半導(dǎo)體材料的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)課件

半導(dǎo)體材料的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)半導(dǎo)體材料的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)1半導(dǎo)體材料是指電阻率在10-3~108Ωcm，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。半導(dǎo)體材料是指電阻率在10-3~108Ωcm，介于金屬和絕緣2電子信息產(chǎn)業(yè)規(guī)模最大的是美國(guó)。近幾年來(lái)，中國(guó)電子信息產(chǎn)品以舉世矚目的速度發(fā)展，2003年中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)銷售收入1.88萬(wàn)億元，折合2200～2300億美元，產(chǎn)業(yè)規(guī)模已超過(guò)日本位居世界第二（同期日本信息產(chǎn)業(yè)銷售收入只有1900億美元），成為中國(guó)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(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展、科技進(jìn)步和國(guó)防實(shí)力的重要標(biāo)志。電子信息產(chǎn)業(yè)規(guī)模最大的是美國(guó)。近幾年來(lái)，中國(guó)電子信息產(chǎn)品以舉3在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中，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；將寬禁帶(Eg>2.3eV)的氮化鎵、碳化硅、硒化鋅和金剛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。在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中，4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(zhǎng)，禁帶寬度越大發(fā)射光波長(zhǎng)越短(藍(lán)光發(fā)射)；禁帶寬度越小發(fā)射光波長(zhǎng)越長(zhǎng)。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。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5表1主要半導(dǎo)體材料的比較

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/c·K）1.30.62.0擊穿電壓（M/cm）0.30.45.0電子遷移速率（cm2/V·s用情況光學(xué)應(yīng)用無(wú)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(duì)制造成本低高高表1主要半導(dǎo)體材料的比較

材料SiGaAsGaN物禁帶寬度6硅材料具有儲(chǔ)量豐富、價(jià)格低廉、熱性能與機(jī)械性能優(yōu)良、易于生長(zhǎng)大尺寸高純度晶體等優(yōu)點(diǎn)，處在成熟的發(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)和核心地位仍不會(huì)動(dòng)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。硅材料具有儲(chǔ)量豐富、價(jià)格低廉、熱性能與機(jī)械性能優(yōu)良、易于生長(zhǎng)7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，并可在同一芯片同時(shí)處理光電信號(hào)，被公認(rèn)是新一代的通信用材料。隨著高速信息產(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(shí)，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。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8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(jiàn)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，寬帶隙材料的熱生率比常規(guī)半導(dǎo)體的小10～14個(gè)數(shù)量級(jí)。這一特性在電荷耦合器件、新型非易失性高速存儲(chǔ)器中起很大的作用，并能實(shí)質(zhì)性地減小光探測(cè)器的暗電流。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(jiàn)的。氮化9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(kāi)關(guān)和二極管。寬帶隙材料的相對(duì)介電常數(shù)比常規(guī)材料的要小，由于對(duì)寄生參數(shù)影響小，這對(duì)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(gè)重要特性。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(kāi)關(guān)和二10寬帶隙半導(dǎo)體材料的電子遷移率一般沒(méi)有多數(shù)通用半導(dǎo)體的高，其空穴遷移率一般較高，金剛石則很高。寬帶隙材料的高電場(chǎng)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。寬帶隙半導(dǎo)體材料的電子遷移率一般沒(méi)有多數(shù)通用半導(dǎo)體的高，其空11

氮化鎵材料的禁帶寬度為硅材料的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(cè)器件。

氮化鎵材料的禁帶寬度為硅材料的3倍多，其器件在大功率、高12近年來(lái)取得了很大進(jìn)展，并開(kāi)始進(jìn)入市場(chǎng)。與制造技術(shù)非常成熟和制造成本相對(duì)較低的硅半導(dǎo)體材料相比，第三代半導(dǎo)體材料目前面臨的最主要挑戰(zhàn)是發(fā)展適合氮化鎵薄膜生長(zhǎng)的低成本襯底材料和大尺寸的氮化鎵體單晶生長(zhǎng)工藝。近年來(lái)取得了很大進(jìn)展，并開(kāi)始進(jìn)入市場(chǎng)。與制造技術(shù)非常成熟和制13主要半導(dǎo)體材料的用途如表2所示?？梢灶A(yù)見(jiàn)：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。主要半導(dǎo)體材料的用途如表2所示?？梢灶A(yù)見(jiàn)：以硅材料為主體、14表2

半導(dǎo)體材料的主要用途材料名稱制作器件主要用途硅二極管、晶體管通訊、雷達(dá)、廣播、電視、自動(dòng)控制集成電路各種計(jì)算機(jī)、通訊、廣播、自動(dòng)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(chē)、設(shè)備自控、高頻振蕩器射線探測(cè)器原子能分析、光量子檢測(cè)太陽(yáng)能電池太陽(yáng)能發(fā)電砷化鎵各種微波管雷達(dá)、微波通訊、電視、移動(dòng)通訊激光管光纖通訊紅外發(fā)光管小功率紅外光源霍爾元件磁場(chǎng)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(dòng)通訊太陽(yáng)能電池太陽(yáng)能發(fā)電氮化鎵激光器件光學(xué)存儲(chǔ)、激光打印機(jī)、醫(yī)療、軍事應(yīng)用發(fā)光二極管信號(hào)燈、視頻顯示、微型燈泡、移動(dòng)電話紫外探測(cè)器分析儀器、火焰檢測(cè)、臭氧監(jiān)測(cè)集成電路通訊基站（功放器件）、永遠(yuǎn)性內(nèi)存、電子開(kāi)關(guān)、導(dǎo)彈表2

半導(dǎo)體材料的主要用途材料名稱制作器件主要用途硅二極管15二、半導(dǎo)體材料發(fā)展現(xiàn)狀二、半導(dǎo)體材料發(fā)展現(xiàn)狀161、半導(dǎo)體硅材料

從目前電子工業(yè)的發(fā)展來(lái)看，盡管有各種新型的半導(dǎo)體材料不斷出現(xiàn)，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綜合優(yōu)勢(shì)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。1、半導(dǎo)體硅材料

從目前電子工業(yè)的發(fā)展來(lái)看，盡管有各種17硅硅是集成電路產(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)都是制作在高純優(yōu)質(zhì)的硅拋光片和外延片上的。硅片被稱作集成電路的核心材料，硅材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和集成電路的發(fā)展緊密相關(guān)。硅硅是集成電路產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，半導(dǎo)體材料中98％是硅。半導(dǎo)體器件18硅半導(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(lái)，其用量平均大約以每年12～16%的速度增長(zhǎng)。目前全世界每年消耗約18000～25000噸半導(dǎo)體級(jí)多晶硅，消耗6000～7000噸單晶硅，硅片銷售金額約60～80億美元?？梢哉f(shuō)在未來(lái)30～50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(méi)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)和信息技術(shù)的發(fā)展。

