00重要半導(dǎo)體材料研究的新進(jìn)展-已

1、硅材料具有儲量豐富、價(jià)格低廉、熱性能與機(jī)械性能優(yōu)良、易于生長大尺寸度晶體等優(yōu)點(diǎn)，處在成發(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)和地位仍不會動搖。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。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，并可在同一同時處理光電信號，被公認(rèn)是新一代的通信用材料。隨著材料SiGaAsGaN物理性質(zhì)禁帶寬度（ev）1.11.43.4飽和速率（10-7cm/s）1.02.12.7熱導(dǎo)（W/cK）1.3

2、0.62.0擊穿電壓（M/cm）0.30.45.0電子遷移速率（cm2/Vs）應(yīng)用情況光學(xué)應(yīng)用無紅外藍(lán)光/紫外高頻性能差好好高溫性能中差好發(fā)展階段成熟發(fā)展中初期相對制造成本低高高、，電子科技大學(xué)（2006-9-10）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。電子信息產(chǎn)業(yè)規(guī)模最大的是。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 ，產(chǎn)業(yè)規(guī)模已超過 位

3、居世界第二（同期 信息產(chǎn)業(yè)銷售收入只有 1900 億 ）， 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。一、概述在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中，一般將硅、鍺稱為第一代半導(dǎo)體材料；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；而將寬禁帶（Eg2.3eV）的氮化鎵、碳化硅、硒化鋅和石等稱為第三代半導(dǎo)體材料。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。本文沿用此分類進(jìn)行介紹。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

4、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 1：主要半導(dǎo)體材料的比較半導(dǎo)體材料的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢于 2008-10-11二、半導(dǎo)體材料發(fā)展現(xiàn)狀1、半導(dǎo)體硅材料材料名稱制作器件主要用途硅二極管、晶體管通訊、廣播、電視、自動控制集成電路各種計(jì)算機(jī)、通訊、廣播、自動控制、電子鐘表、儀表整流器整流晶閘管整流、直流輸配電、電氣機(jī)車、設(shè)備自控、高頻振蕩器射線探測器原子能分析、光量子檢測能電池能發(fā)電砷化鎵各種微波管、微波通訊、電視、移動通訊激光管光纖通訊紅外發(fā)光管小功率

5、紅外光源霍爾元件磁場控制激光調(diào)制器激光通訊高速集成電路高速計(jì)算機(jī)、移動通訊能電池能發(fā)電氮化鎵激光器件光學(xué)、激光、醫(yī)療、軍事應(yīng)用發(fā)光二極管信號燈、顯示、微型燈泡、移動紫外探測器分析儀器、火焰檢測、臭氧監(jiān)測集成電路通訊（功放器件）、性內(nèi)存、電子開關(guān)、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，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。從表 1 看出，選擇寬帶隙半導(dǎo)體材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

6、的熱生率比常規(guī)半導(dǎo)體的小 1014 個數(shù)量級。這一特性在電荷耦合器件、新型非易失性高速 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。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。寬帶隙材料的相對介電常數(shù)比常規(guī)材料的要小，由于對寄生參數(shù)影響小，這對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重要特性。寬帶隙半導(dǎo)體材料的電子遷移率一般沒有多數(shù)通用半導(dǎo)體的高，其空穴遷移率一般較高， 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。氮化鎵材料的禁帶寬度

7、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。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較低的硅半導(dǎo)體材料相比，第三代半導(dǎo)體材料目前 的最主要是發(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。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、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 2：半導(dǎo)體材料的主要用途從目前電子工業(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)

8、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）都是制作在優(yōu)質(zhì)的硅拋光片和外延片上的。硅片被稱作集成電路的發(fā)展緊密相關(guān)。材料，硅材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和集成電路的半導(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)體級多晶硅，消耗 60007000

9、噸單晶硅，硅片銷售金額約 6080 億?？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)和的發(fā)展。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，主要是用作單晶硅以及能電池等。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

10、功率晶體管等。單晶硅和多晶硅應(yīng)用最廣。經(jīng)過多年的發(fā)展和競爭，國際硅材料行業(yè)出現(xiàn)了銷量的 90%以上，其中性企業(yè)，、德國和的六大硅片公司的銷量占硅片總、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。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，每片硅片的數(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

