半导体材料的应用及发展趋势

市场观察　

半导体制造的工艺与材料发展趋势　

Ｔｒｅｎｄｓ　ｏｆ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ａｎｄ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｏｆ　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　

作者／迎九《电子产品世界》编辑　

摘要：应用将持续驱动芯片业的发展。摩尔定律将继续演进，但形式正发生变化，从注重特征尺寸的缩小，　

正转变到同时关注材料和结构创新。预计中国半导体市场１０年内翻番，将带来半导体制造的兴盛。为了迎接　

１０ｎｍ以下的挑战，应用材料公司近期推出了三款新产品。　

关键词：晶圆，材料工程，设备，刻蚀，电子束　

ＤＯｌ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ。１００５—５５１７．２０１６。１　１．００２　

．．二Ｉ　征　

展趋势。　近日应用材料公司举办的媒体说明会上，应用　

材料中国公司首席技术官赵甘呜博士介绍了从　

该公司角度看未来晶圆制造的工艺与材料的发　

晶圆设备支出的驱动因素　

如图１，从２０００年开始，驱动晶圆设备支出（ｗＦＥ）的　驱动元素可以分成三个阶段，第一阶段是２０００年￣Ｕ２００８至　

２００９年，主要是由ＰＣ＋互联网所驱动的，平均每年大概是　

２５５￣Ｚ美元的投资，误差８Ｏ亿美元左右。　

２０１　Ｏ年有新的移动＋社交媒体模式涌现，这一波行情也　

是非常振奋人心的，这期间每个人基本上有一到两部移动手　

机或平板电脑，上面有各种各样的ＡＰＰ应用，使生活与社交　非常方便。这一波对晶圆设备行业的影响，大概是在原来的　基础之上又增加了２１％。从２０１　０年到２Ｏ１６年，每年约３１　７　