硅半導(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(lái)，其19硅半導(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。現(xiàn)行多晶硅生產(chǎn)工藝主要有改良西門(mén)子法和硅烷熱分解法。主要產(chǎn)品有棒狀和粒狀兩種，主要是用作制備單晶硅以及太陽(yáng)能電池等。生長(zhǎng)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，大功率晶體管等。單晶硅和多晶硅應(yīng)用最廣。硅半導(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20硅經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展和競(jìng)爭(zhēng)，國(guó)際硅材料行業(yè)出現(xiàn)了壟斷性企業(yè)，日本、德國(guó)和美國(guó)的六大硅片公司的銷量占硅片總銷量的90%以上，其中信越、瓦克、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(guó)際硅材料的價(jià)格和高端技術(shù)產(chǎn)品市場(chǎng)，其中以日本的硅材料產(chǎn)業(yè)最大，占據(jù)了國(guó)際硅材料行業(yè)的半壁江山。硅經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展和競(jìng)爭(zhēng)，國(guó)際硅材料行業(yè)出現(xiàn)了壟斷性企業(yè)，日本21硅在集成電路用硅片中，8英寸的硅片占主流，約40～50％，6英寸的硅片占30％。當(dāng)硅片的直徑從8英寸到12英寸時(shí)，每片硅片的芯片數(shù)增加2.5倍，成本約降低30％，因此，國(guó)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%左右?，F(xiàn)代微電子工業(yè)對(duì)硅片關(guān)鍵參數(shù)的要求如表3所示。硅在集成電路用硅片中，8英寸的硅片占主流，約40～50％，622表3

現(xiàn)代微電子工業(yè)對(duì)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表面臨界金屬元素密度/109at.mm-2≤4.9≤4.2≤3.6≤3.0局部平整度/nm100706035中心氧含量/×1017cm-3±9.0/15.5±9.0/15.5±9.0/15.5±9.0/15.5Fe濃度/1010cm-3<1<1<1<1復(fù)合壽命/μs≥325≥350≥350≥400表3

現(xiàn)代微電子工業(yè)對(duì)硅片關(guān)鍵參數(shù)的要求首批產(chǎn)品預(yù)計(jì)生產(chǎn)23（1）多晶硅

多晶硅是制備單晶硅和太陽(yáng)能電池的原料。半導(dǎo)體級(jí)多晶硅的生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)多采用改良西門(mén)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(shí)加熱許多根金屬絲，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。（1）多晶硅

多晶硅是制備單晶硅和太陽(yáng)能電池的原料。半24單位電耗由過(guò)去每公斤300度降低到80度。多晶硅產(chǎn)量由改良前每爐次100～200公斤提高到5～6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(guó)瓦克公司的多晶硅質(zhì)量指標(biāo)數(shù)據(jù)。單位電耗由過(guò)去每公斤300度降低到80度。多晶硅產(chǎn)量由改良前25表4

多晶硅質(zhì)量指標(biāo)

項(xiàng)目免洗料酸腐蝕料純度及電阻率施

主（P、As、Sb）max150pptamax150pptamin500Ωcmmin500Ωcm受

主（B、Al）max50pptamax50pptamin500Ωcmmin500Ωcm碳max100ppbamax100ppba體金屬總量（Fe、Cu、Ni、Cr、Zn）max500pptwmax500pptw表面金屬Femax5000pptwmax500pptw/250pptaCumax1000pptwmax50pptw/25pptaNimax1000pptwmax100pptw/50pptaCrmax1000pptwmax100pptw/55ppta表4

多晶硅質(zhì)量指標(biāo)

項(xiàng)目免洗料酸腐蝕料純度施

主m26多晶硅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(zhǎng)，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(zhǎng)，多晶硅需求急劇下降，結(jié)果導(dǎo)致多晶硅產(chǎn)能?chē)?yán)重過(guò)剩。2003年以前，多晶硅供大于求，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)能增加太陽(yáng)能多晶硅的產(chǎn)量。多晶硅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(zhǎng)，因27多晶硅目前全世界每年消耗約22000噸半導(dǎo)體級(jí)多晶硅，世界多晶硅的年生產(chǎn)能力約為28000噸，生產(chǎn)高度集中于美、日、德3國(guó)，海姆洛克（美國(guó)）、瓦克ASIM（德國(guó)），德山曹達(dá)（日本）、MEMC（美國(guó)）占據(jù)了多晶硅市場(chǎng)的80％以上。其中，美國(guó)哈姆洛克公司產(chǎn)能達(dá)6500t/a，德國(guó)瓦克化學(xué)公司和日本德山曹達(dá)公司產(chǎn)能超過(guò)4500t/a，美國(guó)MEMC公司產(chǎn)能超過(guò)2500t/a。多晶硅目前全世界每年消耗約22000噸半導(dǎo)體級(jí)多晶硅，世界多28多晶硅中國(guó)多晶硅嚴(yán)重短缺，遠(yuǎn)不能滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)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(yáng)單晶硅廠2個(gè)廠家生產(chǎn)多晶硅。中國(guó)多晶硅的產(chǎn)能為100噸/年，實(shí)際產(chǎn)量是70～80噸，僅占世界產(chǎn)量的0.4%，與當(dāng)今信息產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展和多晶硅的市場(chǎng)需求急劇增加極不協(xié)調(diào)。我國(guó)這種多晶硅供不應(yīng)求的局面還將持續(xù)下去。據(jù)專家預(yù)測(cè)，2005年中國(guó)多晶硅年需求量約為756噸，2010年為1302噸，市場(chǎng)前景十分巨大。多晶硅中國(guó)多晶硅嚴(yán)重短缺，遠(yuǎn)不能滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求。多晶硅工業(yè)29多晶硅峨嵋半導(dǎo)體材料廠和洛陽(yáng)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(shí)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(yáng)單晶硅廠將多晶硅產(chǎn)量擴(kuò)建至300t/a。多晶硅峨嵋半導(dǎo)體材料廠和洛陽(yáng)單晶硅廠1999年多晶硅生產(chǎn)能30多晶硅未來(lái)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，以緩解供需矛盾。另外，在單晶大直徑化的發(fā)展過(guò)程中，坩堝增大直徑是有一定限度的。對(duì)此，未來(lái)粒狀多晶硅將可能逐步擴(kuò)大供需量。多晶硅未來(lái)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31（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)、磁場(chǎng)直拉法(MCZ)以及雙坩堝拉晶法。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(guó)家MCZ技術(shù)發(fā)展較快。對(duì)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縱橫向分布均勻、控制電阻率均勻性。（2）單晶硅和外延片

生產(chǎn)單晶硅的工藝主要采用直拉法(32硅晶片屬于資金密集型和技術(shù)密集型行業(yè)，在國(guó)際市場(chǎng)上產(chǎn)業(yè)相對(duì)成熟，市場(chǎng)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)很難插手其中。

