半導(dǎo)體材料的發(fā)展

1、，半導(dǎo)體材料( semiconductor material )1.1 引言導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體。 半導(dǎo)體材料是一類具有 半導(dǎo)體性能、可用來制作半導(dǎo)體器件和集成電的電子材料，其電阻率在 10 （U-3）10 （U-9）歐姆/厘米范圍內(nèi)。半導(dǎo)體材料的電學(xué)性質(zhì)對(duì)光、熱、電、 磁等外界因素的變化十分敏感， 在半導(dǎo)體材料中摻入少量雜質(zhì)可以控制這類材料 的電導(dǎo)率。正是利用半導(dǎo)體材料的這些性質(zhì)，才制造出功能多樣的半導(dǎo)體器件。 半導(dǎo)體材料是半導(dǎo)體工業(yè)的基礎(chǔ)，它的發(fā)展對(duì)半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展有極大的影響。 半導(dǎo)體材料按化學(xué)成分和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，大致可分為以下幾類。 1. 元素半導(dǎo)體有鍺、 硅、硒、

2、硼、碲、銻等。 50年代，鍺在半導(dǎo)體中占主導(dǎo)地位，但 鍺半導(dǎo)體器件 的耐高溫和抗輻射性能較差，到 60 年代后期逐漸被硅材料取代。用硅制造的半 導(dǎo)體器件，耐高溫和抗輻射性能較好，特別適宜制作大功率器件。因此，硅已成 為應(yīng)用最多的一種增導(dǎo)體材料，目前的集成電路大多數(shù)是用硅材料制造的。2.化合物半導(dǎo)體由兩種或兩種以上的元素化合而成的半導(dǎo)體材料。它的種類很多， 重要的有砷化鎵、磷化銦、銻化銦、碳化硅、硫化鎘及鎵砷硅等。其中砷化鎵是 制造微波器件和集成電的重要材料。 碳化硅由于其抗輻射能力強(qiáng)、 耐高溫和化學(xué) 穩(wěn)定性好，在航天技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。 3. 無定形半導(dǎo)體材料 用作半導(dǎo)體 的玻璃是一種非晶

3、體無定形半導(dǎo)體材料，分為氧化物玻璃和非氧化物玻璃兩種。 這類材料具有良好的開關(guān)和記憶特性和很強(qiáng)的抗輻射能力， 主要用來制造閾值開 關(guān)、記憶開關(guān)和固體顯示器件。 4. 有機(jī)增導(dǎo)體材料已知的有機(jī)半導(dǎo)體材料有幾十 種，包括萘、蒽、聚丙烯腈、酞菁和一些芳香族化合物等，目前尚未得到應(yīng)用 。1.2 特性和參數(shù)半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性對(duì)某些微量雜質(zhì)極敏感。 純度很高的半導(dǎo)體材料稱為本 征半導(dǎo)體， 常溫下其電阻率很高， 是電的不良導(dǎo)體。 在高純半導(dǎo)體材料中摻入適 當(dāng)雜質(zhì)后， 由于雜質(zhì)原子提供導(dǎo)電載流子， 使材料的電阻率大為降低。 這種摻雜 半導(dǎo)體常稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體靠導(dǎo)帶電子導(dǎo)電的稱 N型半導(dǎo)體，靠價(jià)帶 空

4、穴導(dǎo)電的稱P型半導(dǎo)體。不同類型半導(dǎo)體間接觸（構(gòu)成 PN結(jié)）或半導(dǎo)體與金 屬接觸時(shí)，因電子（或空穴）濃度差而產(chǎn)生擴(kuò)散，在接觸處形成位壘，因而這類 接觸具有單向?qū)щ娦?。利?PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，可以制成具有不同功能的半?dǎo) 體器件，如二極管、三極管、晶閘管等。此外，半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性對(duì)外界條件 （如熱、光、電、磁等因素）的變化非常敏感，據(jù)此可以制造各種敏感元件，用 于信息轉(zhuǎn)換。半導(dǎo)體材料的特性參數(shù)有禁帶寬度、電阻率、載流子遷移率、非平 衡載流子壽命和位錯(cuò)密度。 禁帶寬度由半導(dǎo)體的電子態(tài)、 原子組態(tài)決定， 反映組 成這種材料的原子中價(jià)電子從束縛狀態(tài)激發(fā)到自由狀態(tài)所需的能量。 電阻率、載 流子遷移率反映

