半導(dǎo)體材料的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

1、半導(dǎo)體材料的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢半導(dǎo)體材料的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢l半導(dǎo)體材料是指電阻率在10-3108cm，介于金屬和絕緣體之間的材料。半導(dǎo)體材料是制作晶體管、集成電路、電力電子器件、光電子器件的重要基礎(chǔ)材料，支撐著通信、計(jì)算機(jī)、信息家電與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。l電子信息產(chǎn)業(yè)規(guī)模最大的是美國。近幾年來，中國電子信息產(chǎn)品以舉世矚目的速度發(fā)展，2003年中國電子信息產(chǎn)業(yè)銷售收入1.88萬億元，折合22002300億美元，產(chǎn)業(yè)規(guī)模已超過日本位居世界第二（同期日本信息產(chǎn)業(yè)銷售收入只有1900億美元），成為中國第一大支柱產(chǎn)業(yè)。半導(dǎo)體材料及應(yīng)用已成為衡量一個(gè)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展、科技進(jìn)步和國防實(shí)力的重要標(biāo)志。l在半導(dǎo)

2、體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中，l硅、鍺稱為第一代半導(dǎo)體材料；l將砷化鎵、磷化錮、磷化鎵、砷化錮、砷化鋁及其合金等稱為第二代半導(dǎo)體材料；l將寬禁帶(Eg2.3eV)的氮化鎵、碳化硅、硒化鋅和金剛石等稱為第三代半導(dǎo)體材料。l上述材料是目前主要應(yīng)用的半導(dǎo)體材料，三代半導(dǎo)體材料代表品種分別為硅、砷化鎵和氮化鎵。 l材料的物理性質(zhì)是產(chǎn)品應(yīng)用的基礎(chǔ)，表1列出了主要半導(dǎo)體材料的物理性質(zhì)及應(yīng)用情況。表中禁帶寬度決定發(fā)射光的波長，禁帶寬度越大發(fā)射光波長越短(藍(lán)光發(fā)射)；禁帶寬度越小發(fā)射光波長越長。其它參數(shù)數(shù)值越高，半導(dǎo)體性能越好。電子遷移速率決定半導(dǎo)體低壓條件下的高頻工作性能，飽和速率決定半導(dǎo)體高壓條件下的高頻工作性能。 表

3、表1 主要半導(dǎo)體材料的比較主要半導(dǎo)體材料的比較 材料材料SiGaAsGaN物物理理性性質(zhì)質(zhì)禁帶寬度（禁帶寬度（ev）1.11.43.4飽和速率（飽和速率（10-7cm/s）1.02.12.7熱導(dǎo)（熱導(dǎo)（W/cK）1.30.62.0擊穿電壓（擊穿電壓（M/cm）0.30.45.0電子遷移速率（電子遷移速率（cm2/Vs應(yīng)用用情情況況光學(xué)應(yīng)用光學(xué)應(yīng)用無無紅外紅外藍(lán)光藍(lán)光/紫外紫外高頻性能高頻性能差差好好好好高溫性能高溫性能中中差差好好發(fā)展階段發(fā)展階段成熟成熟發(fā)展中發(fā)展中初期初期相對(duì)制造成本相對(duì)制造成本低低高高高高l硅材料具有儲(chǔ)量豐富、價(jià)格低廉、熱性能與機(jī)械性能優(yōu)良、易于生

4、長大尺寸高純度晶體等優(yōu)點(diǎn)，處在成熟的發(fā)展階段。目前，硅材料仍是電子信息產(chǎn)業(yè)最主要的基礎(chǔ)材料，95%以上的半導(dǎo)體器件和99%以上的集成電路(IC)是用硅材料制作的。在21世紀(jì)，它的主導(dǎo)和核心地位仍不會(huì)動(dòng)搖。但是硅材料的物理性質(zhì)限制了其在光電子和高頻高功率器件上的應(yīng)用。l 砷化鎵材料的電子遷移率是硅的6倍多，其器件具有硅器件所不具有的高頻、高速和光電性能，并可在同一芯片同時(shí)處理光電信號(hào)，被公認(rèn)是新一代的通信用材料。隨著高速信息產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，砷化鎵成為繼硅之后發(fā)展最快、應(yīng)用最廣、產(chǎn)量最大的半導(dǎo)體材料。同時(shí)，其在軍事電子系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛，并占據(jù)不可取代的重要地位。l從表1看出，選擇寬帶隙半導(dǎo)體材

5、料的主要理由是顯而易見的。氮化鎵的熱導(dǎo)率明顯高于常規(guī)半導(dǎo)體。這一屬性在高功率放大器和激光器中是很起作用的。帶隙大小本身是熱生率的主要貢獻(xiàn)者。在任意給定的溫度下，寬帶隙材料的熱生率比常規(guī)半導(dǎo)體的小1014個(gè)數(shù)量級(jí)。這一特性在電荷耦合器件、新型非易失性高速存儲(chǔ)器中起很大的作用，并能實(shí)質(zhì)性地減小光探測器的暗電流。 l寬帶隙半導(dǎo)體材料的高介電強(qiáng)度最適合用于高功率放大器、開關(guān)和二極管。寬帶隙材料的相對(duì)介電常數(shù)比常規(guī)材料的要小，由于對(duì)寄生參數(shù)影響小，這對(duì)毫米波放大器而言是有利用價(jià)值的。電荷載流子輸運(yùn)特性是許多器件尤其是工作頻率為微波、毫米波放大器的一個(gè)重要特性。 l寬帶隙半導(dǎo)體材料的電子遷移率一般沒有多數(shù)

