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半導(dǎo)體硅材料
半導(dǎo)體硅材料和光電子材料的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢
隨著微電子工業(yè)的飛速發(fā)展, 作為半導(dǎo)體工業(yè)基礎(chǔ)材料的硅材料工業(yè)也將隨之發(fā)展，而光電子科技的飛速發(fā)展也使半導(dǎo)體光電子材料的研究加快步伐，所以研究半導(dǎo)體硅材料和光電子材料的發(fā)展現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢勢在必行�，F(xiàn)代微電子工業(yè)除了對加工技術(shù)和加工設(shè)備的要求之外,對硅材料也提出了更新更高的要求。
在當(dāng)今全球超過2000億美元的半導(dǎo)體市場中,95%以上的半導(dǎo)體器件和99%以上的集成電路都是用高純優(yōu)質(zhì)的硅拋光片和外延片制作的。在未來30-50年內(nèi),它仍將是集成電路工業(yè)最基本和最重要的功能材料。半導(dǎo)體硅材料以豐富的資源、優(yōu)質(zhì)的特性、日臻完善的工藝以及廣泛的用途等而成為了當(dāng)代電子工業(yè)中應(yīng)用最多的半導(dǎo)體材料。
隨著國際信息產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展, 電子工業(yè)和半導(dǎo)體工業(yè)也得到了巨大發(fā)展,并且直到20世紀(jì)末都保持穩(wěn)定的15%的年增長率迅速發(fā)展,作為半導(dǎo)體工業(yè)基礎(chǔ)材料的硅材料工業(yè)也將隨之發(fā)展，所以研究半導(dǎo)體硅材料的發(fā)展現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢勢在必行。
一、半導(dǎo)體硅材料的發(fā)展現(xiàn)狀
由于半導(dǎo)體的優(yōu)良性能，使其在射線探測器、整流器、集成
電路、硅光電池、傳感器等各類電子元件中占有極為重要的地位。同時,由于它具有識別、存儲、放大、開關(guān)和處理電信號及能量轉(zhuǎn)換的功能,而使“半導(dǎo)體硅”實際上成了“微電子”和“現(xiàn)代化電子”的代名詞。
二、現(xiàn)代微電子工業(yè)的發(fā)展對半導(dǎo)體硅材料的新要求 隨著微電子工業(yè)飛速發(fā)展, 除了本身對加工技術(shù)和加工設(shè)備的要求之外, 同時對硅材料也提出了更新更高的要求。
1. 對硅片表面附著粒子及微量雜質(zhì)的要求
隨著集成電路的集成度不斷提高,其加工線寬也逐步縮小,因此, 對硅片的加工、清洗、包裝、儲運等工作提出了更高的新要求。對于兆位級器件, 0.10μm的微粒都可能造成器件失效。亞微米級器件要求0.1μm的微粒降到10個/片以下同時要求各種金屬雜質(zhì)如Fe、Cu、Cr、Ni、A1、Na 等, 都要控制在目前分析技術(shù)的檢測極限以下。
2. 對硅片表面平整度、應(yīng)力和機械強度的要求
硅片表面的局部平整度(SFQD)一般要求為設(shè)計線寬的2/3,以64M存儲器的加工線寬0.35μm為例,則要求硅片局部平整度在22mm2范圍內(nèi)為0.23μm, 256M電路的SFQD為0.17μm。同時,器件工藝還要求原始硅片的應(yīng)力不能過分集中,機械強度要高,使器件的穩(wěn)定性和可靠性得到保證,但現(xiàn)在這方面硅材料尚未取得突破性進展,仍是以后研究的一個課
題。
3. 對硅片表面和內(nèi)部結(jié)晶特性及氧含量的要求