亿美元的支出，每年会有一些波动，波动值在２７４ｇ美元左　右。现在正在经历的这段时间及再往后，还是相对比较平稳　

发展的阶段。　

展望未来会有什么事情发生呢　是人工智能、ｌ　ｏＴ（物联　

网）、大数据、智能汽车、３Ｄ打印（增材制造）和个性化医疗　等，它们都是未来驱动整个市场或经济的非常重要的元素。　

回归到对芯片的生产会有怎样的变化　例如手机硅片的　

内容增加了，数据爆发性增长，电视、物联网有显示器的需　

２０１３年第１２期　科技一向导　◇职业教育◇　主要半导体材料的发展现状与趋势　张绍辉张金梅　（江西渝州科技职业学院江西新余３３８０００）　【摘要】随着世界科技技术的不断发展，由半导体材料组成的电子通信等产品进入到我们的日常生活中，成为了我们日常生活中必不可　少的组成部分。随着半导体材料的不断发展，其会在电子、通讯、纳米制造等领域得到广泛的应用。在提高人们的生涪质量以及促进社会的进步　方面具有积极的作用。　【关键词】半导体材料；发展现状；趋势　半导体材料是一种处于导体与非导体之间的特殊物质．其电阻率　相对较低。经过加工半导体材料可以制成晶体管、电子管以及集成电　路等，对通信、计算机、网络等行业的发展具有决定性的作用。近几年　来．随着我国经济的不断增长．我国电子类产品的生产出口也得到了　急剧的提高。目前，半导体材料的生产与应用成为了衡量一个国家综　合国力的重要标志之一。本文主要从半导体材料的发展现状分析、半　导体材料发展趋势以及发展我国半导体材料的几点建议三个方面来　对主要半导体材料的发展现状与趋势进行了分析　１．半导体材料的发展现状　１．１半导体硅材料　近几年来．不断的有新型半导体材料研制出来．而硅材料正是以其　成本低、资源丰富以及性能优良等特点占据着绝大部分的半导体市场．　绝大部分的电子产业都是以硅材料为基础的。一些集成电路、大规模集　成电路和超大规模集成电路都是由硅晶体或者硅材料的衍生材料组成　的，由此可见，硅材料的发展对集成电路的发展具有决定性的作用。　上世纪六十年代硅材料才被开发和应用到电子产品的研发当中．　其在各个领域得到了极为广泛的应用之后．需求量每年都以极快的速　度增长。现在全世界每年都要消耗掉２００００吨左右的硅材料。可以这　样认为．在未来的几十年里硅材料会是通信领域以及计算机领域当中　最为重要的半导体材料　在科技发展过程中．如果没有硅材料的支持　也就不会有各个领域科技的迅速发展　半导体硅材料可以分为单晶体　硅、多晶体硅、硅外延片以及非晶体硅等类型，根据其类型不同每种硅　晶体的特征以及用途也不同　１．２砷化镓单晶材料　砷化镓单晶材料具有耐高温、抗辐射能力强的特征，主要应用于　微型电子和光电材料等领域．在一些运行速度较快、频率较高要求高　的电路中应用较为广泛　当下．砷化镓单晶材料的生产量每年为二百　吨左右。　近几年来．随着人们对通信技术的要求不断增加．砷化镓单晶材　料的产量也不断提升．在未来的几十年里砷化镓的需求会不断增加。　我国对砷化镓单晶材料的研究时间较晚．随着北京圣科佳电子有限公　司等一系列半导体开发研制公司的成立．我国半导体材料的开发步入　了一个新的台阶．取得了不菲的成绩。　１＿３光子晶体　光子晶体是一种经过人工加工而形成的具有微结构的半导体材　料．其介电常数周期被调制到与工波相似的尺度．与半导体的电子能　间隙相差无几．进而光子晶体禁带能量的光波的传播是禁止的。加入　光子晶体的周期性遭到破坏．在禁带中也会出现施主和受主末，光子　态度密度随着光子晶体的的维度降低而被量子化。　随着微电子技术的不断发展．对电子产品中的芯片的要求程度越　来越高．而电子产品的体积越来越小．由于受到工艺和生产技术的限　制无法满足人们对信息的追求　由此．发展全新的微电子技术以及光　电子技术是新时期的首要目标　２．半导体材料发展趋势　上世纪９０年代之前．由于科学技术和成产能力相对落后半导体　硅材料成为了半导体材料的主要来源．其为电子技术的初步发展鉴定　了扎实的基础．是第一代半导体材料的重要标志：随着科技的不断进　步人们对信息的需求量也不断增加．在此背景下以砷化镓为代表的第　二代半导体材料研制出来．主要应用于微型电子和光电材料等领域　近几年来．出现了以氮的化合物为代表的第三代半导体材料．其正以　其特有的性能占据着电子市场　半导体材料的发展趋势是趋向于大尺寸、均强、完整性强、功能多　样化等方向发展　当前一些柔性的晶体管、光电晶体管一些宽禁带半　导体材料为第三代半导体材料的代表．是以后主要半导体材料的发展　７２　趋势。　随着电子产品逐渐向光电子和微型电子领域发展．半导体材料仍　然是未来几十年最主要的基础材料　随着电子技术的发展半导体材料　也逐渐向大尺寸、均匀性高、集成程度高的方向发展，半导体集成材料　主要向大规模或者超大规模的方向发展　微电子主要是缩小电子器件　的体积为目的．因此为增加芯片的面积提高对信息的处理频率和速　度．半导体材料由传统的单片集成向系统集成方向发展。　３．发展我国半导体材料的几点建议　基于我国科技发展现状以及半导体材料的开发水平．对我国半导　体材料的发展提出了以下几点建议：　３．１加大对硅材料的开发力度　硅材料是主要的半导体材料．至少在未来的几十年内对电子产品　的开发具有主导作用．但是．现阶段我国对一些硅晶体的提炼技术掌握　的不够大部分还需要从外进口　目前我国只能少量的将硅晶体可拉制８　英寸．但是相比于一些发达的国家而言还存在极大的差距．更不必说进　行大批量的生产　由此．笔者建议国家相关部门要加大对硅晶体研制研　究人员的培养力度．努力缩小我国与发达国家之间的差距。除此之外，　对硅晶体提炼基地可以配备先进的提取设备和专业人员．之后这样才　能更好的发展我国电子领域的科学技术．提高我国的综合国力。　３．２砷化镓有关化合物半导体晶体发展建议　砷化镓以及其相关的化合物的晶体提炼方面与发达国家相比还　有着不小的差距，由于我国对晶体加工和提取的设备过于落后以及缺　少专业的技术人员进而导致我国砷化镓以及相关化合物半导体的生　产能力相对落后　这就需要国家政府对晶体提取企业进行统一的管　理．各个企业之间相互交流相互合作，取长补短，最终达到世界的先进　水平行列。　３＿３大力发展超晶格以及一维半导体微结构材料　对于超晶格晶体的发展要从我国目前的经济实力为基础。逐步向　三基色材料以及光电通信材料的方向发展．并不断满足新型的微电子　产品和集成电路的要求．对传统的超晶格生产模式进行创新，同时引　进国外先进的晶体提取技术　通过不断的建设和努力，不断提高光电　子以及微电子技术中超晶格半导体材料的大规模生产能力，达到世界　先进水平之上。　虽然现阶段对一维半导体的研究正处于初步阶段，但是对一维半　导体的研发具有非常重要的作用　一些纳米晶体管技术的开发主要是　通过一维半导体来进行的　因此．我国要集中人力和财力加大对一维　半导体技术的开发和研制．在推动我国经济发展和科技进步方面具有　积极的作用。　４．结语　总而言之．半导体材料对科技的发展和创新具有重要的作用。随　着半导体材料的不断更新导致电子由微电子逐渐向光电子方向发展，　最终实现光子时代　通过近几年的发展可以看出，硅材料已经到了发　展的极限．第二代和第三代半导体材料已经逐渐取代硅材料的主体地　位．成为了研究和发展的重点所在。政府相关部门应当正确认识半导　体材料的发展现状和发展趋势．把握科技发展趋势，不断提高我国科　技水平提高我国的综合国力。　【参考文献】　『１］李海霞．几种半导体材料的现状与发展趋势『ＪＩ．科技探索，２０１２（０８）．　［２］王占国．半导体材料的发展现状与趋势（摘要）【Ｊ１．新材料产业，２ｏｏ０（０５）．　［３］代淑芬．半导体硅材料的发展现状及趋势ｌＪ１．无锡南洋职业技术学院论丛　２００８（０３）．　［４］王占国．半导体材料发展现状与趋势ｌＪｌ＿世界科技研究与发展，１９９８（０５）．