6、通用半導(dǎo)體的高，其空穴遷移率一般較高，金剛石則很高。寬帶隙材料的高電場電子速度(飽和速度)一般較常規(guī)半導(dǎo)體高得多，這就使得寬帶隙材料成為毫米波放大器的首選者。 l 氮化鎵材料的禁帶寬度為硅材料的3倍多，其器件在大功率、高溫、高頻、高速和光電子應(yīng)用方面具有遠(yuǎn)比硅器件和砷化鎵器件更為優(yōu)良的特性，可制成藍(lán)綠光、紫外光的發(fā)光器件和探測器件。 l近年來取得了很大進(jìn)展，并開始進(jìn)入市場。與制造技術(shù)非常成熟和制造成本相對(duì)較低的硅半導(dǎo)體材料相比，第三代半導(dǎo)體材料目前面臨的最主要挑戰(zhàn)是發(fā)展適合氮化鎵薄膜生長的低成本襯底材料和大尺寸的氮化鎵體單晶生長工藝。l 主要半導(dǎo)體材料的用途如表2所示?？梢灶A(yù)見：以硅材料為主體

7、、GaAs半導(dǎo)體材料及新一代寬禁帶半導(dǎo)體材料共同發(fā)展將成為集成電路及半導(dǎo)體器件產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主流。表表2 半導(dǎo)體材料的主要用途半導(dǎo)體材料的主要用途材料名稱材料名稱制作器件制作器件主要用途主要用途硅硅二極管、晶體管二極管、晶體管通訊、雷達(dá)、廣播、電視、自動(dòng)控制通訊、雷達(dá)、廣播、電視、自動(dòng)控制集成電路集成電路各種計(jì)算機(jī)、通訊、廣播、自動(dòng)控制、電子鐘表、儀表各種計(jì)算機(jī)、通訊、廣播、自動(dòng)控制、電子鐘表、儀表整流器整流器整流整流晶閘管晶閘管整流、直流輸配電、電氣機(jī)車、設(shè)備自控、高頻振蕩器整流、直流輸配電、電氣機(jī)車、設(shè)備自控、高頻振蕩器射線探測器射線探測器原子能分析、光量子檢測原子能分析、光量子檢測太陽能電池

8、太陽能電池太陽能發(fā)電太陽能發(fā)電砷化鎵砷化鎵各種微波管各種微波管雷達(dá)、微波通訊、電視、移動(dòng)通訊雷達(dá)、微波通訊、電視、移動(dòng)通訊激光管激光管光纖通訊光纖通訊紅外發(fā)光管紅外發(fā)光管小功率紅外光源小功率紅外光源霍爾元件霍爾元件磁場控制磁場控制激光調(diào)制器激光調(diào)制器激光通訊激光通訊高速集成電路高速集成電路高速計(jì)算機(jī)、移動(dòng)通訊高速計(jì)算機(jī)、移動(dòng)通訊太陽能電池太陽能電池太陽能發(fā)電太陽能發(fā)電氮化鎵氮化鎵激光器件激光器件光學(xué)存儲(chǔ)、激光打印機(jī)、醫(yī)療、軍事應(yīng)用光學(xué)存儲(chǔ)、激光打印機(jī)、醫(yī)療、軍事應(yīng)用發(fā)光二極管發(fā)光二極管信號(hào)燈、視頻顯示、微型燈泡、移動(dòng)電話信號(hào)燈、視頻顯示、微型燈泡、移動(dòng)電話紫外探測器紫外探測器分析儀器、火焰檢測

9、、臭氧監(jiān)測分析儀器、火焰檢測、臭氧監(jiān)測集成電路集成電路通訊基站（功放器件）、永遠(yuǎn)性內(nèi)存、電子開關(guān)、導(dǎo)彈通訊基站（功放器件）、永遠(yuǎn)性內(nèi)存、電子開關(guān)、導(dǎo)彈二、半導(dǎo)體材料發(fā)展現(xiàn)狀二、半導(dǎo)體材料發(fā)展現(xiàn)狀1、半導(dǎo)體硅材料、半導(dǎo)體硅材料l 從目前電子工業(yè)的發(fā)展來看，盡管有各種新型的半導(dǎo)體材料不斷出現(xiàn)，半導(dǎo)體硅材料以豐富的資源、優(yōu)質(zhì)的特性、日臻完善的工藝以及廣泛的用途等綜合優(yōu)勢而成為了當(dāng)代電子工業(yè)中應(yīng)用最多的半導(dǎo)體材料。 硅l硅是集成電路產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，半導(dǎo)體材料中98是硅。半導(dǎo)體器件的95%以上是用硅材料制作的，90%以上的大規(guī)模集成電路(LSI)、超大規(guī)模集成電路(VLSI)、甚大規(guī)模集成電路(ULSI)都

10、是制作在高純優(yōu)質(zhì)的硅拋光片和外延片上的。硅片被稱作集成電路的核心材料，硅材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和集成電路的發(fā)展緊密相關(guān)。硅l半導(dǎo)體硅材料自從60年代被廣泛應(yīng)用于各類電子元器件以來，其用量平均大約以每年1216%的速度增長。目前全世界每年消耗約1800025000噸半導(dǎo)體級(jí)多晶硅，消耗60007000噸單晶硅，硅片銷售金額約6080億美元?？梢哉f在未來3050年內(nèi)，硅材料仍將是LSI工業(yè)最基礎(chǔ)和最重要的功能材料。電子工業(yè)的發(fā)展歷史表明，沒有半導(dǎo)體硅材料的發(fā)展，就不可能有集成電路、電子工業(yè)和信息技術(shù)的發(fā)展。 硅l半導(dǎo)體硅材料分為多晶硅、單晶硅、硅外延片以及非晶硅、澆注多晶硅、淀積和濺射非晶硅等?，F(xiàn)行多晶硅