對大規(guī)模集成電路來說, 距硅片表面10μm 左右厚度區(qū)域為器件活性區(qū),要求該區(qū)域性質(zhì)均勻且無缺陷。64M和256M電路要求硅片的氧化誘生層錯(OSF)≤20/cm2。為達到此要求,目前比較成熟的工藝是采用硅片吸除技術(shù),分為內(nèi)吸除和背面損傷吸除�，F(xiàn)在器件廠家都根據(jù)器件工藝的需要,對硅片提出了某種含氧量要求。
4. 對硅片大直徑化的要求
為了提高生產(chǎn)率、降低成本,器件廠家隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴大,逐步要求增大硅片直徑,使同等規(guī)模芯片的收得率明顯提高,給器件廠家?guī)順O為顯著的經(jīng)濟效益。
三、半導(dǎo)體光電子材料
1、半導(dǎo)體激光材料
電子器件和光電子器件應(yīng)用時半導(dǎo)體材料最重要的兩大應(yīng)用領(lǐng)域。半導(dǎo)體材料Si，GaAs和GaN，InP等幾十重要的電子材料，也是重要的光電子材料。在1962年，GaAs激光二極管的問世，作為了半導(dǎo)體光電子學(xué)的開端。激光的激射波長取決于材料的帶隙，且只有具有直接帶隙的材料才能產(chǎn)生光輻射，它使注入的電子-空穴自己發(fā)生輻射復(fù)合以得到較高的電光轉(zhuǎn)化效率。
產(chǎn)生激光的條件有：
1、形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)使受激輻射占優(yōu)勢；2、具有共振腔以實現(xiàn)光量子放大；3、外界輸入能量至少要達到閥值，使激光管的增益至少等于損耗。 2、半導(dǎo)體顯示材料半導(dǎo)體顯示材料有發(fā)光二極管LED和電致發(fā)光顯示。 發(fā)光二極管LED發(fā)光二極管LED它是由數(shù)層很薄的摻雜半導(dǎo)體材料制成。當(dāng)通過正向電流時，n區(qū)電子獲得能量越過PN結(jié)的禁區(qū)與p區(qū)的空穴復(fù)合以光的形式釋放出能量。而LED廣泛應(yīng)用于各方面，現(xiàn)如今的半導(dǎo)體白光照明、車內(nèi)照明、交通信號燈、裝飾燈、大屏幕全彩色顯示系統(tǒng)、太陽能照明系統(tǒng)、以及紫外、藍外激光器、高容量藍光DVD、激光打印和顯示等。 為了實現(xiàn)高亮度白光LED，我們可以通過紅綠藍三種LED可以組合成為白光；也可以基于紫外光LED，通過三基色粉，組合成為白光；也可基于藍光LED，通過黃色熒光粉激發(fā)出藍光，組合成為白光。 電致發(fā)光 電致發(fā)光又稱為場致發(fā)光，與LED的低電場結(jié)型發(fā)光相比，是一種高電場作用下發(fā)光。電致發(fā)光材料分為粉末發(fā)光材料和薄膜發(fā)光材料。 半導(dǎo)體粉末發(fā)光材料的發(fā)光特性主要有一線特殊雜質(zhì)作為激活劑和共激活劑所決定的，ZnS粉末常用Cu作為激活劑；Al、Ga、In等作為共激活劑。其中對于ZnS粉末，用Mn、Cu作激活劑可以發(fā)黃光，用Ag作為激活劑可以發(fā)藍光，用Cd、Ag作為激活劑發(fā)出紅綠光。 薄膜發(fā)光材料發(fā)光機理和粉末材料基
本相同，但薄膜材料可以在高頻電壓下工作，發(fā)光亮度也較高。 陰極射線管是將電信號轉(zhuǎn)換成光學(xué)圖像的電子束管，常見的由彩色電視顯像管，它的光電轉(zhuǎn)換時通過其中的熒光屏來實現(xiàn)的，所用的藍粉和綠粉以ZnS為主。 3、太陽能電池材料太陽能電池材料分為硅電池材料和化合物半導(dǎo)體材料。硅電池材料有單晶硅電池、多晶硅電池、帶狀硅電池和薄膜硅電池材料�；衔锇雽�(dǎo)體材料有CuInSe2電池、CdTe電池、GaAs電池和GaSb電池。
