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1、半导体材料的发展现状及趋势,-3,8,?,半导体材料是指电阻率在,10,10,cm,，,介于金属和绝缘体之间的材料。半导体材,料是制作晶体管、集成电路、电力电子器,件、光电子器件的重要基础材料，支撑着,通信、计算机、信息家电与网络技术等电,子信息产业的发展。,?,电子信息产业规模最大的是美国。近几年,来，中国电子信息产品以举世瞩目的速度,发展，,2003,年中国电子信息产业销售收,入,1.88,万亿元，折合,2200,2300,亿美元，,产业规模已超过日本位居世界第二（同期,日本信息产业销售收入只有,1900,亿美,元），成为中国第一大支柱产业。半导体,材料及应用已成为衡量一个国家经济发展、,
2、科技进步和国防实力的重要标志。,?,?,?,?,?,在半导体产业的发展中，,硅、锗称为第一代半导体材料；,将砷化镓、磷化锢、磷化镓、砷化锢、砷化铝,及其合金等称为第二代半导体材料；,将宽禁带,(Eg2.3eV),的氮化镓、碳化硅、硒化,锌和金刚石等称为第三代半导体材料。,上述材料是目前主要应用的半导体材料，三代,半导体材料代表品种分别为硅、砷化镓和氮化,镓。,?,材料的物理性质是产品应用的基础，表,1,列出了主要半导体材料的物理性质及应用,情况。表中禁带宽度决定发射光的波长，,禁带宽度越大发射光波长越短,(,蓝光发射,),；,禁带宽度越小发射光波长越长。其它参数,数值越高，半导体性能越好。电子
3、迁移速,率决定半导体低压条件下的高频工作性能，,饱和速率决定半导体高压条件下的高频工,作性能。,表,1,主要半导体材料的比较,材料,Si,1.1,1.0,GaAs,1.4,2.1,GaN,3.4,2.7,禁带宽度（,ev,）,物,理,饱和速率（,10,-7,cm/s,）,性,质,热导（,W/c,K,）,击穿电压（,M/cm,）,电子迁移速率（,cm,2,/V,s,）,1.3,0.3,1350,0.6,0.4,8500,2.0,5.0,900,应,用,情,况,光学应用,高频性能,高温性能,发展阶段,相对制造成本,无,差,中,成熟,低,红外,好,差,发展中,高,蓝光,/,紫外,好,好,初期,高,?
4、,硅材料具有储量丰富、价格低廉、热性能,与机械性能优良、易于生长大尺寸高纯度,晶体等优点，处在成熟的发展阶段。目前，,硅材料仍是电子信息产业最主要的基础材,料，,95%,以上的半导体器件和,99%,以上的,集成电路,(IC),是用硅材料制作的。在,21,世,纪，它的主导和核心地位仍不会动摇。但,是硅材料的物理性质限制了其在光电子和,高频高功率器件上的应用。,?,砷化镓材料的电子迁移率是硅的,6,倍多，,其器件具有硅器件所不具有的高频、高速,和光电性能，并可在同一芯片同时处理光,电信号，被公认是新一代的通信用材料。,随着高速信息产业的蓬勃发展，砷化镓成,为继硅之后发展最快、应用最广、产量最,大的
5、半导体材料。同时，其在军事电子系,统中的应用日益广泛，并占据不可取代的,重要地位。,?,从表,1,看出，选择宽带隙半导体材料的主要理由,是显而易见的。氮化镓的热导率明显高于常规,半导体。这一属性在高功率放大器和激光器中,是很起作用的。带隙大小本身是热生率的主要,贡献者。在任意给定的温度下，宽带隙材料的,热生率比常规半导体的小,10,14,个数量级。这,一特性在电荷耦合器件、新型非易失性高速存,储器中起很大的作用，并能实质性地减小光探,测器的暗电流。,?,宽带隙半导体材料的高介电强度最适合用,于高功率放大器、开关和二极管。宽带隙,材料的相对介电常数比常规材料的要小，,由于对寄生参数影响小，这对毫
6、米波放大,器而言是有利用价值的。电荷载流子输运,特性是许多器件尤其是工作频率为微波、,毫米波放大器的一个重要特性。,?,宽带隙半导体材料的电子迁移率一般没有,多数通用半导体的高，其空穴迁移率一般,较高，金刚石则很高。宽带隙材料的高电,场电子速度,(,饱和速度,),一般较常规半导体,高得多，这就使得宽带隙材料成为毫米波,放大器的首选者。,?,氮化镓材料的禁带宽度为硅材料的,3,倍多，,其器件在大功率、高温、高频、高速和光,电子应用方面具有远比硅器件和砷化镓器,件更为优良的特性，可制成蓝绿光、紫外,光的发光器件和探测器件。,?,近年来取得了很大进展，并开始进入市场。,与制造技术非常成熟和制造成本相
