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，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。

 

一、概述

 

    在半导体产业的发展中，一般将硅、锗称为代半导体材料；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；而将宽禁带(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。本文沿用此分类进行介绍。

    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	Si	GaAs	GaN
物理性质	禁带宽度（ev）	1.1	1.4	3.4
	饱和速率（×10-7cm/s）	1.0	2.1	2.7
	热导（W/c·K）	1.3	0.6	2.0
	击穿电压（M/cm）	0.3	0.4	5.0
	电子迁移速率（cm2/V·s）	1350	8500	900
应用情况	光学应用	无	红外	蓝光/紫外
	高频性能	差	好	好
	高温性能	中	差	好
	发展阶段	成熟	发展中	初期
	相对制造成本	低	高	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，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。

    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。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者。

    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。

    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。

 

表2  半导体材料的主要用途

材料名称	制作器件	主要用途
硅	二极管、晶体管	通讯、雷达、广播、电视、自动控制
	集成电路	各种计算机、通讯、广播、自动控制、电子钟表、仪表
	整流器	整流
	晶闸管	整流、直流输配电、电气机车、设备自控、高频振荡器
	射线探测器	原子能分析、光量子检测
	太阳能电池	太阳能发电
砷化镓	各种微波管	雷达、微波通讯、电视、移动通讯
	激光管	光纤通讯
	红外发光管	小功率红外光源
	霍尔元件	磁场控制
	激光调制器	激光通讯
	高速集成电路	高速计算机、移动通讯
	太阳能电池	太阳能发电
氮化镓	激光器件	光学存储、激光打印机、医疗、军事应用
	发光二极管	信号灯、视频显示、微型灯泡、移动电话
	紫外探测器	分析仪器、火焰检测、臭氧监测
	集成电路	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。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。

    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。   

    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。

    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，占据了国际硅材料行业的半壁江山。

    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。

 

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/mm	50	35	25	25
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	≤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	±9.0/15.5	±9.0/15.5	±9.0/15.5	±9.0/15.5
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：（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。

 

表4  多晶硅质量指标

	项目	免洗料	酸腐蚀料
纯度及电阻率	施    主 （P、As、Sb）	max 150ppta	max 150ppta
		min 500Ωcm	min 500Ωcm
	受    主 （B、Al）	max 50ppta	max 50ppta
		min 500Ωcm	min 500Ωcm
	碳	max 100ppba	max 100ppba
	体金属总量（Fe、Cu、Ni、Cr、Zn）	max 500pptw	max 500pptw
表面金属	Fe	max 5000pptw	max 500pptw/250ppta
	Cu	max 1000pptw	max 50pptw/25ppta
	Ni	max 1000pptw	max 100pptw/50ppta
	Cr	max 1000pptw	max 100pptw/55ppta

 

    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（见图1），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。

 

图1 1998～2004年多晶硅产量及产能缺口

 

    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。

    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。

    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。

    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。

 

（2）单晶硅和外延片

    生产单晶硅的工艺主要采用直拉法(CZ)、区熔法(FZ) 、磁场直拉法(MCZ)以及双坩埚拉晶法。CZ、FZ和MCZ单晶各自适用于不同的电阻率范围的器件，而MCZ可完全代替CZ，可部分代替FZ。MCZ将取代CZ成为高速ULI材料。一些硅材料技术先进的国家MCZ技术发展较快。对单晶的主要质量要求是降低各种有害杂质含量和微缺陷，根据需要控制氧含量并保持纵横向分布均匀、控制电阻率均匀性。

    硅晶片属于资金密集型和技术密集型行业，在国际市场上产业相对成熟，市场进入平稳发展期，生产集中在少数几家大公司，小型公司已经很难插手其中。    国际市场单晶硅产量排名前5位的公司分别是日本信越化学公司（Shin-Etsu）、德瓦克化学公司（Wacker）、日本住友金属公司（Sumitomo）、美国MEMC公司和日本三菱材料公司。这5家公司2001年硅晶片的销售总额为51.47亿元，占全球销售额的79.1%，其中的3家日本公司占据了市场份额的50.7%，表明日本在全球硅晶片行业中占据了主导地位。

    集成电路高集成度、微型化和低成本的要求对半导体单晶材料的电阻率均匀性、金属杂质含量、微缺陷、晶片平整度、表面洁净度等提出了更加苛刻的要求，晶片大尺寸和高质量成为必然趋势。目前全球主流硅晶片已由直径8英寸逐渐过渡到12英寸晶片，研制水平已达到16英寸。

