半导体材料的发展历程和应用领域

半导体材料的发展历程和应用领域

半导体材料经历几代的发展:

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。硅基半导体器件的频率只能做到10GHz，硅基半导体集成电路芯片最小设计线宽己经达到0.13μm，到2015年，最小线宽将达到0.07μm。

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。

化合物半导体不同於硅半导体的性质主要有二: 一是化合物半导体的电子迁移率较硅半导体快许多，因此适用于高频传输，在无线电通讯如手机、基地台、无线区域网络、卫星通讯、卫星定位等皆有应用；二是化合物半导体具有直接带隙，这是和硅半导体所不同的，因此化合物半导体可适用发光领域，如发光二极管(LED)、激光二极管(LD)、光接收器(PIN)及太阳能电池等产品。可用于制造超高速集成电路、微波器件、激光器、光电以及抗辐射、耐高温等器件，对国防、航天和高技术研究具有重要意义。

目前化合物半导体器件工作频率已经达到100GHz，线宽达到亚微米，并带动了异质结技术的发展，使之成为微波/毫米波的主流。通过进一步的努力，化合物半导体器件的工作频率将可以得到进一步提高。

通过反应炉的应用和高度的自动化，实现了外延工艺的改进，从而提高了化合物半导体的产量和经济效益。

化合物半导体产业在当前主要是指砷化镓（族）外延磊晶片生长和IC芯片集成，氮化镓（族）半导体照明LED和砷化镓（族）光储存LD外延磊晶片生长、芯片制作以及封装、模块的生产运营，同时还包括与之相关的广泛的应用产业。

磊晶、芯片是化合物半导体产品的上游产业，主要是采用 MBE和MOCVD 技术生长的化合物半导体外延片，和经过制作而成的芯片。

器件是化合物半导体产品的中游产业，典型产品包括激光二极管、半导体发光二极管、探测器件、微波器件、开关元件、功率器件等等，器件封装和组装是关键技术。

应用模块与整机是化合物半导体产品的下游产业，典型产品包括光收发模块、微波通信产品、半导体照明产品、光存储产品、光显示产品等等。

当前化合物半导体产业的发展主要体现在六个方面：

第一、半导体照明技术的迅猛发展。

基于半导体发光二极管 (LED) 的半导体光源具有体积小、发热量低、耗电量小、寿命长、反应速度快、环保、耐冲击不易破、废弃物可回收，没有污染，可平面封装、易开发成轻薄短小产品等优点，具有重大的经济技术价值和市场前景。特别是基于 LED 的半导体照明产品具有高效节能、绿色环保优点，在全球能源资源相当有限和保护环境可持续发展的双重背景下，将在世界范围内引发一场划时代的照明革命，成为继白炽灯，荧光灯之后的新一代电光源，进入到千家万户。目前LED已广泛用于大屏幕显示、交通信号灯、手机背光源等，开始应用于城市夜景美化亮化、景观灯、地灯、手电筒、指示牌等，随着单个LED亮度和发光效率的提高，即将进入普通室内照明、台灯、笔记本电脑背光源、LCD显示器背光源等，因而具有广阔的应用前景和巨大的商机。 2001年，白光二极管的使用量有2亿个，2002年有6亿个的使用量，2003年急速扩大到12亿个，从2004年开始，还会有更为可观的市场规模突破。第二、消费类光电子，光存贮、数字电视以及全球家用电子产品装备无线控制和数据连接的比例越来越高，音视频装置日益无线化。

消费类光电子，光存贮、数字电视以及全球家用电子产品装备无线控制和数据连接的比例越来越高，音视频装置日益无线化。再加上笔记本电脑的普及，这类产品的市场为化合物半导体产品的应用带来了庞大的新市场。

第三、汽车光电子市场，目前汽车防撞雷达己在很多高档车上得到了实用，将来肯定会越来越普及。

汽车光电子市场，目前汽车防撞雷达己在很多高档车上得到了实用，将来肯定会越来越普及。由于汽车防撞雷达一般工作在毫米波段，所以肯定离不开砷化镓甚至磷化铟，它的中频部分才会用到锗硅，由于全球汽车工业十分庞大，所以这是一个早晚必定会发生的巨大市场。

第四、新一代光纤通信技术。

新一代的40Gbps光通信设备不久肯定会开始装备，4OGbps的光通信设备会代替 25Gbps设备投入大量使用。而这些设备中将大量使用磷化铟、砷化镓、锗硅等化合物半导体集成电路。

第五、移动通信技术正在不断朝有利于化合物半导体产品的方向发展。

移动通信技术正在不断朝有利于化合物半导体产品的方向发展。目前二代半 (25G) 技术成为移动通信技术的主流，同时正在逐渐向第三代 (3G) 过渡。由于二代半技术对功放的效率和散热有更高的要求，所以这对砷化镓器件有利。3G 技术要求更高的工作频率，更宽的带宽和高线性，这也是对砷化镓和锗硅技术有利的。目前第四代(4G)的概念己明确提出来了。4G技术对手机有更高要求。它要求手机在楼内可接入无线局域网(WLAN)，即可工作到2.4GHz和5.8GHz，在室外可在二代、二代半、三代等任意制式下工作。因此这是一种多功能、多频段、多模式的移动终端。从系统小巧来说，当然会希望实现单芯片集成 (SOC)，但单一的硅技术无法在那么多功能和模式上都达到性能最优。要把各种优化性能的功能集成在一起， 只能用系统级封装 (SIP)，即在同一封装中用硅、锗硅、砷化镓等不同工艺来优化实现不同功能，这就为砷化镓的不断发挥优势带来了新的发展前景。

第六、军用光电子

下图是化合物半导体器件在手机上的应用示意图:

尽管有这么多的优点，砷化镓也不会取代硅成为主流的半导体材料。其原因在于性能和制造难度之间的权衡。虽然砷化镓电路非常快，但是大多数的电子产品不需要那么快的速度。在性能方面，砷化镓如同锗一样没有天然的氧化物。为了补偿，必须在砷化镓上淀积多层绝缘体。这样就会导致更长的工艺时间和更低的产量。而且在砷化镓中半数的原子是砷，对人类是很危险的。不幸的是，在正常的工艺温度下砷会蒸发，这就额外需要抑制层或者加压的工艺反应室。这些步骤延长了工艺时间，增加了成本。在晶体生长阶段蒸发也会发生，导致晶体和晶圆不平整。这种不均匀性造成晶圆在工艺中容易折断，而且也导致了大直径的砷化镓生产比硅落后。

尽管有这些问题，砷化镓仍是一种重要的半导体材料，其应用也将继续增多，而且在未来对计算机的性能可能有很大影响。