國(guó)際市場(chǎng)單晶硅產(chǎn)量排名前5位的公司分別是日本信越化學(xué)公司（Shin-Etsu）、德瓦克化學(xué)公司（Wacker）、日本住友金屬公司（Sumitomo）、美國(guó)MEMC公司和日本三菱材料公司。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家日本公司占據(jù)了市場(chǎng)份額的50.7%，表明日本在全球硅晶片行業(yè)中占據(jù)了主導(dǎo)地位。硅晶片屬于資金密集型和技術(shù)密集型行業(yè)，在國(guó)際市場(chǎng)上產(chǎn)業(yè)相對(duì)成33集成電路高集成度、微型化和低成本的要求對(duì)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(shì)。目前全球主流硅晶片已由直徑8英寸逐漸過(guò)渡到12英寸晶片，研制水平已達(dá)到16英寸。集成電路高集成度、微型化和低成本的要求對(duì)半導(dǎo)體單晶材料的電阻34中國(guó)半導(dǎo)體材料行業(yè)經(jīng)過(guò)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(guó)單晶硅產(chǎn)量逐年增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2001年我國(guó)半導(dǎo)體硅材料的銷售額達(dá)9.06億元，年均增長(zhǎng)26.4%。單晶硅產(chǎn)量為584t，拋光片產(chǎn)量5183萬(wàn)平方英寸，主要規(guī)格為3～6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。中國(guó)半導(dǎo)體材料行業(yè)經(jīng)過(guò)四十多年發(fā)展已取得相當(dāng)大的進(jìn)展，先后35單晶硅出口比重大，出口額為4648萬(wàn)美元，占總銷售額的42.6%，較2000年增長(zhǎng)了5.3%。目前，國(guó)外8英寸IC生產(chǎn)線正向我國(guó)戰(zhàn)略性移動(dòng)，我國(guó)新建和在建的F8英寸IC生產(chǎn)線有近10條之多，對(duì)大直徑高質(zhì)量的硅晶片需求十分強(qiáng)勁，而國(guó)內(nèi)供給明顯不足，基本依賴進(jìn)口，中國(guó)硅晶片的技術(shù)差距和結(jié)構(gòu)不合理可見(jiàn)一斑。在現(xiàn)有形勢(shì)和優(yōu)勢(shì)面前發(fā)展我國(guó)的硅單晶和IC技術(shù)面臨著巨大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。單晶硅出口比重大，出口額為4648萬(wàn)美元，占總銷售額的42.362004年國(guó)內(nèi)從事硅單晶材料研究生產(chǎn)的企業(yè)約有35家，從業(yè)人員約3700人，主要研究和生產(chǎn)單位有北京有研硅股、杭州海納半導(dǎo)體材料公司、寧波立立電子公司、洛陽(yáng)單晶硅廠、萬(wàn)向硅峰電子材料公司、上海晶華電子材料公司、峨眉半導(dǎo)體材料廠、河北寧晉半導(dǎo)體材料公司等。2004年國(guó)內(nèi)從事硅單晶材料研究生產(chǎn)的企業(yè)約有35家，從業(yè)37有研硅股在大直徑硅單晶的研制方面一直居國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位，先后研制出我國(guó)第一根6英寸、8英寸和12英寸硅單晶，單晶硅在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率為40%。2004年國(guó)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(zhǎng)率為27.5%，2005年我國(guó)硅單晶產(chǎn)量可達(dá)1400噸左右。有研硅股在大直徑硅單晶的研制方面一直居國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位，先后研制38隨著集成電路特征線寬尺寸的不斷減小，對(duì)硅片的要求越來(lái)越高，控制單晶的原生缺陷變得愈來(lái)愈困難，因此外延片越來(lái)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英寸芯片生產(chǎn)線將全部采用外延。目前國(guó)外單晶硅和外延片的生產(chǎn)企業(yè)有信越（日本）、三菱住友SUMCO（日本），MEMC（美國(guó)），瓦克（德國(guó)）等。隨著集成電路特征線寬尺寸的不斷減小，對(duì)硅片的要求越來(lái)越高，39目前從事外延片研究生產(chǎn)的主要單位有信息產(chǎn)業(yè)部電子13所、電子55所、華晶外延廠等近10家，但是由于技術(shù)、體制、資金等種種原因，中國(guó)硅材料企業(yè)的技術(shù)水平要比發(fā)達(dá)國(guó)家落后約10年，硅外延狀況也基本如此。目前中國(guó)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(méi)有大批量生產(chǎn)，8英寸硅外延尚屬空白。目前從事外延片研究生產(chǎn)的主要單位有40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(shí)間內(nèi)不會(huì)有根本的改變，這些大公司的12英寸外延片已量產(chǎn)化，目前國(guó)外8英寸外延片價(jià)格約45美元/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。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412、砷化鎵單晶材料（1）國(guó)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)，在超高速、超高頻、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(shì)。2、砷化鎵單晶材料（1）國(guó)外發(fā)展概況42目前，世界砷化鎵單晶的總年產(chǎn)量已超過(guò)200噸(日本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(guó)外開(kāi)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(垂直布里支曼法)和VCZ法(蒸氣壓控制直拉法)，成功制備出4～6英寸大直徑GaAs單晶。各種方法比較詳見(jiàn)表5。其中以低位錯(cuò)密度的HB方法生長(zhǎng)的2～3英寸的導(dǎo)電砷化鎵襯底材料為主。目前，世界砷化鎵單晶的總年產(chǎn)量已超過(guò)200噸(日本199943表5

GaAs單晶生產(chǎn)方法比較

工藝特點(diǎn)LECHBVGFVBVCZ工藝水平低位錯(cuò)差好很好很好好位錯(cuò)均勻性差中等好好好長(zhǎng)尺寸好差好好很好大直徑好差好好很好監(jiān)控好好差差差位錯(cuò)密度（cm-2）104～105102～102102102103生產(chǎn)水平直徑（英寸）3、4、62、32～62～64、6位錯(cuò)密度（cm-2）﹥1×104≤1×103≈5×103≈5×103≈5×103遷移率（cm2/(v·s)）6000~7000————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)試制表5

GaAs單晶生產(chǎn)方法比較工藝特點(diǎn)LECHBVGFVB44移動(dòng)電話用電子器件和光電器件市場(chǎng)快速增長(zhǎng)的要求，使全球砷化鎵晶片市場(chǎng)以30%的年增長(zhǎng)率迅速形成數(shù)十億美元的大市場(chǎng)，預(yù)計(jì)未來(lái)20年砷化鎵市場(chǎng)都具有高增長(zhǎng)性。日本是最大的生產(chǎn)國(guó)和輸出國(guó)，占世界市場(chǎng)的70～80%；美國(guó)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。移動(dòng)電話用電子器件和光電器件市場(chǎng)快速增長(zhǎng)的要求，使全球砷化鎵45日本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。美國(guó)AXT公司是世界最大的VGFGaAs材料生產(chǎn)商。國(guó)際上砷化鎵市場(chǎng)需求以4英寸單晶材料為主，而6英寸單晶材料產(chǎn)量和市場(chǎng)需求快速增加，已占據(jù)35%以上的市場(chǎng)份額。研制和小批量生產(chǎn)水平達(dá)到8英寸。日本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46近年來(lái)，為滿足高速移動(dòng)通信的迫切需求，大直徑(6～8英寸)的Si-GaAs發(fā)展很快，4英寸70厘米長(zhǎng)及6英寸35厘米長(zhǎng)和8英寸的半絕緣砷化鎵(Si-GaAs)也在日本研制成功。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關(guān)鍵技術(shù)尚未完全突破，價(jià)格居高不下。近年來(lái)，為滿足高速移動(dòng)通信的迫切需求，大直徑(6～8英寸)的47砷化鎵單晶材料的發(fā)展趨勢(shì)是：①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)用；②提高材料的電學(xué)和光學(xué)微區(qū)均勻性；③降低單晶的缺陷密度，特別是位錯(cuò)；④砷化鎵和磷化銦單晶的VGF生長(zhǎng)技術(shù)發(fā)展很快，很有可能成為主流技術(shù)。砷化鎵單晶材料的發(fā)展趨勢(shì)是：①增大晶體直徑，目前4英寸的Si48

表6世界GaAs單晶主要生產(chǎn)廠家

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)CSIAXTHPMCPFreibuigerHB●○○○○○●