11、右?，F(xiàn)代微電子工業(yè)對硅片關(guān)鍵參數(shù)的要求如表 3 所示。表 3：現(xiàn)代微電子工業(yè)對硅片關(guān)鍵參數(shù)的要求首批產(chǎn)品預(yù)計(jì)生產(chǎn)年份2005200820112014工藝代（特征尺寸/nm）100705030晶片尺寸/mm300300300450去邊/mm1111正表面顆粒和 COP 尺寸/mm50352525顆粒和 COP 密度/mm-20.100.100.100.10表界 金 屬 元 素 密 度/109at.mm-24.94.23.63.0局部平整度/nm100706035中心氧含量/1017cm-39.0/15.59.0/15.59.0/15.59.0/15.5Fe 濃度/1010cm-31111復(fù)合/s

12、325350350400（1）多晶硅多晶硅是單晶硅和能電池的原料。半導(dǎo)體級多晶硅的生產(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：（1）在大型反應(yīng)爐內(nèi)同時加熱許多根金屬絲，1998 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)能嚴(yán)重過剩。2003 年以前，多晶硅供大于求（見圖 1），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)能增加能多晶硅的產(chǎn)量。圖 1：19982004 年多晶硅產(chǎn)量及產(chǎn)能缺口目前全世界每年消耗約 22000 噸半導(dǎo)體級多晶硅，世界多晶硅的年生產(chǎn)能

13、力約為28000 噸，生產(chǎn)高度集中于美、日、德 3 國，海姆洛克（）、ASIM（德國），德山（）、MEMC（）占據(jù)了多晶硅市場的 80%以上。其國哈姆洛克公司產(chǎn)能達(dá) 6500t/a，德國化學(xué)公司和德山公司產(chǎn)能超過 4500t/a，美國MEMC 公司產(chǎn)能超過 2500t/a。中國多晶硅嚴(yán)重短缺，遠(yuǎn)不能滿 內(nèi)市場需求。多晶硅工業(yè)起步于 50 年代，60年代實(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 信息產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展

14、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) ，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。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)指標(biāo)，同時該廠正在積極進(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。項(xiàng)目免洗料酸腐蝕料純度及 電阻率施主（P、As、Sb）max 150pptamax 150pptamin 50

15、0cmmin 500cm受主（B、Al）max 50pptamax 50pptamin 500cmmin 500cm碳max 100ppbamax 100ppba體金屬總量（Fe、Cu、Ni、Cr、Znmax 500pptwmax 500pptw表面金 屬Femax 5000pptwmax 500pptw/250pptaCumax 1000pptwmax 50pptw/25pptaNimax 1000pptwmax 100pptw/50pptaax 1000pptwmax 100pptw/55ppta減小爐壁輻射所造成的熱損失；（2）爐的內(nèi)壁加工成鏡面，使輻射熱反射，減少散熱；（3）提高爐內(nèi)壓

16、力，提高反應(yīng)速度等措施；（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。 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 公司的多晶硅質(zhì)量指標(biāo)數(shù)據(jù)。表 4：多晶硅質(zhì)量指標(biāo)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。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）單晶硅和外延片生產(chǎn)單晶硅的工藝主要采用直拉法（CZ）、區(qū)熔法（FZ）

17、 、磁場直拉法（MCZ）以及雙坩堝 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向分布均勻、控制電阻率均勻性。硅晶片屬于密集型和技術(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)很難其中。國際市場單晶硅產(chǎn)量前 5 位的公司分別是化學(xué)公司（Shin-Etsu）、德化學(xué)公司三菱材料公（Wacker）、住友金屬公司（S

18、umitomo）、MEMC 公司和司。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 家地位。公司占據(jù)了市場份額的 50.7%，表明在全球硅晶片行業(yè)中占據(jù)了主導(dǎo)集成電路高集成度、微型化和低成本的要求對半導(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。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

19、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。單晶硅出口大，出口額為 4648 萬，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)線正向我國性移動，我國新建和在建的F8 英寸 IC 生產(chǎn)線有近 10 條之多，對大直徑高質(zhì)量的硅晶片需求十分強(qiáng)勁，而國內(nèi)供給明顯，基本依賴進(jìn)口，中國硅晶片的技術(shù)

