半导体材料的发展现状及趋势概要

硅
半导体硅材料分为多晶硅、单晶硅、硅外延片 以及非晶硅、浇注多晶硅、淀积和溅射非晶硅 等。现行多晶硅生产工艺主要有改良西门子法 和硅烷热分解法。主要产品有棒状和粒状两种， 主要是用作制备单晶硅以及太阳能电池等。生 长单晶硅的工艺可分为区熔(FZ)和直拉(CZ)两 种。其中，直拉硅单晶(CZ-Si)广泛应用于集成 电路和中小功率器件。区域熔单晶(FZ-Si)目前 主要用于大功率半导体器件，比如整流二极管， 硅可控整流器，大功率晶体管等。单晶硅和多 晶硅应用最广。
将宽禁带(Eg>2.3eV)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。
上述材料是目前主要应用的半导体材料，三代 半导体材料代表品种分别为硅、砷化镓和氮化 镓。
材料的物理性质是产品应用的基础，表1 列出了主要半导体材料的物理性质及应用
情况。表中禁带宽度决定发射光的波长， 禁带宽度越大发射光波长越短(蓝光发射)； 禁带宽度越小发射光波长越长。其它参数
氮化镓材料的禁带宽度为硅材料的3倍多， 其器件在大功率、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。
近年来取得了很大进展，并开始进入市场。 与制造技术非常成熟和制造成本相对较低 的硅半导体材料相比，第三代半导体材料 目前面临的最主要挑战是发展适合氮化镓 薄膜生长的低成本衬底材料和大尺寸的氮 化镓体单晶生长工艺。
多晶硅
中国多晶硅严重短缺，远不能满足国内市场需 求。多晶硅工业起步于50年代，60年代实现工 业化生产。由于技术水平低、生产规模太小、 环境污染严重、生产成本高，目前只剩下峨嵋 半导体材料厂和洛阳单晶硅厂2个厂家生产多晶 硅。中国多晶硅的产能为100吨/年，实际产量 是70～80吨，仅占世界产量的0.4%，与当今信 息产业的高速发展和多晶硅的市场需求急剧增 加极不协调。我国这种多晶硅供不应求的局面 还将持续下去。据专家预测，2005年中国多晶 硅年需求量约为756吨，2010年为1302吨，市 场前景十分巨大。
表4 多晶硅质量指标
项目
免洗料
纯度 及电 阻率
施主 （P、As、Sb）
受主 （B、Al）
碳 体金属总量（Fe、Cu、Ni、Cr、Zn）
max 150ppta min 500Ωcm max 50ppta min 500Ωcm max 100ppba max 500pptw
表面
Fe
金属
max 5000pptw
多晶硅
目前全世界每年消耗约22000吨半导体级多晶硅， 世界多晶硅的年生产能力约为28000吨，生产高 度集中于美、日、德3国，海姆洛克（美国）、 瓦克ASIM（德国），德山曹达（日本）、 MEMC（美国）占据了多晶硅市场的80％以上。 其中，美国哈姆洛克公司产能达6500t/a，德国 瓦克化学公司和日本德山曹达公司产能超过 4500t/a，美国MEMC公司产能超过2500t/a。
宽带隙半导体材料的高介电强度最适合用 于高功率放大器、开关和二极管。宽带隙 材料的相对介电常数比常规材料的要小， 由于对寄生参数影响小，这对毫米波放大 器而言是有利用价值的。电荷载流子输运 特性是许多器件尤其是工作频率为微波、 毫米波放大器的一个重要特性。
宽带隙半导体材料的电子迁移率一般没有 多数通用半导体的高，其空穴迁移率一般 较高，金刚石则很高。宽带隙材料的高电 场电子速度(饱和速度)一般较常规半导体 高得多，这就使得宽带隙材料成为毫米波 放大器的首选者。
从表1看出，选择宽带隙半导体材料的主要理由 是显而易见的。氮化镓的热导率明显高于常规 半导体。这一属性在高功率放大器和激光器中 是很起作用的。带隙大小本身是热生率的主要 贡献者。在任意给定的温度下，宽带隙材料的 热生率比常规半导体的小10～14个数量级。这 一特性在电荷耦合器件、新型非易失性高速存 储器中起很大的作用，并能实质性地减小光探 测器的暗电流。
产业规模已超过日本位居世界第二（同期 日本信息产业销售收入只有1900亿美
元），成为中国第一大支柱产业。半导体