○

LEC●○●○○○

○○○VGF/VBDD○

D○●

注：●主要產(chǎn)品（大生產(chǎn)），○生產(chǎn)（大量，小規(guī)模），D開(kāi)發(fā)中 表6世界GaAs單晶主要生產(chǎn)廠家 住友電工住友礦山同和礦49（2）中國(guó)國(guó)內(nèi)研究狀況中國(guó)從上世紀(jì)60年代初開(kāi)始研制砷化鎵，近年來(lái)，隨著中科稼英半導(dǎo)體有限公司、北京圣科佳電子有限公司相繼成立，中國(guó)的化合物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)邁上新臺(tái)階，走向更快的發(fā)展道路。（2）中國(guó)國(guó)內(nèi)研究狀況中國(guó)從上世紀(jì)60年代初開(kāi)始研制砷化鎵，50中科鎵英公司成功拉制出中國(guó)第一根6.4公斤5英寸LEC法大直徑砷化鎵單晶；信息產(chǎn)業(yè)部46所生長(zhǎng)出中國(guó)第一根6英寸砷化鎵單晶，單晶重12kg，并已連續(xù)生長(zhǎng)出6根6英寸砷化鎵單晶；西安理工大在高壓?jiǎn)尉t上稱重單元技術(shù)研發(fā)方面取得了突破性的進(jìn)展。中科鎵英公司成功拉制出中國(guó)第一根6.4公斤5英寸LEC法大直51中國(guó)GaAs材料單晶以2～3英寸為主，4英寸處在產(chǎn)業(yè)化前期，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。雖然中國(guó)是砷和鎵的資源大國(guó)，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(guó)GaAs材料單晶以2～3英寸為主，4英寸處在產(chǎn)業(yè)化前期，52中國(guó)國(guó)內(nèi)GaAs材料主要生產(chǎn)單位為：中科鎵英、有研硅股、信息產(chǎn)業(yè)部電子46所、電子55所等。主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手來(lái)自國(guó)外。中國(guó)國(guó)內(nèi)GaAs材料主要生產(chǎn)單位為：53中科鎵英2001年起計(jì)劃投入近2億資金進(jìn)行砷化鎵材料的產(chǎn)業(yè)化，初期計(jì)劃規(guī)模為4～6英寸砷化鎵單晶晶片5～8萬(wàn)片，4～6英寸分子束外延砷化鎵基材料2～3萬(wàn)片，目前該項(xiàng)目仍在建設(shè)期。目前國(guó)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(wàn)片。中國(guó)在努力縮小GaAs技術(shù)水平和生產(chǎn)規(guī)模的同時(shí)，應(yīng)重視具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，發(fā)展砷化鎵產(chǎn)業(yè)。中科鎵英2001年起計(jì)劃投入近2億資金進(jìn)行砷化鎵材料的產(chǎn)業(yè)化543、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(dòng)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℃以下的熱環(huán)境下工作，且抗輻射、耐高擊穿電壓性能以及發(fā)射可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍都不能滿足現(xiàn)代電子技術(shù)發(fā)展對(duì)高溫、高頻、高壓以及抗輻射、能發(fā)射藍(lán)光等提出的新要求。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55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(chǎng)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、光存儲(chǔ)、光探測(cè)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)。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56（1）國(guó)外發(fā)展概況

美國(guó)、日本、俄羅斯及西歐都極其重視寬禁帶半導(dǎo)體的研究與開(kāi)發(fā)。從目前國(guó)外對(duì)寬禁帶半導(dǎo)體材料和器件的研究情況來(lái)看，主要研究目標(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。而金剛石技術(shù)研究報(bào)導(dǎo)較少，但從其材料優(yōu)越性來(lái)看，頗具發(fā)展?jié)摿Α＃?）國(guó)外發(fā)展概況

美國(guó)、日本、俄羅斯及西歐都極其重視57國(guó)外對(duì)SiC的研究早在五十年代末和六十年代初就已開(kāi)始了。到了八十年代中期，美國(guó)海軍研究局和國(guó)家宇航局與北卡羅來(lái)納州大學(xué)簽訂了開(kāi)發(fā)SiC材料和器件的合同，并促成了在1987年建立專門(mén)研究SiC半導(dǎo)體的Cree公司。九十年代初，美國(guó)國(guó)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年在武器系統(tǒng)中要廣泛使用SIC器件和集成電路，從此開(kāi)始了有關(guān)SiC材料和器件的系統(tǒng)研究，并取得了令人鼓舞的進(jìn)展。即目前為止，直徑≥50mm具有良好性能的半絕緣和摻雜材料已經(jīng)商品化。國(guó)外對(duì)SiC的研究早在五十年代末和六十年代初就已開(kāi)始了。58美國(guó)政府與西屋公司合作，投資450萬(wàn)美元開(kāi)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、歐姆接觸和肖特基接觸以及反應(yīng)離子刻蝕等工藝取得了重大進(jìn)展，所以促成了SiC器件和集成電路的快速發(fā)展。美國(guó)政府與西屋公司合作，投資450萬(wàn)美元開(kāi)了3英寸純度均勻、59由于SiC器件的優(yōu)勢(shì)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(jiàn)表7。由于SiC器件的優(yōu)勢(shì)和實(shí)際需求，它已經(jīng)顯示出良好的應(yīng)用前景。60表7

SiC器件的研究概表SiCDevicesPowerMOSFET4H-SiCMESFET6H-SiCMESFET4H-SiCJFET6H-SiCJFETShottkydiodecomment600V，8Adevicesfabricatedfmax=42GHzfmax=25GHz,8.5dbat10GHzμeff=340cm2·V-1·S-1at300KEnhance-mentmodeOver1kVbreakdownat300KTm（K）673673673723873973注：Tm為Maximumoperatingtemperature表7

SiC器件的研究概表PowerMOSFET4H-S61國(guó)外對(duì)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γ輻射條件下的測(cè)試結(jié)果，總劑量100兆拉德條件下，跨導(dǎo)和夾斷電壓基本不變。國(guó)外對(duì)SiC器件的研究證明了SiC器件的抗輻射的能力。6H-62對(duì)125伏和410伏6H-SiCpn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(shí)，輻照前后1000mA電流的正向壓降和雪崩擊穿電壓的測(cè)試結(jié)果說(shuō)明：具有高摻雜的125伏整流器在正向電流400mA的降壓幾乎不變(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%。對(duì)125伏和410伏6H-SiCpn結(jié)整流器進(jìn)行中子輻照實(shí)63GaN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(kāi)始就吸引了半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)人員的極大興趣。但GaN的生長(zhǎng)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)步和突破。由于GaN半導(dǎo)體器件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(shí)代的來(lái)臨。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)641993年日本的日亞化學(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(chǎng)份額已達(dá)1.43億美元。據(jù)StrategiesUnlimited的預(yù)測(cè)，GaN器件年增長(zhǎng)率將高達(dá)44%，到2006年其市場(chǎng)份額將達(dá)30億美元。目前，日亞化學(xué)公司生產(chǎn)藍(lán)光LED，峰值波長(zhǎng)450nm，輸出光為3mw，發(fā)光亮度2cd(Ip=20mA)。GaN綠光LED，峰值波長(zhǎng)525nm，輸出光功率為2mw，發(fā)光亮度6cd(Ip=20mA)。1993年日本的日亞化學(xué)公司研制出第一支藍(lán)光發(fā)光管，199565日亞化學(xué)公司利用其GaN藍(lán)光LED和磷光技術(shù)，又開(kāi)發(fā)出白光固體發(fā)光器件產(chǎn)品，不久將來(lái)可替代電燈，既提高燈的壽命，又大大地節(jié)省能源。因此，GaN越來(lái)越受到人們的歡迎。日亞化學(xué)公司利用其GaN藍(lán)光LED和磷光技術(shù)，又開(kāi)發(fā)出白光固66GaN藍(lán)光激光器也被日亞公司首先開(kāi)發(fā)成功，目前壽命已超過(guò)10000hr。與此同時(shí)，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。GaN藍(lán)光激光器也被日亞公司首先開(kāi)發(fā)成功，目前壽命已超過(guò)1067在美國(guó)開(kāi)展氮化鎵高亮度LED和LD研究的公司和大學(xué)有幾十家之多，耗資上億美元。美國(guó)的APA光學(xué)公司1993年研制出世界上第一個(gè)氮化鎵基HEMT器件。2000年9月美國(guó)kyma公司利用AlN作襯底，開(kāi)發(fā)出2英寸和4英寸GaN新工藝；2001年1月美國(guó)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)品開(kāi)發(fā)方興未艾。在美國(guó)開(kāi)展氮化鎵高亮度LED和LD研究的公司和大學(xué)有幾十家之68目前進(jìn)入藍(lán)光激光器開(kāi)發(fā)的公司包括飛利浦、索尼、日立、施樂(lè)和惠普等。包括飛利浦、通用等光照及汽車(chē)行業(yè)的跨國(guó)公司正積極開(kāi)發(fā)白光照明和汽車(chē)用GaN基LED(發(fā)光二極管)產(chǎn)品。涉足GaN基電子器件開(kāi)發(fā)最為活躍的企業(yè)包括Cree、RfmicroDevice以及Nitronex等公司。目前進(jìn)入藍(lán)光激光器開(kāi)發(fā)的公司包括飛利浦、索尼、日立、施樂(lè)和惠69目前，國(guó)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。日本、美國(guó)等國(guó)家紛紛進(jìn)行應(yīng)用于照明GaN基白光LED的產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)，計(jì)劃于2015年-2020年取代白熾燈和日光燈，引起新的照明革命。目前，國(guó)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70據(jù)美國(guó)市場(chǎng)調(diào)研公司StrstegiesUnlimited分析數(shù)據(jù)，2001年世界GaN器件市場(chǎng)接近7億美元，還處于發(fā)展初期。2009年世界GaN器件市場(chǎng)達(dá)到48億美元的銷售額.據(jù)美國(guó)市場(chǎng)調(diào)研公司StrstegiesUnlimited分71美國(guó)Cree公司由于其研究領(lǐng)先，主宰著整個(gè)碳化硅的市場(chǎng)，幾乎85%以上的碳化硅襯底由Cree公司提供，90%以上的生產(chǎn)在美國(guó)，亞洲只占4%，歐洲占2%。碳化硅襯底材料的市場(chǎng)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(wàn)片，其中90-95%被用于氮化鎵基光電子器件作外延襯底。美國(guó)Cree公司由于其研究領(lǐng)先，主宰著整個(gè)碳化硅的市場(chǎng)，幾72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/V·S，電子濃度達(dá)到1013cm-2。生長(zhǎng)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(zhǎng)0.6mm，柵寬300mm)，生長(zhǎng)在碳化硅襯底上的AlGaN/GaN