20、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)著巨大的機(jī)遇和。2004 年國內(nèi)從事硅單晶材料產(chǎn)的企業(yè)約有 35 家，從業(yè)約 3700 人，主要研究和生產(chǎn)有有研硅股、杭州海納半導(dǎo)體材料公司、寧波立立電子公司、洛陽單晶硅廠、萬向硅峰電子材料公司、晶華電子材料公司、峨眉半導(dǎo)體材料廠、河北半導(dǎo)體材料公司等。其中，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%，預(yù)計(jì) 2005 年

21、我國硅單晶產(chǎn)量可達(dá) 1400 噸左右。隨著集成電路特征線寬尺寸的不斷減小，對硅片的要求越來越高（詳見表 3），控制單晶的原生缺陷變得愈來愈，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式提供的，而 12 英寸生產(chǎn)線將全部采用外延。目前國外單移動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長性。是最大的生產(chǎn)國和輸出國，占世界市場的 7080%；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)技術(shù)上領(lǐng)先一步。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。 AXT 公司是世界最大的 VGFGaAs 材料生產(chǎn)商。

22、世界 GaAs 單晶主要生產(chǎn)商情況見表 6。國際上砷化鎵市場需求以30%的年增長率迅速形成數(shù)十億的大市場，預(yù)計(jì)未來 20 年砷化鎵市場都具有工藝特點(diǎn)LECHBVGFVBVCZ工 藝水平低位錯差好很好很好好位錯均勻性差中等好好好長尺寸好差好好很好大直徑好差好好很好好好差差差位錯密度（cm-2）104105102102102102103生 產(chǎn)水平直徑（英寸）3、4、62、326264、6位錯密度（cm-2）11041103510351035103遷 移 率 （ cm2/（vs）60007000生產(chǎn)規(guī)模規(guī)模生產(chǎn)規(guī)模生產(chǎn)批量生產(chǎn)批量生產(chǎn)試制晶硅和外延片的生產(chǎn)企業(yè)有（）、三菱住友 SUMCO（），MEM

23、C（），（德國）等。目前從事外延片 產(chǎn)的主要 有信息 電子 13 所、電子 55 所、華晶外延廠等近 10 家，但是由于技術(shù)、體制、 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 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。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 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)一段時間內(nèi)不會有根本的改變，這些大公司的 12 英寸外延片已量產(chǎn)化，目

24、前國外 8 英寸外延片價(jià)格約 45 /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（1）國外發(fā)展概況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 速、 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。目前，世界砷化鎵單晶的總年產(chǎn)量已超過 200 噸（ 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 LEC 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 ）和 VC

25、Z 法（蒸氣壓控制直拉法），成功 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 5：GaAs 單晶生產(chǎn)方法比較公司名稱住 友電工住 友礦山同 和礦業(yè)日 立電線昭 和電工三 菱化學(xué)CSIAXTHPMCPFreibuigerHBLECVGF/VBDDD注：主要產(chǎn)品（大生產(chǎn)），生產(chǎn)（大量，小規(guī)模），D 開發(fā)中（2）中國國內(nèi)研究狀況中國從上世紀(jì) 60 年代初開始研制砷化鎵，近年來，隨著半導(dǎo)體、圣科佳電子相繼成立，中國的化合物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)邁上新臺階，更快的發(fā)展道路。鎵英公司成功拉制出中國第一根 6.4 公斤 5 英

26、寸 LEC 法大直徑砷化鎵單晶；信息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。中國 GaAs 材料單晶以 23 英寸為主，4 英寸處在前期，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。砷化鎵生產(chǎn)主要原材料為砷和鎵。雖然砷和鎵的資源大國，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。中國國內(nèi)GaAs 材料主要生產(chǎn)為： 鎵英、有研硅股、信息產(chǎn)業(yè)

27、部電子 46 所、電子 55 所等。主要競爭對手來自國外。鎵英 2001 年起計(jì)劃投入近 2 億進(jìn)行砷化鎵材料的，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)模的同時，應(yīng)重視具有獨(dú)立知識的技術(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

28、環(huán)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。近年來，為滿足高速移動通信的迫切需求，大直徑（68 英寸）的 Si-GaAs 發(fā)展很快，4 英寸 70 厘及 6 英寸 35 厘和 8 英寸的半絕緣砷化鎵（Si-GaAs）也在研制成功。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尚未完全突破，價(jià)格居高不下。砷化鎵單晶材料的發(fā)展趨勢是：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)

