半导体行业发展情况1 10页

'二、半导体材料发展现状1、半导体破紂料从hi前电子工业的发肢來看，尽管街各种新型的半导体材料不断出现，半导体硅材料以丰宙的资源、优质的特性、n臻完蒋的工艺以及广泛的m途等综合优势而成为了当代Ili子工业中应用敁多的半导体材料。硅足集成电路产业的基础，半导体材料中98%是畦。半导体器件的95%以上是川硅材料制作的，90%以上的大规税犯成也路(LSI)、超大规校银成也路(VLSI)、甚大规模柒成也路(ULSI)都是制作在商纯优质的硅抛光片和外延片上的。硅片被称作集成也路的核心W料.硅材料产业的发诚和银成电路的发展紧密和关。半导体硅材料自从60年代波广泛应用丁洛类屯子元器件以來，其用做平均大约以锊年12〜16%的速度增长。IH前全世界拇年消耗约18000〜25000吨半导体级多品畦，消耗6000〜7000吨单品硅，硅片销构金额约60-80亿美元。可以说在未來30-50年内，础材料仍将是LSI工业最蕋础和最琅要的功能材料。电子工业的发嵌W史表明.没有半导体砝材料的发嵌，就不可能育集成电路、电子工业和信息技术的发展。半导休蛙材料分为多品硅、中品硅、硅外延片以及非品硅、浇注多晶硅、淀枳和溅射非晶硅等。现行多品硅生产工芑主耍有改良两门子法和硅烷热分解法。主耍产品布棒状和粒状两种，主耍足用作制各单晶硅以及太阳能屯池等。生长中.品硅的工艺可分为g熔(FZ)和直拉(CZ)两种。其中，直拉硅单品(CZ-Si)广泛应用于集成电路和中小功率雅件。E域熔单晶(FZ-Si)目前主要用于大功率半导休器件，比如整流二极管，硅可控整流器，大功率晶休符等。单晶硅和多晶硅应用最广。经过多年的发展和竞爭，W际硅材料行、lk出现了萊断性企收，日本、徳国和美国的六大硅片公司的销摄占硅片总销摄的90%以上，讥中信越、K克、SUMCO和MEMC四家的销饵额士世界硅片销倂额的70%以上，决定巷国呩砘材料的价格和商端技术产品市场，芄屮以日木的硅材料产业最大，占据了闽际硅材料行、lk的半壁江山。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英寸吋，每片硅片的芯片数塯加2.5帒，成本约降低30%，因此，国际大公司都在发展12萸寸硅片，2006年产堡将达到13.4亿平方英寸，将占总产摄的20%左右。现代微电子工业.对硅片关键参数的耍求如表3所示。表3现代微屯子工业对硅片乂键参数的耍求首批产a预计先产年份2005200820112014丄艺代(特征尺寸/nm〉100705030品片尺寸/mm300300300450去边/mm1111 if.农而颗粒和COP尺寸/mm50352525颗粒和COP密度/mrrV20.100.100.100.10农面临界金诚元索密没/109at.mnV2<4.9<4.2<3.6<3.0局部平整度/nm100706035中心甎含里/xlO17cnV3±9.0/15.5±9.0/15.5±9.0/15.5±9.0/15.5Fe浓度/101Qcrrr3<1<1<1<1S合寿命/|js>325>350>350>400（1）多晶硅多晶硅是制备笮晶硅和太阳能电池的原料。半导休级多晶硅的生产技术现多采用改良四门子法，这种方法的主要技术是：（1〉在大型反应炉内同时加热许多报金屈丝，减小炉揿辐射所造成的热损失：（2〉炉的内衔加工成镜而，使辐射热反射，减少散热：（3）提尚炉内压力，提尚反应速度等措施：（4）在大型不锈钢金屈反应炉内使用100根以上的金屈丝。单位屯耗凼过去付公斤300度降低到80度。多晶硅产量由改良前每炉次100〜200公斤提商到5〜6吨。其显著特点是:能耗低、产量离、质虽稳定。表4给出丫徳W兑公司的多晶硅质祛桁怀数据。表4多晶硅质萤指标项目免洗料酸腐蚀料纯度及电阻施±max150pptamax150ppta率lxl046000-7000一一一一生产規祺規棋生产規棋生产批坡生产批坡生产试制移动屯话用屯子器件和光咆器件市场快速增长的要求,使全球砷化镓晶片市场以30%的年增长率迅速形成数十亿美元的大市场，预计未来20年砷化镓市场都具有商増长性，曰本是最大的生产国和输出国，占世界市场的70〜80%;美国在1999年成功 地述成了3条6英寸砷化镓生产线，在砷化镓屯产技术上领先一步，日木住友屯工是III:界M大的砷化镓生产和销冉廂，年产GaAs吶品30U美国AX丁公司是III:界敁大的VGFGaAsW料生产商。