- 半導(dǎo)體材料的發(fā)展史及材料性能分析

　　20世紀(jì)50年代，為了改善晶體管特性，提高其穩(wěn)定性，半導(dǎo)體材料的制備技術(shù)得到了迅速發(fā)展。盡管硅在微電子技術(shù)應(yīng)用方面取得了巨大成功，但是硅材料由于受間接帶隙的制約，在硅基發(fā)光器件的研究方面進(jìn)展緩慢。

　　隨著半導(dǎo)體超晶體格概念的提出，以及分子束外延。金屬有機(jī)氣相外延和化學(xué)束外延等先進(jìn)外延生長技術(shù)的進(jìn)步，成功的生長出一系列的晶態(tài)、非晶態(tài)薄層、超薄層微結(jié)構(gòu)材料，這不僅推動了半導(dǎo)體物理和半導(dǎo)體器件設(shè)計與制造從過去的所謂“雜質(zhì)工程”發(fā)展到“能帶工程”為基于量子效應(yīng)的新一代器件制造與應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。

　　元素半導(dǎo)體

　　第一代半導(dǎo)體是“元素半導(dǎo)體”，典型如硅基和鍺基半導(dǎo)體。其中以硅基半導(dǎo)體技術(shù)較成熟，應(yīng)用也較廣，一般用硅基半導(dǎo)體來代替元素半導(dǎo)體的名稱。甚至于，目前，全球95%以上的半導(dǎo)體芯片和器件是用硅片作為基礎(chǔ)功能材料而生產(chǎn)出來的。

　　以硅材料為代表的第一代半導(dǎo)體材料，它取代了笨重的電子管，導(dǎo)致了以集成電路為核心的微電子工業(yè)的發(fā)展和整個IT 產(chǎn)業(yè)的飛躍，廣泛應(yīng)用于信息處理和自動控制等領(lǐng)域。

　　但是在20世紀(jì)50年代，卻鍺在半導(dǎo)體中占主導(dǎo)地位，主要應(yīng)用于低壓、低頻、中功率晶體管以及光電探測器中，但是鍺基半導(dǎo)體器件的耐高溫和抗輻射性能較差，到60年代后期逐漸被硅基器件取代。用硅材料制造的半導(dǎo)體器件，耐高溫和抗輻射性能較好。

　　1960年出現(xiàn)了0.75寸（約20mm）的單晶硅片。

　　1965年以分立器件為主的晶體管，開始使用少量的1.25英寸小硅片。之后經(jīng)過2寸、3寸的發(fā)展，1975年4寸單晶硅片開始在全球市場上普及，接下來是5寸、6寸、8寸，2001年開始投入使用12寸硅片，預(yù)計在2020年，18寸（450mm）的硅片開始投入使用。

　　據(jù)了解，硅片占整個半導(dǎo)體材料市場的32%左右，行業(yè)市場空間約76億美元。國內(nèi)半導(dǎo)體硅片市場規(guī)模為130億人民幣左右，占國內(nèi)半導(dǎo)體制造材料總規(guī)模比重達(dá)42.5%。

　　而這一領(lǐng)域主要由日本廠商壟斷，我國6英寸硅片國產(chǎn)化率為50%，8英寸硅片國產(chǎn)化率為10%，12英寸硅片完全依賴于進(jìn)口。

　　目前市場上在使用的硅片有 200mm（8 英寸）、300mm（12 英寸）硅片。由于晶圓面積越大，在同一晶圓上可生產(chǎn)的集成電路IC越多，成本越低，硅片的發(fā)展趨勢也是大尺寸化。12英寸硅片主要用于生產(chǎn)90nm-28nm及以下特征尺寸（16nm和14nm）的存儲器、數(shù)字電路芯片及混合信號電路芯片，是當(dāng)前晶圓廠擴(kuò)產(chǎn)的主流。

　　由于面臨資金和技術(shù)的雙重壓力，晶圓廠向450mm（18英寸）產(chǎn)線轉(zhuǎn)移的速度放緩，根據(jù)國際預(yù)測，到2020年左右，450mm的硅片開發(fā)技術(shù)才有可能實現(xiàn)初步量產(chǎn)。

　　化合物半導(dǎo)體

　　20世紀(jì)90年代以來，隨著移動通信的飛速發(fā)展、以光纖通信為基礎(chǔ)的信息高速公路和互聯(lián)網(wǎng)的興起，以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）為代表的第二代半導(dǎo)體材料開始嶄露頭腳。

　　第二代半導(dǎo)體材料是化合物半導(dǎo)體?；衔锇雽?dǎo)體是以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）和氮化鎵（GaN）等為代表，包括許多其它III-V族化合物半導(dǎo)體。這些化合物中，商業(yè)半導(dǎo)體器件中用得最多的是砷化鎵（GaAs）和磷砷化鎵（GaAsP），磷化銦（InP），砷鋁化鎵（GaAlAs）和磷鎵化銦（InGaP）。其中以砷化鎵技術(shù)較成熟，應(yīng)用也較廣。

　　GaAs、InP等材料適用于制作高速、高頻、大功率以及發(fā)光電子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及發(fā)光器件的優(yōu)良材料，廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通訊、移動通訊、光通信、GPS導(dǎo)航等領(lǐng)域。但是GaAs、InP材料資源稀缺，價格昂貴，并且還有毒性，能污染環(huán)境，InP甚至被認(rèn)為是可疑致癌物質(zhì)，這些缺點使得第二代半導(dǎo)體材料的應(yīng)用具有很大的局限性。

　　但是，化合物半導(dǎo)體不同於硅半導(dǎo)體的性質(zhì)主要有二：