半导体材料的应用及发展趋势

半导体材料(semiconductor material)是一类具有半导体性能(导电能力介于导体与绝缘体之间，电阻率约在1mΩ·cm～1GΩ·cm范围内)、可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。

一、半导体材料主要种类

半导体材料可按化学组成来分，再将结构与性能比较特殊的非晶态与液态半导体单独列为一类。按照这样分类方法可将半导体材料分为元素半导体、无机化合物半导体、有机化合物半导体和非晶态与液态半导体。

1、元素半导体：在元素周期表的ⅢA族至ⅦA族分布着11种具有半导性半导体材料的元素，下表的黑框中即这11种元素半导体,其中C表示金刚石。C、P、Se具有绝缘体与半导体两种形态B、Si、Ge、Te具有半导性Sn、As、Sb具有半导体与金属两种形态。P的熔点与沸点太低,Ⅰ的蒸汽压太高、容易分解，所以它们的实用价值不大。As、Sb、Sn的稳定态是金属，半导体是不稳定的形态。B、C、Te也因制备工艺上的困难和性能方面的局限性而尚未被利用。因此这11种元素半导体中只有Ge、Si、Se 3种元素已得到利用。Ge、Si仍是所有半导体材料中应用最广的两种材料。

（半导体材料）

2、无机化合物半导体：分二元系、三元系、四元系等。 二元系包括：①Ⅳ-Ⅳ族:SiC和Ge-Si合金都具有闪锌矿的结构。②Ⅲ-Ⅴ族:由周期表中Ⅲ族元素Al、Ga、In和V族元素P、As、Sb组成，典型的代表为GaAs。它们都具有闪锌矿结构,它们在应用方面仅次于Ge、Si,有很大的发展前途。③Ⅱ-Ⅵ族:Ⅱ族元素Zn、Cd、Hg和Ⅵ族元素S、Se、Te形成的化合物，是一些重要的光电材料。ZnS、CdTe、HgTe具有闪锌矿结构。④Ⅰ-Ⅶ族：Ⅰ族元素Cu、Ag、Au和 Ⅶ族元素Cl、Br、I形成的化合物，其中CuBr、CuI具有闪锌矿结构。⑤Ⅴ-Ⅵ族：Ⅴ族元素As、Sb、Bi和Ⅵ族元素 S、Se、Te形成的化合物具有的形式,如Bi2Te3、Bi2Se3、Bi2S3、As2Te3等是重要的温差电材料。⑥第四周期中的B族和过渡族元素Cu、 Zn、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni的氧化物,为主要的热敏电阻材料。⑦某些稀土族元素 Sc、Y、Sm、Eu、Yb、Tm与Ⅴ族元素N、As或Ⅵ族元素S、Se、Te形成的化合物。 除这些二元系化合物外还有它们与元素或它们之间的固溶体半导体，例如Si-AlP、Ge-GaAs、InAs-InSb、AlSb-GaSb、InAs-InP、GaAs-GaP等。研究这些固溶体可以在改善单一材料的某些性能或开辟新的应用范围方面起很大作用。

（半导体材料元素结构图）

半导体材料

三元系包括：族:这是由一个Ⅱ族和一个Ⅳ族原子去替代Ⅲ-Ⅴ族中两个Ⅲ族原子所构成的。例如ZnSiP2、ZnGeP2、ZnGeAs2、CdGeAs2、CdSnSe2等。族：这是由一个Ⅰ族和一个Ⅲ族原子去替代Ⅱ-Ⅵ族中两个Ⅱ族原子所构成的, 如 CuGaSe2、AgInTe2、 AgTlTe2、CuInSe2、CuAlS2等。：这是由一个Ⅰ族和一个Ⅴ族原子去替代族中两个Ⅲ族原子所组成,如Cu3AsSe4、Ag3AsTe4、Cu3SbS4、Ag3SbSe4等。此外，还有它的结构基本为闪锌矿的四元系(例如Cu2FeSnS4)和更复杂的无机化合物。