IH:界GaAs中品主嬰生产商惜况见衣6。国际上帅化镓巾场谣求以4英寸中.品材料力主，而6英寸单品材料产虽和市场耑求快速埔加，己么据35%以」•.的ilf场份额研制和小批虽生产水平达到8英寸，近年來，为满足尚速移动通信的垃切谣求，大直径（6〜8英寸）的Si-GaAs发展很快，4英寸70厘米长及6英寸35瓯米长和8英寸的t•绝缘帅化嫁（Si-GaAs）也在日本研制成功。畸化训具有比砷化镓更优越的商频性能.发诚的速度更快，但研制直径4英寸以上大直径的磷化钢中晶的关钺技术尚未完全突破，价格居商不下。砷化镓中-晶材料的发展趋势足：①增大晶体直径，目liV4英寸的Si-GaAs已用于大生产，预计直椏为6英寸的Si-GaAs在21lit纪初也将投入工业应川；②提高材料的电学和光学微区均匀性；③降低吶晶的缺陷密垃.特别是位错：④砷化镓和磷化钢笮品的VGF生长技术发展很快，很有坷能成为主流技术。表6世界GaAs单晶主要生产厂家公司名称住友电工住友矿山同和矿业曰立电线昭和电工三菱化学CSIAXTHPMCPFreibuigerHB•O0OO0•0LEC•O•OO0000VGF/VBDDODO•注：•主耍产品（大生产），o生产（大设，小规模），D幵发中（2）屮国国内研究状况中国从上世纪60年代初开始研制砷化嫁，近年來，随卷中科稼英半导体有限公司、北苽圣科佳电子有限公司和继成立，中国的化合物半导体产业迈上新台阶，走向更快的发屁道路。中科镓英公司成功拉制出屮国第-•根6.4公斤5英寸LEC法大直径砷化镓单品；信息产业部46所生长出中围第-•根6英寸砷化镓单姑，单品重12kg，并已连续生.长出6根6英寸砷化镓单姑；两安理工大在离压中.品炉上称重中.元技术研发方而取得了突破性的进展。中国GaAs材料单晶以2〜3英寸为主,4英寸处在产业化前期，研制水平达6英寸，目前4英寸以上晶片及集成电路GaAs品片主耍依赖进口。砷化镓生产主耍段材料为砷和镓。扯然中国足砷和镓的资源大阒.（II仅能生产品位较低的砷、镓材料（6N以下纯度），主耍用子生产光电子器件。粜成电路用砷化镓材料的砷和镓原料耍求达7N，基本靠进口解决。中国国内GaAs材料主耍生产单位为：中科镓英、有研硅股、信息产业部电于46所、电子55所等。主要竞争对手来自国外， 屮科镓英2001年起计划投入近2亿资金进行砷化镓材料的产业化，初期计划规模为4〜6英寸砷化嫁电品晶片5〜8万片，4〜6災寸分了來外延砷化镓祜紂料2〜3万片，丨！前该项目仍在迚设期，目前国内砷化镓紂料主耍由柯研硅股供应，2002年销俾GaAs晶片8万片。中国在努力缩小GaAs技术水平和也产规模的同吋，应筮视其冇独立知识产权的技木和产品开没，发展砷化镓产业。3、宽禁带氮化镓材料以Si和GaAs为代表的传统半导休材料的岛速发展推动了微屯子、光屯子技术的迅猛发展。然而受材料性能所限，川这些材料制成的器件人都只能在200’C以F的热环镜F工作，且抗辐射、耐离击穿叫K性能以及发射见光波长范阑都不能满足现代电于技水发展对高温、高频、高压以及抗辊射、能发射蓝光等提出的新要求。而以氮化嫁和碳化硅为代衣的第三代半导体材料具有禁带宽度大、缶穿电场商、热导率大、电子饱和漂移速度商、介电常数小、抗辐射能力强、良好的化¥稳定性等独特的特性，它在光显示、光存储、光探测等光电子器件和岛温、岛频大功率lli子等微屯子器件领域苻广阔的应用前泵.成为半导体领域研究热点。(1)国外发展概况美国、日木、俄罗斯及西欧郁极M:茁视宽饿带半导休的研究与开发，从IH前国外对宽禁带半导休材料和器件的研究悄况來卷，主耍研究标是SiC和GaN技术，K-中SiC技术圾为成熟，研究进展也较快：GaN技术应用面较广泛.尤芄在光电器件应用方卯研究较为透彻，而金刚石技术研究报导较少.但从讥材料优越件來看，颇具发展潜力。国外对SiC的研究早在五十年代末和六十年代初就己开始了。到了八十年代屮期，美国海军研究况和国家宇航局与北卡罗來纳州大学签订了幵发SiC材料和器件的合同，并促成了在1987年逑立专门研究SiC半导休的Cree公司。