半导体材料的发展现状及趋势

半导体材料的发展现状及趋势

半导体材料是指电阻率在10-3~108Ωcm，介于⾦属和绝缘体之间的材料。半导体材料是制作晶体管、集成电路、电⼒电⼦器件、光电⼦器件的重要基础材料，⽀撑着通信、计算机、信息家电与⽹络技术等电⼦信息产业的发展。电⼦信息产业规模最⼤的是美国。近⼏年来，中国电⼦信息产品以举世瞩⽬的速度发展，2003年中国电⼦信息产业销售收⼊1.88万亿元，折合2200～2300亿美元，产业规模已超过⽇本位居世界第⼆（同期⽇本信息产业销售收⼊只有1900亿美元），成为中国第⼀⼤⽀柱产业。半导体材料及应⽤已成为衡量⼀个国家经济发展、科技进步和国防实⼒的重要标志。⼀、概述

在半导体产业的发展中，⼀般将硅、锗称为第⼀代半导体材料；将砷化镓、磷化锢、磷化镓、砷化锢、砷化铝及其合⾦等称为第⼆代半导体材料；⽽将宽禁带(Eg>2.3eV)的氮化镓、碳化硅、硒化锌和⾦刚⽯等称为第三代半导体材料。上述材料是⽬前主要应⽤的半导体材料，三代半导体材料代表品种分别为硅、砷化镓和氮化镓。本⽂沿⽤此分类进⾏介绍。

材料的物理性质是产品应⽤的基础，表1列出了主要半导体材料的物理性质及应⽤情况。表中禁带宽度决定发射光的波长，禁带宽度越⼤发射光波长越短(蓝光发射)；禁带宽度越⼩发射光波长越长。其它参数数值越⾼，半导体性能越好。电⼦迁移速率决定半导体低压条件下的⾼频⼯作性能，饱和速率决定半导体⾼压条件下的⾼频⼯作性能。

硅材料具有储量丰富、价格低廉、热性能与机械性能优良、易于⽣长⼤尺⼨⾼纯度晶体等优点，处在成熟的发展阶段。⽬前，硅材料仍是电⼦信息产业最主要的基础材料，95%以上的半导体器件和99%以上的集成电路(IC)是⽤硅材料制作的。在21世纪，它的主导和核⼼地位仍不会动摇。但是硅材料的物理性质了其在光电⼦和⾼频⾼功率器件上的应⽤。

砷化镓材料的电⼦迁移率是硅的6倍多，其器件具有硅器件所不具有的⾼频、⾼速和光电性能，并可在同⼀芯⽚同时处理光电信号，被公认是新⼀代的通信⽤材料。随着⾼速信息

产业的蓬勃发展，砷化镓成为继硅之后发展最快、应⽤最⼴、产量最⼤的半导体材料。同时，其在军事电⼦系统中的应⽤⽇益⼴泛，并占据不可取代的重要地位。

从表1看出，选择宽带隙半导体材料的主要理由是显⽽易见的。氮化镓的热导率明显⾼于常规半导体。这⼀属性在⾼功率放⼤器和激光器中是很起作⽤的。带隙⼤⼩本⾝是热⽣率的主要贡献者。在任意给定的温度下，宽带隙材料的热⽣率⽐常规半导体的⼩10～14个数量级。这⼀特性在电荷耦合器件、新型⾮易失性⾼速存储器中起很⼤的作⽤，并能实质性地减⼩光探测器的暗电流。宽带隙半导体材料的⾼介电强度最适合⽤于⾼功率放⼤器、开关和⼆极管。宽带隙材料的相对介电常数⽐常规材料的要⼩，由于对寄⽣参数影响⼩，这对毫⽶波放⼤器⽽⾔是有利⽤价值的。电荷载流⼦输运特性是许多器件尤其是⼯作频率为微波、毫⽶波放⼤器的⼀个重要特性。宽带隙半导体材料的电⼦迁移率⼀般没有多数通⽤半导体的⾼，其空⽳迁移率⼀般较⾼，⾦刚⽯则很⾼。宽带隙材料的⾼电场电⼦速度(饱和速度)⼀般较常规半导体⾼得多，这就使得宽带隙材料成为毫⽶波放⼤器的⾸选者。

氮化镓材料的禁带宽度为硅材料的3倍多，其器件在⼤功率、⾼温、⾼频、⾼速和光电⼦应⽤⽅⾯具有远⽐硅器件和砷化镓器件更为优良的特性，可制成蓝绿光、紫外光的发光器件和探测器件。近年来取得了很⼤进展，并开始进⼊市场。与制造技术⾮常成熟和制造成本相对较低的硅半导体材料相⽐，第三代半导体材料⽬前⾯临的最主要挑战是发展适合氮化镓薄膜⽣长的低成本衬底材料和⼤尺⼨的氮化镓体单晶⽣长⼯艺。