29、用；提高材料的電學(xué)和光學(xué)微區(qū)均勻性；降低單晶的缺陷密度，特別是位錯；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 6：世界 GaAs 單晶主要生產(chǎn)廠家SiC Devier MOSFE T4H-SiC MESFET6H-SiC MESFET4H-SiC JFET6H-SiC JFETShottky diodecommen t600V，8Adevi fabricate dfmax=42GH zfmax=25GH z, 8.5db at 10GHzeff=340cm2V -1S-1 at 300KEnhance-me nt modeOver 1 kV breakdow n

30、at 300KTm（K）673673673723873973注：Tm 為um operating temperature國外對 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 ，總劑量 100 兆 條件下，跨導(dǎo)和夾斷電壓基本不變。對 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，輻照前后 1000mA 電流的正向壓降和雪崩擊穿電壓的 說明：具

31、有高摻雜的 125 伏整流器在正向電流 400mA 的降壓幾乎不境下工作，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)展對高溫、高頻、高壓以及抗輻射、能發(fā)射藍(lán)光等 新要求。而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 、光探測等光電子器件和高溫、高頻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、 、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)。從目前國外對寬禁帶半導(dǎo)體材料和器件的研究情況來看，主要

32、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 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?。國外對SiC 的研究早在五十年代末和六十年代初就已開始了。到了八十年代中期，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 SiC 半導(dǎo)體的 Cree 公司。九十年代初， 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 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

33、人鼓舞的進(jìn)展。即目前為止，直徑50mm 具有良 能的半絕緣和摻雜材料已經(jīng)商品化。 政府與西屋西子公司合作，投資 450 萬 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 接觸以及反應(yīng)離子刻蝕等工藝取得了 進(jìn)展，所以促成了 SiC 器件和集成電路的快速發(fā)展。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

34、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 7：SiC 器件的研究概表變（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%。GaN 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)的。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)應(yīng)用的實(shí)質(zhì)進(jìn)極大步和突破。由于 GaN 半導(dǎo)體器件

35、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代的來臨。1993 年的日亞化學(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。據(jù) Strategies Unlimited 的，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。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）。此外，日亞化學(xué)公司利用其

36、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，將來可替代電燈，既提高燈的，又大大地節(jié)省能源。因此，GaN 越來越受到人們的歡迎。GaN 藍(lán)光激光器也被日亞公司首先開發(fā)成功，目前已超過 10000hr。與此同時，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。圖 2：世界GaN 器件市場規(guī)模及在開展氮化鎵度LED 和LD 研究的公司和大學(xué)有幾十家之多，耗資上億美的 APA 光學(xué)公司 1993 年研制出世界上第一個氮化鎵

37、基HEMT 器件。2000 年 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 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)元。 9 月月品開發(fā)方興未艾。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、和惠普等。包括飛利浦、通用等光照及汽車行業(yè)的公司正積極開發(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。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。、

38、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)劃于 2015 年-2020 年取代白熾燈和日光燈，引起新的照明。據(jù)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。該公司即使最保守發(fā)展，2009 年世界GaN 器件市場將達(dá)到48 億的銷售額（見圖 2）。Cree 公司由于其研究領(lǐng)先，主宰著整個碳化硅的市場，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，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，

39、其中 90-95%被用于氮化鎵基光電子器件作外延襯底。目前在 6H-SiC 襯底上氮化鎵微電子材料室溫遷移率達(dá)到 2000cm2/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。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

40、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，但碳化硅襯底上材料十分昂貴。（2）中國國內(nèi)研究狀況中國國內(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 英寸碳化硅襯底的技術(shù)以及大面積、低位錯密度的碳化硅外延技術(shù)。目前國內(nèi)進(jìn)行碳化硅單晶的研制有物理所、硅酸鹽、山東大學(xué)、信息46 所等，進(jìn)行碳化硅外延生長的有半導(dǎo)體所、中國科技大學(xué)以及西安電子。西安電子科技

