 高
硅材料具有储量丰富、价格低廉、热性能 与机械性能优良、易于生长大尺寸高纯度
晶体等优点,处在成熟的发展阶段。目前,
硅材料仍是电子信息产业最主要的基础材 料,95%以上的半导体器件和99%以上的 集成电路(IC)是用硅材料制作的。在21世 纪,它的主导和核心地位仍不会动摇。但
是硅材料的物理性质限制了其在光电子和 高频高功率器件上的应用。
砷化镓材料的电子迁移率是硅的6倍多, 其器件具有硅器件所不具有的高频、高速 和光电性能,并可在同一芯片同时处理光 电信号,被公认是新一代的通信用材料。 随着高速信息产业的蓬勃发展,砷化镓成 为继硅之后发展最快、应用最广、产量最 大的半导体材料。同时,其在军事电子系 统中的应用日益广泛,并占据不可取代的 重要地位。
多晶硅
未来多晶硅的发展方向是进一步降低各种 杂质含量,提高多晶硅纯度并保持其均匀 性,稳定提高多晶硅整体质量和扩大供给 量,以缓解供需矛盾。另外,在单晶大直 径化的发展过程中,坩埚增大直径是有一 定限度的。对此,未来粒状多晶硅将可能 逐步扩大供需量。
(1)在大型反应炉内同时加热许多根金属丝, 减小炉壁辐射所造成的热损失;
(2)炉的内壁加工成镜面,使辐射热反射,减 少散热;
(3)提高炉内压力,提高反应速度等措施; (4)在大型不锈钢金属反应炉内使用100根以
上的金属丝。
单位电耗由过去每公斤300度降低到80度。 多晶硅产量由改良前每炉次100~200公 斤提高到5~6吨。其显著特点是:能耗低、 产量高、质量稳定。表4给出了德国瓦克 公司的多晶硅质量指标数据。
多晶硅
峨嵋半导体材料厂和洛阳单晶硅厂1999 年多晶硅生产能力分别为60t/a和20t/a。 峨嵋半导体材料厂1998年建成的100t/a规 模的多晶硅工业性生产示范线,提高了各 项经济技术指标,同时该厂正在积极进行 1000t/a多晶硅项目建设的前期工作。洛 阳单晶硅厂将多晶硅产量扩建至300t/a。
氮化镓材料的禁带宽度为硅材料的3倍多, 其器件在大功率、高温、高频、高速和光 电子应用方面具有远比硅器件和砷化镓器 件更为优良的特性,可制成蓝绿光、紫外 光的发光器件和探测器件。
近年来取得了很大进展,并开始进入市场。 与制造技术非常成熟和制造成本相对较低 的硅半导体材料相比,第三代半导体材料 目前面临的最主要挑战是发展适合氮化镓 薄膜生长的低成本衬底材料和大尺寸的氮 化镓体单晶生长工艺。
表3 现代微电子工业对硅片关键参数的要求
首批产品预计生产年份
2பைடு நூலகம்05
2008
2011
2014
工艺代(特征尺寸/nm)
100
70
50
30
晶片尺寸/mm
300
300
300
450
去边/mm
1
1
1
1
正表面颗粒和COP尺寸
50
35
25
25
/mm
颗粒和COP密度/mm-2
0.10
0.10
0.10
0.10
表面临界金属元素密度 /109at.mm-2
多晶硅
目前全世界每年消耗约22000吨半导体级多晶硅, 世界多晶硅的年生产能力约为28000吨,生产高 度集中于美、日、德3国,海姆洛克(美国)、 瓦克ASIM(德国),德山曹达(日本)、 MEMC(美国)占据了多晶硅市场的80%以上。 其中,美国哈姆洛克公司产能达6500t/a,德国 瓦克化学公司和日本德山曹达公司产能超过 4500t/a,美国MEMC公司产能超过2500t/a。
小功率红外光源 磁场控制 激光通讯
高速计算机、移动通讯 太阳能发电
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