7、对较低,的硅半导体材料相比，第三代半导体材料,目前面临的最主要挑战是发展适合氮化镓,薄膜生长的低成本衬底材料和大尺寸的氮,化镓体单晶生长工艺。,?,主要半导体材料的用途如表,2,所示。可以,预见：以硅材料为主体、,GaAs,半导体材,料及新一代宽禁带半导体材料共同发展将,成为集成电路及半导体器件产业发展的主,流。,表,2,半导体材料的主要用途,材料名称,硅,制作器件,二极管、晶体管,集成电路,整流器,晶闸管,射线探测器,太阳能电池,砷化镓,各种微波管,激光管,红外发光管,霍尔元件,激光调制器,高速集成电路,太阳能电池,氮化镓,激光器件,发光二极管,紫外探测器,集成电路,主要用途,通讯、雷达、广
8、播、电视、自动控制,各种计算机、通讯、广播、自动控制、电子钟表、仪表,整流,整流、直流输配电、电气机车、设备自控、高频振荡器,原子能分析、光量子检测,太阳能发电,雷达、微波通讯、电视、移动通讯,光纤通讯,小功率红外光源,磁场控制,激光通讯,高速计算机、移动通讯,太阳能发电,光学存储、激光打印机、医疗、军事应用,信号灯、视频显示、微型灯泡、移动电话,分析仪器、火焰检测、臭氧监测,通讯基站（功放器件）、永远性内存、电子开关、导弹,二、半导体材料发展现状,1,、半导体硅材料,?,从目前电子工业的发展来看，尽管有各,种新型的半导体材料不断出现，半导体硅,材料以丰富的资源、优质的特性、日臻完,善的工艺以
9、及广泛的用途等综合优势而成,为了当代电子工业中应用最多的半导体材,料。,硅,?,硅是集成电路产业的基础，半导体材料中,98,是硅。半导体器件的,95%,以上是用硅,材料制作的，,90%,以上的大规模集成电路,(LSI),、超大规模集成电路,(VLSI),、甚大规,模集成电路,(ULSI),都是制作在高纯优质的,硅抛光片和外延片上的。硅片被称作集成,电路的核心材料，硅材料产业的发展和集,成电路的发展紧密相关。,硅,?,半导体硅材料自从,60,年代被广泛应用于各类电,子元器件以来，其用量平均大约以每年,12,16%,的速度增长。目前全世界每年消耗约,18000,25000,吨半导体级多晶硅，消耗,
10、6000,7000,吨单晶硅，硅片销售金额约,60,80,亿美元。可以说在未来,30,50,年内，硅材料仍,将是,LSI,工业最基础和最重要的功能材料。电子,工业的发展历史表明，没有半导体硅材料的发,展，就不可能有集成电路、电子工业和信息技,术的发展。,硅,?,半导体硅材料分为多晶硅、单晶硅、硅外延片,以及非晶硅、浇注多晶硅、淀积和溅射非晶硅,等。现行多晶硅生产工艺主要有改良西门子法,和硅烷热分解法。主要产品有棒状和粒状两种，,主要是用作制备单晶硅以及太阳能电池等。生,长单晶硅的工艺可分为区熔,(FZ),和直拉,(CZ),两,种。其中，直拉硅单晶,(CZ-Si),广泛应用于集成,电路和中小功率
11、器件。区域熔单晶,(FZ-Si),目前,主要用于大功率半导体器件，比如整流二极管，,硅可控整流器，大功率晶体管等。单晶硅和多,晶硅应用最广。,硅,?,经过多年的发展和竞争，国际硅材料行业,出现了垄断性企业，日本、德国和美国的,六大硅片公司的销量占硅片总销量的,90%,以上，其中信越、瓦克、,SUMCO,和,MEMC,四家的销售额占世界硅片销售额的,70%,以上，决定着国际硅材料的价格和高,端技术产品市场，其中以日本的硅材料产,业最大，占据了国际硅材料行业的半壁江,山。,硅,?,在集成电路用硅片中，,8,英寸的硅片占主,流，约,40,50,，,6,英寸的硅片占,30,。,当硅片的直径从,8,英寸
12、到,12,英寸时，每片,硅片的芯片数增加,2.5,倍，成本约降低,30,，因此，国际大公司都在发展,12,英寸硅,片，,2006,年产量将达到,13.4,亿平方英寸，,将占总产量的,20%,左右。现代微电子工业,对硅片关键参数的要求如表,3,所示。,表,3,现代微电子工业对硅片关键参数的要求,首批产品预计生产年份,工艺代（特征尺寸,/nm,）,晶片尺寸,/mm,去边,/mm,2005,100,300,1,2008,70,300,1,2011,50,300,1,2014,30,450,1,正表面颗粒和,COP,尺寸,/mm,颗粒和,COP,密度,/mm,-2,表面临界金属元素密度,/10,9,a
