电子科学技术中半导体材料的发展探究

　　摘要：半导体材料是现代信息社会高新技术产业的基础和核心材料，在国民经济发展、科技进步和国防建设方面具有重要作用。介绍了半导体材料的特性、分类以及几种主要半导体材料的发展现状，展望了半导体材料的发展趋势。

　　关键词：半导体材料；硅材料；砷化镓；氮化镓；趋势

　　中图分类号：TM23 文献标识码：A 文章编号：1673-8756（2016）11-

　　1.半导体材料概述

　　半导体材料是指室温电阻率在1mΩcm～1GΩcm之间，介于金属和绝缘体之间的材料。在半导体产业的发展中，硅、锗称为第一代半导体材料；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；宽禁带的氮化镓、碳化硅、硒化锌和金刚石等称为第三代半导体材料。

　　半导体材料种类繁多，按照禁带宽度的不同，可分为窄带隙半导体材料和宽带隙半导体材料；按照化学组分和结构的不同，可分为元素半导体、化合物半导体、固溶体半导体、非晶半导体、微结构半导体、有机半导体和稀磁半导体等；按照使用功能的不同，可分为电子材料、光电材料、传感材料、热电致冷材料等。

　　半导体材料具有整流效应、光电导效应、负电阻温度效应、光生伏特效应和霍尔效应等五大特性，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。半导体材料及其应用已成为衡量一个国家经济发展、科技进步和国防实力的重要标志。

　　2.几种主要半导体材料发展现状

　　2.1硅材料发展现状

　　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，是电子信息产业最主要的基础材料，绝大部分的半导体器件和集成电路(IC)是用硅材料制作的。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。

　　从提高硅集成电路成品率，降低成本看，增大直拉硅（CZ-Si）单晶的直径仍是今后CZ-Si 发展的总趋势。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18英寸乃至27英寸，世界8英寸以上硅抛光片的生产技术和市场主要集中在美、日、德、韩等国，关键生产工艺对我国严格封锁。目前国内企业生产的硅片主要以直径4-6 英寸抛光片为主，8英寸抛光片尚不能实现大批量生产[1]，直径为 12 英寸（300mm）硅片一直依赖进口。2015年7月“40-28纳米集成电路制造用300毫米硅片”项目在上海启动，预计2017年底完成40-28纳米300毫米硅片量产技术攻关，实现15万片/月产能建设，将打破我国大尺寸硅材料基本依赖进口的局面。

　　2.2砷化镓材料的发展现状

　　砷化镓是微电子和光电子的基础材料，能带结构为直接带隙，与硅相比，具有电子迁移率高（8500cm2/V·s）、禁带宽（1.42eV）、电子饱和漂移速度高（2.1×10-7cm/s）等特点，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。砷化镓成为继硅材料之后发展最快、应用最广、产量最大的半导体材料，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。随着4G手机及物联网的快速发展，砷化镓的需求将大幅增长。

　　用于大量生产砷化镓晶体的方法是传统的LEC法和HB法，国外开发了兼具以上2种方法优点的VGF法、VB法和VCZ法[2]，成功制备出4～6英寸大直径GaAs单晶。国际上砷化镓市场需求以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。2001年北京有色金属研究总院成功拉制出了国内第一根直径4英寸的VCZ半绝缘砷化镓单晶；2015年，天津滨海砷化嫁抛光片产业化项目全面完成了2～6英寸砷化镓单晶生长技术开发和免清洗砷化镓抛光片规模化生产，顺利通过科委专家组现场验收。2016年4月，总投资32亿元半导体产业园项目落户河北迁安，将建设2条年产18万片6英寸砷化镓芯片生产线和1条年产6万片砷化镓外延片生产线。

　　2.3氮化镓材料的发展现状

　　氮化镓材料具有禁带宽度大（3.4eV）、击穿电场高（5.0M/cm）、热导率大（2.0W/c·K）、电子饱和漂移速度高（2.7×10-7cm/s）、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，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。

　　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业应用的实质进步和突破。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。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。国内开展GaN材料的研究工作较晚，但在基础研究方面进展较快，信息产业部13所研制出了AlGaN/GaN HEMT器件及GaN蓝光LED样管，中科院研制出l具有国内领先水平的AlGaN/GaN HEM器件。目前，我国已有少数企业成功开发了GaN材料，GaN微波器件于2013年进入小批量生产阶段[3]。

　　3.半导体材料的发展趋势

　　（1）Si、GaAs、InP等传统半导体单晶材料将继续向着大尺寸、高均质、晶格高完整性方向发展；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、表面洁净度等方面的要求将更加苛刻。

　　（2）宽禁带半导体材料SiC、GaN、ZnSe、金刚石等将得到大力发展。宽禁带半导体材料具备高热导率、高介电强度、高电子迁移率、高电场电子速度(饱和速度)等独特的物料性能，在制造高功率放大器、开关和二极管、毫米波放大器等方面具有重要价值。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。

　　（3）半导体材料将由三维体材料向薄膜、两维超晶格量子阱、一维量子线和零维量子点材料方向发展。这对未来的全球通信、高速计算、大容量信息存贮与处理、大屏幕显示和全固态光源、电子对抗、空间防御以及武器装备走向微型化、智能化等方面具有重大意义。

　　4.结语

　　半导体材料是21世纪高新技术产业的基础和核心材料，我国半导体材料的应用市场广阔，但高端技术及制造能力相对落后，我们应抓住当前传统半导体材料更新换代的契机，抢占半导体材料研发和制造的新高地。

　　参考文献

　　[1]刘浦锋.超大规模集成电路用硅片产业化[J].世界科学，2013(6).

　　[2]周春锋，兰天平，孙强.砷化镓材料技术发展及需求[J].天津科技，2015，42(3)：11-15.

　　[3]于灏，蔡永香，卜雨洲等.第3代半导体产业发展概况[J].新材料产业，2014(3)：2-7.

　　罗佳斌