半导体材料的发展现状

半导体硅材料的发展现状

湖北民族学院，041340141，王靖蓉 摘 要

材料是人类社会发展的物质基础与先导。每一种重大新材料的发现和应用都把人类支配自然的能力提高到一个全新的高度。本世纪中期单晶硅材料和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研究成功，导致了电子工业大革命。从20世纪70年代的初期，石英光纤材料和光学纤维的研制成功，以及GaAs等Ⅲ-Ⅴ族化合物的材料的研制成功与半导体激光器的发明，使光纤通信成为可能，目前光纤已四通八达。这与激光器的发明以及石英光纤材料、光纤技术的发展是密不可分的。半导体微电子和光电子材料已成为21世纪信息社会的二大支柱高技术产业的基础材料。

关键词 半导体材料;多晶硅;单晶硅

1 前言

半导体材料的发展可以分为三个时代，分别对应第一时代的Si、Ge元素半导体、第二时代的GaAs、InP、GaP等，以及第三代的GaAs、SiC、立方氮化硼、AlN、ZnSe等，本文主要介绍了半导体硅。

2 半导体硅材料性质及应用

材料的物理性质是产品应用的基础，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，可以预见它的主导和核心地位仍不会动摇。但是硅材料的物理性质限制了其在光电子和高频高功率器件上的应用。

3 半导体硅材料的产业现状

3.1 单晶硅

生产单晶硅的工艺主要采用直拉法(CZ)、磁场直拉法(MCZ)、区熔法(FZ)以及双坩锅拉晶法。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。

目前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、德瓦克化学公司、日本住友金属公司、美国MEMC公司和日本三菱材料公司。这5

家公司2000年硅晶片的销售总额为51.47亿元，占全球销售额的70.9%，其中的3家日本公司占据了市场份额的46.1%，表明日本在全球硅晶片行业中占据了主导地位。

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，研制水平达到16英寸。 我国单晶硅技术及产业与国外差距很大，主要产品为6英寸以下，8英寸少量生产，12英寸开始研制。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，我国单晶硅产量逐年增加。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，我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。

3.2 多晶硅

多晶硅是制备单晶硅和太阳能电池的原料，主要生产方法为改良西门子法。目前全世界每年消耗约18 000t~25 000t半导体级多晶硅。2001年全球多晶硅产能为23 900t，生产高度集中于美、日、德3国。美国先进硅公司和哈姆洛克公司产能均达6000t/a，德国瓦克化学公司和日本德山曹达公司产能超过3000t/a，日本三菱高纯硅公司、美国MEMC公司和三菱多晶硅公司产能超过1000t/a，绝大多数世界市场由上述7家公司占有。

2000年全球多晶硅需求为22 000t，达到峰值，随后全球半导体市场滑坡;2001年多晶硅实际产量为17 900t，为产能的75%左右。全球多晶硅市场供大于求，随着半导体市场的恢复和太阳能用多晶硅的增长，多晶硅供需将逐步平衡。 我国多晶硅严重短缺。我国多晶硅工业起步于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。2001年生产量为80t[7]，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。

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，使我国拥有了多晶硅生产的自主知识产权。该厂正在积极进行1000t/a多晶硅项目建设的前期工作。洛阳单晶硅厂拟将多晶硅产量扩建至300t/a，目前处在可行性研究阶段。

3.3 非晶体硅

非晶硅是一种直接能带半导体，它的结构内部有许多所谓的“悬键”，也就是没有和周围的硅原子成键的电子，这些电子在电场作用下就可以产生电流，并不需要声子的帮助，因而非晶硅可以做得很薄，还有制作成本低的优点。

在70年代确实有过制备非晶硅的沸沸扬扬的高潮。事实上，非晶硅光电池已经广为使用，例如许多太阳能计算器、太阳能手表、园林路灯和汽车太阳能顶罩等就是用非晶硅作为光电池的基本材料的。但是目前市场上最大量使用的太阳能电池（特别是屋顶太阳能电池）仍然是晶体硅光电池而不是非晶硅光电池。 4 结语

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。

参考文献

[1] 师昌绪.材料大辞典[M].北京:化学工业出版社，1994:13~14

[2] 蓬勃发展的中国电子信息产业.信息产业部电子信息产品管理司司长张琪在“IC China 2003”上的主题报告

[3] 梁春广.GaN-第三代半导体的曙光.新材料产业，2000，5:31~36

[4] 李国强.第三代半导体材料.新材料产业，2002, 6:14~17

[5] 万群，钟俊辉.电子信息材料[M].北京:冶金工业出版社，1990:12

[6] 中国电子工业年鉴编委会.中国电子工业年鉴2002[M]. 北京:电子工业出版社，2002:293~299

[7] 电子信息材料咨询研究组编.电子信息材料咨询报告[M].北京:电子工业出版社，2000:15~42