11、生產(chǎn)工藝主要有改良西門子法和硅烷熱分解法。主要產(chǎn)品有棒狀和粒狀兩種，主要是用作制備單晶硅以及太陽能電池等。生長單晶硅的工藝可分為區(qū)熔(FZ)和直拉(CZ)兩種。其中，直拉硅單晶(CZ-Si)廣泛應(yīng)用于集成電路和中小功率器件。區(qū)域熔單晶(FZ-Si)目前主要用于大功率半導(dǎo)體器件，比如整流二極管，硅可控整流器，大功率晶體管等。單晶硅和多晶硅應(yīng)用最廣。 硅l經(jīng)過多年的發(fā)展和競爭，國際硅材料行業(yè)出現(xiàn)了壟斷性企業(yè)，日本、德國和美國的六大硅片公司的銷量占硅片總銷量的90%以上，其中信越、瓦克、SUMCO和MEMC四家的銷售額占世界硅片銷售額的70%以上，決定著國際硅材料的價(jià)格和高端技術(shù)產(chǎn)品市場，其中以日本

12、的硅材料產(chǎn)業(yè)最大，占據(jù)了國際硅材料行業(yè)的半壁江山。硅l在集成電路用硅片中，8英寸的硅片占主流，約4050，6英寸的硅片占30。當(dāng)硅片的直徑從8英寸到12英寸時(shí)，每片硅片的芯片數(shù)增加2.5倍，成本約降低30，因此，國際大公司都在發(fā)展12英寸硅片，2006年產(chǎn)量將達(dá)到13.4億平方英寸，將占總產(chǎn)量的20%左右?，F(xiàn)代微電子工業(yè)對(duì)硅片關(guān)鍵參數(shù)的要求如表3所示。表表3 現(xiàn)代微電子工業(yè)對(duì)硅片關(guān)鍵參數(shù)的要求現(xiàn)代微電子工業(yè)對(duì)硅片關(guān)鍵參數(shù)的要求首批產(chǎn)品預(yù)計(jì)生首批產(chǎn)品預(yù)計(jì)生產(chǎn)年份產(chǎn)年份2005200820112014工藝代（特征尺工藝代（特征尺寸寸/nm）100705030晶片尺寸晶片尺寸/mm300300300

13、450去邊去邊/mm1111正表面顆粒和正表面顆粒和COP尺寸尺寸/mm50352525顆粒和顆粒和COP密密度度/mm-20.100.100.100.10表面臨界金屬元表面臨界金屬元素密度素密度/109at.mm-24.94.23.63.0局部平整度局部平整度/nm100706035中心氧含量中心氧含量/1017cm-39.0/15.59.0/15.59.0/15.59.0/15.5（1）多晶硅）多晶硅l 多晶硅是制備單晶硅和太陽能電池的原料。半導(dǎo)體級(jí)多晶硅的生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)多采用改良西門子法，這種方法的主要技術(shù)是：l（1）在大型反應(yīng)爐內(nèi)同時(shí)加熱許多根金屬絲，減小爐壁輻射所造成的熱損失；l（2）爐

14、的內(nèi)壁加工成鏡面，使輻射熱反射，減少散熱；l（3）提高爐內(nèi)壓力，提高反應(yīng)速度等措施；l（4）在大型不銹鋼金屬反應(yīng)爐內(nèi)使用100根以上的金屬絲。l單位電耗由過去每公斤300度降低到80度。多晶硅產(chǎn)量由改良前每爐次100200公斤提高到56噸。其顯著特點(diǎn)是：能耗低、產(chǎn)量高、質(zhì)量穩(wěn)定。表4給出了德國瓦克公司的多晶硅質(zhì)量指標(biāo)數(shù)據(jù)。表表4 多晶硅質(zhì)量指標(biāo)多晶硅質(zhì)量指標(biāo) 項(xiàng)目項(xiàng)目免洗料免洗料酸腐蝕料酸腐蝕料純度純度及電及電阻率阻率施施 主主（P、As、Sb）max 150pptamax 150pptamin 500cmmin 500cm受受 主主（B、Al）max 50pptamax 50pptamin

15、500cmmin 500cm碳碳max 100ppbamax 100ppba體金屬總量（體金屬總量（Fe、Cu、Ni、Cr、Zn）max 500pptwmax 500pptw表面表面金屬金屬Femax 5000pptwmax 500pptw/250pptaCumax 1000pptwmax 50pptw/25pptaNimax 1000pptwmax 100pptw/50pptaCrmax 1000pptwmax 100pptw/55ppta多晶硅l1998年，多晶硅生產(chǎn)廠商預(yù)計(jì)半導(dǎo)體行業(yè)將快速增長，因此大量擴(kuò)張產(chǎn)能。然而，半導(dǎo)體行業(yè)并未出現(xiàn)預(yù)期高速增長，多晶硅需求急劇下降，結(jié)果導(dǎo)致多晶硅產(chǎn)能

16、嚴(yán)重過剩。2003年以前，多晶硅供大于求，2004年多晶硅供需達(dá)到平衡，2005年，多晶硅生產(chǎn)廠家有必要增加投資擴(kuò)大產(chǎn)能增加太陽能多晶硅的產(chǎn)量。 多晶硅l目前全世界每年消耗約22000噸半導(dǎo)體級(jí)多晶硅，世界多晶硅的年生產(chǎn)能力約為28000噸，生產(chǎn)高度集中于美、日、德3國，海姆洛克（美國）、瓦克ASIM（德國），德山曹達(dá)（日本）、MEMC（美國）占據(jù)了多晶硅市場的80以上。其中，美國哈姆洛克公司產(chǎn)能達(dá)6500t/a，德國瓦克化學(xué)公司和日本德山曹達(dá)公司產(chǎn)能超過4500t/a，美國MEMC公司產(chǎn)能超過2500t/a。多晶硅l中國多晶硅嚴(yán)重短缺，遠(yuǎn)不能滿足國內(nèi)市場需求。多晶硅工業(yè)起步于50年代，60年

