半导体材料的发展现状及趋势概要

半导体材料发展现实状况及趋势半导体材料的发展现状及趋势概要第1页半导体材料是指电阻率在10-3~108Ωcm，介于金属和绝缘体之间材料。半导体材料是制作晶体管、集成电路、电力电子器件、光电子器件主要基础材料，支撑着通信、计算机、信息家电与网络技术等电子信息产业发展。半导体材料的发展现状及趋势概要第2页电子信息产业规模最大是美国。近几年来，中国电子信息产品以举世瞩目标速度发展，中国电子信息产业销售收入1.88万亿元，折合2200～2300亿美元，产业规模已超出日本位居世界第二（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主要标志。半导体材料的发展现状及趋势概要第3页在半导体产业发展中，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；将宽禁带(Eg>2.3eV)氮化镓、碳化硅、硒化锌和金刚石等称为第三代半导体材料。上述材料是当前主要应用半导体材料，三代半导体材料代表品种分别为硅、砷化镓和氮化镓。半导体材料的发展现状及趋势概要第4页材料物理性质是产品应用基础，表1列出了主要半导体材料物理性质及应用情况。表中禁带宽度决定发射光波长，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高频工作性能，饱和速率决定半导体高压条件下高频工作性能。半导体材料的发展现状及趋势概要第5页表1主要半导体材料比较

材料SiGaAsGaN物理性质禁带宽度（ev）1.11.43.4饱和速率（×10-7cm/s）1.02.12.7热导（W/c·K）1.30.62.0击穿电压（M/cm）0.30.45.0电子迁移速率（cm2/V·s用情况光学应用无红外蓝光/紫外高频性能差好好高温性能中差好发展阶段成熟发展中早期相对制造成本低高高半导体材料的发展现状及趋势概要第6页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，处在成熟发展阶段。目前，硅材料仍是电子信息产业最主要基础材料，95%以上半导体器件和99%以上集成电路(IC)是用硅材料制作。在二十一世纪，它主导和核心地位仍不会动摇。不过硅材料物理性质限制了其在光电子和高频高功率器件上应用。半导体材料的发展现状及趋势概要第7页砷化镓材料电子迁移率是硅6倍多，其器件含有硅器件所不含有高频、高速和光电性能，并可在同一芯片同时处理光电信号，被公认是新一代通信用材料。伴随高速信息产业蓬勃发展，砷化镓成为继硅之后发展最快、应用最广、产量最大半导体材料。同时，其在军事电子系统中应用日益广泛，并占据不可取代主要地位。半导体材料的发展现状及趋势概要第8页从表1看出，选择宽带隙半导体材料主要理由是显而易见。氮化镓热导率显著高于常规半导体。这一属性在高功率放大器和激光器中是很起作用。带隙大小本身是热生率主要贡献者。在任意给定温度下，宽带隙材料热生率比常规半导体小10～14个数量级。这一特征在电荷耦合器件、新型非易失性高速存放器中起很大作用，并能实质性地减小光探测器暗电流。半导体材料的发展现状及趋势概要第9页宽带隙半导体材料高介电强度最适适用于高功率放大器、开关和二极管。宽带隙材料相对介电常数比常规材料要小，因为对寄生参数影响小，这对毫米波放大器而言是有利用价值。电荷载流子输运特征是许多器件尤其是工作频率为微波、毫米波放大器一个主要特征。半导体材料的发展现状及趋势概要第10页宽带隙半导体材料电子迁移率普通没有多数通用半导体高，其空穴迁移率普通较高，金刚石则很高。宽带隙材料高电场电子速度(饱和速度)普通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首选者。半导体材料的发展现状及趋势概要第11页

氮化镓材料禁带宽度为硅材料3倍多，其器件在大功率、高温、高频、高速和光电子应用方面含有远比硅器件和砷化镓器件更为优良特征，可制成蓝绿光、紫外光发光器件和探测器件。半导体材料的发展现状及趋势概要第12页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硅半导体材料相比，第三代半导体材料当前面临最主要挑战是发展适合氮化镓薄膜生长低成本衬底材料和大尺寸氮化镓体单晶生长工艺。半导体材料的发展现状及趋势概要第13页主要半导体材料用途如表2所表示。能够预见：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主流。半导体材料的发展现状及趋势概要第14页表2