    中国半导体材料行业经过四十多年发展已取得相当大的进展，先后研制和生产了4英寸、5英寸、6英寸、8英寸和12英寸硅片。随着半导体分立元件和硅光电池用低档和廉价硅材料需求的增加，中国单晶硅产量逐年增加。据统计，2001年我国半导体硅材料的销售额达9.06亿元，年均增长26.4%。单晶硅产量为584t，抛光片产量5183万平方英寸，主要规格为3～6英寸，6英寸正片已供应集成电路企业，8英寸主要用作陪片。单晶硅出口比重大，出口额为4648万美元，占总销售额的42.6%，较2000年增长了5.3%。目前，国外8英寸IC生产线正向我国战略性移动，我国新建和在建的F8英寸IC生产线有近10条之多，对大直径高质量的硅晶片需求十分强劲，而国内供给明显不足，基本依赖进口，中国硅晶片的技术差距和结构不合理可见一斑。在现有形势和优势面前发展我国的硅单晶和IC技术面临着巨大的机遇和挑战。

    2004年国内从事硅单晶材料研究生产的企业约有35家，从业人员约3700人，主要研究和生产单位有北京有研硅股、杭州海纳半导体材料公司、宁波立立电子公司、洛阳单晶硅厂、万向硅峰电子材料公司、上海晶华电子材料公司、峨眉半导体材料厂、河北宁晋半导体材料公司等。其中，有研硅股在大直径硅单晶的研制方面一直居国内地位，先后研制出我国根6英寸、8英寸和12英寸硅单晶，单晶硅在国内市场占有率为40%。2004年国内硅单晶产量达1000吨左右，销售额突破11亿元，平均年增长率为27.5%，预计2005年我国硅单晶产量可达1400吨左右。

    随着集成电路特征线宽尺寸的不断减小，对硅片的要求越来越高（详见表3），控制单晶的原生缺陷变得愈来愈困难，因此外延片越来越多地被采用。目前8英寸硅片有很大部分是以外延片形式提供的，而12英寸芯片生产线将全部采用外延。目前国外单晶硅和外延片的生产企业有信越（日本）、三菱住友SUMCO（日本），MEMC（美国），瓦克（德国）等。

   目前从事外延片研究生产的主要单位有信息产业部电子13所、电子55所、华晶外延厂等近10家，但是由于技术、体制、资金等种种原因，中国硅材料企业的技术水平要比发达国家落后约10年，硅外延状况也基本如此。目前中国硅外延片产品规格主要是4英寸、5英寸、6英寸硅外延片，还没有大批量生产，8英寸硅外延尚属空白。

    在世界范围内8英寸和12英寸硅片仍然是少数几家硅片供应商的拳头产品，他们有自己的专有生产技术，为世界提供了大部分制造集成电路用的8英寸和12英寸硅抛光片和硅外延片，这种局面在今后相当一段时间内不会有根本的改变，这些大公司的12英寸外延片已量产化，目前国外8英寸外延片价格约45美元/片，而12英寸外延片价格就高的多，其经济效益还是很可观的。

 

2、砷化镓单晶材料

 

（1）国外发展概况

    砷化镓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、低噪声器件和电路，特别在光电子器件和光电集成方面占有独特的优势。

    目前，世界砷化镓单晶的总年产量已超过200吨(日本1999年的砷化镓单晶的生产量为94吨)。用于大量生产砷化镓晶体的方法是传统的LEC法(液封直拉法)和HB法(水平舟生产法)。国外开发了兼具以上2种方法优点的VGF法(垂直梯度凝固法)、VB法(垂直布里支曼法)和VCZ法(蒸气压控制直拉法)，成功制备出4～6英寸大直径GaAs单晶。各种方法比较详见表5。其中以低位错密度的HB方法生长的2～3英寸的导电砷化镓衬底材料为主。

 

表5  GaAs单晶生产方法比较

	工艺特点	LEC	HB	VGF	VB	VCZ
工艺水平	低位错	差	好	很好	很好	好
	位错均匀性	差	中等	好	好	好
	长尺寸	好	差	好	好	很好
	大直径	好	差	好	好	很好
	监控	好	好	差	差	差
	位错密度（cm-2）	104～105	102～102	102	102	103
生产水平	直径（英寸）	3、4、6	2、3	2～6	2～6	4、6
	位错密度（cm-2）	﹥1×104	≤1×103	≈5×103	≈5×103	≈5×103
	迁移率（cm2/(v·s)）	6000~7000	—	—	—	—
	生产规模	规模生产	规模生产	批量生产	批量生产	试制

