半导体材料的发展现状及趋势

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，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；将宽禁带(Eg2.3eV)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SiGaAsGaN物理性质禁带宽度（ev）1.11.43.4饱和速率（×10-7cm/s）1.02.12.7热导（W/c·K）1.30.62.0击穿电压（M/cm）0.30.45.0电子迁移速率（cm2/V·s）13508500900应用情况光学应用无红外蓝光/紫外高频性能差好好高温性能中差好发展阶段成熟发展中初期相对制造成本低高高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。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。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。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。主要半导体材料的用途如表2所示。可以预见：以硅材料为主体、GaAs半导体材料及新一代宽禁带半导体材料共同发展将成为集成电路及半导体器件产业发展的主流。表2半导体材料的主要用途材料名称制作器件主要用途硅二极管、晶体管通讯、雷达、广播、电视、自动控制集成电路各种计算机、通讯、广播、自动控制、电子钟表、仪表整流器整流晶闸管整流、直流输配电、电气机车、设备自控、高频振荡器射线探测器原子能分析、光量子检测太阳能电池太阳能发电砷化镓各种微波管雷达、微波通讯、电视、移动通讯激光管光纤通讯红外发光管小功率红外光源霍尔元件磁场控制激光调制器激光通讯高速集成电路高速计算机、移动通讯太阳能电池太阳能发电氮化镓激光器件光学存储、激光打印机、医疗、军事应用发光二极管信号灯、视频显示、微型灯泡、移动电话紫外探测器分析仪器、火焰检测、臭氧监测集成电路通讯基站（功放器件）、永远性内存、电子开关、导弹二、半导体材料发展现状1、半导体硅材料从目前电子工业的发展来看，尽管有各种新型的半导体材料不断出现，半导体硅材料以丰富的资源、优质的特性、日臻完善的工艺以及广泛的用途等综合优势而成为了当代电子工业中应用最多的半导体材料。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。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。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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。硅在集成电路用硅片中，8英寸的硅片占主流，约40～50％，6英寸的硅片占30％。当硅片的直径从8英寸到12英寸时，每片硅片的芯片数增加2.5倍，成本约降低30％，因此，国际大公司都在发展12英寸硅片，2006年产量将达到13.4亿平方英寸，将占总产量的20%左右。现代微电子工业对硅片关键参数的要求如表3所示。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2005200820112014工艺代（特征尺寸/nm）100705030晶片尺寸/mm300300300450去边/mm1111正表面颗粒和COP尺寸/mm50352525颗粒和COP密度/mm-20.100.100.100.10表面临界金属元素密度/109at.mm-2≤4.9≤4.2≤3.6≤3.0局部平整度/nm100706035中心氧含量/×1017cm-3±9.0/15.5±9.0/15.5±9.0/15.5±9.0/15.5Fe浓度/1010cm-31111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：（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。表4多晶硅质量指标项目免洗料酸腐蚀料纯度及电阻率施主（P、As、Sb）max150pptamax150pptamin500Ωcmmin500Ωcm受主（B、Al）max50pptamax50pptamin500Ωcmmin500Ωcm碳max100ppbamax100ppba体金属总量（Fe、Cu、Ni、Cr、Zn）max500pptwmax500pptw表面金属Femax5000pptwmax500pptw/250pptaCumax1000pptwmax50pptw/25pptaNimax1000pptwmax100pptw/50pptaCrmax1000pptwmax100pptw/55ppta多晶硅1998年，多晶硅生产厂商预计半导体行业将快速增长，因此大量扩张产能。然而，半导体行业并未出现预期高速增长，多晶硅需求急剧下降，结果导致多晶硅产能严重过剩。2003年以前，多晶硅供大于求，2004年多晶硅供需达到平衡，2005年，多晶硅生产厂家有必要增加投资扩大产能增加太阳能多晶硅的产量。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。多晶硅中国多晶硅严重短缺，远不能满足国内市场需求。多晶硅工业起步于50年代，60年代实现工业化生产。由于技术水平低、生产规模太小、环境污染严重、生产成本高，目前只剩下峨嵋半导体材料厂和洛阳单晶硅厂2个厂家生产多晶硅。中国多晶硅的产能为100吨/年，实际产量是70～80吨，仅占世界产量的0.4%，与当今信息产业的高速发展和多晶硅的市场需求急剧增加极不协调。我国这种多晶硅供不应求的局面还将持续下去。据专家预测，2005年中国多晶硅年需求量约为756吨，2010年为1302吨，市场前景十分巨大。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。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。（2）单晶硅和外延片生产单晶硅的工艺主要采用直拉法(CZ)、区熔法(FZ)、磁场直拉法(MCZ)以及双坩埚拉晶法。CZ、FZ和MCZ单晶各自适用于不同的电阻率范围的器件，而MCZ可完全代替CZ，可部分代替FZ。MCZ将取代CZ成为高速ULI材料。一些硅材料技术先进的国家MCZ技术发展较快。对单晶的主要质量要求是降低各种有害杂质含量和微缺陷，根据需要控制氧含量并保持纵横向分布均匀、控制电阻率均匀性。硅晶片属于资金密集型和技术密集型行业，在国际市场上产业相对成熟，市场进入平稳发展期，