半導(dǎo)體材料發(fā)展與應(yīng)用

1、半導(dǎo)體材料發(fā)展與應(yīng)用浦柯人 171870581工科試驗(yàn)班 摘要本文介紹了半導(dǎo)體材料發(fā)展及其在半導(dǎo)體器件和電路功能中的應(yīng)用;對(duì)其中一些材料進(jìn)行了分析比較;描述了半導(dǎo)體材料的發(fā)展趨勢(shì)一、前言現(xiàn)代世界里，沒有人可以說自己跟“半導(dǎo)體”沒有關(guān)系。半導(dǎo)體聽起來既生硬又冷冰冰，但它不僅是科學(xué)園里那幫工程師的事，我們每天滑的手機(jī)、用的電腦、看的電視、聽的音響，里面都有半導(dǎo)體元件，可以說若沒有半導(dǎo)體，就沒有現(xiàn)代世界里的輕巧又好用的高科技產(chǎn)物。半導(dǎo)體的重要性不可言喻。美國(guó)大西洋月刊曾找來科學(xué)家、歷史學(xué)家、技術(shù)專家為人類史上的重大發(fā)明排名，半導(dǎo)體名列第 4，排在前面的分別是印刷機(jī)、電力、盤尼西林。而提到半導(dǎo)體，就不

2、得不提到半導(dǎo)體的基礎(chǔ)材料。二、半導(dǎo)體的起源半導(dǎo)體材料指電阻率在10-3到108cm，介于金屬與絕緣體之間的材料英國(guó)科學(xué)家法拉第在1833年發(fā)現(xiàn)了一種特殊材料：硫化銀，它的電阻隨著溫度上升而降低，這與普通金屬的電阻率隨溫度變化不符。這是半導(dǎo)體現(xiàn)象的首次發(fā)現(xiàn)。不久， 1839年法國(guó)的貝克萊爾發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體和電解質(zhì)接觸形成的結(jié)，在光照下會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓，這就是后來人們熟知的光生伏特效應(yīng)，這是被發(fā)現(xiàn)的半導(dǎo)體的第二個(gè)特征。在1874年，德國(guó)的布勞恩觀察到某些硫化物的電導(dǎo)與所加電場(chǎng)的方向有關(guān)，即它的導(dǎo)電有方向性，在它兩端加一個(gè)正向電壓，它是導(dǎo)通的；如果把電壓極性反過來，它就不導(dǎo)電，這就是半導(dǎo)體的整流效應(yīng)，也是半

3、導(dǎo)體所特有的第三種特性。同年，舒斯特又發(fā)現(xiàn)了銅與氧化銅的整流效應(yīng)。1873年，英國(guó)的史密斯發(fā)現(xiàn)硒晶體材料在光照下電導(dǎo)增加的光電導(dǎo)效應(yīng)，這是半導(dǎo)體又一個(gè)特有的性質(zhì)。半導(dǎo)體的這四個(gè)效應(yīng)，雖在1880年以前就先后被發(fā)現(xiàn)了，但半導(dǎo)體這個(gè)名詞大概到1911年才被考尼白格和維斯首次使用。而總結(jié)出半導(dǎo)體的這四個(gè)特性一直到1947年12月才由貝爾實(shí)驗(yàn)室完成。直到1906年，美國(guó)電機(jī)發(fā)明家匹卡才發(fā)明了第一個(gè)固態(tài)電子元件：無線電波偵測(cè)器，它使用金屬與硅或硫化鉛相接觸所產(chǎn)生的整流功能，來偵測(cè)無線電波。三、第一代半導(dǎo)體材料：元素半導(dǎo)體第一代半導(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)

4、用也較廣。目前，全球95%以上的半導(dǎo)體芯片和器件是用硅片作為基礎(chǔ)功能材料而生產(chǎn)出來的。以硅材料為代表的第一代半導(dǎo)體材料，它取代了笨重的電子管，導(dǎo)致了以集成電路為核心的微電子工業(yè)的發(fā)展和整個(gè)IT 產(chǎn)業(yè)的飛躍，廣泛應(yīng)用于信息處理和自動(dòng)控制等領(lǐng)域。但是在20世紀(jì)50年代，鍺卻在半導(dǎo)體中占主導(dǎo)地位，主要應(yīng)用于低壓、低頻、中功率晶體管以及光電探測(cè)器中，但是鍺基半導(dǎo)體器件的耐高溫和抗輻射性能較差，到60年代后期逐漸被耐高溫和抗輻射性能較好的硅基器件取代。硅在地球表面上有大量的原料，能滿足大量生產(chǎn)且造價(jià)便宜。硅有較好的物理應(yīng)力，所以可做成大尺寸的晶圓。其次，硅很容易就會(huì)變成二氧化硅，而二氧化硅在電子元件中是

