摘要
在半導體產業的發展中，一般將硅、鍺稱為第一代半導體材料;將砷化鎵、磷化銦、磷化鎵等稱為第二代半導體材料;而將寬禁帶eg2.3ev的氮化鎵、碳化硅和金剛石等稱為第三代半導體材料。本文介紹了三代半導體的性質比較、應用領域、國內外產業化現狀和進展情況等。
關鍵詞
半導體材料;多晶硅;單晶硅;砷化鎵;氮化鎵
1前言
半導體材料是指電阻率在107Ωcm10-3Ωcm，界於金屬和絕緣體之間的材料。半導體材料是製作晶體管、集成電路、電力電子器件、光電子器件的重要基礎材料[1]，支撐着通信、計算機、信息家電與網絡技術等電子信息產業的發展。電子信息產業規模最大的是美國和日本，其2002年的銷售收入分別為3189億美元和2320億美元[2]。近幾年來，我國電子信息產品以舉世矚目的速度發展，2002年銷售收入以1.4億人民幣居全球第3位，比上年增長20，產業規模是1997年的2.5倍，居國內各工業部門首位[3]。半導體材料及應用已成為衡量一個國家經濟發展、科技進步和國防實力的重要標誌。
半導體材料的種類繁多，按化學組成分為元素半導體、化合物半導體和固溶體半導體;按組成元素分為一元、二元、三元、多元等;按晶態可分為多晶、單晶和非晶;按應用方式可分為體材料和薄膜材料。大部分半導體材料單晶製片後直接用於製造半導體材料，這些稱為“體材料”;相對應的“薄膜材料”是在半導體材料或其它材料的襯底上生長的，具有顯著減少“體材料”難以解決的固熔體偏析問題、提高純度和晶體完整性、生長異質結，能用於製造三維電路等優點。許多新型半導體器件是在薄膜上製成的，製備薄膜的技術也在不斷髮展。薄膜材料有同質外延薄膜、異質外延薄膜、超晶格薄膜、非晶薄膜等。
在半導體產業的發展中，一般將硅、鍺稱為第一代半導體材料;將砷化鎵、磷化銦、磷化鎵、砷化銦、砷化鋁及其合金等稱為第二代半導體材料;而將寬禁帶eg2.3ev的氮化鎵、碳化硅、硒化鋅和金剛石等稱為第三代半導體材料[4]。上述材料是目前主要應用的半導體材料，三代半導體材料代表品種分別為硅、砷化鎵和氮化鎵。本文沿用此分類進行介紹。
2主要半導體材料性質及應用
材料的物理性質是產品應用的基礎，表1列出了主要半導體材料的物理性質及應用情況[5]。表中禁帶寬度決定發射光的波長，禁帶寬度越大發射光波長越短藍光發射;禁帶寬度越小發射光波長越長。其它參數數值越高，半導體性能越好。電子遷移速率決定半導體低壓條件下的高頻工作性能，飽和速率決定半導體高壓條件下的高頻工作性能。
硅材料具有儲量豐富、價格低廉、熱性能與機械性能優良、易於生長大尺寸高純度晶體等優點，處在成熟的發展階段。目前，硅材料仍是電子信息產業最主要的基礎材料，95以上的半導體器件和99以上的集成電路ic是用硅材料製作的。在21世紀，可以預見它的主導和核心地位仍不會動搖。但是硅材料的物理性質限制了其在光電子和高頻高功率器件上的應用。
砷化鎵材料的電子遷移率是硅的6倍多，其器件具有硅器件所不具有的高頻、高速和光電性能，並可在同一芯片同時處理光電信號，被公認是新一代的通信用材料。隨着高速信息產業的蓬勃發展，砷化鎵成為繼硅之後發展最快、應用最廣、產量最大的半導體材料。同時，其在軍事電子系統中的應用日益廣泛，並佔據不可取代的重要地位。