HEMT器件（柵長(zhǎng)為0.12mm）的特征頻率ft

=

101GHz、最高振蕩頻率fmax

=155GHz。目前在6H-SiC襯底上氮化鎵微電子材料室溫遷移率達(dá)到20073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(guó)際上的熱點(diǎn)，也是軍用氮化鎵基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。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)74（2）中國(guó)國(guó)內(nèi)研究狀況中國(guó)國(guó)內(nèi)開(kāi)展SiC、GaN材料和器件方面的研究工作比較晚，和國(guó)外相比水平還比較低。國(guó)內(nèi)已經(jīng)有一些單位在開(kāi)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英寸碳化硅襯底的制備技術(shù)以及大面積、低位錯(cuò)密度的碳化硅外延技術(shù)。（2）中國(guó)國(guó)內(nèi)研究狀況中國(guó)國(guó)內(nèi)開(kāi)展SiC、GaN材料和器件方75目前國(guó)內(nèi)進(jìn)行碳化硅單晶的研制單位有中科院物理所、中科院上海硅酸鹽研究所、山東大學(xué)、信息產(chǎn)業(yè)部46所等，進(jìn)行碳化硅外延生長(zhǎng)的單位有中科院半導(dǎo)體所、中國(guó)科技大學(xué)西安電子科大。目前國(guó)內(nèi)進(jìn)行碳化硅單晶的研制單位有76西安電子科技大學(xué)微電子研究所已經(jīng)外延生長(zhǎng)了6H-SiC，目前正在進(jìn)一步測(cè)試證明材料的晶格結(jié)構(gòu)情況。另外，還對(duì)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。西安電子科技大學(xué)微電子研究所已經(jīng)外延生長(zhǎng)了6H-SiC，目前77采用國(guó)外進(jìn)口的材料成功地制造出肖特基二極管和我國(guó)第一只6HSiCMOSFET，肖特基二極管的理想因子為123，開(kāi)啟電壓為0.5伏。MOSFET的跨導(dǎo)為0.36ms/mm，溝道電子遷移率為14cm2N·s。采用AL/NiCr制作的歐姆接觸的比接觸電阻為8.5×10-5/Ω·cm2，達(dá)到了可以應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)器件的水平。采用國(guó)外進(jìn)口的材料成功地制造出肖特基二極管和我國(guó)第一只6H78國(guó)內(nèi)GaN研究亦已開(kāi)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，中科院半導(dǎo)體所在國(guó)內(nèi)最早開(kāi)展了氮化鎵基微電子材料的研究工作，取得了一些具有國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平、國(guó)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，一些單位采用該種材料研制出了AlGaN/GaN

HEM相關(guān)器件。國(guó)內(nèi)GaN研究亦已開(kāi)始，主要在基礎(chǔ)研究方面，進(jìn)展較快。在氮化79如：中科院微電子所研制出具有國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平的AlGaN/GaN

HEM器件；信息產(chǎn)業(yè)部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。如：80由于碳化硅襯底上材料十分昂貴，目前國(guó)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制。由于碳化硅襯底上材料十分昂貴，目前國(guó)內(nèi)氮化鎵基高溫半導(dǎo)體材81三、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。三、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82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(lái)5～10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。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(lái)5～10年83微電子技術(shù)發(fā)展的主要途徑是通過(guò)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。微電子技術(shù)發(fā)展的主要途徑是通過(guò)不斷縮小器件的特征尺寸，增加芯841、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英吋硅芯片是目前國(guó)際的主流產(chǎn)品，椎12英吋芯片已開(kāi)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(guò)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。1、Si、GaAs、InP等半導(dǎo)體單晶材料向著大尺寸、高均質(zhì)852、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(lái)半導(dǎo)體材料的重要發(fā)展方向。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)863、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(lái)5～15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。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874、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lppb(十億分之一)～0.1ppb和6N級(jí)以上，0.5μm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(partpertrillion1兆分之...)級(jí)，并將開(kāi)發(fā)替代有毒氣體的新品種電子氣體。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lppb88四、中國(guó)半導(dǎo)體材料材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景的展望

中國(guó)的IT產(chǎn)業(yè)即將進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期，這一點(diǎn)已成為人們的普遍共識(shí)。在信息產(chǎn)品市場(chǎng)的拉動(dòng)下，電子信息材料產(chǎn)業(yè)也將獲得持續(xù)較快的增長(zhǎng)。電子信息材料業(yè)在IT產(chǎn)業(yè)中乃至整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位將會(huì)進(jìn)一步上升。

