半导体材料的发展现状及趋势BBIN BBIN宝盈

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　　半导体材料的发展现状及趋势 半导体材料是指电阻率在10-3108Omegacm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188万亿元折合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 将宽禁带Eggt23eV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 11 14 34 饱和速率times10-7cms 10 21 27 热导WcmiddotK 13 06 20 击穿电压Mcm 03 04 50 电子迁移速率cm2Vmiddots 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 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首选者 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 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1

　　2～16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25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134亿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-2 010 010 010 010 表面临界金属元素密度109atmm-2 le49 le42 le36 le30 局部平整度nm 100 70 60 35 中心氧含量times1017cm-3 plusmn90155 plusmn90155 plusmn90155 plusmn90155 Fe浓度1010cm-3 lt1 lt1 lt1 lt1 复合寿命mus ge325 ge350 ge350 ge4001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PAsSb max150ppta max150ppta min500Omegacm min500Omegacm 受主BAl max50ppta max50ppta min500Omegacm min500Omegacm 碳 max100ppba max100ppba 体金属总量FeCuNiCrZn max500pptw max500pptw 表面金属 Fe max5000pptw max500pptw250ppta Cu max1000pptw max50pptw25ppta Ni max1000pptw max100pptw50ppta Cr max1000pptw max100pptw55ppta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扩大产能增加太阳能多晶硅的产量多晶硅 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6500ta德国瓦克化学公司和日本德山曹达公司产能超过4500ta美国MEMC公司产能超过2500ta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04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60ta和20ta峨嵋半导体材料厂1998年建成的100ta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1000ta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300ta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CZFZ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FZMCZ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5147亿元占全球销售额的791其中的3家日本公司占据了市场份额的507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906亿元年均增长264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426较2000年增长了53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 有研硅股在大直径硅单晶的研制方面一直居国内领先地位先后研制出我国第一根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402004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2752005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5GaAs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 346 23 2～6 2～6 46 位错密度cm-2 ﹥1times104 le1times103 asymp5times103 asymp5times103 asymp5times103 迁移率cm2vmiddots 60007000 mdas

　　h mdash mdash mdash 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年成功地建成了3条6英寸砷化镓生产线在砷化镓生产技术上领先一步 日本住友电工是世界最大的砷化镓生产和销售商年产GaAs单晶30t美国AXT公司是世界最大的VGFGaAs材料生产商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 注●主要产品大生产○生产大量小规模D开发中 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 ● ○ ● ○ ○ ○ ○ ○ ○ VGFVB D D ○ D ○ ● 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第一根64公斤5英寸LEC法大直径砷化镓单晶信息产业部46所生长出中国第一根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 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ge50mm具有良好性能的半绝缘和掺杂材料已经商品化 美国政府与西屋公司合作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7SiC器件的研究概表注Tm为Maximumoperatingtemperature SiCDevices PowerMOSFET 4H-SiCMESFET 6H-SiCMESFET 4H-SiCJFET 6H-SiCJFET Shottkydiode comment 600V8Adevicesfabricated fmax42GHz fmax25GHz85dbat10GHz mueff340cm2middotV-1middotS-1at300K Enhance-mentmode Over1kVbreakdownat300K TmK 673 673 673 723 873 973 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gamma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-SiCpn结整流器进行中子辐照实验中子流从1013nAcm2到1015nAcm2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88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86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1970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143亿美元据StrategiesUnlimited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2cdIp20mAGaN绿光LED峰值波长525nm输出光功率为2mw发光亮度6cdIp20mA 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ft52GHzfmax82GHz在18GHz频率下CW输出功率密度大于3Wmm这是至今报导K波段微波GaNFET的最高值 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年研制出世界上第一个氮化镓基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CreeRfmicroDevice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2009年世界GaN器件市场达到48亿美元的销售额 美国Cree公司由于其研究领先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2000cm2VmiddotS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103Wmm栅长06mm栅宽300mm生长在碳化硅衬底上的AlGaNGaNHEMT器件栅长为012mm的特征频率ft101GHz最高振荡频率fmax155GHz 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35％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结构材料和器件的首选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SiCGaN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 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第一只6HSiCMOSFET肖特基二极管的理想因子为123开启电压为05伏MOSFET的跨导为036msmm沟道电子迁移率为14cm2Nmiddots采用ALNiCr制作的欧姆接触的比接触电阻为85times10-5Omegamiddotcm2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领先水平国际先进水平的研究成果可小批量提供AlGaNGaNHEM结构材料一些单位采用该种材料研制出了AlGaNGaNHEM相关器件 如 中科院微电子所研制出具有国内领先水平的AlGaNGaNHEM器件 信息产业部13所研制出了AlGaNGaNHEMT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10msmm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SiCGaNZnSe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 1SiGaAsInP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SiGaAs为代表的第一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mdashmdash宽禁带半导体材料SiCGaNZnSe金刚石材料和用SiGeSiSOI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十亿分之一～01ppb和6N级以上05mum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pptpartpertrillion1兆分之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大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 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 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

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