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半導體硅材料
半導體硅材料和光電子材料的發展現狀及趨勢
隨著微電子工業的飛速發展, 作為半導體工業基礎材料的硅材料工業也將隨之發展，而光電子科技的飛速發展也使半導體光電子材料的研究加快步伐，所以研究半導體硅材料和光電子材料的發展現狀及未來發展趨勢勢在必行�，F代微電子工業除了對加工技術和加工設備的要求之外,對硅材料也提出了更新更高的要求。
在當今全球超過2000億美元的半導體市場中,95%以上的半導體器件和99%以上的集成電路都是用高純優質的硅拋光片和外延片制作的。在未來30-50年內,它仍將是集成電路工業最基本和最重要的功能材料。半導體硅材料以豐富的資源、優質的特性、日臻完善的工藝以及廣泛的用途等而成為了當代電子工業中應用最多的半導體材料。
隨著國際信息產業的迅猛發展, 電子工業和半導體工業也得到了巨大發展,并且直到20世紀末都保持穩定的15%的年增長率迅速發展,作為半導體工業基礎材料的硅材料工業也將隨之發展，所以研究半導體硅材料的發展現狀及未來發展趨勢勢在必行。
一、半導體硅材料的發展現狀
由于半導體的優良性能，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、開關和處理電信號及能量轉換的功能,而使“半導體硅”實際上成了“微電子”和“現代化電子”的代名詞。
二、現代微電子工業的發展對半導體硅材料的新要求 隨著微電子工業飛速發展, 除了本身對加工技術和加工設備的要求之外, 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如Fe、Cu、Cr、Ni、A1、Na 等, 都要控制在目前分析技術的檢測極限以下。
2. 對硅片表面平整度、應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力不能過分集中,機械強度要高,使器件的穩定性和可靠性得到保證,但現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. 對硅片表面和內部結晶特性及氧含量的要求
對大規模集成電路來說, 距硅片表面10μm 左右厚度區域為器件活性區,要求該區域性質均勻且無缺陷。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,分為內吸除和背面損傷吸除。現在器件廠家都根據器件工藝的需要,對硅片提出了某種含氧量要求。
4. 對硅片大直徑化的要求
為了提高生產率、降低成本,器件廠家隨著生產規模的擴大,逐步要求增大硅片直徑,使同等規模芯片的收得率明顯提高,給器件廠家帶來極為顯著的經濟效益。
三、半導體光電子材料
1、半導體激光材料
電子器件和光電子器件應用時半導體材料最重要的兩大應用領域。半導體材料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，作為了半導體光電子學的開端。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生光輻射，它使注入的電子-空穴自己發生輻射復合以得到較高的電光轉化效率。
產生激光的條件有：
1、形成粒子數反轉使受激輻射占優勢；2、具有共振腔以實現光量子放大；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、半導體顯示材料半導體顯示材料有發光二極管LED和電致發光顯示。 發光二極管LED發光二極管LED它是由數層很薄的摻雜半導體材料制成。當通過正向電流時，n區電子獲得能量越過PN結的禁區與p區的空穴復合以光的形式釋放出能量。而LED廣泛應用于各方面，現如今的半導體白光照明、車內照明、交通信號燈、裝飾燈、大屏幕全彩色顯示系統、太陽能照明系統、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出藍光，組合成為白光。 電致發光 電致發光又稱為場致發光，與LED的低電場結型發光相比，是一種高電場作用下發光。電致發光材料分為粉末發光材料和薄膜發光材料。 半導體粉末發光材料的發光特性主要有一線特殊雜質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作激活劑可以發黃光，用Ag作為激活劑可以發藍光，用Cd、Ag作為激活劑發出紅綠光。 薄膜發光材料發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，發光亮度也較高。 陰極射線管是將電信號轉換成光學圖像的電子束管，常見的由彩色電視顯像管，它的光電轉換時通過其中的熒光屏來實現的，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w材料有CuInSe2電池、CdTe電池、GaAs電池和GaSb電池。
四、半導體材料的發展趨勢
隨著硅的直徑增大,雜質氧等雜質在硅錠和硅片中的分布也變得不均勻,這將嚴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, 這是目前硅技術發展的一個重要方向。目前硅的集成電路大規模生產技術已經達到0.13-0.09微米,進一步將到0.半導體硅材料07微米,也就是70個納米甚至更小。根據預測,到2022年,硅集成電路技術的線寬可能達到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。隨著技術的發展,特別是納米加工技術的發展,也可能把這個"極限"尺寸進一步減小;但總有一天,當代的硅微電子技術可能會走到盡頭。
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;現在電腦CPU的功耗已經很高,如果說將來把它變成“納米結構”, 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, 目前大約可以做到0.1微米,雖然還有些正在發展的光刻技術,如X 光、超紫外光刻技術等,但要滿足納米加工技術的需求還相差很遠。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線的長度要占到器件面積的60-70%,現在的連線就多達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,硅基微電子技術最終將沒有辦法滿足人類對信息量不斷增長的需求。
五、結論
隨著國際信息產業的迅猛發展, 電子工業和半導體工業也得到了巨大發展,作為半導體工業基礎材料的硅材料工業也將隨之發展。在未來幾年,電子半導體工業和硅材料工業還將持續增長。在21世紀初,硅材料無論在質量還是在數量上,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:對其結構、電學和化學特性的研究將更加深入;其缺陷控制、雜質行為,雜質與缺陷的相互作用也將作深入研究,把各種雜質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,并根據器件工藝的需要能控制氧含量。在未來5年左右的時期內,隨著中國電子工業的發展我國的半導體硅工業將會有一個快速發展階段。
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