5、材料的導(dǎo)電能力。 非平衡載流子壽命反映半導(dǎo)體材料在外界作用 （如光或電場(chǎng)） 下內(nèi)部載流子由非平衡狀態(tài)向平衡狀態(tài)過渡的弛豫特性。 位錯(cuò)是 晶體中最常見的一類缺陷。位錯(cuò)密度用來衡量半導(dǎo)體單晶材料晶格完整性的程 度，對(duì)于非晶態(tài)半導(dǎo)體材料， 則沒有這一參數(shù)。 半導(dǎo)體材料的特性參數(shù)不僅能反 映半導(dǎo)體材料與其他非半導(dǎo)體材料之間的差別 ，更重要的是能反映各種半導(dǎo)體 材料之間甚至同一種材料在不同情況下，其特性的量值差別。2.3 種類常用的半導(dǎo)體材料分為元素半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體。 元素半導(dǎo)體是由單一元 素制成的半導(dǎo)體材料。主要有硅、鍺、硒等，以硅、鍺應(yīng)用最廣。化合物半導(dǎo)體 分為二元系、三元系、多元系和有機(jī)化合物

6、半導(dǎo)體。二元系化合物半導(dǎo)體有川-V族（如砷化傢、磷化傢、磷化銦等）、u-切族（如硫化鎘、硒化鎘、碲化鋅、 硫化鋅等）、IV-切族（如硫化鉛、硒化鉛等）、W - W族（如碳化硅）化合物。 三元系和多元系化合物半導(dǎo)體主要為三元和多元固溶體， 如鎵鋁砷固溶體、 鎵鍺 砷磷固溶體等。有機(jī)化合物半導(dǎo)體有萘、蒽、聚丙烯腈等，還處于研究階段。此 外，還有非晶態(tài)和液態(tài)半導(dǎo)體材料， 這類半導(dǎo)體與晶態(tài)半導(dǎo)體的最大區(qū)別是不具 有嚴(yán)格周期性排列的晶體結(jié)構(gòu)。2.4 制備不同的半導(dǎo)體器件對(duì)半導(dǎo)體材料有不同的形態(tài)要求， 包括單晶的切片、 磨片、 拋光片、薄膜等。 半導(dǎo)體材料的不同形態(tài)要求對(duì)應(yīng)不同的加工工藝。 常用的半導(dǎo) 體

7、材料制備工藝有提純、單晶的制備和薄膜外延生長。所有的半導(dǎo)體材料都需要對(duì)原料進(jìn)行提純， 要求的純度在 6個(gè)“ 9”以上 ，最高達(dá) 11個(gè)“9”以上。 提純的方法分兩大類，一類是不改變材料的化學(xué)組成進(jìn)行提純，稱為物理提純； 另一類是把元素先變成化合物進(jìn)行提純， 再將提純后的化合物還原成元素， 稱為 化學(xué)提純。物理提純的方法有真空蒸發(fā)、區(qū)域精制、拉晶提純等，使用最多的是 區(qū)域精制?；瘜W(xué)提純的主要方法有電解、絡(luò)合、萃取、精餾等，使用最多的是精 餾。由于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(jié)合的工藝 流程以獲得合格的材料。絕大多數(shù)半導(dǎo)體器件是在單晶片或以單晶片為襯底的外延片上作出的。

8、成批量的半導(dǎo)體單晶都是用熔體生長法制成的。 直拉法應(yīng) 用最廣，80的硅單晶、 大部分鍺單晶和銻化銦單晶是用此法生產(chǎn)的， 其中硅單 晶的最大直徑已達(dá) 300 毫米。在熔體中通入磁場(chǎng)的直拉法稱為磁控拉晶法，用 此法已生產(chǎn)出高均勻性硅單晶。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(qū)熔法的熔體不 與容器接觸， 用此法生長高純硅單晶。 水平區(qū)熔法用以生產(chǎn)鍺單晶。 水平定向結(jié) 晶法主要用于制備砷化鎵單晶， 而垂直定向結(jié)晶法用于制備碲化鎘、 砷化鎵。 用 各種方法生產(chǎn)的體單晶再經(jīng)過晶體定向、滾磨、作參考面、切片、磨片、倒角、 拋光、腐蝕、清洗