gan材料的禁帶寬度為硅材料的3倍多，其器件在大功率、高温、高頻、高速和光電子應用方面具有遠比硅器件和砷化鎵器件更為優良的特性，可製成藍綠光、紫外光的發光器件和探測器件。近年來取得了很大進展，並開始進入市場。與製造技術非常成熟和製造成本相對較低的硅半導體材料相比，第三代半導體材料目前面臨的最主要挑戰是發展適合gan薄膜生長的低成本襯底材料和大尺寸的gan體單晶生長工藝。
主要半導體材料的用途如表2所示。可以預見以硅材料為主體、gaas半導體材料及新一代寬禁帶半導體材料共同發展將成為集成電路及半導體器件產業發展的主流。
3半導體材料的產業現狀
3.1半導體硅材料
3.1.1多晶硅
多晶硅是製備單晶硅和太陽能電池的原料，主要生產方法為改良西門子法。目前全世界每年消耗約18000t25000t半導體級多晶硅。2001年全球多晶硅產能為23900t，生產高度集中於美、日、德3國。美國先進硅公司和哈姆洛克公司產能均達6000t/a，德國瓦克化學公司和日本德山曹達公司產能超過3000t/a，日本三菱高純硅公司、美國memc公司和三菱多晶硅公司產能超過1000t/a，絕大多數世界市場由上述7家公司佔有。2000年全球多晶硅需求為22000t，達到峯值，隨後全球半導體市場滑坡;2001年多晶硅實際產量為17900t，為產能的75左右。全球多晶硅市場供大於求，隨着半導體市場的恢復和太陽能用多晶硅的增長，多晶硅供需將逐步平衡。
我國多晶硅嚴重短缺。我國多晶硅工業起步於50年代，60年代實現工業化生產。由於技術水平低、生產規模太小、環境污染嚴重、生產成本高，目前只剩下峨嵋半導體材料廠和洛陽單晶硅廠2個廠家生產多晶硅。2001年生產量為80t[7]，僅佔世界產量的0.4，與當今信息產業的高速發展和多晶硅的市場需求急劇增加極不協調。我國這種多晶硅供不應求的局面還將持續下去。據專家預測，2005年國內多晶硅年需求量約為756t，2010年為1302t。
峨嵋半導體材料廠和洛陽單晶硅廠1999年多晶硅生產能力分別為60t/a和20t/a。峨嵋半導體材料廠1998年建成的100t/a規模的多晶硅工業性生產示範線，提高了各項經濟技術指標，使我國擁有了多晶硅生產的自主知識產權。該廠正在積極進行1000t/a多晶硅項目建設的前期工作。洛陽單晶硅廠擬將多晶硅產量擴建至300t/a，目前處在可行性研究階段。
3.1.2單晶硅
生產單晶硅的工藝主要採用直拉法cz、磁場直拉法mcz、區熔法fz以及雙坩鍋拉晶法。硅晶片屬於資金密集型和技術密集型行業，在國際市場上產業相對成熟，市場進入平穩發展期，生產集中在少數幾家大公司，小型公司已經很難插手其中。
目前國際市場單晶硅產量排名前5位的公司分別是日本信越化學公司、德瓦克化學公司、日本住友金屬公司、美國memc公司和日本三菱材料公司。這5家公司2000年硅晶片的銷售總額為51.47億元，佔全球銷售額的70.9，其中的3家日本公司佔據了市場份額的46.1，表明日本在全球硅晶片行業中佔據了主導地位[8]。
集成電路高集成度、微型化和低成本的要求對半導體單晶材料的電阻率均勻性、金屬雜質含量、微缺陷、晶片平整度、表面潔淨度等提出了更加苛刻的要求詳見文獻[8]，晶片大尺寸和高質量成為必然趨勢。目前全球主流硅晶片已由直徑8英寸逐漸過渡到12英寸晶片，研製水平達到16英寸。