5、一種很好的絕緣體，二氧化硅可以輕易地被整合到硅電路中。最后，硅擁有高很多的空穴移動(dòng)率。在需要CMOS邏輯時(shí)，高的空穴率可以做成高速的P-溝道場(chǎng)效應(yīng)晶體管。由于半導(dǎo)體的優(yōu)良性能，使其在射線探測(cè)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(shí),由于它具有識(shí)別、存儲(chǔ)、放大、開關(guān)和處理電信號(hào)及能量轉(zhuǎn)換的功能,而使“半導(dǎo)體硅”實(shí)際上成了“微電子”和“現(xiàn)代化電子”的代名詞。四、第二代半導(dǎo)體材料：化合物半導(dǎo)體20世紀(jì)90年代以來，隨著移動(dòng)通信的飛速發(fā)展、以光纖通信為基礎(chǔ)的信息高速公路和互聯(lián)網(wǎng)的興起，以砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)為代表的第二代半導(dǎo)體材料開始嶄露頭腳。第二

6、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）和氮化鎵(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鎵（GaAs）和磷砷化鎵（GaAsP），磷化銦（InP），砷鋁化鎵（GaAlAs）和磷鎵化銦（InGaP）。其中以砷化鎵技術(shù)較成熟，應(yīng)用也較廣。GaAs、InP等材料適用于制作高速、高頻、大功率以及發(fā)光電子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及發(fā)光器件的優(yōu)良材料，廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通訊、移動(dòng)通訊、光通信、GPS導(dǎo)航等領(lǐng)域。但是GaAs、InP材料資源稀缺，價(jià)格昂貴，并且還有毒性，能污染環(huán)境，InP甚至被認(rèn)為是可

7、疑致癌物質(zhì)，這些缺點(diǎn)使得第二代半導(dǎo)體材料的應(yīng)用具有很大的局限性。但是，化合物半導(dǎo)體不同于硅半導(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咚偌呻娐贰⑽⒉ㄆ骷?、激光器、光電以及抗輻射、耐高溫等器件，對(duì)國(guó)防、航天和高技術(shù)研究具有重要意義。目前，全球GaAs 半導(dǎo)體制造商市場(chǎng)份額最大的五家企業(yè)分別是Skywo

8、rks、Triquint、RFMD、Avago、穏懋，約占全球總額的65%。而在GaAs 原材料領(lǐng)域，IQE、全新、Kopin 三家公司占據(jù)市場(chǎng)67.3%的份額。五、第三代半導(dǎo)體材料：寬禁帶半導(dǎo)體材料近年來，第三代半導(dǎo)體材料正憑借其優(yōu)越的性能和巨大的市場(chǎng)前景，成為全球半導(dǎo)體市場(chǎng)爭(zhēng)奪的焦點(diǎn)。所謂第三代半導(dǎo)體材料，主要包括SiC、GaN、金剛石等，因其禁帶寬度大于或等于2.3電子伏特(eV)，又被稱為寬禁帶半導(dǎo)體材料。從目前第三代半導(dǎo)體材料和器件的研究來看，較為成熟的是氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）半導(dǎo)體材料，也是最具有發(fā)展前景的兩種材料，而氧化鋅、金剛石、氮化鋁的研究尚屬起步階段。當(dāng)前，電子

9、器件的使用條件越來越惡劣，要適應(yīng)高頻、大功率、耐高溫、抗輻照等特殊環(huán)境。為了滿足未來電子器件需求，必須采用新的材料，以便最大限度地提高電子元器件的內(nèi)在性能。碳化硅是一種天然超晶格，又是一種典型的同志多型體。由于Si與C雙原子層堆積序列的差異會(huì)導(dǎo)致不同的晶體結(jié)構(gòu)，因此碳化硅有著超過200種（目前已知）同質(zhì)多型族，最被人熟知的便是立方密排的3C-SiC和六方密排的2H-SiC、4H-SiC、6H-SiC。4H-SiC與6H-SiC的帶隙是Si的3倍、是GaAs的兩倍；擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度高于Si一個(gè)數(shù)量級(jí)；飽和電子漂移速度是Si的2.5倍。與第一代半導(dǎo)體材料硅相比，碳化硅有諸多優(yōu)點(diǎn)：有高10倍的電場(chǎng)強(qiáng)度，