主要半导体材料的⽤途如表2所⽰。可以预见：以硅材料为主体、GaAs半导体材料及新⼀代宽禁带半导体材料共同发展将成为集成电路及半导体器件产业发展的主流。

⼆、半导体材料发展现状1、半导体硅材料

从⽬前电⼦⼯业的发展来看，尽管有各种新型的半导体材料不断出现，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综合优势⽽成为了当代电⼦⼯业中应⽤最多的半导体材料。硅是集成电路产业的基础，半导体材料中98％是硅。半导体器件的95%以上是⽤硅材料制作的，90%以上的⼤规模集成电路(LSI)、超⼤规模集成电路(V LSI)、甚⼤规模集成电路(ULSI)都是制作在⾼纯优质的硅抛光⽚和外延⽚上的。硅⽚被称作集成电路的核⼼材料，硅材料产业的发展和集成电路的发展紧密相关。

半导体硅材料⾃从60年代被⼴泛应⽤于各类电⼦元器件以来，其⽤量平均⼤约以每年12～16%的速度增长。⽬前全世界每年消耗约18000～25000吨半导体级多晶硅，消耗6000～7000吨单晶硅，硅⽚销售⾦额约60～80亿美元。可以说在未来30～50年内，硅材料仍将是LSI⼯业最基础和最重要的功能材料。电⼦⼯业的发展历史表明，没有半导体硅材料的发展，就不可能有集成电路、电⼦⼯业和信息技术的发展。

半导体硅材料分为多晶硅、单晶硅、硅外延⽚以及⾮晶硅、浇注多晶硅、淀积和溅射⾮晶硅等。现⾏多晶硅⽣产⼯艺主要有改良西门⼦法和硅烷热分解法。主要产品有棒状和粒状两种，主要是⽤作制备单晶硅以及太阳能电池等。⽣长单晶硅的⼯艺可分为区熔(FZ)和直拉(CZ)两种。其中，直拉硅单晶(CZ-Si)⼴泛应⽤于集成电路和中⼩功率器件。区域熔单晶(F Z-Si)⽬前主要⽤于⼤功率半导体器件，⽐如整流⼆极管，硅可控整流器，⼤功率晶体管等。单晶硅和多晶硅应⽤最⼴。

经过多年的发展和竞争，国际硅材料⾏业出现了垄断性企业，⽇本、德国和美国的六⼤硅⽚公司的销量占硅⽚总销量的90%以上，其中信越、⽡克、SUMCO和MEMC四家的销售额占世界硅⽚销售额的70%以上，决定着国际硅材料的价格和⾼端技术产品市场，其中以⽇本的硅材料产业最⼤，占据了国际硅材料⾏业的半壁江⼭。

在集成电路⽤硅⽚中，8英⼨的硅⽚占主流，约40～50％，6英⼨的硅⽚占30％。当硅⽚的直径从8英⼨到12英⼨时，每⽚硅⽚的芯⽚数增加2.5倍，成本约降低30％，因此，国际⼤公司都在发展12英⼨硅⽚，2006年产量将达到13.4亿平⽅英⼨，将占总产量的20%左右。现代微电⼦⼯业对硅⽚关键参数的要求如表3所⽰。

（1）多晶硅

多晶硅是制备单晶硅和太阳能电池的原料。半导体级多晶硅的⽣产技术现多采⽤改良西门⼦法，这种⽅法的主要技术是：（1）在⼤型反应炉内同时加热许多根⾦属丝，减⼩炉壁辐射所造成的热损失；（2）炉的内壁加⼯成镜⾯，使辐射热反射，减少散热；（3）提⾼炉内压⼒，提⾼反应速度等措施；（4）在⼤型不锈钢⾦属反应炉内使⽤100根以上的⾦属丝。单位电耗由过去每公⽄300度降低到80度。多晶硅产量由改良前每炉次100～200公⽄提⾼到5～6吨。其显著特点是：能耗低、产量⾼、质量稳定。表4给出了德国⽡克公司的多晶硅质量指标数据。

1998年，多晶硅⽣产⼚商预计半导体⾏业将快速增长，因此⼤量扩张产能。然⽽，半导体⾏业并未出现预期⾼速增长，多晶硅需求急剧下降，结果导致多晶硅产能严重过剩。2 003年以前，多晶硅供⼤于求，2004年多晶硅供需达到平衡，2005年，多晶硅⽣产⼚家有必要增加投资扩⼤产能增加太阳能多晶硅的产量。