9、、檢測(cè)、封裝等全部或部分工序以提供相應(yīng)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(yè)生產(chǎn)使用的主要是化學(xué)氣相外延， 其次是液相外延。 金屬有機(jī)化合物 氣相外延和分子束外延則用于制備量子阱及超晶格等微結(jié)構(gòu)。 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(xué)氣相沉積、 磁控濺射等方 法制成。二，半導(dǎo)體材料經(jīng)歷幾代的發(fā)展第一代半導(dǎo)體是“元素半導(dǎo)體”， 典型如硅基和鍺基半導(dǎo)體。 其中以硅基半 導(dǎo)體技術(shù)較成熟， 應(yīng)用也較廣， 一般用硅基半導(dǎo)體來代替元素半導(dǎo)體的名稱。 硅 基半導(dǎo)體器件的頻率只能做到10GHz硅基半導(dǎo)體集成電路芯片最小設(shè)計(jì)

10、線寬己 經(jīng)達(dá)到0.13卩m至V 2015年，最小線寬將達(dá)到 0.07卩m第二代半導(dǎo)體材料是化合物半導(dǎo)體。化合物半導(dǎo)體是以砷化鎵（GaAS、磷 化銦（InP）和氮化傢（GaN）等為代表，包括許多其它III-V 族化合物半導(dǎo)體。這 些化合物中，商業(yè)半導(dǎo)體器件中用得最多的是砷化傢（GaAS和磷砷化傢（GaAsP， 磷化銦（InP），砷鋁化傢（GaAIAs）和磷傢化銦（In GaP）。其中以砷化傢技術(shù)較 成熟，應(yīng)用也較廣?；衔锇雽?dǎo)體不同於硅半導(dǎo)體的性質(zhì)主要有二 : 一是化合物半導(dǎo)體的電子 遷移率較硅半導(dǎo)體快許多， 因此適用于高頻傳輸， 在無線電通訊如手機(jī)、 基地臺(tái)、 無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)、 衛(wèi)星通訊、 衛(wèi)星

11、定位等皆有應(yīng)用； 二是化合物半導(dǎo)體具有直接帶 隙，這是和硅半導(dǎo)體所不同的， 因此化合物半導(dǎo)體可適用發(fā)光領(lǐng)域， 如發(fā)光二極 管（LED）、激光二極管（LD）、光接收器（PIN）及太陽能電池等產(chǎn)品?？捎糜谥圃斐?高速集成電路、微波器件、激光器、光電以及抗輻射、耐高溫等器件，對(duì)國防、 航天和高技術(shù)研究具有重要意義。目前化合物半導(dǎo)體器件工作頻率已經(jīng)達(dá)到100GHz線寬達(dá)到亞微米，并帶動(dòng)了異質(zhì)結(jié)技術(shù)的發(fā)展，使之成為微波 / 毫米波的主流。通過進(jìn)一步的努力，化 合物半導(dǎo)體器件的工作頻率將可以得到進(jìn)一步提高。 通過反應(yīng)爐的應(yīng)用和高度的自動(dòng)化， 實(shí)現(xiàn)了外延工藝的改進(jìn)， 從而提高了化合物 半導(dǎo)體的產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益

12、?；衔锇雽?dǎo)體產(chǎn)業(yè)在當(dāng)前主要是指砷化鎵（族）外延磊晶片生長和 IC 芯片 集成，氮化鎵（族）半導(dǎo)體照明LED和砷化鎵（族）光儲(chǔ)存LD外延磊晶片生長、 芯片制作以及封裝、模塊的生產(chǎn)運(yùn)營，同時(shí)還包括與之相關(guān)的廣泛的應(yīng)用產(chǎn)業(yè)。磊晶、芯片是化合物半導(dǎo)體產(chǎn)品的上游產(chǎn)業(yè)，主要是采用MBE和MOCVD術(shù)生長的化合物半導(dǎo)體外延片，和經(jīng)過制作而成的芯片。器件是化合物半導(dǎo)體產(chǎn)品的中游產(chǎn)業(yè)， 典型產(chǎn)品包括激光二極管、 半導(dǎo)體發(fā) 光二極管、探測(cè)器件、微波器件、開關(guān)元件、功率器件等等，器件封裝和組裝是 關(guān)鍵技術(shù)。應(yīng)用模塊與整機(jī)是化合物半導(dǎo)體產(chǎn)品的下游產(chǎn)業(yè)，典型產(chǎn)品包括光收發(fā)模 塊、微波通信產(chǎn)品、半導(dǎo)體照明產(chǎn)品、光存儲(chǔ)產(chǎn)