41、大學(xué)微電子已經(jīng)外延生長了 6H-SiC，目前正在進(jìn)一步測試證明材料的晶格結(jié)構(gòu)情況。另外，還對材料的性質(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。采用國口的材料成功地制造出二極管和我國第一只6H SiC MOSFET，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。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，半導(dǎo)體所在國內(nèi)最早開展了氮化鎵基微電子材料的

42、研究工作，取得了一些具有國內(nèi)領(lǐng)先水平、國際先進(jìn)水平的研究成果，可小批量提供 AlGaN/GaN HEM 結(jié)構(gòu)材料，一些采用該種材料研制出了AlGaN/GaN HEM 相關(guān)器件。如：具有國內(nèi)領(lǐng)先水平的 AlGaN/GaN HEM 器件；信息微電子所研制出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。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

43、制。、半導(dǎo)體材料發(fā)展趨勢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。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、集成向系統(tǒng)集成發(fā)展。集成度和低能耗方向發(fā)展。半導(dǎo)體微電子材料由單片微電子技術(shù)發(fā)展的主要途徑是通過不斷縮小器件的特征尺寸，增加集成度和信息處理速度

44、，由單片集成向系統(tǒng)集成發(fā)展。面積以提高1、Si、GaAs、InP 等半導(dǎo)體單晶材料向著大尺寸、高均質(zhì)、晶格高完整性方向發(fā)展。椎 8 英吋硅是目前國際的主品，椎 12 英吋已開始上市，GaAs椎 4 英吋已進(jìn)入大批量生產(chǎn)階段，并且正在向椎 6 英吋生產(chǎn)線過渡；對單晶電阻率的均三材料類別多晶硅單晶硅硅拋光片（4 英寸、5 英寸）硅拋光片（6 英寸、8 英寸）硅外延片（4 英寸、5 英寸）硅外延片（6 英寸、8 英寸）4-6 英寸砷化鎵單晶片普亮砷化鎵外延材料紅 外 AlGaAs外延材 料噸/年噸/年萬片/年萬片 年萬片 年萬片 年萬片 年平方萬寸/年平方萬 寸/年目前 生產(chǎn)能力100近 1000約

45、 1300約 5003003001020102010 年需求量約 3000約 1600約約約約 600309090五、結(jié)束語不可否認(rèn)，微電子時代將逐步過渡到光電子時代，最終發(fā)展到光子時代。預(yù)計(jì)到2010 年或 2014 年，硅材料的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展將極限，第二代和第三代半導(dǎo)體技術(shù)勻性、雜質(zhì)含量、微缺陷、位錯密度、平整度、表面潔凈度等都提出了更加苛刻的要求。2、在以 Si、GaAs 為代表的第一代、第二代半導(dǎo)體材料繼續(xù)發(fā)展的同時，加速發(fā)展第三代半導(dǎo)體材料寬禁帶半導(dǎo)體材料SiC、GaN、ZnSe石材料和用SiGe/Si、 SOI 等新型硅基材料大幅度提高原有硅集成電路的性能是未來半導(dǎo)體材料的重要發(fā)展

46、方向。3、繼經(jīng)典半導(dǎo)體的同質(zhì)結(jié)、異質(zhì)結(jié)之后，基于量子阱、量子線、量子點(diǎn)的器件設(shè)計(jì)、制造和集成技術(shù)在未來 515，將在信息材料和元器件制造中占據(jù)主導(dǎo)地位，分子束外延 MBE 和金屬有機(jī)化合物化學(xué)汽相外延 MOCVD 技術(shù)將得到進(jìn)一步發(fā)展和更加廣泛的應(yīng)用。4、 化學(xué)試劑和特種電子氣體的純度要求將分別達(dá)到 lppb0.1ppb 和 6N 級以上，0.5m 以上的雜質(zhì)顆粒必須控制在 5 個/毫升以下，金屬雜質(zhì)含量控制在 ppt 級，并將開發(fā)替代 氣體的新品種電子氣體。四、中國半導(dǎo)體材料材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景的展望中國的 IT 產(chǎn)業(yè)即將進(jìn)入快速發(fā)展時期，這一點(diǎn)已成為人們的普遍共識。在信息產(chǎn)品市場的拉動下，電子