⽬前全世界每年消耗约22000吨半导体级多晶硅，世界多晶硅的年⽣产能⼒约为28000吨，⽣产⾼度集中于美、⽇、德3国，海姆洛克（美国）、⽡克ASIM（德国），德⼭曹达（⽇本）、MEMC（美国）占据了多晶硅市场的80％以上。其中，美国哈姆洛克公司产能达6 500t/a，德国⽡克化学公司和⽇本德⼭曹达公司产能超过4500t/a，美国MEMC公司产能超过2500t/a。中国多晶硅严重短缺，远不能满⾜国内市场需求。多晶硅⼯业起步于50年代，60年代实现⼯业化⽣产。由于技术⽔平低、⽣产规模太⼩、环境污染严重、⽣产成本⾼，⽬前只剩下峨嵋半导体材料⼚和洛阳单晶硅⼚2个⼚家⽣产多晶硅。中国多晶硅的产能为100吨/年，实际产量是70～80吨，仅占世界产量的0.4%，与当今信息产业的⾼速发展和多晶硅的市场需求急剧增加极不协调。我国这种多晶硅供不应求的局⾯还将持续下去。据专家预测，200 5年中国多晶硅年需求量约为756吨，2010年为1302吨，市场前景⼗分巨⼤。

峨嵋半导体材料⼚和洛阳单晶硅⼚1999年多晶硅⽣产能⼒分别为60t/a和20t/a。峨嵋半导体材料⼚1998年建成的100t/a规模的多晶硅⼯业性⽣产⽰范线，提⾼了各项经济技

术指标，同时该⼚正在积极进⾏1000t/a多晶硅项⽬建设的前期⼯作。洛阳单晶硅⼚将多晶硅产量扩建⾄300t/a。

未来多晶硅的发展⽅向是进⼀步降低各种杂质含量，提⾼多晶硅纯度并保持其均匀性，稳定提⾼多晶硅整体质量和扩⼤供给量，以缓解供需⽭盾。另外，在单晶⼤直径化的发展过程中，坩埚增⼤直径是有⼀定限度的。对此，未来粒状多晶硅将可能逐步扩⼤供需量。（2）单晶硅和外延⽚

⽣产单晶硅的⼯艺主要采⽤直拉法(CZ)、区熔法(FZ) 、磁场直拉法(MCZ)以及双坩埚拉晶法。CZ、FZ和MCZ单晶各⾃适⽤于不同的电阻率范围的器件，⽽MCZ可完全代替CZ，可部分代替FZ。MCZ将取代CZ成为⾼速ULI材料。⼀些硅材料技术先进的国家MCZ技术发展较快。对单晶的主要质量要求是降低各种有害杂质含量和微缺陷，根据需要控制氧含量并保持纵横向分布均匀、控制电阻率均匀性。

硅晶⽚属于资⾦密集型和技术密集型⾏业，在国际市场上产业相对成熟，市场进⼊平稳发展期，⽣产集中在少数⼏家⼤公司，⼩型公司已经很难插⼿其中。国际市场单晶硅产量排名前5位的公司分别是⽇本信越化学公司（Shin-Etsu）、德⽡克化学公司（Wacker）、⽇本住友⾦属公司（Sumitomo）、美国MEMC公司和⽇本三菱材料公司。这5家公司2001

年硅晶⽚的销售总额为51.47亿元，占全球销售额的79.1%，其中的3家⽇本公司占据了市场份额的50.7%，表明⽇本在全球硅晶⽚⾏业中占据了主导地位。

集成电路⾼集成度、微型化和低成本的要求对半导体单晶材料的电阻率均匀性、⾦属杂质含量、微缺陷、晶⽚平整度、表⾯洁净度等提出了更加苛刻的要求，晶⽚⼤尺⼨和⾼质量成为必然趋势。⽬前全球主流硅晶⽚已由直径8英⼨逐渐过渡到12英⼨晶⽚，研制⽔平已达到16英⼨。

中国半导体材料⾏业经过四⼗多年发展已取得相当⼤的进展，先后研制和⽣产了4英⼨、5英⼨、6英⼨、8英⼨和12英⼨硅⽚。随着半导体分⽴元件和硅光电池⽤低档和廉价硅材料需求的增加，中国单晶硅产量逐年增加。据统计，2001年我国半导体硅材料的销售额达9.06亿元，年均增长26.4%。单晶硅产量为584t，抛光⽚产量5183万平⽅英⼨，主要规格为3～6英⼨，6英⼨正⽚已供应集成电路企业，8英⼨主要⽤作陪⽚。单晶硅出⼝⽐重⼤，出⼝额为48万美元，占总销售额的42.6%，较2000年增长了5.3%。⽬前，国外8

