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① 半導體材料的應用及發展趨勢

半導體材料(semiconctormaterial)是一類具有半導體性能(導電能力介於導體與絕緣體之間，電阻率約在1mΩ·cm～1GΩ·cm范圍內)、可用來製作半導體器件和集成電路的電子材料。

一、半導體材料主要種類

半導體材料可按化學組成來分，再將結構與性能比較特殊的非晶態與液態半導體單獨列為一類。按照這樣分類方法可將半導體材料分為元素半導體、無機化合物半導體、有機化合物半導體和非晶態與液態半導體。

1、元素半導體：在元素周期表的ⅢA族至ⅦA族分布著11種具有半導性半導體材料的元素，下表的黑框中即這11種元素半導體,其中C表示金剛石。C、P、Se具有絕緣體與半導體兩種形態;B、Si、Ge、Te具有半導性;Sn、As、Sb具有半導體與金屬兩種形態。P的熔點與沸點太低,Ⅰ的蒸汽壓太高、容易分解，所以它們的實用價值不大。As、Sb、Sn的穩定態是金屬，半導體是不穩定的形態。B、C、Te也因制備工藝上的困難和性能方面的局限性而尚未被利用。因此這11種元素半導體中只有Ge、Si、Se3種元素已得到利用。Ge、Si仍是所有半導體材料中應用最廣的兩種材料。

（半導體材料）

2、無機化合物半導體：分二元系、三元系、四元系等。二元系包括：①Ⅳ-Ⅳ族:SiC和Ge-Si合金都具有閃鋅礦的結構。②Ⅲ-Ⅴ族:由周期表中Ⅲ族元素Al、Ga、In和V族元素P、As、Sb組成，典型的代表為GaAs。它們都具有閃鋅礦結構,它們在應用方面僅次於Ge、Si,有很大的發展前途。③Ⅱ-Ⅵ族:Ⅱ族元素Zn、Cd、Hg和Ⅵ族元素S、Se、Te形成的化合物，是一些重要的光電材料。ZnS、CdTe、HgTe具有閃鋅礦結構。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具有閃鋅礦結構。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等是重要的溫差電材料。⑥第四周期中的B族和過渡族元素Cu、Zn、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni的氧化物,為主要的熱敏電阻材料。⑦某些稀土族元素Sc、Y、Sm、Eu、Yb、Tm與Ⅴ族元素N、As或Ⅵ族元素S、Se、Te形成的化合物。除這些二元系化合物外還有它們與元素或它們之間的固溶體半導體，例如Si-AlP、Ge-GaAs、InAs-InSb、AlSb-GaSb、InAs-InP、GaAs-GaP等。研究這些固溶體可以在改善單一材料的某些性能或開辟新的應用范圍方面起很大作用。

（半導體材料元素結構圖）

半導體材料

三元系包括：族:這是由一個Ⅱ族和一個Ⅳ族原子去替代Ⅲ-Ⅴ族中兩個Ⅲ族原子所構成的。例如ZnSiP2、ZnGeP2、ZnGeAs2、CdGeAs2、CdSnSe2等。族：這是由一個Ⅰ族和一個Ⅲ族原子去替代Ⅱ-Ⅵ族中兩個Ⅱ族原子所構成的,如CuGaSe2、AgInTe2、AgTlTe2、CuInSe2、CuAlS2等。：這是由一個Ⅰ族和一個Ⅴ族原子去替代族中兩個Ⅲ族原子所組成,如Cu3AsSe4、Ag3AsTe4、Cu3SbS4、Ag3SbSe4等。此外，還有它的結構基本為閃鋅礦的四元系(例如Cu2FeSnS4)和更復雜的無機化合物。

3、有機化合物半導體：已知的有機半導體有幾十種，熟知的有萘、蒽、聚丙烯腈、酞菁和一些芳香族化合物等，它們作為半導體尚未得到應用。

4、非晶態與液態半導體：這類半導體與晶態半導體的最大區別是不具有嚴格周期性排列的晶體結構。

二、半導體材料實際運用

制備不同的半導體器件對半導體材料有不同的形態要求，包括單晶的切片、磨片、拋光片、薄膜等。半導體材料的不同形態要求對應不同的加工工藝。常用的半導體材料制備工藝有提純、單晶的制備和薄膜外延生長。

半導體材料所有的半導體材料都需要對原料進行提純，要求的純度在6個「9」以上，最高達11個「9」以上。提純的方法分兩大類，一類是不改變材料的化學組成進行提純，稱為物理提純;另一類是把元素先變成化合物進行提純，再將提純後的化合物還原成元素，稱為化學提純。物理提純的方法有真空蒸發、區域精製、拉晶提純等，使用最多的是區域精製。化學提純的主要方法有電解、絡合、萃取、精餾等，使用最多的是精餾。由於每一種方法都有一定的局限性，因此常使用幾種提純方法相結合的工藝流程以獲得合格的材料。