 

    移动电话用电子器件和光电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高增长性。日本是的生产国和输出国，占世界市场的70～80%；美国在1999年成功地建成了3条6英寸砷化镓生产线，在砷化镓生产技术上一步。日本住友电工是世界的砷化镓生产和销售商，年产GaAs单晶30t。美国AXT公司是世界的VGF GaAs材料生产商。世界GaAs单晶主要生产商情况见表6。国际上砷化镓市场需求以4英寸单晶材料为主，而6英寸单晶材料产量和市场需求快速增加，已占据35%以上的市场份额。研制和小批量生产水平达到8英寸。

    近年来，为满足高速移动通信的迫切需求，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厘米长和8英寸的半绝缘砷化镓(Si-GaAs)也在日本研制成功。磷化铟具有比砷化镓更优越的高频性能，发展的速度更快，但研制直径4英寸以上大直径的磷化铟单晶的关键技术尚未完全突破，价格居高不下。砷化镓单晶材料的发展趋势是：

①增大晶体直径，目前4英寸的Si-GaAs已用于大生产，预计直径为6英寸的Si-GaAs在21世纪初也将投入工业应用；

②提高材料的电学和光学微区均匀性；

③降低单晶的缺陷密度，特别是位错；

④砷化镓和磷化铟单晶的VGF生长技术发展很快，很有可能成为主流技术。

 

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	日立电线	昭和电工	三菱化学	CSI	AXT	HP	MCP	Freibuiger
HB	●	○	○	○	○	○	●			○
LEC	●	○	●	○	○	○			○	○	○
VGF/VB	D	D	○			D	○	●

注：●主要产品（大生产），○生产（大量，小规模），D开发中

 

（2）中国国内研究状况

    中国从上世纪60年代初开始研制砷化镓，近年来，随着中科稼英半导体有限公司、北京圣科佳电子有限公司相继成立，中国的化合物半导体产业迈上新台阶，走向更快的发展道路。中科镓英公司成功拉制出中国根6.4公斤5英寸LEC法大直径砷化镓单晶；信息产业部46所生长出中国根6英寸砷化镓单晶，单晶重12kg，并已连续生长出6根6英寸砷化镓单晶；西安理工大在高压单晶炉上称重单元技术研发方面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晶片主要依赖进口。砷化镓生产主要原材料为砷和镓。虽然中国是砷和镓的资源大国，但仅能生产品位较低的砷、镓材料(6N以下纯度)，主要用于生产光电子器件。集成电路用砷化镓材料的砷和镓原料要求达7N，基本靠进口解决。

    中国国内GaAs材料主要生产单位为：中科镓英、有研硅股、信息产业部电子46所、电子55所等。主要竞争对手来自国外。中科镓英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英寸砷化镓单晶晶片5～8万片，4～6英寸分子束外延砷化镓基材料2～3万片，目前该项目仍在建设期。目前国内砷化镓材料主要由有研硅股供应，2002年销售GaAs晶片8万片。中国在努力缩小GaAs技术水平和生产规模的同时，应重视具有独立知识产权的技术和产品开发，发展砷化镓产业。

 

3、宽禁带氮化镓材料

    以Si和GaAs为代表的传统半导体材料的高速发展推动了微电子、光电子技术的迅猛发展。然而受材料性能所限，用这些材料制成的器件大都只能在200℃以下的热环境下工作，且抗辐射、耐高击穿电压性能以及发射可见光波长范围都不能满足现代电子技术发展对高温、高频、高压以及抗辐射、能发射蓝光等提出的新要求。而以氮化镓和碳化硅为代表的第三代半导体材料具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率大、电子饱和漂移速度高、介电常数小、抗辐射能力强、良好的化学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高温、高频大功率电子等微电子器件领域有广阔的应用前景，成为半导体领域研究热点。

 

