半导体技术及其器件的发展应用

1、半导体技术及其器件的发展应用120131326 刘玉光摘要：半导体技术是指半导体加工的各种技术，包括晶圆的生长技术、薄膜沉积、光刻、蚀刻、掺杂技术和工艺整合等技术，以半导体为材料，制作成组件及集成电路的技术。半导体材料已经有多年的发展历史，自从有机半导体材料开始受到重视以后，有机半导体器件的制作水平就有了很大程度的提高，并且已经开始投入到市场上，来实现它的价值。本文简要回顾了半导体技术多年的发展历史,介绍了有机半导体的发展情况，各种器件的技术现状；太阳电池、有机发光二极管等有机半导体器件的应用情况，阐述了有机半导体的优势，探讨了有机半导体技术的应用前景,并且介绍了晶体管、集成电路、功率半导体器

2、件以及半导体材料等的研究发展过程和当前的水平,并展望21世纪半导体技术的发展方向及其在信息社会中将起的作用。关键字：半导体技术；半导体器件；发展；应用；展望1、 历史的回顾 早在晶体管发明之前,人们就将半导体用于电子学中,第一个无线电检测器采用金属丝与矿石或硅相接触来工作的,但这种检测器性能很不稳定,而且取决于操纵者找到最佳整流触点的能力。三十年代初,其它半导体,诸如氧化亚铜和硒被用作整流器,在此期间,人们对半导体材料的体特性和表面特性在理论上有了进一步的认识,但是当时因缺少纯而稳定的半导体样品而无法通过实验来证实。从三十年代后期,特别在第二次世界大战期间,人们对微波频率做了大量的工作,因此对

3、用于低噪音、小电容检波器的点接触二极管再次表现出极大兴趣。美国贝尔电话实验室的微波研究组将硅选为主要材料,此后对硅的性质作深入细致的研究,一直延续到六十年代。第二次世界大战期间,半导体技术的发展受到重视。因为在通信、探测敌方目标、导航和火力控制系统中需要先进的电子技术和器件。尤其在武器系统中,对元器件的尺寸、重量、可靠性提出更高的要求,为此美国国家标准局为研制坚固耐用的小型器件提供资助,以促其发展。 与此同时,美国贝尔实验室有一个固体物理研究组,这个研究组在研究半导体基础特性方面差不多花了两年半时间,直到1947年12月诞生了世界上第一只点接触晶体管。晶体管的诞生标志一个新时代的开始,引起全球

4、科学界的极大兴趣,从而对材料制备和工艺技术方面进行深入细致的研究,发展速度日新月异,例如, 1947年的点接触晶体管, 1951年的结型晶体管, 1953年的表面势垒晶体管, 1955年的扩散基区晶体管, 1959年的平面晶体管。由平面晶体管步入集成电路,这一发展趋势是始料未及的。在半导体技术发展过程中,必须提及材料科学所取得的成就。第一代半导体材料为元素半导体,如锗和硅。锗是最早实现提纯和完美晶体生长,并最早用来制造晶体管的半导体材料。但是,由于锗的禁带较窄,锗器件的稳定工作温度不如硅器件高,加之资源有限,其重要地位早在半导体工业发展初期就被硅所取代。到目前为止,二极管、晶体管和集成电路的制

5、造,仍然是半导体工业的核心内容,而硅是制造这些器件的最主要材料。第二代为化合物半导体。化合物半导体大多是由元素周期表中间部分的某两种或两种以上元素化合而成的,其中砷化镓和磷化镓是研究得最为深入、应用也最广泛的化合物半导体。与硅相比,砷化镓的禁带稍宽一点,有利于制作需要在较高温度下工作的器件,但其热导率较低,不适于制作电力电子器件。砷化镓的另一特长是其电子迁移率很高,为硅中电子迁移率的五倍。因此,砷化镓晶体管和集成电路有较高的工作频率。目前,砷化镓集成电路已开始应用于军事设施,激光器、探测器、高速器件、微波二极管和微波IC是砷化镓在当前最成熟的一些应用。第三代为宽禁带半导体材料,主要包括碳化硅(

