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半导体硅材料
半导体硅材料和光电子材料的发展现状及趋势
随着微电子工业的飞速发展, 作为半导体工业基础材料的硅材料工业也将随之发展，而光电子科技的飞速发展也使半导体光电子材料的研究加快步伐，所以研究半导体硅材料和光电子材料的发展现状及未来发展趋势势在必行。现代微电子工业除了对加工技术和加工设备的要求之外,对硅材料也提出了更新更高的要求。
在当今全球超过2000亿美元的半导体市场中,95%以上的半导体器件和99%以上的集成电路都是用高纯优质的硅抛光片和外延片制作的。在未来30-50年内,它仍将是集成电路工业最基本和最重要的功能材料。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而成为了当代电子工业中应用最多的半导体材料。
随着国际信息产业的迅猛发展, 电子工业和半导体工业也得到了巨大发展,并且直到20世纪末都保持稳定的15%的年增长率迅速发展,作为半导体工业基础材料的硅材料工业也将随之发展，所以研究半导体硅材料的发展现状及未来发展趋势势在必行。
一、半导体硅材料的发展现状
由于半导体的优良性能，使其在射线探测器、整流器、集成
电路、硅光电池、传感器等各类电子元件中占有极为重要的地位。同时,由于它具有识别、存储、放大、开关和处理电信号及能量转换的功能,而使“半导体硅”实际上成了“微电子”和“现代化电子”的代名词。
二、现代微电子工业的发展对半导体硅材料的新要求 随着微电子工业飞速发展, 除了本身对加工技术和加工设备的要求之外, 同时对硅材料也提出了更新更高的要求。
1. 对硅片表面附着粒子及微量杂质的要求
随着集成电路的集成度不断提高,其加工线宽也逐步缩小,因此, 对硅片的加工、清洗、包装、储运等工作提出了更高的新要求。对于兆位级器件, 0.10μm的微粒都可能造成器件失效。亚微米级器件要求0.1μm的微粒降到10个/片以下同时要求各种金属杂质如Fe、Cu、Cr、Ni、A1、Na 等, 都要控制在目前分析技术的检测极限以下。
2. 对硅片表面平整度、应力和机械强度的要求
硅片表面的局部平整度(SFQD)一般要求为设计线宽的2/3,以64M存储器的加工线宽0.35μm为例,则要求硅片局部平整度在22mm2范围内为0.23μm, 256M电路的SFQD为0.17μm。同时,器件工艺还要求原始硅片的应力不能过分集中,机械强度要高,使器件的稳定性和可靠性得到保证,但现在这方面硅材料尚未取得突破性进展,仍是以后研究的一个课
题。
3. 对硅片表面和内部结晶特性及氧含量的要求
对大规模集成电路来说, 距硅片表面10μm 左右厚度区域为器件活性区,要求该区域性质均匀且无缺陷。64M和256M电路要求硅片的氧化诱生层错(OSF)≤20/cm2。为达到此要求,目前比较成熟的工艺是采用硅片吸除技术,分为内吸除和背面损伤吸除。现在器件厂家都根据器件工艺的需要,对硅片提出了某种含氧量要求。
4. 对硅片大直径化的要求
为了提高生产率、降低成本,器件厂家随着生产规模的扩大,逐步要求增大硅片直径,使同等规模芯片的收得率明显提高,给器件厂家带来极为显著的经济效益。
三、半导体光电子材料
1、半导体激光材料
电子器件和光电子器件应用时半导体材料最重要的两大应用领域。半导体材料Si，GaAs和GaN，InP等几十重要的电子材料，也是重要的光电子材料。在1962年，GaAs激光二极管的问世，作为了半导体光电子学的开端。激光的激射波长取决于材料的带隙，且只有具有直接带隙的材料才能产生光辐射，它使注入的电子-空穴自己发生辐射复合以得到较高的电光转化效率。
产生激光的条件有：