13、品、光顯示產(chǎn)品等等。三，半導(dǎo)體材料的未來3.1 硅單晶及其外延現(xiàn)在電子元器件 90%以上都是由硅材料制備的， 全世界與硅相關(guān)的電子工業(yè) 產(chǎn)值接近一萬億美元。 直拉法是目前主要用于生產(chǎn)硅單晶的方法。 目前，單晶硅 的世界產(chǎn)量已超過一萬噸。硅集成電路主要用的是 8英寸硅，但 12英寸硅的用 量逐年增加，預(yù)計(jì)到 2012 年 18 英寸的硅可能用于集成電路制造， 27 英寸的硅 單晶研制也在籌劃中。根據(jù)摩爾定律， 硅的直徑越大， 他的價(jià)格就越低， 而雜質(zhì)在硅片上的分布也 變得不均勻， 這將嚴(yán)重影響集成電路的成品率， 特別是高集成電路。 為了避免這 個(gè)問題，可采用外延的辦法， 盡管才用此方法提高了成本

14、， 單集成電路的集成度 和運(yùn)算速度都得到了顯著提高，這是目前硅技術(shù)的主要發(fā)展方向。通過以上的介紹，硅材料的發(fā)展趨勢(shì)，一方面，增大硅單晶的直徑，向 12 英寸， 18 英寸方向發(fā)展；另一方面，發(fā)展適用于深亞微米乃至納米電路的硅外 延急速，制備高質(zhì)量硅外延材料是關(guān)鍵。3.2 硅電子技術(shù)的極限目前硅電子技術(shù)的線寬已經(jīng)達(dá)到 0.09 微米，也就是 90 納米，根據(jù)預(yù)測(cè)，到 2022鳥，硅集成電路技術(shù)的線寬達(dá)到 10 個(gè)納米，這個(gè)尺度為認(rèn)為是硅集成電路 的物理極限。1，隨著線寬的進(jìn)一步減小，硅電子技術(shù)必然要碰到許多難以克 服的問題，如CMO器件溝道摻雜原子的統(tǒng)計(jì)分布漲落問題；2,隨著集成度的提 高，芯片

15、的功耗也急劇增加，使其難以承受； 3，光刻技術(shù)，目前大約可以做到 0.1 微米，顯然無法滿足納米加工技術(shù)的需求； 4，電路器件之間的五連問題； 5， 納米加工的制作成本很高。人們想要突破上訴的物理極限 ，就要探索新原理，開發(fā)新技術(shù)，如量子計(jì) 算，光計(jì)算等，他們的工作原理也現(xiàn)在的完全不同，尚處于初始的探索階段。目 前是個(gè)過渡期間，人們把希望放在發(fā)展新型半導(dǎo)體材料和開發(fā)新技術(shù)上，比如 GaAs InP和GaN基材料體系，采用這些材料，可以提高器件和電路的速度以及 解決猶豫集成度的提高帶來的功耗問題。3.3 低維半導(dǎo)體材料實(shí)際上這里說的是納米材料。 電子在塊體材料里， 有三個(gè)維度的方向可以自 由運(yùn)動(dòng)。但當(dāng)材料的特征尺寸在一個(gè)維度上比電子的平均自由程相比更小的時(shí) 候，電子在這個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)會(huì)受到限制， 電子的能量不在連續(xù)， 而是電子化的， 我們稱這種材料是超晶格、 量子阱材料。 量子點(diǎn)材料是指， 在材料的三個(gè)維度方 向都不能自由運(yùn)動(dòng)，能量在這三個(gè)方向都是量子化的。由于上述原因， 電子的態(tài)密度函數(shù)也發(fā)生了變化， 塊體材料是拋物線， 電子 在這上面可