6、 SiC)、金刚石和氮化镓( GaN)等。同第一、第二代材料相比,宽禁带半导体材料具有禁带宽度大( Eg> 2. 3eV )、电子漂移饱和速度高、介电常数小、热导性能好等特点,非常适合于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件; 而利用其特有的禁带宽度,还可以制作蓝、绿光和紫外光器件和光探测器件。目前,采用SiC来制作功率半导体器件,其性能优于硅功率器件,例如, SiC pin二极管的反向恢复时间可达100ns以下,仅为硅pin二极管的三分之一左右。一种耐压400V 的SiC肖特基整流器在电流密度为100A /cm2时压降仅为1. 1V ,远低于相应的pn结二极管,而且肖特基整流器

7、具有极短的反向恢复时间,约为10ns,而Si pin二极管的反向恢复时间约为250ns。GaN 已成为第三代半导体材料的曙光,尤其是进入90年代以后, GaN 基器件的发展十分迅速。1991年,研制成功掺Mg的GaN 同质结蓝光LEDs, 1993年将蓝光发光亮度提高到1cd, 1995年达到2cd,并于同年实现绿光LEDs的商品化,其亮度达到6cd。1998年APA光学公司推出世界上第一个商品化的GaN基UV 探测器系列,同传统的Si探测器相比, GaN 探测器在可见光范围内的工作要有效得多,而且可以在300的高温环境中工作。2、 半导体技术发展趋势 中国半导体行业协会顾问许居衍院士预测21

8、世纪徽电子技术的具体发展趋势主要有以下三个方面:·不断增长高密度嵌人设计水平；·不断扩展跨学科横向应用；·最终进人技术平台期, 等待新的突破。（1）我国半导体技术的发展 我国半导体技术发展的总体水平还处于幼年期，产业链不配套、不完善，如制造与设计、封装测试产业发展水平不平衡，规模相互不平衡等矛盾突出；技术水准低，如制造业70 以上的公司还停留在0.35微米及以上的制程工艺，设计业规模小、产值小，封装测试还是低水平；研发能力差，缺乏自主知识产权；政策配套，市场化管理等方面也暴露出不少问题。 据当年参加半导体硅片科研攻关的有研硅股公司秦福教授介绍，到目前为止，我国还不

9、能大批量生产8 英寸硅片，6 英寸硅片的生产尚未普及，而小直径硅片在质量，特别是产品的稳定性方面与国外还有较大的差距。我国硅片的总体水平大约相于国外上世纪90年代初的水平，产量约占全球总产量的1% 。这与我国信息产业在世界市场上所占的比例很不相称。以龙芯1 号，神威1 号，方舟1、2 号为代表的具有自主知识产权的C P U “中国芯”的研制成功打破国外的垄断，有了一个良好开端，有人认为“产业化的难度，远比研制国产C P U 的过程难！”复旦微电子公司市场部负责人并不掩饰“神威一号”出生后的苦恼。与“神威一号”一样，北京的“龙芯一号”也正在寻找产业化突破。 半导体产业包括三大产业群：I C 设计

10、公司（Fabless）、加工厂（Foundry）和封装测试厂。其中IC 设计以人为主，是脑力密集型的产业；加工厂是资金、技术密集、高进入障碍的产业；下游的封装测试厂相比之下是中等投资密集和风险的产业。而我国的半导体产业大都集中在中、下游的芯片制造阶段。国内在集成电路生产方面差距不仅在工艺技术水平上，还在于难于获得规模经济带来的成本优势，以及缺乏大生产所需的管理能力和经验。对于国际流行的晶圆代工（Foundry）这种商业模式，国内集成电路制造业所拥有的运作经验就更少了。我国在“十五”期间仍将大规模硅生产线的建设列为半导体业发展的重要内容，具体目标如下：建设34 条6 英寸生产线，扩大市场试销对路