半导体材料主要用途材料名称制作器件主要用途硅二极管、晶体管通讯、雷达、广播、电视、自动控制集成电路各种计算机、通讯、广播、自动控制、电子钟表、仪表整流器整流晶闸管整流、直流输配电、电气机车、设备自控、高频振荡器射线探测器原子能分析、光量子检测太阳能电池太阳能发电砷化镓各种微波管雷达、微波通讯、电视、移动通讯激光管光纤通讯红外发光管小功率红外光源霍尔元件磁场控制激光调制器激光通讯高速集成电路高速计算机、移动通讯太阳能电池太阳能发电氮化镓激光器件光学存放、激光打印机、医疗、军事应用发光二极管信号灯、视频显示、微型灯泡、移动电话紫外探测器分析仪器、火焰检测、臭氧监测集成电路通讯基站（功放器件）、永远性内存、电子开关、导弹半导体材料的发展现状及趋势概要第15页二、半导体材料发展现实状况半导体材料的发展现状及趋势概要第16页1、半导体硅材料

从当前电子工业发展来看，尽管有各种新型半导体材料不停出现，半导体硅材料以丰富资源、优质特征、日臻完善工艺以及广泛用途等综合优势而成为了当代电子工业中应用最多半导体材料。半导体材料的发展现状及趋势概要第17页硅硅是集成电路产业基础，半导体材料中98％是硅。半导体器件95%以上是用硅材料制作，90%以上大规模集成电路(LSI)、超大规模集成电路(VLSI)、甚大规模集成电路(ULSI)都是制作在高纯优质硅抛光片和外延片上。硅片被称作集成电路关键材料，硅材料产业发展和集成电路发展紧密相关。半导体材料的发展现状及趋势概要第18页硅半导体硅材料自从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%速度增加。当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。能够说在未来30～50年内，硅材料仍将是LSI工业最基础和最主要功效材料。电子工业发展历史表明，没有半导体硅材料发展，就不可能有集成电路、电子工业和信息技术发展。

半导体材料的发展现状及趋势概要第19页硅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(FZ-Si)当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。半导体材料的发展现状及趋势概要第20页硅经过多年发展和竞争，国际硅材料行业出现了垄断性企业，日本、德国和美国六大硅片企业销量占硅片总销量90%以上，其中信越、瓦克、SUMCO和MEMC四家销售额占世界硅片销售额70%以上，决定着国际硅材料价格和高端技术产品市场，其中以日本硅材料产业最大，占据了国际硅材料行业半壁江山。半导体材料的发展现状及趋势概要第21页硅在集成电路用硅片中，8英寸硅片占主流，约40～50％，6英寸硅片占30％。当硅片直径从8英寸到12英寸时，每片硅片芯片数增加2.5倍，成本约降低30％，所以，国际大企业都在发展12英寸硅片，产量将到达13.4亿平方英寸，将占总产量20%左右。当代微电子工业对硅片关键参数要求如表3所表示。半导体材料的发展现状及趋势概要第22页表3

当代微电子工业对硅片关键参数要求首批产品预计生产年份工艺代（特征尺寸/nm）100705030晶片尺寸/mm300300300450去边/mm1111正表面颗粒和COP尺寸/mm50352525颗粒和COP密度/mm-20.100.100.100.10表面临界金属元素密度/109at.mm-2≤4.9≤4.2≤3.6≤3.0局部平整度/nm100706035中心氧含量/×1017cm-3±9.0/15.5±9.0/15.5±9.0/15.5±9.0/15.5Fe浓度/1010cm-3<1<1<1<1复合寿命/μs≥325≥350≥350≥400半导体材料的发展现状及趋势概要第23页（1）多晶硅