3、有机化合物半导体：已知的有机半导体有几十种，熟知的有萘、蒽、聚丙烯腈、酞菁和一些芳香族化合物等，它们作为半导体尚未得到应用。

4、非晶态与液态半导体：这类半导体与晶态半导体的最大区别是不具有严格周期性排列的晶体结构。

二、半导体材料实际运用

制备不同的半导体器件对半导体材料有不同的形态要求，包括单晶的切片、磨片、抛光片、薄膜等。半导体材料的不同形态要求对应不同的加工工艺。常用的半导体材料制备工艺有提纯、单晶的制备和薄膜外延生长。

半导体材料所有的半导体材料都需要对原料进行提纯，要求的纯度在6个“9”以上，最高达11个“9”以上。提纯的方法分两大类，一类是不改变材料的化学组成进行提纯，称为物理提纯另一类是把元素先变成化合物进行提纯，再将提纯后的化合物还原成元素，称为化学提纯。物理提纯的方法有真空蒸发、区域精制、拉晶提纯等，使用最多的是区域精制。化学提纯的主要方法有电解、络合、萃取、精馏等，使用最多的是精馏。由于每一种方法都有一定的局限性，因此常使用几种提纯方法相结合的工艺流程以获得合格的材料。

（半导体材料）

绝大多数半导体器件是在单晶片或以单晶片为衬底的外延片上作出的。成批量的半导体单晶都是用熔体生长法制成的。直拉法应用最广，80%的硅单晶、大部分锗单晶和锑化铟单晶是用此法生产的，其中硅单晶的最大直径已达300毫米。在熔体中通入磁场的直拉法称为磁控拉晶法，用此法已生产出高均匀性硅单晶。在坩埚熔体表面加入液体覆盖剂称液封直拉法，用此法拉制砷化镓、磷化镓、磷化铟等分解压较大的单晶。悬浮区熔法的熔体不与容器接触，用此法生长高纯硅单晶。水平区熔法用以生产锗单晶。水平定向结晶法主要用于制备砷化镓单晶，而垂直定向结晶法用于制备碲化镉、砷化镓。用各种方法生产的体单晶再经过晶体定向、滚磨、作参考面、切片、磨片、倒角、抛光、腐蚀、清洗、检测、封装等全部或部分工序以提供相应的晶片。

在单晶衬底上生长单晶薄膜称为外延。外延的方法有气相、液相、固相、分子束外延等。工业生产使用的主要是化学气相外延，其次是液相外延。金属有机化合物气相外延和分子束外延则用于制备量子阱及超晶格等微结构。非晶、微晶、多晶薄膜多在玻璃、陶瓷、金属等衬底上用不同类型的化学气相沉积、磁控溅射等方法制成。

三、半导体材料发展现状

相对于半导体设备市场，半导体材料市场长期处于配角的位置，但随着芯片出货量增长，材料市场将保持持续增长，并开始摆脱浮华的设备市场所带来的阴影。按销售收入计算，

半导体材料日本保持最大半导体材料市场的地位。然而台湾、ROW、韩国也开始崛起成为重要的市场，材料市场的崛起体现了器件制造业在这些地区的发展。晶圆制造材料市场和封装材料市场双双获得增长，未来增长将趋于缓和，但增长势头仍将保持。

（半导体材料）

美国半导体产业协会(SIA)预测，2008年半导体市场收入将接近2670亿美元，连续第五年实现增长。无独有偶，半导体材料市场也在相同时间内连续改写销售收入和出货量的记录。晶圆制造材料和封装材料均获得了增长，预计今年这两部分市场收入分别为268亿美元和199亿美元。

日本继续保持在半导体材料市场中的领先地位，消耗量占总市场的22%。2004年台湾地区超过了北美地区成为第二大半导体材料市场。北美地区落后于ROW(RestofWorld)和韩国排名第五。ROW包括新加坡、马来西亚、泰国等东南亚国家和地区。许多新的晶圆厂在这些地区投资建设，而且每个地区都具有比北美更坚实的封装基础。

