- 半导体材料的发展史及材料性能分析

　　20世纪50年代，为了改善晶体管特性，提高其稳定性，半导体材料的制备技术得到了迅速发展。尽管硅在微电子技术应用方面取得了巨大成功，但是硅材料由于受间接带隙的制约，在硅基发光器件的研究方面进展缓慢。

　　随着半导体超晶体格概念的提出，以及分子束外延。金属有机气相外延和化学束外延等先进外延生长技术的进步，成功的生长出一系列的晶态、非晶态薄层、超薄层微结构材料，这不仅推动了半导体物理和半导体器件设计与制造从过去的所谓“杂质工程”发展到“能带工程”为基于量子效应的新一代器件制造与应用打下了基础。

　　元素半导体

　　第一代半导体是“元素半导体”，典型如硅基和锗基半导体。其中以硅基半导体技术较成熟，应用也较广，一般用硅基半导体来代替元素半导体的名称。甚至于，目前，全球95%以上的半导体芯片和器件是用硅片作为基础功能材料而生产出来的。

　　以硅材料为代表的第一代半导体材料，它取代了笨重的电子管，导致了以集成电路为核心的微电子工业的发展和整个IT 产业的飞跃，广泛应用于信息处理和自动控制等领域。

　　但是在20世纪50年代，却锗在半导体中占主导地位，主要应用于低压、低频、中功率晶体管以及光电探测器中，但是锗基半导体器件的耐高温和抗辐射性能较差，到60年代后期逐渐被硅基器件取代。用硅材料制造的半导体器件，耐高温和抗辐射性能较好。

　　1960年出现了0.75寸（约20mm）的单晶硅片。

　　1965年以分立器件为主的晶体管，开始使用少量的1.25英寸小硅片。之后经过2寸、3寸的发展，1975年4寸单晶硅片开始在全球市场上普及，接下来是5寸、6寸、8寸，2001年开始投入使用12寸硅片，预计在2020年，18寸（450mm）的硅片开始投入使用。

　　据了解，硅片占整个半导体材料市场的32%左右，行业市场空间约76亿美元。国内半导体硅片市场规模为130亿人民币左右，占国内半导体制造材料总规模比重达42.5%。

　　而这一领域主要由日本厂商垄断，我国6英寸硅片国产化率为50%，8英寸硅片国产化率为10%，12英寸硅片完全依赖于进口。

　　目前市场上在使用的硅片有 200mm（8 英寸）、300mm（12 英寸）硅片。由于晶圆面积越大，在同一晶圆上可生产的集成电路IC越多，成本越低，硅片的发展趋势也是大尺寸化。12英寸硅片主要用于生产90nm-28nm及以下特征尺寸（16nm和14nm）的存储器、数字电路芯片及混合信号电路芯片，是当前晶圆厂扩产的主流。

　　由于面临资金和技术的双重压力，晶圆厂向450mm（18英寸）产线转移的速度放缓，根据国际预测，到2020年左右，450mm的硅片开发技术才有可能实现初步量产。

　　化合物半导体

　　20世纪90年代以来，随着移动通信的飞速发展、以光纤通信为基础的信息高速公路和互联网的兴起，以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）为代表的第二代半导体材料开始崭露头脚。

　　第二代半导体材料是化合物半导体。化合物半导体是以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）和氮化镓（GaN）等为代表，包括许多其它III-V族化合物半导体。这些化合物中，商业半导体器件中用得最多的是砷化镓（GaAs）和磷砷化镓（GaAsP），磷化铟（InP），砷铝化镓（GaAlAs）和磷镓化铟（InGaP）。其中以砷化镓技术较成熟，应用也较广。

　　GaAs、InP等材料适用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料，广泛应用于卫星通讯、移动通讯、光通信、GPS导航等领域。但是GaAs、InP材料资源稀缺，价格昂贵，并且还有毒性，能污染环境，InP甚至被认为是可疑致癌物质，这些缺点使得第二代半导体材料的应用具有很大的局限性。

　　但是，化合物半导体不同於硅半导体的性质主要有二：