47、信息材料產(chǎn)業(yè)也將獲得持續(xù)較快的增長。電子信息材料業(yè)在 IT產(chǎn)業(yè)中乃至整個國民經(jīng)濟(jì)中的地位將會進(jìn)一步上升。據(jù)信息 的 ，2005 年中國電子信息產(chǎn)品市場的總規(guī)模將達(dá) 2 萬億元人民幣，這大約相對于全球市場總規(guī)模的 13%。巨大的市場需求，將拉動中國信息產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。在此背景下，我國信息材料業(yè)的未來商機(jī)首先來自半導(dǎo)體材料市場。 全球最大、最重要的信息材料細(xì)分市場就是集成電路，而集成電路的 99%以上都是由硅材料制作的。半導(dǎo)體材料在信息設(shè)備中的價(jià)值含量已達(dá) 20%，并且還在繼續(xù)上升。根據(jù)中國工程院的專項(xiàng) 與 ，中國 2005 年半導(dǎo)體材料材料的需求情況是（見表 8）：多晶硅需求將達(dá) 1500 噸；單

48、晶硅約 600 噸；硅拋光片約 8000 萬平方英寸；硅外延片 500 萬平方英寸；GaAs 單晶 2000 千克；GaAs 外延片 34 萬片；InP 單晶 120 千克；化學(xué)試劑 8000 噸；塑封料 8000 噸；鍵合金絲 3000 千克。表 8：中國半導(dǎo)體材料需求量摘要：本文重點(diǎn)對半導(dǎo)體硅材料，GaAs 和 InP 單晶材料，半導(dǎo)體超晶格、量子阱材料，一維量子線、零維量子點(diǎn)半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料，寬帶隙半導(dǎo)體材料，光子晶體材料，量子比特構(gòu)建與材料等目前達(dá)到的水平和器件應(yīng)用概況及其發(fā)展趨勢作了概述。最后，提出了發(fā)展我國半導(dǎo)體材料的建議。：半導(dǎo)體 材料 量子線 量子點(diǎn) 材料 光子晶體1 半導(dǎo)體材

49、料的地位上世紀(jì)中葉，單晶硅和半導(dǎo)體晶體管的發(fā)明及其硅集成電路的研制成功，導(dǎo)致了電子工業(yè)；上世紀(jì) 70 年代初石英光導(dǎo)材料和GaAs 激光器的發(fā)明，促進(jìn)了光纖通信技術(shù)迅速發(fā)展并逐步形成了高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，使人類進(jìn)入了信息時代。超晶格概念的提出及其半導(dǎo)體超晶格、量子阱材料的研制成功，徹底改變了光電器件的設(shè)計(jì)，使半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)與制造從“雜質(zhì)工程”發(fā)展到“能帶工程”。納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，將使人類能從原子、分子或納米尺度水平上控制、和制造功能強(qiáng)大的新型器件與電路，必將深刻地影響著世界的政治、經(jīng)濟(jì)格局和軍事對抗的形式，徹底改變?nèi)藗兊纳罘绞健追N主要半導(dǎo)體材料的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢硅材料從提高硅集成電路成品

50、率，降低成本看，增大直拉硅（CZSi）單晶的直徑和減小微缺陷的密度仍是今后 CZSi 發(fā)展的總趨勢。目前直徑為 8 英寸（200mm）的 Si和產(chǎn)業(yè)將成為研究和發(fā)展的重點(diǎn)決策部門、半導(dǎo)體科研和企業(yè)在現(xiàn)有的技術(shù)、市場和發(fā)展趨勢面前應(yīng)把握歷史機(jī)遇，迎接。參考文獻(xiàn)：，半導(dǎo)體材料的發(fā)展現(xiàn)狀，新材料產(chǎn)業(yè)，2003 年第 6 期，第三代半導(dǎo)體材料21 世紀(jì) IT 產(chǎn)業(yè)新的發(fā) ，新材料產(chǎn)業(yè)，2002年第 6 期將，半導(dǎo)體硅材料 發(fā)展現(xiàn)狀，Semiconductor Technology Vol.27 No.2（2002），第三代半導(dǎo)體材料的發(fā)展及應(yīng)用，世界產(chǎn)品與技術(shù)，2000 年 5 月Kim K M.,

51、Solid Se Techno, 2000, 43（l）：69.Polysilicon Production/Capacity World ve. Demand Estimate 19952003（electronic grade only）, Wacker Siltro-nic AG，1999） CASADY JB， JOHNSON R W, S us of silicon carbide （ SiC ） as a widebandgap semiconductor for high-temperature applications： a review J Solid S e Electro