13、t.mm,-2,局部平整度,/nm,中心氧含量,/,10,17,cm,-3,Fe,浓度,/10,10,cm,-3,复合寿命,/s,50,0.10,4.9,100,9.0/15.,5,1,325,35,0.10,4.2,70,9.0/15.,5,1,350,25,0.10,3.6,60,9.0/15.,5,1,350,25,0.10,3.0,35,9.0/15.,5,1,400,（,1,）多晶硅,?,?,?,?,?,多晶硅是制备单晶硅和太阳能电池的原料。,半导体级多晶硅的生产技术现多采用改良西门,子法，这种方法的主要技术是：,（,1,）在大型反应炉内同时加热许多根金属丝，,减小炉壁辐射所造成的热
14、损失；,（,2,）炉的内壁加工成镜面，使辐射热反射，减,少散热；,（,3,）提高炉内压力，提高反应速度等措施；,（,4,）在大型不锈钢金属反应炉内使用,100,根以,上的金属丝。,?,单位电耗由过去每公斤,300,度降低到,80,度。,多晶硅产量由改良前每炉次,100,200,公,斤提高到,5,6,吨。其显著特点是：能耗低、,产量高、质量稳定。表,4,给出了德国瓦克,公司的多晶硅质量指标数据。,表,4,多晶硅质量指标,纯度,及电,阻率,项目,施,主,（,P,、,As,、,Sb,）,受,主,（,B,、,Al,）,碳,体金属总量（,Fe,、,Cu,、,Ni,、,Cr,、,Zn,）,免洗料,max
15、150ppta,min 500cm,max 50ppta,酸腐蚀料,max 150ppta,min 500cm,max 50ppta,min 500cm,max 100ppba,max 500pptw,min 500cm,max 100ppba,max 500pptw,表面,金属,Fe,max 5000pptw,max,500pptw/250,ppta,max,50pptw/25pp,ta,max,100pptw/50p,pta,max,100pptw/55p,pta,Cu,max 1000pptw,Ni,max 1000pptw,Cr,max 1000pptw,多晶硅,?,1998,年，多晶
16、硅生产厂商预计半导体行,业将快速增长，因此大量扩张产能。然而，,半导体行业并未出现预期高速增长，多晶,硅需求急剧下降，结果导致多晶硅产能严,重过剩。,2003,年以前，多晶硅供大于求，,2004,年多晶硅供需达到平衡，,2005,年，,多晶硅生产厂家有必要增加投资扩大产能,增加太阳能多晶硅的产量。,多晶硅,?,目前全世界每年消耗约,22000,吨半导体级多晶硅，,世界多晶硅的年生产能力约为,28000,吨，生产高,度集中于美、日、德,3,国，海姆洛克（美国）、,瓦克,ASIM,（德国），德山曹达（日本）、,MEMC,（美国）占据了多晶硅市场的,80,以上。,其中，美国哈姆洛克公司产能达,650
17、0t/a,，德国,瓦克化学公司和日本德山曹达公司产能超过,4500t/a,，美国,MEMC,公司产能超过,2500t/a,。,多晶硅,?,中国多晶硅严重短缺，远不能满足国内市场需,求。多晶硅工业起步于,50,年代，,60,年代实现工,业化生产。由于技术水平低、生产规模太小、,环境污染严重、生产成本高，目前只剩下峨嵋,半导体材料厂和洛阳单晶硅厂,2,个厂家生产多晶,硅。中国多晶硅的产能为,100,吨,/,年，实际产量,是,70,80,吨，仅占世界产量的,0.4%,，与当今信,息产业的高速发展和多晶硅的市场需求急剧增,加极不协调。我国这种多晶硅供不应求的局面,还将持续下去。据专家预测，,2005,
18、年中国多晶,硅年需求量约为,756,吨，,2010,年为,1302,吨，市,场前景十分巨大。,多晶硅,?,峨嵋半导体材料厂和洛阳单晶硅厂,1999,年多晶硅生产能力分别为,60t/a,和,20t/a,。,峨嵋半导体材料厂,1998,年建成的,100t/a,规,模的多晶硅工业性生产示范线，提高了各,项经济技术指标，同时该厂正在积极进行,1000t/a,多晶硅项目建设的前期工作。洛,阳单晶硅厂将多晶硅产量扩建至,300t/a,。,多晶硅,?,未来多晶硅的发展方向是进一步降低各种,杂质含量，提高多晶硅纯度并保持其均匀,性，稳定提高多晶硅整体质量和扩大供给,量，以缓解供需矛盾。另外，在单晶大直,径化的
19、发展过程中，坩埚增大直径是有一,定限度的。对此，未来粒状多晶硅将可能,逐步扩大供需量。,（,2,）单晶硅和外延片,?,生产单晶硅的工艺主要采用直拉法,(CZ),、区,熔法,(FZ),、磁场直拉法,(MCZ),以及双坩埚拉晶,法。,CZ,、,FZ,和,MCZ,单晶各自适用于不同的电阻,率范围的器件，而,MCZ,可完全代替,CZ,，可部分,代替,FZ,。,MCZ,将取代,CZ,成为高速,ULI,材料。一,些硅材料技术先进的国家,MCZ,技术发展较快。,对单晶的主要质量要求是降低各种有害杂质含,量和微缺陷，根据需要控制氧含量并保持纵横,向分布均匀、控制电阻率均匀性。,?,硅晶片属于资金密集型和技术密
