半導體材料的發(fā)展歷程和應用領(lǐng)域

半導體材料經(jīng)歷幾代的發(fā)展:

第一代半導體是“元素半導體”，典型如硅基和鍺基半導體。其中以硅基半導體技術(shù)較成熟，應用也較廣，一般用硅基半導體來代替元素半導體的名稱。硅基半導體器件的頻率只能做到10GHz，硅基半導體集成電路芯片最小設(shè)計線寬己經(jīng)達到0.13μm，到2015年，最小線寬將達到0.07μm。

第二代半導體材料是化合物半導體。化合物半導體是以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）和氮化鎵(GaN)等為代表，包括許多其它III-V族化合物半導體。這些化合物中，商業(yè)半導體器件中用得最多的是砷化鎵（GaAs）和磷砷化鎵（GaAsP），磷化銦（InP），砷鋁化鎵（GaAlAs）和磷鎵化銦（InGaP）。其中以砷化鎵技術(shù)較成熟，應用也較廣。

化合物半導體不同於硅半導體的性質(zhì)主要有二: 一是化合物半導體的電子遷移率較硅半導體快許多，因此適用于高頻傳輸，在無線電通訊如手機、基地臺、無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星通訊、衛(wèi)星定位等皆有應用；二是化合物半導體具有直接帶隙，這是和硅半導體所不同的，因此化合物半導體可適用發(fā)光領(lǐng)域，如發(fā)光二極管(LED)、激光二極管(LD)、光接收器(PIN)及太陽能電池等產(chǎn)品。可用于制造超高速集成電路、微波器件、激光器、光電以及抗輻射、耐高溫等器件，對國防、航天和高技術(shù)研究具有重要意義。

目前化合物半導體器件工作頻率已經(jīng)達到100GHz，線寬達到亞微米，并帶動了異質(zhì)結(jié)技術(shù)的發(fā)展，使之成為微波/毫米波的主流。通過進一步的努力，化合物半導體器件的工作頻率將可以得到進一步提高。

通過反應爐的應用和高度的自動化，實現(xiàn)了外延工藝的改進，從而提高了化合物半導體的產(chǎn)量和經(jīng)濟效益。

化合物半導體產(chǎn)業(yè)在當前主要是指砷化鎵（族）外延磊晶片生長和IC芯片集成，氮化鎵（族）半導體照明LED和砷化鎵（族）光儲存LD外延磊晶片生長、芯片制作以及封裝、模塊的生產(chǎn)運營，同時還包括與之相關(guān)的廣泛的應用產(chǎn)業(yè)。

磊晶、芯片是化合物半導體產(chǎn)品的上游產(chǎn)業(yè)，主要是采用 MBE和MOCVD 技術(shù)生長的化合物半導體外延片，和經(jīng)過制作而成的芯片。

器件是化合物半導體產(chǎn)品的中游產(chǎn)業(yè)，典型產(chǎn)品包括激光二極管、半導體發(fā)光二極管、探測器件、微波器件、開關(guān)元件、功率器件等等，器件封裝和組裝是關(guān)鍵技術(shù)。

應用模塊與整機是化合物半導體產(chǎn)品的下游產(chǎn)業(yè)，典型產(chǎn)品包括光收發(fā)模塊、微波通信產(chǎn)品、半導體照明產(chǎn)品、光存儲產(chǎn)品、光顯示產(chǎn)品等等。

當前化合物半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展主要體現(xiàn)在六個方面：

第一、半導體照明技術(shù)的迅猛發(fā)展。

基于半導體發(fā)光二極管 (LED) 的半導體光源具有體積小、發(fā)熱量低、耗電量小、壽命長、反應速度快、環(huán)保、耐沖擊不易破、廢棄物可回收，沒有污染，可平面封裝、易開發(fā)成輕薄短小產(chǎn)品等優(yōu)點，具有重大的經(jīng)濟技術(shù)價值和市場前景。特別是基于 LED 的半導體照明產(chǎn)品具有高效節(jié)能、綠色環(huán)保優(yōu)點，在全球能源資源相當有限和保護環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的雙重背景下，將在世界范圍內(nèi)引發(fā)一場劃時代的照明革命，成為繼白熾燈，熒光燈之后的新一代電光源，進入到千家萬戶。目前LED已廣泛用于大屏幕顯示、交通信號燈、手機背光源等，開始應用于城市夜景美化亮化、景觀燈、地燈、手電筒、指示牌等，隨著單個LED亮度和發(fā)光效率的提高，即將進入普通室內(nèi)照明、臺燈、筆記本電腦背光源、LCD顯示器背光源等，因而具有廣闊的應用前景和巨大的商機。 2001年，白光二極管的使用量有2億個，2002年有6億個的使用量，2003年急速擴大到12億個，從2004年開始，還會有更為可觀的市場規(guī)模突破。第二、消費類光電子，光存貯、數(shù)字電視以及全球家用電子產(chǎn)品裝備無線控制和數(shù)據(jù)連接的比例越來越高，音視頻裝置日益無線化。