芯片制造材料占半导体材料市场的60%，其中大部分来自硅晶圆。硅晶圆和光掩膜总和占晶圆制造材料的62%。2007年所有晶圆制造材料，除了湿化学试剂、光掩模和溅射靶，都获得了强劲增长，使晶圆制造材料市场总体增长16%。2008年晶圆制造材料市场增长相对平缓，增幅为7%。预计2009年和2010年，增幅分别为9%和6%。

半导体材料市场发生的最重大的变化之一是封装材料市场的崛起。1998年封装材料市场占半导体材料市场的33%，而2008年该份额预计可增至43%。这种变化是由于球栅阵列、芯片级封装和倒装芯片封装中越来越多地使用碾压基底和先进聚合材料。随着产品便携性和功能性对封装提出了更高的要求，预计这些材料将在未来几年内获得更为强劲的增长。此外，金价大幅上涨使引线键合部分在2007年获得36%的增长。

与晶圆制造材料相似，半导体封装材料在未来三年增速也将放缓，2009年和2010年增幅均为5%，分别达到209亿美元和220亿美元。除去金价因素，且碾压衬底不计入统计，实际增长率为2%至3%。

四、半导体材料战略地位

20世纪中叶，单晶硅和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研制成功，导致了电子工业革命20世纪70年代初石英光导纤维材料和GaAs激光器的发明，促进了光纤通信技术迅速发展并逐步形成了高新技术产业，使人类进入了信息时代。超晶格概念的提出及其半导体超晶格、量子阱材料的研制成功，彻底改变了光电器件的设计思想，使半导体器件的设计与制造从“杂质工程”发展到“能带工程”。纳米科学技术的发展和应用，将使人类能从原子、分子或纳米尺度水平上控制、 *** 纵和制造功能强大的新型器件与电路，深刻地影响着世界的政治、经济格局和军事对抗的形式，彻底改变人们的生活方式

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三代半导体——氮化镓

氮化镓（GaN），是由氮和镓组成的一种半导体材料，因为其禁带宽度大于2.2eV,又被称为宽禁带半导体材料，在国内也称为第三代半导体材料。

氮化镓和其他半导体材料对比

上图中我们可以看到，氮化镓比硅禁带宽度大3倍，击穿场强高10倍，饱和电子迁移速度大3倍，热导率高2倍。这些性能提升带来一些的优势就是氮化镓比硅更适合做大功率高频的功率器件，同时体积还更小，功率密度还更大。

氮化镓的优异特性

就如这次小米的快充一样，使得小米65W氮化镓充电器的尺寸仅为56.3mm x 30.8mm x 30.8mm，体积比小米笔记本标配的65W适配器还减小了约48%，约为苹果61W快充充电器的三分之一。

为什么氮化镓快充头可以这么小巧？功率还这么大？

这就是得益于氮化镓材料本身优异的性能，使得做出来的氮化镓比传统硅基IGBT/MOSFET 等芯片面积更小，同时由于更耐高压，大电流，氮化镓芯片功率密度更大，因此功率密度/面积远超硅基，此外由于使用氮化镓芯片后还减少了周边的其他元件的使用，电容，电感，线圈等被动件比硅基方案少的多，进一步缩小的体积，所以本次看到的氮化镓快充头，不仅体积小巧，但是还能提供更强大的功率输出。

传统硅基功率器件和氮化镓MOS对比

除了快充，氮化镓还有其他什么重要应用？

氮化镓材料，目前有三个比较重要的方向，分别是光电领域，包括我们现在常见的LED，以及激光雷达和VCSEL传感器；功率领域，各类电子电力器件应用在快充头，变频器，新能源汽车，消费电子等电子电力转换场景；射频领域，包括5G基站，军事雷达，低轨卫星，航天航空等领域。

为什么氮化镓快充电头这么贵？

本次快充头中除了PD协议成本，其他硬件材料电容电感线圈电源管理IC等之外，相当一部分的成本来自于氮化镓MOS功率芯片。

制造氮化镓MOS的原材料就是氮化镓单晶片，目前单晶2英寸就高达2万多元一片。商业方案中较多的使用硅基氮化镓外延片，但是价格也非常高昂，8英寸的硅基氮化镓也超过1万的售价，而且产能不足，很难买到。硅基氮化镓是同面积的硅片的30多倍。