英⼨IC⽣产线正向我国战略性移动，我国新建和在建的F8英⼨IC⽣产线有近10条之多，对⼤直径⾼质量的硅晶⽚需求⼗分强劲，⽽国内供给明显不⾜，基本依赖进⼝，中国硅晶⽚的技术差距和结构不合理可见⼀斑。在现有形势和优势⾯前发展我国的硅单晶和IC技术⾯临着巨⼤的机遇和挑战。

2004年国内从事硅单晶材料研究⽣产的企业约有35家，从业⼈员约3700⼈，主要研究和⽣产单位有北京有研硅股、杭州海纳半导体材料公司、宁波⽴⽴电⼦公司、洛阳单晶硅⼚、万向硅峰电⼦材料公司、上海晶华电⼦材料公司、峨眉半导体材料⼚、河北宁晋半导体材料公司等。其中，有研硅股在⼤直径硅单晶的研制⽅⾯⼀直居国内领先地位，先后研制出我国第⼀根6英⼨、8英⼨和12英⼨硅单晶，单晶硅在国内市场占有率为40%。2004年国内硅单晶产量达1000吨左右，销售额突破11亿元，平均年增长率为27.5%，预计2005年我国硅单晶产量可达1400吨左右。

随着集成电路特征线宽尺⼨的不断减⼩，对硅⽚的要求越来越⾼（详见表3），控制单晶的原⽣缺陷变得愈来愈困难，因此外延⽚越来越多地被采⽤。⽬前8英⼨硅⽚有很⼤部分

是以外延⽚形式提供的，⽽12英⼨芯⽚⽣产线将全部采⽤外延。⽬前国外单晶硅和外延⽚的⽣产企业有信越（⽇本）、三菱住友SUMCO（⽇本），MEMC（美国），⽡克（德国）等。

⽬前从事外延⽚研究⽣产的主要单位有信息产业部电⼦13所、电⼦55所、华晶外延⼚等近10家，但是由于技术、、资⾦等种种原因，中国硅材料企业的技术⽔平要⽐发达国家落后约10年，硅外延状况也基本如此。⽬前中国硅外延⽚产品规格主要是4英⼨、5英⼨、6英⼨硅外延⽚，还没有⼤批量⽣产，8英⼨硅外延尚属空⽩。

在世界范围内8英⼨和12英⼨硅⽚仍然是少数⼏家硅⽚供应商的拳头产品，他们有⾃⼰的专有⽣产技术，为世界提供了⼤部分制造集成电路⽤的8英⼨和12英⼨硅抛光⽚和硅外延⽚，这种局⾯在今后相当⼀段时间内不会有根本的改变，这些⼤公司的12英⼨外延⽚已量产化，⽬前国外8英⼨外延⽚价格约45美元/⽚，⽽12英⼨外延⽚价格就⾼的多，其经济效益还是很可观的。2、砷化镓单晶材料（1）国外发展概况

砷化镓是微电⼦和光电⼦的基础材料，为直接带隙，具有电⼦饱和漂移速度⾼、耐⾼温、抗辐照等特点，在超⾼速、超⾼频、低功耗、低噪声器件和电路，特别在光电⼦器件和光电集成⽅⾯占有独特的优势。

⽬前，世界砷化镓单晶的总年产量已超过200吨(⽇本1999年的砷化镓单晶的⽣产量为94吨)。⽤于⼤量⽣产砷化镓晶体的⽅法是传统的LEC法(液封直拉法)和HB法(⽔平⾈⽣产法)。国外开发了兼具以上2种⽅法优点的VGF法(垂直梯度凝固法)、VB法(垂直布⾥⽀曼法)和VCZ法(蒸⽓压控制直拉法)，成功制备出4～6英⼨⼤直径GaAs单晶。各种⽅法⽐较详见表5。其中以低位错密度的HB⽅法⽣长的2～3英⼨的导电砷化镓衬底材料为主。

移动电话⽤电⼦器件和光电器件市场快速增长的要求，使全球砷化镓晶⽚市场以30%的年增长率迅速形成数⼗亿美元的⼤市场，预计未来20年砷化镓市场都具有⾼增长性。⽇本是最⼤的⽣产国和输出国，占世界市场的70～80%；美国在1999年成功地建成了3条6英⼨砷化镓⽣产线，在砷化镓⽣产技术上领先⼀步。⽇本住友电⼯是世界最⼤的砷化镓⽣产和

销售商，年产GaAs单晶30t。美国AXT公司是世界最⼤的VGF GaAs材料⽣产商。世界GaA s单晶主要⽣产商情况见表6。国际上砷化镓市场需求以4英⼨单晶材料为主，⽽6英⼨单晶材料产量和市场需求快速增加，已占据35%以上的市场份额。研制和⼩批量⽣产⽔平达到8英⼨。