消費類光電子，光存貯、數(shù)字電視以及全球家用電子產(chǎn)品裝備無線控制和數(shù)據(jù)連接的比例越來越高，音視頻裝置日益無線化。再加上筆記本電腦的普及，這類產(chǎn)品的市場為化合物半導體產(chǎn)品的應用帶來了龐大的新市場。

第三、汽車光電子市場，目前汽車防撞雷達己在很多高檔車上得到了實用，將來肯定會越來越普及。

汽車光電子市場，目前汽車防撞雷達己在很多高檔車上得到了實用，將來肯定會越來越普及。由于汽車防撞雷達一般工作在毫米波段，所以肯定離不開砷化鎵甚至磷化銦，它的中頻部分才會用到鍺硅，由于全球汽車工業(yè)十分龐大，所以這是一個早晚必定會發(fā)生的巨大市場。

第四、新一代光纖通信技術(shù)。

新一代的40Gbps光通信設(shè)備不久肯定會開始裝備，4OGbps的光通信設(shè)備會代替 25Gbps設(shè)備投入大量使用。而這些設(shè)備中將大量使用磷化銦、砷化鎵、鍺硅等化合物半導體集成電路。

第五、移動通信技術(shù)正在不斷朝有利于化合物半導體產(chǎn)品的方向發(fā)展。

移動通信技術(shù)正在不斷朝有利于化合物半導體產(chǎn)品的方向發(fā)展。目前二代半 (25G) 技術(shù)成為移動通信技術(shù)的主流，同時正在逐漸向第三代 (3G) 過渡。由于二代半技術(shù)對功放的效率和散熱有更高的要求，所以這對砷化鎵器件有利。3G 技術(shù)要求更高的工作頻率，更寬的帶寬和高線性，這也是對砷化鎵和鍺硅技術(shù)有利的。目前第四代(4G)的概念己明確提出來了。4G技術(shù)對手機有更高要求。它要求手機在樓內(nèi)可接入無線局域網(wǎng)(WLAN)，即可工作到2.4GHz和5.8GHz，在室外可在二代、二代半、三代等任意制式下工作。因此這是一種多功能、多頻段、多模式的移動終端。從系統(tǒng)小巧來說，當然會希望實現(xiàn)單芯片集成 (SOC)，但單一的硅技術(shù)無法在那么多功能和模式上都達到性能最優(yōu)。要把各種優(yōu)化性能的功能集成在一起， 只能用系統(tǒng)級封裝 (SIP)，即在同一封裝中用硅、鍺硅、砷化鎵等不同工藝來優(yōu)化實現(xiàn)不同功能，這就為砷化鎵的不斷發(fā)揮優(yōu)勢帶來了新的發(fā)展前景。

第六、軍用光電子

下圖是化合物半導體器件在手機上的應用示意圖:

盡管有這么多的優(yōu)點，砷化鎵也不會取代硅成為主流的半導體材料。其原因在于性能和制造難度之間的權(quán)衡。雖然砷化鎵電路非常快，但是大多數(shù)的電子產(chǎn)品不需要那么快的速度。在性能方面，砷化鎵如同鍺一樣沒有天然的氧化物。為了補償，必須在砷化鎵上淀積多層絕緣體。這樣就會導致更長的工藝時間和更低的產(chǎn)量。而且在砷化鎵中半數(shù)的原子是砷，對人類是很危險的。不幸的是，在正常的工藝溫度下砷會蒸發(fā)，這就額外需要抑制層或者加壓的工藝反應室。這些步驟延長了工藝時間，增加了成本。在晶體生長階段蒸發(fā)也會發(fā)生，導致晶體和晶圓不平整。這種不均勻性造成晶圓在工藝中容易折斷，而且也導致了大直徑的砷化鎵生產(chǎn)比硅落后。

盡管有這些問題，砷化鎵仍是一種重要的半導體材料，其應用也將繼續(xù)增多，而且在未來對計算機的性能可能有很大影響。