（1）国外发展概况

    美国、日本、俄罗斯及西欧都极其重视宽禁带半导体的研究与开发。从目前国外对宽禁带半导体材料和器件的研究情况来看，主要研究目标是SiC和GaN技术，其中SiC技术最为成熟，研究进展也较快；GaN技术应用面较广泛，尤其在光电器件应用方面研究较为透彻。而金刚石技术研究报导较少，但从其材料优越性来看，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已开始了。到了八十年代中期，美国海军研究局和国家宇航局与北卡罗来纳州大学签订了开发SiC材料和器件的合同，并促成了在1987年建立专门研究SiC半导体的Cree公司。九十年代初，美国国防部和能源部都把SiC集成电路列为重点项目，要求到2000年在武器系统中要广泛使用SIC器件和集成电路，从此开始了有关SiC材料和器件的系统研究，并取得了令人鼓舞的进展。即目前为止，直径≥50mm具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单晶和外延材料。另外，制造SiC器件的工艺如离子注入、氧化、欧姆接触和肖特基接触以及反应离子刻蚀等工艺取得了重大进展，所以促成了SiC器件和集成电路的快速发展。由于SiC器件的优势和实际需求，它已经显示出良好的应用前景。航空、航天、治炼以及深井勘探等许多领域中的电子系统需要工作在高温环境中，这要求器件和电路能够适应这种需要，而各类SiC器件都显示良好的温度性能。SiC具有较大的禁带宽度，使得基于这种材料制成的器件和电路可以满足在470K到970K条件下工作的需要，目前有些研究水平已经达到970K的工作温度，并正在研究更高的工作温度的器件和集成电路。目前SiC器件的研究概况见表7。

 

表7  SiC器件的研究概表

SiC Devices	Power MOSFET	4H-SiC MESFET	6H-SiC MESFET	4H-SiC JFET	6H-SiC JFET	Shottky diode
comment	600V，8A devices fabricated	fmax=42GHz	fmax=25GHz, 8.5db at 10GHz	μeff=340cm2·V-1·S-1 at 300K	Enhance-ment mode	Over 1 kV breakdown at 300K
Tm（K）	673	673	673	723	873	973

注：Tm为Maximum operating temperature

 

    国外对SiC器件的研究证明了SiC器件的抗辐射的能力。6H-SiC整流器的抗电磁脉冲(EMP)能力至少是硅器件的2倍。实验结果表明结型6H-SiC器件有较强的抗下辐射的能力。埋栅JFET在γ辐射条件下的测试结果，总剂量100兆拉德条件下，跨导和夹断电压基本不变。对125伏和410伏6H-SiC pn结整流器进行中子辐照实验，中子流从1013nA/cm2，到1015nA/cm2，时，辐照前后1000mA电流的正向压降和雪崩击穿电压的测试结果说明：具有高掺杂的125伏整流器在正向电流400mA的降压几乎不变(30伏)，而雪崩击穿电压仅增加了8.8%，而低掺杂的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%。

    GaN在宽禁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1 970年，其在高频和高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造工艺直到近几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前景，其广泛应用预示着光电信息乃至光子信息时代的来临。

    1993年日本的日亚化学公司研制出支蓝光发光管，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1.43亿美元。据Strategies Unlimited的预测，GaN器件年增长率将高达44%，到2006年其市场份额将达30亿美元。目前，日亚化学公司生产蓝光LED，峰值波长450nm，输出光为3mw，发光亮度2cd(Ip=20mA)。GaN绿光LED，峰值波长525nm，输出光功率为2mw，发光亮度6cd(Ip=20mA)。此外，日亚化学公司利用其GaN蓝光LED和磷光技术，又开发出白光固体发光器件产品，不久将来可替代电灯，既提高灯的寿命，又大大地节省能源。因此，GaN越来越受到人们的欢迎。GaN蓝光激光器也被日亚公司首先开发成功，目前寿命已超过10000hr。与此同时，GaN的电子器件发展也十分迅速。目前GaNFET性能已达到ft=52GHz，fmax=82GHz。在18GHz频率下，CW输出功率密度大于3W/mm。这是至今报导K波段微波GaNFET的值。

 

图2 世界GaN器件市场规模及预测

 