20、集型行业，在,国际市场上产业相对成熟，市场进入平稳发展,期，生产集中在少数几家大公司，小型公司已,经很难插手其中。,国际市场单晶硅产量排名,前,5,位的公司分别是日本信越化学公司（,Shin-,Etsu,）、德瓦克化学公司（,Wacker,）、日本住,友金属公司（,Sumitomo,）、美国,MEMC,公司和,日本三菱材料公司。这,5,家公司,2001,年硅晶片的,销售总额为,51.47,亿元，占全球销售额的,79.1%,，,其中的,3,家日本公司占据了市场份额的,50.7%,，,表明日本在全球硅晶片行业中占据了主导地位。,?,集成电路高集成度、微型化和低成本的要,求对半导体单晶材料的电阻率均
21、匀性、金,属杂质含量、微缺陷、晶片平整度、表面,洁净度等提出了更加苛刻的要求，晶片大,尺寸和高质量成为必然趋势。目前全球主,流硅晶片已由直径,8,英寸逐渐过渡到,12,英,寸晶片，研制水平已达到,16,英寸。,?,中国半导体材料行业经过四十多年发展已取得,相当大的进展，先后研制和生产了,4,英寸、,5,英,寸、,6,英寸、,8,英寸和,12,英寸硅片。随着半导体,分立元件和硅光电池用低档和廉价硅材料需求,的增加，中国单晶硅产量逐年增加。据统计，,2001,年我国半导体硅材料的销售额达,9.06,亿元，,年均增长,26.4%,。单晶硅产量为,584t,，抛光片产,量,5183,万平方英寸，主要规
22、格为,3,6,英寸，,6,英寸正片已供应集成电路企业，,8,英寸主要用作,陪片。,?,单晶硅出口比重大，出口额为,4648,万美元，占,总销售额的,42.6%,，较,2000,年增长了,5.3%,。目,前，国外,8,英寸,IC,生产线正向我国战略性移动，,我国新建和在建的,F8,英寸,IC,生产线有近,10,条之,多，对大直径高质量的硅晶片需求十分强劲，,而国内供给明显不足，基本依赖进口，中国硅,晶片的技术差距和结构不合理可见一斑。在现,有形势和优势面前发展我国的硅单晶和,IC,技术,面临着巨大的机遇和挑战。,?,?,?,?,?,?,?,?,?,2004,年国内从事硅单晶材料研究生产的企业约有
23、,35,家，,从业人员约,3700,人，主要研究和生产单位有,北京有研硅股、,杭州海纳半导体材料公司、,宁波立立电子公司、,洛阳单晶硅厂、,万向硅峰电子材料公司、,上海晶华电子材料公司、,峨眉半导体材料厂、,河北宁晋半导体材料公司等。,?,有研硅股在大直径硅单晶的研制方面一直,居国内领先地位，先后研制出我国第一根,6,英寸、,8,英寸和,12,英寸硅单晶，单晶硅,在国内市场占有率为,40%,。,2004,年国内,硅单晶产量达,1000,吨左右，销售额突破,11,亿元，平均年增长率为,27.5%,，,2005,年,我国硅单晶产量可达,1400,吨左右。,?,随着集成电路特征线宽尺寸的不断减小，,
24、对硅片的要求越来越高，控制单晶的原生,缺陷变得愈来愈困难，因此外延片越来越,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,产线将全部采用外延。目前国外单晶硅和,外延片的生产企业有信越（日本）、三菱,住友,SUMCO,（日本），,MEMC,（美国），,瓦克（德国）等。,?,?,?,?,?,目前从事外延片研究生产的主要单位有,信息产业部电子,13,所、,电子,55,所、,华晶外延厂等近,10,家，,但是由于技术、体制、资金等种种原因，中国,硅材料企业的技术水平要比发达国家落后约,10,年，硅外延状况也基本如此。目前中国硅外延,片产品规格主要是,4,英寸、,5
25、,英寸、,6,英寸硅外延,片，还没有大批量生产，,8,英寸硅外延尚属空白。,?,在世界范围内,8,英寸和,12,英寸硅片仍然是少数几,家硅片供应商的拳头产品，他们有自己的专有,生产技术，为世界提供了大部分制造集成电路,用的,8,英寸和,12,英寸硅抛光片和硅外延片，这种,局面在今后相当一段时间内不会有根本的改变，,这些大公司的,12,英寸外延片已量产化，目前国,外,8,英寸外延片价格约,45,美元,/,片，而,12,英寸外,延片价格就高的多，其经济效益还是很可观的。,2,、砷化镓单晶材料,（,1,）国外发展概况,?,砷化镓是微电子和光电子的基础材料，,为直接带隙，具有电子饱和漂移速度高、,耐高