17、代實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。由于技術(shù)水平低、生產(chǎn)規(guī)模太小、環(huán)境污染嚴(yán)重、生產(chǎn)成本高，目前只剩下峨嵋半導(dǎo)體材料廠和洛陽單晶硅廠2個(gè)廠家生產(chǎn)多晶硅。中國多晶硅的產(chǎn)能為100噸/年，實(shí)際產(chǎn)量是7080噸，僅占世界產(chǎn)量的0.4%，與當(dāng)今信息產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展和多晶硅的市場需求急劇增加極不協(xié)調(diào)。我國這種多晶硅供不應(yīng)求的局面還將持續(xù)下去。據(jù)專家預(yù)測，2005年中國多晶硅年需求量約為756噸，2010年為1302噸，市場前景十分巨大。 多晶硅l 峨嵋半導(dǎo)體材料廠和洛陽單晶硅廠1999年多晶硅生產(chǎn)能力分別為60t/a和20t/a。峨嵋半導(dǎo)體材料廠1998年建成的100t/a規(guī)模的多晶硅工業(yè)性生產(chǎn)示范線，提高了各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指

18、標(biāo)，同時(shí)該廠正在積極進(jìn)行1000t/a多晶硅項(xiàng)目建設(shè)的前期工作。洛陽單晶硅廠將多晶硅產(chǎn)量擴(kuò)建至300t/a。多晶硅l未來多晶硅的發(fā)展方向是進(jìn)一步降低各種雜質(zhì)含量，提高多晶硅純度并保持其均勻性，穩(wěn)定提高多晶硅整體質(zhì)量和擴(kuò)大供給量，以緩解供需矛盾。另外，在單晶大直徑化的發(fā)展過程中，坩堝增大直徑是有一定限度的。對(duì)此，未來粒狀多晶硅將可能逐步擴(kuò)大供需量。（2）單晶硅和外延片）單晶硅和外延片l 生產(chǎn)單晶硅的工藝主要采用直拉法(CZ)、區(qū)熔法(FZ) 、磁場直拉法(MCZ)以及雙坩堝拉晶法。CZ、FZ和MCZ單晶各自適用于不同的電阻率范圍的器件，而MCZ可完全代替CZ，可部分代替FZ。MCZ將取代CZ成為

19、高速ULI材料。一些硅材料技術(shù)先進(jìn)的國家MCZ技術(shù)發(fā)展較快。對(duì)單晶的主要質(zhì)量要求是降低各種有害雜質(zhì)含量和微缺陷，根據(jù)需要控制氧含量并保持縱橫向分布均勻、控制電阻率均勻性。l硅晶片屬于資金密集型和技術(shù)密集型行業(yè)，在國際市場上產(chǎn)業(yè)相對(duì)成熟，市場進(jìn)入平穩(wěn)發(fā)展期，生產(chǎn)集中在少數(shù)幾家大公司，小型公司已經(jīng)很難插手其中。 國際市場單晶硅產(chǎn)量排名前5位的公司分別是日本信越化學(xué)公司（Shin-Etsu）、德瓦克化學(xué)公司（Wacker）、日本住友金屬公司（Sumitomo）、美國MEMC公司和日本三菱材料公司。這5家公司2001年硅晶片的銷售總額為51.47億元，占全球銷售額的79.1%，其中的3家日本公司占據(jù)了

20、市場份額的50.7%，表明日本在全球硅晶片行業(yè)中占據(jù)了主導(dǎo)地位。 l集成電路高集成度、微型化和低成本的要求對(duì)半導(dǎo)體單晶材料的電阻率均勻性、金屬雜質(zhì)含量、微缺陷、晶片平整度、表面潔凈度等提出了更加苛刻的要求，晶片大尺寸和高質(zhì)量成為必然趨勢。目前全球主流硅晶片已由直徑8英寸逐漸過渡到12英寸晶片，研制水平已達(dá)到16英寸。l 中國半導(dǎo)體材料行業(yè)經(jīng)過四十多年發(fā)展已取得相當(dāng)大的進(jìn)展，先后研制和生產(chǎn)了4英寸、5英寸、6英寸、8英寸和12英寸硅片。隨著半導(dǎo)體分立元件和硅光電池用低檔和廉價(jià)硅材料需求的增加，中國單晶硅產(chǎn)量逐年增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2001年我國半導(dǎo)體硅材料的銷售額達(dá)9.06億元，年均增長26.4%。單

21、晶硅產(chǎn)量為584t，拋光片產(chǎn)量5183萬平方英寸，主要規(guī)格為36英寸，6英寸正片已供應(yīng)集成電路企業(yè)，8英寸主要用作陪片。 l單晶硅出口比重大，出口額為4648萬美元，占總銷售額的42.6%，較2000年增長了5.3%。目前，國外8英寸IC生產(chǎn)線正向我國戰(zhàn)略性移動(dòng)，我國新建和在建的F8英寸IC生產(chǎn)線有近10條之多，對(duì)大直徑高質(zhì)量的硅晶片需求十分強(qiáng)勁，而國內(nèi)供給明顯不足，基本依賴進(jìn)口，中國硅晶片的技術(shù)差距和結(jié)構(gòu)不合理可見一斑。在現(xiàn)有形勢和優(yōu)勢面前發(fā)展我國的硅單晶和IC技術(shù)面臨著巨大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。l 2004年國內(nèi)從事硅單晶材料研究生產(chǎn)的企業(yè)約有35家，從業(yè)人員約3700人，主要研究和生產(chǎn)單位有l(wèi)北

22、京有研硅股、l杭州海納半導(dǎo)體材料公司、l寧波立立電子公司、l洛陽單晶硅廠、l萬向硅峰電子材料公司、l上海晶華電子材料公司、l峨眉半導(dǎo)體材料廠、l河北寧晉半導(dǎo)體材料公司等。l有研硅股在大直徑硅單晶的研制方面一直居國內(nèi)領(lǐng)先地位，先后研制出我國第一根6英寸、8英寸和12英寸硅單晶，單晶硅在國內(nèi)市場占有率為40%。2004年國內(nèi)硅單晶產(chǎn)量達(dá)1000噸左右，銷售額突破11億元，平均年增長率為27.5%，2005年我國硅單晶產(chǎn)量可達(dá)1400噸左右。l 隨著集成電路特征線寬尺寸的不斷減小，對(duì)硅片的要求越來越高，控制單晶的原生缺陷變得愈來愈困難，因此外延片越來越多地被采用。目前8英寸硅片有很大部分是以外延片形