10、高3倍的熱導(dǎo)率，寬3倍禁帶寬度，高1倍的飽和漂移速度。因?yàn)檫@些特點(diǎn)，使其小至LED照明、家用電器、新能源汽車，大至軌道交通、智能電網(wǎng)、軍工航天都具備優(yōu)勢(shì)，所以碳化硅市場(chǎng)被各產(chǎn)業(yè)界頗為看好。氮化鎵是極穩(wěn)定的化合物，又是堅(jiān)硬的高熔點(diǎn)(約為1700)材料，氮化鎵晶體一般是六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，原子體積大約為GaAs的一半。氮化鎵受青睞的主要原因是它是寬禁帶與硅或者其他三五價(jià)器件相比，氮化鎵速度更快，擊穿電壓也更高。與硅器件相比，氮化鎵直接躍遷、高電子遷移率和飽和電子速率、成本更低的優(yōu)點(diǎn)則使其擁有更快的研發(fā)速度。兩者的不同優(yōu)勢(shì)決定了應(yīng)用范圍上的差異，在光電領(lǐng)域，氮化鎵占絕對(duì)的主導(dǎo)地位，而在其他功率器件領(lǐng)域，

11、碳化硅適用于1200V以上的高溫大電力領(lǐng)域，GaN則更適用900V以下的高頻小電力領(lǐng)域?？芍^各有優(yōu)勢(shì)。AlN具有寬禁帶(6.2eV)，高熱導(dǎo)率(3.3W/cmK)，且與AlGaN層晶格匹配、熱膨脹系數(shù)匹配都更好，所以AlN是制作先進(jìn)高功率發(fā)光器件(LED，LD)、紫外探測(cè)器以及高功率高頻電子器件的理想襯底材料。金剛石是一種寬禁帶半導(dǎo)體材料，帶隙寬度為5.5ev。它具有極其優(yōu)異的物理性質(zhì)，如高載流子遷移率、高熱導(dǎo)率、高擊穿電場(chǎng)、高載流子、和低介電常數(shù)等?；谶@些優(yōu)異的性能參數(shù)，金剛石被認(rèn)為是制備下一代高功率、高頻、高溫及低功率損耗電子器件最有希望的材料。從應(yīng)用領(lǐng)域來看，第一代半導(dǎo)體硅（Si），主

12、要應(yīng)用在數(shù)據(jù)運(yùn)算領(lǐng)域，第二代半導(dǎo)體砷化鎵（GaAs），主要應(yīng)用在通信領(lǐng)域，兩者都有一定的局限性，而第三代寬禁帶半導(dǎo)體碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN），以其高溫下的穩(wěn)定性、高效的光電轉(zhuǎn)化能力、更低的能量損耗等絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，可以被廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，無論是消費(fèi)電子設(shè)備、照明、新能源汽車、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，還是導(dǎo)彈和衛(wèi)星，都對(duì)這種高性能的半導(dǎo)體有著極大的期待，未來有望全面取代傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料?！暗谌雽?dǎo)體材料已展現(xiàn)出極其重要的戰(zhàn)略性應(yīng)用價(jià)值，有望突破第一、二代半導(dǎo)體材料應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展瓶頸，創(chuàng)新開拓時(shí)代需求的新技術(shù)領(lǐng)域，不僅在信息領(lǐng)域，而且進(jìn)入到能源領(lǐng)域發(fā)揮極為重要的作用?！蹦暇┐髮W(xué)電子科學(xué)與工程