（半導體材料）

絕大多數半導體器件是在單晶片或以單晶片為襯底的外延片上作出的。成批量的半導體單晶都是用熔體生長法製成的。直拉法應用最廣，80%的硅單晶、大部分鍺單晶和銻化銦單晶是用此法生產的，其中硅單晶的最大直徑已達300毫米。在熔體中通入磁場的直拉法稱為磁控拉晶法，用此法已生產出高均勻性硅單晶。在坩堝熔體表面加入液體覆蓋劑稱液封直拉法，用此法拉制砷化鎵、磷化鎵、磷化銦等分解壓較大的單晶。懸浮區熔法的熔體不與容器接觸，用此法生長高純硅單晶。水平區熔法用以生產鍺單晶。水平定向結晶法主要用於制備砷化鎵單晶，而垂直定向結晶法用於制備碲化鎘、砷化鎵。用各種方法生產的體單晶再經過晶體定向、滾磨、作參考面、切片、磨片、倒角、拋光、腐蝕、清洗、檢測、封裝等全部或部分工序以提供相應的晶片。

在單晶襯底上生長單晶薄膜稱為外延。外延的方法有氣相、液相、固相、分子束外延等。工業生產使用的主要是化學氣相外延，其次是液相外延。金屬有機化合物氣相外延和分子束外延則用於制備量子阱及超晶格等微結構。非晶、微晶、多晶薄膜多在玻璃、陶瓷、金屬等襯底上用不同類型的化學氣相沉積、磁控濺射等方法製成。

三、半導體材料發展現狀

相對於半導體設備市場，半導體材料市場長期處於配角的位置，但隨著晶元出貨量增長，材料市場將保持持續增長，並開始擺脫浮華的設備市場所帶來的陰影。按銷售收入計算，

半導體材料日本保持最大半導體材料市場的地位。然而台灣、ROW、韓國也開始崛起成為重要的市場，材料市場的崛起體現了器件製造業在這些地區的發展。晶圓製造材料市場和封裝材料市場雙雙獲得增長，未來增長將趨於緩和，但增長勢頭仍將保持。

（半導體材料）

美國半導體產業協會(SIA)預測，2008年半導體市場收入將接近2670億美元，連續第五年實現增長。無獨有偶，半導體材料市場也在相同時間內連續改寫銷售收入和出貨量的記錄。晶圓製造材料和封裝材料均獲得了增長，預計今年這兩部分市場收入分別為268億美元和199億美元。

日本繼續保持在半導體材料市場中的領先地位，消耗量占總市場的22%。2004年台灣地區超過了北美地區成為第二大半導體材料市場。北美地區落後於ROW(RestofWorld)和韓國排名第五。ROW包括新加坡、馬來西亞、泰國等東南亞國家和地區。許多新的晶圓廠在這些地區投資建設，而且每個地區都具有比北美更堅實的封裝基礎。

晶元製造材料佔半導體材料市場的60%，其中大部分來自硅晶圓。硅晶圓和光掩膜總和占晶圓製造材料的62%。2007年所有晶圓製造材料，除了濕化學試劑、光掩模和濺射靶，都獲得了強勁增長，使晶圓製造材料市場總體增長16%。2008年晶圓製造材料市場增長相對平緩，增幅為7%。預計2009年和2010年，增幅分別為9%和6%。

半導體材料市場發生的最重大的變化之一是封裝材料市場的崛起。1998年封裝材料市場佔半導體材料市場的33%，而2008年該份額預計可增至43%。這種變化是由於球柵陣列、晶元級封裝和倒裝晶元封裝中越來越多地使用碾壓基底和先進聚合材料。隨著產品便攜性和功能性對封裝提出了更高的要求，預計這些材料將在未來幾年內獲得更為強勁的增長。此外，金價大幅上漲使引線鍵合部分在2007年獲得36%的增長。

與晶圓製造材料相似，半導體封裝材料在未來三年增速也將放緩，2009年和2010年增幅均為5%，分別達到209億美元和220億美元。除去金價因素，且碾壓襯底不計入統計，實際增長率為2%至3%。

四、半導體材料戰略地位

20世紀中葉，單晶硅和半導體晶體管的發明及其硅集成電路的研製成功，導致了電子工業革命;20世紀70年代初石英光導纖維材料和GaAs激光器的發明，促進了光纖通信技術迅速發展並逐步形成了高新技術產業，使人類進入了信息時代。超晶格概念的提出及其半導體超晶格、量子阱材料的研製成功，徹底改變了光電器件的設計思想，使半導體器件的設計與製造從「雜質工程」發展到「能帶工程」。納米科學技術的發展和應用，將使人類能從原子、分子或納米尺度水平上控制、操縱和製造功能強大的新型器件與電路，深刻地影響著世界的政治、經濟格局和軍事對抗的形式，徹底改變人們的生活方式

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