23、式提供的，而12英寸芯片生產(chǎn)線將全部采用外延。目前國外單晶硅和外延片的生產(chǎn)企業(yè)有信越（日本）、三菱住友SUMCO（日本），MEMC（美國），瓦克（德國）等。l 目前從事外延片研究生產(chǎn)的主要單位有l(wèi)信息產(chǎn)業(yè)部電子13所、l電子55所、l華晶外延廠等近10家，l但是由于技術(shù)、體制、資金等種種原因，中國硅材料企業(yè)的技術(shù)水平要比發(fā)達(dá)國家落后約10年，硅外延狀況也基本如此。目前中國硅外延片產(chǎn)品規(guī)格主要是4英寸、5英寸、6英寸硅外延片，還沒有大批量生產(chǎn)，8英寸硅外延尚屬空白。l在世界范圍內(nèi)8英寸和12英寸硅片仍然是少數(shù)幾家硅片供應(yīng)商的拳頭產(chǎn)品，他們有自己的專有生產(chǎn)技術(shù)，為世界提供了大部分制造集成電路用的8

24、英寸和12英寸硅拋光片和硅外延片，這種局面在今后相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)不會(huì)有根本的改變，這些大公司的12英寸外延片已量產(chǎn)化，目前國外8英寸外延片價(jià)格約45美元/片，而12英寸外延片價(jià)格就高的多，其經(jīng)濟(jì)效益還是很可觀的。2、砷化鎵單晶材料、砷化鎵單晶材料l（1）國外發(fā)展概況）國外發(fā)展概況l 砷化鎵是微電子和光電子的基礎(chǔ)材料，為直接帶隙，具有電子飽和漂移速度高、耐高溫、抗輻照等特點(diǎn)，在超高速、超高頻、低功耗、低噪聲器件和電路，特別在光電子器件和光電集成方面占有獨(dú)特的優(yōu)勢。l 目前，世界砷化鎵單晶的總年產(chǎn)量已超過200噸(日本1999年的砷化鎵單晶的生產(chǎn)量為94噸)。用于大量生產(chǎn)砷化鎵晶體的方法是傳統(tǒng)的LE

25、C法(液封直拉法)和HB法(水平舟生產(chǎn)法)。國外開發(fā)了兼具以上2種方法優(yōu)點(diǎn)的VGF法(垂直梯度凝固法)、VB法(垂直布里支曼法)和VCZ法(蒸氣壓控制直拉法)，成功制備出46英寸大直徑GaAs單晶。各種方法比較詳見表5。其中以低位錯(cuò)密度的HB方法生長的23英寸的導(dǎo)電砷化鎵襯底材料為主。表表5 GaAs單晶生產(chǎn)方法比較單晶生產(chǎn)方法比較 工藝特點(diǎn)工藝特點(diǎn)LECHBVGFVBVCZ工藝工藝水平水平低位錯(cuò)低位錯(cuò)差差好好很好很好很好很好好好位錯(cuò)均勻性位錯(cuò)均勻性差差中等中等好好好好好好長尺寸長尺寸好好差差好好好好很好很好大直徑大直徑好好差差好好好好很好很好監(jiān)控監(jiān)控好好好好差差差差差差位錯(cuò)密度（位錯(cuò)密度（c

26、m-2）104105102102102102103生產(chǎn)生產(chǎn)水平水平直徑（英寸）直徑（英寸）3、4、62、326264、6位錯(cuò)密度（位錯(cuò)密度（cm-2）11041103510351035103遷移率遷移率（cm2/(vs)）60007000生產(chǎn)規(guī)模生產(chǎn)規(guī)模規(guī)模生產(chǎn)規(guī)模生產(chǎn)規(guī)模生產(chǎn)規(guī)模生產(chǎn)批量生產(chǎn)批量生產(chǎn)批量生產(chǎn)批量生產(chǎn)試制試制l移動(dòng)電話用電子器件和光電器件市場快速增長的要求，使全球砷化鎵晶片市場以30%的年增長率迅速形成數(shù)十億美元的大市場，預(yù)計(jì)未來20年砷化鎵市場都具有高增長性。日本是最大的生產(chǎn)國和輸出國，占世界市場的7080%；美國在1999年成功地建成了3條6英寸砷化鎵生產(chǎn)線，在砷化鎵生產(chǎn)技

27、術(shù)上領(lǐng)先一步。 l日本住友電工是世界最大的砷化鎵生產(chǎn)和銷售商，年產(chǎn)GaAs單晶30t。美國AXT公司是世界最大的VGF GaAs材料生產(chǎn)商。國際上砷化鎵市場需求以4英寸單晶材料為主，而6英寸單晶材料產(chǎn)量和市場需求快速增加，已占據(jù)35%以上的市場份額。研制和小批量生產(chǎn)水平達(dá)到8英寸。l近年來，為滿足高速移動(dòng)通信的迫切需求，大直徑(68英寸)的Si-GaAs發(fā)展很快，4英寸70厘米長及6英寸35厘米長和8英寸的半絕緣砷化鎵(Si-GaAs)也在日本研制成功。磷化銦具有比砷化鎵更優(yōu)越的高頻性能，發(fā)展的速度更快，但研制直徑4英寸以上大直徑的磷化銦單晶的關(guān)鍵技術(shù)尚未完全突破，價(jià)格居高不下。 砷化鎵單晶材

