最新訊息:半導體材料的發展與市場

作者:tom 於 2017-12-06
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在談及半導體材料的時候,很多人關注的是它的製作工藝,而我卻更加關注半導體材料的發展前景和它的市場競爭力。

我們知道,半導體材料是電導率在10~10歐/釐米之間的材料。在一般情況下,半導體電導率隨溫度的升高而增大,這與金屬導體恰好相反。凡具有上述兩種特徵的材料都可歸入半導體材料的範圍。半導體材料是最重要最有影響的功能材料之一,它在微電子領域具有獨佔的地位,同時又是光電子領域的主要材料。

毫不誇張的說,半導體材料支撐著通信、電腦、資訊家電與網路技術等電子資訊產業的發展。半導體材料及其應用已成為衡量一個國家經濟發展、科技進步和國防實力的重要標誌。

半導體材料從發現到發展,從使用到創新,擁有這一段長久的歷史。在二十世紀初,就曾出現過點接觸礦石檢波器。1930年,氧化亞銅整流器製造成功並得到廣泛應用,是半導體材料開始受到重視。1947年鍺點接觸三極管製成,成為半導體的研究成果的重大突破。50年代末,薄膜生長激素的開發和積體電路的發明,是的微電子技術得到進一步發展。60年代,砷化鎵材料製成半導體雷射器,固溶體半導體的出現,阿裡奧在紅外線方面的研究發展,半導體材料的應用得到擴展。1969年超晶格概念的提出和超晶格量子阱的研製成功,是的半導體器件的設計與製造從雜質工程發展到能帶工程,將半導體材料的研究和應用推向了一個新的領域。90年代以來隨著移動通信技術的飛速發展,砷化鎵和磷化煙等半導體材料成為焦點,用於製作高速高頻大功率激發光電子器件等;近些年,新型半導體材料的研究得到突破,以氮化鎵為代表的先進半導體材料開始體現出超強優越性,被稱為IT產業的新發動機。

下面,我通過查詢資料,簡要談一下半導體材料的製備。

不同的半導體器件對半導體材料有不同的形態要求,包括單晶的切片、磨片、拋光片、薄膜等。半導體材料的不同形態要求對應不同的加工工藝。常用的半導體材料製備工藝有提純、單晶的製備和薄膜外延生長。

  所有的半導體材料都需要對原料進行提純,要求的純度在 6 個“9”以上 ,最高達 11 個“9”以上。提純的方法分兩大類,一類是不改變材料的化學組成進行提純,稱為物理提純; 另一類是把元素先變成化合物進行提純, 再將提純後的化合物還原成元素, 稱為化學提純。物理提純的方法有真空蒸發、區域精製、拉晶提純等,使用最多的是區域精製。化學提純的主要方法有電解、絡合、萃取、精餾等,使用最多的是精餾。 由於每一種方法都有一定的局限性,因此常使用幾種提純方法相結合的工藝流程以獲得合格的材料。

  絕大多數半導體器件是在單晶片或以單晶片為襯底的外延片上作出的。成批量的半導體單晶都是用熔體生長法制成的。直拉法應用最廣,80%的矽單晶、大部分鍺單晶和銻化銦單晶是用此法生產的,其中矽單晶的最大直徑已達300 毫米。在熔體中通入磁場的直拉法稱為磁控拉晶法,用此法已生產出高均勻性矽單晶。在坩堝熔體表面加入液體覆蓋劑稱液封直拉法,用此法拉制砷化鎵、磷化鎵、磷化銦等分解壓較大的單晶。懸浮區熔法的熔體不與容器接觸,用此法生長高純矽單晶。水準區熔法用以生產鍺單晶。水準定向結晶法主要用於製備砷化鎵單晶,而垂直定向結晶法用於製備碲化鎘、砷化鎵。用各種方法生產的體單晶再經過晶體定向、滾磨、作參考面、切片、 磨片、倒角、拋光、腐蝕、清洗、檢測、封裝等全部或部分工序以提供相應的晶片。

在單晶襯底上生長單晶薄膜稱為外延。外延的方法有氣相、液相、固相、分子束外延等。工業生產使用的主要是化學氣相外延,其次是液相外延。金屬有機化合物氣相外延和分子束外延則用於製備量子阱及超晶格等微結構。非晶、微晶、多晶薄膜多 在玻璃、陶瓷、金屬等襯底上用不同類型的化學氣相沉積、磁控濺射等方法製成。

