半导体材料的发展与营销

1、半导体材料的发展前景和市场竞争在谈及半导体材料的时候，很多人关注的是它的制作工艺，而我却更加关注半导体材料的发展前景和它的市场竞争力。我们知道，半导体材料是电导率在 1010 欧厘米之间的材料。在一般情况下，半导体电导率随温度的升高而增大，这与金属导体恰好相反。凡具有上述两种特征的材料都可归入半导体材料的范围。半导体材料是最重要最有影响的功能材料之一，它在微电子领域具有独占的地位，同时又是光电子领域的主要材料。毫不夸张的说，半导体材料支撑着通信、计算机、信息家电与网络技术等电子信息产业的发展。半导体材料及其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。半导体材料从发现到发展，从使用到创新，拥有这一段长久的历史。在二十世纪初，就曾出现过点接触矿石检波器。1930 年，氧化亚铜整流器制造成功并得到广泛应用，是半导体材料开始受到重视。1947 年锗点接触三极管制成，成为半导体的研究成果的重大突破。50 年代末，薄膜生长激素的开发和集成电路的发明，是的微电子技术得到进一步发展。60年代，砷化镓材料制成半导体激光器，固溶体半导体的出现，阿里奥在红外线方面的研究发展，半导体材料的应

2、用得到扩展。1969 年超晶格概念的提出和超晶格量子阱的研制成功，是的半导体器件的设计与制造从杂质工程发展到能带工程，将半导体材料的研究和应用推向了一个新的领域。90 年代以来随着移动通信技术的飞速发展，砷化镓和磷化烟等半导体材料成为焦点，用于制作高速高频大功率激发光电子器件等；近些年，新型半导体材料的研究得到突破，以氮化镓为代表的先进半导体材料开始体现出超强优越性，被称为 IT 产业的新发动机。下面，我通过查询资料，简要谈一下半导体材料的制备。不同的半导体器件对半导体材料有不同的形态要求，包括单晶的切片、磨片、抛光片、薄膜等。半导体材料的不同形态要求对应不同的加工工艺。常用的半导体材料制备工艺有提纯、单晶的制备和薄膜外延生长。所有的半导体材料都需要对原料进行提纯，要求的纯度在 6 个“9”以上 ，最高达 11 个“9”以上。提纯的方法分两大类，一类是不改变材料的化学组成进行提纯，称为物理提纯； 另一类是把元素先变成化合物进行提纯， 再将提纯后的化合物还原成元素， 称为化学提纯。物理提纯的方法有真空蒸发、区域精制、拉晶提纯等，使用最多的是区域精制。化学提纯的主要方法有电解、络合、萃取、

3、精馏等，使用最多的是精馏。 由于每一种方法都有一定的局限性，因此常使用几种提纯方法相结合的工艺流程以获得合格的材料。绝大多数半导体器件是在单晶片或以单晶片为衬底的外延片上作出的。成批量的半导体单晶都是用熔体生长法制成的。直拉法应用最广，80的硅单晶、大部分锗单晶和锑化铟单晶是用此法生产的，其中硅单晶的最大直径已达 300 毫米。在熔体中通入磁场的直拉法称为磁控拉晶法，用此法已生产出高均匀性硅单晶。在坩埚熔体表面加入液体覆盖剂称液封直拉法，用此法拉制砷化镓、磷化镓、磷化铟等分解压较大的单晶。悬浮区熔法的熔体不与容器接触，用此法生长高纯硅单晶。水平区熔法用以生产锗单晶。水平定向结晶法主要用于制备砷化镓单晶，而垂直定向结晶法用于制备碲化镉、砷化镓。用各种方法生产的体单晶再经过晶体定向、滚磨、作参考面、切片、 磨片、倒角、抛光、腐蚀、清洗、检测、封装等全部或部分工序以提供相应的晶片。在单晶衬底上生长单晶薄膜称为外延。外延的方法有气相、液相、固相、分子束外延等。工业生产使用的主要是化学气相外延，其次是液相外延。金属有机化合物气相外延和分子束外延则用于制备量子阱及超晶格等微结构。非晶、微晶、多晶薄