28、料的發(fā)展趨勢是：l增大晶體直徑，目前4英寸的Si-GaAs已用于大生產(chǎn)，預(yù)計(jì)直徑為6英寸的Si-GaAs在21世紀(jì)初也將投入工業(yè)應(yīng)用；l提高材料的電學(xué)和光學(xué)微區(qū)均勻性；l降低單晶的缺陷密度，特別是位錯(cuò)；l砷化鎵和磷化銦單晶的VGF生長技術(shù)發(fā)展很快，很有可能成為主流技術(shù)。 表表6 世界世界GaAs單晶主要生產(chǎn)廠家單晶主要生產(chǎn)廠家公司公司名稱名稱住友住友電電工工住友住友礦礦山山同和同和礦礦業(yè)業(yè)日立日立電電線線昭和昭和電電工工三菱三菱化化學(xué)學(xué)CSIAXTHPMCPFreibuigerHB LEC VGF/VBDD D 注：主要產(chǎn)品（大生產(chǎn)），注：主要產(chǎn)品（大生產(chǎn)），生產(chǎn)（大量，小規(guī)模），生產(chǎn)（大量，

29、小規(guī)模），D開發(fā)中開發(fā)中（2）中國國內(nèi)研究狀況）中國國內(nèi)研究狀況l中國從上世紀(jì)60年代初開始研制砷化鎵，近年來，隨著中科稼英半導(dǎo)體有限公司、北京圣科佳電子有限公司相繼成立，中國的化合物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)邁上新臺(tái)階，走向更快的發(fā)展道路。l中科鎵英公司成功拉制出中國第一根6.4公斤5英寸LEC法大直徑砷化鎵單晶；信息產(chǎn)業(yè)部46所生長出中國第一根6英寸砷化鎵單晶，單晶重12kg，并已連續(xù)生長出6根6英寸砷化鎵單晶；西安理工大在高壓單晶爐上稱重單元技術(shù)研發(fā)方面取得了突破性的進(jìn)展。l中國GaAs材料單晶以23英寸為主，4英寸處在產(chǎn)業(yè)化前期，研制水平達(dá)6英寸。目前4英寸以上晶片及集成電路GaAs晶片主要依賴進(jìn)口。

30、砷化鎵生產(chǎn)主要原材料為砷和鎵。雖然中國是砷和鎵的資源大國，但僅能生產(chǎn)品位較低的砷、鎵材料(6N以下純度)，主要用于生產(chǎn)光電子器件。集成電路用砷化鎵材料的砷和鎵原料要求達(dá)7N，基本靠進(jìn)口解決。l中國國內(nèi)GaAs材料主要生產(chǎn)單位為：l中科鎵英、l有研硅股、l信息產(chǎn)業(yè)部電子46所、l電子55所等。l主要競爭對(duì)手來自國外。l中科鎵英2001年起計(jì)劃投入近2億資金進(jìn)行砷化鎵材料的產(chǎn)業(yè)化，初期計(jì)劃規(guī)模為46英寸砷化鎵單晶晶片58萬片，46英寸分子束外延砷化鎵基材料23萬片，目前該項(xiàng)目仍在建設(shè)期。目前國內(nèi)砷化鎵材料主要由有研硅股供應(yīng)，2002年銷售GaAs晶片8萬片。中國在努力縮小GaAs技術(shù)水平和生產(chǎn)規(guī)模

31、的同時(shí)，應(yīng)重視具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)和產(chǎn)品開發(fā)，發(fā)展砷化鎵產(chǎn)業(yè)。3、寬禁帶氮化鎵材料、寬禁帶氮化鎵材料l以Si和GaAs為代表的傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料的高速發(fā)展推動(dòng)了微電子、光電子技術(shù)的迅猛發(fā)展。然而受材料性能所限，用這些材料制成的器件大都只能在200以下的熱環(huán)境下工作，且抗輻射、耐高擊穿電壓性能以及發(fā)射可見光波長范圍都不能滿足現(xiàn)代電子技術(shù)發(fā)展對(duì)高溫、高頻、高壓以及抗輻射、能發(fā)射藍(lán)光等提出的新要求。l以氮化鎵和碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體材料具有禁帶寬度大、擊穿電場高、熱導(dǎo)率大、電子飽和漂移速度高、介電常數(shù)小、抗輻射能力強(qiáng)、良好的化學(xué)穩(wěn)定性等獨(dú)特的特性，它在光顯示、光存儲(chǔ)、光探測等光電子器件和高溫、高頻

32、大功率電子等微電子器件領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，成為半導(dǎo)體領(lǐng)域研究熱點(diǎn)。（1）國外發(fā)展概況）國外發(fā)展概況l 美國、日本、俄羅斯及西歐都極其重視寬禁帶半導(dǎo)體的研究與開發(fā)。從目前國外對(duì)寬禁帶半導(dǎo)體材料和器件的研究情況來看，主要研究目標(biāo)是SiC和GaN技術(shù)，其中SiC技術(shù)最為成熟，研究進(jìn)展也較快；GaN技術(shù)應(yīng)用面較廣泛，尤其在光電器件應(yīng)用方面研究較為透徹。而金剛石技術(shù)研究報(bào)導(dǎo)較少，但從其材料優(yōu)越性來看，頗具發(fā)展?jié)摿?。l國外對(duì)SiC的研究早在五十年代末和六十年代初就已開始了。l到了八十年代中期，美國海軍研究局和國家宇航局與北卡羅來納州大學(xué)簽訂了開發(fā)SiC材料和器件的合同，并促成了在1987年建立專門研究S

33、iC半導(dǎo)體的Cree公司。l九十年代初，美國國防部和能源部都把SiC集成電路列為重點(diǎn)項(xiàng)目，要求到2000年在武器系統(tǒng)中要廣泛使用SIC器件和集成電路，從此開始了有關(guān)SiC材料和器件的系統(tǒng)研究，并取得了令人鼓舞的進(jìn)展。l即目前為止，直徑50mm具有良好性能的半絕緣和摻雜材料已經(jīng)商品化。 l美國政府與西屋公司合作，投資450萬美元開了3英寸純度均勻、低缺陷的SiC單晶和外延材料。另外，制造SiC器件的工藝如離子注入、氧化、歐姆接觸和肖特基接觸以及反應(yīng)離子刻蝕等工藝取得了重大進(jìn)展，所以促成了SiC器件和集成電路的快速發(fā)展。l由于SiC器件的優(yōu)勢和實(shí)際需求，它已經(jīng)顯示出良好的應(yīng)用前景。航空、航天、治煉