我國單晶硅技術及產業與國外差距很大，主要產品為6英寸以下，8英寸少量生產，12英寸開始研製。隨着半導體分立元件和硅光電池用低檔和廉價硅材料需求的增加，我國單晶硅產量逐年增加。據統計，2001年我國半導體硅材料的銷售額達9.06億元，年均增長26.4。單晶硅產量為584t，拋光片產量5183萬平方英寸，主要規格為3英寸6英寸，6英寸正片已供應集成電路企業，8英寸主要用作陪片。單晶硅出口比重大，出口額為4648萬美元，佔總銷售額的42.6，較2000年增長了5.3[7]。目前，國外8英寸ic生產線正向我國戰略性移動，我國新建和在建的f8英寸ic生產線有近10條之多，對大直徑高質量的硅晶片需求十分強勁，而國內供給明顯不足，基本依賴進口，我國硅晶片的技術差距和結構不合理可見一斑。在現有形勢和優勢面前發展我國的硅單晶和ic技術面臨着巨大的機遇和挑戰。
我國硅晶片生產企業主要有北京有研硅股、浙大海納公司、洛陽單晶硅廠、上海晶華電子、浙江硅峯電子公司和河北寧晉單晶硅基地等。有研硅股在大直徑硅單晶的研製方面一直居國內領先地位，先後研製出我國第一根6英寸、8英寸和12英寸硅單晶，單晶硅在國內市場佔有率為40。2000年建成國內第一條可滿足0.25μm線寬集成電路要求的8英寸硅單晶拋光片生產線;在北京市林河工業開發區建設了區熔硅單晶生產基地，一期工程計劃投資1.8億元，年產25t區熔硅和40t重摻砷硅單晶，計劃2003年6月底完工;同時承擔了投資達1.25億元的863項目重中之重課題“12英寸硅單晶拋光片的研製”。浙大海納主要從事單晶硅、半導體器件的開發、製造及自動化控制系統和儀器儀表開發，近幾年實現了高成長性的高速發展。
3.2砷化鎵材料
用於大量生產砷化鎵晶體的方法是傳統的lec法液封直拉法和hb法水平舟生產法。國外開發了兼具以上2種方法優點的vgf法垂直梯度凝固法、vb法垂直布里支曼法和vcz法蒸氣壓控制直拉法，成功製備出4英寸6英寸大直徑gaas單晶。各種方法比較詳見表3。
移動電話用電子器件和光電器件市場快速增長的要求，使全球砷化鎵晶片市場以30的年增長率迅速形成數十億美元的大市場，預計未來20年砷化鎵市場都具有高增長性。日本是最大的生產國和輸出國，佔世界市場的7080;美國在1999年成功地建成了3條6英寸砷化鎵生產線，在砷化鎵生產技術上領先一步。日本住友電工是世界最大的砷化鎵生產和銷售商，年產gaas單晶30t。美國axt公司是世界最大的vgf
gaas材料生產商[8]。世界gaas單晶主要生產商情況見表4。國際上砷化鎵市場需求以4英寸單晶材料為主，而6英寸單晶材料產量和市場需求快速增加，已佔據35以上的市場份額。研製和小批量生產水平達到8英寸。
我國gaas材料單晶以2英寸3英寸為主，
4英寸處在產業化前期，研製水平達6英寸。目前4英寸以上晶片及集成電路gaas晶片主要依賴進口。砷化鎵生產主要原材料為砷和鎵。雖然我國是砷和鎵的資源大國，但僅能生產品位較低的砷、鎵材料6n以下純度，主要用於生產光電子器件。集成電路用砷化鎵材料的砷和鎵原料要求達7n，基本靠進口解決。
國內gaas材料主要生產單位為中科鎵英、有研硅股、信息產業部46所、55所等。主要競爭對手來自國外。中科鎵英2001年起計劃投入近2億資金進行砷化鎵材料的產業化，初期計劃規模為4英寸6英寸砷化鎵單晶晶片5萬片8萬片，4英寸6英寸分子束外延砷化鎵基材料2萬片3萬片，目前該項目仍在建設期。目前國內砷化鎵材料主要由有研硅股供應，2002年銷售gaas晶片8萬片。我國在努力縮小gaas技術水平和生產規模的同時，應重視具有獨立知識產權的技術和產品開發，發展我國的砷化鎵產業。