半导体材料与器件发展趋势总结

材料是人类社会发展的物质基础与先导。每一种重大新材料的发现和应用都把人类支配自然的能力提高到一个全新的高度。材料已成为人类发晨的里程碑。本世纪中期单晶硅材料和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研究成功，导致了电子工业大革命。使微电子技术和计算机技术得到飞速发展。从20世纪70年代的初期，石英光纤材料和光学纤维的研制成功，以及GaAs等Ⅲ-Ⅴ族化合物的材料的研制成功与半导体激光器的发明，使光纤通信成为可能，目前光纤已四通八达。我们知道，每一束光纤，可以传输成千上万甚至上百万路电话，这与激光器的发明以及石英光纤材料、光纤技术的发展是密不可分的。超晶格概念的提出MBE、MOCVD先进生长技术发展和完善以及超品格量子阱材料包括一维量子线、零维量子点材料的研制成功。彻底改变了光电器件的设计思想。使半导体器件的设计与制造从过去的杂质工程发展到能带工程。出现了以“电学特性和光学特性的剪裁”为特征的新范畴，使人类跨入到以量子效应为基础和低维结构为特征的固态量子器件和电路的新时代，并极有可能触发新的技术革命。半导体微电子和光电子材料已成为21世纪信息社会的二大支柱高技术产业的基础材料。它的发展对高速计算、大容量信息通信、存储、处理、电子对抗、武器装备的微型化与智能化和国民经济的发展以及国家的安全等都具有非常重要的意义。