既然要關注半導體材料的發展前景和市場潛力,就一定要從現在常見的半導體材料的研究趨勢去下手。

首先,我們先看一下目前最最常見也是應用最廣的矽材料。從提高矽積體電路成品率,降低成本看,增大直拉矽(CZ-Si)單晶的直徑和減小微缺陷的密度仍是今後CZ-Si發展的總趨勢。

從進一步提高矽的速度和集成度看,研製適合於矽深亞微米乃至納米工藝所需的大直徑矽外延片會成為矽材料發展的主流。另外,SOI材料,包括智慧剝離(Smart cut)和SIMOX材料等也發展很快。

理論分析指出30nm左右將是矽MOS積體電路線寬的“極限”尺寸。這不僅是指量子尺寸效應對現有器件特性影響所帶來的物理限制和光刻技術的限制問題,更重要的是將受矽自身性質的限制。儘管人們正在積極尋找高K介電絕緣材料(如用Si3N4等來替代SiO2),低K介電互連材料,用Cu代替Al引線以及採用系統集成晶片技術等來提高ULSI的集成度、運算速度和功能,但矽將最終難以滿足人類不斷的對更大信息量需求。為此,人們除尋求基於全新原理的量子計算和DNA生物計算等之外,還把目光放在以GaAs、InP為基的化合物半導體材料,特別是二維超晶格、量子阱,一維量子線與零維量子點材料和可與矽平面工藝相容GeSi合金材料等,這也是目前半導體材料研發的重點。

再看一下GaAs和InP單晶材料。GaAs和InP與矽不同,它們都是直接帶隙材料,具有電子飽和漂移速度高,耐高溫,抗輻照等特點;在超高速、超高頻、低功耗、低噪音器件和電路,特別在光電子器件和光電集成方面佔有獨特的優勢。

  GaAs和InP單晶的發展趨勢是:增大晶體直徑;提高材料的電學和光學微區均勻性;

降低單晶的缺陷密度,特別是位元錯;GaAs和InP單晶的VGF生長技術發展很快,很有可能成為主流技術。

   談談半導體超晶格、量子阱材料。

  半導體超薄層微結構材料是基於先進生長技術(MBE,MOCVD)的新一代人工構造材料。它以全新的概念改變著光電子和微電子器件的設計思想,出現了“電學和光學特性可剪裁”為特徵的新範疇,是新一代固態量子器件的基礎材料。

用於製造准連續兆瓦級大功率鐳射陣列的高品質量子阱材料受到人們的重視。最近,我國的科研工作者又提出並開展了多有源區縱向光耦合垂直腔面發射雷射器研究,這是一種具有高增益、極低閾值、高功率和高光束品質的新型雷射器,在未來光通信、光互聯與光電資訊處理方面有著良好的應用前景。目前,Ⅲ-V族超晶格、量子阱材料作為超薄層微結構材料發展的主流方向。除此之外,矽基應變異質結構材料也成為一個研究的主要方向。

  說起寬頻隙半導體材料,我們主要指的是金剛石,III族氮化物,碳化矽,立方氮化硼以及氧化物(ZnO等)及固溶體等,因具有高熱導率、高電子飽和漂移速度和大臨界擊穿電壓等特點,成為研製高頻大功率、耐高溫、抗輻照半導體微電子器件和電路的理想材料;在通信、汽車、航空、航太、石油開採以及國防等方面有著廣泛的應用前景。另外,III族氮化物也是很好的光電子材料,有著廣泛的應用前景。近年來具有反常帶隙彎曲的窄禁帶InAsN,InGaAsN,GaNP和GaNAsP材料的研製也受到了重視。 

帶隙半導體異質結構材料往往也是典型的大失配異質結構材料,所謂大失配異質結構材料是指晶格常數、熱膨脹係數或晶體的對稱性等物理參數有較大差異的材料體系。大晶格失配引發介面處大量位元錯和缺陷的產生,極大地影響著微結構材料的光電性能及其器件應用。如何避免和消除這一負面影響,是目前材料製備中的一個迫切要解決的關鍵科學問題。這個問題的解泱,必將大大地拓寬材料的可選擇餘地,開闢新的應用領域。

  除了上面的四類,還有一種常見的半導體材料——低維半導體材料。

實際上這裡說的低維半導體材料就是納米材料 ,從本質上看,發展納米科學技術的重要目的之一,就是人們能在原子、分子或者納米的尺度水準上來控制和製造功能強大、性能優越的納米電子、光電子器件和電路,納米生物感測器件等,以造福人類。可以預料,納米科學技術的發展和應用不僅將徹底改變人們的生產和生活方式,也必將改變社會政治格局和戰爭的對抗形式。這也是為什麼人們對發展納米半導體技術非常重視的原因。