11、产品的生产能力；建设45 条8 英寸芯片生产线，形成0.350.18 微米技术产品的生产加工能力；建设12 条12 英寸芯片生产线，形成0.180.13微米技术产品的生产能力。（2）国际半导体的发展 IBM半导体研发中心技术开发副总裁Percy Gilbert 2月8日在“世界半导体东京峰会2012”发表了演讲，他说，半导体技术的进步为社会带来了互联网的普及等变革，今后还要继续推进该技术的发展。不过，除了传统技术之外，器件、制造及材料的技术革新变得不可或缺。同时，业务模式也要革新，IBM作为研发型半导体公司称“合作”尤其重要，IBM的“共生系统”战略不仅要联手半导体厂商，还要与设备厂商、装置及

12、材料厂商合作，由此来分担研发投资。台积电代表也在会上表示，逻辑电路尖端工艺的发展将继续受到市场欢迎。公司现行28nm工艺，计划2012年下半年将使20nm工艺量产化，2014年则将推进到14nm工艺量产化。同时，对“更摩尔”(More Moore)微细化以外追求差异化的“超摩尔”(More thanMoore)的量产器件，也将推进微细化以降低成本。SIA(美国半导体工业协会)于去年底在韩国首次公布了2011ITRS(2011年国际半导体技术发展路线图)，对半导体设计和制造技术到2026年的发展作了预测。SIA总裁Brian Toohey说，路线图的宗旨之一是遵循摩尔定律的发展速度，不断缩小工艺

13、尺寸、提高性能以满足消费者的需求。ITRS特别指出，DRAM将加速发展以因应高端服务器、台式游戏机复杂图形的进步。广泛用于数码相机、平板电脑和手机的Flash闪存近几年内也将快速发展，2016年将出现3D架构产品。此外，也详细介绍了连接器、开关、有关器件、材料以及射频和模拟混合信号技术的未来革新。3、 半导体技术发展的特点（1）高投入、高技术、技术更新周期短 如硅材料工业，是一个资金、技术密集、支撑能力强而自身效益不甚高的产业。对此上海晶华的技术顾问李积和教授指出它目前呈现出，硅片生产厂商所承受的价格压力大，硅片工业在生产与市场方面已经形成垄断以及IC用主流硅片制造正从8英寸向12 英寸过渡等

14、几大特点。半导体技术的发展速度快，按照摩尔定律的规律，技术更新迅速， “一代产品，一代设备，一代工艺，一代材料”节奏加快，往往形成一代技术刚开始普及就有新一代产品诞生，新一代技术更新旧技术被淘汰，特别是旧设备的巨额投资还未收回，就变成一堆废铁。（ 2 ） 综合性强 半导体技术涉及到基础学科到技术层次的广泛领域，不仅前道微细加工技术是核心技术，就是其周边的支撑技术包括超净，超纯，超微细，超精度等内容亦涉及到广泛的技术领域，而且就技术层面上也是互相交错、互相倚赖的。随着现代微电子技术的飞速发展，各种光电子器件的微型化，对材料的纳米化要求愈加强烈，纳米材料学必将成为最活跃的学科之一。前端制造进入12

15、吋晶圆0.13微米以下制程，强调高传输速率、低功率、高脚数时，传统封装与测试技术，都必须分别往不同的领域突破，需要不同的技术，因为晶体管数目越多，I O 的脚数越多，传输速度越快，封装走向覆晶（Flip Chip；F C ）、系统封装（S I P ），测试则是朝向系统芯片（S o C ）测试、晶圆级测试。由于芯片传输速率越快，测试设备的等级就要越高，单位时间所花的测试成本就越高，使得测试成本居高不下，在封装与测试分别在降低成本上接受不同的考验，过去不被重视的后段封装与测试，目前反而成为半导体制程技术发展的瓶颈。测试不再是半导体产业链最末端，半导体产业结构必须将测试部分移至与IC 设计端同步，I