3.3氮化鎵材料
gan半導體材料的商業應用研究始於1970年，其在高頻和高温條件下能夠激發藍光的特性一開始就吸引了半導體開發人員的極大興趣。但gan的生長技術和器件製造工藝直到近幾年才取得了商業應用的實質進步和突破。由於gan半導體器件在光電子器件和光子器件領域廣闊的應用前景，其廣泛應用預示着光電信息乃至光子信息時代的來臨。
2000年9月美國kyma公司利用aln作襯底，開發出2英寸和4英寸gan新工藝;2001年1月美國nitronex公司在4英寸硅襯底上製造gan基晶體管獲得成功;2001年8月台灣powdec公司宣佈將規模生產4英寸gan外延晶片。gan基器件和產品開發方興未艾。目前進入藍光激光器開發的公司包括飛利浦、索尼、日立、施樂和惠普等。包括飛利浦、通用等光照及汽車行業的跨國公司正積極開發白光照明和汽車用gan基led發光二極管產品。涉足gan基電子器件開發最為活躍的企業包括cree、rfmicrodevice以及nitronex等公司。
目前，日本、美國等國家紛紛進行應用於照明gan基白光led的產業開發，計劃於2015年-2020年取代白熾燈和日光燈，引起新的照明革命。據美國市場調研公司strstegiesunlimited分析數據，2001年世界gan器件市場接近7億美元，還處於發展初期。該公司預測即使最保守發展，2009年世界gan器件市場將達到48億美元的銷售額。
因gan材料尚處於產業初期，我國與世界先進水平差距相對較小。深圳方大集團在國家“超級863計劃”項目支持下，2001年與中科院半導體等單位合作，首期投資8千萬元進行gan基藍光led產業化工作，率先在我國實現氮化鎵基材料產業化併成功投放市場。方大公司已批量生產出高性能gan芯片，用於封裝成藍、綠、紫、白光led，成為我國第一傢俱有規模化研究、開發和生產氮化鎵基半導體系列產品、並擁有自主知識產權的企業。中科院半導體所自主開發的gan激光器2英寸外延片生產設備，打破了國外關鍵設備部件的封鎖。我國應對大尺寸gan生長技術、器件及設備繼續研究，爭取在gan等第三代半導體產業中佔據一定市場份額和地位。
4結語
不可否認，微電子時代將逐步過渡到光電子時代，最終發展到光子時代。預計到2010年或2014年，硅材料的技術和產業發展將走向極限，第二代和第三代半導體技術和產業將成為研究和發展的重點。我國政府決策部門、半導體科研單位和企業在現有的技術、市場和發展趨勢面前應把握歷史機遇，迎接挑戰。
參考文獻
[1]師昌緒.材料大辭典[m].北京化學工業出版社，19941314
[2]http//我國電子信息產業總規模居世界第三.北方微電子產業基地門户網
[3]蓬勃發展的中國電子信息產業.信息產業部電子信息產品管理司司長張琪在“icchina2003”上的主題報告
[4]樑春廣-第三代半導體的曙光.新材料產業，2000，53136
[5]李國強.第三代半導體材料.新材料產業，2002,61417
[6]萬羣，鍾俊輝.電子信息材料[m].北京冶金工業出版社，199012
[7]中國電子工業年鑑編委會.中國電子工業年鑑2002[m].
北京電子工業出版社，2002293299
[8]電子信息材料諮詢研究組編.電子信息材料諮詢報告[m].北京電子工業出版社，20001542
人人簡歷網