九十年代初，美国W防部和能源部都把sic粜成也路列为甫点项hi，超求到2000年在武器系统中耍广泛使用sic器件和粜成屯路.从此歼始r苻关sic材料和器件的系统研"光，并取得了令人鼓舞的进展。即目前为止，直役乏50mm興有良好性能的半绝缘和掺杂材料已经商品化。美国政府与西屋西子公司合作，投资450万美元开了3英寸纯度均匀、低缺陷的SiC单品和外延材料。另外，制造SiC器件的工艺如离了•注入、氣化、欧姆接触和«特基接触以及反应离子刻蚀等工艺取衍了觅大进展，所以促成了SiC器件和粜成电路的快速发展。由于SiC器件的优势和实际谣求，它已经显示出良好的应用前虽。航空、航灭、治炼以及深井勋探等许多领域中的电子系统蒞耍工作在岛温环境中，这嬰求器件和屯路能够适应这种泥耍.而各类SiC器件都訄示良好的溢度性能-SiC異苻较大的锛带宽度，使得基于这种材料制成的器件和电路可以满足在470K到970K条件下工作的耑耍，IH骱夼些研究水平已经达到970K的工作温沒，并正在研究史商的工作溢度的器件和巣成电路。IH前SiC器件的研究概况见农7。表7SiC器件的研究概衣 SiCDevicesPowerMOSFET4H-SiC6H-SiCMESFET4H-SiCJFET6H-SiCJFETShottkydiodeMESFETcomment600V.8Adevicesfabricatedf緬=42GHzfmax=25GHZ/8.5dbat10GHzMerr=340cm2-Vl-S1at300KEnhance-mentmodeOver1kVbreakdownat300KTm(K)673673673723873973注：Tm为MaximumoperatingtemperatureW外对SiC器件的研究证明丫SiC器件的抗辐时的能力。6H-SiC粮流器的杭屯磁脉冲(EMP)能力至少足硅器件的2倍。实验结來表明结型6H-SiC器件新较强的抗下辐射的能力。埋栅JFET在Y辎射条件下的泗试结果，总剂摄100兆拉徳条件下，跨导和夹断电压基本不变，对125伏和410伏6H-SiCpn结整流器进行中子辐照实验，中子流从1013nA/cm2,到10lsnA/cm2,时，辐照前后1000mA电流的正向版降和雪崩击穿iliH(的测试结果说明：具有商掺杂的125伏整流器在iE向屯流400mA的降压几乎不变(30伏)，而雪崩击穿电压仅增加了8.8%,而｛氏掺杂的410伏整流器正向压降和雪崩击穿电压分别增加了8.6%和4%f.GaN在宽黎带半导体中也占有主导地位•GaN半导体材料的商业应用研究始于1970年，.K在商频和商温条件下能够激发蓝光的特性一开始就吸引了半导体开发人员的极大兴趣。但GaN的生长技术和器件制适工艺觀到近儿年才取得了商业应用的实质进步和突破。由于GaN半导体器件在光电子器件和光子器件领域广阔的应用阶费,典广泛应用預示卷光电信息乃至光子信息吋代的來临，1993年日本的日亚化学公司研制出第一支蓝光发光管，1995年该公司首先将GaN蓝光LED商品化，到1997年某市场份额已达1.43亿芙元。据StrategiesUnlimited的预测,GaN器件年増长率将髙达44%,到2006年其市场份轴将达30亿美元。HI前，日亚化学公司生产蓝光LED,峰位波长450nm,输出光为3mw,发光亮没2cd(Ip=20mA)。GaN绿光LED,峰伉波长525nm，输出光功率为2mw，发光亮度6cd(Ip=20mA)。此外，H亚化学公司利用典GaN蓝光LED和磷光技术，又幵发出白光阎体发光器件产品，不久将來可荇代电灯，既提商灯的寿命，乂大大地贷析能源。闪此，GaN越來越受到人们的欢迎。GaN蓝光激光器也被日亚公司首先幵发成功，目前寿命己超过lOOOOhr。与此|uj时，GaN的电子器件发嵌也十分迅速，目前GaNFE丁性能已达到ft=52GHz，fmax=82GHz。在18GHz频率下，CW输出功率密没大于3W/mm。这是至今报导K波段微波GaNFET的圾岛俏„图2世界GaN器件市场规模及预測 在美圍开展Ut化镓商亮度LED和LD研究的公司和大学有儿十家之多，耗资上亿芙元。美国的APA光学公司1993年研制出世界上第一个氮化镓基HEMT器件。