半导体材料发展现状与趋势.ppt

半导体材料的发展现状及趋势;半导体材料是指电阻率在10-3~108Ωcm，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。;;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;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;二、半导体材料发展现状;1、半导体硅材料;硅;硅;硅;硅;硅;表3?? 现代微电子工业对硅片关键参数的要求;（1）多晶硅;;表4? 多晶硅质量指标;多晶硅;多晶硅;多晶硅;多晶硅;多晶硅;（2）单晶硅和外延片;硅晶片属于资金密集型和技术密集型行业，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