26、温、抗辐照等特点，在超高速、超高,频、低功耗、低噪声器件和电路，特别在,光电子器件和光电集成方面占有独特的优,势。,?,?,目前，世界砷化镓单晶的总年产量已超过,200,吨,(,日本,1999,年的砷化镓单晶的生产量为,94,吨,),。,用于大量生产砷化镓晶体的方法是传统的,LEC,法,(,液封直拉法,),和,HB,法,(,水平舟生产法,),。国外开,发了兼具以上,2,种方法优点的,VGF,法,(,垂直梯度,凝固法,),、,VB,法,(,垂直布里支曼法,),和,VCZ,法,(,蒸气,压控制直拉法,),，成功制备出,4,6,英寸大直径,GaAs,单晶。各种方法比较详见表,5,。其中以低,位错密度
27、的,HB,方法生长的,2,3,英寸的导电砷化,镓衬底材料为主。,表,5,GaAs,单晶生产方法比较,工艺特点,LEC,HB,VGF,VB,VCZ,工艺,水平,低位错,位错均匀性,长尺寸,大直径,监控,位错密度（,cm,-2,）,差,差,好,好,好,10,4,10,5,3,、,4,、,6,好,中等,差,差,好,10,2,10,2,2,、,3,很好,好,好,好,差,10,2,2,6,很好,好,好,好,差,10,2,2,6,好,好,很好,很好,差,10,3,4,、,6,生产,水平,直径（英寸）,位错密度（,cm,-2,）,1,10,4,1,10,3,5,10,3,5,10,3,5,10,3,6000
28、7,迁移率,000,（,cm,2,/(v,s),）,生产规模,规模生产,规模生产,批量生产,批量生产,试制,?,移动电话用电子器件和光电器件市场快速,增长的要求，使全球砷化镓晶片市场以,30%,的年增长率迅速形成数十亿美元的大,市场，预计未来,20,年砷化镓市场都具有高,增长性。日本是最大的生产国和输出国，,占世界市场的,70,80%,；美国在,1999,年,成功地建成了,3,条,6,英寸砷化镓生产线，在,砷化镓生产技术上领先一步。,?,日本住友电工是世界最大的砷化镓生产和,销售商，年产,GaAs,单晶,30t,。美国,AXT,公,司是世界最大的,VGF GaAs,材料生产商。,国际上砷化镓市
29、场需求以,4,英寸单晶材料,为主，而,6,英寸单晶材料产量和市场需求,快速增加，已占据,35%,以上的市场份额。,研制和小批量生产水平达到,8,英寸。,?,近年来，为满足高速移动通信的迫切需求，,大直径,(6,8,英寸,),的,Si-GaAs,发展很快，,4,英寸,70,厘米长及,6,英寸,35,厘米长和,8,英寸,的半绝缘砷化镓,(Si-GaAs),也在日本研制,成功。磷化铟具有比砷化镓更优越的高频,性能，发展的速度更快，但研制直径,4,英,寸以上大直径的磷化铟单晶的关键技术尚,未完全突破，价格居高不下。,砷化镓单晶材料的发展趋势是：,增大晶体直径，目前,4,英寸的,Si-GaAs,已用于大
30、生产，预计直径为,6,英寸的,Si-,GaAs,在,21,世纪初也将投入工业应用；,?,提高材料的电学和光学微区均匀性；,?,降低单晶的缺陷密度，特别是位错；,?,砷化镓和磷化铟单晶的,VGF,生长技术发,展很快，很有可能成为主流技术。,?,表,6,世界,GaAs,单晶主要生产厂家,公司,名称,住友,住友,同和,日立,昭和,三菱,CSI,AX,HP,MC,Frei,T,P,b,电,矿,矿,电,电,化,工,山,业,线,工,学,u,i,g,e,r,D,D,D,HB,LEC,VGF/,VB,注：主要产品（大生产），生产（大量，小规模），,D,开发中,（,2,）中国国内研究状况,?,中国从上世纪,60
31、,年代初开始研制砷化镓，,近年来，随着中科稼英半导体有限公司、,北京圣科佳电子有限公司相继成立，中国,的化合物半导体产业迈上新台阶，走向更,快的发展道路。,?,中科镓英公司成功拉制出中国第一根,6.4,公斤,5,英寸,LEC,法大直径砷化镓单晶；信,息产业部,46,所生长出中国第一根,6,英寸砷,化镓单晶，单晶重,12kg,，并已连续生长出,6,根,6,英寸砷化镓单晶；西安理工大在高压,单晶炉上称重单元技术研发方面取得了突,破性的进展。,?,中国,GaAs,材料单晶以,2,3,英寸为主，,4,英,寸处在产业化前期，研制水平达,6,英寸。,目前,4,英寸以上晶片及集成电路,GaAs,晶片,主要依
