半導(dǎo)體硅材料

1、半導(dǎo)體硅材料和光電子材料的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢隨著微電子工業(yè)的飛速發(fā)展，作為半導(dǎo)體工業(yè)基礎(chǔ)材料的硅材料工業(yè)也將隨之發(fā)展，而光電子科技的飛速發(fā)展也使半導(dǎo)體光電子材料的研究加快步伐，所以研究半導(dǎo)體硅材料和光電子材料的發(fā)展現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢勢在必行?，F(xiàn)代微電子工業(yè)除了對加工技術(shù)和加工設(shè)備的要求之外，對硅材料也提由了更新更高的要求。在當(dāng)今全球超過2000億美元的半導(dǎo)體市場中，95%以上的半導(dǎo)體器件和99額上的集成電路都是用高純優(yōu)質(zhì)的硅拋光片和外延片制作的。在未來30-50年內(nèi)，它仍將是集成電路工業(yè)最基本和最重要的功能材料。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而成為了當(dāng)代電子工

2、業(yè)中應(yīng)用最多的半導(dǎo)體材料。隨著國際信息產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，電子工業(yè)和半導(dǎo)體工業(yè)也得到了巨大發(fā)展，并且直到20世紀(jì)末都保持穩(wěn)定的15%勺年增長率迅速發(fā)展，作為半導(dǎo)體工業(yè)基礎(chǔ)材料的硅材料工業(yè)也將隨之發(fā)展，所以研究半導(dǎo)體硅材料的發(fā)展現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢勢在必行。一、半導(dǎo)體硅材料的發(fā)展現(xiàn)狀由于半導(dǎo)體的優(yōu)良性能，使其在射線探測器、整流器、集成電路、硅光電池、傳感器等各類電子元件中占有極為重要的地位。同時，由于它具有識別、存儲、放大、開關(guān)和處理電信號及能量轉(zhuǎn)換的功能，而使“半導(dǎo)體硅”實際上成了“微電子”和“現(xiàn)代化電子”的代名詞。二、現(xiàn)代微電子工業(yè)的發(fā)展對半導(dǎo)體硅材料的新要求隨著微電子工業(yè)飛速發(fā)展，除了本身對加工

3、技術(shù)和加工設(shè)備的要求之外，同時對硅材料也提由了更新更高的要求。1 .對硅片表面附著粒子及微量雜質(zhì)的要求隨著集成電路的集成度不斷提高，其加工線寬也逐步縮小，因此，對硅片的加工、清洗、包裝、儲運等工作提由了更高的新要求。對于兆位級器件，0.10以m的微粒都可能造成器件失效。亞微米級器件要求0.1以m的微粒降到10個/片以下同時要求各種金屬雜質(zhì)如Fe、Cu、Cr、Ni、A1、Na等，都要控制在目前分析技術(shù)的檢測極限以下。2 .對硅片表面平整度、應(yīng)力和機械強度的要求硅片表面的局部平整度（SFQD）一般要求為設(shè)計線寬的2/3,以64M存儲器的加工線寬0.35以m為例，則要求硅片局部平整度在22mm花圍內(nèi)

4、為0.23以m,256M電路的SFQM0.17以mi同時，器件工藝還要求原始硅片的應(yīng)力不能過分集中,機械強度要高，使器件的穩(wěn)定性和可靠性得到保證，但現(xiàn)在這方面硅材料尚未取得突破性進展，仍是以后研究的一個課題。3 .對硅片表面和內(nèi)部結(jié)晶特性及氧含量的要求對大規(guī)模集成電路來說，距硅片表面10以m左右厚度區(qū)域為器件活性區(qū)，要求該區(qū)域性質(zhì)均勻且無缺陷。64M和256M電路要求硅片的氧化誘生層錯（OSF）w20/cm2。為達(dá)到此要求，目前比較成熟的工藝是采用硅片吸除技術(shù)，分為內(nèi)吸除和背面損傷吸除?，F(xiàn)在器件廠家都根據(jù)器件工藝的需要，對硅片提由了莫種含氧量要求。4 .對硅片大直徑化的要求為了提高生產(chǎn)率、降低

5、成本，器件廠家隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴大，逐步要求增大硅片直徑，使同等規(guī)模芯片的收得率明顯提高，給器件廠家?guī)順O為顯著的經(jīng)濟效益。三、半導(dǎo)體光電子材料1、半導(dǎo)體激光材料電子器件和光電子器件應(yīng)用時半導(dǎo)體材料最重要的兩大應(yīng)用領(lǐng)域。半導(dǎo)體材料Si,GaAs和GaNInP等幾十重要的電子材料，也是重要的光電子材料。在1962年，GaAs激光二極管的問世，作為了半導(dǎo)體光電子學(xué)的開端。激光的激射波長取決于材料的帶隙，且只有具有直接帶隙的材料才能產(chǎn)生光輻射，它使注入的電子-空穴自己發(fā)生輻射復(fù)合以得到較高的電光轉(zhuǎn)化效率。產(chǎn)生激光的條件有：1、形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)使受激輻射占優(yōu)勢；2、具有共振腔以實現(xiàn)光量子放大；3、外界輸入