    在美国开展氮化镓高亮度LED和LD研究的公司和大学有几十家之多，耗资上亿美元。美国的APA光学公司1993年研制出世界上个氮化镓基HEMT器件。2000年9月美国kyma公司利用AlN作衬底，开发出2英寸和4英寸GaN新工艺；2001年1月美国Nitronex公司在4英寸硅衬底上制造GaN基晶体管获得成功；GaN基器件和产品开发方兴未艾。目前进入蓝光激光器开发的公司包括飞利浦、索尼、日立、施乐和惠普等。包括飞利浦、通用等光照及汽车行业的跨国公司正积极开发白光照明和汽车用GaN基LED(发光二极管)产品。涉足GaN基电子器件开发最为活跃的企业包括Cree、Rfmicro Device以及Nitronex等公司。目前，国外正朝着更大功率、更高工作温度、更高频率和实用化方向发展。日本、美国等国家纷纷进行应用于照明GaN基白光LED的产业开发，计划于2015年-2020年取代白炽灯和日光灯，引起新的照明革命。据美国市场调研公司Strstegies Unlimited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）。

    美国Cree公司由于其研究，主宰着整个碳化硅的市场，几乎85%以上的碳化硅衬底由Cree公司提供，90%以上的生产在美国，亚洲只占4%，欧洲占2%。碳化硅衬底材料的市场正在快速上升阶段，估计到2007年，碳化硅衬底材料的生产将达到60万片，其中90-95%被用于氮化镓基光电子器件作外延衬底。

    目前在6H-SiC衬底上氮化镓微电子材料室温迁移率达到2000cm2/V·S，电子浓度达到1013cm-2。生长在碳化硅衬底上的氮化镓基HEMT的功率密度达到了10.3W/mm (栅长0.6mm，栅宽300mm)，生长在碳化硅衬底上的AlGaN/GaN HEMT器件（栅长为0.12mm）的特征频率ft = 101GHz、振荡频率fmax =155GHz。

    与蓝宝石衬底材料相比，碳化硅衬底材料具有高的热导率，晶格常数和热膨胀系数与氮化镓材料更为接近，仅为3.5％（蓝宝石与氮化镓材料的晶格失配度为17%），是一种更理想的衬底材料。目前在碳化硅衬底上氮化镓微电子材料及器件的研究是国际上的热点，也是军用氮化镓基HEMT结构材料和器件的衬底，但碳化硅衬底上材料十分昂贵。

 

（2）中国国内研究状况

    中国国内开展SiC、GaN材料和器件方面的研究工作比较晚，和国外相比水平还比较低。国内已经有一些单位在开展SiC材料的研究工作。到目前为止，2英寸、3英寸的碳化硅衬底及外延材料已经商品化。目前研究的重点主要是4英寸碳化硅衬底的制备技术以及大面积、低位错密度的碳化硅外延技术。目前国内进行碳化硅单晶的研制单位有中科院物理所、中科院上海硅酸盐研究所、山东大学、信息产业部46所等，进行碳化硅外延生长的单位有中科院半导体所、中国科技大学以及西安电子科大。西安电子科技大学微电子研究所已经外延生长了6H-SiC，目前正在进一步测试证明材料的晶格结构情况。另外，还对材料的性质和载流子输运进行了理论和实验研究，器件的研究工作也取得了可喜的进展。采用国外进口的材料成功地制造出肖特基二极管和我国只6H SiC MOSFET，肖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，沟道电子迁移率为14cm2N·s。采用AL/NiCr制作的欧姆接触的比接触电阻为8.5×10-5/Ω·cm2，达到了可以应用于实验器件的水平。

国内GaN研究亦已开始，主要在基础研究方面，进展较快。在氮化镓基材料方面，中科院半导体所在国内最早开展了氮化镓基微电子材料的研究工作，取得了一些具有国内水平、国际先进水平的研究成果，可小批量提供AlGaN/GaN HEM结构材料，一些单位采用该种材料研制出了AlGaN/GaN HEM相关器件。如：中科院微电子所研制出具有国内水平的AlGaN/GaN HEM器件；信息产业部13所研制出了AlGaN/GaN HEMT器件，还研制出GaN蓝光LED样管，但发光亮度低。也研制出了GaNFET样管(直流跨导10ms/mm)，性能较差。

    由于碳化硅衬底上材料十分昂贵，目前国内氮化镓基高温半导体材料和器件的研究主要在蓝宝石衬底上进行，由于蓝宝石与氮化镓材料的晶格失配大、热导率低，因此，材料和器件性能均受到很大限制。

 

三、半导体材料发展趋势

 