所以说过于昂贵的原材料导致了氮化镓芯片非常昂贵，最终传到到终端产品就看到高出普通充电头数倍的价格。

氮化镓材料为什么如此昂贵？

氮化镓是自然界没有的物质，完全要靠人工合成。氮化镓没有液态，因此不能使用单晶硅生产工艺的传统直拉法拉出单晶，纯靠气体反应合成。由于反应时间长，速度慢，反应副产物多，设备要求苛刻，技术异常复杂，产能极低，导致氮化镓单晶材料极其难得，因此2英寸售价便高达2万多。商业场景中，更多使用氮化镓异质外延片。

什么叫氮化镓异质外延片？

在氮化镓单晶衬底上长氮化镓外延层我们称为同质外延，在其他衬底材料上长氮化镓我们称为异质外延片。

目前包括蓝宝石，碳化硅，硅等是氮化镓外延片主流的异质衬底材料。

其中蓝宝石基氮化镓外延片只能用来做LED；硅基氮化镓可以做功率器件和小功率的射频；碳化硅基本氮化镓可以制造大功率LED、功率器件和大功率射频芯片。

本次小米发售的快充头，就是硅基氮化镓做的功率器件的一个典型应用场景。

为什么同是外延片，应用差异这么大？

氮化镓外延片的用来制造器件有很多具体的指标，包括晶格缺陷、径向偏差、电阻率、掺杂水平、表面粗糙度、翘曲度等，在不同的衬底材料长的外延层晶体质量差别较大。

其中氮化镓和3C碳化硅，有着非常接近的晶格体系，两者适配度非常高，超过95%，因此碳化硅衬底上长氮化镓外延，外延层质量非常好，可以用来做高端产品，包括大射频功率、大功率器件、大功率LED、激光雷达等。

硅和氮化镓晶体适配度非常低，不到83%，因此硅上无法直接长外延层。需要长多道缓冲层来过渡，因此外延层质量水平就比碳化硅基差不少，因此硅基氮化镓只能用来做小功率射频，中小功率器件。

蓝宝石基氮化镓，因为衬底材料的问题，无法应用到射频和功率领域，只能用作普通的LED灯。

虽然都是氮化镓外延片，但是由于衬底材料的不同，外延层晶体质量差异较大，应用也不尽相同。

蓝宝石片最便宜，硅基次之，碳化硅较贵，氮化镓最贵。

台湾芯片产业是很厉害的，不论是设计还是制造还是封测，台湾芯片都很强，能够在很多各方面称霸全球，台湾有四家非常厉害的芯片公司，分别是台积电，力积电，台联电，世界先进。就这几所公司曾经拿下全球66%的份额。而台湾对半导体产业是非常重视的，大力支持半导体产业的发展。

1.台湾的半导体产业为什么这么厉害？为什么能够称霸全球？

台湾的半导体产业非常发达，是因为台湾的半导体领域起步比较早，在上世纪70年代的时候就已经进入了半导体产业，而且找到了突破口，抢占了很多先机。而半导体产业，又是台湾大力扶持的产业，以科技产业为中心，开启一系列补贴跟福利，特别重视高科技产品，后来形成了一条龙的产业链，才会使整个半导体产业都全面发展。

2.台湾对半导体产业极其重视，一开始就很重视

在台湾半导体产业产生的时候，台湾就已经很重视了。他们提出了很多举措，并且以科技产业为核心，为人才提供了多项补贴跟福利，正是因为吸引住了人才，才能够让半导体产业迅猛发展。对于科技人才的培养台湾开设了专门的半导体课程，还积极寻求跟国外合作，培养了更多的人才，半导体产业也是台湾的支柱性产业，所以这么重视。

最后，台湾对于科技人才的培养付出非常多，也导致这些人才心甘情愿为半导体产业服务，台湾半导体产业本就起步较早，又在后来抓住机遇实现赶超，所以才会形成如今在多方面称霸全球的场面，也是因为台湾本身对半导体产业有足够的重视，重心有偏移，一直致力于研究与开发，科研人才是不可多得的，应该引起足够重视，才能推动产业更好发展。

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