近年来，为满⾜⾼速移动通信的迫切需求，⼤直径(6～8英⼨)的Si-GaAs发展很快，4英⼨70厘⽶长及6英⼨35厘⽶长和8英⼨的半绝缘砷化镓(Si-GaAs)也在⽇本研制成功。磷化铟具有⽐砷化镓更优越的⾼频性能，发展的速度更快，但研制直径4英⼨以上⼤直径的磷化铟单晶的关键技术尚未完全突破，价格居⾼不下。砷化镓单晶材料的发展趋势是：

①增⼤晶体直径，⽬前4英⼨的Si-GaAs已⽤于⼤⽣产，预计直径为6英⼨的Si-GaAs在2 1世纪初也将投⼊⼯业应⽤；②提⾼材料的电学和光学微区均匀性；③降低单晶的缺陷密度，特别是位错；

④砷化镓和磷化铟单晶的VGF⽣长技术发展很快，很有可能成为主流技术。

注：●主要产品（⼤⽣产），○⽣产（⼤量，⼩规模），D开发中（2）中国国内研究状况

中国从上世纪60年代初开始研制砷化镓，近年来，随着中科稼英半导体有限公司、北京圣科佳电⼦有限公司相继成⽴，中国的化合物半导体产业迈上新台阶，⾛向更快的发展道路。中科镓英公司成功拉制出中国第⼀根6.4公⽄5英⼨LEC法⼤直径砷化镓单晶；信息产业部46所⽣长出中国第⼀根6英⼨砷化镓单晶，单晶重12kg，并已连续⽣长出6根6英⼨砷化镓单晶；西安理⼯⼤在⾼压单晶炉上称重单元技术研发⽅⾯取得了突破性的进展。

中国GaAs材料单晶以2～3英⼨为主，4英⼨处在产业化前期，研制⽔平达6英⼨。⽬前4英⼨以上晶⽚及集成电路GaAs晶⽚主要依赖进⼝。砷化镓⽣产主要原材料为砷和镓。虽然中国是砷和镓的资源⼤国，但仅能⽣产品位较低的砷、镓材料(6N以下纯度)，主要⽤于⽣产光电⼦器件。集成电路⽤砷化镓材料的砷和镓原料要求达7N，基本靠进⼝解决。

中国国内GaAs材料主要⽣产单位为：中科镓英、有研硅股、信息产业部电⼦46所、电⼦55所等。主要竞争对⼿来⾃国外。中科镓英2001年起计划投⼊近2亿资⾦进⾏砷化镓材料的产业化，初期计划规模为4～6英⼨砷化镓单晶晶⽚5～8万⽚，4～6英⼨分⼦束外延砷化镓基材料2～3万⽚，⽬前该项⽬仍在建设期。⽬前国内砷化镓材料主要由有研硅股供应，2002年销售GaAs晶⽚8万⽚。中国在努⼒缩⼩GaAs技术⽔平和⽣产规模的同时，应重视具有独⽴知识产权的技术和产品开发，发展砷化镓产业。

3、宽禁带氮化镓材料

以Si和GaAs为代表的传统半导体材料的⾼速发展推动了微电⼦、光电⼦技术的迅猛发展。然⽽受材料性能所限，⽤这些材料制成的器件⼤都只能在200℃以下的热环境下⼯作，

且抗辐射、耐⾼击穿电压性能以及发射可见光波长范围都不能满⾜现代电⼦技术发展对⾼温、⾼频、⾼压以及抗辐射、能发射蓝光等提出的新要求。⽽以氮化镓和碳化硅为代表的第三代半导体材料具有禁带宽度⼤、击穿电场⾼、热导率⼤、电⼦饱和漂移速度⾼、介电常数⼩、抗辐射能⼒强、良好的化学稳定性等独特的特性，它在光显⽰、光存储、光探测等光电⼦器件和⾼温、⾼频⼤功率电⼦等微电⼦器件领域有⼴阔的应⽤前景，成为半导体领域研究热点。（1）国外发展概况

美国、⽇本、俄罗斯及西欧都极其重视宽禁带半导体的研究与开发。从⽬前国外对宽禁带半导体材料和器件的研究情况来看，主要研究⽬标是SiC和GaN技术，其中SiC技术最为成熟，研究进展也较快；GaN技术应⽤⾯较⼴泛，尤其在光电器件应⽤⽅⾯研究较为透彻。⽽⾦刚⽯技术研究报导较少，但从其材料优越性来看，颇具发展潜⼒。