四、半導(dǎo)體材料的發(fā)展趨勢
隨著硅的直徑增大,雜質(zhì)氧等雜質(zhì)在硅錠和硅片中的分布也變得不均勻,這將嚴(yán)重的影響集成電路的成品率,特別是高集成度電路。為避免氧的沉淀帶來的問題,可采用外延的辦法解決。即用硅單晶片為襯底,然后在其上通過氣相反應(yīng)方法再生長一層硅,如2個微米、個微米或0.5個微米厚等。這一層外延硅中的氧含量就可以控制到1016/cm3以下,器件和電路就做在外延硅上,而不是原來的硅單晶上,這樣就可解決由氧導(dǎo)致的問題。盡管成本將有所提高,但集成電路的集成度和運算速度都得到了顯著提高, 這是目前硅技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。目前硅的集成電路大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)達到0.13-0.09微米,進一步將到0.半導(dǎo)體硅材料07微米,也就是70個納米甚至更小。根據(jù)預(yù)測,到2022年,硅集成電路技術(shù)的線寬可能達到10個納米,這個尺度被認為是硅集成電路的“物理
極限”。就是說,尺寸再減小,就會遇到有很多難以克服的問題。隨著技術(shù)的發(fā)展,特別是納米加工技術(shù)的發(fā)展,也可能把這個"極限"尺寸進一步減小;但總有一天,當(dāng)代的硅微電子技術(shù)可能會走到盡頭。
隨著集成電路集成度的提高,芯片的功耗也急劇增加,使其難以承受;現(xiàn)在電腦CPU的功耗已經(jīng)很高,如果說將來把它變成“納米結(jié)構(gòu)”, 即不采用新原理,只是按《摩爾定律》走下去,進一步提高集成度,那么加在它上面的功耗就有可能把硅熔化掉!另外一個問題是光刻技術(shù), 目前大約可以做到0.1微米,雖然還有些正在發(fā)展的光刻技術(shù),如X 光、超紫外光刻技術(shù)等,但要滿足納米加工技術(shù)的需求還相差很遠。再者就是電路器件之間的互連問題,對每一個芯片來說,每一個平方厘米上有上千萬、上億只管子,管子與管子之間的聯(lián)線的長度要占到器件面積的60-70%,現(xiàn)在的連線就多達8層到10多層,盡管兩個管子之間的距離可以做得很小,但是從這個管子到另外一個管子,電子走的路徑不是直線,而要通過很長的連線。線寬越窄,截面越小,電阻越大,加上分布電容,電子通過引線所需的時間就很長,這就使CPU的速度變慢。另外納米加工的制作成本也很高,由于這些原因,硅基微電子技術(shù)最終將沒有辦法滿足人類對信息量不斷增長的需求。
五、結(jié)論
隨著國際信息產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展, 電子工業(yè)和半導(dǎo)體工業(yè)也得到了巨大發(fā)展,作為半導(dǎo)體工業(yè)基礎(chǔ)材料的硅材料工業(yè)也將隨之發(fā)展。在未來幾年,電子半導(dǎo)體工業(yè)和硅材料工業(yè)還將持續(xù)增長。在21世紀(jì)初,硅材料無論在質(zhì)量還是在數(shù)量上,以及在直徑增大上都將上一個新的臺階。未來研究的主攻方向是:對其結(jié)構(gòu)、電學(xué)和化學(xué)特性的研究將更加深入;其缺陷控制、雜質(zhì)行為,雜質(zhì)與缺陷的相互作用也將作深入研究,把各種雜質(zhì)污染降低到目前的檢測極限以下;氧含量保持縱橫分布均勻,并根據(jù)器件工藝的需要能控制氧含量。在未來5年左右的時期內(nèi),隨著中國電子工業(yè)的發(fā)展我國的半導(dǎo)體硅工業(yè)將會有一個快速發(fā)展階段。
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