多晶硅是制备单晶硅和太阳能电池原料。半导体级多晶硅生产技术现多采取改良西门子法，这种方法主要技术是：（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热损失；（2）炉内壁加工成镜面，使辐射热反射，降低散热；（3）提升炉内压力，提升反应速度等办法；（4）在大型不锈钢金属反应炉内使用100根以上金属丝。半导体材料的发展现状及趋势概要第24页单位电耗由过去每千克300度降低到80度。多晶硅产量由改良前每炉次100～200千克提升到5～6吨。其显著特点是：能耗低、产量高、质量稳定。表4给出了德国瓦克企业多晶硅质量指标数据。半导体材料的发展现状及趋势概要第25页表4

多晶硅质量指标

项目免洗料酸腐蚀料纯度及电阻率施

主（P、As、Sb）max150pptamax150pptamin500Ωcmmin500Ωcm受

主（B、Al）max50pptamax50pptamin500Ωcmmin500Ωcm碳max100ppbamax100ppba体金属总量（Fe、Cu、Ni、Cr、Zn）max500pptwmax500pptw表面金属Femax5000pptwmax500pptw/250pptaCumax1000pptwmax50pptw/25pptaNimax1000pptwmax100pptw/50pptaCrmax1000pptwmax100pptw/55ppta半导体材料的发展现状及趋势概要第26页多晶硅1998年，多晶硅生产厂商预计半导体行业将快速增加，所以大量扩张产能。然而，半导体行业并未出现预期高速增加，多晶硅需求急剧下降，结果造成多晶硅产能严重过剩。以前，多晶硅供大于求，年多晶硅供需到达平衡，20，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产量。半导体材料的发展现状及趋势概要第27页多晶硅当前全世界每年消耗约2吨半导体级多晶硅，世界多晶硅年生产能力约为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80％以上。其中，美国哈姆洛克企业产能达6500t/a，德国瓦克化学企业和日本德山曹达企业产能超出4500t/a，美国MEMC企业产能超出2500t/a。半导体材料的发展现状及趋势概要第28页多晶硅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。因为技术水平低、生产规模太小、环境污染严重、生产成本高，当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。中国多晶硅产能为100吨/年，实际产量是70～80吨，仅占世界产量0.4%，与当今信息产业高速发展和多晶硅市场需求急剧增加极不协调。我国这种多晶硅供不应求局面还将连续下去。据教授预测，中国多晶硅年需求量约为756吨，年为1302吨，市场前景十分巨大。半导体材料的发展现状及趋势概要第29页多晶硅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100t/a规模多晶硅工业性生产示范线，提升了各项经济技术指标，同时该厂正在主动进行1000t/a多晶硅项目建设前期工作。洛阳单晶硅厂将多晶硅产量扩建至300t/a。半导体材料的发展现状及趋势概要第30页多晶硅未来多晶硅发展方向是深入降低各种杂质含量，提升多晶硅纯度并保持其均匀性，稳定提升多晶硅整体质量和扩大供给量，以缓解供需矛盾。另外，在单晶大直径化发展过程中，坩埚增大直径是有一定程度。对此，未来粒状多晶硅将可能逐步扩大供需量。半导体材料的发展现状及趋势概要第31页（2）单晶硅和外延片

生产单晶硅工艺主要采取直拉法(CZ)、区熔法(FZ)、磁场直拉法(MCZ)以及双坩埚拉晶法。CZ、FZ和MCZ单晶各自适合用于不一样电阻率范围器件，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国家MCZ技术发展较快。对单晶主要质量要求是降低各种有害杂质含量和微缺点，依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。半导体材料的发展现状及趋势概要第32页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企业，小型企业已经极难插手其中。

