半導體材料的發展歷程和應用領域

半導體材料經歷幾代的發展:

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計線寬己經達到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）。其中以砷化鎵技術較成熟，應用也較廣。

化合物半導體不同於硅半導體的性質主要有二: 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、無線區域網絡、衛星通訊、衛星定位等皆有應用；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光領域，如發光二極管(LED)、激光二極管(LD)、光接收器(PIN)及太陽能電池等產品。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、航天和高技術研究具有重要意義。

目前化合物半導體器件工作頻率已經達到100GHz，線寬達到亞微米，并帶動了異質結技術的發展，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，實現了外延工藝的改進，從而提高了化合物半導體的產量和經濟效益。

化合物半導體產業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、模塊的生產運營，同時還包括與之相關的廣泛的應用產業。

磊晶、芯片是化合物半導體產品的上游產業，主要是采用 MBE和MOCVD 技術生長的化合物半導體外延片，和經過制作而成的芯片。

器件是化合物半導體產品的中游產業，典型產品包括激光二極管、半導體發光二極管、探測器件、微波器件、開關元件、功率器件等等，器件封裝和組裝是關鍵技術。

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

當前化合物半導體產業的發展主要體現在六個方面：

第一、半導體照明技術的迅猛發展。

基于半導體發光二極管 (LED) 的半導體光源具有體積小、發熱量低、耗電量小、壽命長、反應速度快、環保、耐沖擊不易破、廢棄物可回收，沒有污染，可平面封裝、易開發成輕薄短小產品等優點，具有重大的經濟技術價值和市場前景。特別是基于 LED 的半導體照明產品具有高效節能、綠色環保優點，在全球能源資源相當有限和保護環境可持續發展的雙重背景下，將在世界范圍內引發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亮度和發光效率的提高，即將進入普通室內照明、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模突破。第二、消費類光電子，光存貯、數字電視以及全球家用電子產品裝備無線控制和數據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、數字電視以及全球家用電子產品裝備無線控制和數據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，這類產品的市場為化合物半導體產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，由于全球汽車工業十分龐大，所以這是一個早晚必定會發生的巨大市場。

第四、新一代光纖通信技術。

新一代的40Gbps光通信設備不久肯定會開始裝備，4OGbps的光通信設備會代替 25Gbps設備投入大量使用。而這些設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、移動通信技術正在不斷朝有利于化合物半導體產品的方向發展。

移動通信技術正在不斷朝有利于化合物半導體產品的方向發展。目前二代半 (25G) 技術成為移動通信技術的主流，同時正在逐漸向第三代 (3G) 過渡。由于二代半技術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有利的。目前第四代(4G)的概念己明確提出來了。4G技術對手機有更高要求。它要求手機在樓內可接入無線局域網(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。從系統小巧來說，當然會希望實現單芯片集成 (SOC)，但單一的硅技術無法在那么多功能和模式上都達到性能最優。要把各種優化性能的功能集成在一起， 只能用系統級封裝 (SIP)，即在同一封裝中用硅、鍺硅、砷化鎵等不同工藝來優化實現不同功能，這就為砷化鎵的不斷發揮優勢帶來了新的發展前景。

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衡。雖然砷化鎵電路非常快，但是大多數的電子產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量。而且在砷化鎵中半數的原子是砷，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，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也會發生，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，其應用也將繼續增多，而且在未來對計算機的性能可能有很大影響。