四、中國(guó)半導(dǎo)體材料材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景的展望

中國(guó)的IT產(chǎn)89據(jù)信息產(chǎn)業(yè)部的預(yù)測(cè)，2005年中國(guó)電子信息產(chǎn)品市場(chǎng)的總規(guī)模將達(dá)2萬(wàn)億元人民幣，這大約相對(duì)于全球市場(chǎng)總規(guī)模的13％。巨大的市場(chǎng)需求，將拉動(dòng)中國(guó)信息產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。在此背景下，我國(guó)信息材料業(yè)的未來(lái)商機(jī)首先來(lái)自半導(dǎo)體材料市場(chǎng)。當(dāng)今全球最大、最重要的信息材料細(xì)分市場(chǎng)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。據(jù)信息產(chǎn)業(yè)部的預(yù)測(cè)，2005年中國(guó)電子信息產(chǎn)品市場(chǎng)的總規(guī)模將90根據(jù)中國(guó)工程院的專項(xiàng)調(diào)查與預(yù)測(cè)，中國(guó)2005年半導(dǎo)體材料材料的需求情況是：多晶硅需求將達(dá)1500噸；單晶硅約600噸；硅拋光片約8000萬(wàn)平方英寸；硅外延片500萬(wàn)平方英寸；GaAs單晶2000千克；GaAs外延片3～4萬(wàn)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。根據(jù)中國(guó)工程院的專項(xiàng)調(diào)查與預(yù)測(cè)，中國(guó)2005年半導(dǎo)體材料材料91表8

中國(guó)半導(dǎo)體材料需求量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外延材料單位噸/年噸/年萬(wàn)片/年萬(wàn)片／年萬(wàn)片／年萬(wàn)片／年萬(wàn)片／年平方萬(wàn)寸/年平方萬(wàn)寸/年目前生產(chǎn)能力100近1000約1300約5003003001020102010年需求量約3000約1600約1300約1500約400約600309090表8

中國(guó)半導(dǎo)體材料需求量多晶硅單晶硅硅拋光片（4英寸、592微電子時(shí)代將逐步過(guò)渡到光電子時(shí)代，最終發(fā)展到光子時(shí)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)展將走向極限，第二代和第三代半導(dǎo)體技術(shù)和產(chǎn)業(yè)將成為研究和發(fā)展的重點(diǎn)。微電子時(shí)代將逐步過(guò)渡到光電子時(shí)代，最終發(fā)展到光子時(shí)代。預(yù)計(jì)到93演講完畢，謝謝觀看！演講完畢，謝謝觀看！94半導(dǎo)體材料的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)半導(dǎo)體材料的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)95半導(dǎo)體材料是指電阻率在10-3~108Ωcm，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。半導(dǎo)體材料是指電阻率在10-3~108Ωcm，介于金屬和絕緣96電子信息產(chǎn)業(yè)規(guī)模最大的是美國(guó)。近幾年來(lái)，中國(guó)電子信息產(chǎn)品以舉世矚目的速度發(fā)展，2003年中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)銷售收入1.88萬(wàn)億元，折合2200～2300億美元，產(chǎn)業(yè)規(guī)模已超過(guò)日本位居世界第二（同期日本信息產(chǎn)業(yè)銷售收入只有1900億美元），成為中國(guó)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(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展、科技進(jìn)步和國(guó)防實(shí)力的重要標(biāo)志。電子信息產(chǎn)業(yè)規(guī)模最大的是美國(guó)。近幾年來(lái)，中國(guó)電子信息產(chǎn)品以舉97在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中，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；將寬禁帶(Eg>2.3eV)的氮化鎵、碳化硅、硒化鋅和金剛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。在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中，98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(zhǎng)，禁帶寬度越大發(fā)射光波長(zhǎng)越短(藍(lán)光發(fā)射)；禁帶寬度越小發(fā)射光波長(zhǎng)越長(zhǎng)。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。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99表1主要半導(dǎo)體材料的比較

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/c·K）1.30.62.0擊穿電壓（M/cm）0.30.45.0電子遷移速率（cm2/V·s用情況光學(xué)應(yīng)用無(wú)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(duì)制造成本低高高表1主要半導(dǎo)體材料的比較

材料SiGaAsGaN物禁帶寬度100硅材料具有儲(chǔ)量豐富、價(jià)格低廉、熱性能與機(jī)械性能優(yōu)良、易于生長(zhǎng)大尺寸高純度晶體等優(yōu)點(diǎn)，處在成熟的發(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)和核心地位仍不會(huì)動(dòng)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。硅材料具有儲(chǔ)量豐富、價(jià)格低廉、熱性能與機(jī)械性能優(yōu)良、易于生長(zhǎng)101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，并可在同一芯片同時(shí)處理光電信號(hào)，被公認(rèn)是新一代的通信用材料。隨著高速信息產(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(shí)，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。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102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(jiàn)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，寬帶隙材料的熱生率比常規(guī)半導(dǎo)體的小10～14個(gè)數(shù)量級(jí)。這一特性在電荷耦合器件、新型非易失性高速存儲(chǔ)器中起很大的作用，并能實(shí)質(zhì)性地減小光探測(cè)器的暗電流。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(jiàn)的。氮化103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(kāi)關(guān)和二極管。寬帶隙材料的相對(duì)介電常數(shù)比常規(guī)材料的要小，由于對(duì)寄生參數(shù)影響小，這對(duì)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(gè)重要特性。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(kāi)關(guān)和二104寬帶隙半導(dǎo)體材料的電子遷移率一般沒(méi)有多數(shù)通用半導(dǎo)體的高，其空穴遷移率一般較高，金剛石則很高。寬帶隙材料的高電場(chǎng)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。寬帶隙半導(dǎo)體材料的電子遷移率一般沒(méi)有多數(shù)通用半導(dǎo)體的高，其空105

氮化鎵材料的禁帶寬度為硅材料的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(cè)器件。

氮化鎵材料的禁帶寬度為硅材料的3倍多，其器件在大功率、高106近年來(lái)取得了很大進(jìn)展，并開(kāi)始進(jìn)入市場(chǎng)。與制造技術(shù)非常成熟和制造成本相對(duì)較低的硅半導(dǎo)體材料相比，第三代半導(dǎo)體材料目前面臨的最主要挑戰(zhàn)是發(fā)展適合氮化鎵薄膜生長(zhǎng)的低成本襯底材料和大尺寸的氮化鎵體單晶生長(zhǎng)工藝。近年來(lái)取得了很大進(jìn)展，并開(kāi)始進(jìn)入市場(chǎng)。與制造技術(shù)非常成熟和制107主要半導(dǎo)體材料的用途如表2所示。可以預(yù)見(jiàn)：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。主要半導(dǎo)體材料的用途如表2所示?？梢灶A(yù)見(jiàn)：以硅材料為主體、108表2

半導(dǎo)體材料的主要用途材料名稱制作器件主要用途硅二極管、晶體管通訊、雷達(dá)、廣播、電視、自動(dòng)控制集成電路各種計(jì)算機(jī)、通訊、廣播、自動(dòng)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(chē)、設(shè)備自控、高頻振蕩器射線探測(cè)器原子能分析、光量子檢測(cè)太陽(yáng)能電池太陽(yáng)能發(fā)電砷化鎵各種微波管雷達(dá)、微波通訊、電視、移動(dòng)通訊激光管光纖通訊紅外發(fā)光管小功率紅外光源霍爾元件磁場(chǎng)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(dòng)通訊太陽(yáng)能電池太陽(yáng)能發(fā)電氮化鎵激光器件光學(xué)存儲(chǔ)、激光打印機(jī)、醫(yī)療、軍事應(yīng)用發(fā)光二極管信號(hào)燈、視頻顯示、微型燈泡、移動(dòng)電話紫外探測(cè)器分析儀器、火焰檢測(cè)、臭氧監(jiān)測(cè)集成電路通訊基站（功放器件）、永遠(yuǎn)性內(nèi)存、電子開(kāi)關(guān)、導(dǎo)彈表2

半導(dǎo)體材料的主要用途材料名稱制作器件主要用途硅二極管109二、半導(dǎo)體材料發(fā)展現(xiàn)狀二、半導(dǎo)體材料發(fā)展現(xiàn)狀1101、半導(dǎo)體硅材料