16、C 在设计阶段就必须把测试问题考虑在内，由此，就产生了可测试化设计（Design For Test，DFT）内建自我测试（Build in Self-test，BIST）来辅助测试作业。DFT BIST 的功能就是在IC 设计端将测试问题考虑进去，才能解决IC 制作完成后的测试验证，显示测试在SoC 的时代，不是传统制造为导向单纯简单的测试而已，测试含有丰富的知识技术为基础。（ 3 ）高集成、重复使用 大规模硅晶圆生产线的数量和质量，是当今衡量一个国家或地区半导体业发展水平高低的重要指标。尽管目前业内普遍认为，fabless（无生产线）公司的兴起业已成为推动半导体业发展的强劲动力，但我们仍然不

17、能否认大规模生产线的建设对一个国家或地区半导体业整体素质的提升有不可替代的作用。许居衍院士认为，高密度嵌入设计是IC设计的追求，“在尽可能小的空间、集成尽可能大规模功能”的理想是微电子技术无止境的追逐目标，由此带动了设计、测试、封装的进步，并在工艺协同下，促进了设备、材料、甚至工厂模式的变迁。他说，从晶体管到IC 的转变是个观念上的突破，把电子系统集成到一个芯片上，把IC 的单纯硬件设计提升到电子系统的软件与硬件合理分配的决策上来的IS，是观念上又一个突破。IS 不仅是微电子技术的下一个发展热点，而且还推动着上述一系列相关技术的发展，又是微电子技术的下一个发展重点。4、 半导体器件的发展 随着

18、信息社会的不断发展, 单一功能的材料与器件越来越难以满足应用领域的各种需求, 因此一批具有半导体特性的有机功能材料如塑料和高分子聚合物等陆续被开发出来, 并且正在尝试应用于由Si 和GaAs 等传统半导体材料所占领的领域。有机半导体材料具有原料易得、廉价、重量轻、制备工艺简单、环境稳定性好以及可制作成大面积柔性器件等优点 。而且这类器件即使报废了也可以回收再利用, 非常符合当前大力倡导的节能环保理念 。长久以来人们普遍认为有机物是不导电的, 因此被广泛用作绝缘材料, 直到20 世纪70 年代, 美国物理学家A1 J1Heeger、化学家M1MacDiarmid和日本化学家H1 Shirakaw

19、 a 共同发现对聚乙炔分子进行掺杂可以使其变成良导体, 从而拉开了有机半导体技术研究的序幕, 这三位科学家凭借该项重大发现成为2000 年诺贝尔化学奖得主 。 自上世纪80 年代以来, 有机半导体研究领域云集了众多世界知名公司、大学与研究机构, 如美国的IBM、柯达、通用显示公司、固态显示实验室、普林斯顿大学、英国剑桥大学、日本索尼公司、NEC 公司、丰田公司、韩国三星和LG 以及印度科学院等 , 不断开发出能改善有机半导体特性和稳定性的新材料和制造技术, 而新材料和新技术的应用又极大地促进了有机场效应晶体管( OFET) 、有机发光二极管( OLED) 和有机光伏电池( OPC) 以及有机传

20、感器等有机电子器件和有机光电子器件性能的提高。当前有机半导体器件的应用正在不断扩大, 市场份额也在逐年增长。在学术界与工业界的共同努力下, 有机半导体材料与技术研究不断取得新的进展, 这一领域已成为一个汇集了物理、化学与材料科学等学科的多学科交叉研究领域, 工艺技术不断取得新的突破, 预示着有机半导体革命的到来 。一些业内专家认为, 用有机半导体材料开发出各种新型导电聚合物器件的研究正在改变着高技术未来的发展方向。当前, 采用有机半导体已可制作各种类型的有源器件和无源器件, 如晶体管、二极管、OLED、传感器、存储器、显示器、电池、电阻、电容、电感和天线等。下面简要介绍几种典型有机半导体器件的