1、形成粒子数反转使受激辐射占优势；2、具有共振腔以实现光量子放大；3、外界输入能量至少要达到阀值，使激光管的增益至少等于损耗。 2、半导体显示材料半导体显示材料有发光二极管LED和电致发光显示。 发光二极管LED发光二极管LED它是由数层很薄的掺杂半导体材料制成。当通过正向电流时，n区电子获得能量越过PN结的禁区与p区的空穴复合以光的形式释放出能量。而LED广泛应用于各方面，现如今的半导体白光照明、车内照明、交通信号灯、装饰灯、大屏幕全彩色显示系统、太阳能照明系统、以及紫外、蓝外激光器、高容量蓝光DVD、激光打印和显示等。 为了实现高亮度白光LED，我们可以通过红绿蓝三种LED可以组合成为白光；也可以基于紫外光LED，通过三基色粉，组合成为白光；也可基于蓝光LED，通过黄色荧光粉激发出蓝光，组合成为白光。 电致发光 电致发光又称为场致发光，与LED的低电场结型发光相比，是一种高电场作用下发光。电致发光材料分为粉末发光材料和薄膜发光材料。 半导体粉末发光材料的发光特性主要有一线特殊杂质作为激活剂和共激活剂所决定的，ZnS粉末常用Cu作为激活剂；Al、Ga、In等作为共激活剂。其中对于ZnS粉末，用Mn、Cu作激活剂可以发黄光，用Ag作为激活剂可以发蓝光，用Cd、Ag作为激活剂发出红绿光。 薄膜发光材料发光机理和粉末材料基
本相同，但薄膜材料可以在高频电压下工作，发光亮度也较高。 阴极射线管是将电信号转换成光学图像的电子束管，常见的由彩色电视显像管，它的光电转换时通过其中的荧光屏来实现的，所用的蓝粉和绿粉以ZnS为主。 3、太阳能电池材料太阳能电池材料分为硅电池材料和化合物半导体材料。硅电池材料有单晶硅电池、多晶硅电池、带状硅电池和薄膜硅电池材料。化合物半导体材料有CuInSe2电池、CdTe电池、GaAs电池和GaSb电池。
四、半导体材料的发展趋势
随着硅的直径增大,杂质氧等杂质在硅锭和硅片中的分布也变得不均匀,这将严重的影响集成电路的成品率,特别是高集成度电路。为避免氧的沉淀带来的问题,可采用外延的办法解决。即用硅单晶片为衬底,然后在其上通过气相反应方法再生长一层硅,如2个微米、个微米或0.5个微米厚等。这一层外延硅中的氧含量就可以控制到1016/cm3以下,器件和电路就做在外延硅上,而不是原来的硅单晶上,这样就可解决由氧导致的问题。尽管成本将有所提高,但集成电路的集成度和运算速度都得到了显著提高, 这是目前硅技术发展的一个重要方向。目前硅的集成电路大规模生产技术已经达到0.13-0.09微米,进一步将到0.半导体硅材料07微米,也就是70个纳米甚至更小。根据预测,到2022年,硅集成电路技术的线宽可能达到10个纳米,这个尺度被认为是硅集成电路的“物理
极限”。就是说,尺寸再减小,就会遇到有很多难以克服的问题。随着技术的发展,特别是纳米加工技术的发展,也可能把这个"极限"尺寸进一步减小;但总有一天,当代的硅微电子技术可能会走到尽头。
随着集成电路集成度的提高,芯片的功耗也急剧增加,使其难以承受;现在电脑CPU的功耗已经很高,如果说将来把它变成“纳米结构”, 即不采用新原理,只是按《摩尔定律》走下去,进一步提高集成度,那么加在它上面的功耗就有可能把硅熔化掉!另外一个问题是光刻技术, 目前大约可以做到0.1微米,虽然还有些正在发展的光刻技术,如X 光、超紫外光刻技术等,但要满足纳米加工技术的需求还相差很远。再者就是电路器件之间的互连问题,对每一个芯片来说,每一个平方厘米上有上千万、上亿只管子,管子与管子之间的联线的长度要占到器件面积的60-70%,现在的连线就多达8层到10多层,尽管两个管子之间的距离可以做得很小,但是从这个管子到另外一个管子,电子走的路径不是直线,而要通过很长的连线。线宽越窄,截面越小,电阻越大,加上分布电容,电子通过引线所需的时间就很长,这就使CPU的速度变慢。另外纳米加工的制作成本也很高,由于这些原因,硅基微电子技术最终将没有办法满足人类对信息量不断增长的需求。
五、结论
随着国际信息产业的迅猛发展, 电子工业和半导体工业也得到了巨大发展,作为半导体工业基础材料的硅材料工业也将随之发展。在未来几年,电子半导体工业和硅材料工业还将持续增长。在21世纪初,硅材料无论在质量还是在数量上,以及在直径增大上都将上一个新的台阶。未来研究的主攻方向是:对其结构、电学和化学特性的研究将更加深入;其缺陷控制、杂质行为,杂质与缺陷的相互作用也将作深入研究,把各种杂质污染降低到目前的检测极限以下;氧含量保持纵横分布均匀,并根据器件工艺的需要能控制氧含量。在未来5年左右的时期内,随着中国电子工业的发展我国的半导体硅工业将会有一个快速发展阶段。
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