半導體材料的發(fā)展

1、，半導體材料( semiconductor material )1.1 引言導電能力介于導體與絕緣體之間的物質稱為半導體。 半導體材料是一類具有 半導體性能、可用來制作半導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)。半導體材料的電學性質對光、熱、電、 磁等外界因素的變化十分敏感， 在半導體材料中摻入少量雜質可以控制這類材料 的電導率。正是利用半導體材料的這些性質，才制造出功能多樣的半導體器件。 半導體材料是半導體工業(yè)的基礎，它的發(fā)展對半導體技術的發(fā)展有極大的影響。 半導體材料按化學成分和內(nèi)部結構，大致可分為以下幾類。 1. 元素半導體有鍺、 硅、硒、

2、硼、碲、銻等。 50年代，鍺在半導體中占主導地位，但 鍺半導體器件 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 為應用最多的一種增導體材料，目前的集成電路大多數(shù)是用硅材料制造的。2.化合物半導體由兩種或兩種以上的元素化合而成的半導體材料。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、 耐高溫和化學 穩(wěn)定性好，在航天技術領域有著廣泛的應用。 3. 無定形半導體材料 用作半導體 的玻璃是一種非晶

3、體無定形半導體材料，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和記憶特性和很強的抗輻射能力， 主要用來制造閾值開 關、記憶開關和固體顯示器件。 4. 有機增導體材料已知的有機半導體材料有幾十 種，包括萘、蒽、聚丙烯腈、酞菁和一些芳香族化合物等，目前尚未得到應用 。1.2 特性和參數(shù)半導體材料的導電性對某些微量雜質極敏感。 純度很高的半導體材料稱為本 征半導體， 常溫下其電阻率很高， 是電的不良導體。 在高純半導體材料中摻入適 當雜質后， 由于雜質原子提供導電載流子， 使材料的電阻率大為降低。 這種摻雜 半導體常稱為雜質半導體。雜質半導體靠導帶電子導電的稱 N型半導體，靠價帶 空

4、穴導電的稱P型半導體。不同類型半導體間接觸（構成 PN結）或半導體與金 屬接觸時，因電子（或空穴）濃度差而產(chǎn)生擴散，在接觸處形成位壘，因而這類 接觸具有單向導電性。利用 PN結的單向導電性，可以制成具有不同功能的半導 體器件，如二極管、三極管、晶閘管等。此外，半導體材料的導電性對外界條件 （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 于信息轉換。半導體材料的特性參數(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密度。 禁帶寬度由半導體的電子態(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、材料的導電能力。 非平衡載流子壽命反映半導體材料在外界作用 （如光或電場） 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。 位錯是 晶體中最常見的一類缺陷。位錯密度用來衡量半導體單晶材料晶格完整性的程 度，對于非晶態(tài)半導體材料， 則沒有這一參數(shù)。 半導體材料的特性參數(shù)不僅能反 映半導體材料與其他非半導體材料之間的差別 ，更重要的是能反映各種半導體 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 種類常用的半導體材料分為元素半導體和化合物半導體。 元素半導體是由單一元 素制成的半導體材料。主要有硅、鍺、硒等，以硅、鍺應用最廣。化合物半導體 分為二元系、三元系、多元系和有機化合物

6、半導體。二元系化合物半導體有川-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。有機化合物半導體有萘、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)半導體材料， 這類半導體與晶態(tài)半導體的最大區(qū)別是不具 有嚴格周期性排列的晶體結構。2.4 制備不同的半導體器件對半導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。 半導體材料的不同形態(tài)要求對應不同的加工工藝。 常用的半導 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， 再將提純后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(fā)、區(qū)域精制、拉晶提純等，使用最多的是 區(qū)域精制。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合的工藝 流程以獲得合格的材料。絕大多數(shù)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。