從目前電子工業(yè)的發(fā)展來(lái)看，盡管有各種新型的半導(dǎo)體材料不斷出現(xiàn)，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綜合優(yōu)勢(shì)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。1、半導(dǎo)體硅材料

從目前電子工業(yè)的發(fā)展來(lái)看，盡管有各種111硅硅是集成電路產(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)都是制作在高純優(yōu)質(zhì)的硅拋光片和外延片上的。硅片被稱作集成電路的核心材料，硅材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和集成電路的發(fā)展緊密相關(guān)。硅硅是集成電路產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，半導(dǎo)體材料中98％是硅。半導(dǎo)體器件112硅半導(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(lái)，其用量平均大約以每年12～16%的速度增長(zhǎng)。目前全世界每年消耗約18000～25000噸半導(dǎo)體級(jí)多晶硅，消耗6000～7000噸單晶硅，硅片銷售金額約60～80億美元?？梢哉f(shuō)在未來(lái)30～50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(méi)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)和信息技術(shù)的發(fā)展。

硅半導(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(lái)，其113硅半導(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(mén)子法和硅烷熱分解法。主要產(chǎn)品有棒狀和粒狀兩種，主要是用作制備單晶硅以及太陽(yáng)能電池等。生長(zhǎng)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，大功率晶體管等。單晶硅和多晶硅應(yīng)用最廣。硅半導(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114硅經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展和競(jìng)爭(zhēng)，國(guó)際硅材料行業(yè)出現(xiàn)了壟斷性企業(yè)，日本、德國(guó)和美國(guó)的六大硅片公司的銷量占硅片總銷量的90%以上，其中信越、瓦克、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(guó)際硅材料的價(jià)格和高端技術(shù)產(chǎn)品市場(chǎng)，其中以日本的硅材料產(chǎn)業(yè)最大，占據(jù)了國(guó)際硅材料行業(yè)的半壁江山。硅經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展和競(jìng)爭(zhēng)，國(guó)際硅材料行業(yè)出現(xiàn)了壟斷性企業(yè)，日本115硅在集成電路用硅片中，8英寸的硅片占主流，約40～50％，6英寸的硅片占30％。當(dāng)硅片的直徑從8英寸到12英寸時(shí)，每片硅片的芯片數(shù)增加2.5倍，成本約降低30％，因此，國(guó)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%左右?，F(xiàn)代微電子工業(yè)對(duì)硅片關(guān)鍵參數(shù)的要求如表3所示。硅在集成電路用硅片中，8英寸的硅片占主流，約40～50％，6116表3

現(xiàn)代微電子工業(yè)對(duì)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表面臨界金屬元素密度/109at.mm-2≤4.9≤4.2≤3.6≤3.0局部平整度/nm100706035中心氧含量/×1017cm-3±9.0/15.5±9.0/15.5±9.0/15.5±9.0/15.5Fe濃度/1010cm-3<1<1<1<1復(fù)合壽命/μs≥325≥350≥350≥400表3

現(xiàn)代微電子工業(yè)對(duì)硅片關(guān)鍵參數(shù)的要求首批產(chǎn)品預(yù)計(jì)生產(chǎn)117（1）多晶硅

多晶硅是制備單晶硅和太陽(yáng)能電池的原料。半導(dǎo)體級(jí)多晶硅的生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)多采用改良西門(mén)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(shí)加熱許多根金屬絲，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。（1）多晶硅

多晶硅是制備單晶硅和太陽(yáng)能電池的原料。半118單位電耗由過(guò)去每公斤300度降低到80度。多晶硅產(chǎn)量由改良前每爐次100～200公斤提高到5～6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(guó)瓦克公司的多晶硅質(zhì)量指標(biāo)數(shù)據(jù)。單位電耗由過(guò)去每公斤300度降低到80度。多晶硅產(chǎn)量由改良前119表4

多晶硅質(zhì)量指標(biāo)

項(xiàng)目免洗料酸腐蝕料純度及電阻率施

主（P、As、Sb）max150pptamax150pptamin500Ωcmmin500Ωcm受

主（B、Al）max50pptamax50pptamin500Ωcmmin500Ωcm碳max100ppbamax100ppba體金屬總量（Fe、Cu、Ni、Cr、Zn）max500pptwmax500pptw表面金屬Femax5000pptwmax500pptw/250pptaCumax1000pptwmax50pptw/25pptaNimax1000pptwmax100pptw/50pptaCrmax1000pptwmax100pptw/55ppta表4

多晶硅質(zhì)量指標(biāo)

項(xiàng)目免洗料酸腐蝕料純度施

主m120多晶硅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(zhǎng)，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(zhǎng)，多晶硅需求急劇下降，結(jié)果導(dǎo)致多晶硅產(chǎn)能?chē)?yán)重過(guò)剩。2003年以前，多晶硅供大于求，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)能增加太陽(yáng)能多晶硅的產(chǎn)量。多晶硅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(zhǎng)，因121多晶硅目前全世界每年消耗約22000噸半導(dǎo)體級(jí)多晶硅，世界多晶硅的年生產(chǎn)能力約為28000噸，生產(chǎn)高度集中于美、日、德3國(guó)，海姆洛克（美國(guó)）、瓦克ASIM（德國(guó)），德山曹達(dá)（日本）、MEMC（美國(guó)）占據(jù)了多晶硅市場(chǎng)的80％以上。其中，美國(guó)哈姆洛克公司產(chǎn)能達(dá)6500t/a，德國(guó)瓦克化學(xué)公司和日本德山曹達(dá)公司產(chǎn)能超過(guò)4500t/a，美國(guó)MEMC公司產(chǎn)能超過(guò)2500t/a。多晶硅目前全世界每年消耗約22000噸半導(dǎo)體級(jí)多晶硅，世界多122多晶硅中國(guó)多晶硅嚴(yán)重短缺，遠(yuǎn)不能滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)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(yáng)單晶硅廠2個(gè)廠家生產(chǎn)多晶硅。中國(guó)多晶硅的產(chǎn)能為100噸/年，實(shí)際產(chǎn)量是70～80噸，僅占世界產(chǎn)量的0.4%，與當(dāng)今信息產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展和多晶硅的市場(chǎng)需求急劇增加極不協(xié)調(diào)。我國(guó)這種多晶硅供不應(yīng)求的局面還將持續(xù)下去。據(jù)專家預(yù)測(cè)，2005年中國(guó)多晶硅年需求量約為756噸，2010年為1302噸，市場(chǎng)前景十分巨大。多晶硅中國(guó)多晶硅嚴(yán)重短缺，遠(yuǎn)不能滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求。多晶硅工業(yè)123多晶硅峨嵋半導(dǎo)體材料廠和洛陽(yáng)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(shí)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(yáng)單晶硅廠將多晶硅產(chǎn)量擴(kuò)建至300t/a。多晶硅峨嵋半導(dǎo)體材料廠和洛陽(yáng)單晶硅廠1999年多晶硅生產(chǎn)能124多晶硅未來(lái)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，以緩解供需矛盾。另外，在單晶大直徑化的發(fā)展過(guò)程中，坩堝增大直徑是有一定限度的。對(duì)此，未來(lái)粒狀多晶硅將可能逐步擴(kuò)大供需量。多晶硅未來(lái)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125（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)、磁場(chǎng)直拉法(MCZ)以及雙坩堝拉晶法。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(guó)家MCZ技術(shù)發(fā)展較快。對(duì)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縱橫向分布均勻、控制電阻率均勻性。（2）單晶硅和外延片

