半导体材料发展

题目 半导体材料的发展 导 师 马晓华 学生姓名 王语晨 学生学号 1614123118 半导体材料发展 第一代半导体硅材料 第一代半导体材料主要是指硅（Si） 、锗元素（Ge）半导体材料。作为第一代 半导体材料的锗和硅，在国际信息产业技术中的各类分立器件和应用极为普遍 的集成电路、电子信息网络工程、电脑、手机、电视、航空航天、各类军事工 程和迅速发展的新能源、硅光伏产业中都得到了极为广泛的应用，硅芯片在人 类社会的每一个角落无不闪烁着它的光辉。硅制程是大量生产且便宜的制程。 且硅（Si）有较好的物理应力，所以可做成大尺寸的晶圆（现今，Si 晶圆直径 约为 300 mm，而 GaAs 晶圆最大直径约只有 150 mm） 。在地球表面上有大量硅 （Si）的原料：硅酸盐矿。硅工业已发展到规模经济（透过高的产能以降低单 位产品的成本）的情形了。第二个主要的优点是，硅很容易就会变成二氧化硅， 二氧化硅在电子元件中是一种很好的绝缘体。二氧化硅可以轻易地被整合到硅 电路中，且二氧化硅和硅（Si）拥有很好的界面特性。第三，大概也是最重要 的优点，是硅拥有高很多的空穴移动率。在需要 CMOS 逻辑时，高的空穴率可以 做成高速的 P-沟道场效应晶体管。如果需要快速的 CMOS 结构时，虽然 GaAs 的 电子迁移率快，但因为它的功率消耗高，所以使的 GaAs 电路无法被整合到 Si 逻辑电路中。 第二代半导体 GaAs 和 InP 单晶材料 GaAs 和 InP 是微电子和光电子的基础材料，为直接带隙，具有电子饱和漂 移速度高、耐高温、抗辐照等特点，在超高速、超高频、低功耗、低噪音器件 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。近年来,为满足高 速移动通信的迫切需求，大直径（4，6 和 8 英寸）的 SI-GaAs 发展很快，4 英寸 70cm 长， 6 英寸 35cm 长和 8 英寸的半绝缘砷化钾 S I - G a A s）也在 日本研制成功。 第三代半导体 GaN 和 SiC 以碳化硅和氮化镓为代表的第三代半导体材料凭借其宽禁带、高热导率、高 击穿电场、高抗辐射能力等特点，在许多应用领域拥有前两代半导体材料无法 比拟的优点，有望突破第一、二代半导体材料应用技术的发展瓶颈，市场应用 潜力巨大。根据第三代半导体不同的发展情况，其主要应用为半导体照明、电 力电子器件、激光器和探测器以及其他 4 个领域，每个领域产业成熟度各不相 同，其中前沿研究领域，宽禁带半导体还处于实验室研发阶段。预计到 2020 年， 第三代半导体技术应用将在节能减排、信息技术、国防三大领域催生上万亿元 潜在市场，而碳化硅和氮化镓器件很可能成为推动整个电力电子、光电子和微 波射频三大领域效率提升和技术升级的关键动力之一。 国际上第三代半导体产业已经整体进入产业形成期，并开始步入激烈竞争的 阶段，众多国家将其列入国家战略，从国际竞争角度看，美、日、欧等发达国 家已将第三代半导体材料列入国家计划，并展开全面战略部署，欲抢占战略制 高点。 我国政府高度重视第三代半导体材料的研究与开发，从 2004 年开始对第三代 半导体领域的研究进行了部署，启动了一系列重大研究项目，2013 年科技部在 863 计划新材料技术领域项目征集指南中明确将第三代半导体材料及应用列为 重要内容。2015 年 5 月，国务院发布中国制造 2025 ，新材料是中国制 造 2025重点领域技术路线图中十大重点领域之一，其中第三代半导体被纳 入关键战略材料发展重点；同年，京津冀联合共建了第三代半导体材料及应用 联合创新基地，欲抢占第三代半导体战略新高地，并引进国际优势创新资源。 2016 年作为“十三五”开局之年，科技部、工信部、国家发改委等多部委出台 多项政策，对第三代半导体材料进行布局。从政策的内容来看，科技创新仍是 重点，产业化布局、专业人才储备、投资鼓励、产业园规划建设、生产制造扶 植等方面的支持政策也逐步出台，力争全面实现“换道超车” 。