21、研究与应用现状。（1）有机太阳池传统的太阳电池是化合物薄膜太阳电池，而新型的太阳电池要采用新型的技术，有机太阳电池将作为一种新型产物摆在大家的面前，有机太阳电池的生产流程很简单，而且可以通过讲解来减少对环境的污染，由于这些优点符合当代社会的需要，所以有机太阳电池越来越受到大家的关注。如此廉价的太阳电池会让世界的能源发生巨大的改变。有机太阳电池比传统的电池更薄，重量更轻，受光面积在不断增加，所以可以大大提高光电的使用效率，在电脑等小型设备当中可以当作电源来用。可以使用有机太阳电池作为OLED 屏幕的电源，可以大大减少重量。虽然太阳电池很薄、很轻，也很有柔性，但是它的效率不高，而且寿命也比较短，通

22、过研究，改变太阳电池的缺点，使得效率达到10%，寿命也可以超过5 年。（2）有机半导体晶体管 有机半导体材料的晶体管是有机电子器件当中很重要的一种器件，比如OFET。当前OFET 的技术主要有聚合物、小分子蒸发或者是小分子溶液铸模等等。OFET 的优点是成本低、柔性大等等，有很好的发展前景。OFET 的发展很迅速，无论是材料还是制备工艺方面都有了突破，它可以使OLED 发光，形成逻辑电路，发光场效应晶体管以及单晶场效应晶体管等等器件都已经开发出来。世界各个国家都在研究有机半导体晶体管，2009 年，日本的专家使用液相外延工艺生产了并五苯单晶，几乎是没有任何缺陷的，之后使用这种单晶制成了OFET

23、，场效应的迁移率可以得到0.6cm2/（V.s）。2010 年法国研究人员研究出一种能够模仿神经元突触功能的有机存储场效应晶体管，有机半导体晶体管会有希望成为新一代集成电子器件。（3）OLED 技术与LCD 技术比较，OLED 不仅可以做到折叠和随身携带，还具有更好的可适度、更好的图像质量以及更薄的显示器。现在OLED 已经开始应用到手机、以及数码相机等小型设备当中。当前在OLED 显示器开发的市场当中占有很大优势的企业有三星、LG以及柯达等等。2010 年初，三星展出了OLED 笔记本电脑，还推出了带有OLED 平面的MP3 播放器。预计未来五年智能手机会促使OLED 显示器呈现出快速发展的

24、势头。随着OLED 技术的快速发展，未来很可能会应用到显示器、照明当中。由于OLED 的刷新速率很高，这使得视频图像更加逼真，还可以随时进行图像的更新。未来的报纸也有可能成为OLED 显示器，能够更新新闻，还能够卷起来。有机半导体技术已经在很多领域都占有自己的重要位置，很多企业已经开始开发半导体技术的产品。使用OLED技术的玻璃窗在电源关闭的时候和普通的玻璃没区别，但是在接通电源之后就会变成显示器。使用OLED 技术的汽车挡风玻璃也不仅仅是挡风，还能够提供其它的帮助。有机半导体材料作为一种新型材料，经过不断开发和研究，已经进入商品化的阶段，并且会有很好的发展。有机半导体器件成本低，操作流程简单

25、，而且功耗小，这是很多无机半导体器件没有的特点，所以有机半导体器件有很大的发展。但是有机半导体器件在寿命已经性能方面还需要改进。哟及半导体器件的速度比较慢，这使得它取代传统的半导体的可能性不大，所以在这方面需要解决，但是有机半导体更加经济，成本更低，值得推广。（4）射频识别标签、有机传感器及集成智能系统 除有机太阳电池、OLED 显示和照明应用外,射频识别( RFID) 标签、大面积传感器及集成智能系统的研究也有较大进展。RFID 被称为本世纪的十大技术之一, RFID商品标签也被认为是今后全球商品交易及物流中采用最广的技术之一。如果每个标签的价格以5 美分计算, RFID 标签的潜在市场规模