52、n，1996，39（10）：1 4091 422.作者簡介： ，教授，博士生導(dǎo)師； ， ，微電子與固體電子學(xué)院，電子科技大學(xué)，地址： 市建設(shè)北路二段四號 ：610054半導(dǎo)體材料研究的新進(jìn)展 2008-2-13單晶已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，基于直徑為 12 英寸（300mm）硅片的集成電路（ICs）技術(shù)正處在由向工業(yè)生產(chǎn)轉(zhuǎn)變中。目前 300mm，0.18m 工藝的硅 ULSI 生產(chǎn)線已經(jīng)投入生產(chǎn)，300mm，0.13m 工藝生產(chǎn)線也將在 2003 年完成評估。18 英寸重達(dá) 414 公斤的硅單晶和 18 英寸的硅園片已在極籌劃中。研制成功，直徑 27 英寸硅單晶研制也正在積從進(jìn)一步提高硅 ICS

53、的速度和集成度看，研制適合于硅深亞微米乃至納米工藝所需的大直徑硅外延片會成為硅材料發(fā)展的主流。另外，SOI 材料，包括智能剝離（Smart cut）和 SIMOX 材料等也發(fā)展很快。目前，直徑 8 英寸的硅外延片和SOI 材料已研制成功，更大尺寸的片材也在開發(fā)中。30nm 左右將是硅 MOS 集成電路線寬的“極限”尺寸。這不僅是指量理論分析子尺寸效應(yīng)對現(xiàn)有器件特性影響所帶來的物理限制和光刻技術(shù)的限制問題，更重要的是將受硅、SiO2 自身性質(zhì)的限制。盡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 引線以及采用系統(tǒng)集成技術(shù)

54、等來提高 ULSI 的集成度、運(yùn)算速度和功能，但硅將最終難以滿足人類不斷的對更大信息量需求。為此，人們除尋求基于全新原理的量子計(jì)算和 DNA 生物計(jì)算等之外，還把目光放在以 GaAs、InP 為基的化合物半導(dǎo)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(diǎn)材料和可與硅平面工藝兼容 GeSi 合金材料等，這也是目前半導(dǎo)體材料研發(fā)的重點(diǎn)。2.2 GaAs 和InP 單晶材料GaAs 和 InP 與硅不同，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(diǎn)；在速、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占有獨(dú)特的優(yōu)勢。目前，世界 GaAs 單晶的總年產(chǎn)量已

55、超過 200 噸，其中以低位錯密度的垂直梯度凝固法（VGF）和水平（HB）方法生長的 23 英寸的導(dǎo)電 GaAs 襯底材料為主；近年來，為滿足高速移動通信的迫切需求，大直徑（4，6 和 8 英寸）的SIGaAs 發(fā)展很快。美國莫拉公司正在籌建 6 英寸的SIGaAs 集成電路生產(chǎn)線。InP 具有比 GaAs 更優(yōu)越的高頻性能，發(fā)展的速度更快，但研制直徑 3 英寸以上大直徑的InP 單晶的未完全突破，價(jià)格居高不下。尚GaAs 和InP 單晶的發(fā)展趨勢是：增大晶體直徑，目前 4 英寸的SIGaAs 已用于生產(chǎn)，預(yù)計(jì)本世紀(jì)初的頭幾年直徑為 6 英寸的SIGaAs 也將投入工業(yè)應(yīng)用。提高材料的電學(xué)和光

56、學(xué)微區(qū)均勻性。降低單晶的缺陷密度，特別是位錯。GaAs 和InP 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)。2.3 半導(dǎo)體超晶格、量子阱材料半導(dǎo)體超薄層微結(jié)構(gòu)材料是基于先進(jìn)生長技術(shù)（MBE，MOCVD）的新一代人工構(gòu) 造材料。它以全新的概念改變著光電子和微電子器件的設(shè)計(jì) ，出現(xiàn)了“電學(xué)和光學(xué)特性可剪裁”為特征的新范疇，是新一代固態(tài)量子器件的基礎(chǔ)材料。（1）V 族超晶格、量子阱材料。GaAIAsGaAs，GaInAsGaAs，AIGaInPGaAs；GalnAsInP，AlInAsInP， InGaAsPInP 等 GaAs、InP 基晶格匹配和應(yīng)變補(bǔ)償材料體系已發(fā)展得相當(dāng)成熟，已

