半导体技术及其器件的发展应用

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

一、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( 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。[]1二、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。[]2

（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。