13、學(xué)院鄭有炓院士曾指出。在現(xiàn)有的寬禁帶半導(dǎo)體材料中，碳化硅材料是研究的最成熟的一種。相對(duì)于硅，碳化硅的優(yōu)點(diǎn)很多：有10倍的電場(chǎng)強(qiáng)度，高3倍的熱導(dǎo)率，寬3倍禁帶寬度，高1倍的飽和漂移速度。因?yàn)檫@些特點(diǎn)，用碳化硅制作的器件可以用于極端的環(huán)境條件下。微波及高頻和短波長(zhǎng)器件是目前已經(jīng)成熟的應(yīng)用市場(chǎng)。42GHz頻率的SiC MESFET用在軍用相控陣?yán)走_(dá)、通信廣播系統(tǒng)中，用碳化硅作為襯底的高亮度藍(lán)光LED是全彩色大面積顯示屏的關(guān)鍵器件。碳化硅器件和電路具有超強(qiáng)的性能和廣闊的應(yīng)用前景，因此一直受業(yè)界高度重視，基本形成了美國(guó)、歐洲、日本三足鼎立的局面。目前，國(guó)際上實(shí)現(xiàn)碳化硅單晶拋光片商品化的公司主要有美國(guó)的C

14、ree 公司、Bandgap 公司、Dow Dcorning 公司、II-VI公司、Instrinsic 公司；日本的Nippon 公司、Sixon 公司；芬蘭的Okmetic 公司；德國(guó)的SiCrystal 公司，等。另一種材料氮化鎵(GaN)，由于具備出色的擊穿能力、更高的電子密度及速度，和更高的工作溫度，也被廣泛應(yīng)用于功率因數(shù)校正(PFC)、軟開關(guān)DC-DC等電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以及電源適配器、光伏逆變器或太陽能逆變器、服務(wù)器及通信電源等終端領(lǐng)域。GaN提供高電子遷移率，這意味著開關(guān)過程的反向恢復(fù)時(shí)間可忽略不計(jì)，因而表現(xiàn)出低損耗并提供高開關(guān)頻率，而低損耗加上寬禁帶器件的高結(jié)溫特性，可降低散熱量

15、，高開關(guān)頻率可減少濾波器和無源器件如變壓器、電容、電感等的使用，最終減小系統(tǒng)尺寸和重量，提升功率密度，有助于設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)緊湊的高能效電源方案。由于金剛石帶隙很寬，在半導(dǎo)體領(lǐng)域中，既能作為有源器件材料（如場(chǎng)效應(yīng)管和功率開關(guān)），也能作為無源器件材料（如肖特基二極管等）。隨著金剛石的電學(xué)和熱學(xué)性能的逐步開發(fā)，金剛石會(huì)使超大規(guī)模集成電路和超高集成電路的發(fā)展進(jìn)入一個(gè)新紀(jì)元。但大尺寸高質(zhì)量的金剛石制備十分困難，加之摻雜不易，減緩了金剛石半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展。而對(duì)于金剛石的生長(zhǎng)、摻雜和應(yīng)用等方面的研究仍在不斷進(jìn)行。六、半導(dǎo)體材料發(fā)展趨勢(shì)電子信息材料的總體發(fā)展趨勢(shì)是向著大尺寸、高均勻性、高完整性、以及薄膜化、多功

16、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、超高集成度和低能耗方向發(fā)展。半導(dǎo)體微電子材料由單片集成向系統(tǒng)集成發(fā)展。 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，增加芯片面積以提高集成度和信息處理速度，由單片集成向系統(tǒng)集成發(fā)展。1、Si、GaAs、InP等半導(dǎo)體單晶材料向著大尺寸、高均

17、質(zhì)、晶格高完整性方向發(fā)展。椎8英吋硅芯片是目前國(guó)際的主流產(chǎn)品，椎12英吋芯片已開始上市，GaAs芯片椎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(duì)單晶電阻率的均勻性、雜質(zhì)含量、微缺陷、位錯(cuò)密度、芯片平整度、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(shí)，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、金剛石材料和用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

18、來515年間，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、高純化學(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(jí)以上，0.5m以上的雜質(zhì)顆粒必須控制在5個(gè)/毫升以下，金屬雜質(zhì)含量控制在ppt級(jí)，并將開發(fā)替代有毒氣體的新品種電子氣體。七、結(jié)論以上論述了電子材料近年來的應(yīng)用及發(fā)展。闡述了具有代表性的材料和器件的發(fā)展過程和應(yīng)用范圍。隨著電子科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,半導(dǎo)體材料已歷經(jīng)幾代。隨著微電子技術(shù)向高密度、高可靠性方向發(fā)展,對(duì)半導(dǎo)體材料的要求也越來越高。納米材料和智能材料技術(shù)的發(fā)展使材料的