国际市场单晶硅产量排名前5位企业分别是日本信越化学企业（Shin-Etsu）、德瓦克化学企业（Wacker）、日本住友金属企业（Sumitomo）、美国MEMC企业和日本三菱材料企业。这5家企业硅晶片销售总额为51.47亿元，占全球销售额79.1%，其中3家日本企业占据了市场份额50.7%，表明日本在全球硅晶片行业中占据了主导地位。半导体材料的发展现状及趋势概要第33页集成电路高集成度、微型化和低成本要求对半导体单晶材料电阻率均匀性、金属杂质含量、微缺点、晶片平整度、表面洁净度等提出了愈加苛刻要求，晶片大尺寸和高质量成为必定趋势。当前全球主流硅晶片已由直径8英寸逐步过渡到12英寸晶片，研制水平已到达16英寸。半导体材料的发展现状及趋势概要第34页中国半导体材料行业经过四十多年发展已取得相当大进展，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。伴随半导体分立元件和硅光电池用低级和廉价硅材料需求增加，中国单晶硅产量逐年增加。据统计，我国半导体硅材料销售额达9.06亿元，年均增加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英寸正片已供给集成电路企业，8英寸主要用作陪片。半导体材料的发展现状及趋势概要第35页单晶硅出口比重大，出口额为4648万美元，占总销售额42.6%，较增加了5.3%。当前，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F8英寸IC生产线有近10条之多，对大直径高质量硅晶片需求十分强劲，而国内供给显著不足，基本依赖进口，中国硅晶片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硅单晶和IC技术面临着巨大机遇和挑战。半导体材料的发展现状及趋势概要第36页国内从事硅单晶材料硕士产企业约有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企业、宁波立立电子企业、洛阳单晶硅厂、万向硅峰电子材料企业、上海晶华电子材料企业、峨眉半导体材料厂、河北宁晋半导体材料企业等。半导体材料的发展现状及趋势概要第37页有研硅股在大直径硅单晶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，单晶硅在国内市场拥有率为40%。国内硅单晶产量达1000吨左右，销售额突破11亿元，平均年增加率为27.5%，年我国硅单晶产量可达1400吨左右。半导体材料的发展现状及趋势概要第38页随着集成电路特征线宽尺寸不断减小，对硅片要求越来越高，控制单晶原生缺陷变得愈来愈困难，所以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，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生产企业有信越（日本）、三菱住友SUMCO（日本），MEMC（美国），瓦克（德国）等。半导体材料的发展现状及趋势概要第39页当前从事外延片硕士产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，不过因为技术、体制、资金等种种原因，中国硅材料企业技术水平要比发达国家落后约，硅外延情况也基本如此。当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。半导体材料的发展现状及趋势概要第40页在世界范围内8英寸和12英寸硅片依然是少数几家硅片供给商拳头产品，他们有自己专有生产技术，为世界提供了大部分制造集成电路用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改变，这些大企业12英寸外延片已量产化，当前国外8英寸外延片价格约45美元/片，而12英寸外延片价格就高多，其经济效益还是很可观。半导体材料的发展现状及趋势概要第41页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基础材料，为直接带隙，含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，尤其在光电子器件和光电集成方面占有独特优势。半导体材料的发展现状及趋势概要第42页当前，世界砷化镓单晶总年产量已超出200吨(日本1999年砷化镓单晶生产量为94吨)。用于大量生产砷化镓晶体方法是传统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HB方法生长2～3英寸导电砷化镓衬底材料为主。半导体材料的发展现状及趋势概要第43页表5

GaAs单晶生产方法比较

工艺特点LECHBVGFVBVCZ工艺水平低位错差好很好很好好位错均匀性差中等好好好长尺寸好差好好很好大直径好差好好很好监控好好差差差位错密度（cm-2）104～105102～102102102103生产水平直径（英寸）3、4、62、32～62～64、6位错密度（cm-2）﹥1×104≤1×103≈5×103≈5×103≈5×103迁移率（cm2/(v·s)）6000~7000————生产规模规模生产规模生产批量生产批量生产试制半导体材料的发展现状及趋势概要第44页移动电话用电子器件和光电器件市场快速增加要求，使全球砷化镓晶片市场以30%年增加率快速形成数十亿美元大市场，预计未来砷化镓市场都含有高增加性。日本是最大生产国和输出国，占世界市场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。半导体材料的发展现状及趋势概要第45页日本住友电工是世界最大砷化镓生产和销售商，年产GaAs单晶30t。美国AXT企业是世界最大VGFGaAs材料生产商。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%以上市场份额。研制和小批量生产水平到达8英寸。半导体材料的发展现状及趋势概要第46页近年来，为满足高速移动通信迫切需求，大直径(6～8英寸)Si-GaAs发展很快，4英寸70厘米长及6英寸35厘米长和8英寸半绝缘砷化镓(Si-GaAs)也在日本研制成功。磷化铟含有比砷化镓更优越高频性能，发展速度更加快，但研制直径4英寸以上大直径磷化铟单晶关键技术还未完全突破，价格居高不下。半导体材料的发展现状及趋势概要第47页砷化镓单晶材料发展趋势是：①增大晶体直径，目前4英寸Si-GaAs已用于大生产，预计直径为6英寸Si-GaAs在二十一世纪初也将投入工业应用；②提高材料电学和光学微区均匀性；③降低单晶缺陷密度，特别是位错；④砷化镓和磷化铟单晶VGF生长技术发展很快，很有可能成为主流技术。半导体材料的发展现状及趋势概要第48页