材料及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。
在半导体产业的发展中，
硅、锗称为第一代半导体材料；
将砷化镓、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；
硅
在集成电路用硅片中，8英寸的硅片占主 流，约40～50％，6英寸的硅片占30％。 当硅片的直径从8英寸到12英寸时，每片 硅片的芯片数增加2.5倍，成本约降低30 ％，因此，国际大公司都在发展12英寸硅 片，2006年产量将达到13.4亿平方英寸， 将占总产量的20%左右。现代微电子工业 对硅片关键参数的要求如表3所示。
硅材料仍是电子信息产业最主要的基础材 料，95%以上的半导体器件和99%以上的 集成电路(IC)是用硅材料制作的。在21世 纪，它的主导和核心地位仍不会动摇。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。
砷化镓材料的电子迁移率是硅的6倍多， 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，被公认是新一代的通信用材料。 随着高速信息产业的蓬勃发展，砷化镓成 为继硅之后发展最快、应用最广、产量最 大的半导体材料。同时，其在军事电子系 统中的应用日益广泛，并占据不可取代的 重要地位。
表3 现代微电子工业对硅片关键参数的要求
首批产品预计生产年份
2005
2008
2011
2014
工艺代（特征尺寸/nm）
100
70
50
30
晶片尺寸/mm
300
300
300
450
去边/mm
1
1
1
1
正表面颗粒和COP尺寸
50
35
25
25
/mm
颗粒和COP密度/mm-2
0.10
0.10
0.10
0.10
表面临界金属元素密度 /109at.mm-2
霍尔元件 激光调制器 高速集成电路 太阳能电池
激光器件 发光二极管 紫外探测器
集成电路
主要用途 通讯、雷达、广播、电视、自动控制 各种计算机、通讯、广播、自动控制、电子钟表、仪表
整流 整流、直流输配电、电气机车、设备自控、高频振荡器
原子能分析、光量子检测 太阳能发电
雷达、微波通讯、电视、移动通讯 光纤通讯
GaAs 1.4 2.1
0.6 0.4 8500
应
光学应用
用 情
高频性能
况
高温性能
发展阶段
相对制造成本
无 差 中 成熟 低
红外 好 差
发展中 高
GaN 3.4 2.7
2.0 5.0 900
蓝光/紫外 好 好
初期 高
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，处在成熟的发展阶段。目前，
数值越高，半导体性能越好。电子迁移速
率决定半导体低压条件下的高频工作性能，
饱和速率决定半导体高压条件下的高频工 作性能。
表1 主要半导体材料的比较
材料
物
禁带宽度（ev）
理 性
饱和速率（×10-7cm/s）
质
热导（W/c·K）
击穿电压（M/cm）
电子迁移速率（cm2/V·s）
Si 1.1 1.0
1.3 0.3 1350
半导体材料的发展现状及趋势
半导体材料是指电阻率在10-3~108Ωcm， 介于金属和绝缘体之间的材料。半导体材 料是制作晶体管、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。
电子信息产业规模最大的是美国。近几年 来，中国电子信息产品以举世瞩目的速度 发展，2003年中国电子信息产业销售收 入1.88万亿元，折合2200～2300亿美元，
硅
半导体硅材料自从60年代被广泛应用于各类电 子元器件以来，其用量平均大约以每年12～ 16%的速度增长。目前全世界每年消耗约 18000～25000吨半导体级多晶硅，消耗 6000～7000吨单晶硅，硅片销售金额约60～80 亿美元。可以说在未来30～50年内，硅材料仍 将是LSI工业最基础和最重要的功能材料。电子 工业的发展历史表明，没有半导体硅材料的发 展，就不可能有集成电路、电子工业和信息技 术的发展。
多晶硅