34、以及深井勘探等許多領(lǐng)域中的電子系統(tǒng)需要工作在高溫環(huán)境中，這要求器件和電路能夠適應(yīng)這種需要，而各類SiC器件都顯示良好的溫度性能。SiC具有較大的禁帶寬度，使得基于這種材料制成的器件和電路可以滿足在470K到970K條件下工作的需要，目前有些研究水平已經(jīng)達(dá)到970K的工作溫度，并正在研究更高的工作溫度的器件和集成電路。目前SiC器件的研究概況見表7。表表7 SiC器件的研究概表器件的研究概表SiC DevicesPower MOSFET4H-SiC MESFET6H-SiC MESFET4H-SiC JFET6H-SiC JFETShottky diodecomment600V，8A devic

35、es fabricatedfmax=42GHz fmax=25GHz, 8.5db at 10GHzeff=340cm2V-1S-1 at 300KEnhance-ment modeOver 1 kV breakdown at 300KTm（K）673673673723873973注：注：Tm為為Maximum operating temperaturel國外對(duì)SiC器件的研究證明了SiC器件的抗輻射的能力。6H-SiC整流器的抗電磁脈沖(EMP)能力至少是硅器件的2倍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明結(jié)型6H-SiC器件有較強(qiáng)的抗下輻射的能力。埋柵JFET在輻射條件下的測試結(jié)果，總劑量100兆拉德條件下，跨導(dǎo)和

36、夾斷電壓基本不變。l對(duì)125伏和410伏6H-SiC pn結(jié)整流器進(jìn)行中子輻照實(shí)驗(yàn)，中子流從1013nA/cm2，到1015nA/cm2，時(shí)，輻照前后1000mA電流的正向壓降和雪崩擊穿電壓的測試結(jié)果說明：具有高摻雜的125伏整流器在正向電流400mA的降壓幾乎不變(30伏)，而雪崩擊穿電壓僅增加了8.8%，而低摻雜的410伏整流器正向壓降和雪崩擊穿電壓分別增加了8.6%和4%。lGaN在寬禁帶半導(dǎo)體中也占有主導(dǎo)地位。GaN半導(dǎo)體材料的商業(yè)應(yīng)用研究始于1970年，其在高頻和高溫條件下能夠激發(fā)藍(lán)光的特性一開始就吸引了半導(dǎo)體開發(fā)人員的極大興趣。但GaN的生長技術(shù)和器件制造工藝直到近幾年才取得了商業(yè)

37、應(yīng)用的實(shí)質(zhì)進(jìn)步和突破。由于GaN半導(dǎo)體器件在光電子器件和光子器件領(lǐng)域廣闊的應(yīng)用前景，其廣泛應(yīng)用預(yù)示著光電信息乃至光子信息時(shí)代的來臨。l1993年日本的日亞化學(xué)公司研制出第一支藍(lán)光發(fā)光管，1995年該公司首先將GaN藍(lán)光LED商品化，到1997年某市場份額已達(dá)1.43億美元。據(jù)Strategies Unlimited的預(yù)測，GaN器件年增長率將高達(dá)44%，到2006年其市場份額將達(dá)30億美元。目前，日亞化學(xué)公司生產(chǎn)藍(lán)光LED，峰值波長450nm，輸出光為3mw，發(fā)光亮度2cd(Ip=20mA)。GaN綠光LED，峰值波長525nm，輸出光功率為2mw，發(fā)光亮度6cd(Ip=20mA)。l日亞化學(xué)

38、公司利用其GaN藍(lán)光LED和磷光技術(shù)，又開發(fā)出白光固體發(fā)光器件產(chǎn)品，不久將來可替代電燈，既提高燈的壽命，又大大地節(jié)省能源。因此，GaN越來越受到人們的歡迎。 lGaN藍(lán)光激光器也被日亞公司首先開發(fā)成功，目前壽命已超過10000hr。與此同時(shí)，GaN的電子器件發(fā)展也十分迅速。目前GaNFET性能已達(dá)到ft=52GHz，fmax=82GHz。在18GHz頻率下，CW輸出功率密度大于3W/mm。這是至今報(bào)導(dǎo)K波段微波GaNFET的最高值。l在美國開展氮化鎵高亮度LED和LD研究的公司和大學(xué)有幾十家之多，耗資上億美元。美國的APA光學(xué)公司1993年研制出世界上第一個(gè)氮化鎵基HEMT器件。2000年9月

39、美國kyma公司利用AlN作襯底，開發(fā)出2英寸和4英寸GaN新工藝；2001年1月美國Nitronex公司在4英寸硅襯底上制造GaN基晶體管獲得成功；GaN基器件和產(chǎn)品開發(fā)方興未艾。 l目前進(jìn)入藍(lán)光激光器開發(fā)的公司包括飛利浦、索尼、日立、施樂和惠普等。包括飛利浦、通用等光照及汽車行業(yè)的跨國公司正積極開發(fā)白光照明和汽車用GaN基LED(發(fā)光二極管)產(chǎn)品。涉足GaN基電子器件開發(fā)最為活躍的企業(yè)包括Cree、Rfmicro Device以及Nitronex等公司。 l目前，國外正朝著更大功率、更高工作溫度、更高頻率和實(shí)用化方向發(fā)展。日本、美國等國家紛紛進(jìn)行應(yīng)用于照明GaN基白光LED的產(chǎn)業(yè)開發(fā)，計(jì)劃