6、能量至少要達(dá)到閥值，使激光管的增益至少等于損耗。2、半導(dǎo)體顯示材料半導(dǎo)體顯示材料有發(fā)光二極管LED和電致發(fā)光顯示。發(fā)光二極管LED發(fā)光二極管LED它是由數(shù)層很薄的摻雜半導(dǎo)體材料制成。當(dāng)通過正向電流時，n區(qū)電子獲得能量越過PN結(jié)的禁區(qū)與p區(qū)的空穴復(fù)合以光的形式釋放由能量。而LED廣泛應(yīng)用于各方面，現(xiàn)如今的半導(dǎo)體白光照明、車內(nèi)照明、交通信號燈、裝飾燈、大屏幕全彩色顯示系統(tǒng)、太陽能照明系統(tǒng)、以及紫外、藍(lán)外激光器、高容量藍(lán)光DVD激光打印和顯示等。為了實現(xiàn)高亮度白光LED,我們可以通過紅綠藍(lán)三種LED可以組合成為白光；也可以基于紫外光LED,通過三基色粉，組合成為白光；也可基于藍(lán)光LED,通過黃色熒光

7、粉激發(fā)由藍(lán)光，組合成為白光。電致發(fā)光電致發(fā)光又稱為場致發(fā)光，與LED的低電場結(jié)型發(fā)光相比，是一種高電場作用下發(fā)光。電致發(fā)光材料分為粉末發(fā)光材料和薄膜發(fā)光材料。半導(dǎo)體粉末發(fā)光材料的發(fā)光特性主要有一線特殊雜質(zhì)作為激活劑和共激活劑所決定的，ZnS粉末常用Cu作為激活劑；Al、Ga、In等作為共激活劑。其中對于ZnS粉末，用MnCu作激活劑可以發(fā)黃光，用Ag作為激活劑可以發(fā)藍(lán)光，用CckAg作為激活劑發(fā)生紅綠光。薄膜發(fā)光材料發(fā)光機理和粉末材料基本相同，但薄膜材料可以在高頻電壓下工作，發(fā)光亮度也較高。陰極射線管是將電信號轉(zhuǎn)換成光學(xué)圖像的電子束管，常見的由彩色電視顯像管，它的光電轉(zhuǎn)換時通過其中的熒光屏來實

8、現(xiàn)的，所用的藍(lán)粉和綠粉以ZnS為主。3、太陽能電池材料太陽能電池材料分為硅電池材料和化合物半導(dǎo)體材料。硅電池材料有單晶硅電池、多晶硅電池、帶狀硅電池和薄膜硅電池材料?；衔锇雽?dǎo)體材料有CuInSe2電池、CdTe電池、GaAs電池和GaSb電池。四、半導(dǎo)體材料的發(fā)展趨勢隨著硅的直徑增大，雜質(zhì)氧等雜質(zhì)在硅錠和硅片中的分布也變得不均勻，這將嚴(yán)重的影響集成電路的成品率，特別是高集成度電路。為避免氧的沉淀帶來的問題，可采用外延的辦法解決。即用硅單晶片為襯底，然后在其上通過氣相反應(yīng)方法再生長一層硅，如2個微米、個微米或0.5個微米厚等。這一層外延硅中的氧含量就可以控制到1016/cm3以下，器件和電路就

9、做在外延硅上，而不是原來的硅單晶上，這樣就可解決由氧導(dǎo)致的問題。盡管成本將有所提高，但集成電路的集成度和運算速度都得到了顯著提高，這是目前硅技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。目前硅的集成電路大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)達(dá)到0.13-0.09微米，進一步將到0.07微米，也就是70個納米甚至更小。根據(jù)預(yù)測，到2022年，硅集成電路技術(shù)的線寬可能達(dá)到10個納米，這個尺度被認(rèn)為是硅集成電路的“物理極限”。就是說，尺寸再減小，就會遇到有很多難以克服的問題。隨著技術(shù)的發(fā)展，特別是納米加工技術(shù)的發(fā)展，也可能把這個極限尺寸進一步減??；但總有一天，當(dāng)代的硅微電子技術(shù)可能會走到盡頭。隨著集成電路集成度的提高，芯片的功耗也急劇增加，

10、使其難以承受；現(xiàn)在電腦CPU勺功耗已經(jīng)很高，如果說將來把它變成“納米結(jié)構(gòu)”，即不采用新原理，只是按摩爾定律走下去，進一步提高集成度，那么加在它上面的功耗就有可能把硅熔化掉！另外一個問題是光刻技術(shù)，目前大約可以做到0.1微米，雖然還有些正在發(fā)展的光刻技術(shù)，如X光、超紫外光刻技術(shù)等，但要滿足納米加工技術(shù)的需求還相差很遠(yuǎn)。再者就是電路器件之間的互連問題，對每一個芯片來說，每一個平方厘米上有上千萬、上億只管子，管子與管子之間的聯(lián)線的長度要占到器件面積的60-70%,現(xiàn)在的連線就多達(dá)8層到10多層，盡管兩個管子之間的距離可以做得很小，但是從這個管子到另外一個管子，電子走的路徑不是直線，而要通過很長的連線。線寬越窄，截面越小，電阻越大，加上分布電容，電子通過引線所需的時間就很長，這就使CPU的速度變慢。另外納米加工的制作成本也很高，由于這些原因，硅基微電子技術(shù)最終將沒有辦法滿足人類對信息量不斷增長的需求。五、結(jié)論隨著國際信息產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，電子工業(yè)和半導(dǎo)體工業(yè)也得到了巨大發(fā)展，作為半導(dǎo)體工業(yè)基礎(chǔ)材料的硅材料工業(yè)也將隨之發(fā)展。在未來幾年，電子半導(dǎo)體工業(yè)和硅材料工業(yè)還將持續(xù)增長。在21世紀(jì)初，硅材料無論在質(zhì)量還是在數(shù)量上，以及在