峨嵋半导体材料厂和洛阳单晶硅厂1999 年多晶硅生产能力分别为60t/a和20t/a。 峨嵋半导体材料厂1998年建成的100t/a规 模的多晶硅工业性生产示范线，提高了各 项经济技术指标，同时该厂正在积极进行 1000t/a多晶硅项目建设的前期工作。洛 阳单晶硅厂将多晶硅产量扩建至300t/a。
多晶硅
未来多晶硅的发展方向是进一步降低各种 杂质含量，提高多晶硅纯度并保持其均匀 性，稳定提高多晶硅整体质量和扩大供给 量，以缓解供需矛盾。另外，在单晶大直 径化的发展过程中，坩埚增大直径是有一 定限度的。对此，未来粒状多晶硅将可能 逐步扩大供需量。
Cu
max 1000pptw
Ni
max 1000pptw
Cr
max 1000pptw
酸腐蚀料
max 150ppta min 500Ωcm max 50ppta min 500Ωcm max 100ppba max 500pptw
Leabharlann Baidumax 500pptw/250
ppta max 50pptw/25pp
ta max 100pptw/50p
硅
经过多年的发展和竞争，国际硅材料行业 出现了垄断性企业，日本、德国和美国的 六大硅片公司的销量占硅片总销量的90% 以上，其中信越、瓦克、SUMCO和 MEMC四家的销售额占世界硅片销售额的 70%以上，决定着国际硅材料的价格和高 端技术产品市场，其中以日本的硅材料产 业最大，占据了国际硅材料行业的半壁江 山。
主要半导体材料的用途如表2所示。可以 预见：以硅材料为主体、GaAs半导体材 料及新一代宽禁带半导体材料共同发展将 成为集成电路及半导体器件产业发展的主 流。
材料名称 硅
砷化镓
氮化镓
表2 半导体材料的主要用途
制作器件 二极管、晶体管
集成电路 整流器 晶闸管
射线探测器 太阳能电池 各种微波管
激光管 红外发光管
硅
硅是集成电路产业的基础，半导体材料中 98％是硅。半导体器件的95%以上是用硅 材料制作的，90%以上的大规模集成电路 (LSI)、超大规模集成电路(VLSI)、甚大规 模集成电路(ULSI)都是制作在高纯优质的 硅抛光片和外延片上的。硅片被称作集成 电路的核心材料，硅材料产业的发展和集 成电路的发展紧密相关。
（1）在大型反应炉内同时加热许多根金属丝， 减小炉壁辐射所造成的热损失；
（2）炉的内壁加工成镜面，使辐射热反射，减 少散热；
（3）提高炉内压力，提高反应速度等措施； （4）在大型不锈钢金属反应炉内使用100根以
上的金属丝。
单位电耗由过去每公斤300度降低到80度。 多晶硅产量由改良前每炉次100～200公 斤提高到5～6吨。其显著特点是：能耗低、 产量高、质量稳定。表4给出了德国瓦克 公司的多晶硅质量指标数据。
≤4.9
≤4.2
≤3.6
≤3.0
局部平整度/nm
100
70
60
35
中心氧含量/×1017cm-3 ±9.0/15. ±9.0/15. ±9.0/15. ±9.0/15.
5
5
5
5
Fe浓度/1010cm-3
<1
<1
<1
<1
复合寿命/μs
≥325
≥350
≥350
≥400
（1）多晶硅
多晶硅是制备单晶硅和太阳能电池的原料。 半导体级多晶硅的生产技术现多采用改良西门 子法，这种方法的主要技术是：
小功率红外光源 磁场控制 激光通讯
高速计算机、移动通讯 太阳能发电
光学存储、激光打印机、医疗、军事应用 信号灯、视频显示、微型灯泡、移动电话
分析仪器、火焰检测、臭氧监测 通讯基站（功放器件）、永远性内存、电子开关、导弹
二、半导体材料发展现状
1、半导体硅材料
从目前电子工业的发展来看，尽管有各 种新型的半导体材料不断出现，半导体硅 材料以丰富的资源、优质的特性、日臻完 善的工艺以及广泛的用途等综合优势而成 为了当代电子工业中应用最多的半导体材 料。
pta max 100pptw/55p
pta
多晶硅
1998年，多晶硅生产厂商预计半导体行 业将快速增长，因此大量扩张产能。然而， 半导体行业并未出现预期高速增长，多晶 硅需求急剧下降，结果导致多晶硅产能严 重过剩。2003年以前，多晶硅供大于求， 2004年多晶硅供需达到平衡，2005年， 多晶硅生产厂家有必要增加投资扩大产能 增加太阳能多晶硅的产量。