半導(dǎo)體材料的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)(參考版)
2025-02-28 08:37本頁面
【正文】 預(yù)計(jì)到 2023年或 2023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)。 根據(jù)中國(guó)工程院的專項(xiàng)調(diào)查與預(yù)測(cè)，中國(guó) 2023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 8000萬平方英寸； ? 硅外延片 500萬平方英寸； ? GaAs單晶 2023千克； ? GaAs外延片 3～ 4萬片； ? 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。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。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。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)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)。 ? 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 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。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。 ?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。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。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。 ? 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。 ?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。 ?國(guó)內(nèi) GaN研究亦已開始，主要在基礎(chǔ)研究方面，進(jìn)展較快。采用 AL/NiCr制作的歐姆接觸的比接觸電阻為 105/Ω MOSFET的跨導(dǎo)為，溝道電子遷移率為14cm2N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。 ?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。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。 （ 2）中國(guó)國(guó)內(nèi)研究狀況 ?中國(guó)國(guó)內(nèi)開展 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。 ?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 ％（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。S，電子濃度達(dá)到 1013cm2。碳化硅襯底材料的市場(chǎng)正在快速上升階段，估計(jì)到 2023年，碳化硅襯底材料的生產(chǎn)將達(dá)到 60萬片，其中 9095%被用于氮化鎵基光電子器件作外延襯底。 ?據(jù)美國(guó)市場(chǎng)調(diào)研公司 Strstegies Unlimited分析數(shù)據(jù)， 2023年世界 GaN器件市場(chǎng)接近 7億美元，還處于發(fā)展初期。 ?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。包括飛利浦、通用等光照及汽車行業(yè)的跨國(guó)公司正積極開發(fā)白光照明和汽車用 GaN基LED(發(fā)光二極管 )產(chǎn)品。 2023年 9月美國(guó) kyma公司利用 AlN作襯底，開發(fā)出 2英寸和 4英寸 GaN新工藝； 2023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)品開發(fā)方興未艾。 ?在美國(guó)開展氮化鎵高亮度 LED和 LD研究的公司和大學(xué)有幾十家之多，耗資上億美元。在 18GHz頻率下， CW輸出功率密度大于 3W/mm。與此同時(shí)，GaN的電子器件發(fā)展也十分迅速。因此， GaN越來越受到人們的歡迎。 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)。據(jù) Strategies Unlimited的預(yù)測(cè)， GaN器件年增長(zhǎng)率將高達(dá) 44%，到 2023年其市場(chǎng)份額將達(dá) 30億美元。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)代的來臨。 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)光的特性一開始就吸引了半導(dǎo)體開發(fā)人員的極大興趣。 ?對(duì) 125伏和 410伏 6HSiC pn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 %，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 %和 4%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明結(jié)型 6HSiC器件有較強(qiáng)的抗下輻射的能力。S 1 at 300K Enhancement mode Over 1 kV breakdown at 300K Tm（ K） 673 673 673 723 873 973 注： Tm為 Maximum operating temperature ?國(guó)外對(duì) SiC器件的研究證明了 SiC器件的抗輻射的能力。 表 7 SiC器件的研究概表 SiC Devices Power MOSFET 4HSiC MESFET 6HSiC MESFET 4HSiC JFET 6HSiC JFET Shottky diode ment 600V，8A devices fabricated fmax=42GHz fmax=25GHz, b at 10GHz μeff=340cm2 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。 ? 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。 ?美國(guó)政府與西屋公司合作，投資 450萬美元開了 3英寸純度均勻、低缺陷的 SiC單晶和外延材料。 ? 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 2023年在武器系統(tǒng)中要廣泛使用SIC器件和集成電路，從此開始了有關(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。 ? 國(guó)外對(duì)
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