国外对SiC的研究早在五⼗年代末和六⼗年代初就已开始了。到了⼋⼗年代中期，美国海军研究局和国家宇航局与北卡罗来纳州⼤学签订了开发SiC材料和器件的合同，并促成了在1987年建⽴专门研究SiC半导体的Cree公司。九⼗年代初，美国国防部和能源部都把S iC集成电路列为重点项⽬，要求到2000年在武器系统中要⼴泛使⽤SIC器件和集成电路，从此开始了有关SiC材料和器件的系统研究，并取得了令⼈⿎舞的进展。即⽬前为⽌，直径≥50mm具有良好性能的半绝缘和掺杂材料已经商品化。美国与西屋西⼦公司合作，投资450万美元开了3英⼨纯度均匀、低缺陷的SiC单晶和外延材料。另外，制造SiC器件的⼯艺如离⼦注⼊、氧化、欧姆接触和肖特基接触以及反应离⼦刻蚀等⼯艺取得了重⼤进展，所以促成了SiC器件和集成电路的快速发展。由于SiC器件的优势和实际需求，它已经显⽰出良好的应⽤前景。航空、航天、治炼以及深井勘探等许多领域中的电⼦系统需要⼯作在⾼温环境中，这要求器件和电路能够适应这种需要，⽽各类SiC器件都显⽰良好的温度性能。SiC具有较⼤的禁带宽度，使得基于这种材料制成的器件和电路可以满⾜在470K到970K条件下⼯作的需要，⽬前有些研究⽔平已经达到970K的⼯作温度，并正在研究更⾼的⼯作温度的器件和集成电路。⽬前SiC器件的研究概况见表7。

注：T m为Maximum operating temperature

国外对SiC器件的研究证明了SiC器件的抗辐射的能⼒。6H-SiC整流器的抗电磁脉冲(E MP)能⼒⾄少是硅器件的2倍。实验结果表明结型6H-SiC器件有较强的抗下辐射的能⼒。埋栅JFET在γ辐射条件下的测试结果，总剂量100兆拉德条件下，跨导和夹断电压基本不变。对125伏和410伏6H-SiC pn结整流器进⾏中⼦辐照实验，中⼦流从1013nA/cm2，到1015nA /cm2，时，辐照前后1000mA电流的正向压降和雪崩击穿电压的测试结果说明：具有⾼掺杂

的125伏整流器在正向电流400mA的降压⼏乎不变(30伏)，⽽雪崩击穿电压仅增加了8.8%，⽽低掺杂的410伏整流器正向压降和雪崩击穿电压分别增加了8.6%和4%。

GaN在宽禁带半导体中也占有主导地位。GaN半导体材料的商业应⽤研究始于1 970年，其在⾼频和⾼温条件下能够激发蓝光的特性⼀开始就吸引了半导体开发⼈员的极⼤兴趣。但GaN的⽣长技术和器件制造⼯艺直到近⼏年才取得了商业应⽤的实质进步和突破。由于GaN 半导体器件在光电⼦器件和光⼦器件领域⼴阔的应⽤前景，其⼴泛应⽤预⽰着光电信息乃⾄光⼦信息时代的来临。

1993年⽇本的⽇亚化学公司研制出第⼀⽀蓝光发光管，1995年该公司⾸先将GaN蓝光LED商品化，到1997年某市场份额已达1.43亿美元。据Strategies Unlimited的预测，G aN器件年增长率将⾼达44%，到2006年其市场份额将达30亿美元。⽬前，⽇亚化学公司⽣产蓝光LED，峰值波长450nm，输出光为3mw，发光亮度2cd(I p=20mA)。GaN绿光LED，峰值波长525nm，输出光功率为2mw，发光亮度6cd(I p=20mA)。此外，⽇亚化学公司利⽤其GaN 蓝光LED和磷光技术，⼜开发出⽩光固体发光器件产品，不久将来可替代电灯，既提⾼灯的寿命，⼜⼤⼤地节省能源。因此，GaN越来越受到⼈们的欢迎。GaN蓝光激光器也被⽇亚公司⾸先开发成功，⽬前寿命已超过10000hr。与此同时，GaN的电⼦器件发展也⼗分迅速。⽬前GaNFET性能已达到f t=52GHz，f max=82GHz。在18GHz频率下，CW输出功率密度⼤于3W/ mm。这是⾄今报导K波段微波GaNFET的最⾼值。