生產(chǎn)單晶硅的工藝主要采用直拉法(126硅晶片屬于資金密集型和技術(shù)密集型行業(yè)，在國(guó)際市場(chǎng)上產(chǎn)業(yè)相對(duì)成熟，市場(chǎng)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)很難插手其中。

國(guó)際市場(chǎng)單晶硅產(chǎn)量排名前5位的公司分別是日本信越化學(xué)公司（Shin-Etsu）、德瓦克化學(xué)公司（Wacker）、日本住友金屬公司（Sumitomo）、美國(guó)MEMC公司和日本三菱材料公司。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家日本公司占據(jù)了市場(chǎng)份額的50.7%，表明日本在全球硅晶片行業(yè)中占據(jù)了主導(dǎo)地位。硅晶片屬于資金密集型和技術(shù)密集型行業(yè)，在國(guó)際市場(chǎng)上產(chǎn)業(yè)相對(duì)成127集成電路高集成度、微型化和低成本的要求對(duì)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(shì)。目前全球主流硅晶片已由直徑8英寸逐漸過(guò)渡到12英寸晶片，研制水平已達(dá)到16英寸。集成電路高集成度、微型化和低成本的要求對(duì)半導(dǎo)體單晶材料的電阻128中國(guó)半導(dǎo)體材料行業(yè)經(jīng)過(guò)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(guó)單晶硅產(chǎn)量逐年增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2001年我國(guó)半導(dǎo)體硅材料的銷售額達(dá)9.06億元，年均增長(zhǎng)26.4%。單晶硅產(chǎn)量為584t，拋光片產(chǎn)量5183萬(wàn)平方英寸，主要規(guī)格為3～6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。中國(guó)半導(dǎo)體材料行業(yè)經(jīng)過(guò)四十多年發(fā)展已取得相當(dāng)大的進(jìn)展，先后129單晶硅出口比重大，出口額為4648萬(wàn)美元，占總銷售額的42.6%，較2000年增長(zhǎng)了5.3%。目前，國(guó)外8英寸IC生產(chǎn)線正向我國(guó)戰(zhàn)略性移動(dòng)，我國(guó)新建和在建的F8英寸IC生產(chǎn)線有近10條之多，對(duì)大直徑高質(zhì)量的硅晶片需求十分強(qiáng)勁，而國(guó)內(nèi)供給明顯不足，基本依賴進(jìn)口，中國(guó)硅晶片的技術(shù)差距和結(jié)構(gòu)不合理可見(jiàn)一斑。在現(xiàn)有形勢(shì)和優(yōu)勢(shì)面前發(fā)展我國(guó)的硅單晶和IC技術(shù)面臨著巨大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。單晶硅出口比重大，出口額為4648萬(wàn)美元，占總銷售額的42.1302004年國(guó)內(nèi)從事硅單晶材料研究生產(chǎn)的企業(yè)約有35家，從業(yè)人員約3700人，主要研究和生產(chǎn)單位有北京有研硅股、杭州海納半導(dǎo)體材料公司、寧波立立電子公司、洛陽(yáng)單晶硅廠、萬(wàn)向硅峰電子材料公司、上海晶華電子材料公司、峨眉半導(dǎo)體材料廠、河北寧晉半導(dǎo)體材料公司等。2004年國(guó)內(nèi)從事硅單晶材料研究生產(chǎn)的企業(yè)約有35家，從業(yè)131有研硅股在大直徑硅單晶的研制方面一直居國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位，先后研制出我國(guó)第一根6英寸、8英寸和12英寸硅單晶，單晶硅在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率為40%。2004年國(guó)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(zhǎng)率為27.5%，2005年我國(guó)硅單晶產(chǎn)量可達(dá)1400噸左右。有研硅股在大直徑硅單晶的研制方面一直居國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位，先后研制132隨著集成電路特征線寬尺寸的不斷減小，對(duì)硅片的要求越來(lái)越高，控制單晶的原生缺陷變得愈來(lái)愈困難，因此外延片越來(lái)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英寸芯片生產(chǎn)線將全部采用外延。目前國(guó)外單晶硅和外延片的生產(chǎn)企業(yè)有信越（日本）、三菱住友SUMCO（日本），MEMC（美國(guó)），瓦克（德國(guó)）等。隨著集成電路特征線寬尺寸的不斷減小，對(duì)硅片的要求越來(lái)越高，133目前從事外延片研究生產(chǎn)的主要單位有信息產(chǎn)業(yè)部電子13所、電子55所、華晶外延廠等近10家，但是由于技術(shù)、體制、資金等種種原因，中國(guó)硅材料企業(yè)的技術(shù)水平要比發(fā)達(dá)國(guó)家落后約10年，硅外延狀況也基本如此。目前中國(guó)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(méi)有大批量生產(chǎn)，8英寸硅外延尚屬空白。目前從事外延片研究生產(chǎn)的主要單位有134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(shí)間內(nèi)不會(huì)有根本的改變，這些大公司的12英寸外延片已量產(chǎn)化，目前國(guó)外8英寸外延片價(jià)格約45美元/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。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1352、砷化鎵單晶材料（1）國(guó)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)，在超高速、超高頻、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(shì)。2、砷化鎵單晶材料（1）國(guó)外發(fā)展概況136目前，世界砷化鎵單晶的總年產(chǎn)量已超過(guò)200噸(日本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(guó)外開(kāi)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(垂直布里支曼法)和VCZ法(蒸氣壓控制直拉法)，成功制備出4～6英寸大直徑GaAs單晶。各種方法比較詳見(jiàn)表5。其中以低位錯(cuò)密度的HB方法生長(zhǎng)的2～3英寸的導(dǎo)電砷化鎵襯底材料為主。目前，世界砷化鎵單晶的總年產(chǎn)量已超過(guò)200噸(日本1999137表5

GaAs單晶生產(chǎn)方法比較

工藝特點(diǎn)LECHBVGFVBVCZ工藝水平低位錯(cuò)差好很好很好好位錯(cuò)均勻性差中等好好好長(zhǎng)尺寸好差好好很好大直徑好差好好很好監(jiān)控好好差差差位錯(cuò)密度（cm-2）104～105102～102102102103生產(chǎn)水平直徑（英寸）3、4、62、32～62～64、6位錯(cuò)密度（cm-2）﹥1×104≤1×103≈5×103≈5×103≈5×103遷移率（cm2/(v·s)）6000~7000————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)試制表5

GaAs單晶生產(chǎn)方法比較工藝特點(diǎn)LECHBVGFVB138移動(dòng)電話用電子器件和光電器件市場(chǎng)快速增長(zhǎng)的要求，使全球砷化鎵晶片市場(chǎng)以30%的年增長(zhǎng)率迅速形成數(shù)十億美元的大市場(chǎng)，預(yù)計(jì)未來(lái)20年砷化鎵市場(chǎng)都具有高增長(zhǎng)性。日本是最大的生產(chǎn)國(guó)和輸出國(guó)，占世界市場(chǎng)的70～80%；美國(guó)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。移動(dòng)電話用電子器件和光電器件市場(chǎng)快速增長(zhǎng)的要求，使全球砷化鎵139日本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。美國(guó)AXT公司是世界最大的VGFGaAs材料生產(chǎn)商。國(guó)際上砷化鎵市場(chǎng)需求以4英寸單晶材料為主，而6英寸單晶材料產(chǎn)量和市場(chǎng)需求快速增加，已占據(jù)35%以上的市場(chǎng)份額。研制和小批量生產(chǎn)水平達(dá)到8英寸。日本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140近年來(lái)，為滿足高速移動(dòng)