8、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 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(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 晶法主要用于制備砷化鎵單晶， 而垂直定向結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、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(yè)生產(chǎn)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于制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 法制成。二，半導體材料經(jīng)歷幾代的發(fā)展第一代半導體是“元素半導體”， 典型如硅基和鍺基半導體。 其中以硅基半 導體技術較成熟， 應用也較廣， 一般用硅基半導體來代替元素半導體的名稱。 硅 基半導體器件的頻率只能做到10GHz硅基半導體集成電路芯片最小設計

10、線寬己 經(jīng)達到0.13卩m至V 2015年，最小線寬將達到 0.07卩m第二代半導體材料是化合物半導體。化合物半導體是以砷化鎵（GaAS、磷 化銦（InP）和氮化傢（GaN）等為代表，包括許多其它III-V 族化合物半導體。這 些化合物中，商業(yè)半導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）。其中以砷化傢技術較 成熟，應用也較廣。化合物半導體不同於硅半導體的性質主要有二 : 一是化合物半導體的電子 遷移率較硅半導體快許多， 因此適用于高頻傳輸， 在無線電通訊如手機、 基地臺、 無線區(qū)域網(wǎng)絡、 衛(wèi)星通訊、 衛(wèi)星

11、定位等皆有應用； 二是化合物半導體具有直接帶 隙，這是和硅半導體所不同的， 因此化合物半導體可適用發(fā)光領域， 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。可用于制造超 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，對國防、 航天和高技術研究具有重要意義。目前化合物半導體器件工作頻率已經(jīng)達到100GHz線寬達到亞微米，并帶動了異質結技術的發(fā)展，使之成為微波 / 毫米波的主流。通過進一步的努力，化 合物半導體器件的工作頻率將可以得到進一步提高。 通過反應爐的應用和高度的自動化， 實現(xiàn)了外延工藝的改進， 從而提高了化合物 半導體的產(chǎn)量和經(jīng)濟效益

12、?；衔锇雽w產(chǎn)業(yè)在當前主要是指砷化鎵（族）外延磊晶片生長和 IC 芯片 集成，氮化鎵（族）半導體照明LED和砷化鎵（族）光儲存LD外延磊晶片生長、 芯片制作以及封裝、模塊的生產(chǎn)運營，同時還包括與之相關的廣泛的應用產(chǎn)業(yè)。磊晶、芯片是化合物半導體產(chǎn)品的上游產(chǎn)業(yè)，主要是采用MBE和MOCVD術生長的化合物半導體外延片，和經(jīng)過制作而成的芯片。器件是化合物半導體產(chǎn)品的中游產(chǎn)業(yè)， 典型產(chǎn)品包括激光二極管、 半導體發(fā) 光二極管、探測器件、微波器件、開關元件、功率器件等等，器件封裝和組裝是 關鍵技術。應用模塊與整機是化合物半導體產(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、半導體照明產(chǎn)品、光存儲產(chǎn)

13、品、光顯示產(chǎn)品等等。三，半導體材料的未來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，預計到 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， 他的價格就越低， 而雜質在硅片上的分布也 變得不均勻， 這將嚴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 和運算速度都得到了顯著提高，這是目前硅技術的主要發(fā)展方向。通過以上的介紹，硅材料的發(fā)展趨勢，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，制備高質量硅外延材料是關鍵。3.2 硅電子技術的極限目前硅電子技術的線寬已經(jīng)達到 0.09 微米，也就是 90 納米，根據(jù)預測，到 2022鳥，硅集成電路技術的線寬達到 10 個納米，這個尺度為認為是硅集成電路 的物理極限。1，隨著線寬的進一步減小，硅電子技術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，目前大約可以做到 0.1 微米，顯然無法滿足納米加工技術的需求； 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，如量子計 算，光計算等，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 前是個過渡期間，人們把希望放在發(fā)展新型半導體材料和開發(fā)新技術上，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 低維半導體材料實際上這里說的是納米材料。 電子在塊體材料里， 有三個維度的方向可以自 由運動。但當材料的特征尺寸在一個維度上比電子的平均自由程相比更小的時 候，電子在這個方向上的運動會受到限制， 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。 量子點材料是指， 在材料的三個維度方 向都不能自由運動，能量在這三個方向都是量子化的。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