32、赖进口。砷化镓生产主要原材料为,砷和镓。虽然中国是砷和镓的资源大国，,但仅能生产品位较低的砷、镓材料,(6N,以,下纯度,),，主要用于生产光电子器件。集,成电路用砷化镓材料的砷和镓原料要求达,7N,，基本靠进口解决。,中国国内,GaAs,材料主要生产单位为：,?,中科镓英、,?,有研硅股、,?,信息产业部电子,46,所、,?,电子,55,所等。,?,主要竞争对手来自国外。,?,?,中科镓英,2001,年起计划投入近,2,亿资金进行砷化,镓材料的产业化，初期计划规模为,4,6,英寸砷,化镓单晶晶片,5,8,万片，,4,6,英寸分子束外延,砷化镓基材料,2,3,万片，目前该项目仍在建设,期。目前
33、国内砷化镓材料主要由有研硅股供应，,2002,年销售,GaAs,晶片,8,万片。中国在努力缩小,GaAs,技术水平和生产规模的同时，应重视具有,独立知识产权的技术和产品开发，发展砷化镓,产业。,3,、宽禁带氮化镓材料,?,以,Si,和,GaAs,为代表的传统半导体材料的,高速发展推动了微电子、光电子技术的迅,猛发展。然而受材料性能所限，用这些材,料制成的器件大都只能在,200,以下的热,环境下工作，且抗辐射、耐高击穿电压性,能以及发射可见光波长范围都不能满足现,代电子技术发展对高温、高频、高压以及,抗辐射、能发射蓝光等提出的新要求。,?,以氮化镓和碳化硅为代表的第三代半导体,材料具有禁带宽度大
34、、击穿电场高、热导,率大、电子饱和漂移速度高、介电常数小、,抗辐射能力强、良好的化学稳定性等独特,的特性，它在光显示、光存储、光探测等,光电子器件和高温、高频大功率电子等微,电子器件领域有广阔的应用前景，成为半,导体领域研究热点。,（,1,）国外发展概况,?,美国、日本、俄罗斯及西欧都极其重视,宽禁带半导体的研究与开发。从目前国外,对宽禁带半导体材料和器件的研究情况来,看，主要研究目标是,SiC,和,GaN,技术，其,中,SiC,技术最为成熟，研究进展也较快；,GaN,技术应用面较广泛，尤其在光电器件,应用方面研究较为透彻。而金刚石技术研,究报导较少，但从其材料优越性来看，颇,具发展潜力。,?
35、,?,?,?,国外对,SiC,的研究早在五十年代末和六十年代初就已开,始了。,到了八十年代中期，美国海军研究局和国家宇航局与北,卡罗来纳州大学签订了开发,SiC,材料和器件的合同，并,促成了在,1987,年建立专门研究,SiC,半导体的,Cree,公司。,九十年代初，美国国防部和能源部都把,SiC,集成电路列,为重点项目，要求到,2000,年在武器系统中要广泛使用,SIC,器件和集成电路，从此开始了有关,SiC,材料和器件,的系统研究，并取得了令人鼓舞的进展。,即目前为止，直径,50mm,具有良好性能的半绝缘和掺,杂材料已经商品化。,?,美国政府与西屋公司合作，投资,450,万美,元开了,3,
36、英寸纯度均匀、低缺陷的,SiC,单晶,和外延材料。另外，制造,SiC,器件的工艺,如离子注入、氧化、欧姆接触和肖特基接,触以及反应离子刻蚀等工艺取得了重大进,展，所以促成了,SiC,器件和集成电路的快,速发展。,?,由于,SiC,器件的优势和实际需求，它已经显示出,良好的应用前景。航空、航天、治炼以及深井,勘探等许多领域中的电子系统需要工作在高温,环境中，这要求器件和电路能够适应这种需要，,而各类,SiC,器件都显示良好的温度性能。,SiC,具,有较大的禁带宽度，使得基于这种材料制成的,器件和电路可以满足在,470K,到,970K,条件下工作,的需要，目前有些研究水平已经达到,970K,的工,
37、作温度，并正在研究更高的工作温度的器件和,集成电路。目前,SiC,器件的研究概况见表,7,。,表,7,SiC,器件的研究概表,SiC,Devi,ces,Power,MOSF,ET,4H-,Si,C,ME,SF,ET,6H-SiC,MES,FET,4H-SiC JFET,6H-,SiC,JFE,T,Shottky,diode,comme,nt,600V,，,8A,devic,es,fabric,ated,f,max,=,f,max,=25,42,GHz,GH,8.5d,z,b at,10G,Hz,eff,=340cm,2,V,-,Enhan,1,S,-1,at 300K,ce-,me,nt,mo
38、,de,Over 1,kV,break,down,at,300K,T,m,（,K,）,673,673,673,723,873,973,注：,T,m,为,Maximum operating temperature,?,国外对,SiC,器件的研究证明了,SiC,器件的,抗辐射的能力。,6H-SiC,整流器的抗电磁,脉冲,(EMP),能力至少是硅器件的,2,倍。实,验结果表明结型,6H-SiC,器件有较强的抗,下辐射的能力。埋栅,JFET,在,辐射条件下,的测试结果，总剂量,100,兆拉德条件下，,跨导和夹断电压基本不变。,?,对,125,伏和,410,伏,6H-SiC pn,结整流器进行,中子辐照