2000年9月美国kyma公司利用AIN作衬底，开发出2英寸和4英寸GaN新工艺：2001年1H美闽Nitronex公司在4英寸硅讨底上制造GaN基晶体管获衍成功；GaN基器件和产品开发方兴未艾。丨I前进入蓝光激光器开发的公司包括飞利浦、索尼、日立、施乐和惠掙等。乜括飞利浦、通川等光照及汽牢行业的跨国公司正积极开发白光照明和汽车用GaN基LED（发光二极矜）产姑。涉足GaN基电于器件丌发铖为活跃的企业包括Cree、RfmicroDevice以及Nitronex等公司。目前，国外正朝着更大功率、史蔣工作温度、史商频率和实用化方向发展。日本、美国等闽家纷纷进行应用于照明GaN基白光LED的产业开发，U•划子2015年-2020年取代白炽灯和日光灯，引起新的照明革命。据美因巾场调研公司StrstegiesUnlimited分析数据,2001年世界GaN器件市场接近7亿美元,还处于发展初期。该公司预测即使最保守发展，2009年世界GaN器件市场将达到48亿美元的销售额（见图2）o美WCree公司由于其研究领先，主宰着整个碳化硓的市场，儿乎85%以上的碳化硅衬底山Cree公司提供，90%以上的生产在美国，亚洲只古4%.欧洲古2%。碳化硅衬欣材料的市场正在快速上升阶段，佔计到2007雄，碳化硅衬底材料的生产将达到60万片，宂中90-95%彼用于鉍化稼基光ili子器件作外延衬欣。呂前在6H-SiC紂底h鉍化镓微屯子材料室溢迁移率达到2000cm2/V-S,电子浓度达到1013cm人生长在碳化硅衬底上的氣化镓堪HEMT的功率密度达到丫10.3W/mm（栅长0.6mm.栅宽300mm），生长在碳化硅衬底的AIGaN/GaNHEMT器件（栅长为0.12mm）的特征频率ft=101GHz、铖高振荡频率fmax=155GHz。与蓝宜石衬胲紂料相比.碳化砘村底村料其宵商的热好率，晶格常数和热膨胀系数与铽化镓材料更为接近，仅为3.5%（蓝宜石与铽化镓材料的品格失配度为17%）,足一种史W想的衬底材料。HI前在碳化砘衬底上滅化镓微屯子材料及器件的研究足闲际上的热点，也是军用氮化嫁基HEMT结构材料和器件的首选衬歧，但碳化硅衬底上材料十分昂贵。（2）屮国国内研究状况屮凹困内开煨SiC、GaNM料和器件方而的研究工作比较晚，和田外相比水平还比较低。国内已经有一些难位在开展SiC材料的研究工作。到01前为止，2英寸、3英寸的碳化硅衬底及外延材料已经商品化。IH前研究的觅点主要足4英寸碳化硅村底的制备技术以及大而积、低位铅密度的碳化frh外延技术■，目前国内进行碳化硅中.品的研制单位有中科院物理所、中科院上洶硅酸盐研究所、山东大学、信息产业部46所等，进行碳化砝外延生长的単位有中科院半导体所、中国科技大学以及照安电子科大。西安电子科技大学微也子研究所己经外延生长了6H-SiC.hl前正在进一步测试证明+4料的品格结构情况。另外，还对材料的性质和战流子输运进行了理论和尖验研究，器件的研究工作也取得了可蒋的进展-采川网外进U的W料成功地制造出肖特基二极管和我网第一只6HSiCMOSFET，門特基二极管的理想因子为123，开启电压.为0.5伏。MOSFET的跨导为0.36ms/mm，沟道屯子迁移率为14cm2N*s。采川AL/NiCr制作的欧姆接触的比接触电肌为8.5xlO5/Q-cm2,达到丫可以应川于实验器件的水平。国内GaN研究亦己开始，主要在基础研究方血，进展较快。在掇化镓基材料方酣，中科院半导体所在国内虽苹开肢了鉍化镓獾微 电子材料的研究工作，取将了一些具有国内领先水平、国酥先进水平的研究成災，可小批S提供AIGaN/GaNHEM结构材料.一些单位采用该种材料研制出了AIGaN/GaNHEM相关器件。如：中科院微电子所研制出具有国内领先水平的AIGaN/GaNHEM器件;信息产业部13所研制出了AIGaN/GaNHEMT器件，还研制出GaN蓝光LED样管,但发光亮度低。也研制出了GaNFET样宵（直流跨410ms/mm），性能较差，fii于碳化硅衬底r.材料十分吊與，目前国内氟化镓堪尚温半导体材料和器件的研究主耍在蓝宝石衬底上进行，ih于蓝宝石与氮化镓材料的品格失配大、热导率低.w此.材料和器件性能均受到很大眼制。'