一、几种重要的半导体材料的发展现状与趋势

1.硅单晶材料

硅单晶材料是现代半导体器件、集成电路和微电子工业的基础。目前微电子的器件和电路，其中有90％到95％都是用硅材料来制作的。那么随着硅单晶材料的进一步发展，还存在着一些问题亟待解决。硅单晶材料是从石英的坩埚里面拉出来的，它用石墨作为加热器。所以，来自石英里的二氧化硅中氧以及加热器的碳的污染，使硅材料里面包含着大量的过饱和氧和碳杂质。过饱和氧的污染，随着硅单晶直径的增大，长度的加长，它的分布也变得不均匀；这就是说材料的均匀性就会遇到问题。杂质和缺陷分布的不均匀，会使硅材料在进一步提高电路集成度应用的时候遇到困难。特别是过饱和的氧，在器件和电路的制作过程中，它要发生沉淀，沉淀时的体积要增大，会导致缺陷产生，这将直接影响器件和电路的性能。因此，为了克服这个困难，满足超大规模集成电路的集成度的进一步提高，人们不得不采用硅外延片，就是说在硅的衬底上外延生长的硅薄膜。这样，可以有效地避免氧和碳等杂质的污染，同时也会提高材料的纯度以及掺杂的均匀性。利用外延方法，还可以获得界面非常陡、过渡区非常窄的结，这样对功率器件的研制和集成电路集成度进一步提高都是非常有好处的。这种材料现在的研究现状是6英寸的硅外延片已用于工业的生产，8英寸的硅外延片，也正在从实验室走向工业生产；更大直径的外延设备也正在研制过程中。

主持人：

观众朋友，欢迎您来到CETV学术报告厅，最近美国的一家公司生产出一千兆的芯片，它是超微技术发展史上的一个分水岭，个人电脑业的发展，也将步入一个新的历史阶段，对整个信息业来说，它的意义不亚于飞行速度突破音速的极限，当然整个技术上的突破，也要依赖于以硅材料为基础的大规模集成电路的进一步微型化，50年代以来，随着半导体材料的发现与晶体管的发明，以硅为主的半导体材料，成为整个信息社会的支柱，成为微电子、光电子等高技术产业的核心与基础，这个情况，将会持续到下个世纪的中叶，当然，面对更大信息量的需求，硅电子技术也有它的极限，将会出现新的、替补性的半导体材料。关于半导体材料的发展现状与发展趋势，请您收看中国科学院王占国院士的学术报告。

王占国：

材料已经成为人类历史发展的里程碑，从本世纪的中期开始，硅材料的发现和硅晶体管的发明以及五十年代初期的以硅为基的集成电路的发展，导致了电子工业大革命。今天，因特网、计算机的到户，这与微电子技术的发展是密不可分的，也就是说以硅为基础的微电子技术的发展，彻底地改变了世界的政治、经济的格局，也改变着整个世界军事对抗的形式，同时也深刻影响着人们的生活方式。今天如果没有了计算机，没有了网络，没有了通信，世界会是什么样子，那是可想而知的。从20世纪70年代的初期，石英光纤材料和光学纤维的研制成功，以及GaAs等Ⅲ-Ⅴ族化合物的材料的研制成功与半导体激光器的发明，使光纤通信成为可能，目前光纤已四通八达。我们知道，每一束光纤，可以传输成千上万甚至上百万路电话，这与激光器的发明以及石英光纤材料、光纤技术的发展是密不可分的。

70年代超晶格概念的提出，新的生长设备，像分子束外延和金属有机化合物化学汽相淀积等技术的发展，以及超晶格、量子阱材料的研制成功，使半导体材料和器件的设计思想发生了彻底的改变。就硅基材料的器件和电路而言，它是靠P型与N型掺杂和PN结技术来制备二极管、晶体管和集成电路的。然而基于超晶格、量子阱材料的器件和电路的性质，则不依赖于杂质行为，而是由能带工程设计决定的。也就是说，材料和器件的光学与电学性质，可以通过能带的设计来实现。设计思想从杂质工程发展到能带工程，以及建立在超晶格、量子阱等半导体微结构材料基础上的新型量子器件，极有可能引发新的技术革命。从微电子技术短短50年的发展历史来看，半导体材料的发展对高速计算、大容量信息通信、存储、处理、电子对抗、武器装备的微型化与智能化和国民经济的发展以及国家的安全等都具有非常重要的意义。