    电子信息材料的总体发展趋势是向着大尺寸、高均匀性、高完整性、以及薄膜化、多功能化和集成化方向发展。当前的研究热点和技术前沿包括柔性晶体管、光子晶体、SiC、GaN、ZnSe等宽禁带半导体材料为代表的第三代半导体材料、有机显示材料以及各种纳米电子材料等。

    随着电子学向光电子学、光子学迈进，微电子材料在未来5～10年仍是最基本的信息材料。电子、光电子功能单晶将向着大尺寸、高均匀性、晶格高完整性以及元器件向薄膜化、多功能化、片式化、超高集成度和低能耗方向发展。半导体微电子材料由单片集成向系统集成发展。

    微电子技术发展的主要途径是通过不断缩小器件的特征尺寸，增加芯片面积以提高集成度和信息处理速度，由单片集成向系统集成发展。

     1、Si、GaAs、InP等半导体单晶材料向着大尺寸、高均质、晶格高完整性方向发展。椎8英吋硅芯片是目前国际的主流产品，椎12英吋芯片已开始上市，GaAs芯片椎4英吋已进入大批量生产阶段，并且正在向椎6英吋生产线过渡；对单晶电阻率的均匀性、杂质含量、微缺陷、位错密度、芯片平整度、表面洁净度等都提出了更加苛刻的要求。

     2、在以Si、GaAs为代表的代、第二代半导体材料继续发展的同时，加速发展第三代半导体材料——宽禁带半导体材料SiC、GaN、ZnSe、金刚石材料和用SiGe/Si、SOI等新型硅基材料大幅度提高原有硅集成电路的性能是未来半导体材料的重要发展方向。

     3、继经典半导体的同质结、异质结之后，基于量子阱、量子线、量子点的器件设计、制造和集成技术在未来5～15年间，将在信息材料和元器件制造中占据主导地位，分子束外延 MBE 和金属有机化合物化学汽相外延 MOCVD 技术将得到进一步发展和更加广泛的应用。

     4、高纯化学试剂和特种电子气体的纯度要求将分别达到lppb～0.1ppb和6N级以上，0.5μm以上的杂质颗粒必须控制在5个/毫升以下，金属杂质含量控制在ppt级，并将开发替代有毒气体的新品种电子气体。

 

四、中国半导体材料材料产业发展前景的展望

　　

    中国的IT产业即将进入快速发展时期，这一点已成为人们的普遍共识。在信息产品市场的拉动下，电子信息材料产业也将获得持续较快的增长。电子信息材料业在IT产业中乃至整个国民经济中的地位将会进一步上升。

　　据信息产业部的预测，2005年中国电子信息产品市场的总规模将达2万亿元人民币，这大约相对于全球市场总规模的13％。巨大的市场需求，将拉动中国信息产业快速发展。在此背景下，我国信息材料业的未来商机首先来自半导体材料市场。当今全球、最重要的信息材料细分市场就是集成电路，而集成电路的99％以上都是由硅材料制作的。半导体材料在信息设备中的价值含量已达20％，并且还在继续上升。

　　根据中国工程院的专项调查与预测，中国2005年半导体材料材料的需求情况是（见表8）：多晶硅需求将达1500吨；单晶硅约600吨；硅抛光片约8000万平方英寸；硅外延片500万平方英寸；GaAs单晶2000千克；GaAs外延片3～4万片；InP单晶120千克；化学试剂8000吨；塑封料8000吨；键合金丝3000千克。

 

表8  中国半导体材料需求量

材料 类别	多晶硅	单晶硅	硅抛光片（4英寸、5英寸）	硅抛光片（6英寸、8英寸）	硅外延片（4英寸、5英寸）	硅外延片（6英寸、8英寸）	4-6英寸砷化镓单晶片	普亮砷化镓外延材料	红外AlGaAs外延材料
单位	吨/年	吨/年	万片/年	万片／年	万片／年	万片／年	万片／年	平方万寸/年	平方万寸/年
目前生产能力	100	近1000	约1300	约500	300	300	10	20	10
2010年需求量	约3000	约1600	约1300	约1500	约400	约600	30	90	90

 

五、结束语

    不可否认，微电子时代将逐步过渡到光电子时代，最终发展到光子时代。预计到2010年或2014年，硅材料的技术和产业发展将走向极限，第二代和第三代半导体技术和产业将成为研究和发展的重点。政府决策部门、半导体科研单位和企业在现有的技术、市场和发展趋势面前应把握历史机遇，迎接挑战。

08年LED产业投资机会分析