40、于2015年-2020年取代白熾燈和日光燈，引起新的照明革命。l據(jù)美國市場調(diào)研公司Strstegies Unlimited分析數(shù)據(jù)，2001年世界GaN器件市場接近7億美元，還處于發(fā)展初期。2009年世界GaN器件市場達(dá)到48億美元的銷售額.l 美國Cree公司由于其研究領(lǐng)先，主宰著整個(gè)碳化硅的市場，幾乎85%以上的碳化硅襯底由Cree公司提供，90%以上的生產(chǎn)在美國，亞洲只占4%，歐洲占2%。碳化硅襯底材料的市場正在快速上升階段，估計(jì)到2007年，碳化硅襯底材料的生產(chǎn)將達(dá)到60萬片，其中90-95%被用于氮化鎵基光電子器件作外延襯底。l目前在6H-SiC襯底上氮化鎵微電子材料室溫遷移率達(dá)到2

41、000cm2/VS，電子濃度達(dá)到1013cm-2。生長在碳化硅襯底上的氮化鎵基HEMT的功率密度達(dá)到了10.3W/mm (柵長0.6mm，柵寬300mm)，生長在碳化硅襯底上的AlGaN/GaN HEMT器件（柵長為0.12mm）的特征頻率ft = 101GHz、最高振蕩頻率fmax =155GHz。l與藍(lán)寶石襯底材料相比，碳化硅襯底材料具有高的熱導(dǎo)率，晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)與氮化鎵材料更為接近，僅為3.5（藍(lán)寶石與氮化鎵材料的晶格失配度為17%），是一種更理想的襯底材料。目前在碳化硅襯底上氮化鎵微電子材料及器件的研究是國際上的熱點(diǎn)，也是軍用氮化鎵基HEMT結(jié)構(gòu)材料和器件的首選襯底，但碳化硅襯底

42、上材料十分昂貴。（2）中國國內(nèi)研究狀況）中國國內(nèi)研究狀況l中國國內(nèi)開展SiC、GaN材料和器件方面的研究工作比較晚，和國外相比水平還比較低。國內(nèi)已經(jīng)有一些單位在開展SiC材料的研究工作。到目前為止，2英寸、3英寸的碳化硅襯底及外延材料已經(jīng)商品化。目前研究的重點(diǎn)主要是4英寸碳化硅襯底的制備技術(shù)以及大面積、低位錯(cuò)密度的碳化硅外延技術(shù)。 l目前國內(nèi)進(jìn)行碳化硅單晶的研制單位有l(wèi)中科院物理所、l中科院上海硅酸鹽研究所、l山東大學(xué)、l信息產(chǎn)業(yè)部46所等，l進(jìn)行碳化硅外延生長的單位有l(wèi)中科院半導(dǎo)體所、l中國科技大學(xué)l西安電子科大。l西安電子科技大學(xué)微電子研究所已經(jīng)外延生長了6H-SiC，目前正在進(jìn)一步測試證

43、明材料的晶格結(jié)構(gòu)情況。另外，還對(duì)材料的性質(zhì)和載流子輸運(yùn)進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究，器件的研究工作也取得了可喜的進(jìn)展。l采用國外進(jìn)口的材料成功地制造出肖特基二極管和我國第一只6H SiC MOSFET，肖特基二極管的理想因子為123，開啟電壓為0.5伏。MOSFET的跨導(dǎo)為0.36ms/mm，溝道電子遷移率為14cm2Ns。采用AL/NiCr制作的歐姆接觸的比接觸電阻為8.510-5/cm2，達(dá)到了可以應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)器件的水平。 l國內(nèi)GaN研究亦已開始，主要在基礎(chǔ)研究方面，進(jìn)展較快。在氮化鎵基材料方面，中科院半導(dǎo)體所在國內(nèi)最早開展了氮化鎵基微電子材料的研究工作，取得了一些具有國內(nèi)領(lǐng)先水平、國際先進(jìn)水平的

44、研究成果，可小批量提供AlGaN/GaN HEM結(jié)構(gòu)材料，一些單位采用該種材料研制出了AlGaN/GaN HEM相關(guān)器件。 l如：l中科院微電子所研制出具有國內(nèi)領(lǐng)先水平的AlGaN/GaN HEM器件；l信息產(chǎn)業(yè)部13所研制出了AlGaN/GaN HEMT器件，還研制出GaN藍(lán)光LED樣管，但發(fā)光亮度低。也研制出了GaNFET樣管(直流跨導(dǎo)10ms/mm)，性能較差。l 由于碳化硅襯底上材料十分昂貴，目前國內(nèi)氮化鎵基高溫半導(dǎo)體材料和器件的研究主要在藍(lán)寶石襯底上進(jìn)行，由于藍(lán)寶石與氮化鎵材料的晶格失配大、熱導(dǎo)率低，因此，材料和器件性能均受到很大限制。三、半導(dǎo)體材料發(fā)展趨勢三、半導(dǎo)體材料發(fā)展趨勢l 電子信息材料的總體發(fā)展趨勢是向著大尺寸、高均勻性、高完整性、以及薄膜化、多功能化和集成化方向發(fā)展。當(dāng)前的研究熱點(diǎn)和技術(shù)前沿包括柔性晶體管、光子晶體、SiC、GaN、ZnSe等寬禁帶半導(dǎo)體材料為代表的第三代半導(dǎo)體材料、有機(jī)顯示材料以及各種納米電子材料等。l隨著電子學(xué)向光電子學(xué)、光子學(xué)邁進(jìn)，微電子材料在未來510年仍是最基本的信息材料。電子、光電子功能單晶將向著大尺寸、高均勻性、晶格高完整性以及元器件向薄膜化、多功能化、片式化、超高集成度和低能耗方向發(fā)展。半導(dǎo)體微電子材料由單片集成向系統(tǒng)集成發(fā)展。l微電子技術(shù)發(fā)展的主要途徑是通過不斷縮小器件的特征尺寸，增加芯片面積以