表6世界GaAs单晶主要生产厂家

企业名称住友电工住友矿山同和矿业日立电线昭和电工三菱化学CSIAXTHPMCPFreibuigerHB●○○○○○●

○

LEC●○●○○○

○○○VGF/VBDD○

D○●

注：●主要产品（大生产），○生产（大量，小规模），D开发中半导体材料的发展现状及趋势概要第49页（2）中国国内研究情况中国从上世纪60年代初开始研制砷化镓，近年来，伴随中科稼英半导体有限企业、北京圣科佳电子有限企业相继成立，中国化合物半导体产业迈上新台阶，走向更加快发展道路。半导体材料的发展现状及趋势概要第50页中科镓英企业成功拉制出中国第一根6.4千克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进展。半导体材料的发展现状及趋势概要第51页中国GaAs材料单晶以2～3英寸为主，4英寸处于产业化前期，研制水平达6英寸。当前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。即使中国是砷和镓资源大国，但仅能生产品位较低砷、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砷和镓原料要求达7N，基本靠进口处理。半导体材料的发展现状及趋势概要第52页中国国内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。半导体材料的发展现状及趋势概要第53页中科镓英起计划投入近2亿资金进行砷化镓材料产业化，早期计划规模为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，当前该项目仍在建设期。当前国内砷化镓材料主要由有研硅股供给，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同时，应重视含有独立知识产权技术和产品开发，发展砷化镓产业。半导体材料的发展现状及趋势概要第54页3、宽禁带氮化镓材料以Si和GaAs为代表传统半导体材料高速发展推进了微电子、光电子技术迅猛发展。然而受材料性能所限，用这些材料制成器件大都只能在200℃以下热环境下工作，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当代电子技术发展对高温、高频、高压以及抗辐射、能发射蓝光等提出新要求。半导体材料的发展现状及趋势概要第55页以氮化镓和碳化硅为代表第三代半导体材料含有禁带宽度大、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、良好化学稳定性等独特特征，它在光显示、光存放、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辽阔应用前景，成为半导体领域研究热点。半导体材料的发展现状及趋势概要第56页（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研究与开发。从当前国外对宽禁带半导体材料和器件研究情况来看，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。半导体材料的发展现状及趋势概要第57页国外对SiC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署了开发SiC材料和器件协议，并促成了在1987年建立专门研究SiC半导体Cree企业。九十年代初，美国国防部和能源部都把SiC集成电路列为重点项目，要求到在武器系统中要广泛使用SIC器件和集成电路，从此开始了相关SiC材料和器件系统研究，并取得了令人鼓舞进展。即当前为止，直径≥50mm含有良好性能半绝缘和掺杂材料已经商品化。半导体材料的发展现状及趋势概要第58页美国政府与西屋企业合作，投资450万美元开了3英寸纯度均匀、低缺点SiC单晶和外延材料。另外，制造SiC器件工艺如离子注入、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器件和集成电路快速发展。半导体材料的发展现状及趋势概要第59页因为SiC器件优势和实际需求，它已经显示出良好应用前景。航空、航天、治炼以及深井勘探等许多领域中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器件都显示良好温度性能。SiC含有较大禁带宽度，使得基于这种材料制成器件和电路能够满足在470K到970K条件下工作需要，当前有些研究水平已经到达970K工作温度，并正在研究更高工作温度器件和集成电路。当前SiC器件研究概况见表7。半导体材料的发展现状及趋势概要第60页表7