4、膜多 在玻璃、陶瓷、金属等衬底上用不同类型的化学气相沉积、磁控溅射等方法制成。既然要关注半导体材料的发展前景和市场潜力，就一定要从现在常见的半导体材料的研究趋势去下手。首先，我们先看一下目前最最常见也是应用最广的硅材料。从提高硅集成电路成品率，降低成本看，增大直拉硅（CZSi）单晶的直径和减小微缺陷的密度仍是今后 CZSi 发展的总趋势。从进一步提高硅的速度和集成度看，研制适合于硅深亚微米乃至纳米工艺所需的大直径硅外延片会成为硅材料发展的主流。另外，SOI 材料，包括智能剥离（Smart cut）和SIMOX 材料等也发展很快。理论分析指出 30nm 左右将是硅 MOS 集成电路线宽的“极限”尺寸。这不仅是指量子尺寸效应对现有器件特性影响所带来的物理限制和光刻技术的限制问题，更重要的是将受硅自身性质的限制。尽管人们正在积极寻找高 K 介电绝缘材料（如用 Si3N4 等来替代 SiO2） ，低 K 介电互连材料，用 Cu 代替 Al 引线以及采用系统集成芯片技术等来提高 ULSI 的集成度、运算速度和功能，但硅将最终难以满足人类不断的对更大信息量需求。为此，人们除寻求基于全新原理的量子计

5、算和 DNA 生物计算等之外，还把目光放在以 GaAs、InP 为基的化合物半导体材料，特别是二维超晶格、量子阱，一维量子线与零维量子点材料和可与硅平面工艺兼容 GeSi 合金材料等，这也是目前半导体材料研发的重点。再看一下 GaAs 和 InP 单晶材料。GaAs 和 InP 与硅不同，它们都是直接带隙材料，具有电子饱和漂移速度高，耐高温，抗辐照等特点；在超高速、超高频、低功耗、低噪音器件和电路，特别在光电子器件和光电集成方面占有独特的优势。GaAs 和 InP 单晶的发展趋势是：增大晶体直径；提高材料的电学和光学微区均匀性；降低单晶的缺陷密度，特别是位错；GaAs 和 InP 单晶的 VGF 生长技术发展很快，很有可能成为主流技术。谈谈半导体超晶格、量子阱材料。半导体超薄层微结构材料是基于先进生长技术（MBE，MOCVD）的新一代人工构造材料。它以全新的概念改变着光电子和微电子器件的设计思想，出现了“电学和光学特性可剪裁”为特征的新范畴，是新一代固态量子器件的基础材料。用于制造准连续兆瓦级大功率激光阵列的高质量量子阱材料受到人们的重视。最近，我国的科研工作者又提出并开展了多有源区纵

6、向光耦合垂直腔面发射激光器研究，这是一种具有高增益、极低阈值、高功率和高光束质量的新型激光器，在未来光通信、光互联与光电信息处理方面有着良好的应用前景。目前，V 族超晶格、量子阱材料作为超薄层微结构材料发展的主流方向。除此之外，硅基应变异质结构材料也成为一个研究的主要方向。说起宽带隙半导体材料，我们主要指的是金刚石，III 族氮化物，碳化硅，立方氮化硼以及氧化物（ZnO 等）及固溶体等，因具有高热导率、高电子饱和漂移速度和大临界击穿电压等特点，成为研制高频大功率、耐高温、抗辐照半导体微电子器件和电路的理想材料；在通信、汽车、航空、航天、石油开采以及国防等方面有着广泛的应用前景。另外，III 族氮化物也是很好的光电子材料，有着广泛的应用前景。近年来具有反常带隙弯曲的窄禁带 InAsN，InGaAsN，GaNP 和 GaNAsP 材料的研制也受到了重视。带隙半导体异质结构材料往往也是典型的大失配异质结构材料，所谓大失配异质结构材料是指晶格常数、热膨胀系数或晶体的对称性等物理参数有较大差异的材料体系。大晶格失配引发界面处大量位错和缺陷的产生，极大地影响着微结构材料的光电性能及其器件应用。如何避免和消除这一负面影响，是目前材料制备中的一个迫切要解决的关键科学问题。这个问题的解泱，必将大大地拓宽材料的可选择余地，开辟新的应用领域。除了上面的四类，还有一种常见的半导体材料低维半导体材料。实际上这里说的低维半导体材料就是纳米材料 ，从本质上看，发展纳米科学技术的重要目的之一，就是人们能在原子、分子或者纳米的尺度水平上来控制和制造功能强大、性能优越的纳米电子、光电子器件和电路，纳米生物传感器件等，以造福人类。可以预料，纳米科学技术的发展和应用不仅将彻底改变人们的生产和生活方式，也必将改变社会政治格局和战争的对抗形式。这也是为什么人们对发展纳米半导体技术非常重视的原因。

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