39、实验，中子流从,1013nA/cm2,，,到,1015nA/cm2,，时，辐照前后,1000mA,电流的正向压降和雪崩击穿电压的测试结,果说明：具有高掺杂的,125,伏整流器在正,向电流,400mA,的降压几乎不变,(30,伏,),，而,雪崩击穿电压仅增加了,8.8%,，而低掺杂,的,410,伏整流器正向压降和雪崩击穿电压,分别增加了,8.6%,和,4%,。,?,GaN,在宽禁带半导体中也占有主导地位。,GaN,半导体材料的商业应用研究始于,1970,年，其在,高频和高温条件下能够激发蓝光的特性一开始,就吸引了半导体开发人员的极大兴趣。但,GaN,的生长技术和器件制造工艺直到近几年才取得,了商
40、业应用的实质进步和突破。由于,GaN,半导,体器件在光电子器件和光子器件领域广阔的应,用前景，其广泛应用预示着光电信息乃至光子,信息时代的来临。,?,1993,年日本的日亚化学公司研制出第一支蓝光,发光管，,1995,年该公司首先将,GaN,蓝光,LED,商,品化，到,1997,年某市场份额已达,1.43,亿美元。,据,Strategies Unlimited,的预测，,GaN,器件年增,长率将高达,44%,，到,2006,年其市场份额将达,30,亿美元。目前，日亚化学公司生产蓝光,LED,，,峰值波长,450nm,，输出光为,3mw,，发光亮度,2cd(Ip=20mA),。,GaN,绿光,L
41、ED,，峰值波长,525nm,，输出光功率为,2mw,，发光亮度,6cd(Ip=20mA),。,?,日亚化学公司利用其,GaN,蓝光,LED,和磷光,技术，又开发出白光固体发光器件产品，,不久将来可替代电灯，既提高灯的寿命，,又大大地节省能源。因此，,GaN,越来越受,到人们的欢迎。,?,GaN,蓝光激光器也被日亚公司首先开发成,功，目前寿命已超过,10000hr,。与此同时，,GaN,的电子器件发展也十分迅速。目前,GaNFET,性能已达到,ft=52GHz,，,fmax=82GHz,。在,18GHz,频率下，,CW,输,出功率密度大于,3W/mm,。这是至今报导,K,波段微波,GaNFET
42、,的最高值。,?,在美国开展氮化镓高亮度,LED,和,LD,研究,的公司和大学有几十家之多，耗资上亿美,元。美国的,APA,光学公司,1993,年研制出,世界上第一个氮化镓基,HEMT,器件。,2000,年,9,月美国,kyma,公司利用,AlN,作衬底，开,发出,2,英寸和,4,英寸,GaN,新工艺；,2001,年,1,月美国,Nitronex,公司在,4,英寸硅衬底上制,造,GaN,基晶体管获得成功；,GaN,基器件和,产品开发方兴未艾。,?,目前进入蓝光激光器开发的公司包括飞利,浦、索尼、日立、施乐和惠普等。包括飞,利浦、通用等光照及汽车行业的跨国公司,正积极开发白光照明和汽车用,GaN
43、,基,LED(,发光二极管,),产品。涉足,GaN,基电子,器件开发最为活跃的企业包括,Cree,、,Rfmicro Device,以及,Nitronex,等公司。,?,目前，国外正朝着更大功率、更高工作温,度、更高频率和实用化方向发展。日本、,美国等国家纷纷进行应用于照明,GaN,基白,光,LED,的产业开发，计划于,2015,年,-2020,年取代白炽灯和日光灯，引起新的照明革,命。,?,据美国市场调研公司,Strstegies Unlimited,分析数据，,2001,年世界,GaN,器件市场接,近,7,亿美元，还处于发展初期。,2009,年世,界,GaN,器件市场达到,48,亿美元的销
44、售额,.,?,美国,Cree,公司由于其研究领先，主宰着,整个碳化硅的市场，几乎,85%,以上的碳化,硅衬底由,Cree,公司提供，,90%,以上的生产,在美国，亚洲只占,4%,，欧洲占,2%,。碳化,硅衬底材料的市场正在快速上升阶段，估,计到,2007,年，碳化硅衬底材料的生产将,达到,60,万片，其中,90-95%,被用于氮化镓,基光电子器件作外延衬底。,?,目前在,6H-SiC,衬底上氮化镓微电子材料,室温迁移率达到,2000cm2/V,S,，电子浓度,达到,1013cm-2,。生长在碳化硅衬底上的,氮化镓基,HEMT,的功率密度达到了,10.3W/mm(,栅长,0.6mm,，栅宽,30