SiC器件研究概表SiCDevicesPowerMOSFET4H-SiCMESFET6H-SiCMESFET4H-SiCJFET6H-SiCJFETShottkydiodecomment600V，8Adevicesfabricatedfmax=42GHzfmax=25GHz,8.5dbat10GHzμeff=340cm2·V-1·S-1at300KEnhance-mentmodeOver1kVbreakdownat300KTm（K）673673673723873973注：Tm为Maximumoperatingtemperature半导体材料的发展现状及趋势概要第61页国外对SiC器件研究证实了SiC器件抗辐射能力。6H-SiC整流器抗电磁脉冲(EMP)能力最少是硅器件2倍。试验结果表明结型6H-SiC器件有较强抗下辐射能力。埋栅JFET在γ辐射条件下测试结果，总剂量100兆拉德条件下，跨导和夹断电压基本不变。半导体材料的发展现状及趋势概要第62页对125伏和410伏6H-SiCpn结整流器进行中子辐照试验，中子流从1013nA/cm2，到1015nA/cm2，时，辐照前后1000mA电流正向压降和雪崩击穿电压测试结果说明：含有高掺杂125伏整流器在正向电流400mA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%。半导体材料的发展现状及趋势概要第63页GaN在宽禁带半导体中也占有主导地位。GaN半导体材料商业应用研究始于1970年，其在高频和高温条件下能够激发蓝光特征一开始就吸引了半导体开发人员极大兴趣。但GaN生长技术和器件制造工艺直到近几年才取得了商业应用实质进步和突破。因为GaN半导体器件在光电子器件和光子器件领域辽阔应用前景，其广泛应用预示着光电信息乃至光子信息时代降临。半导体材料的发展现状及趋势概要第64页1993年日本日亚化学企业研制出第一支蓝光发光管，1995年该企业首先将GaN蓝光LED商品化，到1997年某市场份额已达1.43亿美元。据StrategiesUnlimited预测，GaN器件年增加率将高达44%，到其市场份额将达30亿美元。当前，日亚化学企业生产蓝光LED，峰值波长450nm，输出光为3mw，发光亮度2cd(Ip=20mA)。GaN绿光LED，峰值波长525nm，输出光功率为2mw，发光亮度6cd(Ip=20mA)。半导体材料的发展现状及趋势概要第65页日亚化学企业利用其GaN蓝光LED和磷光技术，又开发出白光固体发光器件产品，很快未来可替换电灯，既提升灯寿命，又大大地节约能源。所以，GaN越来越受到人们欢迎。半导体材料的发展现状及趋势概要第66页GaN蓝光激光器也被日亚企业首先开发成功，当前寿命已超出10000hr。与此同时，GaN电子器件发展也十分快速。当前GaNFET性能已到达ft=52GHz，fmax=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最高值。半导体材料的发展现状及趋势概要第67页在美国开展氮化镓高亮度LED和LD研究企业和大学有几十家之多，耗资上亿美元。美国APA光学企业1993年研制出世界上第一个氮化镓基HEMT器件。9月美国kyma企业利用AlN作衬底，开发出2英寸和4英寸GaN新工艺；年1月美国Nitronex企业在4英寸硅衬底上制造GaN基晶体管取得成功；GaN基器件和产品开发方兴未艾。半导体材料的发展现状及趋势概要第68页当前进入蓝光激光器开发企业包含飞利浦、索尼、日立、施乐和惠普等。包含飞利浦、通用等光照及汽车行业跨国企业正主动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企业包含Cree、RfmicroDevice以及Nitronex等企业。半导体材料的发展现状及趋势概要第69页当前，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产业开发，计划于-年取代白炽灯和日光灯，引发新照明革命。半导体材料的发展现状及趋势概要第70页据美国市场调研企业StrstegiesUnlimited分析数据，世界GaN器件市场靠近7亿美元，还处于发展早期。年世界GaN器件市场到达48亿美元销售额.半导体材料的发展现状及趋势概要第71页美国Cree企业因为其研究领先，主宰着整个碳化硅市场，几乎85%以上碳化硅衬底由Cree企业提供，90%以上生产在美国，亚洲只占4%，欧洲占2%。碳化硅衬底材料市场正在快速上升阶段，预计到，碳化硅衬底材料生产将到达60万片，其中90-95%被用于氮化镓基光电子器件作外延衬底。半导体材料的发展现状及趋势概要第72页当前在6H-SiC衬底上氮化镓微电子材料室温迁移率到达cm2/V·S，电子浓度到达1013cm-2。生长在碳化硅衬底上氮化镓基HEMT功率密度到达了10.3W/mm