26、可能达到每年数十亿至数百亿美元。但现有RFID 标签的高成本一直制约着这项技术的普及和发展, 低成本有机RFID 标签技术的研究和发展有望解决这一问题。据估计, 有机RFID 标签的成本有望降至01 0101 02 美元, 甚至更低。作为一个低成本的选择方案, 有机RFID 将在世界范围内开辟一个新市场,与Si 片RFID 技术相互补充来满足市场的需求 。世界各国都认为有机RFID 市场潜力巨大, 至于技术的发展, 目前全球都还处于探索阶段, 但对其发展前景普遍看好, 多个国家和地区科的科研机构都纷纷加大研发力度, 如Or ganicID, IBM, Poly IC和IMEC 等。近年来, 微

27、芯片上的传感系统也引起了较为广泛的关注, 催生了/ 芯片实验室0 这一新的概念。具有/ 芯片实验室0 这一特征的器件是一些集成度较高的小型传感器系统, 这类系统的主要应用领域包括医疗和环境监测等领域。通常这些领域使用的监测分析系统都十分复杂, 且价格很高。采用/ 芯片实验室0 平台可以将分析用的所有元器件制作在一个完整的集成系统中来简化系统、降低成本。这些微系统可采用的衬底材料范围很广, 包括聚二甲基硅氧烷( PDMS ) 、聚甲基丙烯酸甲酯( PMMA) 及其他塑料等。许多不同类型的有机传感器系统已经问世, 如集成化学、温度和压力传感器、电子鼻、电子舌、光扫描仪以及盲人专用的电子布莱叶传感器

28、等。集成智能系统( ISS) 可以将多种完全不同的功能集成在一块芯片上, 从而开辟了许多全新的价值领域。ISS 的应用领域包括诊断系统、大面积传感器、智能光源与光系统和智能包装等。欧洲、日本和美国在这一领域的科研水平比较领先,但以中国为代表的一些亚洲国家也具有一定的优势。（5） 宽禁带半导体 宽禁带半导体设备技术是宽禁带半导体器件发展的技术支撑和重要基础。对SiC、GaN、AlN 等宽禁带晶体材料而言，要求研制的晶体生长炉满足宽禁带晶体材料大尺寸、低缺陷、低成本的技术发展趋势。同时，宽禁带材料制备新工艺的发展也带动了晶体生长设备的技术创新，如用于氮化物宽禁带材料制备的HVPE 设备、氨热法合成

29、设备、钠盐LPE 设备等。对宽禁带器件制造而言，要求研制的外延设备、MOCVD 设备满足衬底材料大尺寸，外延层低缺陷、高均匀性、高一致性，低成本的技术发展趋势。同时，宽禁带器件制造还要求离子注入特殊工艺，满足碳化硅等材料的选择性掺杂、欧姆接触等，最终实现宽禁带器件的高性能、低成本。目前，宽禁带半导体技术理论体系日臻完善，宽禁带半导体材料日趋成熟，宽禁带半导体器件也已取得突破，为宽禁带半导体设备技术的发展带来了巨大机遇。随着技术的进步。宽禁带半导体器件在军工电子、电力电子、半导体照明等应用领域将迅速扩大，具有巨大的市场发展潜力。我们必须科学分析、冷静面对宽禁带半导体技术带来的历史机遇，制订科学的发展规划，加大宽禁带半导体设备技术的投入力度，抓住宽禁带半导体发展的新机遇。5、 结束语 半导体技术已经历了巨大的发展, 成为发展最快的技术。它对人类社会的发展产生了深刻影响。新行优惠政策的同时, 还将完善我国现行科技法律、法规与奖励办法, 努力提高我国高新技术专家、发明家和实践革新家的地位和声望。通过国家政