在美国开展氮化镓⾼亮度LED和LD研究的公司和⼤学有⼏⼗家之多，耗资上亿美元。美国的APA光学公司1993年研制出世界上第⼀个氮化镓基HEMT器件。2000年9⽉美国ky ma公司利⽤AlN作衬底，开发出2英⼨和4英⼨GaN新⼯艺；2001年1⽉美国Nitronex 公司在4英⼨硅衬底上制造GaN基晶体管获得成功；GaN基器件和产品开发⽅兴未艾。⽬前进⼊蓝光激光器开发的公司包括飞利浦、索尼、⽇⽴、施乐和惠普等。包括飞利浦、通⽤等光照及汽车⾏业的公司正积极开发⽩光照明和汽车⽤GaN基LED(发光⼆极管)产品。涉⾜GaN基电⼦器件开发最为活跃的企业包括Cree、Rfmicro Device以及Nitronex等公司。⽬前，国外正朝着更⼤功率、更⾼⼯作温度、更⾼频率和实⽤化⽅向发展。⽇本、美国等国家纷纷进⾏应⽤于照明GaN基⽩光LED的产业开发，计划于2015年-2020年取代⽩炽灯和⽇光灯，引起新的照明⾰命。据美国市场调研公司Strstegies Unlimited分析数据，2001年世界GaN器件市场接近7亿美元，还处于发展初期。该公司预测即使最保守发展，2009 年世界GaN器件市场将达到48亿美元的销售额。

美国Cree公司由于其研究领先，主宰着整个碳化硅的市场，⼏乎85%以上的碳化硅衬底由Cree公司提供，90%以上的⽣产在美国，亚洲只占4%，欧洲占2%。碳化硅衬底材料的市场正在快速上升阶段，估计到2007年，碳化硅衬底材料的⽣产将达到60万⽚，其中90-95%被⽤于氮化镓基光电⼦器件作外延衬底。

⽬前在6H-SiC衬底上氮化镓微电⼦材料室温迁移率达到2000cm2/V·S，电⼦浓度达到1013cm-2。⽣长在碳化硅衬底上的氮化镓基HEMT的功率密度达到了10.3W/mm (栅长0.6mm，栅宽300mm)，⽣长在碳化硅衬底上的AlGaN/GaN HEMT器件（栅长为0.12mm）的特征频率f t = 101GHz、最⾼振荡频率f max =155GHz。

与蓝宝⽯衬底材料相⽐，碳化硅衬底材料具有⾼的热导率，晶格常数和热膨胀系数与氮化镓材料更为接近，仅为3.5％（蓝宝⽯与氮化镓材料的晶格失配度为17%），是⼀种更理想的衬底材料。⽬前在碳化硅衬底上氮化镓微电⼦材料及器件的研究是国际上的热点，也是军⽤氮化镓基HEMT结构材料和器件的⾸选衬底，但碳化硅衬底上材料⼗分昂贵。（2）中国国内研究状况

中国国内开展SiC、GaN材料和器件⽅⾯的研究⼯作⽐较晚，和国外相⽐⽔平还⽐较低。国内已经有⼀些单位在开展SiC材料的研究⼯作。到⽬前为⽌，2英⼨、3英⼨的碳化硅衬底及外延材料已经商品化。⽬前研究的重点主要是4英⼨碳化硅衬底的制备技术以及⼤⾯积、低位错密度的碳化硅外延技术。⽬前国内进⾏碳化硅单晶的研制单位有中科院物理所、中科院上海硅酸盐研究所、⼭东⼤学、信息产业部46所等，进⾏碳化硅外延⽣长的单位有中科院半导体所、中国科技⼤学以及西安电⼦科⼤。西安电⼦科技⼤学微电⼦研究所已经外延⽣长了6H-SiC，⽬前正在进⼀步测试证明材料的晶格结构情况。另外，还对材料的性质和载流⼦输运进⾏了理论和实验研究，器件的研究⼯作也取得了可喜的进展。采⽤国外进⼝的材料成功地制造出肖特基⼆极管和我国第⼀只6H SiC MOSFET，肖特基⼆极管的理想因⼦为123，开启电压为0.5伏。MOSFET的跨导为0.36ms/mm，沟道电⼦迁移率为14cm2N·s。采⽤AL/NiCr制作的欧姆接触的⽐接触电阻为8.5×10-5/Ω·cm2，达到了可以应⽤于实验器件的

⽔平。

国内GaN研究亦已开始，主要在基础研究⽅⾯，进展较快。在氮化镓基材料⽅⾯，中科院半导体所在国内最早开展了氮化镓基微电⼦材料的研究⼯作，取得了⼀些具有国内领先⽔平、国际先进⽔平的研究成果，可⼩批量提供AlGaN/GaN HEM结构材料，⼀些单位采⽤该种材料研制出了AlGaN/GaN HEM相关器件。如：中科院微电⼦所研制出具有国内领先⽔平的AlGaN/GaN HEM器件；信息产业部13所研制出了AlGaN/GaN HEMT器件，还研制出GaN蓝光LED 样管，但发光亮度低。也研制出了GaNFET样管(直流跨导10ms/mm)，性能较差。