(栅长0.6mm，栅宽300mm)，生长在碳化硅衬底上AlGaN/GaN

HEMT器件（栅长为0.12mm）特征频率ft

=

101GHz、最高振荡频率fmax

=155GHz。半导体材料的发展现状及趋势概要第73页与蓝宝石衬底材料相比，碳化硅衬底材料含有高热导率，晶格常数和热膨胀系数与氮化镓材料更为靠近，仅为3.5％（蓝宝石与氮化镓材料晶格失配度为17%），是一个更理想衬底材料。当前在碳化硅衬底上氮化镓微电子材料及器件研究是国际上热点，也是军用氮化镓基HEMT结构材料和器件首选衬底，但碳化硅衬底上材料十分昂贵。半导体材料的发展现状及趋势概要第74页（2）中国国内研究情况中国国内开展SiC、GaN材料和器件方面研究工作比较晚，和国外相比水平还比较低。国内已经有一些单位在开展SiC材料研究工作。到当前为止，2英寸、3英寸碳化硅衬底及外延材料已经商品化。当前研究重点主要是4英寸碳化硅衬底制备技术以及大面积、低位错密度碳化硅外延技术。半导体材料的发展现状及趋势概要第75页当前国内进行碳化硅单晶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单位有中科院半导体所、中国科技大学西安电子科大。半导体材料的发展现状及趋势概要第76页西安电子科技大学微电子研究所已经外延生长了6H-SiC，当前正在深入测试证实材料晶格结构情况。另外，还对材料性质和载流子输运进行了理论和试验研究，器件研究工作也取得了可喜进展。半导体材料的发展现状及趋势概要第77页采取国外进口材料成功地制造出肖特基二极管和我国第一只6HSiCMOSFET，肖特基二极管理想因子为123，开启电压为0.5伏。MOSFET跨导为0.36ms/mm，沟道电子迁移率为14cm2N·s。采取AL/NiCr制作欧姆接触比接触电阻为8.5×10-5/Ω·cm2，到达了能够应用于试验器件水平。半导体材料的发展现状及趋势概要第78页国内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研究工作，取得了一些含有国内领先水平、国际先进水平研究结果，可小批量提供AlGaN/GaN

HEM结构材料，一些单位采取该种材料研制出了AlGaN/GaN

HEM相关器件。半导体材料的发展现状及趋势概要第79页如：中科院微电子所研制出含有国内领先水平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。半导体材料的发展现状及趋势概要第80页因为碳化硅衬底上材料十分昂贵，当前国内氮化镓基高温半导体材料和器件研究主要在蓝宝石衬底上进行，因为蓝宝石与氮化镓材料晶格失配大、热导率低，所以，材料和器件性能均受到很大限制。半导体材料的发展现状及趋势概要第81页三、半导体材料发展趋势

电子信息材料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、多功效化和集成化方向发展。当前研究热点和技术前沿包含柔性晶体管、光子晶体、SiC、GaN、ZnSe等宽禁带半导体材料为代表第三代半导体材料、有机显示材料以及各种纳米电子材料等。半导体材料的发展现状及趋势概要第82页伴随电子学向光电子学、光子学前进，微电子材料在未来5～仍是最基本信息材料。电子、光电子功效单晶将向着大尺寸、高均匀性、晶格高完整性以及元器件向薄膜化、多功效化、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