57、成功地用來制造速，頻微電子器件和單片集成電路。高電子遷移率晶體管（HEMT），贗配高電子遷移率晶體管（PHEMT）器件最好水平已達(dá) fmax=600GHz，輸出功率 58mW，功率增益 6.4db；雙異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT）的最高頻率 fmax 也已高達(dá) 500GHz，HEMT 邏輯電路研制也發(fā)展很快?；谏鲜霾牧象w系的光通信用 1.3m和 1.5m 的量子阱激光器和探測器，紅、黃、橙光發(fā)光二極管和紅光激光器以及大功率半導(dǎo)體量子阱激光器已商品化；表面光件和光雙穩(wěn)器件等也已達(dá)到或接近達(dá)到實(shí)用化水平。目前，研制高質(zhì)量的 1.5m 分布反饋（DFB）激光器和電吸收（EA）調(diào)制器單片集成InP量子阱

58、材料和速驅(qū)動電路所需的低維結(jié)構(gòu)材料是解決光纖通信西門子公司已完成了 8040Gbps 傳輸 40km 的實(shí)驗(yàn)。另外，瓶頸問題的關(guān)鍵，在用于制造準(zhǔn)連續(xù)兆瓦級大功率激光陣列的高質(zhì)量量子阱材料也受到人們的重視。雖然常規(guī)量子阱結(jié)構(gòu)端面發(fā)射激光器是目前光電子領(lǐng)域占地位的有源器件，但由于其有源區(qū)極薄（0.01m）端面光電災(zāi)變損傷，大電流電熱燒毀和光束質(zhì)量差一直是此類激光器的性能改善和功率提高的難題。采用多有源區(qū)量子級聯(lián)耦合是解決此難題的有效途徑之一。我國早在 1999 年，就研制成功 980nm InGaAs 帶間量子級聯(lián)激光器，輸出功率達(dá) 5W 以上；2000 年初，法國公司又了單個激光器準(zhǔn)連續(xù)輸出功率

59、超過 10結(jié)果。最近，我國的科研工作者又提出并開展了多有源區(qū)縱向光耦合垂直腔面發(fā)射激光器研究，這是一種具有益、極低閾值、高功率和高光束質(zhì)量的新型激光器，在未來光通信、光互聯(lián)與光電信息處理方面有著良好的應(yīng)用前景。為克服PN 結(jié)半導(dǎo)體激光器的能隙對激光器波長范圍的限制，1994 年貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了基于量子阱內(nèi)子帶躍遷和阱間隧穿的量子級聯(lián)激光器，突破了半導(dǎo)體能隙對波長的限制。自從 1994 年InGaAsInAIAsInP 量子級聯(lián)激光器（QCLs）發(fā)明以來，Bell等的科學(xué)家，在過去的 7 年多的時間里，QCLs 在向大功率、高溫和單膜工作等研究方面取得了顯著的進(jìn)展。2001 年Neucha大學(xué)的

60、科學(xué)家采聲子和三量子阱有源區(qū)結(jié)構(gòu)使波長為 9.1m 的 QCLs 的工作溫度高達(dá) 312K，連續(xù)輸出功率 3mW.量子級聯(lián)激光器的工作波長已覆蓋近紅外到遠(yuǎn)紅外波段（3 87m），并在光通信、分辨光譜、應(yīng)用前景。靈敏氣體傳感器、高速調(diào)制器和無線光學(xué)連接等方面顯示出重要的微系統(tǒng)和于 1999 年研制成功 120K 5m 和 250K于 2000 年又研制成功 3.7m 室溫準(zhǔn)連續(xù)8m 的量子級聯(lián)激光器；半導(dǎo)體應(yīng)變補(bǔ)償量子級聯(lián)激光器，使我國成為能研制這類高質(zhì)量激光器材料為數(shù)不多的幾個國家之一。目前，V 族超晶格、量子阱材料作為超薄層微結(jié)構(gòu)材料發(fā)展的主流方向，正從直徑 3 英寸向 4 英寸過渡；生產(chǎn)型