由于碳化硅衬底上材料⼗分昂贵，⽬前国内氮化镓基⾼温半导体材料和器件的研究主要在蓝宝⽯衬底上进⾏，由于蓝宝⽯与氮化镓材料的晶格失配⼤、热导率低，因此，材料和器件性能均受到很⼤。三、半导体材料发展趋势

电⼦信息材料的总体发展趋势是向着⼤尺⼨、⾼均匀性、⾼完整性、以及薄膜化、多功能化和集成化⽅向发展。当前的研究热点和技术前沿包括柔性晶体管、光⼦晶体、SiC、Ga N、ZnSe等宽禁带半导体材料为代表的第三代半导体材料、有机显⽰材料以及各种纳⽶电⼦材料等。

随着电⼦学向光电⼦学、光⼦学迈进，微电⼦材料在未来5～10年仍是最基本的信息材料。电⼦、光电⼦功能单晶将向着⼤尺⼨、⾼均匀性、晶格⾼完整性以及元器件向薄膜化、多功能化、⽚式化、超⾼集成度和低能耗⽅向发展。半导体微电⼦材料由单⽚集成向系统集成发展。

微电⼦技术发展的主要途径是通过不断缩⼩器件的特征尺⼨，增加芯⽚⾯积以提⾼集成度和信息处理速度，由单⽚集成向系统集成发展。

1、Si、GaAs、InP等半导体单晶材料向着⼤尺⼨、⾼均质、晶格⾼完整性⽅向发展。椎8英吋硅芯⽚是⽬前国际的主流产品，椎12英吋芯⽚已开始上市，GaAs芯⽚椎4英吋已进⼊⼤批量⽣产阶段，并且正在向椎6英吋⽣产线过渡；对单晶电阻率的均匀性、杂质含量、微缺陷、位错密度、芯⽚平整度、表⾯洁净度等都提出了更加苛刻的要求。

2、在以Si、GaAs为代表的第⼀代、第⼆代半导体材料继续发展的同时，加速发展第三代半导体材料——宽禁带半导体材料SiC、GaN、ZnSe、⾦刚⽯材料和⽤SiGe/Si、SOI等新型硅基材料⼤幅度提⾼原有硅集成电路的性能是未来半导体材料的重要发展⽅向。

3、继经典半导体的同质结、异质结之后，基于量⼦阱、量⼦线、量⼦点的器件设计、制造和集成技术在未来5～15年间，将在信息材料和元器件制造中占据主导地位，分⼦束外延 MBE 和⾦属有机化合物化学汽相外延 MOCVD 技术将得到进⼀步发展和更加⼴泛的应⽤。

4、⾼纯化学试剂和特种电⼦⽓体的纯度要求将分别达到lppb～0.1ppb和6N级以上，0.5µm以上的杂质颗粒必须控制在5个/毫升以下，⾦属杂质含量控制在ppt级，并将开发替代有毒⽓体的新品种电⼦⽓体。四、中国半导体材料材料产业发展前景的展望

中国的IT产业即将进⼊快速发展时期，这⼀点已成为⼈们的普遍共识。在信息产品市场的拉动下，电⼦信息材料产业也将获得持续较快的增长。电⼦信息材料业在IT产业中乃⾄整个国民经济中的地位将会进⼀步上升。

据信息产业部的预测，2005年中国电⼦信息产品市场的总规模将达2万亿元⼈民币，这⼤约相对于全球市场总规模的13％。巨⼤的市场需求，将拉动中国信息产业快速发展。在此背景下，我国信息材料业的未来商机⾸先来⾃半导体材料市场。当今全球最⼤、最重要的信息材料细分市场就是集成电路，⽽集成电路的99％以上都是由硅材料制作的。半导体材料在信息设备中的价值含量已达20％，并且还在继续上升。

根据中国⼯程院的专项调查与预测，中国2005年半导体材料材料的需求情况是（见表8）：多晶硅需求将达1500吨；单晶硅约600吨；硅抛光⽚约8000万平⽅英⼨；硅外延⽚500万平⽅英⼨；GaAs单晶2000千克；GaAs外延⽚3～4万⽚；InP单晶120千克；化学试剂8000吨；塑封料8000吨；键合⾦丝3000千克。

五、结束语

不可否认，微电⼦时代将逐步过渡到光电⼦时代，最终发展到光⼦时代。预计到2010年或2014年，硅材料的技术和产业发展将⾛向极限，第⼆代和第三代半导体技术和产业将

成为研究和发展的重点。决策部门、半导体科研单位和企业在现有的技术、市场和发展趋势⾯前应把握历史机遇，迎接挑战。