45、0mm),，,生长在碳化硅衬底上的,AlGaN/GaN HEMT,器件（栅长为,0.12mm,）,的特征频率,f,t,=101GHz,、最高振荡频率,f,max,=155GHz,。,?,与蓝宝石衬底材料相比，碳化硅衬底材料,具有高的热导率，晶格常数和热膨胀系数,与氮化镓材料更为接近，仅为,3.5,（蓝,宝石与氮化镓材料的晶格失配度为,17%,），,是一种更理想的衬底材料。目前在碳化硅,衬底上氮化镓微电子材料及器件的研究是,国际上的热点，也是军用氮化镓基,HEMT,结构材料和器件的首选衬底，但碳化硅衬,底上材料十分昂贵。,（,2,）中国国内研究状况,?,中国国内开展,SiC,、,GaN,材料和器
46、件方面,的研究工作比较晚，和国外相比水平还比,较低。国内已经有一些单位在开展,SiC,材,料的研究工作。到目前为止，,2,英寸、,3,英,寸的碳化硅衬底及外延材料已经商品化。,目前研究的重点主要是,4,英寸碳化硅衬底,的制备技术以及大面积、低位错密度的碳,化硅外延技术。,?,?,目前国内进行碳化硅单晶的研制单位有,中科院物理所、,?,中科院上海硅酸盐研究所、,?,山东大学、,?,信息产业部,46,所等，,?,?,进行碳化硅外延生长的单位有,中科院半导体所、,?,中国科技大学,?,西安电子科大。,?,西安电子科技大学微电子研究所已经外延,生长了,6H-SiC,，目前正在进一步测试证,明材料的晶格
47、结构情况。另外，还对材料,的性质和载流子输运进行了理论和实验研,究，器件的研究工作也取得了可喜的进展。,?,采用国外进口的材料成功地制造出肖特基,二极管和我国第一只,6H SiC MOSFET,，,肖特基二极管的理想因子为,123,，开启电,压为,0.5,伏。,MOSFET,的跨导为,0.36ms/mm,，沟道电子迁移率为,2,14cm,N,s,。采用,AL/NiCr,制作的欧姆接触,的比接触电阻为,8.5,10,-5,/cm,2,，达到了,可以应用于实验器件的水平。,?,国内,GaN,研究亦已开始，主要在基础研究,方面，进展较快。在氮化镓基材料方面，,中科院半导体所在国内最早开展了氮化镓,基
48、微电子材料的研究工作，取得了一些具,有国内领先水平、国际先进水平的研究成,果，可小批量提供,AlGaN/GaN HEM,结构,材料，一些单位采用该种材料研制出了,AlGaN/GaN HEM,相关器件。,如：,?,中科院微电子所研制出具有国内领先水平,的,AlGaN/GaN HEM,器件；,?,信息产业部,13,所研制出了,AlGaN/GaN HEMT,器件，还研制出,GaN,蓝光,LED,样管，但发光亮度低。也研制出,了,GaNFET,样管,(,直流跨导,10ms/mm),，性,能较差。,?,?,由于碳化硅衬底上材料十分昂贵，目前,国内氮化镓基高温半导体材料和器件的研,究主要在蓝宝石衬底上进行
49、，由于蓝宝石,与氮化镓材料的晶格失配大、热导率低，,因此，材料和器件性能均受到很大限制。,三、半导体材料发展趋势,?,电子信息材料的总体发展趋势是向着大,尺寸、高均匀性、高完整性、以及薄膜化、,多功能化和集成化方向发展。当前的研究,热点和技术前沿包括柔性晶体管、光子晶,体、,SiC,、,GaN,、,ZnSe,等宽禁带半导体材,料为代表的第三代半导体材料、有机显示,材料以及各种纳米电子材料等。,?,随着电子学向光电子学、光子学迈进，微,电子材料在未来,5,10,年仍是最基本的信,息材料。电子、光电子功能单晶将向着大,尺寸、高均匀性、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
50、和低能耗方向发展。半导体微电子材,料由单片集成向系统集成发展。,?,微电子技术发展的主要途径是通过不断缩,小器件的特征尺寸，增加芯片面积以提高,集成度和信息处理速度，由单片集成向系,统集成发展。,?,1,、,Si,、,GaAs,、,InP,等半导体单晶材料向,着大尺寸、高均质、晶格高完整性方向发,展。椎,8,英吋硅芯片是目前国际的主流产,品，椎,12,英吋芯片已开始上市，,GaAs,芯,片椎,4,英吋已进入大批量生产阶段，并且,正在向椎,6,英吋生产线过渡；对单晶电阻,率的均匀性、杂质含量、微缺陷、位错密,度、芯片平整度、表面洁净度等都提出了,更加苛刻的要求。,?,2,、在以,Si,、,GaA