地方政策也在 2016 年大量出台，一方面多地均将第三代半导体写入“十三五”相关规划（17 项） ；另一方面不少地方政府有针对性的对当地具有一定优势的 SiC 和 GaN 材料 企业进行扶持。 与第一二代半导体材料相比，第三代半导体材料具有更宽的禁带宽度、更高 的击穿电场、更高的热导率、更高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力，更适 合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件，通常又被称为宽禁带半导体材料 （禁带宽度大于 2.2 eV） ，亦被称为高温半导体材料。从目前第三代半导体材 料和器件的研究来看，较为成熟的是 SiC 和 GaN 半导体材料，而氧化锌、金 刚石、氮化铝等材料的研究尚属起步阶段。碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN） 并称为第三代半导体材料的双雄。相对于 Si， SiC 的优点很多：有 10 倍的 电场强度，高 3 倍的热导率，宽 3 倍禁带宽度，高 1 倍的饱和漂移速度。因 为这些特点，用 SiC 制作的器件可以用于极端的环境条件下。微波及高频和短 波长器件是目前已经成熟的应用市场。42 GHz 频率的 SiCMESFET 用在军用相 控阵雷达、通信广播系统中，用 SiC 作为衬底的高亮度蓝光 LED 是全彩色大 面积显示屏的关键器件。在碳化硅 SiC 中掺杂氮或磷可以形成 n 型半导体， 而掺杂铝、硼、镓或铍形成 p 型半导体。在碳化硅中大量掺杂硼、铝或氮可以 使掺杂后的碳化硅具备数量级可与金属比拟的导电率。掺杂 Al 的 3C-SiC、掺 杂 B 的 3C-SiC 和 6H-SiC 的碳化硅都能在 1.5 K 的温度下拥有超导性，但 掺杂 Al 和 B 的碳化硅两者的磁场行为有明显区别。掺杂铝的碳化硅和掺杂 B 的晶体硅一样都是 II 型半导体，但掺杂硼的碳化硅则是 I 型半导体。 氮化镓（GaN、Gallium nitride）是氮和镓的化合物，此化合物结构类似纤 锌矿，硬度很高。作为时下新兴的半导体工艺技术，提供超越硅的多种优势。 与硅器件相比，GaN 在电源转换效率和功率密度上实现了性能的飞跃。GaN 具 备出色的击穿能力、更高的电子密度及速度、更高的工作温度。氮化镓的能隙 很宽，为 3.4eV，广泛应用于功率因数校正（PFC） 、软开关 DCDC 等电源系统 设计，以及电源适配器、光伏逆变器或太阳能逆变器、服务器及通信电源等终 端领域。GaN 是极稳定的化合物，又是坚硬的高熔点材料，熔点约为 1 700 ， GaN 具有高的电离度，在 族化合物中是最高的（0.5 或 0.43） 。在大气 压力下，GaN 晶体一般是六方纤锌矿结构。它在一个元胞中有 4 个原子，原子 体积大约为 GaAs 的一半。 展望 金刚石是一种宽禁带半导体材料，带隙宽度为 5.5ev。它具有极其优异的物 理性质，如高载流子迁移率、高热导率、高击穿电场、高载流子、和低介电常 数等。 基于这些优异的性能参数，金刚石被认为是制备下一代高功率、高频、高温及 低功率损耗电子器件最有希望的材料。天然金刚石在地球上的储量非常稀少， 而且尺寸较小、价格昂贵。人造金刚石与天然金刚石的结构相同、性能相近、 成本相对较低，可应用于工业生产，并具有极好的商业前景。因此，科学家研 究人工备金刚石的方法以满足大量的工业需求。 随着半导体行业的不断发展，越来越多的半导体材料被应用于电子器件中。 普通半导体材料受其性能约束，在高温条件下的应用受到限制。而金刚石半导 体器件具有高载流子迁移率、高热导率和低介电常数等优异的电学性质，能够 在高频、大功率和高温高压等十分恶劣的环境中运行。金刚石通过掺杂可呈现 型导电和 型导电，性能远超 GaAs,GaN 和 SiC 等材料，是目前最有希望的 宽禁带高温半导体材料。此外，由于金刚石带隙很宽，在半导体领